位相板在大型几何量形位误差测量中的应用

　　1　引言

　　利用光束直线性进行准直是个历史悠久的课题,长期以来人们先后研究了各种用光束来准直的方法。激光准直法利用激光光束的方向性好、亮度高等优点,以稳定的准直激光束作为测量基准,通过光电测头将被测点与此基准进行比较,直接得到被测点的高度变化量,获得被测信息。利用激光光束作为基线,通过光学机械扫描机构扫描出的光束平面可以作为平面度的测量基准,原则上它是“无限大的”,因此特别适合于大型工件的测量。

　　从理论上讲,激光准直方法具有精度高,易实现自动测量等优点,但是因为激光准直仪一般采用全内腔氦-氖激光器为光源,由于器件本身的结构、材料等受热变形以致于组成激光腔的两个镜片的几何位置发生微小变化等原因,造成激光束不可避免地存在方向漂移(角漂)和平行漂移的问题。在激光准直技术中,主要有两种方法来抑制激光束的漂移:一种是利用对称双光束法[1];另一种则是利用光纤准直技术[2]。对称双光束法是利用光学系统将一束激光变成对称的两束,利用这两条光束光轴的角平分线作为准直的中心。另一种则是利用光纤准直技术。光纤准直技术利用单模光纤模式稳定特点,有效地抑制激光束的角漂和平漂,获得一个准直的光束,该光束的光轴是准直中心。但是,如果直接以该激光束的轴线作为基准,用测量该光束的能量中心则其准直精度只可达到10^-5量级;如果利用位相板技术产生的衍射条纹形成的黑线作为基准,测量准直精度可达10^-6。

　　2　位相板准直工作原理

　　图1表示用一维非对称π相位阶跃位相板作准直测量的原理图。在透明平板G的一半面上镀以一定厚度的膜厚,使其通过上下两部分的光产生位相差P,这样非对称位相板的两部分相当于两块直边衍射屏,但位相差π。当用同一平行光照明时,合成衍射场分布为

　　根据直边衍射公式[2]:

　　其中F(x)是菲涅尔积分,两直边衍射的衍射场为:

　　合成衍射场分布为(略去常数):

　　可见,对于轴上点(x′= 0),E1(x′,y′,z) =E2(-x′,y′,z) ,则

　　因此在接收屏上得到对称于暗中心线的光强分布,这样就可把这条中心暗线作为中心,在空间组成准直基准。经过该位相板后的衍射光束有如下特点。

　　1)光束是一个具有中心黑线的对称衍射图样,该衍射图样是以通过此黑线中心的光轴为轴的轴对称图样。利用衍射图样的对称性,可以高精度确定出黑线的位置。

　　2)当入射光波是平行平面波,且方向确定时,如果入射光波平移时,黑线和衍射图样在空间上不变。