激光测量技术-第二章 激光干涉测量技术

第二章激光干涉测量技术本章主要内容:背景知识概述（重点）第一节干涉测量长度和位移（重点）第二节小角度测量仪(合并第一节)第三节外差干涉测量技术（重点）第四节激光全息干涉测量技术第五节激光散斑干涉测量技术第六节激光光纤干涉测量技术第七节激光多波长干涉测长技木2006年3月6日星期一一、背景知识概述1、激光干涉的条件频率相同相位差初始恒定振动方向相同（非正交）小于波列长度（Δτ≤1/Δυ）

2、干涉数学表达式：三角表示法设：两路激光分别为2006年3月6日星期一一、背景知识概述则合成有：因为光强与振幅有关：I≈A22006年3月6日星期一一、背景知识概述光的相位与走过的光程nl有关：已知发生相干条件，带入2-1-2式：复指数表示法2006年3月6日星期一一、背景知识概述上两种推导过程的结论：

合成干涉光的光程是两路光的光程差的余弦函数当合成干涉光光强最大,光越亮当合成干涉光光强最小,光越暗

2006年3月6日星期一一、背景知识概述应用光强调制

I∝cosΔ

测量臂差

测量明暗变化次数,可测量臂差测量折射率

L均固定,只有一处折射率变化传感器

通过物理量引起n或者L的变化,测出其变化,再经过处理,反演出物理量的变化2006年3月6日星期一第一节干涉测量长度和位移一、基本原理n均固定/已知,一路光的光程固定,由下公式可知,即测量位移和长度通过测量光强的变化的次数,测量某臂的光程变化: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,要监视整个测量测量的过程2006年3月6日星期一§2.1一、基本原理以Michelson干涉仪为例:当M2->M1’时当干涉仪在真空时,n=1,所以有:2006年3月6日星期一§2.1一、基本原理讨论:温场不均匀会有什么影响?G2的作用是什么?L0,Lr不等长会有什么影响?干涉仪的测量精度能否大于半波长?明暗变化的实质是什么?一干涉测量系统的基本组成由哪些？

2006年3月6日星期一§2.1一、基本原理干涉仪的测量精度的保证是什么？震动会带来什么影响？E输出光强分布，何为理想？2006年3月6日星期一§2.1二、系统的组成干涉测量系统的一般组成：激光干涉系统条纹计数计数和处理结果的电子机械系统2006年3月6日星期一§2.1二、系统的组成（一）干涉仪系统主要包括：光源分束器反射器补偿元器件2006年3月6日星期一§2.1二、系统的组成激光器的选型和要求

a、频率稳定测量精度

b、功率稳定对比度，信号处理问题

c、连续运行不能间断

d、TEM00

条纹复杂，空间干涉严重2006年3月6日星期一§2.1二、系统的组成2.分束方法分波阵面法-------劳埃德镜振幅不变、相位分布不均匀，易受大气影响2006年3月6日星期一§2.1二、系统的组成分振幅法------半透半反镜，立体分光镜振幅减小，相位均匀，易于固定2006年3月6日星期一§2.1二、系统的组成分偏振法（PBS）-------多次反射、沃拉斯顿棱镜偏振光干涉2006年3月6日星期一§2.1二、系统的组成3.常用反射器a平面反射器易收偏转影响，引入额外相位差b角锥棱镜抗偏摆、俯仰，常用元件c直角棱镜抗单一方向的偏转，加工容易d猫眼反射器加工容易，不引入额外的光程2006年3月6日星期一§2.1二、系统的组成4其他元件1）起偏器a多次折返布诺斯特角b晶体二色性c晶体偏振器如：格兰汤姆逊棱镜沃拉斯特棱镜2)波片---偏振及相位补偿a¼波片b½波片c全波片d平行平板2006年3月6日星期一§2.1二、系统的组成典型光路布置

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2006年3月6日星期一§2.1二、系统的组成1）使用角锥棱镜平面反射式的缺点：光返回激光器，引起激光不稳定。M1M2对偏转、振动影响无消除能力a双角锥特点:消除光返回激光器,抗偏转及振动,加工,安装精度要求高

平面反射式2006年3月6日星期一§2.1二、系统的组成b单角锥特点:加工精度要求降低,但安装精度没有变化2006年3月6日星期一§2.1二、系统的组成C一体化结构紧凑,加工精度有所提高,安装精度下降2006年3月6日星期一§2.1二、系统的组成d双光程特点:激光还是返回激光器,灵敏度提高一倍,l=kλ/42006年3月6日星期一§2.1二、系统的组成整体布局

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2006年3月6日星期一§2.1二、系统的组成光学倍频

L=Kλ/2k2006年3月6日星期一§2.1二、系统的组成零光程差

Lr

与Lm相等且同向安置,消除环境的影响,提高精度2006年3月6日星期一§2.1二、系统的组成(二)、干涉条纹计数与测量结果干涉条纹计数的要求：能够判断方向，避免反向、大气、环境振动以及导轨的误差影响能够细分，提高分辨率这样需要相位相差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

2006年3月6日星期一§2.1二、系统的组成移相器常用移相器种类机械法移相阶梯板和翼形板移相金属膜移相分偏振法移相

2006年3月6日星期一§2.1二、系统的组成机械法移相

形成等厚干涉特点:简单条纹间距易变,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。2006年3月6日星期一§2.1二、系统的组成阶梯板和翼形板移相阶梯板d=λ/8翼形板:采用阶梯板或翼形板移相同样容易受大气扰动引起波阵面畸变的影响。2006年3月6日星期一§2.1二、系统的组成金属膜移相原理：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优点是两光束受振动和大气扰动的影响相同，元件少，结构紧凑。缺点是两相干光束的光强不同，影响条纹对比度两反两透均一透一反2006年3月6日星期一§2.1二、系统的组成分偏振法移相特点:

结构较复杂不受大气影响,可靠2006年3月6日星期一§2.1二、系统的组成干涉条纹的计数及判向原理得到4个相位相差90度的信号:sin→cos→-sin→-cos2006年3月6日星期一§2.1二、系统的组成当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)?2006年3月6日星期一§2.1三、条纹的对比度定义:明暗变化的比值明暗变化的强度越大,PD感测出的信号信噪比越好

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:

相干性、偏振态、光强、背景光、各种环境因素如振动、热变性等

2006年3月6日星期一§2.1四、应用举例1、比长仪2、激光跟踪仪3、Renishaw干涉仪4、小角度测量仪2006年3月6日星期一§2.1应用举例--比长仪应用:对刻尺进行标定或检测2006年3月6日星期一§2.1应用举例--激光跟踪仪应用:测量已知目标的运动轨迹或者位置API公司:2006年3月6日星期一§2.1应用举例--Renishaw干涉仪优点:去掉直流分量和实现共膜抑制三个信号完全共路,去掉外界噪声,保证低频的稳定性2006年3月6日星期一§2.1应用举例--小角度测量仪2006年3月6日星期一作业1、试设计一测量空气折射率的干涉测量系统2、设计一干涉测量系统，测量机床导轨的某一方向的偏摆角度2006年3月6日星期一§2.1应用举例--小角度测量仪小角度测量仪:测量范围一般在±1°以内，最大测量误差±0.05″,采用下图,可达95°,测量精度±0.3″2006年3月6日星期一§2.3激光外差干涉测量系统传统干涉测量系统的特点测量精度高前置放大器为直流放大器对环境要求高，不允许光强有较大的变化抗干扰能力差，一般工作在恒温、防震条件下2006年3月6日星期一§2.3激光外差干涉测量系统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，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）干涉仪解决：1、滤掉了背景噪声2、滤掉了直流放大器的噪声2006年3月6日星期一§2.3激光外差干涉测量系统一、Zeeman双频激光干涉仪2006年3月6日星期一§2.3激光外差干涉测量系统1、PD上的信号2006年3月6日星期一§2.3激光外差干涉测量系统2、测量臂

由于M2的运动由Doppler效应知：对入射光：对反射光：总的变化：2006年3月6日星期一§2.3激光外差干涉测量系统N为脉冲的数量所以:PD1的输出信号频率:v1-v2PD2的输出信号频率:v1-(v2±Δf)

λ为测量臂的波长2006年3月6日星期一§2.3激光外差干涉测量系统3、后续电路2006年3月6日星期一§2.3激光外差干涉测量系统看看其能力：电路静态频率：V1-V2动态频率：(V1-V2）±Δf为不失真,Δf≤

1/3(V1-V2)所以对于一个双频激光干涉仪其最大的测量速度为:v≤λ/6(V1-V2)2006年3月6日星期一§2.3激光外差干涉测量系统二、其他外差干涉仪Zeeman：频差1.5-1.8MHz动镜移动速率小于300mm/sAOM（Acousto-Optic-Modulator)/Bragg器件：

产生的一级衍射光束的频率为ν0±νs，Vs可达几十兆Hz2006年3月6日星期一§2.3激光外差干涉测量系统三、应用1、测量角度/偏摆2006年3月6日星期一§2.3激光外差干涉测量系统2、测量空气折射率2006年3月6日星期一§2.3激光外差干涉测量系统2006年3月6日星期一§2.3激光外差干涉测量系统3、测量振动2006年3月6日星期一3、测量振动2006年3月6日星期一3、测量振动2006年3月6日星期一§2.4激光全息干涉测量系统全息的来源:

1948年盖伯(D.Gebar)提出用一个合适的相干照射全息图，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2006年3月6日星期一§2.4激光全息干涉测量系统应用:全息测量系统无损检测全息存储全息电影全息防伪2006年3月6日星期一§2.4激光全息干涉测量系统一、基本原理其过程分：1、全息图的记录2、物光波再现1、全息图的记录普通照相：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1000个以上条纹记录介质：卤化银乳胶和重铬酸盐乳胶2006年3月6日星期一§2.4激光全息干涉测量系统设物光：E0=A0ejΦ0则干板前的光强和相位分布应该为x、y的函数即

E0=A0（x，y）ejΦ0（x，y）参考光束：平面波E0=ArejΦrΦr=2πsini/λy所以:E0=ArejΦr=Arejay

2006年3月6日星期一§2.4激光全息干涉测量系统所以干板上的光强分布:Ar固定和参考光相位ay是已知规律变化的所以:干板记录的信息主要是记录了物光的光强及相位信息2006年3月6日星期一§2.4激光全息干涉测量系统经过一定时间的照射,完成曝光,然后把干板取下,经显影、定影、制成全息底片以上过程称为全息记录2006年3月6日星期一§2.4激光全息干涉测量系统2、物光波再现

全息底片的透射率是t（x，y）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，并去掉物体及物体照射光束2006年3月6日星期一2、物光波再现1232006年3月6日星期一2、物光波再现参考光的透射光束幅制被物光调制，方向不变与物光光波相同的透射光波方向不变，光强变化mAr2倍与2共轭的汇聚光波方向与2共轭，光强变化mAr2倍，相位叠加了一线性值2006年3月6日星期一2、物光波再现2006年3月6日星期一3、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2006年3月6日星期一二、干涉测量技术全息照相的特点:三维立体图（或四维）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）2006年3月6日星期一二、全息干涉测量技术单纯的全息技术应用: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2006年3月6日星期一单纯的全息技术应用3、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;图像的假彩色编码。2006年3月6日星期一单纯的全息技术应用: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Inphase公司的全息存储器2006年3月6日星期一二、全息干涉测量技术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,今行测量分析工作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。常用的测量方法主要有:实时法二次曝光法时间平均法2006年3月6日星期一1.实时法一次全息图制作→复原安装→再现对准应用:实时观察不同条件下的变形情况,如温度\压力\内部情况特点:只需一次制作全息底片方便,节省时间,特别适合透明介质的一些现象复位精度要求高使用时间短,条件要求高,乳胶易收缩变形,产生附加条纹2006年3月6日星期一2.二次曝光法原位曝光/遮光→物体发生变化→再次曝光→显影/定影→显示观察应用:瞬态现象研究,如冲击波、流体、燃烧等2006年3月6日星期一2.二次曝光法特点：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2006年3月6日星期一3.时间平均法注意:曝光时间远大于振动的周期常用于振动模式分析2006年3月6日星期一全息干涉测量的特点项目干涉技术全息干涉测量优点简单、光滑表面任意形状、对表面几乎无要求单点或多点测量三维表面需要全程检测过程可仅比较起始和终了两个时刻的状态缺点范围大，小于激光的相干长度范围小，仅几十um全息测量的特点及与传统干涉测量的比较2006年3月6日星期一三、应用（一）尺寸和形状测量1）全息长度比较仪利用鉴相技术，可分辨到λ/100

2006年3月6日星期一（一）尺寸和形状测量2）测量气缸内孔2006年3月6日星期一（一）尺寸和形状测量3）测量表面粗糙度Ρ为物光和参考光亮度之比；K=exp（iφλ/R）φ物光和参考光相位之差R被测表面中心到H2的中心距离为粗糙度均方根值2006年3月6日星期一（一）尺寸和形状测量4）发动机活塞变形2006年3月6日星期一（二）缺陷检测常用的方法:实时法和时间平均法原理:当试件存在缺陷时,在外观、表面会存在变化，例如：脱胶、脱落、内部裂纹等2006年3月6日星期一（三）振动测量常用方法：时间平均法常测量：特殊要求的机械部件的振动模态2006年3月6日星期一（二）粒子与流场分布测量常用方法：实时法、二次曝光法用途：测量透明介质的一些物理场信息如：温度、力场、流速、均匀性等信息2006年3月6日星期一§2.5激光散斑干涉测量系统1970年Leendez开创了光学粗糙表面的干涉测量方法，称这种方法为散斑干涉测量一、基本的概念散斑：当一束激光照射到物体的粗糙表面上时，其反射的光束中亮斑与暗斑的分布杂乱，顾称为散斑（Speckle）其实质：经粗糙表面漫反射后的光，空间干涉的结果，所以是非物体表面的像

其分布与照射的表面有关(小)2006年3月6日星期一一、基本的概念散斑产生的条件：1）粗糙表面，h>λ产生均匀散斑2）必须有高相干光散斑照相:被激光照射的粗糙表在透镜的像面上形成的散斑图同全息相比,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,利用变化后的形成的散斑干涉,可以进行测量工作散斑干涉技术:在散斑图的基础,外加一相干的参考光,例如平面波,球面波或者稳定的其他散图均可应用:测量位移、应变、振动、粗糙度等2006年3月6日星期一二、散斑干涉测量技术1、测量纵向位移当O有位移时，参考光与物光 的相位差为：根据相干的条件当δφ=2kπ时， 即：与初始上干涉状态一致当δφ=(2k+1)π时,即:图像明暗反转2006年3月6日星期一1、测量纵向位移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2006年3月6日星期一2、测量横向位移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直，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：相位变化为：当Δ=2dsinθ=mλ时，恢复初始状态2006年3月6日星期一三、电子散斑干涉测量技术（ESPI）ESPI：主要相对于传统光学记录方式而言，主要指CCD采集的散斑场信息，这样可以进行电子处理或者计算机处理。ESPI的特点：电子技术提取信息，可以直接显示和保存散斑图，操作简单、实用性强，自动化程度高、可以进行静动态测量，不需要复杂的显影、定影及复定位技术要求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

2006年3月6日星期一三、电子散斑干涉测量技术（ESPI）基本原理CCD感受的光强为参考光的余弦调制当Δφ=2kπ，光强不变当Δφ=(2k+1)π，光强变化最剧烈其他,变化程度与Δφ有关2006年3月6日星期一基本原理ESPI处理:一般图像间相减,其结果:

相减后,光强分布仍然是Δφ的余弦分布函数,即干涉条纹与Δφ有关,这种条纹反映出的是两次散斑干涉间的光强分布之间的相关性,称为相关条文由于Δφ,与光程有关,反应出的是物面的变形或位移的多少2006年3月6日星期一四、散斑干涉测量技术的应用1、测量表面粗糙度2006年3月6日星期一四、散斑干涉测量技术的应用2、测量内孔的表面质量2006年3月6日星期一§2.6激光光纤干涉测量技术一、基本概念光纤:光导纤维简称材料:玻璃-纤芯及包层为玻璃胶套硅光纤-芯玻璃包层塑料塑料-均为塑料类型:阶越式梯度型光纤特点:

纤芯包层保护套1.传输频带宽、通讯容量大2.信号损耗低3.不受电磁波/环境光干扰4.线径细、重量轻5.抗化学腐蚀

5.可弯曲2006年3月6日星期一一、基本概念对比光学器件组成的系统,光纤测量系统的优势:

项目传统光学系统光纤测量系统灵敏度小,精度低大,精度高稳定性一般,易受环境影响好,不受大气、电磁影响操作性较差，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，应用：航空/航天石油化工/采矿业医疗通讯图像传输

计算机网络传感器等2006年3月6日星期一二、主要常用的光纤干涉仪结构型式主要型式：迈克耳逊（Michelson）光纤干涉仪马赫-泽德（Mach-Zehnder）光纤干涉仪萨格奈克(Sagnac)光纤干涉仪法布里-珀罗(Fabry-Perot)光纤干涉仪2006年3月6日星期一1.迈克耳逊（Michelson）光纤干涉仪优点:

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2006年3月6日星期一2.马赫-泽德（Mach-Zehnder）光纤干涉仪特点:

无返回光,不影响激光输出自动正余函数便于细分应用:测量位移高电压大电流磁场应力等2006年3月6日星期一3.萨格奈克(Sagnac)光纤干涉仪光纤陀螺,测量角速度:由Doppler效应知:2006年3月6日星期一4.法布里-珀罗(Fabry-Perot)光纤干涉仪又称:F-P干涉仪特点:多光束干涉,高灵敏度用途:波长的精密测量光谱线精细结构的研究

其间隔固定不变——法布里-珀罗标准具其间隔可以改变——法布里-珀罗干涉仪2006年3月6日星期一4.法布里-珀罗(Fabry-Perot)光纤干涉仪GG/A0相邻两光束到达透镜L2焦平面某一点时的光程差和位相差分别为:各光束的位相依次为（假设第一束光的位相为零）干涉公式：2006年3月6日星期一三、光纤干涉仪应用1）F-P干涉仪分析气体成分2006年3月6日星期一2）光纤干涉测长准白光干涉2006年3月6日星期一3）光纤干涉仪测量温度、压力2006年3月6日星期一4）光纤陀螺特点：灵敏度高可达0.02’’/h质量轻,体积小,成本低结构紧凑,可作为制导、导航用。2006年3月6日星期一§2.6激光多波长干涉测长技术传统干涉仪: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时间长,易受环境因素的影响3)无零位,增量式测量,不能测量绝对位移2006年3月6日星期一一、光学绝对测量简史

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无导轨测长1976年，G.LBourder和AG．Orszag首先报导了使用CO2激光器进行多波长干涉测长1983年,日本计量研究所的HM