基于激光自混合干涉的小型光学测头的应用基础研究

As a modern large-scale precision measuring instrument, coordinate measuring machine is widely used in advanced industrial inspection and manufacturing, while the probe, acting as an important sensor in measuring machine, determines the function, accuracy, efficiency and flexibility of it. Owing to non-contact measurement and high efficiency, optical probe has become a significant development direction. Existing optical probes, due to drawbacks in volume, accuracy, dynamic performance, applicable scope and other aspects, cannot fully meet the demands of industrial inspection and precision manufacturing. Therefore, the project explores to apply laser self-mixing interferometry into optical probe of coordinate measuring machine. The mechanism of laser self-mixing interferometry, high precision distance solving method, controlling method of optical feedback intensity, suppression measures of nonlinearity in optical frequency modulation and of noise in laser and photodetector will be studied in order to achieve micron level precision in distance measurement, greatly improve the measurement efficiency and expand the range of application. This will provide new theoretical foundation and technical approach for high-quality, high-efficiency industrial inspection and manufacturing.

坐标测量机作为现代大型精密测量仪器，广泛地用于先进工业检测和制造中，而测头作为测量机中拾取信号的重要传感器件，决定了测量机的功能、精度、效率和柔性程度，其中光学测头凭借着无接触、高效率的特性成为了测量机测头发展的重要方向。现有的光学测头由于体积、精度、动态性能、适用范围等方面的不足，不能完全满足工业检测和精密制造领域的需求。基于此，本项目探索把激光自混合干涉效应应用于坐标测量机光学测头中。项目将研究激光自混合干涉测距机理、高精度距离解算方法、光回馈强度控制方法、光频调制非线性抑制措施、激光器和光电接收器噪声抑制措施、光学测头标定等基本问题，以期实现微米级的距离测量精度，并且大大提高测量效率，拓展应用范围，为高质量、高效率的工业检测和制造提供全新的理论基础和技术途径。

根据精密制造领域中坐标测量机对光学测头的高精度和小型化要求，提出一种基于激光自混合干涉技术（SMI）的光学测头，结构简单紧凑，不受测量角度和测量表面的限制，兼具位移和距离测量能力，可提高零部件测量效率，为高质量工业检测和精密制造提供一种全新的技术途径。.基于半导体激光原理，采用三镜F-P腔模型和速率方程模型建立SMI的行为模型，得到光回馈下激光器输出功率和频率的变化规律；通过数值仿真分析光反馈强度，线宽展宽因子和反射体运动状态对自混合信号的影响，并给出直接电流调制下的自混合信号。将全相位谱分析方法引入到SMI测量中，凭借相位不变性和频谱泄漏抑制能力，该方法可以通过提取自混合信号相位差反映反射体的位移，通过校正自混合信号的频率反映反射体到激光器出射端面的距离，位移测量精度可达到纳米量级，距离测量分辨率优于20μm；提出一种基于全局优化搜索的距离测量方法——改进的遗传算法，根据自混合信号构建目标函数，该函数的全局极小值对应着待测距离，采用遗传算法并结合父子代混合选择和收缩区间加速策略进行全局搜索，得到精确的距离估计值，该方法的测量分辨率与全相位谱分析方法相近。分析了测量系统中的误差源，光频调制非线性导致的信号谱峰展宽通过电流重构的方法进行了抑制。.基于上述研究成果，利用ARM开发系统，设计并测试了激光自混合光学测头样机，将测头样机安装于复合坐标测量机上，进行了标定实验和气缸套工件的测量实验，结果表明测头样机距离测量分辨率达到20μm，与理论分析和仿真结果一致。