一种滚转角和直线度同步干涉测量方法的研究

提出一种用于精密线性位移台滚转角和运动直线度同步测量的激光外差干涉系统。该干涉系统由一个Koster棱镜、角隅棱镜、分光镜、1/2波片、直角棱镜、1/4波片以及楔面棱镜和楔面反射镜组成。楔面棱镜作为测量运动直线度和滚转角的传感器固定在线性导轨上,当双频激光器的光射入干涉系统中后,形成空间对称的六光束测量信号。空间结构对称、系统共光路的特点使光学分辨率比普通的迈克尔逊干涉仪高一倍,光程死区达到最小。系统稳定性好,抗环境干扰能力强。光路对称使得增加或减小的光程变化相同,其他自由度引起的光程变化相互抵消,仅有运动直线度和滚转角的变化可以进入光程差,有效地排除其他自由度及阿贝误差的串扰,实现高精密测量。试验证明相互平行且不同频率的两束光在同一反射系统中发生运动直线度偏移和滚转角变化时,通过两束光携带的不同相位信息能直接得到运动直线度和滚转角的变化值。它不需要一条与行程同样长度的大反射镜作参考便能够实现高分辨率测量,简单实用,可直接溯源米定义。     

四自由度同步外差干涉测量系统设计

针对多自由度测量技术中存在的测量范围有限、精度低和阿贝误差等问题,设计了一种大行程、高精度、可溯源、四自由度同时测量的外差干涉测量系统。采用碘稳频532 nm固体激光器作为测量仪光源,结合光纤耦合技术对双频光进行空间分离。使用差分波前传感技术实现位移、俯仰角和偏转角的同步检测,并采用楔面棱镜测量直线度的变化。该测量系统可以抑制双频光混叠引起的非线性误差,行程范围为6 m,位移分辨率为0.13 nm,俯仰角和偏转角分辨率为0.026 μrad,直线度分辨率为14.88 nm,测量结果具有可溯源性。     

高精密滚转角测量干涉仪

现有的各种激光干涉仪可以方便地测量围绕垂直于直线位移方向的两个转角偏移,但是对于围绕运动轴的滚转角偏移,特别是对于大行程运动,缺乏有效的测量方法。针对各种高精密直线运动定位装置,设计一个新型的差分平面干涉仪,并采用一个楔面棱镜和楔面反射镜,组合成为一个几何空间对称四光路系统,构成新型的高精密滚转角激光干涉测量仪。它不需要与行程同长的大反射参考镜,但同样能实现高分辨率,而且简便实用,可以直接溯源米定义。试验证明,几何空间对称四光路滚转角干涉测量仪能够有效地排除其他自由度运动的干扰,利用它可以快速高效地测量各种精密直线位移运动的滚转角。使用普通的2π/360细分相位计,测量分辨率为1.1″,若使用2π/36 000的高精密细分相位计,滚转角的测量分辨率可达到0.01″。     

基于保偏镜组的外差干涉测量几何误差分析

角锥棱镜由于本身缺陷会导致失偏效应。在平面镜外差干涉仪中,使用一种保偏反射镜组替代角锥棱镜,以减小外差干涉仪的非线性误差。根据这个平面镜外差干涉仪的基本光路图,基于偏振分光棱镜和角锥棱镜的基本光学特性,分析了平面镜外差干涉仪中3个偏振分光棱镜偏摆角、仰俯角和滚动角,保偏反射镜组中2个偏振分光棱镜之间的间距和角度,以及角锥棱镜的偏摆角和仰俯角等误差对干涉仪的影响。推导出外差干涉仪中各个光学元件的最大安装误差,并规定好其加工精度,确保外差干涉仪性能。     

干涉法测量直线度的原理分析

分析了激光直线度干涉仪的原理,阐述了在激光直线度干涉仪中用Wollaston棱镜作为感知元件的合理性,证明了系统对光束漂移有自适应性,能够实时消除漂移误差,有较强的抗干扰性。     

阿贝原则在角度测量上的拓展应用研究

为了减少角度测量误差、提高含精密轴系的精密仪器的测量精度和精密机械的定位精度,回顾了古典阿贝原则及拓展理论,并将其推广到角度测量领域,定义了测角阿贝误差的概念,测角阿贝误差由阿贝角和阿贝臂共同作用产生。以关节类坐标测量机中精密轴系为例,使用光电自准直仪和平面镜对阿贝角进行测量,进而得到测角阿贝误差,实验结果表明测角阿贝误差是测角误差的重要组成部分,占25.5%,修正测角阿贝误差后,测角精度提高了12.8%,在此基础上,当配合使用多面棱体修正测角误差时,测角精度提高了93.2%。     

基于倾斜入射的直角棱镜大面测量装置研究

针对直角棱镜大面测量中可以消除多重干涉背景干扰的倾斜入射测量系统,设计了一种能直接进行直角棱镜大面测量的正置式倾斜入射干涉仪装置.该装置包括相移干涉仪主机、一体化载物工作台以及一对参考平晶.讨论了直角面参与反射带来的光线簇造成的多重干涉背景误差,采用3D偏折的方法来避免全内反射光干扰直角棱镜大面测量.实验部分,组装了基...     

计量型原子力显微镜的位移测量系统(英文)

针对纳米结构表征和纳米制造的质量控制需要,中国计量科学研究院设计并搭建了一台计量型原子力显微镜用于纳米几何结构的测量.为了将位移精确溯源到国际单位米,研制了单频8倍程干涉仪测量位移,样品表面形貌则由接触式原子力显微镜测量.一个立方体反射镜与原子力显微镜的测头固定,作为干涉仪的参考镜.两个互相垂直的干涉仪用于测量样品与探针在x-y方向的相对位置.样品台置于具有三面反射镜的零膨胀玻璃块上,由压电陶瓷位移台驱动.另外两台干涉仪测量样品与探针在z方向的位移,探针针尖位于干涉仪光束的交点以减小Abbe误差.由于光学器件的缺陷产生的相位混合会引起非线性误差,采用谐波分离法拟合干涉信号来修正误差,修正后干涉仪测量误差减小为0.7 nm.     

倾斜入射下的单截面平面度绝对检验

针对大尺寸光学平面的直线度的纳米级测量精度需求,提出了倾斜入射下单截面平面度绝对检验方法,实现了对超过相移干涉仪口径的长平晶绝对检验。利用棱镜转向实现倾斜入射角度的精密预标定,棱镜标定角度的精度高于圆光栅和图像分析等方法,可提高测量不确定度到0.004 2μm。对比了常规三面互检绝对检验结果与本方法的差异,在相同尺寸下,直线度误差仅为1.2 nm。在确认标定反射镜位置后,整个倾斜入射的干涉图调整过程将被完全集中到待测长平晶的工作面上,不需要再对反射平晶进行操作。调整长平晶时各个维度的操作互不干涉,可快速简便地得到测量结果。     

科技成果

大型工件外径测量系统该测量系统采用激光瞄准和激光测距技术，装有角隅棱镜的磁性定位和轻型导轨，实现了高精度大直径直接测量，同时使仪器轻便操作，能够在加工现场或加工机床上进行在位测量。关键技术包括：使用了体积小、重量轻的半导体激光长距离高精度准直系统，准直激光束光斑圆整，有效抑制了激光的漂移；轻型导轨不直线度误差实时测量与补偿，探测器位于一定距离，可同时探测五角棱镜平移和转动两项误差，实现了导轨误差的自动补偿；激光自准直瞄准被测工件直径；装备角隅棱镜和平面反射镜的磁性定位块，具有在不连续圆周表面上定…     

X射线干涉仪中单晶硅微动工作台的研制

目前国际上Ｘ射线干涉仪所采用的微动工作台均采用对称式柔性铰链结构,其缺点是侧 滑角大,严重影响干涉信号的对比度,很容易产生干涉条纹的记数误差。为此提出了非对称结构微动工作台的设计思想,并引入有限元方法进行了结构参数优化,研制了整体式Ｘ射线干涉仪。理论分析和实验表明：利用非对称结构研制的Ｘ射线干涉仪,分析器的侧滑角显著下降,干涉信号的对比度大大提高,更适合Ｘ射线干涉纳米测量的要求。     

Four-point bisensitivity velocity interferometer with a multireflection etalon

A four-point bisensitivity velocity interferometer system for any reflector (VISAR) with a renovative delay etalon is proposed and demonstrated. In this interferometer, we introduce a new film-coating strategy to accurately measure small velocity with relatively short and cheap etalon. Laser pointing to the etalon is split into two beams with different incident angles with each beam going through the etalon in different path. The beam with the smaller incident angle is reflected three times before it leaves the etalon, while the other beam with larger incident angle goes through the etalon to and forth only once. The delay time of the laser beam with smaller incident angle is almost three times longer than that of the beam with larger incident angle. In the example of the laser with a smaller incident angle, the velocity per fringe of this interferometer can be reduced by approximately three times. The etalon is optimized so that four laser beams can be penetrated in the vertical direction at the meantime. With an etalon of 200 mm in diameter and 150 mm in length, a four-point bisensitivity velocity interferometer can achieve the velocity per fringe of 100 and 350 m/s fringe. A measurement has been successfully undertaken for the steel flyer driven by the explosive where the developed interferometer applies.     

基于半导体激光光纤组件的激光准直仪

介绍一种基于半导体激光光纤组件的激光准直仪 ,讨论了使用角锥棱镜作为活动靶镜的测量原理 ,给出了准直仪的软硬件设计方案。通过各种实验表明 ,本准直仪可直接应用于工业测量。     

Reconfigurable holographic interferometer with fixed mirrors

The configuration of a two-beam interferometer with fixed inclined mirrors for recording holographic gratings is described. The convergence angle of the partial beams is adjusted in the range from 0 to 180° by changing the angle of incidence of the primary beam on the entry edge of the beam-splitting cube without additional adjustment of the mirrors. The path lengths of the interfering beams are automatically aligned by the mirror symmetry of the system. The optimal kinematics of adjusting the convergence angle is found that allows working with beams of sufficiently large diameter in the whole range of adjustment. The interferometer is highly resistive to vibration due to lack of adjustment devices.     

Limiting characteristics of a rotationally tunable two-beam interferometer with a fixed photosensitive element

Results of calculations of the limiting characteristics of a rotationally tunable two-beam interferometer on the basis of a beam-splitter cube with fixed mirrors and a fixed photosensitive element are presented. The convergence angle is changed solely by rotating the beam source with respect to the interferometer. It is shown that the convergence angle can be varied in the interval from 46 to 166° with sufficiently wide light beams.     

ALTERABLE INTERVAL OPTICALELECTRONIC AUTOCOLLIMATION METHOD FOR STRAIGHTNESS MEASUREMENT OF PRECISION GUIDE

0 INTRODUCTIONThe guide straightness strongly influences the performanceof kinetic parts, so straightness measurement[1-5] is widely ap-plied in engineering. An optical-electronic autocollimationmethod is widely used for high precision straightness measur…     

Wollaston棱镜偏振非正交对空间测角系统的影响

为了在一定平移范围内实现快速空间测角系统的测量功能,对一定入射及方位角的光束经过Wollaston棱镜后引起的两出射光束的偏振非正交及进而引起的系统测角误差进行了研究。首先,建立系统坐标系模型,采用光线追迹法,并利用坐标变化的方式,对任意入射角和方位角下Wollaston棱镜的偏振非正交进行了理论推导。接着,对偏振非正交与入射角的关系及它对系统测角精度的影响进行了Matlab仿真。仿真结果表明,随着偏振非正交及空间方位角的变大,系统测量误差变大,且Wollaston棱镜偏振非正交对系统测角精度的影响较大;当方位角为3°,偏振非正交为10′时,测角误差为30″。最后,通过分析偏振非正交的产生原因,改进了原有光源扩束系统,改善了偏振非正交对系统测角精度的影响,减小了测角误差。本文的研究成果对优化系统结构并进一步提高系统性能具有一定的指导意义。