激光剪切干涉在导轨直线度安全监测上的应用及特点

　　0 引 言

　　在光学应用中，光干涉有其特殊的意义。无论是经典干涉仪还是改型后的新型干涉仪，其共同基本原理是：利用一个标准波面与被测波面之间形成干涉图样，以干涉条纹弯曲量或者干涉条纹变化量等作为度量依据。除了球面裴索干涉仪和不等臂泰曼-格林(Tyman-Green)干涉仪之外，多数干涉仪至少需要一个或者几个高精度的标准镜面作为标准或者参考波面，因此干涉仪的造价高，生产难度大。另外，普通干涉仪对工作环境(温度、湿度)要求苛刻，且往往需要专业技术人员操作，花费时间较长，故在大规模工业现场应用上受到限制。

　　鉴于以前的干涉仪存在种种难以克服的缺点以及目前导轨安全监测需求的日益增加，一种不需要标准波面的波前剪切干涉仪应运而生，其在导轨精密准直方面应用具有良好的可行性和广阔的应用前景。

　　1 剪切干涉的基本原理

　　被测波通过特定的分光元件被分成两部分，并发生位移变化(相对于光传播方向)，这种波前之间的相互位移称为“剪切”。所用的特定分光元件，可能是平板、棱镜、光栅或者它们的组合等;有时把这些分光元件也称为剪切干涉元件、剪切平板或剪切棱镜等，有时甚至直接称为剪切干涉仪。剪切干涉的基本原理以被检验波前与其自身的被剪开波前之间在重叠范围内相干涉，来评价被检验波前的变化。已经实现的剪切干涉仪，就波前的剪切方式而言，可以分为横向、径向、旋转、翻转等几种方式。从使用广度而言，横向剪切干涉获得了更多的应用，对其研究的科研成果也最多。横向剪切干涉的条纹形状表示波面的相位在剪切宽度内平均斜率为常数的点的轨迹。就其被剪切的波前形式而言，可分为近于平面波(常称为准直型)的横向剪切以及球面波(常称为会聚型)的横向剪切。如图1(a)(b)所示，其中图1(a)是使平面波前本身横向位移，获得横向剪切干涉的图形;图1(b)是使波前绕其球面曲率中心附近一点转动，实现光瞳横向位移而得到的横向剪切干涉的图形;图1(c)表示被检验波前经剪切干涉后，在垂直光轴方向上的截面图。

　　2 剪切干涉仪的特点

　　剪切干涉仪是干涉仪中的重要一类，它既有普通干涉仪的某些特征，又有其独特性能，简要归纳如下：

　　1) 所有干涉仪都是以光波长的倍数或者分数为度量单位，精度高，灵敏度好。

　　2) 各种干涉检验的方法大都可以进行定量检验，剪切干涉仪也同样可定量检验，获得定量结果。但由于没有标准面，被测波面变化与干涉条纹弯曲的对应关系不如普通干涉仪条纹明显、直观。分析波面变形麻烦，不如普通干涉仪方便，这是剪切干涉仪的主要缺点。