激光干涉仪使用方法

用激光干涉仪系统进行精确的线性测量

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最佳操作及实践经验

1 简介

本文描述的最佳操作步骤及实践经验主要针对使用激光干涉仪校准机床如车床、铣床以及坐标测量机的线性精度。但是，文中描述的一般原则适用于所有情况。与激光测量方法相关的其它项目，如角度、平面度、直线度和平行度测量不包括在内，用于实现0.1微米即

0.1 ppm以下的短距离精度测量的特殊方法（如真空操作）也不包括在内。

微米是极小的距离测量单位。（1微米比一根头发的1/25还细。由于太细，所以肉眼无法看到，接近于传统光学显微镜的极限值）。可实现微米级及更高分辨率的数显表的广泛使用，为用户提供了令人满意的测量精度。尽管测量值在小数点后有很多位数，但并不表明都很精确。（在许多情况下精度比显示的分辨率低10-100倍）。实现1微米的测量分辨率很容易，但要得到1微米的测量精度需要特别注意一些细节。本文描述了可用于提高激光干涉仪测量精度的方法。

2 光学镜组的位置

光学镜的安放应保证其间距变化能够精确地反映待校准机器部件的线性运动，并且不受其它误差的影响。方法如下：

2.1 使Abbe（阿贝）偏置误差降至最低

激光测量光束应当与需要校准的准线重合（或尽量靠近）。例如，要校准车床Z轴的线性定位精度，应当对测量激光光束进行准直，使之靠近主轴中心线。（这样可以极大降低机床俯仰 (pitch) 或扭摆 (yaw) 误差对线性精度校准数据的影响。

2.2 将光学镜组固定牢靠

要尽量减小振动影响并提高测量稳定性，光学镜组应牢牢固定所需的测量点上。安装支柱应尽可能短，所有其它紧固件的横截面都应尽量牢固。磁力表座应直接夹到机床铸件上。

避免将其夹到横截面较薄的机器防护罩或外盖上。确保紧固件表面平坦并没有油污和灰尘。

2.3 将光学镜组直接固定在相关的点上

材料膨胀补偿通常只应用在与测量激光距离等长的材料路径长度上。如果测量回路还包括附加的结构，该“材料死程”的任何热膨胀或收缩或因承载而发生的偏斜都将导致测量误差。为尽量减少此类误差，最好将光学镜组直接固定到所需的测量点上。在机床校准中，一个光学镜通常固定在工件夹具上，而另一个光学镜组则固定在刀具夹具上。激光测量将会精确地反映刀具和工件之间发生的误差。即使机器防护系统和机器盖导致难于接近，也一定要尽量将干涉镜和角锥反射镜都固定到机器上。不要将一个光学镜安装在机器内部而另一个安装在外部如支在机器外地面的三脚架上，因为整台机器在地基上的移动可能导致校准无效。然而，是否拆下导轨防护罩时需仔细考虑，因为这可能改变机器性能。

2.4 使干涉镜保持静止不动

在安放激光头和光学镜的位置时，尽量使干涉镜在测量时处于静止状态。这样可以避免由于移动干涉镜可能使光束发生偏转而出现的误差。

2.5 光学镜应在运动轴的一端尽可能靠近

调整光学镜组的位置，使干涉镜和角锥反射镜在运动轴的一端靠近。这样调光更容易，并极大降低空气死程（见下文）。

2.6 避免局部热源

避免使光学镜组或激光束靠近任何局部热源。热源可能造成光学镜组膨胀或激光光束中出现空气扰动。

2.7 使用转向镜

在某些复杂的设定中，用转向镜将激光光束发送到需要的位置。确保位于激光头和干涉镜之间的所有光学镜只将光束转向平行轴或垂直轴，以避免干扰激光光束的偏振状态。还要确保任何位于测量光路上的光学镜都安装牢固，以避免出现测量误差。

3 光束准直

为了尽可能减低余弦误差，必须将激光测量光束调整为与运动轴平行。在长于1米的轴上，通过肉眼就比较容易实现。对于较短的轴难度会相应增大。要将余弦误差降到

0.5 ppm以下，需要将光束准直到1毫米/米以下。可采用下述方法优化准直光路，并使

余弦误差降至最低：

3.1 将干涉镜放置于测量位置进行准直

将干涉镜放置于测量位置进行准直。这样在准直光路时可以确保照顾到干涉镜引起的任何光束偏转。它的另一个优势是可以通过系统光强显示器显示不同光强来协助准直过程。

3.2 先使光学镜组彼此靠近

如果首先将干涉镜和角锥反射镜放到轴的一端比较靠近的位置，准直会更容易。这样就可通过肉眼使光学镜组外壳的外表面准直，然后开始精确的激光光束准直。余下的准直工作仅需调整激光头。

3.3 不要完全依赖光强读数

不要以为在整个轴行程上光强保持不变就意味着准直已臻完美。大多数光强显示器的灵敏度和分辨率不足以保证短轴的精确准直。

3.4 再次检查激光头处的准直情况

检查移动角锥反射镜处的准直情况后，再次检查激光头处返回光束（的准直情况）。任何光束的光路未准直误差所造成的影响都在激光头处加倍，因此比较容易检测到。另外还可以核实返回到激光头上参考光束和测量光束间的重合程度。

3.5 使用小直径输出光束

如果激光头有一个允许选择小直径输出光束的光闸，则应利用它进行短轴准直。光束的直径越小，越容易发现任何光路未准直的情况。另外一个优势是把光强降到低于100%，因此更容易发现光强变化。

3.6 实现最大激光测量读数

如果激光测量存在余弦误差，激光读数将比应有读数小。因此，在短轴上消除余弦误差是行得通的，方法是：仔细调整激光头的俯仰和扭摆，直到获得最大激光读数。具体步骤如下：

a) 通过肉眼沿运动轴准直光束。

b) 移动轴，使光学镜组之间间隔最近，并将激光读数清零。

c) 移动轴，使光学镜组之间间隔最远。

d) 仔细调整激光头的俯仰和扭摆，以获得最大（绝对）激光测量值。

注：此步骤要求精细操作，但会非常有效。如果激光头放在三脚架上，可能需要做一系列的精细调整，做完每次调整需要将手从三脚架调节螺钉上拿开，然后观察对激光读数的影响。也可能需要平移激光头以保持准直。最好重复以上步骤，确认已经准直。在此过程中，也可能需要选择激光读数的最高分辨率，并将“平均”设定为“开”。

3.7 使用激光准直传感器

激光准直传感器可用于检查光束准直。有各种类型的适用传感器，包括四象限光敏元件（“Quad cell”）、位置传感器（PSD）、光电耦合器件或CCD摄像头。一定要确保与光束直径、波长和功率相适应。还要注意干涉镜上的散射光束反射和环境光散射的影响。

3.8 自动反射法

如果机器轴很短并且已知有平面与运动轴正好垂直或平行（在0.05°之内），则自动反射法很有用。具体步骤如下：

a) 通过肉眼沿运动轴检查光束准直。

b) 将钢质块规放到激光光束路径上（在干涉镜之后）并紧靠一个或多个平面上。

c) 调整激光头进行俯仰和扭摆准直，使块规表面反射的光束回到激光头的输出光孔中。

当激光头与干涉镜相隔一定的距离时，这种方法尤其有效。

3.9 使干涉镜滚摆、俯仰和扭摆误差降至最低

大多数干涉镜包含极化分光面，必须根据激光光束状态精确准直。如果准直不正确，信号之间可能出现混淆。这可能导致精度降低，并可能因光束被阻挡而导致检测失败。一般说来，在滚摆、俯仰和扭摆方向上，最好使干涉镜的准直角度小于±2°。这通常可以通过目测完成，不过使用上述的自动反射法也很有效。详情请参阅激光系统手册。要检验干涉镜准直是否令人满意，值得进行这样一项测试，即阻挡干涉镜和角锥反射镜之间的光束，确认系统显示“光束阻挡错误”标记。