《光电测量技术》(第八章)

光电信息测控技术与装备研究所1第八章

相干光信号变换与检测光电信息测控技术与装备研究所2

利用光电方法对各种干涉现象进行检测和处理，最终检测出几何参量和物理参量的技术称为光电干涉测量技术光电信息测控技术与装备研究所3

与一般的光学测试技术相比，光干涉测试技术具有更高的测试灵敏度和准确度光电信息测控技术与装备研究所4第一节相干变换与检测原理一、相干光信息及光干涉原理光干涉是指可能相干的两束或多束光波相重叠，它们的合成光波随其空间相位关系表现出不同的光强空间分布或时序变化的现象光电信息测控技术与装备研究所5第一节相干变换与检测原理以两束光干涉为例1）当两束光频率相同时上式表明，单频相干时随相位变化的干涉条纹强度分布表现为余弦分布—单频干涉测量的基础光电信息测控技术与装备研究所6第一节相干变换与检测原理2）当两束光频率不同时，则形成频差Δω若频差较小时，则光电检测器件可检测到的干涉条纹以Δω角频率在波动，而形成光拍频，即外差干涉干涉条纹的强度取决于相干光的相位差，而相位差取决于传输介质的折射率n和光传播距离dl的线积分光电信息测控技术与装备研究所7第一节相干变换与检测原理二、相干测量中的调制和解调光调制技术是将被测物理量的相关信息叠加到光载波上。光调制技术振幅调制AM相位调制PM频率调制FM偏振调制POM光波谱调制SM光电信息测控技术与装备研究所8相干光信息物理效应

干涉图

衍射图

莫尔拓扑图散斑图全息图光电信息测控技术与装备研究所9相干光频率单频双光束或多光束干涉双频双光束干涉多频多光束干涉光电信息测控技术与装备研究所10相干场的时空范围局部空间内的随时间变化干涉信号一定空间内的空间干涉信号一定空间内的时间干涉信号光电信息测控技术与装备研究所11光波分光振幅式干涉仪分波阵面式干涉仪光电信息测控技术与装备研究所12相干光束传播路径共程干涉非共程干涉光电信息测控技术与装备研究所13以迈克尔逊干涉仪为例参考镜单色光源光电检测器测量镜ΔL被测参量ΔL，ΔL/Δt光电信息测控技术与装备研究所14两路光在透镜的作用下相遇，在干涉场处获得稳定干涉图样；该干涉图就是解调的光载波，它以干涉条纹的相位分布或光拍的时序变化来表现被测量的特征光电信息测控技术与装备研究所15影响干涉条纹对比度的因素干涉条纹图样对比度降低的普遍原因：1）光源的时间相干性和空间相干性；2）相干光束的光强不相等；3）杂散光的存在；4）各光束的偏振状态有差异。光电信息测控技术与装备研究所161)光源的时间相干性和空间相干性ΔL=mλ光程差相同的点形成的亮线称为亮纹ΔL=（m+1/2）λ光程差相同的点形成的暗线称为暗纹当λ

+Δλ的第m级亮纹与λ的第m+1级亮纹重合后，所有亮纹开始重合

光电信息测控技术与装备研究所17以上条件可作为尚能分辨干涉条纹的限度，即由此得到最大干涉级

与此相对应得上能产生干涉条纹的两支相干光的最大光程差（或称为光源的相干长度）为

上式表明，光源的相干长度与光源的谱线宽度成反比。光电信息测控技术与装备研究所18例如：用镉红光作为光源时，如果其波长为λ=643.8nm，光谱宽度Δλ=0.0013nm，可计算出相干长度为

用He-Ne激光作为光源时，如果其波长为λ=632.8nm，光谱宽度Δλ<10-8nm，可计算出相干长度为

由于有足够长的相干长度，故不必调整两支光路的相干光程相等。光电信息测控技术与装备研究所19

2）相干光束的光强不相等；干涉图样的照度，在很大程度上取决于光源的尺寸，而光源尺寸的大小又会对各类干涉仪的干涉图样的对比度有不同的影响不同角的平行光束经干涉仪形成彼此错开的等厚干涉条纹，经叠加后形成的干涉条纹如下图所示光电信息测控技术与装备研究所20如果取对比度为0.9，可得光源的许可半径为许可半径正比于准直物镜的焦距，反比于等效空气层厚度h的开方光电信息测控技术与装备研究所21在干涉测量中，采取尽量减小光源尺寸的措施，固然可以提高条纹的对比度，但干涉场的亮度也会随之减弱，不利于观测设法改变参考光路或测量光路的光程，使两路光的等效空气层厚度减薄，可以达到适当开大光阑孔的目的为上述目的在干涉仪中采取的相应技术措施，称为保证空间相干性光电信息测控技术与装备研究所22第二节相干光的相位调制和检测一、单频光相位调制和条纹检测1、单频光的相位调制在单频光相干光路中，被测量使相干光波相位发生变化，同时通过干涉作用把光波相位变化变换为振幅变化，该过程称为单频光波的相位调制或相幅变换光电信息测控技术与装备研究所23可借助机械、光学、光电子学等变换器件将被测量的变化转换为光程和折射率的变化光电信息测控技术与装备研究所24激光器传感器固定镜M2测量镜分光镜光电检测器迈克耳逊(Michelson)干涉仪简单、条纹对比度好、信噪比高；光束易返回激光器，造成激光不稳定，要用角锥棱镜作反射器光电信息测控技术与装备研究所25相干能力差的光源也能获得干涉条纹用于测量透明物质的折射率和比较测量镀膜参考物被测物光电检测器吉曼（Gell-Mann）干涉仪光电信息测控技术与装备研究所26回馈光极小，稳定、噪声小激光器传感器固定镜分光镜2分光镜1测量镜光电检测器马赫-泽德干涉仪（Mach-Zehnder）光电信息测控技术与装备研究所27用于感知转角、转速、磁场强度等又称为环形激光影响精度的原因：频锁、零漂、频率牵引、地球自转等激光器分光镜1光电检测器萨古纳克干涉仪（Sagnac）被测物光电信息测控技术与装备研究所28多光束干涉激光器传感器光电检测器参考物测量镜d法布里-珀罗罗干涉仪（Fabry-Perot）光电信息测控技术与装备研究所29第二节相干光的相位调制和检测一、单频光相位调制和条纹检测2、单频光的条纹调制指在局部空间里干涉条纹光强随时间变化的条纹检测。单频光干涉条纹检测法分为：光强法、比较法和跟踪法。光电信息测控技术与装备研究所301）条纹光强检测法该方法是指在干涉场中确定位置上用光电元件直接接收条纹光强变化其目的：能获得最佳的光电信号输出，即信号幅度达和信噪比高确保光学系统和光电检测器的最佳工作条件阿贝原则、共路原则、等光强原则、干扰光最小原则、相干度最大原则、光电转换的混频效率光电信息测控技术与装备研究所31光电信息测控技术与装备研究所32单频相干光合成时的瞬时光强为若在检测时间内是恒定值时，则是确定的若在检测时间内是变化的，则合成光强为光电信息测控技术与装备研究所33相干度只有在Г大时光强随相位变化才明显当Г=0时，只有直流分量，表明在τ检测时间内两光束不相干相干光源的单色性、光束的发散以及接收光阑等都影响相干度

当Г=1时，表明在τ检测时间内相位保持不变，相干度最大光电信息测控技术与装备研究所34①光的单色性对相干度的影响Δλ增加，表明光的单色性不好，就会造成具有不同初相位光的叠加，使相干度Г下降若入射光波为为相干长度上式表明：ΔL越小，单色性越好，则相干度越大当ΔL与相干长度相等时，相干度等于零，干涉条纹消失光电信息测控技术与装备研究所35②光源光束发散角的影响相干光源的光线若发散传播，就会使不同发散角的光线产生不同的相位差，引起相位角的变化对平板干涉，光束入射角为i，发散角为α，则有附加光程差，其相干度为α增大，使相干度下降；α小，入射光的平行性好，相干度上升光电信息测控技术与装备研究所36③光电接收元件的接收孔阑的影响若干涉条纹间距为D，则沿x方向的条纹光强分布为光电信息测控技术与装备研究所37在不同位置上的光点检测器件的输出光电流为Is,有

为混频效率光电信息测控技术与装备研究所38当l/D趋于零，即光阑l<<D，则β=1，信号交流分量幅度大当l/D=1，则β=0，信号只有直流分量，对比度为零通常，在l一定时，用调节条纹宽度D来提高混频效率请注意：l的大小还有滤波作用，如l=D/2，可滤去2n次谐波分量光电信息测控技术与装备研究所39在干涉条纹检测时，还要判断干涉条纹的运动方向并可逆技术需要获得相位差为90°的两路信号其方法有：1）直接放光电元件，用其位置不同来获得90°相差2）用移相板3）在分光镜上镀一层移相膜4）加偏振片移相光电信息测控技术与装备研究所402）干涉条纹比较测量法该方法是采用两束不同的相干光源，各自组成独立的干涉光路两束光为：一束为基准，一束为未知两路光各自形成干涉条纹，通过比较电信号的频率测出未知光波的波长光电信息测控技术与装备研究所41光电信息测控技术与装备研究所423）干涉条纹跟踪测量法该方法是一种平衡测量法（与零位指示法相似）该方法可避免干涉测量的非线性误差，但需要精确的电压与压电位移的关系光电信息测控技术与装备研究所43第二节相干光的相位调制和检测二、单频光波面的相位调制测量与干涉图分析

将相干光束扩成平面波或其他规则光波照射到被测物面时，干涉将会形成由干涉条纹组成的二维干涉图，它反映了被测物表面的微细面分布或者透射介质折射率分布光电信息测控技术与装备研究所441、单频光波面的相位调制光电信息测控技术与装备研究所45光电信息测控技术与装备研究所46以泰曼-格林干涉仪为例来分析光电信息测控技术与装备研究所47干涉场上的光强分布为再考虑到光路折返折射率分布；物面变形分布当n不变时当L不变时光电信息测控技术与装备研究所482、干涉图样分析干涉图样是二维图形检测时，要用线阵器件+扫描装置或者用面阵器件来采集干涉场的光度分布利用图像处理技术对干涉图样进行处理条纹预处理条纹边缘或峰值检测计算条纹间距和各点相位值大小光电信息测控技术与装备研究所49

实际波面的面形轮廓相对于理想参考波面的几何偏差定义为波面偏差干涉条纹分析中最基本的信息是被测波面相对于参考标准波面的波面偏差及实际波面的轮廓形状1、波面偏差的表示

由条纹之间的偏差所表示的波面偏差为

H—最适条纹间隔

n—干涉仪的通道数（光束通过样品次数）光电信息测控技术与装备研究所502、光学零件面形偏差GB2813—81国家标准规定了光圈的识别办法1）半径偏差（N）2）像散偏差（Δ1N）3）局部偏差（Δ2N

）

被检光学表面的曲率半径相对参考表面曲率半径的偏差，以所对应的光圈数N来表示

被检光学表面与参考表面在两个相互垂直方向上的光圈数不等所对应的偏差

被检光学表面与参考表面在任一方向上产生的干涉条纹的局部不规则程度光电信息测控技术与装备研究所51半径偏差N的度量光电信息测控技术与装备研究所52像散Δ1N偏差的度量光电信息测控技术与装备研究所53局部Δ2N偏差的度量光电信息测控技术与装备研究所54泰曼-格林干涉仪的独特的物理性质：能看到整个视场，即看到参考镜和被测物面的任何一部分根据干涉条纹的变化就可判断被测光学元件的质量用于表征初级像差所产生的双光束干涉图，可按金斯莱克（Kingslak）所论述的方法进行分析，相对于高斯像点中心的波像差（OPD）可由下式求出光电信息测控技术与装备研究所55光电信息测控技术与装备研究所56A、完善透镜没有倾斜时E=F=0E=5的倾斜时，条纹方向平行于倾斜方向有离焦但无倾斜既有离焦又有倾斜光电信息测控技术与装备研究所57B、球差A=6没有离焦（D=0）和倾斜（E=F=0）平均焦距处D=A，E=5，F=0平均焦距处D=A，E=F=0D=2,A=10,E=F=0D=2,A=10,E=5，F=0A=2（D=0）（E=F=0）光电信息测控技术与装备研究所58C、彗差B=5时，没有离焦的近轴彗差图中间干涉图是没有倾斜E=F=0的两边的条纹图是有不同组合倾斜（E=±3,F=±3）光电信息测控技术与装备研究所59B=5时，有少量离焦（D=2）的彗差干涉图中间干涉图是没有倾斜E=F=0的两边的条纹图是有不同组合倾斜（E=±3,F=±3）光电信息测控技术与装备研究所60D、像散C=2时的像散干涉图D=0时可得到匹茨瓦Petzval焦点，可得像散OPD若C+D=0，为径向焦点若3C+D=0，为子午焦点若C+D=-(3C+D)，D=-2C为平均焦点右图为匹茨瓦焦点处各方向有倾斜时的干涉图（E=±3,F=±3）光电信息测控技术与装备研究所61C=2时的像散干涉图

右图为表示在径向焦点处有组合倾斜时的像散干涉图光电信息测控技术与装备研究所62C=2时的像散干涉图

右图为表示在平均焦点处有组合倾斜时的像散干涉图光电信息测控技术与装备研究所63C=2时的像散干涉图

右图为表示在子午焦点处有组合倾斜时的像散干涉图光电信息测控技术与装备研究所64E、组合像差球差和彗差组合的干涉图球差和像散组合的干涉图彗差和像散组合的干涉图球差、彗差、像散同时存在的组合干涉图光电信息测控技术与装备研究所653、斐索干涉仪由于普通干涉仪的参考光束和测量光束沿着彼此分开的光路行进，它们受到环境的震动和温度的影响不同若不采取适当的隔振和恒温措施，则在观察面或接收面上的干涉条纹是不稳定的，也就不可能进行精确测量而共路干涉仪可以较好地解决上述问题光电信息测控技术与装备研究所66共路干涉仪：就是干涉仪中参考光束与测量光束经过同一光路的干涉仪共路干涉仪的优点：对环境的震动和温度、气流的变化能产生彼此共模抑制无需隔振和恒温条件也能获得稳定的干涉条纹具有不需要尺寸等于被测表面的参考表面参考光束直接来自被测表面的微小区域，不受被测表面误差的影响可直接获得被测表面的缺陷信息光电信息测控技术与装备研究所67在上述这类共路干涉仪中，干涉场中心的两支光束的光程差一般为零，对光源的时间相干性要求不高，可以采用白光光源而在另一类共路干涉仪中，干涉是由一支光束相对于另一支光束错位产生的，即参考光束和检测光束均受被测表面信息的影响，所产生的干涉图不直接反映被测表面的信息，需经过计算才能求得——此类干涉称为共路错位干涉仪光电信息测控技术与装备研究所68斐索共路干涉仪共路干涉仪是借助一些特殊的分束器来实现的当参考平面和被测表面之间形成很小的空气楔时，可以看到或检测到等厚条纹若参考平面是理想的，则等厚条纹的任何形状变化就可认为是被测表面的缺陷光电信息测控技术与装备研究所69用凹面镜准直光束的斐索干涉仪针孔的离焦、准直透镜的像差及分光镜的厚度都会使出射光束的准直性受到影响，在设计时应有严格要求光电信息测控技术与装备研究所70光电信息测控技术与装备研究所71必须指出：只有参考面与被测面之间的空气间隔很小且在结构上使两者形成一体时，才能具有共路干涉的特性，对外界干扰才具有“脱敏”性能空气间隔小的称为共路型斐索干涉仪空气间隔大的称为非共路型斐索干涉仪光电信息测控技术与装备研究所72第三节外差干涉法频率调制与检测相干探测的主要方式为外差干涉探测一、光学外差检测原理光学外差探测将包含被测信息的相干调制光波合作为基准的本机振荡光波在满足波前匹配条件情况下在光电检测元件上进行光学混频光电检测元件的输出是频率为两束光波光频差的拍频信号光电信息测控技术与装备研究所73入射光波参考光波光电信息测控技术与装备研究所74光学外差信号表达式光电信息测控技术与装备研究所75光电信息测控技术与装备研究所76第三节外差干涉法频率调制与检测参考光为相干光的光频率和相位的比较基准信号光可以由本机振荡光分束后经调制形成，多用于干涉测量信号光采用独立的相干光源保持与本机振荡光波的频率跟踪和相位同步，多用于相干通信光电信息测控技术与装备研究所77第三节外差干涉法频率调制与检测光外差检测的特性：1）探测能力强2）转换增益高3）信噪比高4）滤波性好5）稳定性和可靠性高光电信息测控技术与装备研究所78第三节外差干涉法频率调制与检测二、外差检测的调频方法为实现外差检测所必需的光频差，工程上采用多种频率调制技术根据光频差获得方式分为参量调频法固定频移法直接调频法光电信息测控技术与装备研究所79参量调频法指被测参量直接对光载波的一路频率进行调制形成与参考光有一定的频差的信号光波，检测差频信号的频率和相位可测定被测量的大小若被测信号为零时，频差为零，称为零差检测光电信息测控技术与装备研究所80固定频移法指使用频移器使参考光波相对信号光波形成一个固定频移；

或利用双频光源形成有一定频差的两束相干光，被测信号对其中一束光波进行调制来检测差频信号，称为光学超外差检测光电信息测控技术与装备研究所81光电信息测控技术与装备研究所82直接调频法利用频率调制的激光器，产生随时将变化的调频参考光束

被测参量对其中一路光束进行二次调制，检测外差信号可解调出被测量光电信息测控技术与装备研究所83光电信息测控技术与装备研究所84（一）运动参量调频和检测用光学多普勒效应可形成运动参量调频多普勒效应：运动物体能改变入射于其上的波动性质光学多普勒效应：若光波入射到运动物体上，由于物体的运动将使入射光波频率改变的现象光电信息测控技术与装备研究所85光学多普勒效应

当频率为f0的单色光入射到以速度v运动的物体上时，被物体散射的光波频率fs会产生多普勒频移Δf

Δf

与散射方向有关，其表达式为是散射接收方向和光束入射方向的单位矢量差，称为多普勒强度方向光电信息测控技术与装备研究所86当有这就是迈克尔逊干涉仪用于速度测量时的情况光电信息测控技术与装备研究所87这就是多普勒测速的基本公式光电信息测控技术与装备研究所88多普勒测速仪中频率调制有多种方式：参考光束方式对称互差方式干涉条纹方式光电信息测控技术与装备研究所89参考光束方式光电信息测控技术与装备研究所90对称互差方式光电信息测控技术与装备研究所91干涉条纹方式光电信息测控技术与装备研究所92利用频移器件使参考光波相对信号光波形成一固定的频率偏移（二）固定频移的频率调制

或利用双频光源形成有一定频差的两束相干光束的频率调制的方法固定频差可通过光学或光电子器件产生光电信息测控技术与装备研究所93（1）塞曼效应激光频移光电信息测控技术与装备研究所94（2）声光效应激光频移光电信息测控技术与装备研究所95（3）旋转波片激光频移光电信息测控技术与装备研究所96（4）旋转光栅激光频移光电信息测控技术与装备研究所97激光雷达测速原理图S入射激光束ν0PαβDν参考光M1M2Q散射光光电信息测控技术与装备研究所98相干接收激光雷达方框图（单稳）123456789101112131-激光发射机2-光束整形系统3-发射/接收隔离开关4-望远镜5-光学扫描系统6-目标7-本机振荡器8-光学混频器9-光学成像系统10-光敏探测器11-高通电子滤波器12-信号处理器13-数字处理器光电信息测控技术与装备研究所99光电信息测控技术与装备研究所100零拍探测激光雷达原理框图（单稳）1234567891011121314151-激光发射机2-分束器4-发射/接收隔离开关3-光调制器6-光学扫描系统7-目标8-半波带片10-光学混频器11-光学成像系统12-光敏探测器13-高通电子滤波器14-信号处理器15-数字处理器5-扩束器9-反射镜光电信息测控技术与装备研究所101相干接收激光雷达方框图（双稳）12345678910111213141-激光发射机2-光束整形系统3-发射系统望远镜4-发射系统光学扫描部件6-接收系统光学扫描部件5-目标7-接收系统望远镜9-光学混频器10-光学成像系统11-光敏探测器12-高通电子滤波器13-信号处理器14-数字处理器8-本机振荡激光光电信息测控技术与装备研究所102光电信息测控技术与装备研究所103零拍探测激光雷达原理框图（双稳）12345678910111213141-激光发射机2-分束器3-光调制器4-发射系统光学望远镜5-发射系统扫描器6-目标8-接收系统光学望远镜7-光学混频器10-光学成像系统11-光敏探测器12-高通电子滤波器13-信号处理器14-数字处理器9-接收系统扫描器光电信息测控技术与装备研究所104激光雷达发射系统的理想光束质量

激光雷达的性能与发射的激光光束的性质有着密切的关系如：激光的发射功率、激光光束的束宽或发散角、激光光束的光强分布截面形状和相对目标的传输方向等。激光雷达的系统设计首先遇到的就是光束形状问题。光电信息测控技术与装备研究所105（三）直接光频调制利用可进行频率调制的激光器产生随时将变化的调频参考光束的频率调制方法称为直接光频调制法1）半导体激光器的直接频率调制当注入电流改变时，激光器的振荡频率能跟随直接变化，可实现直接光频调制光电信息测控技术与装备研究所1062）直接调频光干涉测量光电信息测控技术与装备研究所107三、外差检测方法（一）零差检测光电信息测控技术与装备研究所108光电信息测控技术与装备研究所109光电信息测控技术与装备研究所110（二）双频干涉光外差干涉技术是为适应复杂的测量环境而发展起来的技术该技术的共同特点是在干涉仪的参考光路中引入具有一定频率的副载波，干涉后被测信号是通过这一副载波来传递的，并被光电器件接收，从而使光电器件后面的前置放大器可用一个交流放大器来代替常规的直流放大器，用以隔绝由于外界环境干扰所引起的直流电平漂移。利用这种激光外差技术设计的干涉仪称为外差干涉仪，也称为交流干涉仪光电信息测控技术与装备研究所111双频激光外差干涉仪光电信息测控技术与装备研究所112双频激光外差干涉仪光源为双频He-Ne激光器在激光器的全内腔单频激光器上加上约0.3T（特拉斯）的轴向磁场，由于塞曼效应和频率牵引效应，使激光器输出一束有两个不同频率的左旋和右旋圆偏振光，频差为1.5MHz光电信息测控技术与装备研究所113f1和f2频率相差几MHz光电信息测控技术与装备研究所114双频激光外差干涉的应用双频激光干涉仪用于精密测角光电信息测控技术与装备研究所115双频激光外差干涉的应用双频激光干涉仪用于直线度测量f1的光程差较原来减小了2AC，而f2的光程差却增加了2BD；二者总差值等于2（AC+BD）光电信息测控技术与装备研究所116（三）直接光频率调制的外差检测光电信息测控技术与装备研究所117光电信息测控技术与装备研究所118陀螺仪机械陀螺仪（MG）其缺点：1）到所需转速的启动时间长（约10秒）2）性能与质量高精度平衡旋转的寿命有关3）结构体积大和耗能大光电信息测控技术与装备研究所119新型陀螺仪分类新型陀螺仪RLG环形激光陀螺仪FOG光纤陀螺仪MEMS陀螺仪DRLG颤动式RLGZRLG环形Zeeman—RLG开环FOG闭环FOG谐振式FOG压电陀螺仪IOG集成光学陀螺仪光电信息测控技术与装备研究所1201962年由MacekDavis利用在1米见方、由He-Ne激光器组成的立方腔体内引起的Sagnac相移——内读出结构的干涉仪RLG（Ring-Laser-Gyroscope）现代环形激光陀螺仪在1975~1980年开