0.6328μmHe-Ne激光器小数重合法大尺寸绝对距离测量方法的研究

本文介绍了以小数重合法为基础的大尺寸绝对距离干涉测长的原理,并着重分析了两种测量方法:外差法和拍波法。

小数重合法的新生

1.简要回顾 高等级量块在柯氏干涉仪上靠小数重合法测量已有半个世纪历史。其方法是根据量块在初测范围内由几种光源得到的干涉条纹的一组小数级次与预计算值的重合,来确定其可能的整数级次(见图1)。

“小数重合法”计算机简易算法

介绍了小数重合法在柯式干涉仪上检测量块中的应用，用计算机代替计算尺实现简易计算，提高了数据处理的效率，减轻了劳动强度。

非线性小数重合法及其在轮廓测量中的应用

叠相还原的困难是光栅投影式轮廓测量技术中影响可靠性和阻碍自动化测量的最大问题。本文提出了一种新型的时域叠相还原算法 非线性小数重合法， 这种新方法可以将可靠测量范围扩大数十倍， 而不失测量精度。文中详细论述了非线性小数重合法的原理， 并给出了复杂轮廓的可靠测量的实验结果。

基于改进的非线性小数重合法的轮廓测量

为实现复杂物体形状的可靠测量 ,提出基于相位 -高度关系的非线性小数重合法原理。用独立于任何实际应用的一般形式给出了该算法的数学表述 ,并以此为基础设计了一套双频光栅投影轮廓测量系统。对标定结果的分析表明该系统在 75 .6 0 m m的高度测量范围内测量不确定度小于70μm。与基于相位 -坐标关系的非线性小数重合法相比 ,该算法的数学表述更加明晰 ,应用也更加方便。该技术可用来实现实用、可靠。

用相位偏移干涉法精确测量量块长度

讨论了相位偏移干涉技术的原理、常用的算法和小数重合法的应用。在分析了传统的柯氏干涉仪的量块测量方法基础上 ,提出运用相位偏移干涉法的量块测量法 ,最后给出了量块测量的数据。

一种新的二元条码设计与绝对式光电位置编码方法

提出一种新的二元条码设计方法,可用于绝对式光电位置编码。传统的光电编码器主要基于莫尔光栅条纹技术,把位移量变为电脉冲,结构简单,但由于增量式相对测量方式,从而使得光电编码器的应用受到了限制。本文提出的二元条码设计方法,在单码道上设计了包含三种频率信息的光栅,采用二元脉冲编码调制和误差扩散的方法形成二元条码标尺。在光电位置编码器中,标尺上某一段的条码就成像在线阵CCD上。对CCD获取的该段条码信息进行傅里叶变换,滤波和逆傅里叶变换,得到三种频率光栅的相位信息,采用小数重合法得到该段条码的绝对相位分布,从而得到绝对位置信息。新的方法保留了单码道光栅莫尔技术结构简单的优点,同时又能像多码道光栅编码器一样实现绝对位置测量。文中给出了编码方法的详细描述,条码信息处理方法,计算机仿真实验结果,最后给出了绝对式光电位置测量的实验结果。本文提出的方法在绝对式光电位置编码器和数字水准仪等领域具有一定的应用前景。

基于单稳频激光的端面距离微尺寸测量方法

搭建了一种用于端面距离微尺寸测量的干涉光路,分别以频率高度稳定的532 nm波长激光和波长不确定度水平相对较差的633 nm波长激光作为光源进行照射以获取干涉图样。使用电荷耦合器件(CCD)传感器获取干涉图样,采用数字图像处理手段清晰化干涉图样,并利用条纹的像素距离计算干涉条纹级次差的小数部分,用多波长的小数重合法计算端面间距。通过系统的软件部分,利用数字图像处理的手段对干涉图像的质量进行优化,在较为简单的实验条件下实现精度较高的端面距离微尺寸测量。

面阵像元细分用于法布里珀罗标准具间隔测量

法布里珀罗(F-P)标准具间隔d的高准确度测量对干涉测量结果具有非常重要的影响。论文基于F-P干涉成像图片信息,结合峰位坐标局域细分原理和圆方程回归,尤其应用了一种新型的虚拟面阵像元细分和信号平滑化技术,准确地求出干涉图像各同心圆环直径Di,实现干涉级次整数部分k0和小数部分ε的准确计算,完成F-P间隔d的三波长小数重合法测定。实验对比分析了细分和非细分方式对测量结果的影响,测得细分方式下的d=(2 009.961 91±0.000 06)μm,d的不确定度粗估值(Uε/k0)=9.8×10-7。实验验证了像元细分方法的有效性,为提高间隔d的测量准确度提供了有效的途径和方法。

多波长加权回归准确计算F-P标准具的间隔

漫射单色光经F-P标准具产生一组干涉圆环,对环直径平方与干涉级次的经典一阶方程加上二阶修正项,从修正后的准直线方程能够确定圆环中心干涉级次的小数部分。实验采用波长相近的两条汞黄线、氦黄线和氖黄线作为光源,同时获得经F-P标准具的四组干涉圆环。对圆环的点位坐标数据作圆回归求得直径值及其标准差,进而用新的准直线模型作加权回归求得各波长的小数干涉级次,评定其扩展不确定度。将3个波长(两条贡黄线,一条氦黄线)的测量结果用于小数重合法计算,从厚度粗测值选定间隔数值计算的取值范围,步距小于0.01 nm,求得间隔d=1 655.331 67±0.000 45μm,相对误差限约为3×10-7。再用第4个氖波长作检验,由d求出的干涉级次与实测值的相对偏差为1.9×10-7,显著小于干涉级次测量值的相对不确定度7.4×10-7。

新型移相量块干涉仪的研制

研制了一台用于0.5~100 mm量块测量的新型移相量块干涉仪,分别以波长为633 nm和543 nm的两台稳频激光器作为测量光源,通过一根单模光纤引入到干涉仪内。高精密移相器实现5步移相干涉测量,CCD相机采集干涉条纹并计算干涉条纹小数,被测量块长度采用多波长的小数重合法计算。移相量块干涉仪的测量不确定度达到U=0.015μm+0.07×10^(-6)L(L为量块长度,mm)。

新型长距离无导轨激光干涉仪

外腔半导体激光的线宽小于100kHz，干涉相干距约为1000m，波长可调节范围超过100nm（1495—1645nm），应用上述二项特性，通过改变波长（频率）测得任意点到仪器的距离（不需要在测量计数时移动反光镜）。其测量距离大于100m，分辨率可以优于3nm，不确定度可以达到2．5×10^-6L，达到工程测量对测长仪器的要求。为提高测量不确定度，还可以使用2个或2个以上特定波长，通过小数重合法，更精确测得与被测点的距离，不确定度可以达到5×10^-7L。其优点是：测量时无需导轨移动测量镜（对比双频激光干涉仪）、可以挡光进行间断测量（对比激光跟踪仪）、测量不确定度和分辨率精度指标高（对比激光测距仪）。可以为尺寸大、形状复杂的几何物件和大型建筑物、基线场等精密测量提供十分有效的方法和工具。

一等大量块(125～1000mm)检定装置

量块的测量是长度计量的重要基础。文中的装置采用了高精度的633nm碘稳频氦氖激光器和543nm热稳频氦氖激光器各一台,分别将不同波长的激光光束入射到典型的迈克尔逊干涉仪中,使放置在测量光路中的量块与平晶研合在一起的组合体和参考镜进行干涉,利用CCD摄像机获取干涉图像,同时测量量块温度及空气折射率(或环境参数),一同输入计算机中进行处理计算得到测量结果。对于125～1000mm量块的测量难点是保证温度要稳定、均匀、偏离20℃的范围要小。为此,设计了可高精度控温的仪器箱,可调节温度到17～23℃,温度变化率小于0.01℃ h,从而实现量块线膨胀系数的测量。该装置的量块长度测量不确定度达到U99=0.02μm+0.2×10-6L,量块线膨胀系数测量的不确定度可达U99=0.2×10-6℃-1。

补偿大气折射率的多波长干涉绝对距离测量

在绝对距离测量中,由于大气扰动造成的测量路径上折射率分布不均匀对干涉测量有很大的影响,针对这一问题,本文提出了一种补偿大气折射率的多波长干涉测量绝对距离的方法。该方法基于小数重合法的基本原理,在测量过程中不需要对大气参数进行实时监测,而是通过A系数所给出的各波长折射率之间的关系解算距离。文中结合小数重合法的基本原理给出了理论推导与分析,并采用594.1nm、611.9nm、632.8nm三种波长在计算机上进行了数值仿真实验,得到了该算法的小数级次测量精度与非模糊距离(UMR)的匹配关系。

回归分析在F-P标准具测量实验中的应用

以测量法布里-珀罗标准具间隔实验中小数序的计算为例,分别建立一元线性回归模型Di2=b0+b1i、二元线性回归模型Di2=b0+b1i+b2i2、加权回归模型及近似直线回归模型Di2=b0+b1i*,采用最小二乘法数据处理过程,分析其应用条件和优缺点,得出近似直线回归方法可以在物理实验处理中广泛应用。

光纤马赫-曾德尔干涉仪干涉长度的精确测量

第一次将小数重合法应用于非真空的长度测量中;通过对于涉仪温度系数的测量,结合单模光纤的色散特性,采用逐步近似的办法,提高了测量精度。在实验中得到了绝对误差小于0．1 μm的测量结果,为光纤干涉仪在精密测量方面的应用提供了理论基础。

阶跃型边界平面干涉测量技术

为完成复杂平面样板的测量,提出了一种循环单纯形边缘特征提取及种子填充的数字图像处理技术,解决了复杂平面样板相位复原的问题;应用波长合成技术和小数重合法在相位偏移干涉系统中实现了阶跃型边界平面样板的干涉级次整数部分及小数的测量。在实验中对两种阶跃型平面样板测量的重复性达到了10nm,将其测量结果和三维纳米测量机的测量结果进行了比较,两种仪器测量数据最大偏差8 nm。分析了实验数据的可靠性以及两种测量仪器的优缺点,为复杂平面样板的测量提供了一种新的思路。

F-P标准具多光束干涉成像实现微小角度自校准测量

利用干涉级次小数部分计算得到成像物镜相对焦距值,结合微小角度引起的相对位移值,实现微小角度测量的自校准。仿真计算了小数重合法的算法误差及温湿度误差,并实现了F-P间隔计算结果的修正,设计了可自校准的微小角度测量实验装置,通过测量实验得到了间隔修正前后成像物镜焦距值及微小角度测量结果。实验结果表明:在当前实验条件下,经修正后的焦距测量相对扩展不确定度从0.014减小到0.007,600″测量范围内的角度测量不确定度从0.132″减小到0.084″,微小角度测量的准确度得到有效提升。