干涉镜分离式激光干涉仪优点--元隆达 (1)

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1、图 1: 激 光 头 安 装 在 三 角 架 上 的 干 涉 仪 .机 床 工 作 台Machine table机 器主 轴三 角 架激 光 头 干 涉 镜 与 激 光头 分 离 反 射 镜电 源 线图 2: 激 光 头 放 在 机 床 上 并 采 用 电 子 标 靶机 床 工 作 台机 器 主 轴激 光 头 干 涉 镜 反 射 镜电 子 标 靶电 源 线 电 缆干涉镜分离型激光干涉仪的优点-激光干涉仪市场调研分析 1、前言翻开物理教科书，国际上长度计量单位“米”是通过光波的波长来定义的；而激光具有稳定的被人们所认知而单位小于 1 微米的波长，因而，以波长作为测量基准的激光干涉仪已发展成为国际

2、间公认的长度计量标准。随着仪器制造技术的进步和数控设备应用的广泛普及，激光干涉仪的应用领域日益扩大，市场上可供选择的产品种类也越来越多，为选择一款适合于我校教学、科研所用的激光干涉仪，经过近一段时期的市场调研和用户走访，现将调研报告总结如下，供参考！2、可选仪器长久以来，检测数控机床或三测机（CMM）性能的行业标准方法是：在三角架上架设一个独立的激光器，并会同分别直接安装在机床工作台和主轴上的可移动式的（即：干涉镜分离型）干涉光学镜和反射光学镜进行测量。选择不同的干涉镜便可以对机床与主轴之间的线性长度、角度（俯仰和扭摆）和直线度等进行干涉测量。这类方法精度高、稳定性好，其测量结果已经得到验证，

3、其系统工作原理如图 1 所示。该类仪器的生产厂家多为国际跨国公司，具有代表性的有英国雷尼绍公司在市场上也存在一些其它的测量系统，它们在几个关键地方与上述测量方法有着本质上的不同：1、它们将线性干涉镜和激光头组装在一起使用（即：干涉镜内置型），激光头直接放在机床工作台上（而不是独立的三角架上）；2、它们使用分离式电子标靶（而不是干涉镜）来测量俯仰，扭摆和直线度误差，有的系统提供了多参数同时测量。其系统工作原理图如图 2 所示。这些系统的优点是易于安装，缩短了测量时间。然而它通常会大大影响测量精度和稳定性。该类仪器的生产厂家多为在美国注册的华人公司，具有代表性的有美国 API 公司。3、不同类型的

4、仪器在各种测量项目上性能比较3.1 线性位移测量3.1.1 激光器产生的热源影响干涉光学镜的基准光臂：A、干涉镜分离型：线性干涉镜和参考光臂构成了测量机床全部运动的基准点。由热胀冷缩导致的干涉光学镜位置或参考光臂长度的任何变化都会降低该项测量的精确度。为了使这种变化降到最低，该类激光干涉仪系统沿用了优秀的设计原理，即将产生热源的激光头远离测量光学镜。只要激光预热完毕，即可开始精密测量，保证稳定可靠的得到测量结果。B、干涉镜内置型：那些将干涉光学镜内置在激光头里、或安装在激光头前端的激光系统显然破坏了这种原理，从而系统的测量结果会受到严重的热漂移的影响。这种热漂移能够达到几十个微米。3.1.2

5、激光器产生的热量远离被测机床A、干涉镜分离型：一个氦氖激光头至少有 5 瓦特的散热（若激光头里包含电源则会产生更高热量）。将激光器放在三角架上，使其远离机床则可避免由于激光头散热造成这种负面的影响。B、干涉镜内置型：该类激光不得使用三角架（因其参考光臂与激光头合成一体，若将激光头安装在机床外的三脚架上就等于将基准移到机床外来测量），将这样一个热源放在一台小型、高精度的机床上会导致机床的热膨胀和变形。这种影响可能不会太大，但仍会将其测量结果降低微米级的精度。3.1.3 激光头是否会阻碍机床的轴线运动A、干涉镜分离型：如果将激光器放在三角架上，那么在机床上安装的部件只是小小的干涉光学镜，那它对于机

6、床行程的影响就小得多了。B、干涉镜内置型：如果把激光头放在机床的床身上，激光头本身的尺寸通常会减少被测机床轴线的有限行程。若操作不当，还可能会出现激光头碰撞的严重事故。3.1.4 激光光束的校准可否在机床之外进行A、干涉镜分离型：雷尼绍激光干涉仪系统的光束校准既可机外校准（是用三角架云台上的控制钮移动激光头），也可以机内校准（用直接安装在干涉光学镜上的、新型独特的雷尼绍激光准直辅助镜进行），这使得用户可以根据被测机床的具体情况来选择最佳的光束校准方法。B、干涉镜内置型：只有将激光器安装在机床床身或工作台内上，所有的激光光束的校准和调整必须在机床内部进行，机床的几何结构和防护罩都会使激光校准困难

7、。对于大型工作台移动的机床，调光还必须在开动的机床上进行，有可能危及到激光操作者的人身安全。3.1.5 机床内是否有拖拽电缆A、干涉镜分离型图 3b: 利 用 电 子 标 靶 测 量 角 度角 度 干 涉 镜图 3a: 利 用 激 光 干 涉 原 理 测 量 角 度 .角 度 反 射 镜SL1L2 SL1 L212角 度 arcsine(L L)/S)透 镜 电 子 标 靶 df角 度 =arctan(d/f)激光头需要电源及数据电缆，但干涉仪光学镜则不需要。将激光器安装在外部的三角架上而只有光学镜安装在机床内，则不需要在机床内安放电源和数据电缆，因此避免了因电缆搅拌或拖拽等原因造成的仪器损坏

8、或测量误差。B、干涉镜内置型如前面所述，干涉镜内置型激光干涉仪只能将激光头发在机器内进行测试（否则周围环境的振动将直接影响测量结果），通电工作的激光头在运动的机器上将难以避免有电源线和数据信号线拖拽。3.2 角度测量一般激光干涉仪系统用角度干涉技术测量角度（俯仰和扭摆）。该激光系统测量 L1 和 L2 的相对变化，从而计算出角度偏差，其测量原理如图 3a 所示。而另一种激光头与干涉镜分离型的测量方法是将激光光束聚焦在电子标靶上，测量光束的入射点并除以光学镜焦距。虽然两轴电子标靶可以同时进行俯仰和扭摆的测量，但是干涉测量技术却有着如下若干优点。.2.1 更好的线性度和分辨率、更大的测量范围、简化

9、了光束的校准电子标靶是一个光电检测器，由其产生光电流模拟输出，它随激光光束射在标靶上的位置而变化。电子标靶不能象干涉光学镜那样提供最佳组合的分辨率、线性度和较大的测量范围。结果，如此电子标靶的角度测量范围很小（0.5），并且通常需要安装一个或两个机械式（零点偏置）可调旋钮，在开始测量前，必须调整小旋钮（以确保光束尽可能接近标靶中心），因为从传感器单元外侧不能看到激光光束的位置，因此这种调整实际上是比较困难的，并且在使用两轴传感器时（同时测量俯仰和扭摆），可能需要来回反复调整测量，这是十分耗时和困难的。特别是从机外很难调节小旋钮的场合。与此相反，角度干涉光学镜提供了很高的分辨率，较大的测量范围（

10、10）和线性度（反正弦校正）。角度干涉光学镜的校准简单快捷，而且光学镜上无需细调旋钮。3.2.2 精度和可溯源性采用激光头与干涉镜分离型测量角度，角度干涉镜使用国际公认的与稳定的氦氖激光波长溯源的工作原理，和光学基准臂一起，确保了测量系统的长期精度和性能。而电子标靶系统是用电子方法测量光束的位置，因此它取决于模拟电子线路的稳定性和电子标靶的线性响应，而不是可溯源的激光波长，该种系统不与激光波长溯源。3.2.3 轴向的有效行程短角度反射镜重约 450g（包括安装块和安装杆）。而由一个线性大反射镜、电子标靶、电子线路、调整机构，以及拖拽电缆组成的传感器单元，总重约 800g。在某些情况下，这种增加

11、的重量可能会增加轴向的测量误差（例如在测量划线机 Z 轴的俯仰时）。3.2.4 无拖拽电缆安装在机床床身上的角度干涉光学镜和反射镜不需要数据线和电源线。而对电子标靶系统，它由电子标靶和电子线路组成的传感器单元则往往需要由拖拽的电源线和数据电缆提供连接。若将如此的传感器单元安装在机床的移动轴 上，则要特别注意避免电缆线在坐标轴移动时搅拌或拖拽，否则会导致电缆损坏或产生角度测来能够误差（例如三座标测量机的Z 轴）。3.2.5 减少由激光位置不稳定引起的误差正确设计的角度干涉镜只是测量干涉镜和反射镜之间的角度位移量，它对激光头返回光束的位置不敏感。这是因为当入射角度发生变化时，L1 和 L2 的变化

12、是一致的（如图 3a 所示），所以 L1L2 的影响可以忽略不计。然而采用电子标靶的系统则对光束的角度变化就像对座标轴的俯仰扭摆一样的敏感。如果从激光头返回光束的瞄准方向偏差 5 弧秒，那么电子标靶的输出会直接出现 5 弧秒的误差。这种系统对激光头的设计要求极为严格，必须能提供稳定的返回光束，即使在激光头预热期间，其温度变化很大的情况下也是如此。但使用分离式角度干涉镜的系统不存在这种问题。3.2.6 对杂光（环境光线）不敏感电子标靶系统是基于四象限和 PSD（位置传感器）技术，其输出信号是指落在标靶上所有光束的“光强中心”（该光学输出相当于机械工程学中的“重心”的概念）。若环境杂光射入标靶，它

13、将叠加在激光光束上使得“光强中心”漂移。用调制激光光源或加装特殊的只有激光可以通过的滤光片，都可以将环境杂光的影响剔除。然而，如果该相同的激光光束同时用于线性干涉测量，那么光束的调制是很困难的。同样，只能通过激光光束并能滤掉其它所有光束的高质量光学带通滤波器也是十分昂贵的。其结果是选择性能和价格的折中，但这最终往往是在系统精度上妥协。干涉光学镜系统只对与激光光束波长完全相同的光束起作用，因为它是唯一的能与主光束在检测器可以响应的一定频率下产生光学干涉。另外，雷尼绍激光干涉系统还包括了一个特殊的微分光电二极管检测系统，用来防止环境光线导致的电信号的偏置和细条纹插补误差。3.2.7 对激光光束散射

14、光不敏感在系统中，来自不同光学表面的内、外部反射光都可以产生激光散射光。通常，光学镜表面都涂有防反射膜以减低散射光的强度。但无论如何，如果这些弱光束射到系统的检测器上，它们都会影响到测量的结果。对于激光干涉测量系统来说，散射光束很难会导致测量误差，因为只有当它同主光束完全平行时才有可能。即使这种情况，对于 0.5强度的散射光来说（通常是从防反射膜表面反射的光），最坏情况下的误差约为百分之一条纹（角度测量中相当于0.03 弧秒）。图 4b: 利 用 电 子 标 靶 测 量 直 线 度 .直 线 度 干 涉 镜图 4a: 利 用 激 光 干 涉 仪 测 量 直 线 度直 线 度 反 射 镜L1L2

15、 直 线 度 误 差= 0.5 x (L1- 2) /Sin( )电 子 标 靶d直 线 度 误 差 = d在电子标靶测量系统中，这种影响要严重的多。它取决于散射光束的强度和光束射入透镜和标靶组件的角度。例如，如果一束 0.5%强度的散射光束以与主光束成 0.2的角度入射，它会使标靶的角度输出漂移 4 弧秒。显然对于电子标靶系统而言，这种影响是很严重的，所以要特别注意避免散射光（或者确保它们在测量过程中保持稳定）。若电子标靶组件还包括其它的允许同时测量线性和直线度的光学器件的话，问题会更严峻，因为所有这些部件自身都会产生散射光。3.2.8 更大的角度测量范围雷尼绍角度干涉光学镜测量范围为10，

16、同时保证极好的分辨率（0.01 弧秒）和线性度（带反正弦校正）。而电子标靶系统通常只有零点几度的角度测量范围。这不仅使得干涉光学镜系统比电子标靶系统调光更容易，而且可测量大得多的角度范围，并且与 RX10 转台组件一起可以任意角度增量校准标定回转轴。3.3 直线度测量雷尼绍激光干涉仪系统使用直线度干涉光学镜测量水平轴和竖直轴的直线度。如图 4a 所示，该激光干涉仪系统是测量L1 和 L2 的相对变化，由此计算出直线度误差。而其它的测量方法如图 4b 所示，它是将激光光束射在电子标靶上，用电子方法测量光束射在标靶上的位置。虽然用两轴电子标靶可以同时测量水平方向和竖直方向的直线度，并且容易校准光束，但是图 4a 所示的分离式直线度干涉光学镜系统却具有下述诸多优点。3.3.1 精度和可溯源性雷尼绍直线度干涉仪使用国际公认的、与稳定的氦氖激光波长溯源的工作原理，和用实体玻璃制成的光学基准一起，确保了测量系统的长期精度和性能。而电子标靶系统是用电子方法测量光束的位置，因此它取决于模拟电子电路的稳定性，而不