光电测试技术-n5

光电测试技术

成都信息工程学院第五章激光干涉测试技术4/20/20231概括历史进度：特点：拥有更高的测试敏捷度和正确度；绝大多半的干涉测试都是非接触式的，不会对被测件带来表面伤害和附带偏差；较大的量程范围；在精美测量、精美加工和及时测控的诸多领域获取宽泛应用。分类：此外还可以够利用有关干涉图的接收和数据办理技术计算出点扩散函数、中心点亮度、光学传达函数等综合光学象质谈论指标。17世纪后半叶，玻意耳(Boyle)和胡克(Hooke)独立地观察了两块玻璃板接触时出现的彩色条纹，人类从此开始注意到了干涉现象。1801年托马斯·杨(ThomasYoung)完成了著名的杨氏双缝实验，人们可以有计划、有目的地控制干涉现象。1860年麦克斯韦(C.Maxwell)的电磁场理论为干涉技术奠定了坚实的理论基础。1881年迈克尔逊(A.Michelson)设计了著名的干涉实验来测量“以太”漂移。1960年梅曼(Maiman)研制成功第一台红宝石激光器，以及微电子技术和计算机技术的飞速发展，使光学干涉技术的发展进入了快速增长时期。1982年G.Binning和H.Rohrer研制成功扫描隧道显微镜，1986年发明原子力显微镜，从此开始了干涉技术向纳米、亚纳米分辨率和准确度前进的新时代。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2§5-1激光干涉测试技术基础1.1干涉原理与干涉条件1．干涉原理光干涉的基础是光波的叠加原理。由颠簸光学知道，两束相关光波在空间某点相遇而产生的干涉条纹光强分布为：位相差两光束到达某点的光程差满足的光程差相同的点形成的亮线叫亮纹。满足的光程差相同的点形成的暗线叫暗纹，亮纹和暗纹组成干涉条纹。其中m是干涉条纹的干涉级次。

3§5-1激光干涉测试技术基础1.1干涉原理与干涉条件2．干涉条件平时能够产生干涉的两列光波一定满足三个基实情关条件：频率相同振动方向相同恒定的位相差在实质应用中，有时需要存心识地破坏上述条件。比方在外差干涉测量技术中，在两束相关光波中引入一个小的频率差，惹起干涉场中的干涉条纹不断扫描，经光电探测器将干涉场中的光信号变换为电信号，由电路和计算机检出干涉场的位相差。静态稳固干涉场的条件4§5-1激光干涉测试技术基础1.2影响干涉条纹对照度的因素干涉条纹对照度可定义为式中，Imax、Imin分别为静态干涉场中光强的最大值和最小值，也能够理解为动向干涉场中某点的光强最大值和最小值。当Imin=0时K＝1，对照度有最大值；而当Imax=Imin时K＝0，条纹消失。在实质应用中，对照度一般都小于1。对目视干涉仪能够认为：当K＞0.75时，对照度就算是好的；而当K＞0.5时，能够算是满意的；当K＝0.1时，条纹尚可辨识，但是已经相当困难的了。对动向干涉测试系统，对条纹对照度的要求就比较低。5§5-1激光干涉测试技术基础1.2影响干涉条纹对照度的因素①光源的单色性与时间相关性如图，干涉场中实质见到的条纹是λ到λ＋Δλ中间所有波长的光干涉条纹叠加的结果。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，而在此以前则是相互分开的。则尚能分辨干涉条纹的限度为6图4-1

各种波长干涉条纹的叠加λλ+Δλ7在颠簸光学中，把光经过相关长度所需要的时间称为相关时间，其实质就是能够产生干涉的波列连续时间，（其对应产生干涉的两列波的光程差）。所以，激光光源的时间相关性比一般光源好得多，一般在激光干涉仪的设计和使用时不用考虑其时间相关性。由此得最大干涉级m＝λ/Δλ

，与此相应的尚能产生干涉条纹的两支相干光的最大光程差(或称光源的相干长度)为8§5-1激光干涉测试技术基础1.2影响干涉条纹对照度的因素②光源大小与空间相关性干涉图样的照度，在很大程度上取决于光源的尺寸，而光源的尺寸大小又会对各种干涉图样对照度有不同的影响:由平行平板产生的等倾干涉，不论多么宽的光源尺寸，其干涉图样都有很好的对照度。杨氏干涉实验只在限制狭缝宽度的状况下，才能看清干涉图样。由楔形板产生的等厚干涉图样，则是介于以上两种状况之间。9图4-3光阑孔大小对干涉条纹对比度的影响a)b)c)10如取对比度为0.9，可得光源的许可半径在干涉测量中，采纳尽量减小光源尺寸的措施，诚然能够提高条纹的对照度，但干涉场的亮度也随之减弱。当采用激光作为光源时，因为光源上各点所发出的光束之间有固定的相位关系，形成的干涉条纹也有固定的分布，而与光源的尺寸没关。激光光源的大小不受限制，激光的空间相关性比一般光源好得多。11§5-1激光干涉测试技术基础1.2影响干涉条纹对照度的因素③相关光束光强不等和杂散光的影响设两支相关光的光强为I2=nI1，则有非期望的杂散光进入干涉场，会严重影响条纹对比度。设混入两支干涉光路中杂散光的强度均为，则于是12图4-4对比度K与两支干涉光强比n的关系可见，没有必需追求两支相关光束的光强严格相等。特别在其中一支光束光强很小的状况下，人为降低另一支光束的光强，甚至是有害的。因为这会以致不适合地降低干涉图样的照度，从而提高了人眼的对照度敏捷阈值，不利于目视观察。13§5-1激光干涉测试技术基础1.2影响干涉条纹对照度的因素③相关光束光强不等和杂散光的影响当n=1时，有在干涉仪中各光学零件的每个界面上都产生光的反射和折射，其中非希望的杂散光芒，能以多种可能的路径进入干涉场。特别是在用激光作光源的干涉测量中，因为激光拥有极好的空间相关性，使系统中存在的杂散光很简单形成寄生条纹。解决杂散光的主要技术措施有：①光学零件表面正确镀增透膜，②适合设置针孔光阑，③正确选择分束器。其中尤以第三点为问题的重点。比较式可见，在两支光强比n较小时，杂散光对条纹对照度的影响远比两支干涉光的光强不相等的影响要严重得多。14§5-1激光干涉测试技术基础1.2影响干涉条纹对照度的因素小结：对于所有种类的干涉仪，干涉条纹图样对照度降低的广泛原因是：光源的时间相关性；光源的空间相关性；相关光束的光强不等；杂散光的存在；各光束的偏振状态差异；振动、空气扰动、干涉仪结构的刚性不足等。15§5-1激光干涉测试技术基础1.3共程干涉和非共程干涉在一般干涉仪中，因为参照光束和测试光束沿着分开的光路行进，故这两束光受机械振动和温度起伏等外界条件的影响是不同的。所以，在干涉测量过程中，一定严格限制测量条件，采纳适合的保护措施，不然干涉场上的干涉条纹是不稳固的，因此不可以进行精确的测量。这种干涉仪，称为非共程干涉仪。16特点：①抗环境搅乱；②在产生参照光束时，平时不需要尺寸等于或大于被测光学系统通光口径的光学标准件；③在视场中心两支光束的光程差一般为零，所以能够使用白光光源。若参照光路和测试光路经过同一光路，这种干涉仪称为共程干涉仪。其特点有：17①使参照光束只经过被检光学系统的小部分地区，因此不受系统像差的影响，当此参照光束和经过该光学系统全孔径的检验光束相关时，即可直观地获取系统的缺点信息。如散射板干涉仪、点衍射干涉仪等。②大多半的共程干涉仪中，参照光束和测试光束都受像差的影响，干涉是由一支光束相对于另一支光束错位产生的。这时，获取的信息不是直观的，需要作某些计算才能确定被测波面形状，如各种种类的剪切干涉仪。共程干涉仪大概可分为两类：共程干涉仪常常借助于部分别射面、双折射晶体、半反射面或衍射实现分束。18§5-1激光干涉测试技术基础1.4干涉条纹的分析与波面恢复在静态干涉系统中，干涉测量的重点是获取清楚稳固的干涉条纹图样，而后对其进行分析、办理和判读计算，以获取有关的被测量的信息。①波面偏差的表示波面偏差为n是干涉仪的通道数（光速通过样品次数）19EPVERMSEmax参考面b)波面偏差指标Ha)由条纹偏差表示波面偏差h图4-6波面偏差的表示波面偏差的指标：1）峰谷偏差EPV。被测波面相对于参考波面峰值与谷值之差。2）最大偏差Emax。被测波面与参考波面的最大偏差值。3）均方根偏差ERMS。被测波面相对于参考波面的各点偏差值的均方根值，可由下式表示20§5-1激光干涉测试技术基础1.4干涉条纹的分析与波面恢复②被测波面的恢复要正确求出被测波面的轮廓，第一要判断干涉条纹图的零级条纹地点和被测波面相对于标准波面的凸凹状况。1）零级条纹的判断。使产生干涉的两波面间的光程差减小，则条纹挪动的方向是走开零级条纹的方向；反之，则干涉条纹朝着零级条纹的方向挪动。2）凸凹面的判断。假如挪动W2，减小波面W1与W2间的光程差，条纹挪动的方向与曲折方向相同，则被测表面为突出的(工厂通称为“高光圈”)；反之，则被测表面为凹陷的(工厂通称为“低光圈”)。21突出（高光圈）减小程差挪动、曲折同向W1W2W2W1条纹移动方向a)c)W1W2W2W1条纹移动方向b)d)图4-8被测波面凸凹的判断22§5-1激光干涉测试技术基础1.4干涉条纹的分析与波面恢复3）求被测波面轮廓。若采用图解法求旋转对称波面与倾斜平面波相关涉获取的干涉图样，只需求出经过干涉图中心与平面波倾斜方向相同的截面上的波面轮廓即可以了。其步骤以下：①第一在干涉图上作截面AB，而后确定干涉条纹零级的地点。如本例中零级条纹在干涉图左边，且干涉级从左往右递加。②在干涉图的上（下）方作若干条等间距的与截面AB相平行的直线，相邻两平行线间距表示光程差为（n为干涉仪的通道数）的变化量。③将干涉条纹与截面AB订交的各点垂直引直线到平行线上，从左至右挨次到与各对应平行线订交，而后把这些点连成曲线。④为了获取真切的波面轮廓，把倾斜因子减去。23yBA图4-9由干涉图恢复波面轮廓xxWFE0xW24§5-1激光干涉测试技术基础1.5提高分辨力的方法和干涉条纹的信号办理①光学倍频技术分辨力图4-10光学倍频原理图示BM1M2M3a)BM1M3M2M4a/Kb)25§5-1激光干涉测试技术基础1.5提高分辨力的方法和干涉条纹的信号办理②光学相位细分技术提高干涉仪分辨力，还可利用干涉条纹的相位细分技术。能够把干涉条纹每变化一个级次，看作相位变化了360°。从一个干涉条纹变化中获取多个计数脉冲的技术称为相位细分技术。相位细分的方法有机械相位细分、阶梯板相位细分、翼形板相位细分、金属膜相位细分和分偏振法相位细分等。例：机械法相位细分。产生90°相移信号的最简单方法是倾斜参照镜M1。当参照镜倾斜必定角度时，调理两光电接收器D1和D2间隔为条纹中心距离的1/4即可获取相移90°的两个输出信号。但这种方法简单因反射镜的稍微失调而改变条纹间隔，使输出信号的位有关系发生变化，惹起计数偏差。26BM2M1M’2D1D2图4-11机械法相位细分示意图27§5-1激光干涉测试技术基础1.5提高分辨力的方法和干涉条纹的信号办理③办理电路细分方法电路细分方法有多种，如四细分辨向、计算机软件细分、鉴相法细分等。综合来看，鉴相法细分的不确定度最小，使用灵巧、方便、集成度高，适合于激光干涉信号的细分。其输出的是模拟信号，分辨率高达2π/1000，但是鉴相范围较小(±2π)。28§5-1激光干涉测试技术基础1.5提高分辨力的方法和干涉条纹的信号办理④干涉条纹计数与判向干涉条纹移相系统光电接收器放大器倒相器(sin)微分电路微分电路(sin)(-sin)光电接收器放大器倒相器(cos)微分电路微分电路(-cos)(cos)可逆计数器计算机图4-13条纹移动判向计数原理框图29sin

cos00(sin)(-sin)(cos)(-cos)(sin)(-sin)(cos)(-cos)(-cos)(cos)(-cos)(cos)(cos)超前(cos)滞后123434干涉条纹计数判向电路波形当cos信号超前时（设为正向）：脉冲信号的次序为1、3、2、4，当cos信号滞后时（应为反向）：脉冲信号的次序为1、4、2、330光电测试技术

§5-2激光斐索(Fizeau)型干涉测试技术4/20/202331§5-2激光斐索(Fizeau)型干涉测试技术概括：光学干涉测试技术最初在光学零件和光学系统的检验中获取宽泛应用。在光学零件面型、平行度、曲率半径等的测量中，斐索型干涉测量法与在光学车间宽泛应用的牛顿型干涉测量法（样板法或牛顿型干涉法）对比，属于非接触测量。接触测量存在以下问题：①标准样板与被测表面一定十分洁净；②洁净工作多拿在手中擦试，因为体温的影响，影响测试正确度；③样板有必定重量压在被测表面上，必然会产生必定的变形，特别是对大平面零件。斐索型干涉测量法中因为样板和被测表面间距较大，一定用单色光源，一般采用激光光源。32②影响测试正确度的因素1）光源大小和空间相关性§5-2激光斐索(Fizeau)型干涉测试技术2.1激光斐索型平面干涉测量①激光斐索型平面干涉仪的基本光路和原理1237456M1参考平面M2被测平面图4-15激光斐索型平面干涉仪基本光路图计算例：若h＝5mm，λ＝546.1nm，则θ<17‘。若取f‘＝500mm，则d<5mm。2）光源的单色性和时间相关性。33②影响测试正确度的因素3）杂散光的影响。平行光在标准参照平板的上表面和被测件的下表面都会反射一部分光而形成非希望的杂散光。因为激光的相关性能特别好，这些杂散光叠加到干涉场上会产生寄生条纹和背景光，影响条纹的对照度。除去该杂散光的主要措施是：将标准参照平板做成楔形板，以使标准平板上表面反射回来的光芒不可以进入干涉场；相同，将被测件做成楔形板或在它的反面涂抹油脂，也能除去或减小被测件下表面产生的杂散光影响；整个系统的所有光学面上均应镀增透膜。§5-2激光斐索(Fizeau)型干涉测试技术2.1激光斐索型平面干涉测量34②影响测试正确度的因素4）标准参照平板的影响。标准参照平板参照面M1在干涉仪中是作为测量基准用的，主要要求是：面形偏差小；口径一定大于被测件。当标准平板口径大于200mm时，其加工和检验都很困难。为了保证参照平面面形精度：严格控制加工过程；资料的线膨胀系数较小、节余应力很小；安装时使之不产生装夹应力；在高质量平面（如标准参照平面）的面形测量中，能够考虑用液体的表面作为参照平面。§5-2激光斐索(Fizeau)型干涉测试技术2.1激光斐索型平面干涉测量35此时被测平面M2朝下对液体表面。地球的曲率半径约为6370km，当液面口径为1000mm时，液面中心才高出约0.1光圈，当口径为250mm时，液面才高出约0.005光圈。主要要求：使液体处于静止状态（对测量环境要求严格控制，还应当采用粘度较大，自己比较均匀和洁净的液体。）常常用作标准参照平面的液体有液态白腊、扩散泵油、精美仪表油和水银等。36§5-2激光斐索(Fizeau)型干涉测试技术2.1激光斐索型平面干涉测量③激光斐索平面干涉仪用于测量平行平板平行度1）测量原理设干涉场的口径为D，条纹数目为m，长度D两头对应的厚度分别为h1和h2，有则平板玻璃的平行度为h2h1θD测试平板玻璃平行度图示37§5-2激光斐索(Fizeau)型干涉测试技术2.1激光斐索型平面干涉测量③激光斐索平面干涉仪用于测量平行平板平行度2）测试范围的谈论简单想象，当干涉场内的干涉条纹数m<1时，该方法就不可以测量其平行度。比如对直径D＝60mm的被测平板玻璃，n=1.5147，λ＝632.8nm，当时就测量不出来了。另一方面，当干涉场中的条纹数目太密时，无法或比较困难分辨条纹，也无法进行测量。假定用人眼来辨别条纹，一般人眼的分辨能力为0.33mm，当n=1.5147，λ＝632.8nm时，简单算出。38§5-2激光斐索(Fizeau)型干涉测试技术2.1激光斐索型平面干涉测量③激光斐索平面干涉仪用于测量平行平板平行度3）测量不确定度。依据间接测量不确定度的传达公式，可知由上式可见，在的测量中惹起偏差的主要因素是：①宽度D的测量不确定度；②干涉条纹数m计数的不确定度；③折射率n的测量不确定度。其中，干涉条纹数计数的不确定度影响最大。激光斐索型平面干涉仪测量平板玻璃平行度的标准不确定度约为。39§5-2激光斐索(Fizeau)型干涉测试技术2.2斐索型球面干涉仪①激光斐索型球面干涉仪基本源理激光器标准物镜组标准参考面位置Ⅰ位置Ⅱ被测镜CCD相机图4-17激光斐索型球面干涉仪光路图C,C0OC,C0位置Ⅱ位置Ⅰ注意：为了获取需要的干涉条纹，一定认真调整被测球面，使被测球面的球心C与C0精确重合。40§5-2激光斐索(Fizeau)型干涉测试技术2.2斐索型球面干涉仪②激光斐索型球面干涉仪用于测量球面面形偏差假如干涉场中获取等间距的直条纹，表示没有面形偏差；若条纹出现椭圆形或局部曲折，则按前述方法予以判读。③激光斐索型球面干涉仪用于测量曲率半径原理：挪动距离。平时干涉仪备有一套拥有不同曲率半径参照球面的标准半径物镜组。但当被测球面的曲率半径太大，高出仪器测长机构的量程时，可采用图示方法41激光器标准物镜组标准参考面位置Ⅰ位置Ⅱ被测镜CCD相机图4-17激光斐索型球面干涉仪光路图C,C0OC,C0位置Ⅱ位置ⅠCC0位置Ⅰ位置ⅡR标-R凸R标图4-18测量大曲率半径光路图示4/20/202342§5-3激光全息干涉测试技术4/20/202343§5-3激光全息干涉测试技术3.1全息术及其基本源理看法：全息的看法早在1948年就由英国的Gabor提出。所谓全息就是在拍照底片上同时记录物光波的振幅和位相的所有信息，经过再现，能够获取物光波的立体像。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储存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。全息术与一般照相对比拥有以下特点：三维性。全息术能获取物体的三维信息，成立体像。抗破坏性。全息图的一部分即可以再现出物体的全貌，仅成像的亮度降低、分辨力下降，并且全息图不怕油污和擦伤。信息容量大。光学系统简单，原则上不必透镜成像。44§5-3激光全息干涉测试技术3.1全息术及其基本源理①全息图的记录设参照光波为因为参照光波是平面波，则振幅恒定，位相随y值变，以O点为参照，任一点P(x,y)的位相将比入射到O点光波的位相延缓了令则有θ全息底片物光波OP参考光波zy图4-19全息图的记录过程图示45§5-3激光全息干涉测试技术3.1全息术及其基本源理①全息图的记录对于物体光波，因为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注意与参考光波的比较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46该式表示，全息底片上的光强分布按正弦规律分布，并且干涉条纹的亮度和形状主要由物光波决定，所以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办理后，就成为全息图(又称全息干板)。47§5-3激光全息干涉测试技术3.1全息术及其基本源理②物光波的再现假如办理过的全息干版的透过率和曝光光强成线性关系，则其透过率为线性部分HtO图4-20t-H曲线48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zy图4-21物光波的再现图示再现物波第二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，这个光波拥有原始光波所拥有的全部性质，假如迎着该光波观察就会看到一个和本来一模一样的“物体”。所以，这个透射光波是原始物体波前的再现。第三项也含有物体光波的振幅和位相信息，它所表示的光波是对比明光波更偏离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，若本来物体光波是发散的话，则该光波将是汇聚的。第一项为哪一项在照明光束方向流传的光波，它经过全息图后不偏转，但是振幅会发生变化。49§5-3激光全息干涉测试技术3.1全息术及其基本源理②物光波的再现假如再现过程顶用此外方向的光束作为照明光波，再现像会随之变化。全息底片实像（共轭像）O照明光波zy图4-22物光波的再现图示虚像（原始像）实像O照明光波zy图4-23物光波的再现图示虚像50重要性质：由图明显看出，因为全息图记录的是物体光波和参照光波产生的干涉条纹，它分布于整个全息图上，所以，假如全息图缺损一部分，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，而对再现像的地点和形状是毫无影响的。这就是说，全息图对缺损、划伤、油污、尘埃等没有严格要求，这一点在应用中拥有重要意义。51§5-3激光全息干涉测试技术3.1全息术及其基本源理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靠于光的干涉和衍射效应。所以，全息术对所用光源的要求不但同一般照相同样拥有能使底片得以曝光的光能输出，并且应拥有为满足光束的干涉和衍射所一定的时间相关性和空间相关性——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。所以，全息底片的分辨力要求是很高的，一般底片不可以满足要求。52§5-3激光全息干涉测试技术3.2全息干涉测试技术全息干涉测试技术是全息术应用于实质最早也是最成熟的技术，它把一般的干涉测试技术同全息术联合起来，拥有很多独到的优势：1）全息干涉技术则能够对任意形状和粗拙表面的三维表面进行测量，测量不确定度可达光波波长数目级。2）全息图的再现像拥有三维性质，所以全息干涉技术能够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，所以，能够测试该段时间内物体的地点和形状的变化。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，对任意形状和粗拙表面的测试比较有利。53全息干涉测试技术的不足是其测试范围较小，变形量仅几十微米左右。全息干涉方法包含：单次曝光法（及时法）；二次曝光法；多次曝光法；连续曝光法（时间均匀法）；非线性记录；多波长干涉；剪切干涉等多种形式。54§5-3激光全息干涉测试技术3.2全息干涉测试技术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拥有必定位相差的光波分别与同一参照光波相关涉，分两次曝光记录在同一张全息底片上。当用与参照光完好相同的再现光照射该全息图时，即可以再现出两个相互重叠的拥有必定位相差的物光波。当迎着物光波观察时，即可以观察到在再现物体上产生的干涉条纹。55§5-3激光全息干涉测试技术3.2全息干涉测试技术①静态二次曝光全息干涉法设第一次曝光时物光波为：设参照光为：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：设参照光仍为：则第二次曝光在底片上的曝光量为：56§5-3激光全息干涉测试技术3.2全息干涉测试技术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，并假定底片工作在线性区，比率系数取为1，则底片经过显影、定影办理后获取全息图的振幅透射比分布为57§5-3激光全息干涉测试技术3.2全息干涉测试技术①静态二次曝光全息干涉法用与参照光完好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关叠加的合成波——产生干涉合成波的共轭波——也产生干涉58§5-3激光全息干涉测试技术3.2全息干涉测试技术①静态二次曝光全息干涉法此刻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。

59§5-3激光全息干涉测试技术3.2全息干涉测试技术②及时法全息干涉原理：将对物体曝光一次的全息图经显影和定影办理后在本来拍照装置中精确复位，再现全息图时，再现像就重叠在本来的物体上。若物体稍有位移或变形，即可以看到干涉条纹。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：

60§5-3激光全息干涉测试技术3.2全息干涉测试技术②及时法全息干涉把经过办理后获取的全息图复位，并用原参照光波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

61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图4-24实时法全息图的记录与波面再现62§5-3激光全息干涉测试技术3.2全息干涉测试技术②及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。

及时法全息干涉技术在实质工作中要求全息图一定严格复位，不然直接影响测试正确度。63§5-3激光全息干涉测试技术3.2全息干涉测试技术③时间均匀法多次曝光全息干涉技术的看法能够推行到连续曝光这一极限状况，结果获取所谓的时间均匀全息干涉测试技术。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很多像的总成效，物体振动的地点和时间均匀相对应。当这些光波又从头再现出来时，它们在空间上必然要相关叠加。因为物体上不同点的振幅不同而惹起的再现波相位不同，叠加结果是再现像上必然会表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有关的干涉条纹。其再现像光强分布为时间均匀全息干涉技术是研究正弦振动的最好工具，也能够用于研究非正弦运动，是振动分析的基本手段。64§5-3激光全息干涉测试技术3.2全息干涉测试技术④计算全息干涉技术含义：全息图是拥有黑度连续变化的照片。假如不用实质物体来形成黑度变化，而是用数字计算机来实现这些连续的黑度变化，就有可能利用计算机人为地制造一个想象中的物体。所谓的计算全息就是利用计算机产生全息图。优势：计算全息技术为精美测试供应了一个制作标准的崭新门路。比如，非球面的检测、各种复杂三维形状的检测等，能够人为地制作一个标准的非球面波面来检验工件，为大型精美加工、汽车、航空航天、造船等工业的轮廓检验供应了生手段。同时，计算全息技术也为光学滤波、信息储存等光学信息办理供应了新门路。65§5-3激光全息干涉测试技术3.3全息干涉测试技术应用全息技术是一门正在蓬勃发展的光学分支，其应用浸透到各个领域，已成为近代科学研究、工业生产、经济生活中十分有效的测试手段，宽泛应用于位移测量、应变测量、缺点检测、瞬态测试等方面，在某些领域里的应用拥有很大优势。缺点检测试件物光束1全息底片H1全息底片H2物光束2参考光束1参考光束2图4-27全息干涉法检测复合材料两表面缺陷光路图66§5-4激光外差干涉测试技术4/20/202367§5-4激光外差干涉测试技术前言：单频激光干涉仪的光强信号及光电变换器件输出的电信号都是直流量，直流漂移是影响测量正确度的重要原因，信号办理及细分都比较困难。为了提高光学干涉测量的正确度，七十年代起有人将电通信的外差技术移植到光干涉测量领域，发展了一种新式的光外差干涉技术。看法：光外差干涉是指两只相关光束的光波频率产生一个小的频率差，惹起干涉场中干涉条纹的不断扫描，经光电探测器将干涉场中的光信号变换为电信号，由电路和计算机检出干涉场的相位差。特点：战胜单频干涉仪的漂移问题；细分变得简单；提高了抗搅乱性能。68§5-4激光外差干涉测试技术4.1激光外差干涉测试技术原理①外差干涉技术原理设测试光路和参照光路的光波频率分别为ω和ω+Δω，则干涉场的瞬光阴强为干涉场中某点（x，y）处光强以低频Δω随时间呈余弦变化69§5-4激光外差干涉测试技术4.1激光外差干涉测试技术原理①外差干涉技术原理在干涉场中，放入两个探测器，一个放在基准点(x0,y0)处，称之为基准探测器，其输出基准信号i(x0,y0,t)，另一个放在干涉场某探测点(xi,yi)处，称之为扫描探测器，输出信号为i(xi,yi,t)。将两信号对比，测出信号的过零时间差Δt，即可知道二者的光学位相差由控制系统控制扫描探测器对整个干涉场扫描，即可以测出干涉场各点的位相差。70扫描探测器（xi,yi）基准探测器（x0,y0）（a）Δt1/Δνti(x,y,t)（b）图4-32外差干涉图样和电信号71§5-4激光外差干涉测试技术4.1激光外差干涉测试技术原理②激光外差干涉仪的光源外差干涉需要双频光源。其频差依据需要选定。1）塞曼效应He-Ne激光器——可获取1~2MHz的频差2）双纵模He-Ne激光器——频差约600MHz（较大）3）光学机械移频当干涉仪中的参考镜以匀速v

沿光轴方向移动时，则垂直入射的反射光将产生的频移为。如果圆偏振光通过一个旋转中的半波片，则透射光将产生两倍于半波片旋转频率f的频移，即。72§4-4激光外差干涉测试技术4.1激光外差干涉测试技术原理②激光外差干涉仪的光源3）光学机械移频在参考光路中放入一个固定的1/4波片和一旋转的1/4波片，如果固定1/4波片的主方向定位合适，它可以把入射的线偏振光转变为圆偏振光。该圆偏振光两次穿过旋转的1/4波片，使其产生2f的频移。圆偏振光再次穿过固定1/4波片后又恢复为线偏振光，但频率已发生偏移。垂直于入射光束方向移动（匀速）光栅的方法也可以使通过光栅的第n级衍射光产生的频移，此处f是光栅的空间频率，V是光栅移动速度。4）声光调制器利用布拉格盒（BraggCell）声光调制器能够起到与挪动光栅相同的移频成效。这时超声波的流传就相当于挪动光栅，其一级衍射光的频移量就等于布拉格盒的驱动频率f，而与光的波长没关。73§4-4激光外差干涉测试技术4.2激光外差干涉测试技术应用①激光外差干涉测长数据处理双频激光器1/4波片准直系统可动角隅棱镜检偏器v探测器前置放大器f2f1f1±Δff2f1f2f1±Δf图4-33双频激光器外差干涉测长原理图偏振分光镜f2－f1f2－（f1±Δf）74§4-4激光外差干涉测试技术4.2激光外差干涉测试技术应用②激光外差干涉测量微振动f0f0＋fs12341/2波片510671/4波片9振动体图4-34双频激光测量振动光路示意图8f0±fD

频率fs信号由声光调制器的信号源直接输入混频器与拍频信号混频，把多普勒频移fD解调出来。75§5-4激光外差干涉测试技术4.2激光外差干涉测试技术应用③激光外差干涉在精美定位中的应用图4-35平面镜干涉系统光路图图4-36平面镜干涉系统倾斜光路图该干涉仪系统有以下两个特点：(1)仪器分辨力因为多普勒频差增加一倍而增加一倍；

(2)平面反射镜相对于光轴的任何偏斜只会使反射回的光束偏移，而不会偏斜。76§5-5激光移相关涉测试技术4/20/202377§5-5激光移相关涉测试技术5.1激光移相关涉测试技术原理参照波前为被测波面的波前为被测镜参考镜激光移相干涉光路原理图压电晶体w(x,y)是被测波面(位相)。干涉条纹的光强分布为78§4-5激光移相关涉测试技术5.1激光移相关涉测试技术原理对被测波面上所有的点，I(x,y,li)是li的余弦函数，所以能够写出它的傅立叶级数形式将I(x,y,li)按三角函数展开有可得式中存在a、b、w(x,y)三个未知量，要从方程中解出w(x,y)，最少需要移相三次，采集三幅干涉图。79§4-5激光移相关涉测试技术5.1激光移相关涉测试技术原理对每一点(x,y)的傅立叶级数的系数，还可以够用三角函数的正交性求得便于实质的抽样检测，用和式取代积分n为参照镜振动一个周期中的抽样点数。80§4-5激光移相关涉测试技术5.1激光移相关涉测试技术原理于是，可得特别地，取四步移相，即n=4，使得81§4-5激光移相关涉测试技术5.1激光移相关涉测试技术原理为了提高测量的可靠性，除去大气湍流、振动及漂移的影响，可以测量傅氏级数的系数在p个周期中的累加数据，用右式来求从最小二乘法意义上看，上式所表达的傅里叶系数是波面轮廓的最好拟合。得在被测表而上任意点(x,y)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个测定值拟合计算获取的。82§4-5激光移相关涉测试技术5.2激光移相关涉测试技术的特点1）激光移相关涉测试技术原理上采用上述最小二乘法拟合来确定被测波面，所以能够除去随机的大气湍流、振动及漂移的影响，这是这种测试技术的一大优点。2）是能够除去干涉仪调整过程中及部署被测件的过程中产生的位移、倾斜及离焦偏差（数字化办理）。3）是能够大大降低对干涉仪自己的正确度要求。波面位相信息是经过计算机自动计算、存贮和显示的。这就在实质上有可能先把干涉仪系统自己的波面偏差存贮起来，此后在检测被测波面时在后续的波面数据中自动减去，使干涉仪制造时元件所需的加工精度能够放宽。当要求总的测量不确定度达到1/100波长时，干涉仪系统自己的波面偏差小于一个波长即可以了。83§4-5激光移相关涉测试技术5.3激光移相关涉测试技术应用例面阵探测器可变衰减器偏振分光镜检偏器激光器压电晶体1/2波片1/4波片被测表面齐明镜组1/4波片图4-39激光移相干涉系统光路图性能：测量点数：1024点测量平面最大直径为125mm；测量不确定度达1/100波长。84§4-5激光移相关涉测试技术5.3激光移相关涉测试技术应用例激光器偏振片CCD渥拉斯顿棱镜1/4波片被测面图4-40采用移相干涉技术的微分干涉仪Δx85§4-7纳米技术中的干涉测试技术4/20/202386§4-7纳米技术中的干涉测试技术前言：1986年G.Binnig和H.Rohrer发了然扫描地道显微镜(STM)，人类第一次观察到了物质表面的单原子摆列状态。此后，接踵出现了一系列新式的扫描探针显微镜：原子力显微镜（AFM）、激光力显微镜（LFM）、磁力显微镜(MFM)、弹道电子发射显微镜（BEEM）、扫描离子电导显微镜（SICM）、扫描热显微镜（STP）、光子扫描地道显微镜（PSTM）、扫描近场光学显微镜（SNOM）等，远远高出了光学方法已经获得的成就。现代扫描显微镜技术汲取了光学技术的精髓，光子扫描地道显微镜利用了光纤探针和全反射时的瞬衰场，横向分别率达到1/10波长，垂直分辨率也在纳米数目级；扫描近场光学显微镜则使用小孔光天线，分辨率打破了瑞利限制，已经达到了1/10波长数目级。87§4-7纳米技术中的干涉测试技术前言：除了PSTM、SNOM直接使用光学原理工作外，其余扫描显微镜常常用光学方法作为位移传感器，干涉方法是主要的手段。这种干涉仪不同于一般的位移干涉仪，它的量程很小，远远不到半个波长，但是分辨率要求