激光干涉准直技术的研究

　　1　引　　言

　　激光准直技术在大型几何参数和形位误差测量应用广泛,如大型工件的直线度、同轴度、平行度、平面度等参数的测量,具有独特的优势。然而,环境因素、空气湍流变化等影响激光准直精度的提高,限制了应用范围。

　　研究新的准直原理,探讨缩小、消除大气扰动的影响的新技术,无疑是科技工作者的一项重要任务。本研究为满足长导轨测量的需要,通过激光准直技术与干涉技术相结合,利用当今微电子技术和计算机技术的成果,寻求高精度准直测量的新途径。

　　2　工作原理

　　激光干涉准直系统包括硬件和软件两部分。硬件部分由激光器、扩束镜、楔形板、过桥、光电接收元件及信号处理电路、单片机系统等组成;软件部分包括系统管理、软件细分、数据运算处理、显示等。

　　系统的工作原理如图1所示,由氦氖激光器发出的激光束准直后,再经扩束镜,出射一束粗大的平行光束,投射到远处的接收靶上。此接收靶置于被测导轨的过桥基座上,它由楔形光学玻璃板和相应的硅光电池组成。平行光束投射到楔形光学玻璃板上,依次在它的前后表面发生反射,具有光程差的两路光束又互相重合,产生干涉。从而在硅光电池上获得一组等间距相互　平行的干涉条纹的图像。此干涉条纹由四象限硅光电池(放置方向和条纹平行)接收,从而产生四路电流信号。调整准直透镜的位置,使干涉条纹与硅光电池的宽度相适应。在测量时,过桥基座放在待测设备(如长导轨)上进行移动,若待测设备有直线度误差,则过桥基座随导轨上下起伏变化,并将导致干涉条纹左右移动,移动量的大小变化进而引起硅光电池的电流的变化,通过后续电路的处理,转化为两路相差90°的正弦和余弦信号,再由后续电路处理,对单片机进行编程,可在数码显示器上显示出被测设备上的基座的移动量大小,进而求出被测导轨的直线度。

　　系统中采用楔形光学玻璃板产生干涉条纹,其原理可以通过平行光学平板进行分析。如图2所示,平行激光束照到平行光学平板的上表面,分成两路光,一路光束I2经上表面反射,另一路光束I1经玻璃折射后到下表面,再由下表面反射到上表面又折射到空气中,此时从下表面来得I1光束和上表面反射的I2光束相遇产生光束,光程差为:

　　另外,从光疏到光密表面反射存在半波损失,故有:

　　当沿着被测设备移动时,平行光束投射到楔形玻璃板的位置变化,即平行光束移动Δd,则d变化,导致光程差Δ也发生变化。

　　上式是按光学平行平板推算的结果,实际装置所用的是楔形光学玻璃板,这对推导来说,只影响干涉条纹的疏密,而不影响装置的传动比。