2020年深圳大学光学工程研究生考试-专业硕士复试考点总结(光学测量技术与应用)调剂考生可下载复习

Chapter2

光干涉技术2.1光干涉的基础知识2.1.1光的干涉条件相干必要条件⑴.频率相同。⑵.振动方向相同。⑶.相位差恒定。相干充分条件时间相干性空间相干性11/27/20241《光电检测技术》§2.1.2干涉条纹的形状

(a).等光程差面(b).不同位置的条纹形状11/27/20242《光电检测技术》§2.1.3干涉条纹的对比度一、条纹对比度的定义

11/27/20243《光电检测技术》双光束干涉的强度分布可表示为：由此可得条纹的对比度为：所以：11/27/20244《光电检测技术》二、影响条纹对比度的因素1.两相干光束振幅比的影响2.光源大小的影响和空间相干性

⑴.条纹对比度随光源大小的变化

⑵.空间相干性11/27/20245《光电检测技术》3.光源单色性的影响和时间相干性⑴.光源单色性的影响⑵.时间相干性

11/27/20246《光电检测技术》2.1.4产生干涉的途径从原理上讲可以把这些方法分为三类：1.分波阵面(对光源的大小有限制）2.分振幅（对光源的大小没有限制）3.分偏振方向（对光源的大小没有限制）11/27/20247《光电检测技术》(a).杨氏双缝,(b).菲涅耳双面镜,(c).洛埃镜,(d)平行平板,(e).菲涅耳双面镜,(f).比累对切透镜,(g).迈克尔孙干涉仪,(h).偏振干涉仪11/27/20248《光电检测技术》§2.2干涉光学测量技术§2.2.1概述光学干涉测量主要是指使用光的干涉方法来测量光学系统或光学零件的成像质量或像差。1.光学系统像差的概念理想光学系统或理想光组实际光学系统只有在近轴区内，才具有理想光组成完善像的性质。在所有的光学零件中，平面反射镜是唯一能成完善像的光学零件。11/27/20249《光电检测技术》2.理想光学系统的成像与分辨率瑞利判据常见光学系统的理论分辨率为：人眼的分辨本领望远镜的分辨率显微镜的分辨率

3.实际光学系统的成像情况11/27/202410《光电检测技术》4.光学系统像差的测量与评估方法（三种）使用像差评价技术，进行光线追迹；采用分辨率板来测试光学系统的性能指标。使用性能测试来评价他们制造好的系统，更多是需要在光学系统的加工过程中来测量光学系统或零件，这样的测试不仅需要知道光学系统的像差，还需要如何来修正这些像差。11/27/202411《光电检测技术》§2.2.1泰曼－格林干涉仪11/27/202412《光电检测技术》§2.2.2移相干涉测量11/27/202413《光电检测技术》§2.2.3共路干涉仪测试共路干涉仪：干涉仪中参考光束与测量光束经过同一光路。优点：1、对外界振动和温度、气流等环境因素的变化能产生彼此共模抑制；2、不需要尺寸等于被测表面的参考表面的优点，在某些共路干涉仪中，甚至不需要专门的参考表面。11/27/202414《光电检测技术》一、斐索共路干涉仪

工作原理（共路合非共路）；反射参考面的设计；物镜和参考镜的设计；准直系统的设计

11/27/202415《光电检测技术》球面斐索干涉仪（凹面、凸面、曲率半径的测量）11/27/202416《光电检测技术》激光数字波面干涉仪测量凹球面11/27/202417《光电检测技术》激光数字波面干涉仪测量其它光学零件

11/27/202418《光电检测技术》二、散射板分束器及散射板干涉仪1.散射板分束器tt光和ss

光ts和st

光11/27/202419《光电检测技术》2.散射板干涉仪1.光源；2.聚光镜；3.针孔；4.散射板；5.被测凹面；6.投影物镜；7.成像物镜；8.观察屏11/27/202420《光电检测技术》三、剪切干涉仪剪切干涉仪是另一类共路干涉仪，也称波面错位干涉。通过一定的装置将一个具有空间相干性的波面分裂成两个完全相同或相似的波面，并且使这两波面彼此产全一定量的相对错位，在错位后的两波面重叠区形成一组干涉条纹。根据错位干涉条纹的形状，并通过一定的分析就可获得原始波面所包含的信息。11/27/202421《光电检测技术》横向剪切干涉仪图横向剪切波面及其干涉图11/27/202422《光电检测技术》1.平板剪切干涉仪11/27/202423《光电检测技术》2.萨瓦偏振分束器及萨瓦干涉仪晶片在两光线间产生的横向位移量相等，并且在互相垂直的方向上。厚度为2t的萨瓦偏振分束器在出射光线EO和OE间产生的总位移量为：11/27/202424《光电检测技术》检验光学系统的萨瓦干涉仪

11/27/202425《光电检测技术》3.渥拉斯顿棱镜及其在干涉测试中的应用两光线的横向位移量随入射光线在渥拉斯顿棱镜上的高度不同而不同，其分束角可由下式给出：11/27/202426《光电检测技术》x处出射的OE光和EO光间的光程差可由下式给出：条纹间隔为：11/27/202427《光电检测技术》检验凹面镜用的光程补偿干涉仪11/27/202428《光电检测技术》五、点衍射板分束器和点衍射干涉仪经针孔衍射的波前形成参考波前，它们的复振幅可用下式表示：干涉条纹的强度为：11/27/202429《光电检测技术》点衍射分束器11/27/202430《光电检测技术》§2.3激光干涉仪的构成§2.3.1传统迈克尔逊干涉仪机器不足11/27/202431《光电检测技术》§2.3.2实用激光干涉主要构件的作用原理激光干涉测量长度中，激光的波长是一种标准值，测量的精度很大程度上决定于波长的精确程度，这就要求激光器在实现单频输出的同时，还要求激光频率变动尽可能小，要使频率保持某一特定值不变是不可能的，但可采用一定的措施，使输出频率稳定到一定程度。一、稳频激光器

11/27/202432《光电检测技术》1.激光器频率变化的原因为表示频率变化的程度，引入以下两个物理量：⑴.频率稳定度：指频率稳定的程度，以表示

⑵.频率再现性：同一激光器在不同时间、不同地点、不同条件下频率的重复性，以R表示：一台普通的单横模、单纵模激光器的频率是随时间变化的，激光的纵模频率为：11/27/202433《光电检测技术》造成腔长和介质折射率变化的主要原因有以下三点：温度：任何材料的物体的线性尺寸都随温度而变化，同时，温度变化也会引起介质折射率的变化。振动：振动会引起激光管变形，使腔长发生变化。大气的影响：外腔式He-Ne激光管，谐振腔的一部分暴露在大气之中，大气的气压和温度的改变影响折射率，使谐振频率发生变化。11/27/202434《光电检测技术》2.激光器的稳频方法⑴.被动稳频在激光器工作时间内，设法使其腔长保持不变，一般采用的措施有以下三个：控制温度：如,一般。腔体材料互补：采用正、负线膨胀系数的材料组合，达到腔长稳定的效果，一般防震：一般采用防震平台。11/27/202435《光电检测技术》⑵.主动稳频：兰姆（Lamb）下陷稳频法

1.He-Ne激光管;2.反射镜,3.压电陶瓷,4.殷钢架,5.光电接收器6.选频放大；7.相敏检波；8.直流放大；9.振荡器

Lamb下陷稳频装置示意图

Lamb凹陷稳频原理图11/27/202436《光电检测技术》3.常用稳频激光器常见干涉光源的光谱特性与相干长度11/27/202437《光电检测技术》二、准直系统

出射后光线的发散角近似为：式中：是望远镜主镜L2和副镜L1的焦距比，通常称为倒置望远镜系统的压缩比。高斯光束准直11/27/202438《光电检测技术》三、光线反射器1.角锥棱镜容易证明角锥棱镜具有如下特性：⑴. 入射光与出射光始终平行。⑵. 点对称。⑶. 光程恒定。11/27/202439《光电检测技术》角锥棱镜三面直角镜11/27/202440《光电检测技术》⑴.角锥棱镜初始安装时应尽可能保证光束垂直入射棱镜斜面，因为当i=0时，测量中不产生附加光程差。⑵.角锥棱镜的尺寸越大(h越大），测量中产生的附加光程差也越大。

⑶.若使用空心角锥棱镜或三面直角反射镜，因为n=1，在测量过程中将不产生附加光程差。11/27/202441《光电检测技术》2.猫眼测量镜三种形式的猫眼系统11/27/202442《光电检测技术》3.对摆动和横移都不敏感的测量镜特伦逆向反射系统11/27/202443《光电检测技术》四、干涉条纹计数及判向原理判向计数原理11/27/202444《光电检测技术》判向计数电路波形11/27/202445《光电检测技术》五、大气修正

1.大气条件的影响测长公式可改写为：式中：为激光的真空波长,为标准大气条件下的空气折射率。

11/27/202446《光电检测技术》2.大气条件修正目前主要采用两种方法来修正激光的波长。⑴.Edlen经验公式空气折射率与气压、气温、湿度以及大气成份有关。Edlen于1965年给出了适用于气压100～800mmHg，气温5～30℃范围的计算空气折射率的一组经验公式，即：11/27/202447《光电检测技术》⑵.空气折射率的实时测量空气折射率的干涉测量光路11/27/202448《光电检测技术》六、分光器

激光干涉仪常需要分光器件将一束光分成两束或多束光，常用的分光器件有：1.平板分光器干扰双光束的生成分光平板具有最小厚度时的情况双平板分光器11/27/202449《光电检测技术》非偏振分光镜2.非偏振分光棱镜11/27/202450《光电检测技术》3.偏振分光器

渥拉斯顿棱镜洛匈棱镜格兰－傅科棱镜几种类型的偏光分光镜11/27/202451《光电检测技术》七、干涉条纹的移相1.机械法移相(a)光电管间距为1/4条纹宽度(b)用光阑使两组条纹位相差为

11/27/202452《光电检测技术》2.移相板移相⑴.翼形板移相翼形板图使用翼形板的干涉光路11/27/202453《光电检测技术》(2)介质膜移相板移相

介质膜移相板11/27/202454《光电检测技术》(3)分光器镀膜分幅移相分光器分幅移相11/27/202455《光电检测技术》(3)偏振移相

偏振移相光路11/27/202456《光电检测技术》八、激光干涉中的零光程差布局

零光程差的结构布局11/27/202457《光电检测技术》九、实用激光干涉仪的实际构成激光干涉测长系统的构成11/27/202458《光电检测技术》十、激光干涉常见的光路⑴.使用角锥棱镜反射器

11/27/202459《光电检测技术》11/27/202460《光电检测技术》⑵.整体式布局

整体式结构的二倍频干涉光路

11/27/202461《光电检测技术》十一、提高激光干涉仪分辨率的途径1.电路倍频2.光路倍频光学倍频布局11/27/202462《光电检测技术》3.X射线干涉仪X射线干涉光路图11/27/202463《光电检测技术》X射线干涉长度测量的基本原理X射线干涉仪与平面干涉仪相结合测量方案11/27/202464《光电检测技术》十二、影响激光干涉仪测量精度的主要因素1.调整误差阿贝误差和余弦误差的大小分别为：11/27/202465《光电检测技术》2.测量环境偏离标准状态带来的误差3.激光干涉系统自身存在的各种误差激光干涉系统自身的误差因素较多，主要包括：⑴.激光器频率不准确和不稳定带来的误差⑵.角锥棱镜角度制造偏差带来的余弦误差⑶.干涉测量系统中电子系统带来的误差主要包括脉冲当量误差，相位测量误差等。11/27/202466《光电检测技术》⑷.其它因素带来的非线性误差激光器发出的不是两个完全的线偏振光，而是椭圆偏振光；两个偏振光并不完全正交；激光的偏振方向与偏光分光器存在旋转角度偏差；检偏器与入射激光同样存在角度偏差；偏光分光器的偏振度不能达到100%等。由此造成的周期性非线性误差，一般在几个钠米，有些情况会超过10nm。

11/27/202467《光电检测技术》§2.4白光干涉仪1-水银灯2-聚光灯3-光阑4-准直物镜5-反射镜6-标准具7-分光板和补偿板8、9、13-反射镜10-线纹尺11-显微镜12-物镜14-目镜组

11/27/202468《光电检测技术》激光干涉测长装置的光路原理图激光量块干涉仪光学系统11/27/202469《光电检测技术》白光干涉测量表面形貌的系统构成11/27/202470《光电检测技术》§2.5外差式激光干涉仪§2.5.1概述1.直流干涉仪的不足2.产生激光外差干涉的途径⑴.双频激光器⑵.声光调制器、电光调制与磁光调制11/27/202471《光电检测技术》§2.5.2双频激光干涉仪双频激光干涉光路图11/27/202472《光电检测技术》使用平面反射镜的双频激光干涉仪11/27/202473《光电检测技术》§2.5.3其它外差式激光干涉仪1.激光测振仪激光外差测振原理图11/27/202474《光电检测技术》声光光线偏转器的工作原理11/27/202475《光电检测技术》激光扫描测振仪的光路图11/27/202476《光电检测技术》2.激光外差表面微观轮廓仪光学探针测量表面形貌的原理图11/27/202477《光电检测技术》双波长外差干涉仪11/27/202478《光电检测技术》§2.6绝对长度干涉计量§2.6.1柯氏绝对光波干涉仪

11/27/202479《光电检测技术》举例计算如下：测得小数部分为：预测块规长为已知首先用求得近似级数因此对于其可能级数为31054.8、31053.8、31052.8、……由此级数求出可能长度，转而在求对于的可能级数，列表如下：11/27/202480《光电检测技术》从表中可以看出，仅在时，计算的小数部分才和测得的小数部分重合。因此块规的真实长度应为：11/27/202481《光电检测技术》§2.6.2激光无导轨测量双波长激光干涉仪合成波的波形图11/27/202482《光电检测技术》红外拍波干涉仪原理图11/27/202483《光电检测技术》§2.6.3激光跟踪测量单路激光跟踪干涉测量光路11/27/202484《光电检测技术》§2.7激光多自由度同时测量§2.7.1概述机床工作台的多维几何误差11/27/202485《光电检测技术》一、激光准直测量原理

1.振幅（光强）测量法2.7.2直线度测量11/27/202486《光电检测技术》2.干涉测量法1－激光器

2－1/4波片

3－半反半透镜

4－偏振分光器

5－双面反射镜

6－全反射镜

7－检偏器

8－光电接收器

9－计算机双频激光干涉仪测量直线度原理图

11/27/202487《光电检测技术》二、影响激光准直测量的因素和提高精度的途径1.激光器本身引起光束漂移1半导体激光光纤组件,2光纤固定器,3准直透镜,4四象限光电接收器,5信号处理器,6测量头,7角锥棱镜,8活动头,9.被测工件表面

基于单模光纤半导体激光组件测量直线度的原理图

11/27/202488《光电检测技术》2.机械结构上的不稳定性机械位