基于白光干涉的绝对距离测量

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1、第一章绪论1.1测最绝对距离技术概论绝对距离测量指无导轨测长。激光干涉仪测量过程中虽然可以达到纳米级甚至亚纳米级的测量精度，但也有种种局限性，如只能进行增量式测量，测量过程不能间断，以及需耍导轨作为参考标准等等。这些缺点限制了激光干涉仪的应用场合。所以在实际测量屮迫切需要无导轨绝对距离测量。1.1.1绝对距离干涉测量(无导轨测量)方法无导轨测量的研究历史应该追溯到迈克尔逊时代。在1892年把国际标准米尺与Cd红线波长相比较提高了小数重合法。在激光岀现之后，激光光谱学的研究结果向人们展示了极为丰富的谱线系列和令人振奋的相干特性。1976年，C.R.Tilford和A.G・Orszag首

2、先报导了使用C02激光器进行多波氏干涉测长而不必求助于其他初测手段，成为严格意义上的激光多波长无导轨测量的开端。1977年C.R.Tilford对于由条纹尾数确定长度的分析法进行了系统的理论分析，并H.提供了合成波长的概念，对激光多波长于涉测量起了重要的推动作用。此后各国科学家开展研究。无导轨测量比有导轨测量有明显的优点，因为它不但省去了导轨，也避免了在累加计数过程中出现的误差甚至是错误，省去了滑板移动的吋间等等。期一个更为重要的优点是在三维跟踪控制中应用更为方便和避免余弦谋差的不断累积。激光多波长无导轨测量技术无疑会推动测量机器人的发展。1.2绝対距离测量原理用光学干涉仪测量长度时

3、，干涉仪的干涉条纹与被测光程差Z间的关系下：其中L为被测长度，N,£分別为干涉条纹的整数级次和小数部分。它们都是正数，入是光波波长。上式中£可以直接通过干涉仪楮确测量出來，N可以有两种方法获得：一是利用条纹计数。二是利用L的已知初始值，通过计算估计，确定N即无导轨绝对距离测量法。设被测长度L的粗测值为L(),H测量的不确定度为AL,即L=L()+AL,那么:两式相减得:要使整数唯一确定，只需使ml-m2

4、理。由于宜接用于长度测量的光波波长很短，因此利用单波长实现绝对距离测量是很困难的，对粗测精度要求太高，难于实现。要实现绝对距离测屋，必须冇一个波长较长的波。I=cos2n（v2=l-cos2^（v2x如果当两光波的波长XI,入2相差较小时，入S将远大于入1和X2,就是说可以获得—个波长较长的拍波。该拍波也称为合成波。综上所述：1光学拍波可为实现绝对距离测量捉供合适的波长。2为了放宽对被测量长度初始值的耍求，可采用多个波长相近的光波形成多级合成波长链。根据粗测值得到的各波长的小数级次计算值与测量值的重合程度确定整数级次，从而得到被测距离的精确值。几种绝对距离的测最方法。1.可调谐半导体

5、激光器测距2.光学倍程干涉法3.白光于涉法1.3国内外研究现状90年代以来，随着计算机信息技术和光学信息的发展，国内外绝对距离测量技术也是有相当大的进展。近年來在绝対距离测量方血，我国的高校试验室或研究所在激光T•涉和白光干涉都有很大的关注，其中以激光干涉为主，白光干涉测绝对距离比较少，而国外在白光干涉测绝对距离方面有很多的涉及。1994年清华大学精仪系首次介绍了基于小数重合法的无导轨绝对距离测量技术并报导研制的多波长无导轨绝对距离测量系统。其后该系提出了一种可用于绝对距离测量的波长扫描光纤干涉仪。理论分析了法布里泊罗腔多光束十涉所产生的十扰以及扫描过程中波的随机漂移对输出信噪比的影

6、响，设计了相应的信号处理算法，达到了距离测量所要求的0.05微米的粹度和0.01微米的分辨率。1999年该系和美国的Calimetrics有限公司乂捉出了一种采用双纵模稳频激光器的新型绝对距离测屋外差干涉仪，并在25m的测虽范围取得了140微米的测最精度。2002年天津大学梢密测试技术及仪器国家重点实验室研究了一•种基于光纤准自光T•涉技术的人量程绝对测距系统系统首次引入光开关器件川于量程倍增。2006年清华人学精密测试技术及仪器国家重点实验窣介绍了一个基于光学倍乘原理的绝对距离干涉测量系统。系统包括两个干涉仪：采用半导体激光器作为光源的定位干涉仪和测虽位移的外差干涉仪。采用这套绝对

7、测量系统可以实现长度为2m以内的绝对距离测量，定位精度可以达到±0.5微米。1995年瑞士Neuchatel大学的显微技术学院研究的白光通道截取光谱干涉仪用于绝对距离测量的测量范围是8微米〜1・9亳米。其采川衍射元件和探测阵列來扫描干涉信号，利用对条纹间隔的四次同步采样來获得光谱干涉图的局部相位，山许多测量相位与波长的比值可以计算出绝对距离。2002年捷克Silesian大学的物理学院和俄罗斯的Technical人学的精密机械及光学学院提出了一•种在MIC