激光干涉仪用于螺距误差补偿的方法及应用

◇任务简介◇

本任务主要是熟悉激光干涉仪、激光干涉仪干涉测量法原理以及激光干涉仪线性测量原理，激光干涉仪的应用范围及优点、雷尼绍（Renishaw）激光干涉仪系统的使用等基础知识，使初学者初步掌握激光干涉仪的使用方法，为下一步学习激光干涉仪对螺距误差产生补偿打下坚实的基础。

◇学习目标◇

1．了解激光干涉仪。

2．了解激光干涉仪干涉测量法原理。

3．了解激光干涉仪线性测量原理。

4．了解激光干涉仪应用范围及优点。

5．雷尼绍（Renishaw）激光干涉仪系统的使用。

◇知识要点◇

一、了解激光干涉仪

现代激光干涉技术是在人类关于光学的几乎全部知识的基础上发展起来的。激光与普通光相比，具有一些独特的性质：单色性好、相干性好、方向性好、亮度高。激光干涉仪是以激光波长为已知长度，利用迈克尔逊干涉系统，测量位移的通用长度测量，其广泛运用于各个领域，已经成为人类认知世界的重要工具。

激光干涉仪是利用激光的波长作为长度最小单位，对数控设备（加工中心、数控车床、数控铣床等）的位置精度（反向间隙、定位精度、重复定位精度等）、几何精度（俯仰扭摆角度、直线度、垂直度、平行度等）进行精密测量的仪器。

1.激光

（1）受激吸收（简称吸收）。

处于较低能级的粒子在受到外界的激发（即与其他的粒子发生了有能量交换的相互作用，如与光子发生非弹性碰撞），吸收了能量，跃迁到与此能量相对应的较高能级，这种跃迁称为受激吸收。

（2）自发辐射。

粒子受到激发而进入的高能态，不是粒子的稳定状态，如存在着可以接纳粒子的较低能级，即使没有外界作用，粒子也有一定的概率，自发地从高能级（E2）向低能级（E1）跃迁，同时辐射出能量为E2-E1的光子，光子频率=（E2-E1）/h，这种辐射过程称为自发辐射。众多原子以自发辐射发出的光，不具有相位、偏振态、传播方向上的一致性等特性，是物理上所说的非相干光。

（3）受激辐射。

1917年，爱因斯坦在发表的论文中指出：除自发辐射外，处于高能级E2上的粒子还可以另一方式跃迁到较低能级。他指出，当频率为（E2-E1）/h的光子入射时，也会引发粒子以一定的概率，迅速地从能级E2跃迁到能级E1，同时辐射一个与外来光子频率、相位、偏振态以及传播方向都相同的光子，这个过程称为受激辐射。

可以设想，如果大量原子处在高能级E2上，当有一个频率=（E2-E1）/h的光子入射，从而激励E2上的原子产生受激辐射，得到两个特征完全相同的光子；这两个光子再激励E2能级上的原子，又使其产生受激辐射，可得到四个特征相同的光子，这意味着原来的光信号被放大了。这种在受激辐射过程中产生并被放大的光就是激光。

激光的输出可视为正弦光波，如图3-3-1所示。

图3-3-1

从激光头射出的光波有三个关键特性：

①波长精确已知，能够实现精确测量；

②波长很短，能够实现精密测量或高分辨率测量；

③所有光波均为同向，能够实现干涉条纹；

2.氦氖激光管

（1）大多数现代位移干涉仪都是用氦氖激光管，这些激光管具有633 nm的波长输出。

（2）氦氖激光管的构成如图3-3-2所示。

图3-3-2

（3）当高压连接在阳极和阴极之间时，混合气体被激发，形成激光光束。

（4）当激光光束在两个反射镜之间来回共振时，激光光强被放大。

（5）一些光透射出阳极反射镜，成为输出激光光束，如图3-3-3示。

图3-3-3

（6）激光光束包含两种正交模式。

（7）激光增益曲线，如图3-3-4所示。

图3-3-4

（8）两种模式的强度用光敏二极管测量，通过加热器控制激光管长度来实现平衡，这使激光稳频精度保持在±0.05 ppm以内。

（9）激光实现稳定输出后，即可用于进行干涉测量，如图3-3-5示。

图3-3-5

二、激光干涉仪干涉测量法原理

1.线性干涉原理。

（1）激光头发出的光被分光镜（A）分成两束光，图3-3-6所示。

图3-3-6

注：干涉镜分为多种，为简单起见，这里所述的是线性角锥反射镜系统。

（2）大约一般激光被射到固定角锥反射镜（B）上，形成参考光束，另一半激光射到移动角锥反射镜上（C）上，形成测量光束。

2.角锥反射镜

（1）角锥反射镜常用玻璃制成，经打磨和抛光后形成三面直角棱镜。

（2）角锥反射镜是将输入光束以平行于来光的方向反射回去，这使光束准直过程简单易行，并确保测量光束和参考光束在叠加时保持平行，如图3-3-7示。

图3-3-7

（3）角锥反射镜将两束光返回到分光镜中，光束叠加并彼此干涉；

3.运动测量

如果测量光路长度改变（角锥反射镜C移动），干涉光束的相位将改变，由此产生的相长干涉和取消干涉的循环将导致叠加光束强度的明暗周期变化；角锥反射镜每移动316 nm，就会出现一个光强变化循环（明—暗—明）；通过计算这些循环来测量移动。通过这些循环之间进行相位细分，实现更高分辨率的测量，如图3-3-8示。

图3-3-8

尽管目前的干涉仪较为精密，但测量精度达到0.05 ppm或更高时仍采用此原理，如图3-3-9示。

图3-3-9

一个角锥反射镜紧紧固定在分光镜上，形成固定长度的参考光束，另一个角锥反射镜相对于分光镜移动，形成变化长度测量；从激光头射出的激光光束①具有单一频率，标称波长为0.633 μm，长期波长稳定性（真空中）优于0.05 ppm。当光束达到偏振分光镜时，被分成两束光——反射光束②和通透光束③。这两束光被传送到各自的角锥反射镜中，然后被反射回到分光镜中，在嵌于激光头中的探测器中形成干涉光束。如果两光程差不变化，探测器将在相长干涉和相消干涉两端之间的某个位置观察到一个稳定的信号；如果两光程差发生变化，每次光路变化时，探测器都能观察到相长干涉和相消干涉两端之间的信号变化，这些变化（条纹）会被读出来，用于计算两光程差的变化，测量的长度等于条纹数乘以激光波长的一半（注：气温和压力会影响测量值，用于测量的波长值也需要对这些环境参数进行补偿）。

三、激光干涉仪线性测量原理(www.xing528.com)

要对线性测量进行设定，使用随附的两个外加螺丝将其中的一个线性反射镜安装在分光镜上，这个组合装置称为“线性干涉镜”，它形成激光光束的参考光路，线性干涉镜放置在激光头和线性反射镜之间的光路上，如图3-3-10、图3-3-11、图3-3-12所示。

图3-3-10

图3-3-11

图3-3-12

数据采集方法如下：将机床沿着测试轴移动到若干个不同位置，然后测量误差，可以编写程序实现机床动作，使机床被测轴从一个目标移动到另一个目标，并在每个目标位置暂停几秒，以便让系统采集到数据，如图3-3-13所示。

图3-3-13

四、激光干涉仪应用范围及优点

1.测量精度高、速度快，稳定性好

（1）使用美国高性能氦氖激光器，结合伺服稳频控制系统，达到高精度稳频（0.05 ppm）。

（2）以光波长（633 nm）为测量单位，分辨率可达纳米级。

（3）使用高速光电信号采样和处理技术，测量速度可达到4 m/s。

（4）配合有环境补偿单元，在环境变化的情况下，也可以得到较高的测量精度。

（5）分离式干涉镜设计，避免了测量镜组由于主机发热而引起的镜组形变

2.应用范围广

（1）可以实现线性、角度、直线度、垂直度、平面度等几何量的检测。

（2）结合软件系统，可以用于速度、加速度、振动分析以及稳定度等的分析。

（3）可实时监控精密加工机床等机器的动态数据，进行动态特性分析。

3.软件界面友好

（1）使用当前热门的软件界面开发工具，软件界面人性化，操作简单。

（2）将静态测量和动态测量两种功能合并到一个软件中，更方便用户切换测量类型。

（3）向导式操作，流程清晰，更符合国内用户的使用习惯。

4.性价比高

性能达到了国外仪器的水准，价格却是国内仪器的价格。

五、雷尼绍（Renishaw）激光干涉仪系统的使用

1.系统综述

雷尼绍激光干涉仪基本系统是由光学组件和设备组成，其中包括ML80GOLD激光头（带三脚架）、DX10控制接口卡。光学器组件可按测量应用种类的要求分组任选，并可配置成各种不同应用组合。EC10环境补偿单元也是任选件，它可在线性位置精度测量中连续自动补偿周围环境条件的变化。

雷尼绍激光干涉仪系统主要用于数控机床及三坐标测量机位置精度和几何精度的评价与标定。其功能强大，可以测量线性位移、速度、角度（俯仰和扭摆）、直线度、平面度、垂直度和平行度误差。

2.主要设备和光学组件（表3-3-1）

表3-3-1　雷尼绍激光干涉仪系统的主要设备和光学组件

续表

续表

3.使用雷尼绍（Renishaw）激光干涉仪系统对螺距误差产生补偿

（1）安装好激光干涉仪，保证在测量全过程内激光干涉仪都可以正确读取到数据。

（2）打开笔记本上的RENISHAW XL-80系统，连接好各部分通信线，使电脑和激光干涉仪成功连接。

（3）进行对光操作，记住“近端调机床位移，远端调激光角度”的口诀，迅速对好光，如图3-3-14所示。

图3-3-14

（4）导入编好的测量程序到机床中，准备好软件中的各种参数，具体如图3-3-15至图3-3-18所示。

图3-3-15

图3-3-16

图3-3-17

图3-3-18

（5）先启动测量软件RENISHAW XL-80系统，然后再运行机床中刚导入的测量程序，此时已经开始采集数据，如图3-3-19所示。

图3-3-19

（6）采集完毕后保存数据，然后在分析软件RENISHAW XL-80中分析数据，生成补偿值，具体如图3-3-20所示。

图3-3-20

（7）将生成的补偿值输入到机床补偿值中，如图3-3-21所示。

图3-3-21

接着进行检验，若数据未在到达允许范围内，再重复上述步骤，再一次补偿，直到达到最佳即可。

六、警告

（1）为避免伤害眼睛，请勿直视激光头射出的光束。

（2）不要让激光光束直射或者通过光学元件或任何其他反射面反射到自己的眼睛或任何其他人的眼睛。

（3）从侧面观看激光是比较安全的。