基于椭圆光斑的离轴微位移计量

　　1　前　言

　　测量微位移的方法很多,其中采用光学原理的方法[1]不仅具有精度高等特点,而且在有些装置中是必需的,比如光学上的焦点探测。在光学装置中,将经由物镜的反射光束的光轴与二象限探测器的对称轴错开,便构成一种微位移测量结构,称为基于二象限探测器的离轴法。在此离轴法中,反射光斑的大小反映着位移偏离焦点的大小,通过对反射信号大小的标定,可实现对微位移的计量。通常,反射光斑的光源由氦氖激光器产生,为圆形光束。受激光器电源不稳定等因素的影响,光束易发生亮度或亮度分布的变化,它会使探测出错,从而影响计量精度。此外,氦氖激光器还存在体积较大的缺点,这对于光路的小型化和紧凑化不利。

　　半导体激光器(LD)则具有亮度稳定、体积小巧等优点,但光斑质量相对较差。带准直透镜的一体化LD,虽解决了光束发散角过大的问题,但并未校正激光在平行于和垂直于结平面方向发散角相差不一造成的椭圆光斑问题。和氦氖激光器相比,光斑形状发生了由圆到椭圆的变化,这可能会引起微位移计量中标定、传递及控制等特性的变化。通过理论分析和实验有助于理解这种微位移计量的应用性能,以及一体化LD是否适于取代传统的氦氖激光器,或者一体化LD有无必要增设光斑整形环节比如柱面透镜、棱镜或光阑[2]等。

　　2　微位移计量原理

　　图1给出了微位移计量的基本光路。其中探测器给出了两个方向的视图,同时注意到,反射光束轴线和探测器象限分界线有一段距离。由光路可知:当离焦时,光斑大小发生变化,相对于准焦时的光斑大小,当离焦位于焦点内侧(近离焦)时光斑更大,位于焦点外侧(远离焦)时光斑更小。通过标定光斑的大小与待测物的位置,就能测量待测物的绝对位置,而根据光斑大小变化的程度,就能测量待测物的位移量。

　　计量和表征光斑大小有许多方法,这里通过提取二象限探测器的光能信号S1和S2,并用其比值S1/S2构建一个算子G,来实现对光斑大小的映象。其优点在于形式简单、取值单调、定标容易、对光功率波动不敏感等。

　　图2是微位移计量光路示意图,其中光路参数d0是离焦量,且规定近离焦为正,远离焦为负;d1为准直椭圆光束的长轴a1或短轴b1;d2为物镜与探测器的距离;d3是光轴即椭圆光束中心轴与探测器象限分界线的间距;d是探测器上光斑的长轴a或短轴b。

　　由图2及几何光学可得

　　再假定投影到二象限探测器的光斑照度是均匀的,同时也不考虑光源的象散特性,这样,二象限光电信号S1、S2就分别是两个区间光斑的面积大小。在探测器上建立一个直角坐标系,其中探测器分界线方向为y轴,与y轴垂直方向为x轴,原点为椭圆光斑的中心,则由图1、2得