相移干涉技术在小角度及直线度测量中的应用

　　1　引言

　　直线度测量在加工设备、检测设备安装调试过程中起着十分重要的作用,其测量值准确与否将直接影响加工设备的制造精度及检测设备的测量精度。在某些高精度应用场合,直线度测量数据直接参与加工及测量设备的精度补偿,是精度补偿过程的数据来源,其测量精度决定了仪器设备的使用精度。直线度一般可通过专用仪器(如HP双频激光干涉仪结合直线度测量附件Wollaston棱镜和二面角反射镜)[1]直接测量得到,也可通过使用小角度测量装置(如702光电自准直仪)经换算得到[2]。由于小角度测量装置应用广泛,因而后者成为直线度测量的常用方法。

　　一般小角度测量的原理如图1所示:

　　其测量方程式可表示为:

　　由于角度很小,上式可写为:

　　这样在L或l确定的情况下,通过测量h即可得到角度α。目前利用自准直仪测量小角度值时,h的测量精度受测微目镜等元件的精度影响,测量精度一般δα≥1″[2]。利用光干涉原理测量小角度有双参考镜方法[3],其核心为一Twyman-Green干涉仪。应用这一方法进行测量时,条纹间隔提供的灵敏度是精确读取间隔值尾数的关键,由于条纹亮度、形状很不一致,要想获得高精度的检测结果是不可能的[4]。同时受双参考镜夹角取值范围等条件影响,双参考镜小角度测量的误差δα≥0·5″[3]。

　　在进行直线度测量时,需要对两个方向(俯仰和偏摆)上小角度的测量才能实现对直线度的测量。采用上述两种测量方法时,不可能同时获得两个方向上的小角度值。然而本文所提出的,利用相移干涉技术结合Zernike波面拟合技术的测量方法,不但能够同时获得正交两个方向上的小角度值,而且可使测量精度和测量速度得到大幅度的提高。

　　2　小角度相移激光干涉测量原理

　　利用相移干涉技术测量小角度的原理如图2所示:

　　如图2,激光器1发出稳频激光经扩束镜2扩束、针孔3空间滤波后得到高质量的球面波,经准直镜7、参考镜9作用后,一束光经参考镜标准面a反射得到参数波面,另一束透射光经反射镜10反射形成被检波面,两束光经分光镜4和投影镜5作用后在CCD探测器6的像面上产生干涉条纹。所谓相移干涉技术,是通过PZT对光程差的调制在时间域中实现相位调制的干涉技术[1]。图2中,参考镜9是在PZT 8的作用下实现对参考波面和被检波面之间光程差的调制。得到被检波面的初始相位后即可得到反射镜10的面形误差、反射镜10和参考面a的空间角度。这里的空间角度就是我们所要测量的小角度值。反射镜10的初始相位可通过下面的四步算法得到[1]。