基于激光干涉的准直技术检测系统的构建

　　0　引　　言

　　准直技术在现代科技和生产中发挥着越来越重要的作用。在精密计量中,直线度误差的测量是一项最基本,也是最重要的测量,它是机械精度的基础之一。除了对工件实际表面直线度误差进行测量和评定外,在检测大型工件表面的直线性以及自动校正直线运动机构的直线度误差时,也要进行直线度误差的测量[1]。直线度作为形状误差的要素之一,直接影响仪器精度、性能、质量,在有些场合,甚至是决定因素。

　　现在直线度测量装置中成功的定型化商品是美国的HP公司的HP5526A等系列中的双频激光直线度测量仪。它的测量是在激光准直的基础上采用干涉原理进行读数,分辨率、测量精度都很高。美国斯坦福大学在激光准直的基础上成功的采用了圆形真空管通道传输,点光源经菲涅尔棱镜成像接收,在3035 m的距离内获得高于±0.25 mm(±1×10-7)的准直精度[2]。国内学者对激光准直直线度测量技术也进行了大量的研究工作,但距离国际先进水平仍存在一定差距。第二炮兵工程学院研制的基于M型分划丝的单线阵CCD直线度准直仪,在20 m的距离内准直精度可达6μm,在70 m距离内准直精度可达13μm,在±20°测角范围内测角精度达0.7″[3]。中国科学院光电技术研究所研制的基于四象限光电池的激光准直仪,它利用激光光线作为基准,用四象限光电池作为探测器,它的其分辨力为0.01 mm,作用距离可达40 m[4]。普通光强型激光准直仪对杂散光敏感,难以克服温度、空气气流扰动的影响,精度偏低;而偏振型激光准直仪的结构又比较复杂。为了寻求一种既结构简单又能抑制空气扰动等不利因素影响的新型准直仪,设计并构建了基于干涉条纹的激光准直检测系统。

　　1　系统原理

　　1.1　干涉理论分析

　　如图1的楔形平板干涉中,从光源S中心发出经光楔板上下表面反射的两束光交于定域面上某点P,这两束相干光在P点产生的光程差为:Δ=n(AB+BC)-n'(AP-CP)(1)

　　式中:n为楔形平板的折射率;n’为周围介质的折射率。

　　在实用的干涉系统中,楔形平板的厚度一般都很小,且楔角也不大,可近似用平行平板的光程差公式来代替:Δ= 2nhcosθ2+λ2(2)

　　式中:h是楔形平板B点厚度;θ2是入射光在A点处的折射角。

　　对于折射率均匀的楔形平板,干涉条纹平行于楔棱。由以上分析可知,只要固定楔形平板的位置,其产生的等厚干涉条纹间距和位置就不会发生变化,利用这一干涉光作为准直测量的基准,通过光电转换器件将光信号转化成电信号,便可测得接收靶在被测导轨上任意一点时干涉条纹照射在接收靶上的位置。