杨俊才黄松药

　　(国防科技大学应用物理系长沙410073))

　　提要叙述了激光干涉定位的原理及方法，定位精度可达0.01um，采用条纹细分技术进行微位移检测，精度为0.01um，并将上述方法用于物件平行度检测。

　　关键词干涉定位相敏检波条纹细分超精检测

　　激光光电定位器定位技术是精密检测及加工的重要课题之一，在机器人视觉，集成电路以及超高精度切削加工方面，定位是质量保证的前提。光学定位法具有结构简单，非接触，高精度等优点，能较好的适应新技术发展对加工和检测所提出的高要求。

　　本定位器的光路部分采用球面干涉仪，实际上是在麦克尔逊干涉仪的一臂上换上一聚焦透镜，以该透镜的焦点作为定位点。仅当被测物面的代表点A与聚焦透镜L的焦点F重合时，在接收屏M:处的干涉条纹才为直条纹，稍微偏离，则在接收屏上是一球面波与一平面波干涉而产生的弯曲条纹。

　　设图1中定位器的接收屏M 2位于座标Z=0。处的平面上，则当待定物件点A偏离透镜焦点F距离，也即定位偏差为e时，由理论推导可知:平面波与球面波在接收屏上的干涉条纹的形状为一族圆，其方程为:

　　式中为M 1处反射的平面波与Z的夹角，f为聚焦透镜L的焦距。

　　设聚焦透镜L的口径半径为r，可推得条纹的弯曲度与条纹间距之比，也即条纹的相对弯曲度V为:

　　式中为镜头的相对孔径，由(2)式可知，若要求定位精度。=0.01um，当时，，即要求定位系统能判读出近百分之一的条纹弯曲度，这是十分困难的。另外，直接光电转换的信号也十分微弱，为此采用相位调制的办法，在Ml处的反射镜后加一压电陶瓷(PZT)，用圆频率为，振幅为a的正弦波驱动，在接收屏上的光强分布为:

　　这时，中包含两项，一项是未调制时的位相差，与接受屏上的空间座标(x，y，z)及定位偏差。有关，与时间无关，这里Z=0，记为:

　　另一项是由调制引起的位相差ZaKsin叭，则屏上的光强分布与x，y，，t有关，将光强表达式展开有:

　　式中J n为n阶贝塞尔函数，光强信号经光电转换成为电信号，其中包含。的各次谐波，若保持调制的振幅a不变，则各次谐波的振幅与p有关，当光电接收器位于屏上的固定点时，即(x，y，z)不变时，其振幅只与定位误差。有关。据此，把电信号输入相敏检波器，再经低通滤波器后其输出的直流成分为:

　　将两光电管固定在同一条直线上，则当=0时，两光电管输出的信号之差取最小值，此时图1中的物件面代表点即为定位点(=0)

　　用麦克尔逊干涉仪测量位移，其精度可达0.4um(He一Ne激光器)，为提高测量精度，采用条纹细分技术。在接收屏上固定两个光电接受器，使其接收到的信号相位相差90度，设两信号为:

　　式中为微位移量，实际上(7)式并非严格成立，由是r的周期函数，可展开为:

　　由(7)式知，(8)式中为大值，而其他项为小值，在实验中测得V1，V2之值，则可确定(8)式中各项的系数，如取一级近似，则有:

　　取在实验中先测出相应的Vi之值，则由(9)式可得到六个方程，即可解出

　　确定各个系数后，实验中测出两光电探测器电压则可由(s)式在某级近似的条件下计算出之值，从而得到微位移量将光电探测器输出的电信号放大后，经过模拟一数字转换输入计算机处理，在二级近似的条件下，测量精度可达。

　　平行度检测

　　在生产过程中，需要对平行度进行检测，如标准块规等。用两个定位系统及一个超精微位移检测系统即可构成一个平行度检测系统，同时该系统也可用于测长。平行度检测系统原理图如图2所示。

　　移动待测物件W，当待测物件的上端代表点G‘与定位点I重合时，再移动物件使其代表点G与定位点亚重合，由微位移系统可测出微位移量，保持两定位点I和l之问的距离L。不变，则有:

　　由上面定位精度及微位移检测精度分析可知，平行度的检测精度

本工作是在谭深教授等人工作的基础上完成的，在此一并表示感谢。

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