2020年深圳大學光學工程研究生考試-專業(yè)碩士復試考點總結(光學測量技術與應用)調劑考生可下載復習

Chapter2

光干涉技術2.1光干涉的基礎知識2.1.1光的干涉條件相干必要條件⑴.頻率相同。⑵.振動方向相同。⑶.相位差恒定。相干充分條件時間相干性空間相干性11/27/20241《光電檢測技術》§2.1.2干涉條紋的形狀

(a).等光程差面(b).不同位置的條紋形狀11/27/20242《光電檢測技術》§2.1.3干涉條紋的對比度一、條紋對比度的定義

11/27/20243《光電檢測技術》雙光束干涉的強度分布可表示為：由此可得條紋的對比度為：所以：11/27/20244《光電檢測技術》二、影響條紋對比度的因素1.兩相干光束振幅比的影響2.光源大小的影響和空間相干性

⑴.條紋對比度隨光源大小的變化

⑵.空間相干性11/27/20245《光電檢測技術》3.光源單色性的影響和時間相干性⑴.光源單色性的影響⑵.時間相干性

11/27/20246《光電檢測技術》2.1.4產生干涉的途徑從原理上講可以把這些方法分為三類：1.分波陣面(對光源的大小有限制）2.分振幅（對光源的大小沒有限制）3.分偏振方向（對光源的大小沒有限制）11/27/20247《光電檢測技術》(a).楊氏雙縫,(b).菲涅耳雙面鏡,(c).洛埃鏡,(d)平行平板,(e).菲涅耳雙面鏡,(f).比累對切透鏡,(g).邁克爾孫干涉儀,(h).偏振干涉儀11/27/20248《光電檢測技術》§2.2干涉光學測量技術§2.2.1概述光學干涉測量主要是指使用光的干涉方法來測量光學系統(tǒng)或光學零件的成像質量或像差。1.光學系統(tǒng)像差的概念理想光學系統(tǒng)或理想光組實際光學系統(tǒng)只有在近軸區(qū)內，才具有理想光組成完善像的性質。在所有的光學零件中，平面反射鏡是唯一能成完善像的光學零件。11/27/20249《光電檢測技術》2.理想光學系統(tǒng)的成像與分辨率瑞利判據(jù)常見光學系統(tǒng)的理論分辨率為：人眼的分辨本領望遠鏡的分辨率顯微鏡的分辨率

3.實際光學系統(tǒng)的成像情況11/27/202410《光電檢測技術》4.光學系統(tǒng)像差的測量與評估方法（三種）使用像差評價技術，進行光線追跡；采用分辨率板來測試光學系統(tǒng)的性能指標。使用性能測試來評價他們制造好的系統(tǒng)，更多是需要在光學系統(tǒng)的加工過程中來測量光學系統(tǒng)或零件，這樣的測試不僅需要知道光學系統(tǒng)的像差，還需要如何來修正這些像差。11/27/202411《光電檢測技術》§2.2.1泰曼－格林干涉儀11/27/202412《光電檢測技術》§2.2.2移相干涉測量11/27/202413《光電檢測技術》§2.2.3共路干涉儀測試共路干涉儀：干涉儀中參考光束與測量光束經過同一光路。優(yōu)點：1、對外界振動和溫度、氣流等環(huán)境因素的變化能產生彼此共模抑制；2、不需要尺寸等于被測表面的參考表面的優(yōu)點，在某些共路干涉儀中，甚至不需要專門的參考表面。11/27/202414《光電檢測技術》一、斐索共路干涉儀

工作原理（共路合非共路）；反射參考面的設計；物鏡和參考鏡的設計；準直系統(tǒng)的設計

11/27/202415《光電檢測技術》球面斐索干涉儀（凹面、凸面、曲率半徑的測量）11/27/202416《光電檢測技術》激光數(shù)字波面干涉儀測量凹球面11/27/202417《光電檢測技術》激光數(shù)字波面干涉儀測量其它光學零件

11/27/202418《光電檢測技術》二、散射板分束器及散射板干涉儀1.散射板分束器tt光和ss

光ts和st

光11/27/202419《光電檢測技術》2.散射板干涉儀1.光源；2.聚光鏡；3.針孔；4.散射板；5.被測凹面；6.投影物鏡；7.成像物鏡；8.觀察屏11/27/202420《光電檢測技術》三、剪切干涉儀剪切干涉儀是另一類共路干涉儀，也稱波面錯位干涉。通過一定的裝置將一個具有空間相干性的波面分裂成兩個完全相同或相似的波面，并且使這兩波面彼此產全一定量的相對錯位，在錯位后的兩波面重疊區(qū)形成一組干涉條紋。根據(jù)錯位干涉條紋的形狀，并通過一定的分析就可獲得原始波面所包含的信息。11/27/202421《光電檢測技術》橫向剪切干涉儀圖橫向剪切波面及其干涉圖11/27/202422《光電檢測技術》1.平板剪切干涉儀11/27/202423《光電檢測技術》2.薩瓦偏振分束器及薩瓦干涉儀晶片在兩光線間產生的橫向位移量相等，并且在互相垂直的方向上。厚度為2t的薩瓦偏振分束器在出射光線EO和OE間產生的總位移量為：11/27/202424《光電檢測技術》檢驗光學系統(tǒng)的薩瓦干涉儀

11/27/202425《光電檢測技術》3.渥拉斯頓棱鏡及其在干涉測試中的應用兩光線的橫向位移量隨入射光線在渥拉斯頓棱鏡上的高度不同而不同，其分束角可由下式給出：11/27/202426《光電檢測技術》x處出射的OE光和EO光間的光程差可由下式給出：條紋間隔為：11/27/202427《光電檢測技術》檢驗凹面鏡用的光程補償干涉儀11/27/202428《光電檢測技術》五、點衍射板分束器和點衍射干涉儀經針孔衍射的波前形成參考波前，它們的復振幅可用下式表示：干涉條紋的強度為：11/27/202429《光電檢測技術》點衍射分束器11/27/202430《光電檢測技術》§2.3激光干涉儀的構成§2.3.1傳統(tǒng)邁克爾遜干涉儀機器不足11/27/202431《光電檢測技術》§2.3.2實用激光干涉主要構件的作用原理激光干涉測量長度中，激光的波長是一種標準值，測量的精度很大程度上決定于波長的精確程度，這就要求激光器在實現(xiàn)單頻輸出的同時，還要求激光頻率變動盡可能小，要使頻率保持某一特定值不變是不可能的，但可采用一定的措施，使輸出頻率穩(wěn)定到一定程度。一、穩(wěn)頻激光器

11/27/202432《光電檢測技術》1.激光器頻率變化的原因為表示頻率變化的程度，引入以下兩個物理量：⑴.頻率穩(wěn)定度：指頻率穩(wěn)定的程度，以表示

⑵.頻率再現(xiàn)性：同一激光器在不同時間、不同地點、不同條件下頻率的重復性，以R表示：一臺普通的單橫模、單縱模激光器的頻率是隨時間變化的，激光的縱模頻率為：11/27/202433《光電檢測技術》造成腔長和介質折射率變化的主要原因有以下三點：溫度：任何材料的物體的線性尺寸都隨溫度而變化，同時，溫度變化也會引起介質折射率的變化。振動：振動會引起激光管變形，使腔長發(fā)生變化。大氣的影響：外腔式He-Ne激光管，諧振腔的一部分暴露在大氣之中，大氣的氣壓和溫度的改變影響折射率，使諧振頻率發(fā)生變化。11/27/202434《光電檢測技術》2.激光器的穩(wěn)頻方法⑴.被動穩(wěn)頻在激光器工作時間內，設法使其腔長保持不變，一般采用的措施有以下三個：控制溫度：如,一般。腔體材料互補：采用正、負線膨脹系數(shù)的材料組合，達到腔長穩(wěn)定的效果，一般防震：一般采用防震平臺。11/27/202435《光電檢測技術》⑵.主動穩(wěn)頻：蘭姆（Lamb）下陷穩(wěn)頻法

1.He-Ne激光管;2.反射鏡,3.壓電陶瓷,4.殷鋼架,5.光電接收器6.選頻放大；7.相敏檢波；8.直流放大；9.振蕩器

Lamb下陷穩(wěn)頻裝置示意圖

Lamb凹陷穩(wěn)頻原理圖11/27/202436《光電檢測技術》3.常用穩(wěn)頻激光器常見干涉光源的光譜特性與相干長度11/27/202437《光電檢測技術》二、準直系統(tǒng)

出射后光線的發(fā)散角近似為：式中：是望遠鏡主鏡L2和副鏡L1的焦距比，通常稱為倒置望遠鏡系統(tǒng)的壓縮比。高斯光束準直11/27/202438《光電檢測技術》三、光線反射器1.角錐棱鏡容易證明角錐棱鏡具有如下特性：⑴. 入射光與出射光始終平行。⑵. 點對稱。⑶. 光程恒定。11/27/202439《光電檢測技術》角錐棱鏡三面直角鏡11/27/202440《光電檢測技術》⑴.角錐棱鏡初始安裝時應盡可能保證光束垂直入射棱鏡斜面，因為當i=0時，測量中不產生附加光程差。⑵.角錐棱鏡的尺寸越大(h越大），測量中產生的附加光程差也越大。

⑶.若使用空心角錐棱鏡或三面直角反射鏡，因為n=1，在測量過程中將不產生附加光程差。11/27/202441《光電檢測技術》2.貓眼測量鏡三種形式的貓眼系統(tǒng)11/27/202442《光電檢測技術》3.對擺動和橫移都不敏感的測量鏡特倫逆向反射系統(tǒng)11/27/202443《光電檢測技術》四、干涉條紋計數(shù)及判向原理判向計數(shù)原理11/27/202444《光電檢測技術》判向計數(shù)電路波形11/27/202445《光電檢測技術》五、大氣修正

1.大氣條件的影響測長公式可改寫為：式中：為激光的真空波長,為標準大氣條件下的空氣折射率。

11/27/202446《光電檢測技術》2.大氣條件修正目前主要采用兩種方法來修正激光的波長。⑴.Edlen經驗公式空氣折射率與氣壓、氣溫、濕度以及大氣成份有關。Edlen于1965年給出了適用于氣壓100～800mmHg，氣溫5～30℃范圍的計算空氣折射率的一組經驗公式，即：11/27/202447《光電檢測技術》⑵.空氣折射率的實時測量空氣折射率的干涉測量光路11/27/202448《光電檢測技術》六、分光器

激光干涉儀常需要分光器件將一束光分成兩束或多束光，常用的分光器件有：1.平板分光器干擾雙光束的生成分光平板具有最小厚度時的情況雙平板分光器11/27/202449《光電檢測技術》非偏振分光鏡2.非偏振分光棱鏡11/27/202450《光電檢測技術》3.偏振分光器

渥拉斯頓棱鏡洛匈棱鏡格蘭－傅科棱鏡幾種類型的偏光分光鏡11/27/202451《光電檢測技術》七、干涉條紋的移相1.機械法移相(a)光電管間距為1/4條紋寬度(b)用光闌使兩組條紋位相差為

11/27/202452《光電檢測技術》2.移相板移相⑴.翼形板移相翼形板圖使用翼形板的干涉光路11/27/202453《光電檢測技術》(2)介質膜移相板移相

介質膜移相板11/27/202454《光電檢測技術》(3)分光器鍍膜分幅移相分光器分幅移相11/27/202455《光電檢測技術》(3)偏振移相

偏振移相光路11/27/202456《光電檢測技術》八、激光干涉中的零光程差布局

零光程差的結構布局11/27/202457《光電檢測技術》九、實用激光干涉儀的實際構成激光干涉測長系統(tǒng)的構成11/27/202458《光電檢測技術》十、激光干涉常見的光路⑴.使用角錐棱鏡反射器

11/27/202459《光電檢測技術》11/27/202460《光電檢測技術》⑵.整體式布局

整體式結構的二倍頻干涉光路

11/27/202461《光電檢測技術》十一、提高激光干涉儀分辨率的途徑1.電路倍頻2.光路倍頻光學倍頻布局11/27/202462《光電檢測技術》3.X射線干涉儀X射線干涉光路圖11/27/202463《光電檢測技術》X射線干涉長度測量的基本原理X射線干涉儀與平面干涉儀相結合測量方案11/27/202464《光電檢測技術》十二、影響激光干涉儀測量精度的主要因素1.調整誤差阿貝誤差和余弦誤差的大小分別為：11/27/202465《光電檢測技術》2.測量環(huán)境偏離標準狀態(tài)帶來的誤差3.激光干涉系統(tǒng)自身存在的各種誤差激光干涉系統(tǒng)自身的誤差因素較多，主要包括：⑴.激光器頻率不準確和不穩(wěn)定帶來的誤差⑵.角錐棱鏡角度制造偏差帶來的余弦誤差⑶.干涉測量系統(tǒng)中電子系統(tǒng)帶來的誤差主要包括脈沖當量誤差，相位測量誤差等。11/27/202466《光電檢測技術》⑷.其它因素帶來的非線性誤差激光器發(fā)出的不是兩個完全的線偏振光，而是橢圓偏振光；兩個偏振光并不完全正交；激光的偏振方向與偏光分光器存在旋轉角度偏差；檢偏器與入射激光同樣存在角度偏差；偏光分光器的偏振度不能達到100%等。由此造成的周期性非線性誤差，一般在幾個鈉米，有些情況會超過10nm。

11/27/202467《光電檢測技術》§2.4白光干涉儀1-水銀燈2-聚光燈3-光闌4-準直物鏡5-反射鏡6-標準具7-分光板和補償板8、9、13-反射鏡10-線紋尺11-顯微鏡12-物鏡14-目鏡組

11/27/202468《光電檢測技術》激光干涉測長裝置的光路原理圖激光量塊干涉儀光學系統(tǒng)11/27/202469《光電檢測技術》白光干涉測量表面形貌的系統(tǒng)構成11/27/202470《光電檢測技術》§2.5外差式激光干涉儀§2.5.1概述1.直流干涉儀的不足2.產生激光外差干涉的途徑⑴.雙頻激光器⑵.聲光調制器、電光調制與磁光調制11/27/202471《光電檢測技術》§2.5.2雙頻激光干涉儀雙頻激光干涉光路圖11/27/202472《光電檢測技術》使用平面反射鏡的雙頻激光干涉儀11/27/202473《光電檢測技術》§2.5.3其它外差式激光干涉儀1.激光測振儀激光外差測振原理圖11/27/202474《光電檢測技術》聲光光線偏轉器的工作原理11/27/202475《光電檢測技術》激光掃描測振儀的光路圖11/27/202476《光電檢測技術》2.激光外差表面微觀輪廓儀光學探針測量表面形貌的原理圖11/27/202477《光電檢測技術》雙波長外差干涉儀11/27/202478《光電檢測技術》§2.6絕對長度干涉計量§2.6.1柯氏絕對光波干涉儀

11/27/202479《光電檢測技術》舉例計算如下：測得小數(shù)部分為：預測塊規(guī)長為已知首先用求得近似級數(shù)因此對于其可能級數(shù)為31054.8、31053.8、31052.8、……由此級數(shù)求出可能長度，轉而在求對于的可能級數(shù)，列表如下：11/27/202480《光電檢測技術》從表中可以看出，僅在時，計算的小數(shù)部分才和測得的小數(shù)部分重合。因此塊規(guī)的真實長度應為：11/27/202481《光電檢測技術》§2.6.2激光無導軌測量雙波長激光干涉儀合成波的波形圖11/27/202482《光電檢測技術》紅外拍波干涉儀原理圖11/27/202483《光電檢測技術》§2.6.3激光跟蹤測量單路激光跟蹤干涉測量光路11/27/202484《光電檢測技術》§2.7激光多自由度同時測量§2.7.1概述機床工作臺的多維幾何誤差11/27/202485《光電檢測技術》一、激光準直測量原理

1.振幅（光強）測量法2.7.2直線度測量11/27/202486《光電檢測技術》2.干涉測量法1－激光器

2－1/4波片

3－半反半透鏡

4－偏振分光器

5－雙面反射鏡

6－全反射鏡

7－檢偏器

8－光電接收器

9－計算機雙頻激光干涉儀測量直線度原理圖

11/27/202487《光電檢測技術》二、影響激光準直測量的因素和提高精度的途徑1.激光器本身引起光束漂移1半導體激光光纖組件,2光纖固定器,3準直透鏡,4四象限光電接收器,5信號處理器,6測量頭,7角錐棱鏡,8活動頭,9.被測工件表面

基于單模光纖半導體激光組件測量直線度的原理圖

11/27/202488《光電檢測技術》2.機械結構上的不穩(wěn)定性機械位