激光干涉测量技术(上)

第二章激光干涉测量技术

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优点非接触测量，具有很高的测量灵敏度和精度应用范围可用于位移、长度、角度、面形、介质折射率的变化、振动等方面的测量常用干涉仪迈克尔逊干涉仪、马赫-泽德干涉仪、斐索干涉仪、塞曼-格林干涉仪光波干涉条件关于稳定干涉条纹的理解1.频率相同2.初始相位差恒定3.振动方向相同（非正交）4.光程差小于波列长度(Δτ≤1/Δυ）所谓稳定，是指肉眼或记录仪器能观察到或记录到条纹分布，即在一定时间内存在着相对稳定的条纹分布。显然，如果干涉项远小于两光束光强中较小的一个，就不易观察到干涉现象；如果两束光的相位差随时间变化，使光强度条纹图像产生移动，且当条纹移动的速度快到肉眼或记录仪器分辨不出条纹图样时，就观察不到干涉现象了。干涉数学表达式设两路激光分别为则合成有光的相位与走过的光程有关：其中干涉光强光程差通过测量干涉条纹的变化量，可直接获得l或n，还可直接获得与l和n有关的各种被测信息§2.1激光干涉测量长度和位移一、干涉测长的基本原理

合成干涉光光强最亮合成干涉光光强最弱当当把目标反射镜与被测对象固联，参考反射镜固定不动，当目标反射镜随被测对象移动时，两路光束的光程差发生变化，干涉条纹将发生明暗交替变化。若用光电探测器接收某一条纹，当被测对象移动一段距离时，该条纹明暗变化一次，光电探测器输出信号将变化一个周期，记录信号变化的周期数，便确定了被测长度所以激光干涉测量一般是:1.相对测量2.增量式测量3.中间过程不可忽略，要监视整个测量的过程以Michelson干涉仪为例:移动距离开始测量时，两束光的光程差为测量结束时，两束光的光程差为光程差变化量测量过程中干涉条纹变化次数——激光光波在空气中的波长二、干涉仪组成1.激光干涉仪光路系统2.干涉条纹计数和处理测量结果的电子系统3.机械系统（一）干涉仪光路系统主要包括：光源、分束器和反射器激光干涉仪常用光源He-Ne激光器激光的功率和频率稳定性高连续方式运转在可见光和红外光区域有谱线2.激光干涉仪常用的分光方法（1）分波阵面法菲涅耳双面镜干涉装置干涉仪的瞳和窗成像光学仪器中，入瞳大小决定了进入仪器光能量的多少，而窗的概念则和视场相联系。干涉仪中，将光源或光源的像称为干涉仪的入瞳，观测干涉图样的屏幕称为出窗。干涉条纹的方向、形状、宽度、对比度、照度和干涉区域的深度仅取决于像空间的出瞳和出窗之间的相对位置。L到P点的光程光程差比累对切透镜干涉装置瑞利干涉仪洛埃镜干涉装置迈克尔逊测星干涉装置菲涅耳双棱镜干涉装置梅斯林干涉装置特点：存在条纹亮度和条纹对比度之间的矛盾，一般使用点光源，条纹非定域，实际使用较少。（2）分振幅法（3）分偏振法（PBS）平行平板分光器立方体分光器双折射偏振分光偏振分光棱镜优点：可使用扩展光源来获得较高的条纹亮度，同时又可获得较清晰的条纹。光栅衍射分光（4）衍射分光法-1级1级0级3.激光干涉仪常用的反射器平面反射器特点：对偏转将产生附加的光程差直角棱镜反射器猫眼反射器角锥棱镜反射器特点：可消除偏转将产生附加的光程差，抗偏摆和俯仰特点：只对一个方向的偏转敏感特点：透镜和反射镜一起绕C点旋转，光程保持不变；容易加工，不影响偏振光的传输4.典型的光路布置布置原则:1)共路原则消除振动、温度、气流等影响2)考虑测量精度、条纹对比度、稳定性及实用性等因素3）避免光返回激光器（1）使用角锥棱镜双角锥棱镜光路单角锥棱镜光路两半反半透镜一体化光路双光程光路（2）整体布局优点:抗干扰好、抗动镜多自由度变化能力、灵敏度高一倍缺点：不方便、吸收严重（3）光学倍频缺点：调整困难，对光学元件性能要求高，界面多导致光能损失大，而且使光的偏振态发生不应有的变化。1.移相器(二)干涉条纹计数与测量结果处理系统能够判断方向；为提高分辨率，需要对干涉条纹进行细分。干涉条纹计数的要求：这样需要相位相差90度的两个电信号输出，即一个按光程正弦变化，一个余弦变化常用移相器种类（1）机械法移相通过倾斜参考镜形成等厚干涉条纹特点装置简单,但条纹间距易变,使信号不完全正交，属于分波阵面移相，容易受大气扰动引起波阵面畸变的影响。（2）阶梯板和翼形板移相属于分波阵面移相，容易受大气扰动引起波阵面畸变的影响（3）金属膜移相原理：利用金属膜表面反射和透射时都产生附加位相差的原理，在分光器的分光面上镀上金属膜做成金属膜分幅移相器。两反两透均一透一反优点：两光束受振动和大气扰动的影响相同，元件少，结构紧凑。缺点：两相干光束的光强不同，影响条纹对比度（4）分偏振法移相特点:结构较复杂，不受大气影响,可靠。2.干涉条纹的计数及判向原理当1324定义为正向当存在反向时1后边出现的应该是?所以只须判断第二和第四信号的脉冲次序即可由于相差为90度,一个计数对应的是0.25个波长所以L=Kλ/8,分辨率提高4倍,称为四倍频计数如何提高分辨率(细分)?三、干涉条纹对比度定义:明暗变化的比值

1.明暗变化的强度越大,PD感测出的信号信噪比越好2.当两干涉光的光强相等时,对比度越好影响干涉条纹对比度的因素:

光源的大小、光源的单色性、两相干光波的振幅比、偏振态、背景光、各种环境因素如振动、热变形等四、激光干涉测长的应用1.激光比长仪通过光波干涉比长的方法来检定基准米尺2.激光跟踪干涉仪Radian激光跟踪仪主要参数

线性测量范围（直径）40米、100米、＞160米三种型号可选角度测量指标水平方向：640°（±320°）垂直方向：＋79°到－60°角度分辨力：±0.018角秒角度精度：3.5微米/米空间精度静态：±5ppm；最佳精度5微米动态：±10ppm（2Sigma）系统分辨力：0.1微米跟踪速度：＞6米/秒最大加速度：＞2g3.Renishaw新型单频激光干涉仪D1、D2、D3的信号分别为经过差分放大后调节运放消去直流分量，使交流幅值相等在仪器中查表可得到相位值QWPRetro-reflectorPBSPBSQWPHWPBSD1D2D3D4He-NeLaserQWPRetro-reflectorPBSMeasuredmirror偏振干涉仪光学细分和移相优点:

去掉直流分量和实现共模抑制；三个信号完全共路，有效地去掉了外界振动等噪声，保证了干涉仪低频稳定性4.激光小角度干涉仪原理:

利用激光干涉测位移和三角正弦原理角锥棱镜2与反射镜5的作用:

使测量光束按原路返回，不产生光点的移动，保证干涉图形相对接收元件的位置保持不变。角锥棱镜在位置Ⅰ和位置Ⅱ的光程差为位移为则被测角度为改进:为消除偏心和轴系晃动等误差，并提高灵敏度，在对称直径位置上布置两个角锥棱镜测量范围：±1°以内，最大测量误差±0.05″为扩大量程，采用移动式转向反射镜，测量范围可达95°,测量精度±0.3″35傅立叶变换光谱仪【补】按照分光原理，光谱仪器可分为三类：

棱镜光谱仪、光栅光谱仪、干涉光谱仪基于干涉原理的典型光谱仪器：法珀干涉仪、傅立叶变换干涉仪法珀干涉仪的缺点：自由光谱范围小，需要与单色仪联合使用，分辨率高色散型光谱仪的缺点：自由光谱范围大，但分辨率较低，为保证光谱分辨率，色散型光谱仪必需使用狭缝，这样导致光谱仪的分光本领减小，光谱仪检测的灵敏度降低。干涉仪产生的干涉条纹是光谱相干涉的结果，能否利用干涉条纹的信息去获得相干光谱的信息？也就是从分析干涉条纹得到参与干涉的光谱线的位置（波长）及其强度呢？光谱仪器把被研究的辐射分解为光谱，记录单条谱线的位置，并测量其强度。对于单色光谱：对于复色光谱：复色干涉图是单色干涉图的加合。由于零程差时各单色光的干涉强度都为极大值，其它光程差时各单色光相长或相消，加合的结果形成一个中心突起并向两边迅速衰减的对称图形。傅立叶变换光谱仪的优点：能同时接收工作波段范围内的所有光谱，记录全部光谱时间与一般光谱仪器记录一个光谱分辨单位的时间相同，在不到1秒时间内完成全部光谱扫描。信噪比高，波长准确度高，分辨率高，杂散辐射低，以及光谱范围宽（从紫外、可见、近红外直到中远红外区）单频激光干涉仪的特点：§2.2

激光外差干涉测量技术1.测量精度高，但前置放大器为直流放大器；2.对环境要求高，不允许干涉仪两臂光强有较大的变化；原因：输出信号的频率随测量镜的运动速度而改变，当测量镜静止时，输出直流信号；原因：干涉仪光强的变化总要以计数器的平均触发电平为中心对等分布，如果光强由于外界环境干扰引起变动，则干涉信号强度就可能落于触发电平之下，从而使仪器停止工作。解决方案：在某一光臂中引入一定频率的载波，被测信息通过载波传递：测量镜静止时，光电探测器的输出信号为载波频率的交流信号；测量镜运动时，输出信号的频率只在某一范围内增加或减少。使前置放大器可采用交流放大器，可以隔绝由于外界条件引起的直流电平漂移，可在现场稳定工作。这种利用外差技术的干涉仪，称为外差干涉仪或者交流（AC）干涉仪优点：1、滤掉了背景噪声；

2、滤掉了直流放大器的噪声。光学拍频原理：两个振幅相同、振动方向相同，且在同一方向传播，频率接近的两单色光叠加也能产生干涉，这种特殊的干涉称为光学“拍”。塞曼效应和声光调制是实现光学“拍”的常用方法塞曼双频激光：两个旋转方向相反的左旋和右旋圆偏振光，振幅相同，频率相差很小，一般为1~2MHz。设左旋圆偏光频率为f1，右旋圆偏光频率f2，初始相位为零，振动方程分别为光束通过偏振方向与y轴平行的偏振片，则x方向分量被截止，y方向分量通过。按光波叠加原理，通过偏振片后的光场为合成波的振幅为，则光强为合成波的强度随时间t在0~4a2之间作缓慢的周期变化，这种强度时大时小的现象称为“拍”，拍频为f1-f2。拍波信号空间传播示意图一、Zeeman双频激光干涉仪经B1反射透过检偏器P1被光电探测器D1接收的拍频信号，经滤波放大后送入混频器作为测量过程中的参考信号。若测量镜M2以速度v运动，由Doppler效应，返回光束的频率将变成测量光束与参考光束会合后经过检片器P2后产生拍频。D1和D2探测到的两路拍频信号进行同步相减便得到多普勒频移信号。测量镜移动距离L为其中为记录下来的累计脉冲数电路静态频率,动态频率,,为不失真，应满足

塞曼双频激光器频差1.5-1.8MHz，允许测量速度约为150mm/s。

处理电路的工作频带可以设定在1~2MHz之间，滤掉了小于1MHz的全部噪声。双频激光干涉仪的特点：“双频”起到了调制作用，它在测量镜静止时，仍然保持一个1.5MHz的交流信号，被测物体的运动只是这个信号频率的增加或减小，因而前置放大可采用较高放大倍数的交流放大器，采用带通滤波，滤掉低频噪声，避免了直流放大所遇到的直流漂移、低频干扰等问题。测量角度双频激光干涉仪测角分辨力0.1″，测量范围可达±1000″角锥棱镜组件2的移动使两光束产生频如果角锥棱镜完全平移运动，则如果运动导轨不直，角锥棱镜组发生转动，则转动角度为改进：用平面镜取代角锥棱镜组，提高干涉仪的测量分辨力，并扩大测量范围测量空气折射率探测器接收到的两路测量信号打开真空泵，测量过程开始，这一瞬间真空室内的空气折射率就是要测量的量值在某一中间时刻，由于抽气造成的Doppler频率变化为其中则有如果整个抽空时间为t，对上式两端积分，可得即式中，N为抽气过程中记录下来的累计脉冲数当真空室抽成真空后，如果真空室外的空气折射率发生变化，干涉仪可以立即反映出这种变化，做到“实时”测量。二、声光调制双频外差干涉仪1.声光调制器换能器将超声波转换为声光介质中折射率的周期性改变，这样介质可看成是连续移动的三维全息光栅。衍射为布拉格衍射超声频率不能低于数十兆赫，这么高的频移对于一般应用太高，不利于计数，尤其是小数测量。2.声光调制双频外差测振仪现场振动的特点：大都是非周期性的随机振动，并且现场环境的干扰严重，被测振动体往往是漫反射体。方解石棱镜和1/4波片的作用：使振动体表面返回的测量光经方解石发生偏折，经半反射镜7及中继望远镜9做为反射和接收光学天线，即能最大限度地接收在不同测量环境下来自漫反射振动的返回光，又可以最可能的减小测量光束的波面变形，以保证获得最大的拍频信号。1/2波片的作用：调节参考光强，使与测量光束的光强大致相同，改善拍频信号的对比度。§2.3

激光移相干涉测量技术光电接收器接收到的光强可表示为双光束干涉仪相位细分方法——分步调相法如果改变加在晶体上的电压，使相位差步进变化π/2三次，每次移相后的光强可表示为可得这种细分方法常用标准平面镜取代参考镜R，以被测平面取代测量反射镜M，实现对平面形状的测量，可应用CCD阵列器件对光场扫描接收，做出表面的三维形状图形。在双光束干涉中，用目视或照相记录方式来测量波面的误差，一般只能达到1/20到1/30波长的测试不确定度。被测面的波前为利用激光移相干涉测试技术可以快速而高准确度地检测波面面形误差，可达到1/100波长的测试不确定度。压电晶体带动参考镜以一定的振幅和频率作正弦振动，设振动的瞬时振幅为li，则参考镜波前为一、激光移相干涉测试技术原理当参考波前与被测面干涉以后，干涉条纹的光强分布为写成傅里叶级数的形式其中被测表面的面形由傅里叶系数的比值求得至少需要移相三次，采集三幅干涉图才可求得波形对每一点的傅里叶级数的系数，有为便于实际的抽样检测，用和式代替积分，有可求得波面面形四步移相，即n=4，使则四式中含有加法和除法，干涉场中的固有噪声和面阵探测器的不一致性影响可以自动消除优点为提高测量可靠性，消除大气湍流、振动及漂移的影响，可以测量傅里叶级数的系数在p个周期内的累加数据，应用最小二乘法，系数表达式为则为提高测量可靠性，被测表面上任意点的波面W(x,y)的相对位相是由在该点的条纹轮廓函数的n×p个测定值计算得到的1、采用最小二乘法拟合来确定被测波面，可以消除随机的大气湍流、振动及漂移的影响。部分求和的形式要求数据无限的累积，通过最小二乘法，使位相误差或波面误差减小至原来的二、激光移相干涉测试技术的特点2、可以消除干涉仪调整过程中及安置被测件的过程中产生的位移、倾斜及离焦误差。干涉仪及被测金属件在装调以后，被测波面可以表示为3、可以极大地降低对干涉仪本身的准确度要求方法：在孔径范围内对所有点用做小二乘法求取对应于A、B、C、D各项的最小W(x,y)。式中，W(x,y)为被测波面上任意点的位相；W0(x,y)为消除了位移(A)、倾斜(B和C)以及离焦(D)后的波面。为求出W0(x,y)，就必须确定并减去含有A、B、C、D的各项。可以先把干涉仪系统本身的波面误差存储起来，而后在检测被测波面时在后续的波面数据中自动减去。放宽了对干涉仪元件的加工精度要求。例：当要求总的测量不确定度达到1/100波长时，干涉系统本身的波面误差小于一个波长就可以满足要求。三、激光移相干涉仪测试技术的应用1.光学零件表面面形测量干涉仪为改型的泰曼-格林双光束干涉仪，采用压电晶体驱动参考镜，探测系统采用32×32的光电二极管阵列，计算机自动计算并显示等高线，以实现对被检表面（平面或球面）及光学镜头1024点的位相测量。测量平面的最大直径为125mm，测量不确定度达1/100波长。缺点：干涉系统采用分光路的结构布局，对机械振动等外界环境干扰敏感，需要采取隔振、恒温等技术措施，而且还需要高质量的参考镜。2.表面轮廓测量设渥拉斯顿棱镜的剪切方向为x，则干涉场上的光强分布为被测表面轮廓满足下面方程可通过旋转检偏器对微分干涉图像进行调制，采用移相干涉技术直接测量被测位相的分布。与压电移相干涉方法相比，这种旋转检偏器移相的方法不存在非线性、滞后和漂移等问题，具有很高的测量准确度。由于采用CCD和计算机组成的数字图像采集系统，表面轮廓的坐标量被量化了，可以用数值积分的方法计算表面轮廓。将积分区间分成n等份，则积分步长为△=l/n，积分点,设起始点轮廓高度为0，则3.MEMS器件微运动测量频闪显微移相干涉系统采用频闪成像以及基于最小二乘法的图像相关技术实现面内微运动的测量。运动幅度分辨率在20X物镜下为3.6nm，采用频闪成像以及相移干涉技术实现离面微运动的测量，运动幅度的测量范围为20um,分辨率为0.7nm，可测量的周期运动频率达500kHz。1949年盖伯(D.Gebar)提出用一个合适的相干光源照射全息图，透射光的一部分就能重新模拟出原物的散射波前，于是重现一个与原物非常逼真的三维图像。1960年激光的出现促进了全息照相术的发展，全息术得到了不断完善，为此他荣获1971年诺贝尔物理学奖§2.4

激光全息干涉测量技术全息干涉计量技术全息无损检测全息存储全息电影全息防伪应用641、全息图的记录一、全息技术的基本原理两步成像即全息图的记录和物光波的再现用相干光照射物体，物体散射出来的光波投射到全息干板上，同时用同一光源发出的另一部分相干光波做参考光也照射到全息干板上，于是在干板上形成两束光的干涉。在感光乳胶的作用下，干涉条纹被记录下来。这样曝光后的干板再经过适当的显影、定影处理就成为全息底片。65设物体光波为入射到记录介质上各点的振幅和相位均为x,y的函数，故在P(x,y)点物体光波电场分布将是设参考光波为参考光波是一个强度均匀的平面波，以入射角i入射到记录介质上，则在任一点P(x,y)参考光波的电场分布可写为所以干板上的光强分布:66全息底片上的光强按余弦规律分布，由于参考光是固定不动的，全息底片上的干涉条纹主要由物光束调制，即干涉条纹的亮度和形状主要由物体光波决定，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。基元全息图分析一个平面光波的空间传播特性可以用空间频率这个特征参量来描述，研究平面光波沿着传播方向的空间周期分布时，每一个空间频率对应一定波长的单色波，当研究垂直于z轴的一个平面上单色光波的复振幅分布时，每一个空间频率值对应一定方向传播的单色平面光波。物光波看作由许多不同方向传播的平面波分量的线性叠加，每一个平面波分量与参考平面波干涉而记录的基元全息图称为基元光栅，全息图可看做是许多基元全息图的线性组合。67基元光栅的记录和再现整个全息图是由许多不同频率、条纹取向不同的基元光栅的线性组合。用原参考光照明全息图，每个基元光栅可在±1级衍射方向再现其相应的物光波平面波分量及其共轭，这些平面波分量再线性叠加起来，就恢复了原始物光波前及其共轭波前，以产生虚像或实像。68普通照相：记录了光的光强和颜色（频率）每毫米只能记录50～100个条纹；记录介质：银化物。全息图：记录了波前信息（光强及相位）；每毫米记录3000个以上条纹；记录介质：卤化银乳胶和重铬酸盐乳胶。69全息底片的透射率是记录过程时曝光光强的非线性函数，取线性部分，则有重新复位全息底片，并去掉物体照射光束，透射光波为2.物光波再现

第一项是照明光束传播的光波，它经全息照片后不偏转，是照明光波的继续，幅度被物光调制。包含物体上各点在记录时所发射的自相干和互相干分量，一般使全息在表观上看来出现一种均匀颗粒状分布或所谓的斑点图像，产生“晕状雾光”，当物体亮度很小时，可忽略不计。70第二项是与物光光波相同的透射光波，光强变化mAr2倍，这个光波具有原始光波所具有的一切性质。如果迎着这个光波观察就会看到一个和原来一模一样的“物体”，这个光波就好像是它发出似的，所以称这个透射波是原始物体波前的再现。由于再现时实际物体并不存在，该像只是由衍射光线的反向延长线所构成的，称为原始物体的虚像或原始像。第三项所表示的光波是比照明光波更偏离于z轴的光束波前，相位前的负号表示再现光波对原始物体在位相上是共轭的，即从波前来看，若原来物体是发散的话，则该光波将是汇聚的，在记录介质后边某处形成原始物体的一个实像，光强变化mAr2倍，相位叠加了一线性值。7172全息照相光路图733.全息干涉条纹的调制度

物光对参考光的相位和幅值进行了调制

M成为振幅调制度，0≤M≤1当严格按照余弦分布，也称条纹对比度4.全息技术对光源的要求同普通照相一样具有能使底片得以曝光的光能输出；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74在全息图的记录中，为使物体光束和参考光束产生干涉，两光束必须来自同一光源；为了在全息底片上得到清晰的干涉图像，光源的时间相干性一定要好，即相干长度一定要大于物体光束和参考光束的最大光程差。另外，被记录物体大都是具有漫反射表面的三维物体，记录时物体上每一点衍射或漫反射的光波要与参考光波中任一点的光波进行干涉，这实际上是光束截面内不同空间点间光场的干涉问题，因此又需要光源有好的空间相干性。被摄物体横向范围越大，空间相干性要求越高。一般来说，光源的时间相干性决定了能够记录物体的最大景深，空间相干性决定了能够记录物体的最大横向范围。激光器是最合适的全息照相光源：He-Ne激光器、氩离子激光器广泛用于静态全息照相，固体激光器如红宝石激光器凭借脉冲工作和高峰值功率的优点普遍用于动态全息。75三维立体图彩色图片，永不变颜色不可撕毁性（冗余度大）一次拍摄，可以得到两个图像（原始像和共轭象）全息技术应用:1.全息图像显示：照片、图片、邮票、书籍、杂志的封皮与插页等2.包装、装潢和防伪：产品的包装、标牌和商标；饰品；广告；装潢；人民币；银行卡；居民身份证等全息照相的特点:763.全息元件：光栅、透镜、波带片等。4.光学信息处理技术：图像识别；图像的消模糊和边缘增强。5.全息存储：存储容量大记录速度快记录信息不易丢失（冗余好）便于长期保存便于拷贝缺点：测量范围小Inphase公司的全息存储器77二、全息干涉测量技术1965年R.Powell

和K.Stetsen提出,把干涉测量和全息技术相结合,进行一些测量工作。单纯的全息照相技术,不能提供测量信息,但全息底片记录了物光的某一状态的波前信息,可以与新的物光信息形成干涉,可以利用干涉测量的技术,进行测量分析工作。1）一般干涉测量只可用来测量形状比较简单的高度抛光表面的工件，而全息干涉测量能够对具有任意形状和粗糙表面的三维表面进行测量，精度可达光波波长数量级。2）由于全息图再现具有三维性质，故用全息技术就可以从许多不同视角去观察一个形状复杂的物体，一个干涉测量全息图可相当于用一般干涉测量进行的多次观察。

3)全息干涉测量可以对一个物体在两个不同时刻的状态进行比对，因而可以探测物体在一段时间内发生的任何改变特点:不足:测量范围小，仅几十微米左右781.实时法原理：物体曝光一次的全息图，经过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物体上，若物体稍有位移或变形，就看到干涉条纹。应用:实时观察干涉条纹的变化情况来研究物体的变形趋势和状况，探测和检查物体的内部缺陷。优点:只需一张全息图；能够随时改变物体的变形条件（如温度、应力），实时地观察不同条件下物体的变形情况；方便，节省时间，特别适合透明介质的一些现象。缺点:复位精度要求高；乳胶易收缩变形，产生附加条纹。792.二次曝光法原理:拍摄了第一次未变形物体的全息图后，全息底片并不立刻进行处理，让加载系统对物体加载使物体变形，再在同一张全息干板上对变形后的物体进行第二次曝光记录，然后将干板进行处理。再现时原物体光波和变形后的物体光波发生干涉，在再现像上会看到由变形或位移引起的干涉条纹。80特点：不需要高复位精度不需要监视变化整个过程原位完成所有过程，引入误差小形成干涉条纹主要有变形和激光频率变化引起，应尽量激光频率变化应用:研究材料的性能参数，如检查材料内部缺陷，在两个不同时刻或物体的变形量；采用脉冲激光进行瞬态现象研究,如冲击波、流体、燃烧等。813.时间平均法多次曝光全息干涉测量技术推广到连续曝光这一极限情况研究对象：特殊振动的物体优点：用非接触方法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幅度；测量对象以粗糙表面为宜；可对小至晶体振子大至扩音器、乐器、涡轮机翼进行振动分析。原理：对周期振动的物体作一次曝光，当记录曝光时间远大于物体振动周期时，全息图上记录的是振动物体各个状态在这段时间内的平均干涉条纹；当这些光波又重新再出现来时，它们在空间必然要相干叠加，由于物体不同点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。82三、全息干涉测量技术的应用1.测量气缸内孔对象：机械工程中各种汽缸、液压泵等内孔指标：圆度及直线度传统方法：圆度仪存在问题：直接测量圆度和直线度有一定难度，圆度仪精度可达0.1μm的测量精度，但测量一个圆柱内孔必须测量多个截面的圆度和多条母线的直线性，特别是圆度和直线性混在一起的时候，同时测量出来更为困难。83测量原理：平行激光束照在透镜L1上，一部光通过锥面后发散照射到汽缸内壁，产生镜面反射，反射光束通过透镜L3形成一个圆环，聚焦在屏S1上。屏S1有一个窄环，只让镜面反射光通过而挡住散射光。另一部分光经透镜L2后发散，并由透镜L3聚焦在屏S1中心的凸透镜L4上。经透镜L4的光束扩散后作为参考光与反射的物光投到全息干板H上产生干涉，形成全息图。全息底片处理后仍放回原处，然后将被检内孔精确地放置在记录时标准内孔的位置上。在激光照射下，在屏S2上观察到再现的标准内孔光波和被检内孔表面反射光波之间所产生的全息干涉图。分析这种干涉图就可以测得内孔直接的微小变化。842.发动机活塞变形目的：为了正确地确定汽缸活塞的设计尺寸，提高发动机的效率，必须知道活塞受热变形的情况。存在问题：活塞的热变形是三维的，一般情况下，测量三维形变矢量需要从不同的方位对物体拍摄三张全息图，或者对单张全息图扫描的办法，所用装置和解释条纹的方法都较繁杂。解决方法：活塞有特定的对称结构，并且要求测定的只是裙部的径向变形量，因而可以选择比较简单的光学系统进行照相观察，条纹的计算也很简单，而不降低测量的精度，还适合于其他一些面型对称的物体的形变测量。85活塞光阑置于视场透镜L3的焦点上，保证了在光阑面观察或照相时，接收到来自活塞表面漫反射的光几乎与观察光轴方向平行。从而可以认为对物体的观察方向是一致的。光阑F的存在，增加了成像透镜L4的焦点深度，使景深范围增大，这对拍摄清晰的物体和干涉条纹的像来说是有利的；另一方面，它使成像透镜的分辨力降低。由于变形越大，所产生的干涉条纹就越密，将使能够测量的变形量的大小受到限制。863.缺陷检测原理:利用被测件在承载或应力下表面微小变化的信息，就可以判定被测件某些参量的变化，发现缺陷部位。全息干涉法检测复合材料基于脱胶或空隙产生振动这一现象，并由振型区分缺陷。当叶片两面在某些区域中存在不同振型的干涉条纹，表示这个区域的结构已经遭到破坏；如果振幅本身还有差别，则表示这是可疑区域，表明这个复合结构是不可靠的。这种方法不仅能测量脱胶区的大小和形状，而且还可判定深度。其它例子:断裂力学研究中采用实时全息干涉检测裂纹的产生和发展，用于应力裂纹的早起预报；利用二次曝光采用内部真空法对充气轮胎进行检测，可以十分灵敏、可靠地检测外胎花纹面、轮胎的网线层、轮胎的脱胶、缩空以及各种疏松现象。874.检测光学玻璃的均匀性全息干涉技术对粒子尺寸和流场三维分布可进行很有效的测量，是获得整个流场定量信息的理想方法。用途：空气动力学、气动传输、蒸汽涡轮机测试、雾场水滴微粒尺寸分布、透明体的均匀性分布、温度分布、流速分布等方面88检测过程分两步（1）拍摄透射光全息图首先样品未放入光路，曝光一次，其它条件不变，在光路中放入样品再曝光一次。两次曝光的物光束之间由于插入了样品G而引起的光程差为如果待测玻璃G是一块理想的光学均匀的平行平板，即n，h均为常数，则光程差Δ为常数，整个全息图的再现视场中将出现一个均匀的照度，无干涉条纹。由于玻璃生产及加工中的种种原因，玻璃板上各处折射率n和h不会完全相同，视场中将出现透射光干涉条纹。89（2）拍摄反射光全息图不用反射镜，直接利用玻璃G前后两表面的反射光作为二次物光束与参考光束同时在底片上曝光，此时二次物光束之间的光程差为被检测玻璃板上各处折射率和厚度的不均匀性分别为被检测玻璃板上任意两点之间的透射光干涉级之差，它们的值可以直接从全息干涉图中得出。901970年Leendez开创了一类新的光学粗糙表面检测的干涉测量方法，称这种方法为散斑干涉测量。§2.5激光散斑干涉测量技术特点：记录和再现本质上与全息干涉测量相同，但在形式上更加灵活，即不仅可以用光学方法实现，还可以用电子学和数字方法实现。一、散斑的概念散斑：当一束激光照射到物体的粗糙表面（例如铝板）上时，在铝板前面的空间将布满明暗相间的亮斑与暗斑，这些亮斑与暗斑的分布杂乱，故称为散斑（Speckle）91实质：经粗糙表面漫反射后的光，空间干涉的结果，所以不是物面的像，其分布与被照射的表面有关。1、散斑形成条件1）必须有能发生散射的粗糙表面；为了使散射光较均匀，则粗糙表面的深度必须大于光波波长。

2）入射光的相干度足够高，如使用激光。2、散斑的大小散斑颗粒尺寸定义为两相邻亮斑间距离的统计平均值由激光波长及粗糙表面圆形照明区域对该散斑的孔径角决定，数学表达式例：当激光入射到毛玻璃上时，在毛玻璃后面的整个空间将充满散斑。92直接散斑：由粗糙表面的散射光干涉而直接形成的成像散斑：经过一个光学系统，在它的像面上形成的散斑，也称为主观散斑。散斑大小粗略地对应于干涉条纹间隔；当照明区域为圆形时，散斑亦为圆形，若照明区域增大，有更多面积元上散射的光波参与干涉，照明区域对该散斑的孔径角增大，所以散斑变小了。若照明区域不是圆形而是椭圆形，所成的散斑亦是椭圆形。93二、散斑干涉测量技术被激光照射的粗糙物面在透镜的像面上形成散斑图，此方法称散斑照相。同全息一样,散斑照相并不能提供测量的一些信息。如果利用全息技术记录某一时刻的散斑信息,利用变化前后形成的散斑干涉,可以进行测量工作。散斑干涉技术:

在散斑图的基础上,外加一相干的参考光,例如平面波，球面波甚至另一粗糙的散斑场形成的组合散斑场的技术。应用:

测量位移、应变、振动、物面的变形和粗糙度等。光学方面：检验感光材料的分辨率，测定透镜焦面位置及焦距等；医学方面：视力检查；天文学方面：揭示星体的构造和超巨星的亮度分布等。941.测量纵向位移的散斑干涉技术通过观察散斑的明暗变化次数,可以测量纵向位移当H为全息干板，曝光周期大于振动周期时,在节点处，光强和相位不变化，其他位置，光强和相位发生变化，所以在节点处，高对比度，其他位置对比度下降，可以测量振幅及振动模态。952.测量横向位移的散斑干涉技术参考光与物光以相同夹角入射，方向关于z对称。当物面沿z向变化时，物光与参考光的相位变化一致，不产生额外相位差，散斑不变化；当物面有x，y方向变化时，光程变化为：为进行实时观察，把经过处理的底片放回原来的位置，抑制来自明亮散斑区的光，视场呈均匀的黑色。由于光程差的出现引起散斑亮度发生变化，于是底片就与散斑花样不匹配而出现透射光，因此可以确定测定表面各个区域的变形情况。96三、电子散斑干涉测量技术（ESPI）电子散斑技术：用视频摄像系统代替照相处理，用电子技术和计算机技术代替光学记录技术。特点：原始的散斑干涉场由光电器件（一般为CCD探测器）转换成电信号记录下来，用电子技术方法实现信息的提取，形成的散斑场可以直接显示和保存，操作简单、实用性强，自动化程度高，可以进行静动态测量。普通散斑技术的特点：与全息类似，需要干板记录，条纹的计数和判向与传统干涉类似，但可以测量较粗糙的表面。97CCD感受的光强为参考光与物光相位差的余弦调制变形前，物光束在像面上的复振幅参考光复振幅成像面上的合成光强98变形后，离面位移造成物光复振幅成像面上的合成光强变为为表面离面位移的函数，散斑干涉图的变化情况反映了物面的变化情况。ESPI采用图像相减技术来提取有关离面位移，即的信息。的位置，两散斑图完全相同，相减后光强为零的位置，相减后散斑成像出最大的对比度和最大的平均亮度。物体表面分布着与有关的条纹，这种条纹反映出两次散斑干涉光强之间的相关性，称为“相关条纹”。99图像相减是否会出现负值？四、散斑干涉测量技术的应用1.测量表面粗糙度用二次曝光法连续在同一张底片上记录入射角为处理后的底片放在聚焦激光束中，在焦平面上观察由两个记录在底片上的斑点产生的干涉条纹，用狭缝和光电探测器测量这些条纹的对比度100粗糙表面同时被从激光器射出经干涉仪分开成一定角度的两束相干激光照明，照射到被测表面后按一定角度产生两束散射光，在双光束干涉仪里产生干涉，并在透镜L的焦平面P上形成散斑图样。1012.测量内孔的表面质量仪器包括三部分：探头转动式激光扫描仪、安装被测缸筒的滑道和信息接收与处理系统。102优点:纤芯包层保护套1.传输频带宽、通讯容量大2.传输损耗低3.灵敏度高4.体积小、质量轻5.抗化学腐蚀6.可弯曲§2.6激光光纤干涉测量系统应用：航空/航天（飞机与航天器各部位的压力、温度测量、光纤传感、光纤陀螺）石油化工（液面、流量、井下温度、压力测试）电力工业（高压输电网的电流、电压测量）医疗（血液流速、血压测量）103一、光纤干涉仪的概念原理：光纤中的光波导在经过被测物理量所构成的调制区时，会由于调制区域被测物理量的作用而使光波导的光强、波长、频率、位相及偏振态等特性发生变化，产生调制，经过特定的干涉结构，将这些调制信息转换成强度信息的干涉图样。由此可以测量位移、流体速度、压力、磁场、液温、辐射、电压（高压）、电流（大电流）等许多依靠传统干涉仪无法测量的物理量。104项目传统光学系统光纤测量系统灵敏度小大稳定性一般,易受环境影响较差，最易受环境影响操作性较差，可调点多好，可调点少，仅调节物光束体积结构复杂，光路复杂，体积大结构简单，体积小，重量轻，光路简单光纤干涉测量系统与传统光学系统的对比1051.迈克耳逊（Michelson）光纤干涉仪结构简单，抗干扰,体积小,稳定性好,可和激光集成,光可能返回激光器,要求激光高度稳定。应用点测量，振动、位移、应变、温度等优点二、主要常用的光纤干涉仪结构型式1062.马赫-曾德尔（Mach-Zehnder）光纤干涉仪无返回光，不影响光源的稳定性测量位移、高电压、大电流、磁场、应力等应用优点输出的两路干涉信号反相，非常便于后续电路作辨向、细分等处理1073.萨格奈克(Sagnac)光纤干涉仪应用：用于测量转角等能够破坏相反方向传播光束对称性的物理量，最典型的应用是光纤陀螺仪严格共路的干涉系统当闭合光纤静止时，两光束传播路径相同。两光纤拳相对惯性空间以转速ω转动时，则两路光产生非互易性光程差，其干涉图样可反映出光程差和位相变化。108由Doppler效应知:优点灵敏度高、无机械转动部分、体积小、成本低、结构紧凑等109激光陀螺仪1104.法布里-珀罗(Fabry-Perot)光纤干涉仪特点：多光束干涉，在干涉条纹的峰值处衰减异常迅速，高灵敏度应用：一般是利用腔长或腔内介质折射率变化感知外界物理量，如温度、应力、位移、气体浓度等111原理：当在腔体中流过不同气体时，折射率即发生变化，条纹就会变化或移动，可分析不同的气体成分；假设腔体中没有流动的气体，其一端出口封闭，那么在腔体内的气体浓度逐渐增大，引起压力、温度的改变，使得干涉条纹也相应的变化，可测定气体浓度的变化。1122.光纤干涉测长组成：定位干涉仪＋扫描测量干涉仪特点：设置有零位镜，不会因掉电等因素而丢失，只要定位干涉仪能够准确地确定零位镜的位置，就有一个固定不变的零位。原理：在任何一次测量中，只要测出目标镜相对零位镜的距离值，就可以实现对一维空间任意位置的绝对测量，两次测量的空间位置相对零位的距离值之差即是被测量点间的距离或长度，测量可以间断的进行。对扫描干涉仪而言，扫描镜在扫描过程中某两个位置处将分别与系统零位镜和目标镜产生等光程差，实现干涉定位，即113利用定位干涉仪的定位信号控制扫描干涉仪的测量，使其输出位移值对应于定位干涉仪零位点和目标点之间的位移量，从而实现绝对位移测量。定位目标镜对于零位镜的总光程差为：测量指标：范围10m，精度2.6×10－53.全光光纤陀螺114传统干涉仪的缺点：§2.7激光多波长干涉测长技术需要导轨,计时从始态到终态全部过程,中间不允许掉电；计数时间长，测量长度较大时耗时长,易受环境因素的影响；无零位，增量式测量,不能测量绝对位移。1892年，迈克尔逊把国际标准米尺与Cd谱线波长相比较提出了小数重合法。激光出现以后，研究者采用单一激光器产生的多个波长，基于小数重合法进行了无导轨测长，实现了激光多波长绝对距离的干涉测量。115光学绝对测量发展历程1892年把国际标准米尺与Cd谱线波长相比较提出了小数重合法;激光出现以后，基于小数重合法进行了无导轨测长；1976年，G.L.Bourder和A.G.Orszag首先报导了使用CO2激光器进行多波长干涉测长，为激光多波长无导轨测量的开端；1983年,日本计量研究所的H.Matsumoto提出了用He-Ne3.39μm单波长和He-Ne3.37μm、3.51μm双谱线组成三级合成波测量长度；同年，G.L.Bourder利用两支波导CO2激光器，实现了变波长绝对距离测量;1985年，中国计量院陈元吕等人制成了以Zeeman激光为光源的无导轨测长仪;1986午，H.Kikuta进行了半导体激光外差干涉测长的研究；清华大学的梁晋文教授等人用He-Ne3.39μm激光实现了多波长无导轨测长。116一、小数重合法对于干涉仪,如果能够测量出干涉级的小数部分(细分,相位检测)，则实际长度:如果已知道某一长度的大略范围，例如量块,用一组已知波长的光,进行测量的话,真值对应的一组已知的mi和εi

,如果能够测出其小数部分则,容易推导出其真值，这种测量方法称为小数重合法。采用小数重合法的典型仪器是柯氏(Kosters)干涉仪

柯氏干涉仪利用等厚原理进行量块长度检定需要三种或三种以上的波长参加测量需要根据各波长的分布，进行相应准确度要求的预测117测量的次序:1.测出每一波长的激光对应的ε2.计算已知尺寸范围间,所有波长对应m及ε值3.测量和计算的ε组进行比对,如果相同,则计算的所对应的尺寸,即是真值118若光源采用氦灯的红、黄、绿三种谱线（λ1＝667.8186nm，

λ2＝587.5652nm，λ3＝501.5704nm），初测量块的长度在10.001和9.999之间，假设测量结果为——量块长度为10.00095mm不同谱线的干涉级次和量块长度的对应关系《国家量块检定规程》规定：一等量块的测量不确定度为U=（0.02+0.2L）μm119提高小数读取的准确度，会直接提高测量的不确定度。对单一波长干