基于邁克爾遜干涉原理的微小位移測(cè)量方法研究

閔渭興　張周強(qiáng)　胥光申　李曉飛

【摘 要】針對(duì)傳統(tǒng)邁克爾遜干涉測(cè)量位移精度較低的問題，本文提出了一種新型邁克爾遜干涉測(cè)量方法，該方法通過增加偏振分光棱鏡來(lái)提高干涉條紋的明暗變化，很大程度上克服了傳統(tǒng)邁克爾遜干涉靈敏度和測(cè)量精度較低的問題。實(shí)現(xiàn)了0.01mm微小位移的精確測(cè)量，且測(cè)量誤差為0.044%，測(cè)量系統(tǒng)性能穩(wěn)定，該系統(tǒng)可為后續(xù)的高精度測(cè)量提供寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

【關(guān)鍵字】邁克爾遜干涉;干涉條紋;激光干涉;測(cè)量位移

中圖分類號(hào)： TN247 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2019）29-0136-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.29.062

Study on the Measurement Method of Tiny Displacement Based on Michelson Interference Principle

MIN Wei-xing ZHANG Zhou-qiang XU Guang-shen LI Xiao-fei

（Xian engineering university ， Xian Shaanxi 710048， China）

【Abstract】In order to solve the problem of low displacement accuracy of traditional Michelson interferometric measurement， a new Michelson interferometric method is proposed in this paper. this method improves the light and dark variation of interference fringes by adding polarization splitter prism， and greatly overcomes the problem of low Michelson interferometric sensitivity and measurement accuracy. The accurate measurement of 0.01mm micro displacement is realized， and the measurement error is 0.044%. The performance of the measurement system is stable. The system can provide valuable experience for subsequent high precision measurement.

【Key words】Michelson interference; Interference fringes; Laser interference; Measuring displacement

0 引言

干涉測(cè)距系統(tǒng)具有極高的測(cè)量精度和較強(qiáng)的環(huán)境抗干擾能力，在設(shè)備的機(jī)械振動(dòng)精密測(cè)量和物理缺陷檢測(cè)等方面，有著良好的借鑒價(jià)值和廣泛的應(yīng)用前景。祝繼彬[1]利用光學(xué)倍頻方法延長(zhǎng)了光路的光程差，從而提高了邁克爾遜干涉儀的靈敏度與精度。Archbold等人[2]通過采集激光照射在物體表面的散斑圖像來(lái)分析物體表面位移。杜振輝等人[3]提出了 一種基于激光光柵多普勒效應(yīng)的微振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)。

本文根據(jù)邁克爾遜干涉測(cè)量原理搭建了一種新型激光干涉測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過加載偏振分光鏡來(lái)改善條紋的清晰度并制作狹縫貼在光電探測(cè)器上以提高光電信號(hào)的采集精準(zhǔn)度，調(diào)整光電探測(cè)器放大增益來(lái)提高干涉條紋光信號(hào)的穩(wěn)定性。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及原理

基于傳統(tǒng)邁克爾遜干涉測(cè)量原理，本文提出了一種新型激光干涉測(cè)量系統(tǒng)，在測(cè)量精度與準(zhǔn)確度方面都得到了很大提升。其干涉原理如圖1所示，He-Ne激光器作為光源輸出一束具有線偏振態(tài)的激光束，被分光鏡按1：1的分光比分成兩束光，一束光 N1經(jīng)過反射鏡兩次反射，到達(dá)偏振分光鏡匯聚點(diǎn)，即作為參考光。另一束光N2穿過分光鏡和偏振分光鏡，并且經(jīng)過M1（被測(cè)反射鏡）反射到達(dá)偏振分光鏡匯聚點(diǎn)，即作為測(cè)量光。兩束光在匯聚點(diǎn)形成干涉，實(shí)現(xiàn)光強(qiáng)疊加得到干涉光。干涉光經(jīng)過S（凸面鏡）放大照射在被狹縫包裝的光電探測(cè)上，經(jīng)光電探測(cè)器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)由示波器和上位機(jī)進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)處理。

圖1 系統(tǒng)示意圖

當(dāng)反射鏡M1產(chǎn)生位移時(shí)，干涉條紋會(huì)隨著位移移動(dòng)而明暗相間的變化。位移變化量為[4]：

Δd=■N（1）

式中：Δd為圖中被測(cè)反射鏡M1位移L1的距離，λ為He-Ne激光器的激光波長(zhǎng)，N為干涉條紋的變化數(shù)目。

在光電探測(cè)器探測(cè)中依據(jù)光電信號(hào)轉(zhuǎn)換原理，參考光與測(cè)量光在光電探測(cè)器中引起的電場(chǎng)強(qiáng)度分別為[5]：

■（2）

式中：f為He-Ne激光器輸出的光波頻率，φ1和φ2為兩束光的初始相位。E01和E02分別是參考光和測(cè)量光的振幅。

光電探測(cè)器接收到光場(chǎng)強(qiáng)度引起的轉(zhuǎn)換電流與兩束光干涉后光場(chǎng)強(qiáng)度的平方成正比關(guān)系，即：

I∝|E1+E2|2=■（E■■+E■■）+E01E02cos（Δφ）（3）

式中：Δφ為兩束光強(qiáng)的初始相位差。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

實(shí)驗(yàn)分析，需要對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算，并與真實(shí)值進(jìn)行作比較，繪制測(cè)量值與真實(shí)值的曲線，觀測(cè)誤差大小。如圖2即為實(shí)驗(yàn)中利用滑動(dòng)導(dǎo)軌位移0.01mm的 6組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集，并繪制測(cè)量計(jì)算值與實(shí)際位移值之間的偏差曲線圖，從圖中可看出測(cè)量計(jì)算值相對(duì)于真實(shí)值相對(duì)偏差不到0.0025mm。

圖2 測(cè)量值與真實(shí)值偏差點(diǎn)

繪制誤差曲線后需要對(duì)誤差進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)6組數(shù)據(jù)進(jìn)行與真實(shí)值對(duì)比。從表1中可以看出提取出來(lái)的數(shù)據(jù)計(jì)算與真實(shí)值校對(duì)結(jié)果，得出相對(duì)的誤差值最大為0.145%。

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差計(jì)算

3 總結(jié)

本文搭建了一套完整的邁克爾遜干涉測(cè)量系統(tǒng)，在原始系統(tǒng)中加載了偏振分光鏡、硅光電探測(cè)器以及狹縫來(lái)提高干涉條紋的采集精度和靈敏度，因此構(gòu)成了一個(gè)新的測(cè)量系統(tǒng)，并使數(shù)據(jù)傳輸?shù)绞静ㄆ饕约吧衔粰C(jī)中進(jìn)行信號(hào)處理達(dá)到雙向的比較效果，根據(jù)示波器記錄并提取由位移所引起的干涉條紋電信號(hào)變化，然后在后續(xù)信號(hào)處理中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化，最后對(duì)條紋數(shù)進(jìn)行運(yùn)算得到位移。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出實(shí)現(xiàn)了0.01mm微小位移的精確測(cè)量，且測(cè)量誤差可達(dá)到0.044%，相比于傳統(tǒng)的測(cè)量微小位移的方法，本實(shí)驗(yàn)有測(cè)量精度較高、設(shè)備成本較低、信號(hào)采集過程中產(chǎn)生噪聲能力較小等優(yōu)點(diǎn)，為在以后的干涉測(cè)量繼續(xù)提高精度中提供了借鑒。

【參考文獻(xiàn)】

[1]祝繼彬.提高邁克爾遜干涉儀靈敏度及精度的可能性[J].光學(xué)學(xué)報(bào)，1982（06）：573-576.

[2]Archbold E， Ennos A E. Displacement measurement from double-exposure laser photographs[J].Optica Acta： International Journal of Optics，1972，19（4）：253-271.

[3]杜振輝，李淑清，蔣誠(chéng)志，陶知非，高華，謝艷.激光光柵多普勒效應(yīng)微小振動(dòng)測(cè)量[J].光學(xué)學(xué)報(bào)，2004（06）：834-837.

[4]LI R S，XU Q，YE W J.Design of force transducer based on michelson interference[J].Electro-Optic Technology Application， 2015，30（2）;83-86.

[5]秦文強(qiáng).基于FPGA的激光多普勒測(cè)振的研究[D].中國(guó)科學(xué)院大學(xué)（中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所），2018.