工件台激光干涉仪测量误差模型研究

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1、华中科技大学硕士学位论文Renishow公司的单频激光干涉仪的测量速度可达1000mm/s。用于单频激光干涉仪的稳频方法主要有Lamb凹陷法和双纵模稳频法，Lamb凹陷法多用于使用环境较好的系统；双纵模稳频法利用控制激光输出的两个纵模强度来控制腔长，由于模式竞争，两个输出纵模取相互垂直的偏振状态，抑制其中一个偏振，从而得到单频激光，是目前常用的单频稳频方法。双频激光干涉仪是上世纪70年代初期由美国HP公司首先推出的。双频激光干涉仪由于是交流系统，从而具有优异的系统增益和抗干扰能力，不存在直流漂移。目前干涉仪产品大多为双频激光干涉仪。产生双频激光的方法主要是利用塞曼效应和

2、声光调制。塞曼效应受频差闭锁现象影响，产生的双频频差一般较小，通常最大频差不超过4MHz。声光调制方法得到的频差通常较大，一些产品双频激光频差达到20MHz以上，另外声光调制方法的频率稳定性也非常好，可以利用锁相放大器处理信号，但缺点是稳频、调制、合光等环节使得光学结构复杂，调整困难，成本也偏高。Agilent公司的双频激光干涉仪5519B在1000mm/s测速时测量分辨率可达1.24nm，测量范围±21.2m。另外公司的双频激光干涉仪可以多通道同时测量。为适应多通道测量的要求，其部分产品不再采用以前产品将激光头、接收器、电源集成在一起的结构(如HP5528A)，而将各

3、个功能模块分离，在每一通道光路上分别布置光电接收器。[28]Renishaw公司的ML10gold干涉仪实际上是单频偏振干涉的方案。在1000mm/s测速时测量分辨率可达1.24nm，测量范围80m。由于产品是单频激光器，Renishaw公司的产品不能多路分光使用，同时对多轴测量就需要多个激光头，成本较高。[29]ZYGO公司的部分产品(如7712)利用声光调制法获得双频，频差可达20MHz。在5.1m/s测速时测量分辨率可达0.31nm，其公司的产品也可实现多通道测量，一个系统最多可供4路分光复用。该公司的干涉镜可装附光纤耦合器，将各路测量光耦合入光纤，传递到数据处理

4、电路各个通道分别接收转换。我国从上世纪70年代，清华大学、计量院、机械部成都工具研究所等科研部门就已开始研制双频激光干涉仪样机，至今已经有三十几年历史。成都工具研究所有商品化干涉仪出售。[30]激光干涉测量的关键技术如下：(1)高分辨率。仅依靠光学系统，普通干涉仪的只能达到半波长的分辨率，即0.1nm量级，目前的干涉仪产品通过电子细分的方法提高测量分辨率。国外Agilent、ZYGO等公司的产品可实现2048细分，最大分辨率达到0.15nm。清华大学精仪系殷纯永教授的研究小组研制的SJD5型双频激光干涉仪可实现640细分，分辨率5华中科技大学硕士学位论文[31]0.49

5、nm。(2)高精度与微纳米精密测量溯源。在要求纳米精度的条件下，出现大量科学与技术问题有待解决，诸如非线性误差(对半个波长分割的不均匀性)、空气折射率影响、温度压力效应、环境振动影响等问题。非线性误差对于纳米溯源的影响十分严重，因为它发生在半个波长的位移内，即在非常短的量程内也照样存在。(3)高测速。制造业的发展迫切需要解决高速加工过程中运动目标的精密测量和定位，而从精度等方面考虑，只有激光干涉技术更适合解决以上问题。对双频激光干涉仪，高测速就要求双频激光的频差要大。利用塞曼效应产生双频最大只能达到4MHz频差，最高测量速度仅为1m/s。一些高测速的干涉仪利用声光效应得

6、到双频，频差可达20MHz，最高测速5.1m/s。如果将激光器作为光源的双频激光干涉仪测量速度越高，则其稳频系统和信号处理电路相对简单可以实现，从而不增加太多造价。(4)多通道。制造业中，机床测量常常需要同时测量工作台X轴、Y轴的位移以及回转角度等参数。为降低成本，希望几个通道测量共用一个激光头。对双频激光干涉仪，如需n通道共用一个激光头，只要在激光输出光路上放置n-1个中性分束器(对偏振态不敏感)，将光源分成n束光，控制分束器的透反比，使n束光功率尽量相等。再以每束光构建各自的偏振分光干涉仪，并相应放置n+1个光电接收器，分别接收n个通道的测量光和1束参考光。用n个独

7、立的信号处理系统和同一个计算机系统，完成信号处理。这就形成了一个单光束n通道复用的干涉系统。实际应用中，受光功率等因素限制，n一般不超过3。(5)工作环境。空气折射率的影响是干涉仪应用中的主要误差来源。目前国外许多产品是用温度、气压、湿度传感器测出相应参数，用Edlen公式计算出折射率和波长值，再与干涉仪测量信号并行输入信号处理系统实现空气折射率补偿。Renishaw公司使用这种折射率补偿器控制激光器腔长达到较高的频率稳定性。Agilent公司的产品采用这种方式进行空气折射率补偿，其空气折射率干涉仪的光源也由激光头分光复用而来。1.3课题