无衍射光莫尔条纹准直、跟踪和定位系统的研制

引　　　言

在精密机械制造业、大型建筑安装、高速轨道铺设、大坝变形检测、大型航空航天器制造、特别是隧道建筑等许多领域经常采用准直跟踪技术。新兴的无衍射光技术和传统的莫尔条纹技术相结合发展起来的一种新测量技术兼有干涉法和波带片法的优点,即测量精度高又可适用于长、短距离的测量。无衍射光是一种光束截面形状不随光传播距离变化的特殊光束,可以作空间直线测量的基准[1,2],由于无衍射光对激光束的准直性要求小,可以采取措施大大减小激光器对激光束的漂移的影响。另外,无衍射光可以用大光学口径,光学数值孔径比准直的激光束大得多,抗传输介质折光效应的影响的能力好,可用于大距离的测量。我们开发了一种无衍射光莫尔条纹激光准直跟踪和定位系统。为了在高光噪下获得高信噪比,还采用3种典型的滤波技术:光学空间滤波器、光学滤光片和电子滤波,从而优化了光学探测器的参数。

1　无衍射光莫尔条纹激光准直跟踪和定位原理

无衍射光莫尔条纹激光准直跟踪和定位系统框图见图1。其基本原理是:激光器、空间滤波器、扩束镜和锥镜形成无衍射光,利用无衍射光所形成的、不随传播距离变化的贝塞耳函数光环作直线基准z轴。该光圆环与一圆环光栅相迭,就可产生莫尔条纹。莫尔条纹图像被CCD采集后存储于计算机。被测物移动过程中相对贝塞耳函数中心线的偏移将会改变莫尔条纹,计算机根据莫尔条纹中心的二维偏移量就可以直接测量出贝塞耳函数光束中心与圆环光栅中心的距离。从而可以用五维驱动装置跟踪贝塞耳函数光环中心来补偿二维偏移量,同时,计算机根据莫尔条纹的圆形来调整光学探测器的方向。

2　原理理论分析

2.1　无衍射光空间直线基准

2.2.1　无衍射光的光强

垂直传输方向(z轴)的横截面上无衍射光的归一化光强分布见图2。

它是零阶贝塞耳函数光强分布,见(1)式。图2作中心旋转就是无衍射光的横截面上的图像———贝塞耳函数光环(见图3)。

r=(x2+y2)0.5是偏离中心的距离;ρ是中心光斑的半径。注:均以CCD的像元(pixel)尺寸为单位(文中采用640×762,pixel=7μm的CCD)。

2.2.2　圆环光栅的通光特性

圆环光栅的通光特性t是三角函数(见(2)式和图4)。

r1=(x21+y21)0.5是偏离中心的距离。

2.2.3　莫尔条纹图像的形成

　横截面上的贝塞耳函数光环与垂直传输方向(z轴)的圆环光栅相迭就产生莫尔条纹。由(1)式和(3)式得到莫尔条纹的光强的分布(4)式。