浅谈双频激光干涉测量系统中的常见误差

陈庭容（上海交通大学，上海 200240）

浅谈双频激光干涉测量系统中的常见误差

陈庭容
（上海交通大学，上海 200240）

激光干涉测量以其测量范围大，高分辨率以及高精度测量等特点普及到很多高精度测量的行业中。随着测量精度和分辨率的提高，测量过程中的任何误差都将对最终的测量结果造成一定程度上的影响。通过介绍了激光干涉测量中一些常见的误差，并通过对这些误差的分析，来降低或修正误差，使我们的测量结果能更精确可靠。

高精密测量；激光干涉测量；阿贝误差；余弦误差

0　引言

干涉测量技术是以光波干涉原理为基础进行测量的一门技术，而激光的原理在1916年被爱因斯坦发现后，于1960年被首次成功制造，成为20世纪以来人类最重大的发明之一。随着实验条件的提升，电子与计算机技术日新月异的发展，使得干涉测量技术得到迅猛发展。在现代超精密加工过程中，普遍采用纳米级分辨率的双频激光干涉仪进行高精度位移测量。但越高精密的测量，需要我们考虑的误差因素也就更多。

1　激光干涉仪原理

激光干涉仪产生的干涉条纹变化频率与测量反射镜的运动速度有关，整个过程由光强转化出的直流电信号的频率变化也是从零开始变化，这个直流电信号只能用直流放大器来放大处理。直流测量系统就会有直流光平和电平零飘的弊端，受到外界环境所约束，若激光束强度发生变化时，干涉条纹的条纹的平均光强的变化也会很大，从而导致测量的偏差，而这种无规则的变化又难以通过自动调整来补偿。因此单频的激光干涉仪抗的缺点就是其抗干扰能力差，只能在恒温防震的条件下使用。为了克服这一缺点，可以在干涉仪信号中引入一定频率的载波，使被测信号通过载波来传递，就能够采用交流放大，避免外界干扰造成的直流电平漂移。利用这种技术设计的干涉仪称为外差式激光干涉仪。现在普遍采用的双频激光干涉仪就是在单频激光干涉仪基础上发展的一种外差式激光干涉仪。

2　激光干涉测量系统的误差分析

一般来说影响测量结果的误差主要有以下几点：激光干涉仪自身固有的系统误差；安装过程和测量过程中产生的阿贝误差和余弦误差；测量环境的变化而导致的环境误差。

2.1激光干涉仪本身固有的系统误差

双频激光干涉仪有着测量范围大，容易实现高精度测量的特点，并且相较于单频激光干涉仪，系统分辨率的到显著提高，从而跻身为目前精密测量领域应用广泛的干涉仪。但由于外差式干涉属于偏振光干涉，导致了其本身具有的非线性误差会对测量结果受到一定程度的影响。在光学系统中，可能会产生干涉臂中的两种频率的偏振光互相频率混淆的情况。引起这种非线性误差有多种原因，既可能是选用光学器材的不理想，也可能是因为环境温度的变化而引起光学器件本身特性参数的变化，还有可能是激光光源偏振特性的不理想而导致后续的一系列影响，也不能排除电学器件的不理想而导致畸变的影响的可能性。由于非线性误差对干涉仪精度产生了很大影响，所以如何解决这个问题是个非常重要的研究课题。

2.2安装过程和测量过程中产生的阿贝误差和余弦误差

（1）阿贝误差指的是在测量过程中，因不符合阿贝原则而产生的误差。其产生的原因主要是有两方面，一是因为测量仪器的轴线和待测工件的轴线不在同一直线上，因而违反了阿贝原则。二是由于测量运动导轨存在直线误差。运动导轨存在直线度误差是无法避免的，只能利用先进的加工工艺来逐步减少直线度误差。在激光干涉测量中，我们可以通过光学设计原理光路来补偿不符合阿贝测量原理所引起的一次误差，也可以尽可能地提高导轨的直线度来减少阿贝误差。

（2）余弦误差：如图1所示，通常理想的激光干涉测量需要被测物体的运动方向与激光器输出测量光的光轴平行，这样物体运动L，那测量光路的光程变化了2L，通过干涉测量原理，能够计算出实际的位移值，也就是理想的值L。但在实际现实中，被测物的运动方向和测量光光轴方向是不可能调成完全理想平行的，而且考虑到激光器本身的热变、环境振动以及空气等各种因素的影响，光束在传播中产生漂移，这样，必定产生如图所示的夹角θ，因而被测位移和实际运动位移也就产生了偏差，就是余弦误差Lm=LaCOSθ。

图1

余弦误差在实际光路的搭建中是难以避免，而且其随着被测位移成比例放大。有时候我们可以通过对装置的巧妙设计，恰使物体运动方向和测量光光轴基本平行，从而减小余弦误差。也可以通过光电位置探测器来检测光束的偏移，从而实时的对激光干涉仪的测量量进行修正。当然还有很多方法来减小余弦误差，但余弦误差仍是高精度测量中疑难杂症。

2.3测量环境的变化而导致的环境误差

环境因素如温度、气压、相对湿度对激光干涉测量系统的影响是相当巨大的。环境因素对激光干涉测量系统的影响，主要是因为环境的变化引起的空气折射率的变化，而光的波长也就随之改变，也就有了相应的误差。这种引入的误差需要修正，我们就要对环境的误差进行补偿。若在测量范围比较小且测量的环境良好，测量环境相对均匀，那测量一点的空气折射率可以近似的看做整个量程的空气折射率。当测量范围超过300mm时，这时就必定要考虑整个量程内的环境变化，因为在各个点的空气折射率都是不相同的。采用传统的单点检测空气折射率的方法无法保证测量的精度。我们可以使用计算机对多点的温度、压强、湿度进行实时地测量，利用Edlen公式得到各点空气折射率，拟合出一条变化的曲线，达到实时补偿位移测量中空气折射率的目的。

3　结论

本文主要是讨论了双频激光干涉测量系统中几种主要常见误差，并简单介绍了修正这些误差的办法。伴随着科技的发展，也许会有着目前科技无法掌握的误差因数需要去考虑，我们需要不断地研究来使测量更精准。

［1］李东光.高精度激光干涉测量中环境误差因素的综合补偿 ［J］.光电科技，1999（08）：28-33.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.14.256

陈庭容（1985-），男，上海人，本科，研究方向：仪器仪表。