导读

现代航空航天、半导体制造、精密仪器等领域中，部组件的空间位置与姿态（即位姿）测量至关重要。传统多自由度测量方案往往依赖多束探测光和合作靶标，系统复杂、部署受限，多自由度误差存在相互耦合。

针对这一挑战，清华大学吴冠豪课题组近日提出了一种基于飞秒激光低相干空间干涉的单光束三自由度测量新方法，以“Three-degree-of-freedom measurement using a single probe beam”为题发表于Light: Advanced Manufacturing。

该方案无需合作靶标，兼容光滑或粗糙表面，只用一束飞秒激光即能同时获取目标的轴向距离、俯仰角和偏航角，实时测量速度与相机帧率相当，角度精度达角秒级、距离精度达亚微米。该技术可在精密装配、动态校准等场景中发挥作用，例如保证光学部件拼接的位姿一致性、环境试验中的结构形变长期监测。

准确获取物体的位置与姿态是精密制造、自动装配等行业的基础需求。传统高精度三自由度测量方法往往依赖多束激光或标靶，例如在被测体上安装多个组合靶标进行干涉测量，导致系统复杂、校准难度大，且容易引入系统误差。特别是对于未经特殊处理的粗糙表面，传统干涉方法难以直接应用。如何用更简单紧凑的方案实现高精度、多自由度测量，一直是光学计量领域的难题。

技术亮点

单光束测量：研究团队提出基于锁模飞秒激光的低相干空间干涉技术，仅用一束测量光即可实现三自由度测量。

无合作靶需求：与传统干涉方法不同，该方案无需在被测物上预先安置特殊靶标或反射镜，既可作用于光滑表面，也同样适用于普通粗糙表面。

高精度快速测量：实验结果显示，该系统在100 Hz测量速率下，可实现角秒级绝对测角精度和亚微米级绝对测距精度。

多目标并行测量：系统可在同一视场内同时监测多个目标的位姿变化。这为高精度装配对位、结构动态变形监测等应用场景提供了全新思路。

研究团队提出的测量系统采用可调重复频率的锁模飞秒激光器作为测量光源，将光束分为测量臂和参考臂。测量臂通过分束器照射到被测样本表面并反射回来，参考臂保持恒定光路。由于飞秒激光具有周期性的相干包络，当测量臂和参考臂之间的光程差恰好匹配脉冲重复周期的整数倍时，两路光束会在CCD上产生低相干干涉图样。通过动态调节激光的重复频率，可以精确扫描不同光程差，使得干涉条纹随距离和角度变化产生相位偏移。具体来说，干涉图案包络的中心位置对应样本的轴向距离，包络的宽度反映样本的俯仰角，包络的方向则指示偏航角。

图1：飞秒激光低相干干涉测量系统原理示意图

对于光滑的样品表面，系统通过CCD捕获的原始干涉图，去除单臂背景光强后对相邻两帧干涉信号做平方和运算，即得到干涉强度包络的二维分布。取若干CCD行上的包络分布并计算宽度，即可推导出对应的俯仰角。通过同时采集CCD多行数据并求平均，三自由度测量的稳定性大幅提升。在100 Hz的测量速率下，可将角度测量的标准偏差压低到优于1角秒，距离测量偏差优于0.1微米。

图2：对光滑平面的静态测量过程与结果示意图。

与此相对，对于粗糙表面样品，由于每个像素接收的相位和幅度呈随机变化，干涉条纹变得不可见，但全场统计下的相干包络分布依然清晰。实验在粗糙样品上重复测量流程，得到的相干包络大致分布与镜面情况相似，并同样进行了空间平均处理。结果表明，即使对于粗糙平面，该方法的角度测量精度仍可达到亚角秒级，距离精度可达亚微米级。此外，对俯仰、偏航分别进行步进扫描（步长2″、0.2μm）时，系统成功辨识出各自步进变化，充分验证了系统在微小运动下的分辨能力。

图3：对粗糙表面的测量结果与分辨率测试

除了单目标测量，该方法还可同时监测视场内多目标的位姿变化，这在精密部组件装配等场景中尤为重要。以一个包含三块平面的拼接镜模型为样品，用一块带PZT的载台同时驱动三表面产生小幅振动，结果成功捕捉到了三个目标的俯仰角、偏航角和轴向位置的动态变化，表明该方法可对同一视场内多个平面目标的三自由度同步测量，无须增加额外配置。

图4：多目标同时测量场景演示实验

总结与展望

本工作提出了基于飞秒激光低相干干涉的单光束三自由度测量方案，实现对光滑或粗糙面目标的三自由度同步测量。这一紧凑高效的系统可广泛应用于精密制造与检测领域，例如大型光学组件拼接的姿态校准、关键结构环境试验期间的形变监测、薄膜沉积过程中的动态观测等。未来，结合高速相机和图像配准算法，该方法有望扩展至更大角度量程和更多自由度。随着硬件发展和算法优化，该技术将为工业生产和科学研究中的复杂测量任务带来新的解决思路。（来源：先进制造微信公众号）

相关论文信息：https://doi.org/10.37188/lam.2025.068