S3 光电检测技术 03

C3光电检测技术理学院宋旸22C3光电检测技术3.1光电直接检测技术3.2光电外差检测技术3.3激光干涉测试技术3.4激光衍射测量技术3激光干涉测量技术33光电检测技术43.3激光干涉测量技术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。20世纪60年代以来，由于激光的出现、隔振条件的改善及电子与计算机技术的成熟，使干涉测量技术得到长足发展。干涉测量技术大都是非接触测量，具有很高的测量灵敏度和精度。在激光干涉测量技术中，常用迈克尔逊干涉仪、马赫-泽德干涉仪、菲索干涉仪、泰曼—格林干涉仪等。干涉测量广泛应用于位移、长度、角度、面形、介质折射率的变化及振动等方面的测量。53.3激光干涉测量技术具有更高的测试灵敏度和准确度绝大部分的干涉测试都是非接触式的，不会对被测件带来表面损伤和附加误差较大的量程范围特点抗干扰能力强63.3激光干涉测量技术干涉测试技术按光波分光方式按相干光束传播路径按用途分振幅式分波阵面式共程干涉非共程干涉静态干涉动态干涉73.3激光干涉测量技术在干涉测量中，干涉仪以干涉条纹来反映被测件的信息。将光分成两路，干涉条纹是两路光光程差相同点联成的轨迹。而光程差是干涉仪两支光路光程之差，可表示成若把被测件放入干涉仪的一支光路中，干涉仪的光程差将随着被测件的位置与形状而变，干涉条纹也随之变化，测量出干涉条纹的变化量，便可直接获得、间接获得与光程或折射率有关的各种被测信息。83.3激光干涉测量技术3.3.1激光比长仪3.3.2激光小角度干涉测量仪3.3.3激光全息干涉测量技术93.3.1激光比长仪激光比长仪采用激光器作光源，通过光波干涉比长的方法来检定基准米尺。激光波长具有高度的稳定性，其复现精度可达10-8，所以用激光波长作长度基准。激光干涉仪的输出信号易于实现光电转换，这样就提供了实现动态自动测量的可能性，从根本上解决了检定基准米尺的精度与效率的问题。103.3.1激光比长仪He-Ne激光器1发出的激光束经平行光管2后将光束变为光斑直径达50mm的平行光，经反射镜3和分光器4后将光束分为两路。113.3.1激光比长仪一路光透过分光器4经反射镜5射入固定角锥棱镜6；另一路光由分光器反射至可动角锥棱镜7。123.3.1激光比长仪一路光透过分光器4经反射镜5射入固定角锥棱镜6；另一路光由分光器反射至可动角锥棱镜7。分光器4至固定角锥棱镜6为一固定的光程，分光器4至可动角锥棱镜7为一随工作台11移动而改变的光程。两者的光程差为激光半波长的偶数倍时出现亮条纹，奇数倍时出现暗条纹。工作台11连续移动时就会产生亮暗交替变化的条纹。133.3.1激光比长仪移相板8将干涉图样分为上下两部分，两部分的位相差为900。分像棱镜组9将两组位相差为900的干涉条纹分别引入两个光电探测器12，光电探测器将亮暗交替变化的光信号变为两路相差为900的电信号，经过放大整形电路13实现倍频处理后传递给计算机14。143.3.1激光比长仪装在横梁上的双管差动式动态光电显微镜10供作瞄准被检测尺上的刻线用。当工作台11运动，即基准尺的刻线通过光电显微镜的两个狭缝时，刻线的影像即被置于两个狭缝后面的光电探测器15所分别接收，经差动放大器16、触发器17转换成电脉冲作计算机开始计数和终止计数的指令信号。计算机的计算结果送人显示器和打印机，实现显示和打印。153.3.1激光比长仪要求理解基本工作原理，明确元件功能，及信号处理流程。163.3.2激光小角度干涉测量仪

激光小角度干涉仪是利用激光干涉测位移和三角正弦原理来测量角度的仪器。173.3.2激光小角度干涉测量仪激光器1发出的激光光束经分光镜3分成两路，一路沿光路a射向角锥棱镜2，一路沿光路b射向参考镜4。183.3.2激光小角度干涉测量仪当角锥棱镜在位置I时，沿光路a前进的光束经角锥棱镜反射后，沿光路c射向反射镜5，并从原路返回至分光器，与从b路返回的参考光束会合而产生干涉。193.3.2激光小角度干涉测量仪当角锥棱镜移到位置Ⅱ后，沿光路a前进的光束由于棱镜Ⅱ及平面反射镜的作用，使它们仍按原方向返回，从而合成光路3的方向不变，干涉图形相对接收元件的位置保持不变。203.3.2激光小角度干涉测量仪已知棱镜转动半径R，由三角正弦关系得被测角。棱镜在位置I、Ⅱ的光程差为

213.3.2激光小角度干涉测量仪为提高测量装置的灵敏度，在对称直径位置上布置两个角锥棱镜。在这种情况下，干涉仪经过两次光倍频，使得输出的每一条干涉条纹相应的光程差减半。可逆计数器采用四倍频，则每计一个数对应的长度再减小到1/4仪器的测量范围为±5o，在±1o内，仪器的最大测量误差为±0.05”。223.3.2激光小角度干涉测量仪由激光器1发出的激光光束经移动式转向反射镜2反射至分光器3，激光束被分成两束，其中一束经五棱镜4转向，其后，这两束光分别射向两个角锥棱镜5上，经角锥棱镜反射后，在分光器上汇合并产生干涉。角锥棱镜被固定在旋转工作台6上，它的旋转改变了上述两光束的光程差。这种装置的测量范围可达95o，测量精度可达0.3”。233.3.3激光全息测量技术概念：全息的概念早在1948年就由英国的Gabor提出。所谓全息就是在摄影底片上同时记录物光波的振幅和位相的全部信息，通过再现，可以获得物光波的立体像。全息术是一种两步成像技术：记录，即以干涉条纹的形式在底片上存储被摄物体的光强和位相再现，即用光衍射原理来重现被记录物体的三维形状243.3.3激光全息测量技术记录，即以干涉条纹的形式在底片上存储被摄物体的光强和位相253.3.3激光全息测量技术再现，即用光衍射原理来重现被记录物体的三维形状263.3.3激光全息测量技术全息术与普通照相相比具有以下特点：三维性：全息术能获得物体的三维信息，成立体像。抗破坏性：全息图的一部分就可以再现出物体的全貌，仅成像的亮度降低、分辨力下降，而且全息图不怕油污和擦伤。信息容量大。光学系统简单，原则上无须透镜成像。273.3.3激光全息测量技术①全息图的记录设参考光波为θ全息底片物光波O

P参考光波

z

y全息图的记录过程图示令则有283.3.3激光全息测量技术①全息图的记录对于物体光波，由于入射到全息底片上各点的振幅和位相均为(x,y)的函数，故P(x,y)点物体光波电场分布为全息底片仅对光强起反应，而光强可表示为光波振幅的平方，即注意与参考光波的比较293.3.3激光全息测量技术①全息图的记录该式表明，全息底片上的光强分布按正弦规律分布，而且干涉条纹的亮度和形状主要由物光波决定，因此物体光波的振幅和相位以光强的形式记录在全息底片上。全息底片经过显影和定影处理后，就成为全息图(又称全息干板)。303.3.3激光全息测量技术②物光波的再现如果处理过的全息干板的透过率和曝光光强成线性关系，则其透过率为线性部分

HtOt-H曲线313.3.3激光全息测量技术②物光波的再现如果用和参考光一样的光波再现全息图，则得到的透射光波为全息底片虚像O照明光波z

y物光波的再现图示再现物波323.3.3激光全息测量技术②物光波的再现全息底片虚像O照明光波z

y物光波的再现图示再现物波在整个全息图上近似为常数，则该项正好是一个常数乘上一个物体光波，它表示一个与物体光波相同的透射光波，这个光波具有原始光波所具有的一切性质，如果迎着该光波观察就会看到一个和原来一模一样的“物体”。所以，这个透射光波是原始物体波前的再现。由于再现时实际物体并不存在，该像只是衍射光线的反向延长线所构成，称之为原始物体的虚像或原始像。333.3.3激光全息测量技术②物光波的再现该项也含有物体光波的振幅和位相信息，但是它和物光波前进方向不同，这可以从位相项中看出。它所表示的光波是比照明光波更偏离z轴的光束波前。前的负号预示着再现光波对原始物体光波在相位上是共轭的。这表示的光波在全息图后边某处形成原始物体的一个实像。全息底片实像（共轭像）O照明光波zy物光波的再现图示虚像（原始像）343.3.3激光全息测量技术②物光波的再现该项是在照明光束方向传播的光波，它经过全息图后不偏转，但是振幅会发生变化。全息底片实像（共轭像）O照明光波zy物光波的再现图示虚像（原始像）全息图的再现可以看作是一复杂光栅产生衍射，包含零级，+1级与-1级衍射光波353.3.3激光全息测量技术由于全息图记录的是物体光波和参考光波产生的干涉条纹，它分布于整个全息图上，因此，如果全息图缺损一部分，仅减少了干涉条纹所占的面积，降低了再现象的亮度和分辨力，而对再现像的位置和形状是毫无影响的。这就是说，全息图对缺损、划伤、油污、灰尘等没有严格要求，这一点在应用中具有重要意义。363.3.3激光全息测量技术③全息术对光源的要求由全息术的原理知道，全息图的记录和再现依赖于光的干涉和衍射效应。因此，全息术对所用光源的要求不仅同普通照相一样具有能使底片得以曝光的光能输出，而且应具有为满足光束的干涉和衍射所必须的时间相干性和空间相干性—一般选择激光器。④全息底片的要求全息底片一般采用在玻璃板基片上涂敷一层光敏卤化物膜层（俗称照相乳胶）制成的全息干板。对全息底片主要要求是分辨力。一般干涉条纹的密度是800lp/mm。因此，全息底片的分辨力要求是很高的，普通底片不能满足要求。373.3.3激光全息测量技术全息干涉测试技术是全息术应用于实际最早也是最成熟的技术，它把普通的干涉测试技术同全息术结合起来，具有许多独特的优势：1）全息干涉技术则能够对任意形状和粗糙表面的三维表面进行测量，测量不确定度可达光波波长数量级。2）全息图的再现像具有三维性质，因此全息干涉技术可以从不同视角观察一个形状复杂的物体，一个干涉全息图相当于用一般干涉进行多次观察。3）全息干涉技术是比较同一物体在不同时刻的状态，因此，可以测试该段时间内物体的位置和形状的变化。4）全息干涉图是同一被测物体变化前后的状态的记录，不需要比较基准件，对任意形状和粗糙表面的测试比较有利。383.3.3激光全息测量技术全息干涉方法包括：①单次曝光法（实时法）；②二次曝光法；③多次曝光法；④连续曝光法（时间平均法）；⑤非线性记录；⑥多波长干涉；393.3.3激光全息测量技术①静态二次曝光全息干涉法原理：二次曝光全息干涉法是将两个具有一定位相差的光波分别与同一参考光波相干涉，分两次曝光记录在同一张全息底片上。当用与参考光完全相同的再现光照射该全息图时，就可以再现出两个互相重叠的具有一定位相差的物光波。当迎着物光波观察时，就可以观察到在再现物体上产生的干涉条纹。403.3.3激光全息测量技术①静态二次曝光全息干涉法413.3.3激光全息测量技术①静态二次曝光全息干涉法设第一次曝光时物光波为设参考光为则第一次曝光在底片上的曝光量为设第二次曝光时物光波为设参考光仍为则第二次曝光在底片上的曝光量为423.3.3激光全息测量技术①静态二次曝光全息干涉法两次曝光后，全息底片上总的曝光量分布为若把曝光时间取为1，并假设底片工作在线性区，比例系数取为1，则底片经过显影、定影处理后得到全息图的振幅透射比分布为433.3.3激光全息测量技术①静态二次曝光全息干涉法用与参考光完全相同的光波再现全息图，则透射全息图的光波复振幅分布为背景光两次曝光时两个物光波相干叠加的合成波——产生干涉合成波的共轭波——也产生干涉443.3.3激光全息测量技术①静态二次曝光全息干涉法现在将两物光波的复振幅分布代入第二项，则有其相应的强度分布为透射光波中出现条纹。该条纹是由物体在前后两次曝光之间变形引起位相分布的变化引起的。453.3.3激光全息测量技术②实时法全息干涉原理：将对物体曝光一次的全息图经显影和定影处理后在原来摄影装置中精确复位，再现全息图时，再现像就重叠在原来的物体上。若物体稍有位移或变形，就可以看到干涉条纹。设物光波和参考光波在全息底片上形成的光场分布分别为经过曝光、显影和定影处理后得到的全息底片透射率分布为463.3.3激光全息测量技术②实时法全息干涉把经过处理后获得的全息图复位，并用原参考光波R和变形后的物光波A1同时照射全息图，设变形后的物光波透过全息图的光场复振幅分布是物光A参考光R全息图a)记录过程物物光A1再现光R全息图b)再现过程变形后物ⅢⅠ,ⅥⅡ,ⅣⅤ实时法全息图的记录与波面再现473.3.3激光全息测量技术②实时法全息干涉由第二项和第四项光叠加后的复振幅分布为叠加后的光强分布是干涉后的光强分布仅仅与原物光波和变形后的物光波的相位差有关。当这一相位差分别等于π的偶数倍或奇数倍时，就分别得到亮条纹或暗条纹。实时法全息干涉技术在实际工作中要求全息图必须严格复位，否则直接影响测试准确度。483.3.3激光全息测量技术③时间平均法多次曝光全息干涉技术的概念可以推广到连续曝光这一极限情况，结果得到所谓的时间平均全息干涉测试技术。这种方法是对周期性振动物体做一次曝光而形成。当记录的曝光时间大于物体振动周期时，全息图上就会有效地记录许多像的总效果，物体振动的位置和时间平均相对应。当这些光波又重新再现出来时，它们在空间上必然要相干叠加。由于物体上不同点的振幅不同而引起的再现波相位不同，叠加结果是再现像上必然会呈现和物体的振动状态相对应的干涉条纹，亦即产生和振动的振幅相关的干涉条纹。493.3.3激光全息测量技术③时间平均法悬臂板一阶振型时间平均法可用非接触方法来获得振动体的振动模，能对整个二维扩散的表面精密地测出振动的振幅。测量对象以粗糙面较为适宜，同时，可对小至晶体振子大至扩音器、乐器、涡轮机翼等进行振动分析。503.3.3激光全息测量技术③时间平均法涡轮叶片在不同激振频率下的振型时间平均全息干涉技术是研究正弦振动的最好工具，也可以用于研究非正弦运动，是振动分析的基本手段。513.3.3激光全息测量技术④全息干涉测量技术应用举例气缸内孔表面检测圆柱内孔的精密测量具有重要应用意义，如活塞、液压泵、波导管等内孔的指标是圆度和直线性。用全息干涉方法精密测量气缸内孔圆度、直线性具有明显优势。523.3.3激光全息测量技术④全息干涉测量技术应用举例气缸内孔表面检测平行激光束照射在锥形透镜Ll上。该透镜一面是平面，一面是锥面，中间有一个孔，孔内装凹透镜L2。测量光束通过锥形透镜Ll

后发散，以掠入射的方式照射到内孔壁上形成一次反射。533.3.3激光全息测量技术④全息干涉测量技术应用举例气缸内孔表面检测出射的测量光束经过透镜L3和L4使光束成圆环式照射到全息底片H上。由于光束与气缸内壁的夹角很小，即使相当粗糙的表面仍能形成镜面反射。543.3.3激光全息测量技术④全息干涉测量技术应用举例气缸内孔表面检测参考光束取自激光束的中心区，该部分光束经透镜L2后发散，直接穿过内孔并由透镜L3聚焦，最后经L4发散地照射到全息底片上，与测量光束发生干涉。屏S1内有一窄环，只能让镜面反射光通过，而挡住杂散光。553.3.3激光全息测量技术④全息干涉测量技术应用举例气缸内孔表面检测检测时先用合格的圆孔做一张全息图作为标准，然后复位到底片架原来的位置上，在屏幕上观察是否有干涉条纹，没有干涉条纹说明复位正确。没有被测工件时，全息衍射中包含了标准圆孔的光波信息。563.3.3激光全息测量技术④全息干涉测量技术应用举例气缸内孔表面检测然后用一个被检测内孔取代标准件，被测工件上的反射光波也进入全息图，当工件与标准工件表面出现差异时，屏上出现干涉条纹。通过对干涉条纹的分析计算，获得待测工件的形状误差(圆度和直线性)。573.3.3激光全息测量技术④全息干涉测量技术应用举例气缸内孔表面检测标准内孔与被测内孔表面之间的径向误差为n为被测条纹的级数。夹角为入射平行光与轴之间的角度。此方法的测量限制是长度与半径之比不能超过10:1。一个条纹相当于3微米。夹角不