激光干涉測(cè)量技術(shù)(上)

第二章激光干涉測(cè)量技術(shù)

干涉測(cè)量技術(shù)是以光波干涉原理為基礎(chǔ)進(jìn)行測(cè)量的一門技術(shù)優(yōu)點(diǎn)非接觸測(cè)量，具有很高的測(cè)量靈敏度和精度應(yīng)用范圍可用于位移、長(zhǎng)度、角度、面形、介質(zhì)折射率的變化、振動(dòng)等方面的測(cè)量常用干涉儀邁克爾遜干涉儀、馬赫-澤德干涉儀、斐索干涉儀、塞曼-格林干涉儀光波干涉條件關(guān)于穩(wěn)定干涉條紋的理解1.頻率相同2.初始相位差恒定3.振動(dòng)方向相同（非正交）4.光程差小于波列長(zhǎng)度(Δτ≤1/Δυ）所謂穩(wěn)定，是指肉眼或記錄儀器能觀察到或記錄到條紋分布，即在一定時(shí)間內(nèi)存在著相對(duì)穩(wěn)定的條紋分布。顯然，如果干涉項(xiàng)遠(yuǎn)小于兩光束光強(qiáng)中較小的一個(gè)，就不易觀察到干涉現(xiàn)象；如果兩束光的相位差隨時(shí)間變化，使光強(qiáng)度條紋圖像產(chǎn)生移動(dòng)，且當(dāng)條紋移動(dòng)的速度快到肉眼或記錄儀器分辨不出條紋圖樣時(shí)，就觀察不到干涉現(xiàn)象了。干涉數(shù)學(xué)表達(dá)式設(shè)兩路激光分別為則合成有光的相位與走過(guò)的光程有關(guān)：其中干涉光強(qiáng)光程差通過(guò)測(cè)量干涉條紋的變化量，可直接獲得l或n，還可直接獲得與l和n有關(guān)的各種被測(cè)信息§2.1激光干涉測(cè)量長(zhǎng)度和位移一、干涉測(cè)長(zhǎng)的基本原理

合成干涉光光強(qiáng)最亮合成干涉光光強(qiáng)最弱當(dāng)當(dāng)把目標(biāo)反射鏡與被測(cè)對(duì)象固聯(lián)，參考反射鏡固定不動(dòng)，當(dāng)目標(biāo)反射鏡隨被測(cè)對(duì)象移動(dòng)時(shí)，兩路光束的光程差發(fā)生變化，干涉條紋將發(fā)生明暗交替變化。若用光電探測(cè)器接收某一條紋，當(dāng)被測(cè)對(duì)象移動(dòng)一段距離時(shí)，該條紋明暗變化一次，光電探測(cè)器輸出信號(hào)將變化一個(gè)周期，記錄信號(hào)變化的周期數(shù)，便確定了被測(cè)長(zhǎng)度所以激光干涉測(cè)量一般是:1.相對(duì)測(cè)量2.增量式測(cè)量3.中間過(guò)程不可忽略，要監(jiān)視整個(gè)測(cè)量的過(guò)程以Michelson干涉儀為例:移動(dòng)距離開(kāi)始測(cè)量時(shí)，兩束光的光程差為測(cè)量結(jié)束時(shí)，兩束光的光程差為光程差變化量測(cè)量過(guò)程中干涉條紋變化次數(shù)——激光光波在空氣中的波長(zhǎng)二、干涉儀組成1.激光干涉儀光路系統(tǒng)2.干涉條紋計(jì)數(shù)和處理測(cè)量結(jié)果的電子系統(tǒng)3.機(jī)械系統(tǒng)（一）干涉儀光路系統(tǒng)主要包括：光源、分束器和反射器激光干涉儀常用光源He-Ne激光器激光的功率和頻率穩(wěn)定性高連續(xù)方式運(yùn)轉(zhuǎn)在可見(jiàn)光和紅外光區(qū)域有譜線2.激光干涉儀常用的分光方法（1）分波陣面法菲涅耳雙面鏡干涉裝置干涉儀的瞳和窗成像光學(xué)儀器中，入瞳大小決定了進(jìn)入儀器光能量的多少，而窗的概念則和視場(chǎng)相聯(lián)系。干涉儀中，將光源或光源的像稱為干涉儀的入瞳，觀測(cè)干涉圖樣的屏幕稱為出窗。干涉條紋的方向、形狀、寬度、對(duì)比度、照度和干涉區(qū)域的深度僅取決于像空間的出瞳和出窗之間的相對(duì)位置。L到P點(diǎn)的光程光程差比累對(duì)切透鏡干涉裝置瑞利干涉儀洛埃鏡干涉裝置邁克爾遜測(cè)星干涉裝置菲涅耳雙棱鏡干涉裝置梅斯林干涉裝置特點(diǎn)：存在條紋亮度和條紋對(duì)比度之間的矛盾，一般使用點(diǎn)光源，條紋非定域，實(shí)際使用較少。（2）分振幅法（3）分偏振法（PBS）平行平板分光器立方體分光器雙折射偏振分光偏振分光棱鏡優(yōu)點(diǎn)：可使用擴(kuò)展光源來(lái)獲得較高的條紋亮度，同時(shí)又可獲得較清晰的條紋。光柵衍射分光（4）衍射分光法-1級(jí)1級(jí)0級(jí)3.激光干涉儀常用的反射器平面反射器特點(diǎn)：對(duì)偏轉(zhuǎn)將產(chǎn)生附加的光程差直角棱鏡反射器貓眼反射器角錐棱鏡反射器特點(diǎn)：可消除偏轉(zhuǎn)將產(chǎn)生附加的光程差，抗偏擺和俯仰特點(diǎn)：只對(duì)一個(gè)方向的偏轉(zhuǎn)敏感特點(diǎn)：透鏡和反射鏡一起繞C點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，光程保持不變；容易加工，不影響偏振光的傳輸4.典型的光路布置布置原則:1)共路原則消除振動(dòng)、溫度、氣流等影響2)考慮測(cè)量精度、條紋對(duì)比度、穩(wěn)定性及實(shí)用性等因素3）避免光返回激光器（1）使用角錐棱鏡雙角錐棱鏡光路單角錐棱鏡光路兩半反半透鏡一體化光路雙光程光路（2）整體布局優(yōu)點(diǎn):抗干擾好、抗動(dòng)鏡多自由度變化能力、靈敏度高一倍缺點(diǎn)：不方便、吸收嚴(yán)重（3）光學(xué)倍頻缺點(diǎn)：調(diào)整困難，對(duì)光學(xué)元件性能要求高，界面多導(dǎo)致光能損失大，而且使光的偏振態(tài)發(fā)生不應(yīng)有的變化。1.移相器(二)干涉條紋計(jì)數(shù)與測(cè)量結(jié)果處理系統(tǒng)能夠判斷方向；為提高分辨率，需要對(duì)干涉條紋進(jìn)行細(xì)分。干涉條紋計(jì)數(shù)的要求：這樣需要相位相差90度的兩個(gè)電信號(hào)輸出，即一個(gè)按光程正弦變化，一個(gè)余弦變化常用移相器種類（1）機(jī)械法移相通過(guò)傾斜參考鏡形成等厚干涉條紋特點(diǎn)裝置簡(jiǎn)單,但條紋間距易變,使信號(hào)不完全正交，屬于分波陣面移相，容易受大氣擾動(dòng)引起波陣面畸變的影響。（2）階梯板和翼形板移相屬于分波陣面移相，容易受大氣擾動(dòng)引起波陣面畸變的影響（3）金屬膜移相原理：利用金屬膜表面反射和透射時(shí)都產(chǎn)生附加位相差的原理，在分光器的分光面上鍍上金屬膜做成金屬膜分幅移相器。兩反兩透均一透一反優(yōu)點(diǎn)：兩光束受振動(dòng)和大氣擾動(dòng)的影響相同，元件少，結(jié)構(gòu)緊湊。缺點(diǎn)：兩相干光束的光強(qiáng)不同，影響條紋對(duì)比度（4）分偏振法移相特點(diǎn):結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，不受大氣影響,可靠。2.干涉條紋的計(jì)數(shù)及判向原理當(dāng)1324定義為正向當(dāng)存在反向時(shí)1后邊出現(xiàn)的應(yīng)該是?所以只須判斷第二和第四信號(hào)的脈沖次序即可由于相差為90度,一個(gè)計(jì)數(shù)對(duì)應(yīng)的是0.25個(gè)波長(zhǎng)所以L=Kλ/8,分辨率提高4倍,稱為四倍頻計(jì)數(shù)如何提高分辨率(細(xì)分)?三、干涉條紋對(duì)比度定義:明暗變化的比值

1.明暗變化的強(qiáng)度越大,PD感測(cè)出的信號(hào)信噪比越好2.當(dāng)兩干涉光的光強(qiáng)相等時(shí),對(duì)比度越好影響干涉條紋對(duì)比度的因素:

光源的大小、光源的單色性、兩相干光波的振幅比、偏振態(tài)、背景光、各種環(huán)境因素如振動(dòng)、熱變形等四、激光干涉測(cè)長(zhǎng)的應(yīng)用1.激光比長(zhǎng)儀通過(guò)光波干涉比長(zhǎng)的方法來(lái)檢定基準(zhǔn)米尺2.激光跟蹤干涉儀Radian激光跟蹤儀主要參數(shù)

線性測(cè)量范圍（直徑）40米、100米、＞160米三種型號(hào)可選角度測(cè)量指標(biāo)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/米空間精度靜態(tài)：±5ppm；最佳精度5微米動(dòng)態(tài)：±10ppm（2Sigma）系統(tǒng)分辨力：0.1微米跟蹤速度：＞6米/秒最大加速度：＞2g3.Renishaw新型單頻激光干涉儀D1、D2、D3的信號(hào)分別為經(jīng)過(guò)差分放大后調(diào)節(jié)運(yùn)放消去直流分量，使交流幅值相等在儀器中查表可得到相位值QWPRetro-reflectorPBSPBSQWPHWPBSD1D2D3D4He-NeLaserQWPRetro-reflectorPBSMeasuredmirror偏振干涉儀光學(xué)細(xì)分和移相優(yōu)點(diǎn):

去掉直流分量和實(shí)現(xiàn)共模抑制；三個(gè)信號(hào)完全共路，有效地去掉了外界振動(dòng)等噪聲，保證了干涉儀低頻穩(wěn)定性4.激光小角度干涉儀原理:

利用激光干涉測(cè)位移和三角正弦原理角錐棱鏡2與反射鏡5的作用:

使測(cè)量光束按原路返回，不產(chǎn)生光點(diǎn)的移動(dòng)，保證干涉圖形相對(duì)接收元件的位置保持不變。角錐棱鏡在位置Ⅰ和位置Ⅱ的光程差為位移為則被測(cè)角度為改進(jìn):為消除偏心和軸系晃動(dòng)等誤差，并提高靈敏度，在對(duì)稱直徑位置上布置兩個(gè)角錐棱鏡測(cè)量范圍：±1°以內(nèi)，最大測(cè)量誤差±0.05″為擴(kuò)大量程，采用移動(dòng)式轉(zhuǎn)向反射鏡，測(cè)量范圍可達(dá)95°,測(cè)量精度±0.3″35傅立葉變換光譜儀【補(bǔ)】按照分光原理，光譜儀器可分為三類：

棱鏡光譜儀、光柵光譜儀、干涉光譜儀基于干涉原理的典型光譜儀器：法珀干涉儀、傅立葉變換干涉儀法珀干涉儀的缺點(diǎn)：自由光譜范圍小，需要與單色儀聯(lián)合使用，分辨率高色散型光譜儀的缺點(diǎn)：自由光譜范圍大，但分辨率較低，為保證光譜分辨率，色散型光譜儀必需使用狹縫，這樣導(dǎo)致光譜儀的分光本領(lǐng)減小，光譜儀檢測(cè)的靈敏度降低。干涉儀產(chǎn)生的干涉條紋是光譜相干涉的結(jié)果，能否利用干涉條紋的信息去獲得相干光譜的信息？也就是從分析干涉條紋得到參與干涉的光譜線的位置（波長(zhǎng)）及其強(qiáng)度呢？光譜儀器把被研究的輻射分解為光譜，記錄單條譜線的位置，并測(cè)量其強(qiáng)度。對(duì)于單色光譜：對(duì)于復(fù)色光譜：復(fù)色干涉圖是單色干涉圖的加合。由于零程差時(shí)各單色光的干涉強(qiáng)度都為極大值，其它光程差時(shí)各單色光相長(zhǎng)或相消，加合的結(jié)果形成一個(gè)中心突起并向兩邊迅速衰減的對(duì)稱圖形。傅立葉變換光譜儀的優(yōu)點(diǎn)：能同時(shí)接收工作波段范圍內(nèi)的所有光譜，記錄全部光譜時(shí)間與一般光譜儀器記錄一個(gè)光譜分辨單位的時(shí)間相同，在不到1秒時(shí)間內(nèi)完成全部光譜掃描。信噪比高，波長(zhǎng)準(zhǔn)確度高，分辨率高，雜散輻射低，以及光譜范圍寬（從紫外、可見(jiàn)、近紅外直到中遠(yuǎn)紅外區(qū)）單頻激光干涉儀的特點(diǎn)：§2.2

激光外差干涉測(cè)量技術(shù)1.測(cè)量精度高，但前置放大器為直流放大器；2.對(duì)環(huán)境要求高，不允許干涉儀兩臂光強(qiáng)有較大的變化；原因：輸出信號(hào)的頻率隨測(cè)量鏡的運(yùn)動(dòng)速度而改變，當(dāng)測(cè)量鏡靜止時(shí)，輸出直流信號(hào)；原因：干涉儀光強(qiáng)的變化總要以計(jì)數(shù)器的平均觸發(fā)電平為中心對(duì)等分布，如果光強(qiáng)由于外界環(huán)境干擾引起變動(dòng)，則干涉信號(hào)強(qiáng)度就可能落于觸發(fā)電平之下，從而使儀器停止工作。解決方案：在某一光臂中引入一定頻率的載波，被測(cè)信息通過(guò)載波傳遞：測(cè)量鏡靜止時(shí)，光電探測(cè)器的輸出信號(hào)為載波頻率的交流信號(hào)；測(cè)量鏡運(yùn)動(dòng)時(shí)，輸出信號(hào)的頻率只在某一范圍內(nèi)增加或減少。使前置放大器可采用交流放大器，可以隔絕由于外界條件引起的直流電平漂移，可在現(xiàn)場(chǎng)穩(wěn)定工作。這種利用外差技術(shù)的干涉儀，稱為外差干涉儀或者交流（AC）干涉儀優(yōu)點(diǎn)：1、濾掉了背景噪聲；

2、濾掉了直流放大器的噪聲。光學(xué)拍頻原理：兩個(gè)振幅相同、振動(dòng)方向相同，且在同一方向傳播，頻率接近的兩單色光疊加也能產(chǎn)生干涉，這種特殊的干涉稱為光學(xué)“拍”。塞曼效應(yīng)和聲光調(diào)制是實(shí)現(xiàn)光學(xué)“拍”的常用方法塞曼雙頻激光：兩個(gè)旋轉(zhuǎn)方向相反的左旋和右旋圓偏振光，振幅相同，頻率相差很小，一般為1~2MHz。設(shè)左旋圓偏光頻率為f1，右旋圓偏光頻率f2，初始相位為零，振動(dòng)方程分別為光束通過(guò)偏振方向與y軸平行的偏振片，則x方向分量被截止，y方向分量通過(guò)。按光波疊加原理，通過(guò)偏振片后的光場(chǎng)為合成波的振幅為，則光強(qiáng)為合成波的強(qiáng)度隨時(shí)間t在0~4a2之間作緩慢的周期變化，這種強(qiáng)度時(shí)大時(shí)小的現(xiàn)象稱為“拍”，拍頻為f1-f2。拍波信號(hào)空間傳播示意圖一、Zeeman雙頻激光干涉儀經(jīng)B1反射透過(guò)檢偏器P1被光電探測(cè)器D1接收的拍頻信號(hào)，經(jīng)濾波放大后送入混頻器作為測(cè)量過(guò)程中的參考信號(hào)。若測(cè)量鏡M2以速度v運(yùn)動(dòng)，由Doppler效應(yīng)，返回光束的頻率將變成測(cè)量光束與參考光束會(huì)合后經(jīng)過(guò)檢片器P2后產(chǎn)生拍頻。D1和D2探測(cè)到的兩路拍頻信號(hào)進(jìn)行同步相減便得到多普勒頻移信號(hào)。測(cè)量鏡移動(dòng)距離L為其中為記錄下來(lái)的累計(jì)脈沖數(shù)電路靜態(tài)頻率,動(dòng)態(tài)頻率,,為不失真，應(yīng)滿足

塞曼雙頻激光器頻差1.5-1.8MHz，允許測(cè)量速度約為150mm/s。

處理電路的工作頻帶可以設(shè)定在1~2MHz之間，濾掉了小于1MHz的全部噪聲。雙頻激光干涉儀的特點(diǎn)：“雙頻”起到了調(diào)制作用，它在測(cè)量鏡靜止時(shí)，仍然保持一個(gè)1.5MHz的交流信號(hào)，被測(cè)物體的運(yùn)動(dòng)只是這個(gè)信號(hào)頻率的增加或減小，因而前置放大可采用較高放大倍數(shù)的交流放大器，采用帶通濾波，濾掉低頻噪聲，避免了直流放大所遇到的直流漂移、低頻干擾等問(wèn)題。測(cè)量角度雙頻激光干涉儀測(cè)角分辨力0.1″，測(cè)量范圍可達(dá)±1000″角錐棱鏡組件2的移動(dòng)使兩光束產(chǎn)生頻如果角錐棱鏡完全平移運(yùn)動(dòng)，則如果運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌不直，角錐棱鏡組發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，則轉(zhuǎn)動(dòng)角度為改進(jìn)：用平面鏡取代角錐棱鏡組，提高干涉儀的測(cè)量分辨力，并擴(kuò)大測(cè)量范圍測(cè)量空氣折射率探測(cè)器接收到的兩路測(cè)量信號(hào)打開(kāi)真空泵，測(cè)量過(guò)程開(kāi)始，這一瞬間真空室內(nèi)的空氣折射率就是要測(cè)量的量值在某一中間時(shí)刻，由于抽氣造成的Doppler頻率變化為其中則有如果整個(gè)抽空時(shí)間為t，對(duì)上式兩端積分，可得即式中，N為抽氣過(guò)程中記錄下來(lái)的累計(jì)脈沖數(shù)當(dāng)真空室抽成真空后，如果真空室外的空氣折射率發(fā)生變化，干涉儀可以立即反映出這種變化，做到“實(shí)時(shí)”測(cè)量。二、聲光調(diào)制雙頻外差干涉儀1.聲光調(diào)制器換能器將超聲波轉(zhuǎn)換為聲光介質(zhì)中折射率的周期性改變，這樣介質(zhì)可看成是連續(xù)移動(dòng)的三維全息光柵。衍射為布拉格衍射超聲頻率不能低于數(shù)十兆赫，這么高的頻移對(duì)于一般應(yīng)用太高，不利于計(jì)數(shù)，尤其是小數(shù)測(cè)量。2.聲光調(diào)制雙頻外差測(cè)振儀現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)的特點(diǎn)：大都是非周期性的隨機(jī)振動(dòng)，并且現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的干擾嚴(yán)重，被測(cè)振動(dòng)體往往是漫反射體。方解石棱鏡和1/4波片的作用：使振動(dòng)體表面返回的測(cè)量光經(jīng)方解石發(fā)生偏折，經(jīng)半反射鏡7及中繼望遠(yuǎn)鏡9做為反射和接收光學(xué)天線，即能最大限度地接收在不同測(cè)量環(huán)境下來(lái)自漫反射振動(dòng)的返回光，又可以最可能的減小測(cè)量光束的波面變形，以保證獲得最大的拍頻信號(hào)。1/2波片的作用：調(diào)節(jié)參考光強(qiáng)，使與測(cè)量光束的光強(qiáng)大致相同，改善拍頻信號(hào)的對(duì)比度。§2.3

激光移相干涉測(cè)量技術(shù)光電接收器接收到的光強(qiáng)可表示為雙光束干涉儀相位細(xì)分方法——分步調(diào)相法如果改變加在晶體上的電壓，使相位差步進(jìn)變化π/2三次，每次移相后的光強(qiáng)可表示為可得這種細(xì)分方法常用標(biāo)準(zhǔn)平面鏡取代參考鏡R，以被測(cè)平面取代測(cè)量反射鏡M，實(shí)現(xiàn)對(duì)平面形狀的測(cè)量，可應(yīng)用CCD陣列器件對(duì)光場(chǎng)掃描接收，做出表面的三維形狀圖形。在雙光束干涉中，用目視或照相記錄方式來(lái)測(cè)量波面的誤差，一般只能達(dá)到1/20到1/30波長(zhǎng)的測(cè)試不確定度。被測(cè)面的波前為利用激光移相干涉測(cè)試技術(shù)可以快速而高準(zhǔn)確度地檢測(cè)波面面形誤差，可達(dá)到1/100波長(zhǎng)的測(cè)試不確定度。壓電晶體帶動(dòng)參考鏡以一定的振幅和頻率作正弦振動(dòng)，設(shè)振動(dòng)的瞬時(shí)振幅為li，則參考鏡波前為一、激光移相干涉測(cè)試技術(shù)原理當(dāng)參考波前與被測(cè)面干涉以后，干涉條紋的光強(qiáng)分布為寫成傅里葉級(jí)數(shù)的形式其中被測(cè)表面的面形由傅里葉系數(shù)的比值求得至少需要移相三次，采集三幅干涉圖才可求得波形對(duì)每一點(diǎn)的傅里葉級(jí)數(shù)的系數(shù)，有為便于實(shí)際的抽樣檢測(cè)，用和式代替積分，有可求得波面面形四步移相，即n=4，使則四式中含有加法和除法，干涉場(chǎng)中的固有噪聲和面陣探測(cè)器的不一致性影響可以自動(dòng)消除優(yōu)點(diǎn)為提高測(cè)量可靠性，消除大氣湍流、振動(dòng)及漂移的影響，可以測(cè)量傅里葉級(jí)數(shù)的系數(shù)在p個(gè)周期內(nèi)的累加數(shù)據(jù)，應(yīng)用最小二乘法，系數(shù)表達(dá)式為則為提高測(cè)量可靠性，被測(cè)表面上任意點(diǎn)的波面W(x,y)的相對(duì)位相是由在該點(diǎn)的條紋輪廓函數(shù)的n×p個(gè)測(cè)定值計(jì)算得到的1、采用最小二乘法擬合來(lái)確定被測(cè)波面，可以消除隨機(jī)的大氣湍流、振動(dòng)及漂移的影響。部分求和的形式要求數(shù)據(jù)無(wú)限的累積，通過(guò)最小二乘法，使位相誤差或波面誤差減小至原來(lái)的二、激光移相干涉測(cè)試技術(shù)的特點(diǎn)2、可以消除干涉儀調(diào)整過(guò)程中及安置被測(cè)件的過(guò)程中產(chǎn)生的位移、傾斜及離焦誤差。干涉儀及被測(cè)金屬件在裝調(diào)以后，被測(cè)波面可以表示為3、可以極大地降低對(duì)干涉儀本身的準(zhǔn)確度要求方法：在孔徑范圍內(nèi)對(duì)所有點(diǎn)用做小二乘法求取對(duì)應(yīng)于A、B、C、D各項(xiàng)的最小W(x,y)。式中，W(x,y)為被測(cè)波面上任意點(diǎn)的位相；W0(x,y)為消除了位移(A)、傾斜(B和C)以及離焦(D)后的波面。為求出W0(x,y)，就必須確定并減去含有A、B、C、D的各項(xiàng)?？梢韵劝迅缮鎯x系統(tǒng)本身的波面誤差存儲(chǔ)起來(lái)，而后在檢測(cè)被測(cè)波面時(shí)在后續(xù)的波面數(shù)據(jù)中自動(dòng)減去。放寬了對(duì)干涉儀元件的加工精度要求。例：當(dāng)要求總的測(cè)量不確定度達(dá)到1/100波長(zhǎng)時(shí)，干涉系統(tǒng)本身的波面誤差小于一個(gè)波長(zhǎng)就可以滿足要求。三、激光移相干涉儀測(cè)試技術(shù)的應(yīng)用1.光學(xué)零件表面面形測(cè)量干涉儀為改型的泰曼-格林雙光束干涉儀，采用壓電晶體驅(qū)動(dòng)參考鏡，探測(cè)系統(tǒng)采用32×32的光電二極管陣列，計(jì)算機(jī)自動(dòng)計(jì)算并顯示等高線，以實(shí)現(xiàn)對(duì)被檢表面（平面或球面）及光學(xué)鏡頭1024點(diǎn)的位相測(cè)量。測(cè)量平面的最大直徑為125mm，測(cè)量不確定度達(dá)1/100波長(zhǎng)。缺點(diǎn)：干涉系統(tǒng)采用分光路的結(jié)構(gòu)布局，對(duì)機(jī)械振動(dòng)等外界環(huán)境干擾敏感，需要采取隔振、恒溫等技術(shù)措施，而且還需要高質(zhì)量的參考鏡。2.表面輪廓測(cè)量設(shè)渥拉斯頓棱鏡的剪切方向?yàn)閤，則干涉場(chǎng)上的光強(qiáng)分布為被測(cè)表面輪廓滿足下面方程可通過(guò)旋轉(zhuǎn)檢偏器對(duì)微分干涉圖像進(jìn)行調(diào)制，采用移相干涉技術(shù)直接測(cè)量被測(cè)位相的分布。與壓電移相干涉方法相比，這種旋轉(zhuǎn)檢偏器移相的方法不存在非線性、滯后和漂移等問(wèn)題，具有很高的測(cè)量準(zhǔn)確度。由于采用CCD和計(jì)算機(jī)組成的數(shù)字圖像采集系統(tǒng)，表面輪廓的坐標(biāo)量被量化了，可以用數(shù)值積分的方法計(jì)算表面輪廓。將積分區(qū)間分成n等份，則積分步長(zhǎng)為△=l/n，積分點(diǎn),設(shè)起始點(diǎn)輪廓高度為0，則3.MEMS器件微運(yùn)動(dòng)測(cè)量頻閃顯微移相干涉系統(tǒng)采用頻閃成像以及基于最小二乘法的圖像相關(guān)技術(shù)實(shí)現(xiàn)面內(nèi)微運(yùn)動(dòng)的測(cè)量。運(yùn)動(dòng)幅度分辨率在20X物鏡下為3.6nm，采用頻閃成像以及相移干涉技術(shù)實(shí)現(xiàn)離面微運(yùn)動(dòng)的測(cè)量，運(yùn)動(dòng)幅度的測(cè)量范圍為20um,分辨率為0.7nm，可測(cè)量的周期運(yùn)動(dòng)頻率達(dá)500kHz。1949年蓋伯(D.Gebar)提出用一個(gè)合適的相干光源照射全息圖，透射光的一部分就能重新模擬出原物的散射波前，于是重現(xiàn)一個(gè)與原物非常逼真的三維圖像。1960年激光的出現(xiàn)促進(jìn)了全息照相術(shù)的發(fā)展，全息術(shù)得到了不斷完善，為此他榮獲1971年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)§2.4

激光全息干涉測(cè)量技術(shù)全息干涉計(jì)量技術(shù)全息無(wú)損檢測(cè)全息存儲(chǔ)全息電影全息防偽應(yīng)用641、全息圖的記錄一、全息技術(shù)的基本原理兩步成像即全息圖的記錄和物光波的再現(xiàn)用相干光照射物體，物體散射出來(lái)的光波投射到全息干板上，同時(shí)用同一光源發(fā)出的另一部分相干光波做參考光也照射到全息干板上，于是在干板上形成兩束光的干涉。在感光乳膠的作用下，干涉條紋被記錄下來(lái)。這樣曝光后的干板再經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)娘@影、定影處理就成為全息底片。65設(shè)物體光波為入射到記錄介質(zhì)上各點(diǎn)的振幅和相位均為x,y的函數(shù)，故在P(x,y)點(diǎn)物體光波電場(chǎng)分布將是設(shè)參考光波為參考光波是一個(gè)強(qiáng)度均勻的平面波，以入射角i入射到記錄介質(zhì)上，則在任一點(diǎn)P(x,y)參考光波的電場(chǎng)分布可寫為所以干板上的光強(qiáng)分布:66全息底片上的光強(qiáng)按余弦規(guī)律分布，由于參考光是固定不動(dòng)的，全息底片上的干涉條紋主要由物光束調(diào)制，即干涉條紋的亮度和形狀主要由物體光波決定，因此物體光波的振幅和相位以光強(qiáng)的形式記錄在全息底片上?；D分析一個(gè)平面光波的空間傳播特性可以用空間頻率這個(gè)特征參量來(lái)描述，研究平面光波沿著傳播方向的空間周期分布時(shí)，每一個(gè)空間頻率對(duì)應(yīng)一定波長(zhǎng)的單色波，當(dāng)研究垂直于z軸的一個(gè)平面上單色光波的復(fù)振幅分布時(shí)，每一個(gè)空間頻率值對(duì)應(yīng)一定方向傳播的單色平面光波。物光波看作由許多不同方向傳播的平面波分量的線性疊加，每一個(gè)平面波分量與參考平面波干涉而記錄的基元全息圖稱為基元光柵，全息圖可看做是許多基元全息圖的線性組合。67基元光柵的記錄和再現(xiàn)整個(gè)全息圖是由許多不同頻率、條紋取向不同的基元光柵的線性組合。用原參考光照明全息圖，每個(gè)基元光柵可在±1級(jí)衍射方向再現(xiàn)其相應(yīng)的物光波平面波分量及其共軛，這些平面波分量再線性疊加起來(lái)，就恢復(fù)了原始物光波前及其共軛波前，以產(chǎn)生虛像或?qū)嵪瘛?8普通照相：記錄了光的光強(qiáng)和顏色（頻率）每毫米只能記錄50～100個(gè)條紋；記錄介質(zhì)：銀化物。全息圖：記錄了波前信息（光強(qiáng)及相位）；每毫米記錄3000個(gè)以上條紋；記錄介質(zhì)：鹵化銀乳膠和重鉻酸鹽乳膠。69全息底片的透射率是記錄過(guò)程時(shí)曝光光強(qiáng)的非線性函數(shù)，取線性部分，則有重新復(fù)位全息底片，并去掉物體照射光束，透射光波為2.物光波再現(xiàn)

第一項(xiàng)是照明光束傳播的光波，它經(jīng)全息照片后不偏轉(zhuǎn)，是照明光波的繼續(xù)，幅度被物光調(diào)制。包含物體上各點(diǎn)在記錄時(shí)所發(fā)射的自相干和互相干分量，一般使全息在表觀上看來(lái)出現(xiàn)一種均勻顆粒狀分布或所謂的斑點(diǎn)圖像，產(chǎn)生“暈狀霧光”，當(dāng)物體亮度很小時(shí)，可忽略不計(jì)。70第二項(xiàng)是與物光光波相同的透射光波，光強(qiáng)變化mAr2倍，這個(gè)光波具有原始光波所具有的一切性質(zhì)。如果迎著這個(gè)光波觀察就會(huì)看到一個(gè)和原來(lái)一模一樣的“物體”，這個(gè)光波就好像是它發(fā)出似的，所以稱這個(gè)透射波是原始物體波前的再現(xiàn)。由于再現(xiàn)時(shí)實(shí)際物體并不存在，該像只是由衍射光線的反向延長(zhǎng)線所構(gòu)成的，稱為原始物體的虛像或原始像。第三項(xiàng)所表示的光波是比照明光波更偏離于z軸的光束波前，相位前的負(fù)號(hào)表示再現(xiàn)光波對(duì)原始物體在位相上是共軛的，即從波前來(lái)看，若原來(lái)物體是發(fā)散的話，則該光波將是匯聚的，在記錄介質(zhì)后邊某處形成原始物體的一個(gè)實(shí)像，光強(qiáng)變化mAr2倍，相位疊加了一線性值。7172全息照相光路圖733.全息干涉條紋的調(diào)制度

物光對(duì)參考光的相位和幅值進(jìn)行了調(diào)制

M成為振幅調(diào)制度，0≤M≤1當(dāng)嚴(yán)格按照余弦分布，也稱條紋對(duì)比度4.全息技術(shù)對(duì)光源的要求同普通照相一樣具有能使底片得以曝光的光能輸出；具有為滿足光束的干涉和衍射所必須的時(shí)間相干性和空間相干性74在全息圖的記錄中，為使物體光束和參考光束產(chǎn)生干涉，兩光束必須來(lái)自同一光源；為了在全息底片上得到清晰的干涉圖像，光源的時(shí)間相干性一定要好，即相干長(zhǎng)度一定要大于物體光束和參考光束的最大光程差。另外，被記錄物體大都是具有漫反射表面的三維物體，記錄時(shí)物體上每一點(diǎn)衍射或漫反射的光波要與參考光波中任一點(diǎn)的光波進(jìn)行干涉，這實(shí)際上是光束截面內(nèi)不同空間點(diǎn)間光場(chǎng)的干涉問(wèn)題，因此又需要光源有好的空間相干性。被攝物體橫向范圍越大，空間相干性要求越高。一般來(lái)說(shuō)，光源的時(shí)間相干性決定了能夠記錄物體的最大景深，空間相干性決定了能夠記錄物體的最大橫向范圍。激光器是最合適的全息照相光源：He-Ne激光器、氬離子激光器廣泛用于靜態(tài)全息照相，固體激光器如紅寶石激光器憑借脈沖工作和高峰值功率的優(yōu)點(diǎn)普遍用于動(dòng)態(tài)全息。75三維立體圖彩色圖片，永不變顏色不可撕毀性（冗余度大）一次拍攝，可以得到兩個(gè)圖像（原始像和共軛象）全息技術(shù)應(yīng)用:1.全息圖像顯示：照片、圖片、郵票、書(shū)籍、雜志的封皮與插頁(yè)等2.包裝、裝潢和防偽：產(chǎn)品的包裝、標(biāo)牌和商標(biāo)；飾品；廣告；裝潢；人民幣；銀行卡；居民身份證等全息照相的特點(diǎn):763.全息元件：光柵、透鏡、波帶片等。4.光學(xué)信息處理技術(shù)：圖像識(shí)別；圖像的消模糊和邊緣增強(qiáng)。5.全息存儲(chǔ)：存儲(chǔ)容量大記錄速度快記錄信息不易丟失（冗余好）便于長(zhǎng)期保存便于拷貝缺點(diǎn)：測(cè)量范圍小Inphase公司的全息存儲(chǔ)器77二、全息干涉測(cè)量技術(shù)1965年R.Powell

和K.Stetsen提出,把干涉測(cè)量和全息技術(shù)相結(jié)合,進(jìn)行一些測(cè)量工作。單純的全息照相技術(shù),不能提供測(cè)量信息,但全息底片記錄了物光的某一狀態(tài)的波前信息,可以與新的物光信息形成干涉,可以利用干涉測(cè)量的技術(shù),進(jìn)行測(cè)量分析工作。1）一般干涉測(cè)量只可用來(lái)測(cè)量形狀比較簡(jiǎn)單的高度拋光表面的工件，而全息干涉測(cè)量能夠?qū)哂腥我庑螤詈痛植诒砻娴娜S表面進(jìn)行測(cè)量，精度可達(dá)光波波長(zhǎng)數(shù)量級(jí)。2）由于全息圖再現(xiàn)具有三維性質(zhì)，故用全息技術(shù)就可以從許多不同視角去觀察一個(gè)形狀復(fù)雜的物體，一個(gè)干涉測(cè)量全息圖可相當(dāng)于用一般干涉測(cè)量進(jìn)行的多次觀察。

3)全息干涉測(cè)量可以對(duì)一個(gè)物體在兩個(gè)不同時(shí)刻的狀態(tài)進(jìn)行比對(duì)，因而可以探測(cè)物體在一段時(shí)間內(nèi)發(fā)生的任何改變特點(diǎn):不足:測(cè)量范圍小，僅幾十微米左右781.實(shí)時(shí)法原理：物體曝光一次的全息圖，經(jīng)過(guò)顯影和定影處理后在原來(lái)攝影裝置中精確復(fù)位，再現(xiàn)全息圖時(shí)，再現(xiàn)像就重疊在原來(lái)物體上，若物體稍有位移或變形，就看到干涉條紋。應(yīng)用:實(shí)時(shí)觀察干涉條紋的變化情況來(lái)研究物體的變形趨勢(shì)和狀況，探測(cè)和檢查物體的內(nèi)部缺陷。優(yōu)點(diǎn):只需一張全息圖；能夠隨時(shí)改變物體的變形條件（如溫度、應(yīng)力），實(shí)時(shí)地觀察不同條件下物體的變形情況；方便，節(jié)省時(shí)間，特別適合透明介質(zhì)的一些現(xiàn)象。缺點(diǎn):復(fù)位精度要求高；乳膠易收縮變形，產(chǎn)生附加條紋。792.二次曝光法原理:拍攝了第一次未變形物體的全息圖后，全息底片并不立刻進(jìn)行處理，讓加載系統(tǒng)對(duì)物體加載使物體變形，再在同一張全息干板上對(duì)變形后的物體進(jìn)行第二次曝光記錄，然后將干板進(jìn)行處理。再現(xiàn)時(shí)原物體光波和變形后的物體光波發(fā)生干涉，在再現(xiàn)像上會(huì)看到由變形或位移引起的干涉條紋。80特點(diǎn)：不需要高復(fù)位精度不需要監(jiān)視變化整個(gè)過(guò)程原位完成所有過(guò)程，引入誤差小形成干涉條紋主要有變形和激光頻率變化引起，應(yīng)盡量激光頻率變化應(yīng)用:研究材料的性能參數(shù)，如檢查材料內(nèi)部缺陷，在兩個(gè)不同時(shí)刻或物體的變形量；采用脈沖激光進(jìn)行瞬態(tài)現(xiàn)象研究,如沖擊波、流體、燃燒等。813.時(shí)間平均法多次曝光全息干涉測(cè)量技術(shù)推廣到連續(xù)曝光這一極限情況研究對(duì)象：特殊振動(dòng)的物體優(yōu)點(diǎn)：用非接觸方法獲得振動(dòng)體的振動(dòng)模；能對(duì)整個(gè)二維擴(kuò)散的表面精密地測(cè)出振動(dòng)的幅度；測(cè)量對(duì)象以粗糙表面為宜；可對(duì)小至晶體振子大至擴(kuò)音器、樂(lè)器、渦輪機(jī)翼進(jìn)行振動(dòng)分析。原理：對(duì)周期振動(dòng)的物體作一次曝光，當(dāng)記錄曝光時(shí)間遠(yuǎn)大于物體振動(dòng)周期時(shí)，全息圖上記錄的是振動(dòng)物體各個(gè)狀態(tài)在這段時(shí)間內(nèi)的平均干涉條紋；當(dāng)這些光波又重新再出現(xiàn)來(lái)時(shí)，它們?cè)诳臻g必然要相干疊加，由于物體不同點(diǎn)振幅不同而引起的再現(xiàn)波相位不同，疊加結(jié)果是再現(xiàn)像上必然會(huì)呈現(xiàn)和物體的振動(dòng)狀態(tài)相對(duì)應(yīng)的干涉條紋，亦即產(chǎn)生和振動(dòng)的振幅相關(guān)的干涉條紋。82三、全息干涉測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用1.測(cè)量氣缸內(nèi)孔對(duì)象：機(jī)械工程中各種汽缸、液壓泵等內(nèi)孔指標(biāo)：圓度及直線度傳統(tǒng)方法：圓度儀存在問(wèn)題：直接測(cè)量圓度和直線度有一定難度，圓度儀精度可達(dá)0.1μm的測(cè)量精度，但測(cè)量一個(gè)圓柱內(nèi)孔必須測(cè)量多個(gè)截面的圓度和多條母線的直線性，特別是圓度和直線性混在一起的時(shí)候，同時(shí)測(cè)量出來(lái)更為困難。83測(cè)量原理：平行激光束照在透鏡L1上，一部光通過(guò)錐面后發(fā)散照射到汽缸內(nèi)壁，產(chǎn)生鏡面反射，反射光束通過(guò)透鏡L3形成一個(gè)圓環(huán)，聚焦在屏S1上。屏S1有一個(gè)窄環(huán)，只讓鏡面反射光通過(guò)而擋住散射光。另一部分光經(jīng)透鏡L2后發(fā)散，并由透鏡L3聚焦在屏S1中心的凸透鏡L4上。經(jīng)透鏡L4的光束擴(kuò)散后作為參考光與反射的物光投到全息干板H上產(chǎn)生干涉，形成全息圖。全息底片處理后仍放回原處，然后將被檢內(nèi)孔精確地放置在記錄時(shí)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)孔的位置上。在激光照射下，在屏S2上觀察到再現(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)孔光波和被檢內(nèi)孔表面反射光波之間所產(chǎn)生的全息干涉圖。分析這種干涉圖就可以測(cè)得內(nèi)孔直接的微小變化。842.發(fā)動(dòng)機(jī)活塞變形目的：為了正確地確定汽缸活塞的設(shè)計(jì)尺寸，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的效率，必須知道活塞受熱變形的情況。存在問(wèn)題：活塞的熱變形是三維的，一般情況下，測(cè)量三維形變矢量需要從不同的方位對(duì)物體拍攝三張全息圖，或者對(duì)單張全息圖掃描的辦法，所用裝置和解釋條紋的方法都較繁雜。解決方法：活塞有特定的對(duì)稱結(jié)構(gòu)，并且要求測(cè)定的只是裙部的徑向變形量，因而可以選擇比較簡(jiǎn)單的光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行照相觀察，條紋的計(jì)算也很簡(jiǎn)單，而不降低測(cè)量的精度，還適合于其他一些面型對(duì)稱的物體的形變測(cè)量。85活塞光闌置于視場(chǎng)透鏡L3的焦點(diǎn)上，保證了在光闌面觀察或照相時(shí)，接收到來(lái)自活塞表面漫反射的光幾乎與觀察光軸方向平行。從而可以認(rèn)為對(duì)物體的觀察方向是一致的。光闌F的存在，增加了成像透鏡L4的焦點(diǎn)深度，使景深范圍增大，這對(duì)拍攝清晰的物體和干涉條紋的像來(lái)說(shuō)是有利的；另一方面，它使成像透鏡的分辨力降低。由于變形越大，所產(chǎn)生的干涉條紋就越密，將使能夠測(cè)量的變形量的大小受到限制。863.缺陷檢測(cè)原理:利用被測(cè)件在承載或應(yīng)力下表面微小變化的信息，就可以判定被測(cè)件某些參量的變化，發(fā)現(xiàn)缺陷部位。全息干涉法檢測(cè)復(fù)合材料基于脫膠或空隙產(chǎn)生振動(dòng)這一現(xiàn)象，并由振型區(qū)分缺陷。當(dāng)葉片兩面在某些區(qū)域中存在不同振型的干涉條紋，表示這個(gè)區(qū)域的結(jié)構(gòu)已經(jīng)遭到破壞；如果振幅本身還有差別，則表示這是可疑區(qū)域，表明這個(gè)復(fù)合結(jié)構(gòu)是不可靠的。這種方法不僅能測(cè)量脫膠區(qū)的大小和形狀，而且還可判定深度。其它例子:斷裂力學(xué)研究中采用實(shí)時(shí)全息干涉檢測(cè)裂紋的產(chǎn)生和發(fā)展，用于應(yīng)力裂紋的早起預(yù)報(bào)；利用二次曝光采用內(nèi)部真空法對(duì)充氣輪胎進(jìn)行檢測(cè)，可以十分靈敏、可靠地檢測(cè)外胎花紋面、輪胎的網(wǎng)線層、輪胎的脫膠、縮空以及各種疏松現(xiàn)象。874.檢測(cè)光學(xué)玻璃的均勻性全息干涉技術(shù)對(duì)粒子尺寸和流場(chǎng)三維分布可進(jìn)行很有效的測(cè)量，是獲得整個(gè)流場(chǎng)定量信息的理想方法。用途：空氣動(dòng)力學(xué)、氣動(dòng)傳輸、蒸汽渦輪機(jī)測(cè)試、霧場(chǎng)水滴微粒尺寸分布、透明體的均勻性分布、溫度分布、流速分布等方面88檢測(cè)過(guò)程分兩步（1）拍攝透射光全息圖首先樣品未放入光路，曝光一次，其它條件不變，在光路中放入樣品再曝光一次。兩次曝光的物光束之間由于插入了樣品G而引起的光程差為如果待測(cè)玻璃G是一塊理想的光學(xué)均勻的平行平板，即n，h均為常數(shù)，則光程差Δ為常數(shù)，整個(gè)全息圖的再現(xiàn)視場(chǎng)中將出現(xiàn)一個(gè)均勻的照度，無(wú)干涉條紋。由于玻璃生產(chǎn)及加工中的種種原因，玻璃板上各處折射率n和h不會(huì)完全相同，視場(chǎng)中將出現(xiàn)透射光干涉條紋。89（2）拍攝反射光全息圖不用反射鏡，直接利用玻璃G前后兩表面的反射光作為二次物光束與參考光束同時(shí)在底片上曝光，此時(shí)二次物光束之間的光程差為被檢測(cè)玻璃板上各處折射率和厚度的不均勻性分別為被檢測(cè)玻璃板上任意兩點(diǎn)之間的透射光干涉級(jí)之差，它們的值可以直接從全息干涉圖中得出。901970年Leendez開(kāi)創(chuàng)了一類新的光學(xué)粗糙表面檢測(cè)的干涉測(cè)量方法，稱這種方法為散斑干涉測(cè)量?！?.5激光散斑干涉測(cè)量技術(shù)特點(diǎn)：記錄和再現(xiàn)本質(zhì)上與全息干涉測(cè)量相同，但在形式上更加靈活，即不僅可以用光學(xué)方法實(shí)現(xiàn)，還可以用電子學(xué)和數(shù)字方法實(shí)現(xiàn)。一、散斑的概念散斑：當(dāng)一束激光照射到物體的粗糙表面（例如鋁板）上時(shí)，在鋁板前面的空間將布滿明暗相間的亮斑與暗斑，這些亮斑與暗斑的分布雜亂，故稱為散斑（Speckle）91實(shí)質(zhì)：經(jīng)粗糙表面漫反射后的光，空間干涉的結(jié)果，所以不是物面的像，其分布與被照射的表面有關(guān)。1、散斑形成條件1）必須有能發(fā)生散射的粗糙表面；為了使散射光較均勻，則粗糙表面的深度必須大于光波波長(zhǎng)。

2）入射光的相干度足夠高，如使用激光。2、散斑的大小散斑顆粒尺寸定義為兩相鄰亮斑間距離的統(tǒng)計(jì)平均值由激光波長(zhǎng)及粗糙表面圓形照明區(qū)域?qū)υ撋叩目讖浇菦Q定，數(shù)學(xué)表達(dá)式例：當(dāng)激光入射到毛玻璃上時(shí)，在毛玻璃后面的整個(gè)空間將充滿散斑。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：經(jīng)過(guò)一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)，在它的像面上形成的散斑，也稱為主觀散斑。散斑大小粗略地對(duì)應(yīng)于干涉條紋間隔；當(dāng)照明區(qū)域?yàn)閳A形時(shí)，散斑亦為圓形，若照明區(qū)域增大，有更多面積元上散射的光波參與干涉，照明區(qū)域?qū)υ撋叩目讖浇窃龃?，所以散斑變小了。若照明區(qū)域不是圓形而是橢圓形，所成的散斑亦是橢圓形。93二、散斑干涉測(cè)量技術(shù)被激光照射的粗糙物面在透鏡的像面上形成散斑圖，此方法稱散斑照相。同全息一樣,散斑照相并不能提供測(cè)量的一些信息。如果利用全息技術(shù)記錄某一時(shí)刻的散斑信息,利用變化前后形成的散斑干涉,可以進(jìn)行測(cè)量工作。散斑干涉技術(shù):

在散斑圖的基礎(chǔ)上,外加一相干的參考光,例如平面波，球面波甚至另一粗糙的散斑場(chǎng)形成的組合散斑場(chǎng)的技術(shù)。應(yīng)用:

測(cè)量位移、應(yīng)變、振動(dòng)、物面的變形和粗糙度等。光學(xué)方面：檢驗(yàn)感光材料的分辨率，測(cè)定透鏡焦面位置及焦距等；醫(yī)學(xué)方面：視力檢查；天文學(xué)方面：揭示星體的構(gòu)造和超巨星的亮度分布等。941.測(cè)量縱向位移的散斑干涉技術(shù)通過(guò)觀察散斑的明暗變化次數(shù),可以測(cè)量縱向位移當(dāng)H為全息干板，曝光周期大于振動(dòng)周期時(shí),在節(jié)點(diǎn)處，光強(qiáng)和相位不變化，其他位置，光強(qiáng)和相位發(fā)生變化，所以在節(jié)點(diǎn)處，高對(duì)比度，其他位置對(duì)比度下降，可以測(cè)量振幅及振動(dòng)模態(tài)。952.測(cè)量橫向位移的散斑干涉技術(shù)參考光與物光以相同夾角入射，方向關(guān)于z對(duì)稱。當(dāng)物面沿z向變化時(shí)，物光與參考光的相位變化一致，不產(chǎn)生額外相位差，散斑不變化；當(dāng)物面有x，y方向變化時(shí)，光程變化為：為進(jìn)行實(shí)時(shí)觀察，把經(jīng)過(guò)處理的底片放回原來(lái)的位置，抑制來(lái)自明亮散斑區(qū)的光，視場(chǎng)呈均勻的黑色。由于光程差的出現(xiàn)引起散斑亮度發(fā)生變化，于是底片就與散斑花樣不匹配而出現(xiàn)透射光，因此可以確定測(cè)定表面各個(gè)區(qū)域的變形情況。96三、電子散斑干涉測(cè)量技術(shù)（ESPI）電子散斑技術(shù)：用視頻攝像系統(tǒng)代替照相處理，用電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)代替光學(xué)記錄技術(shù)。特點(diǎn)：原始的散斑干涉場(chǎng)由光電器件（一般為CCD探測(cè)器）轉(zhuǎn)換成電信號(hào)記錄下來(lái)，用電子技術(shù)方法實(shí)現(xiàn)信息的提取，形成的散斑場(chǎng)可以直接顯示和保存，操作簡(jiǎn)單、實(shí)用性強(qiáng)，自動(dòng)化程度高，可以進(jìn)行靜動(dòng)態(tài)測(cè)量。普通散斑技術(shù)的特點(diǎn)：與全息類似，需要干板記錄，條紋的計(jì)數(shù)和判向與傳統(tǒng)干涉類似，但可以測(cè)量較粗糙的表面。97CCD感受的光強(qiáng)為參考光與物光相位差的余弦調(diào)制變形前，物光束在像面上的復(fù)振幅參考光復(fù)振幅成像面上的合成光強(qiáng)98變形后，離面位移造成物光復(fù)振幅成像面上的合成光強(qiáng)變?yōu)闉楸砻骐x面位移的函數(shù)，散斑干涉圖的變化情況反映了物面的變化情況。ESPI采用圖像相減技術(shù)來(lái)提取有關(guān)離面位移，即的信息。的位置，兩散斑圖完全相同，相減后光強(qiáng)為零的位置，相減后散斑成像出最大的對(duì)比度和最大的平均亮度。物體表面分布著與有關(guān)的條紋，這種條紋反映出兩次散斑干涉光強(qiáng)之間的相關(guān)性，稱為“相關(guān)條紋”。99圖像相減是否會(huì)出現(xiàn)負(fù)值？四、散斑干涉測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用1.測(cè)量表面粗糙度用二次曝光法連續(xù)在同一張底片上記錄入射角為處理后的底片放在聚焦激光束中，在焦平面上觀察由兩個(gè)記錄在底片上的斑點(diǎn)產(chǎn)生的干涉條紋，用狹縫和光電探測(cè)器測(cè)量這些條紋的對(duì)比度100粗糙表面同時(shí)被從激光器射出經(jīng)干涉儀分開(kāi)成一定角度的兩束相干激光照明，照射到被測(cè)表面后按一定角度產(chǎn)生兩束散射光，在雙光束干涉儀里產(chǎn)生干涉，并在透鏡L的焦平面P上形成散斑圖樣。1012.測(cè)量?jī)?nèi)孔的表面質(zhì)量?jī)x器包括三部分：探頭轉(zhuǎn)動(dòng)式激光掃描儀、安裝被測(cè)缸筒的滑道和信息接收與處理系統(tǒng)。102優(yōu)點(diǎn):纖芯包層保護(hù)套1.傳輸頻帶寬、通訊容量大2.傳輸損耗低3.靈敏度高4.體積小、質(zhì)量輕5.抗化學(xué)腐蝕6.可彎曲§2.6激光光纖干涉測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)用：航空/航天（飛機(jī)與航天器各部位的壓力、溫度測(cè)量、光纖傳感、光纖陀螺）石油化工（液面、流量、井下溫度、壓力測(cè)試）電力工業(yè)（高壓輸電網(wǎng)的電流、電壓測(cè)量）醫(yī)療（血液流速、血壓測(cè)量）103一、光纖干涉儀的概念原理：光纖中的光波導(dǎo)在經(jīng)過(guò)被測(cè)物理量所構(gòu)成的調(diào)制區(qū)時(shí)，會(huì)由于調(diào)制區(qū)域被測(cè)物理量的作用而使光波導(dǎo)的光強(qiáng)、波長(zhǎng)、頻率、位相及偏振態(tài)等特性發(fā)生變化，產(chǎn)生調(diào)制，經(jīng)過(guò)特定的干涉結(jié)構(gòu)，將這些調(diào)制信息轉(zhuǎn)換成強(qiáng)度信息的干涉圖樣。由此可以測(cè)量位移、流體速度、壓力、磁場(chǎng)、液溫、輻射、電壓（高壓）、電流（大電流）等許多依靠傳統(tǒng)干涉儀無(wú)法測(cè)量的物理量。104項(xiàng)目傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)光纖測(cè)量系統(tǒng)靈敏度小大穩(wěn)定性一般,易受環(huán)境影響較差，最易受環(huán)境影響操作性較差，可調(diào)點(diǎn)多好，可調(diào)點(diǎn)少，僅調(diào)節(jié)物光束體積結(jié)構(gòu)復(fù)雜，光路復(fù)雜，體積大結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，重量輕，光路簡(jiǎn)單光纖干涉測(cè)量系統(tǒng)與傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)的對(duì)比1051.邁克耳遜（Michelson）光纖干涉儀結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，抗干擾,體積小,穩(wěn)定性好,可和激光集成,光可能返回激光器,要求激光高度穩(wěn)定。應(yīng)用點(diǎn)測(cè)量，振動(dòng)、位移、應(yīng)變、溫度等優(yōu)點(diǎn)二、主要常用的光纖干涉儀結(jié)構(gòu)型式1062.馬赫-曾德?tīng)枺∕ach-Zehnder）光纖干涉儀無(wú)返回光，不影響光源的穩(wěn)定性測(cè)量位移、高電壓、大電流、磁場(chǎng)、應(yīng)力等應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)輸出的兩路干涉信號(hào)反相，非常便于后續(xù)電路作辨向、細(xì)分等處理1073.薩格奈克(Sagnac)光纖干涉儀應(yīng)用：用于測(cè)量轉(zhuǎn)角等能夠破壞相反方向傳播光束對(duì)稱性的物理量，最典型的應(yīng)用是光纖陀螺儀嚴(yán)格共路的干涉系統(tǒng)當(dāng)閉合光纖靜止時(shí)，兩光束傳播路徑相同。兩光纖拳相對(duì)慣性空間以轉(zhuǎn)速ω轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，則兩路光產(chǎn)生非互易性光程差，其干涉圖樣可反映出光程差和位相變化。108由Doppler效應(yīng)知:優(yōu)點(diǎn)靈敏度高、無(wú)機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)部分、體積小、成本低、結(jié)構(gòu)緊湊等109激光陀螺儀1104.法布里-珀羅(Fabry-Perot)光纖干涉儀特點(diǎn)：多光束干涉，在干涉條紋的峰值處衰減異常迅速，高靈敏度應(yīng)用：一般是利用腔長(zhǎng)或腔內(nèi)介質(zhì)折射率變化感知外界物理量，如溫度、應(yīng)力、位移、氣體濃度等111原理：當(dāng)在腔體中流過(guò)不同氣體時(shí)，折射率即發(fā)生變化，條紋就會(huì)變化或移動(dòng)，可分析不同的氣體成分；假設(shè)腔體中沒(méi)有流動(dòng)的氣體，其一端出口封閉，那么在腔體內(nèi)的氣體濃度逐漸增大，引起壓力、溫度的改變，使得干涉條紋也相應(yīng)的變化，可測(cè)定氣體濃度的變化。1122.光纖干涉測(cè)長(zhǎng)組成：定位干涉儀＋掃描測(cè)量干涉儀特點(diǎn)：設(shè)置有零位鏡，不會(huì)因掉電等因素而丟失，只要定位干涉儀能夠準(zhǔn)確地確定零位鏡的位置，就有一個(gè)固定不變的零位。原理：在任何一次測(cè)量中，只要測(cè)出目標(biāo)鏡相對(duì)零位鏡的距離值，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)一維空間任意位置的絕對(duì)測(cè)量，兩次測(cè)量的空間位置相對(duì)零位的距離值之差即是被測(cè)量點(diǎn)間的距離或長(zhǎng)度，測(cè)量可以間斷的進(jìn)行。對(duì)掃描干涉儀而言，掃描鏡在掃描過(guò)程中某兩個(gè)位置處將分別與系統(tǒng)零位鏡和目標(biāo)鏡產(chǎn)生等光程差，實(shí)現(xiàn)干涉定位，即113利用定位干涉儀的定位信號(hào)控制掃描干涉儀的測(cè)量，使其輸出位移值對(duì)應(yīng)于定位干涉儀零位點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)之間的位移量，從而實(shí)現(xiàn)絕對(duì)位移測(cè)量。定位目標(biāo)鏡對(duì)于零位鏡的總光程差為：測(cè)量指標(biāo)：范圍10m，精度2.6×10－53.全光光纖陀螺114傳統(tǒng)干涉儀的缺點(diǎn)：§2.7激光多波長(zhǎng)干涉測(cè)長(zhǎng)技術(shù)需要導(dǎo)軌,計(jì)時(shí)從始態(tài)到終態(tài)全部過(guò)程,中間不允許掉電；計(jì)數(shù)時(shí)間長(zhǎng)，測(cè)量長(zhǎng)度較大時(shí)耗時(shí)長(zhǎng),易受環(huán)境因素的影響；無(wú)零位，增量式測(cè)量,不能測(cè)量絕對(duì)位移。1892年，邁克爾遜把國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)米尺與Cd譜線波長(zhǎng)相比較提出了小數(shù)重合法。激光出現(xiàn)以后，研究者采用單一激光器產(chǎn)生的多個(gè)波長(zhǎng)，基于小數(shù)重合法進(jìn)行了無(wú)導(dǎo)軌測(cè)長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)了激光多波長(zhǎng)絕對(duì)距離的干涉測(cè)量。115光學(xué)絕對(duì)測(cè)量發(fā)展歷程1892年把國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)米尺與Cd譜線波長(zhǎng)相比較提出了小數(shù)重合法;激光出現(xiàn)以后，基于小數(shù)重合法進(jìn)行了無(wú)導(dǎo)軌測(cè)長(zhǎng)；1976年，G.L.Bourder和A.G.Orszag首先報(bào)導(dǎo)了使用CO2激光器進(jìn)行多波長(zhǎng)干涉測(cè)長(zhǎng)，為激光多波長(zhǎng)無(wú)導(dǎo)軌測(cè)量的開(kāi)端；1983年,日本計(jì)量研究所的H.Matsumoto提出了用He-Ne3.39μm單波長(zhǎng)和He-Ne3.37μm、3.51μm雙譜線組成三級(jí)合成波測(cè)量長(zhǎng)度；同年，G.L.Bourder利用兩支波導(dǎo)CO2激光器，實(shí)現(xiàn)了變波長(zhǎng)絕對(duì)距離測(cè)量;1985年，中國(guó)計(jì)量院陳元呂等人制成了以Zeeman激光為光源的無(wú)導(dǎo)軌測(cè)長(zhǎng)儀;1986午，H.Kikuta進(jìn)行了半導(dǎo)體激光外差干涉測(cè)長(zhǎng)的研究；清華大學(xué)的梁晉文教授等人用He-Ne3.39μm激光實(shí)現(xiàn)了多波長(zhǎng)無(wú)導(dǎo)軌測(cè)長(zhǎng)。116一、小數(shù)重合法對(duì)于干涉儀,如果能夠測(cè)量出干涉級(jí)的小數(shù)部分(細(xì)分,相位檢測(cè))，則實(shí)際長(zhǎng)度:如果已知道某一長(zhǎng)度的大略范圍，例如量塊,用一組已知波長(zhǎng)的光,進(jìn)行測(cè)量的話,真值對(duì)應(yīng)的一組已知的mi和εi

,如果能夠測(cè)出其小數(shù)部分則,容易推導(dǎo)出其真值，這種測(cè)量方法稱為小數(shù)重合法。采用小數(shù)重合法的典型儀器是柯氏(Kosters)干涉儀

柯氏干涉儀利用等厚原理進(jìn)行量塊長(zhǎng)度檢定需要三種或三種以上的波長(zhǎng)參加測(cè)量需要根據(jù)各波長(zhǎng)的分布，進(jìn)行相應(yīng)準(zhǔn)確度要求的預(yù)測(cè)117測(cè)量的次序:1.測(cè)出每一波長(zhǎng)的激光對(duì)應(yīng)的ε2.計(jì)算已知尺寸范圍間,所有波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)m及ε值3.測(cè)量和計(jì)算的ε組進(jìn)行比對(duì),如果相同,則計(jì)算的所對(duì)應(yīng)的尺寸,即是真值118若光源采用氦燈的紅、黃、綠三種譜線（λ1＝667.8186nm，

λ2＝587.5652nm，λ3＝501.5704nm），初測(cè)量塊的長(zhǎng)度在10.001和9.999之間，假設(shè)測(cè)量結(jié)果為——量塊長(zhǎng)度為10.00095mm不同譜線的干涉級(jí)次和量塊長(zhǎng)度的對(duì)應(yīng)關(guān)系《國(guó)家量塊檢定規(guī)程》規(guī)定：一等量塊的測(cè)量不確定度為U=（0.02+0.2L）μm119提高小數(shù)讀取的準(zhǔn)確度，會(huì)直接提高測(cè)量的不確定度。對(duì)單一波長(zhǎng)干