无衍射光莫尔条纹法直线度测量仪

　　1　引　言

　　在直线度测量和准直操作中,都需要有一个直线的基准。当量程短时,可以用实物基准,但当量程较长时,就不可能用实物做基准了。由于光的直线传播性,人们很自然地希望将光作为一种直线基准。然而,如何将光作为基准却有许多种不同的方案[1,2]:传统的经纬仪、水准仪、自准直仪等非相干光仪器在理论上都是将分划板十字丝在像空间的轨迹作为直线基准,但调焦误差难以消除;普通的激光准直仪是利用扩束准直的激光束,以其能量重心的轨迹作为自然直线基准,但它受诸多因素的影响,例如:激光器热变形而导致的激光束漂移和模式变化,激光光斑本身的非轴对称性而导致的光斑能量中心的衍射传播轨迹的非直线性,光电位置探测器的非线性、噪声等导致的误差;各种类型的激光直线度干涉测量仪都是设法形成互成角度的两束光,以其干涉等光程位置作为直线基准,灵敏度、精度都较高,也是目前应用较多的,但对激光器的稳定性要求很高,且有一路光只能做一维测量、测量时记数不能中断等缺点;波带片、相位板等衍射方法可以克服光强不均匀的误差,但衍射十字丝的成像位置却是不连续的,若调焦则必然产生调焦误差。总的来说,基于光能量的方法精度和稳定性较差,基于干涉和衍射的方法则较好,但仍有不足和不方便之处。现介绍一种利用无衍射光的圆环光斑来进行空间直线度测量的技术,该技术具有不需调焦、受激光漂移影响小、测量信号可中断、可测二维直线度、操作方便等优点。

　　2　仪器工作原理与结构

　　无衍射光直线度测量仪的结构框图如图1所示。

　　测量仪工作过程如下:激光器发出的激光经扩束准直后照射在一个圆锥透镜上,该镜锥角为θ(母线与底面夹角),于是出射锥光具有的锥角(n-1)θ,n是透镜的折射率,这些锥光将形成环状条纹的衍射光斑,这种衍射光斑就是实验上能够实现的近似无衍射光,其衍射机理[3,4]可以用稳相法[5]分析和计算,其条纹分布符合关系:

J₀是零阶贝塞尔函数。无衍射光斑相邻条纹间的间距b为:

　　无衍射光斑投射到测量头内的圆环光栅上,当此光栅的栅距与光斑的条纹间距相近,且光斑中心与光栅中心基本重合时,在光栅上将形成莫尔条纹的透射光(图2),这是因为光束强度分布函数与光栅透过函数相乘的结果是一个强度呈大周期性起伏的图案。在光栅后置一毛玻璃接受此透射光,可用目镜观察莫尔条纹的形状,也可以除去毛玻璃和目镜,用CCD面阵探测器直接获取莫尔条纹,然后用计算机进行条纹处理。

　　易于推导,莫尔条纹的环路m、圆环光栅环距g与无衍射光斑条纹间距b三者之间的关系为: