激光干涉測(cè)量技術(shù)合肥工業(yè)大學(xué)演示文稿_第1頁
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激光干涉測(cè)量技術(shù)合肥工業(yè)大學(xué)演示文稿本文檔共94頁;當(dāng)前第1頁;編輯于星期六\7點(diǎn)31分激光干涉測(cè)量技術(shù)合肥工業(yè)大學(xué)本文檔共94頁;當(dāng)前第2頁;編輯于星期六\7點(diǎn)31分第二章激光干涉測(cè)量技術(shù)

§2.1激光干涉測(cè)量長(zhǎng)度和位移一、干涉測(cè)長(zhǎng)的基本原理激光干涉的條件 1.頻率相同 2.相位差初始恒定 3.振動(dòng)方向相同(非正交) 4.小于波列長(zhǎng)度(Δτ≤1/Δυ)干涉數(shù)學(xué)表達(dá)式: 設(shè)兩路激光分別為

E1=Acos(ωt+?1)E2=Bcos(ωt+?2)本文檔共94頁;當(dāng)前第3頁;編輯于星期六\7點(diǎn)31分則合成有:

E=E1+E2=Acos(ωt+?1)+Bcos(ωt+?2)

=Acos(ωt+?1)+Bcos(ωt+?1?Δ?)

=Acos(ωt+?1)+Bcos(ωt+?1)cosΔ?+Bsin(ωt+?1)sinΔ?

=(A+BcosΔ?)cos(ωt+?1)+BsinΔ?sin(ωt+?1)

=A'cos(ωt+?1+Δ?2)Δφ=φ1-φ2Δφ2=arctanA+BcosΔφ ABsinΔφA'=A2+2ABcosΔ?+B2

I∝A2+2ABcosΔ?+B2本文檔共94頁;當(dāng)前第4頁;編輯于星期六\7點(diǎn)31分2πλ?2π?22?λnl)=2光的相位與走過的光程有關(guān):

Acos(ωt+?)=Bcos(ωt+?0?2π λnl)滿足相干條件時(shí)有

Acos(ωt+?)=Bcos(ωt+?0?

I∝A+B+2ABcos?(n1l1?n2l2)? ?

條紋可見度M=Imax?Imin2ABImax+IminA+B2本文檔共94頁;當(dāng)前第5頁;編輯于星期六\7點(diǎn)31分結(jié)論合成干涉光的光強(qiáng)是兩路光的光程差的余弦函數(shù)

I∝A2+B2+2ABcosΔ當(dāng)2π λ

NN

Δ=∑nili?∑njlj i=1j=1(n1l1?n2l2)=2kπ

合成干涉光光強(qiáng)最大,光越亮

2π當(dāng)λ(n1l1?n2l2)=(2k+1)π

合成干涉光光強(qiáng)最小,光越暗本文檔共94頁;當(dāng)前第6頁;編輯于星期六\7點(diǎn)31分應(yīng)用☆光強(qiáng)調(diào)制I∝cosΔ☆測(cè)量臂差測(cè)量明暗變化次數(shù),可測(cè)量臂差☆測(cè)量折射率L均固定,只有一處折射率變化☆傳感器通過物理量引起n或者L的變化,測(cè)出其變化,再經(jīng)過處理,反演出物理量的變化本文檔共94頁;當(dāng)前第7頁;編輯于星期六\7點(diǎn)31分n均固定/已知,一路光的光程固定,由下公式可知,即測(cè)量位移和長(zhǎng)度

NN

Δ=∑nili?∑njlj i=1j=1通過測(cè)量光強(qiáng)的變化的次數(shù),測(cè)量某臂的光程變化: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.中間過程不可忽略,要監(jiān)視整個(gè)測(cè)量測(cè)量的過程本文檔共94頁;當(dāng)前第8頁;編輯于星期六\7點(diǎn)31分以Michelson干涉儀為例:開始測(cè)量時(shí),兩束光的光程差為

Δ1=2n(Lm?Lc)測(cè)量結(jié)束時(shí),兩束光的光程差為

Δ2=2n(Lm+L?Lc)=2nL+Δ1

光程差變化量

dΔ=Δ2?Δ1=2nL

移動(dòng)距離L=Kλ

2本文檔共94頁;當(dāng)前第9頁;編輯于星期六\7點(diǎn)31分二、測(cè)量系統(tǒng)組成1.激光干涉系統(tǒng)2.條紋計(jì)數(shù)計(jì)數(shù)和處理結(jié)果的電子機(jī)械系統(tǒng)(一)干涉儀系統(tǒng)主要包括:光源、分束器、反射器、補(bǔ)償元器件1.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)、在可見光和紅外光區(qū)域有譜線本文檔共94頁;當(dāng)前第10頁;編輯于星期六\7點(diǎn)31分1.干涉儀常用分束方法(1)分波陣面法(2)分振幅法本文檔共94頁;當(dāng)前第11頁;編輯于星期六\7點(diǎn)31分(3)分偏振法(PBS)3.常用反射器(1)平面反射器(2)角錐棱鏡反射器(3)直角棱鏡反射器(4)貓眼反射器本文檔共94頁;當(dāng)前第12頁;編輯于星期六\7點(diǎn)31分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本文檔共94頁;當(dāng)前第13頁;編輯于星期六\7點(diǎn)31分兩半反半透鏡一體化光路雙光程光路本文檔共94頁;當(dāng)前第14頁;編輯于星期六\7點(diǎn)31分(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)倍頻本文檔共94頁;當(dāng)前第15頁;編輯于星期六\7點(diǎn)31分(4)零光程差的結(jié)構(gòu)布局(二)干涉條紋計(jì)數(shù)與測(cè)量結(jié)果處理系統(tǒng)

干涉條紋計(jì)數(shù)的要求: 能夠判斷方向,避免反向、大氣、環(huán)境振動(dòng)以及導(dǎo)軌的誤 差影響,能夠細(xì)分,提高分辨率 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)余弦變化本文檔共94頁;當(dāng)前第16頁;編輯于星期六\7點(diǎn)31分常用移相器種類 (1)機(jī)械法移相形成等厚干涉特點(diǎn):簡(jiǎn)單條紋間距易變,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。本文檔共94頁;當(dāng)前第17頁;編輯于星期六\7點(diǎn)31分(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本文檔共94頁;當(dāng)前第18頁;編輯于星期六\7點(diǎn)31分(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

優(yōu)點(diǎn)是兩光束受 振動(dòng)和大氣擾動(dòng) 的影響相同,元 件少,結(jié)構(gòu)緊湊。兩反兩透均一透一反缺點(diǎn)是兩相干光束的光強(qiáng)不同,影響條紋對(duì)比度本文檔共94頁;當(dāng)前第19頁;編輯于星期六\7點(diǎn)31分(4)分偏振法移相特點(diǎn):結(jié)構(gòu)較復(fù)雜不受大氣影響,可靠本文檔共94頁;當(dāng)前第20頁;編輯于星期六\7點(diǎn)31分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)?本文檔共94頁;當(dāng)前第21頁;編輯于星期六\7點(diǎn)31分=2三、條紋的對(duì)比度定義:明暗變化的比值M=Imax?Imin2ABImax+IminA+B21.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3.影響干涉條紋對(duì)比度的因素: 相干性、偏振態(tài)、光強(qiáng)、背景光、各種環(huán)境因素 如振動(dòng)、熱變性等本文檔共94頁;當(dāng)前第22頁;編輯于星期六\7點(diǎn)31分四、應(yīng)用舉例1.激光比長(zhǎng)儀本文檔共94頁;當(dāng)前第23頁;編輯于星期六\7點(diǎn)31分2.激光跟蹤干涉儀3.Renishaw新型單頻激光干涉儀本文檔共94頁;當(dāng)前第24頁;編輯于星期六\7點(diǎn)31分4.激光小角度干涉儀H=kλ4∴α=arcsinHRH=kλ

8∴α=arcsinHR本文檔共94頁;當(dāng)前第25頁;編輯于星期六\7點(diǎn)31分小角度測(cè)量?jī)x:測(cè)量范圍一般在±1°以內(nèi),最大測(cè)量誤差±0.05″,采用下圖,可達(dá)95°,測(cè)量精度±0.3″本文檔共94頁;當(dāng)前第26頁;編輯于星期六\7點(diǎn)31分§2.2激光外差干涉測(cè)量系統(tǒng)傳統(tǒng)干涉測(cè)量系統(tǒng)的特點(diǎn)1.測(cè)量精度高,前置放大器為直流放大器2.對(duì)環(huán)境要求高,不允許光強(qiáng)有較大的變化3.抗干擾能力差,一般工作在恒溫、防震條件下本文檔共94頁;當(dāng)前第27頁;編輯于星期六\7點(diǎn)31分?在某一光臂中引入一定頻率的載波,被測(cè)信息通過載波傳遞,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?解決:1、濾掉了背景噪聲2、濾掉了直流放大器的噪聲本文檔共94頁;當(dāng)前第28頁;編輯于星期六\7點(diǎn)31分一、Zeeman雙頻激光干涉儀本文檔共94頁;當(dāng)前第29頁;編輯于星期六\7點(diǎn)31分Bsin(Δωt+Δ?)(t(ωω1E=E1+E2=Acos(ω1t+?1)+Bcos(ω2t+?2)

=Acos(ω1t+?1)+Bcos(ω1t+?1t?(ω1?ω2)t?(?1??2))=Acos(1t+?1)+Bcos(1t+?1)cosΔω+Δ?)+Bsin(ωt+?1)sinΔωt+Δ?)=(A+Bcos(Δωt+Δ?))cos(ω1t+?1)+Bsin(Δωt+Δ?)sin(ω1t+?1)=A'cos(ω1t+?1+?3)Δφ=φ1-φ2Δω=ω1-ω2?3=arctanA+Bcos(Δωt+Δ?)

A'=A2+2ABcos(Δωt+Δ?)+B2I∝A2+2ABcos(Δωt+Δ?)+B2本文檔共94頁;當(dāng)前第30頁;編輯于星期六\7點(diǎn)31分∫0t2、測(cè)量臂 由于M2的運(yùn)動(dòng)由Doppler效應(yīng)知:Δf=2v c?f=2v λ測(cè)量鏡移動(dòng)距離L為L(zhǎng)=∫0tvdt=∫0tλ

2Δfdt=λt2∫0Δfdt=λ

2?N其中N=Δfdt=

t∑Δf

0?Δt為記錄下來的累計(jì)脈沖數(shù)本文檔共94頁;當(dāng)前第31頁;編輯于星期六\7點(diǎn)31分電路靜態(tài)頻率f1?f2動(dòng)態(tài)頻率f1?f2±Δf為不失真,應(yīng)滿足

f1?f2≥3Δf

允許測(cè)量速度約為150mm/s本文檔共94頁;當(dāng)前第32頁;編輯于星期六\7點(diǎn)31分測(cè)量角度本文檔共94頁;當(dāng)前第33頁;編輯于星期六\7點(diǎn)31分本文檔共94頁;當(dāng)前第34頁;編輯于星期六\7點(diǎn)31分1tλ0tλ00測(cè)量空氣折射率Δfn=2v cfv=L?dn/dtΔfn=2Lλ0?dn/dt∫0tΔfn?dt=∫nm2Lλ0?dnnm?1=2L∫0Δfn?dt=λ02L∑Δf?Δt=2LN本文檔共94頁;當(dāng)前第35頁;編輯于星期六\7點(diǎn)31分2.2.2聲光調(diào)制雙頻外差干涉儀1.聲光調(diào)制器本文檔共94頁;當(dāng)前第36頁;編輯于星期六\7點(diǎn)31分2.聲光調(diào)制雙頻外差測(cè)振儀本文檔共94頁;當(dāng)前第37頁;編輯于星期六\7點(diǎn)31分本文檔共94頁;當(dāng)前第38頁;編輯于星期六\7點(diǎn)31分

§2.4激光全息干涉測(cè)量系統(tǒng)全息的來源: 1948年蓋伯(D.Gebar)提出用一個(gè)合適的相干照射 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)應(yīng)用:全息測(cè)量系統(tǒng) 全息存儲(chǔ) 全息防偽無損檢測(cè)全息電影本文檔共94頁;當(dāng)前第39頁;編輯于星期六\7點(diǎn)31分每毫一、全息技術(shù)的基本原理其過程分:1、全息圖的記錄2、物光波再現(xiàn)1、全息圖的記錄普通照相: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)及相位米記錄1000個(gè)以上條紋記錄介質(zhì):鹵化銀乳膠和重鉻酸鹽乳膠本文檔共94頁;當(dāng)前第40頁;編輯于星期六\7點(diǎn)31分0設(shè)物光:E0=A0ejΦ0則干板前的光強(qiáng)和相位分布應(yīng)該為x、y的函數(shù)即E0=A0(x,y)ejΦ(x,y)參考光束:平面波E0=ArejΦrΦr=2πsini/λy所以:E0=ArejΦr=Arejay本文檔共94頁;當(dāng)前第41頁;編輯于星期六\7點(diǎn)31分0r所以干板上的光強(qiáng)分布:

I(x,y)=(E0+Er)(E*+E*)=Ar2+A02(x,y)+ArA0(x,y)ej(ay-j(x,y))+ArA0(x,y)e-j(ay-j(x,y))=Ar2+A02(x,y)+2ArA0(x,y)cos(ay-j(x,y))Ar固定和參考光相位ay是已知規(guī)律變化的所以:干板記錄的信息主要是記錄了物光的光強(qiáng)及相位信息本文檔共94頁;當(dāng)前第42頁;編輯于星期六\7點(diǎn)31分經(jīng)過一定時(shí)間的照射,完成曝光,然后把干板取下,經(jīng)顯影、定影、制成全息底片以上過程稱為全息記錄本文檔共94頁;當(dāng)前第43頁;編輯于星期六\7點(diǎn)31分2.物光波再現(xiàn)全息底片的透射率是t(x,y)是記錄過程時(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,并去掉物體及物體照射光束本文檔共94頁;當(dāng)前第44頁;編輯于星期六\7點(diǎn)31分22+2222e3Ee(x,y)=t(x,y)Er=m(Ar+A0(x,y)+ArA0(x,y)ej(ay-φ0(x,y))ArA0(x,y)e-j(ay-φ0(x,y)))?Arejay=m(Ar+A0(x,y))Are+mAr2A0(x,y)ejφ0(x,y) j2ay-jφ0(x,y)+mA0(x,y)Arejay1本文檔共94頁;當(dāng)前第45頁;編輯于星期六\7點(diǎn)31分01.參考光的透射光束 幅度被物光調(diào)制,方向不變m(Ar2+A02(x,y))Arejay2.與物光光波相同的透射光波Ar2A0(x,y)ejφ0(x,y))

方向不變,光強(qiáng)變化mAr2倍3.與2共軛的匯聚光波 方向與2共軛,光強(qiáng)變化mAr2mA0(x,y)Ar2ej2aye-jφ(x,y)倍,相位疊加了一線性值本文檔共94頁;當(dāng)前第46頁;編輯于星期六\7點(diǎn)31分本文檔共94頁;當(dāng)前第47頁;編輯于星期六\7點(diǎn)31分3.全息干涉條紋的調(diào)制度

I(x,y)=Ar2+A02(x,y)+2ArA0(x,y)cos(ay-j(x,y))=Ar2+A02(x,y)[1+ 2ArA0(x,y) M= Ar2+A02(x,y)

2ArA0(x,y)Ar2+A02(x,y)cos(ay-j(x,y))]

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本文檔共94頁;當(dāng)前第48頁;編輯于星期六\7點(diǎn)31分????全息照相的特點(diǎn):三維立體圖(或四維)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)單純的全息技術(shù)應(yīng)用:1、全息圖像顯示:照片;圖片;郵票;書籍、雜志的封皮與插頁等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;居民身份證等本文檔共94頁;當(dāng)前第49頁;編輯于星期六\7點(diǎn)31分3、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);圖像的假彩色編碼。5、全息存儲(chǔ):①存儲(chǔ)容量大②記錄速度快③記錄信息不易丟失(冗余好)④便于長(zhǎng)期保存⑤便于拷貝Inphase公司的全息存儲(chǔ)器本文檔共94頁;當(dāng)前第50頁;編輯于星期六\7點(diǎn)31分二、全息干涉測(cè)量技術(shù)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),今行測(cè)量分析工作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。常用的測(cè)量方法主要有:1.實(shí)時(shí)法2.二次曝光法3.時(shí)間平均法本文檔共94頁;當(dāng)前第51頁;編輯于星期六\7點(diǎn)31分1.實(shí)時(shí)法一次全息圖制作→復(fù)原安裝→再現(xiàn)對(duì)準(zhǔn)應(yīng)用:實(shí)時(shí)觀察不同條件下的變形情況,如溫度\壓力\內(nèi)部情況特點(diǎn):1.只需一次制作全息底片2.方便,節(jié)省時(shí)間,特別適合透明介質(zhì)的一些現(xiàn)象3.復(fù)位精度要求高4.使用時(shí)間短,條件要求高,乳膠易收縮變形,產(chǎn)生附加條紋本文檔共94頁;當(dāng)前第52頁;編輯于星期六\7點(diǎn)31分2.二次曝光法原位曝光/遮光→物體發(fā)生變化→再次曝光→顯影/定影→顯示觀察應(yīng)用:瞬態(tài)現(xiàn)象研究,如沖擊波、流體、燃燒等特點(diǎn):

不需要高復(fù)位精度 不需要監(jiān)視變化整個(gè)過程 原位完成所有過程,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)盡量激光頻率變化本文檔共94頁;當(dāng)前第53頁;編輯于星期六\7點(diǎn)31分3.時(shí)間平均法注意:曝光時(shí)間遠(yuǎn)大于振動(dòng)的周期常用于振動(dòng)模式分析本文檔共94頁;當(dāng)前第54頁;編輯于星期六\7點(diǎn)31分全息干涉測(cè)量的特點(diǎn)項(xiàng)目?jī)?yōu)點(diǎn)干涉技術(shù)簡(jiǎn)單、光滑表面單點(diǎn)或多點(diǎn)測(cè)量全息干涉測(cè)量任意形狀、對(duì)表面幾乎無要求三維表面需要全程檢測(cè)過程可僅比較起始和終了兩個(gè)時(shí)刻 的狀態(tài)缺點(diǎn)

范圍大,小于激光范圍小,僅幾十um 的相干長(zhǎng)度全息測(cè)量的特點(diǎn)及與傳統(tǒng)干涉測(cè)量的比較本文檔共94頁;當(dāng)前第55頁;編輯于星期六\7點(diǎn)31分三、全息干涉測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用1.測(cè)量氣缸內(nèi)孔本文檔共94頁;當(dāng)前第56頁;編輯于星期六\7點(diǎn)31分2.發(fā)動(dòng)機(jī)活塞變形本文檔共94頁;當(dāng)前第57頁;編輯于星期六\7點(diǎn)31分3.缺陷檢測(cè)常用的方法:實(shí)時(shí)法和時(shí)間平均法原理:當(dāng)試件存在缺陷時(shí),在外觀、表面會(huì)存在變化,例如:脫膠、脫落、內(nèi)部裂紋等本文檔共94頁;當(dāng)前第58頁;編輯于星期六\7點(diǎn)31分4.檢測(cè)光學(xué)玻璃的均勻性常用方法:實(shí)時(shí)法、二次曝光法用途:測(cè)量透明介質(zhì)的一些物理場(chǎng)信息如:溫度、力場(chǎng)、流速、均勻性等信息本文檔共94頁;當(dāng)前第59頁;編輯于星期六\7點(diǎn)31分

§2.5激光散斑干涉測(cè)量系統(tǒng)1970年Leendez開創(chuàng)了光學(xué)粗糙表面的干涉測(cè)量方法,稱這種方法為散斑干涉測(cè)量一、散斑的概念散斑:當(dāng)一束激光照射到物體的粗糙表面上時(shí),其反射的光束中亮斑與暗斑的分布雜亂,顧稱為散斑(Speckle)其實(shí)質(zhì):經(jīng)粗糙表面漫反射后的光,空間干涉的結(jié)果,所以是非物體表面的像

其分布與照射的表面有關(guān)(小)本文檔共94頁;當(dāng)前第60頁;編輯于星期六\7點(diǎn)31分散斑產(chǎn)生的條件:1)粗糙表面,h>λ產(chǎn)生均勻散斑2)必須有高相干光散斑照相:被激光照射的粗糙表在透鏡的像面上形成的散斑圖同全息相比,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,利用變化后的形成的散斑干涉,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),外加一相干的參考光,例如

平面波,球面波或者穩(wěn)定的其他散圖均可應(yīng)用:測(cè)量位移、應(yīng)變、振動(dòng)、粗糙度等本文檔共94頁;當(dāng)前第61頁;編輯于星期六\7點(diǎn)31分kλ)二、散斑干涉測(cè)量技術(shù)

1.測(cè)量縱向位移

當(dāng)O有位移時(shí),參考光與物光 的相位差為:δφ=2π

λ2δz根據(jù)相干的條件當(dāng)δφ=2kπ時(shí),即:

δz=

2

與初始上干涉狀態(tài)一致。 當(dāng)δφ=(2k+1)π時(shí),即:δz=(k+1λ22圖像明暗反轉(zhuǎn)本文檔共94頁;當(dāng)前第62頁;編輯于星期六\7點(diǎn)31分通過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)本文檔共94頁;當(dāng)前第63頁;編輯于星期六\7點(diǎn)31分2.測(cè)量橫向位移

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 考光的相位變化一直,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:Δ=2dsinθ相位變化為:δφ=2π

λ2dsinθ當(dāng)Δ=2dsinθ=mλ時(shí),恢復(fù)初始狀態(tài)本文檔共94頁;當(dāng)前第64頁;編輯于星期六\7點(diǎn)31分三、電子散斑干涉測(cè)量技術(shù)(ESPI)ESPI:主要相對(duì)于傳統(tǒng)光學(xué)記錄方式而言,主要指CCD采集的

散斑場(chǎng)信息,這樣可以進(jìn)行電子處理或者計(jì)算機(jī)處理。ESPI的特點(diǎn):電子技術(shù)提取信息,可以直接顯示和保存散斑

圖,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,不需要復(fù)雜的顯影、定影及復(fù)定位技術(shù)要求普通散斑技術(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)量較粗糙的表面本文檔共94頁;當(dāng)前第65頁;編輯于星期六\7點(diǎn)31分基本原理ifA0=a1ejφ1Ar=a2ejφ2CCDlightintensity: I=a12+a22+2a1a2cos(φ1-φ2)ifΑ0=a1ej(φ1+Δφ) I=a12+a22+2a1a2cos(φ1-φ2+Δφ)當(dāng)Δφ=2kπ,光強(qiáng)不變當(dāng)Δφ=(2k+1)π,光強(qiáng)變化 最劇烈其他,變化程度與Δφ有關(guān)CCD感受的光強(qiáng)為參考光的余弦調(diào)制本文檔共94頁;當(dāng)前第66頁;編輯于星期六\7點(diǎn)31分

基本原理ESPI處理:一般圖像間相減,其結(jié)果:ΔI=2a1a2[cos(φ1-φ2)-cos(φ1-φ2+Δφ

)]相減后,光強(qiáng)分布仍然是Δφ的余弦分布函數(shù),即干涉

條紋與Δφ有關(guān),這種條紋反映出的是兩次散斑干

涉間的光強(qiáng)分布之間的相關(guān)性,稱為相關(guān)條文由于Δφ,與光程有關(guān),反應(yīng)出的是物面的變形或位移的多少本文檔共94頁;當(dāng)前第67頁;編輯于星期六\7點(diǎn)31分四、散斑干涉測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用1.測(cè)量表面粗糙度本文檔共94頁;當(dāng)前第68頁;編輯于星期六\7點(diǎn)31分2.測(cè)量?jī)?nèi)孔的表面質(zhì)量本文檔共94頁;當(dāng)前第69頁;編輯于星期六\7點(diǎn)31分

§2.5激光光纖干涉測(cè)量系統(tǒng)一、基本概念

光纖:光導(dǎo)纖維簡(jiǎn)稱 材料:玻璃-纖芯及包層為玻璃膠套硅光纖-芯玻璃包層塑料纖包保護(hù)塑料-均為塑料芯層套類型:階越式梯度型光纖特點(diǎn):1.傳輸頻帶寬、通訊容量大3.不受電磁波/環(huán)境光干擾5.抗化學(xué)腐蝕2.信號(hào)損耗低4.線徑細(xì)、重量輕5.可彎曲本文檔共94頁;當(dāng)前第70頁;編輯于星期六\7點(diǎn)31分穩(wěn)定對(duì)比光學(xué)器件組成的系統(tǒng),光纖測(cè)量系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì):項(xiàng)目靈敏傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)小,精度低光纖測(cè)量系統(tǒng)大,精度高度

一般,易受環(huán)境影響好,不受大氣、電磁影響性操作性體積較差,可調(diào)點(diǎn)多結(jié)構(gòu)復(fù)雜,光路復(fù)雜,體積大好,可調(diào)點(diǎn)少,僅調(diào)節(jié)物光束結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,體積小,重量輕,光路簡(jiǎn)單,應(yīng)用:航空/航天石油化工/采礦業(yè) 圖像傳輸計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)傳感器等醫(yī)療通訊本文檔共94頁;當(dāng)前第71頁;編輯于星期六\7點(diǎn)31分二、主要常用的光纖干涉儀結(jié)構(gòu)型式主要型式:1.邁克耳遜(Michelson)光纖干涉儀2.馬赫-澤德(Mach-Zehnder)光纖干涉儀3.薩格奈克(Sagnac)光纖干涉儀4.法布里-珀羅(Fabry-Perot)光纖干涉儀本文檔共94頁;當(dāng)前第72頁;編輯于星期六\7點(diǎn)31分1.邁克耳遜(Michelson)光纖干涉儀優(yōu)點(diǎn):

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,溫度等本文檔共94頁;當(dāng)前第73頁;編輯于星期六\7點(diǎn)31分2.馬赫-澤德(Mach-Zehnder)光纖干涉儀特點(diǎn):無返回光,不影響激光 輸出自動(dòng)正余函數(shù)便于細(xì)分應(yīng)用:測(cè)量位移高電壓大電流磁場(chǎng)應(yīng)力等本文檔共94頁;當(dāng)前第74頁;編輯于星期六\7點(diǎn)31分3.薩格奈克(Sagnac)光纖干涉儀

光纖陀螺,測(cè)量角速度: 由Doppler效應(yīng)知:

V=rω Clockwise:fc=

cλc=c-rω

λ\λc=

cλc-rωPhaseatDetectorΔφc=2π

λc2πrN=4π2rN cλ(c-rω)Anti-clockwise:Δφa=2π

λc2πrN=4π2rN cλ(c+rω)\Δφ=Δφa-Δφc=8π2r2Nω cλ本文檔共94頁;當(dāng)前第75頁;編輯于星期六\7點(diǎn)31分4.法布里-珀羅(Fabry-Perot)光纖干涉儀又稱:F-P干涉儀特點(diǎn):多光束干涉,高靈敏度用途:波長(zhǎng)的精密測(cè)量 光譜線精細(xì)結(jié)構(gòu)的研究其間隔固定不變——法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具其間隔可以改變——法布里-珀羅干涉儀本文檔共94頁;當(dāng)前第76頁;編輯于星期六\7點(diǎn)31分三、光纖干涉儀應(yīng)用1.F-P干涉儀分析氣體成分本文檔共94頁;當(dāng)前第77頁;編輯于星期六\7點(diǎn)31分2.光纖干涉測(cè)長(zhǎng)準(zhǔn)白光干涉本文檔共94頁;當(dāng)前第78頁;編輯于星期六\7點(diǎn)31分3.光纖干涉儀測(cè)量溫度、壓力本文檔共94頁;當(dāng)前第79頁;編輯于星期六\7點(diǎn)31分4.光纖陀螺特點(diǎn):靈敏度高可達(dá)0.02o/h質(zhì)量輕,體積小,成本低結(jié)構(gòu)緊湊,可作為制導(dǎo)、導(dǎo)航用。本文檔共94頁;當(dāng)前第80頁;編輯于星期六\7點(diǎn)31分§2.5激光多波長(zhǎng)干涉測(cè)量系統(tǒng)傳統(tǒng)干涉儀:1)需要導(dǎo)軌,計(jì)時(shí)從始態(tài)到終態(tài)全部過程,中間不允許掉電.2)計(jì)數(shù)時(shí)間長(zhǎng),測(cè)量長(zhǎng)度較大時(shí)耗時(shí)時(shí)間長(zhǎng),易受環(huán)境因素的影響3)無零位,增量式測(cè)量,不能測(cè)量絕對(duì)位移本文檔共94頁;當(dāng)前第81頁;編輯于星期六\7點(diǎn)31分光學(xué)絕對(duì)測(cè)量簡(jiǎn)史1.1892年把國際標(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)行無導(dǎo)軌測(cè)長(zhǎng)2.1976年,G.LBourder和AG.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)3.1983年,日本計(jì)量研究所的HMatsumoto提出了用He—Ne3.39um

單波長(zhǎng)和He-Ne3.37um,3.51um雙譜線組成三級(jí)合成波測(cè)量長(zhǎng)度4.同年,CL.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5.1985年,中國計(jì)量院陳元呂等人制成了以Zeeman激光為光源的無導(dǎo)軌測(cè)長(zhǎng)儀6.1986午,H.Kikuta進(jìn)行了半導(dǎo)體激光外差干涉測(cè)長(zhǎng)的研究。7.清華大學(xué)的梁晉文教授等人用He-Ne3.39um激光實(shí)現(xiàn)了多波長(zhǎng)無導(dǎo)軌測(cè)長(zhǎng).本文檔共94頁;當(dāng)前第82頁;編輯于星期六\7點(diǎn)31分λi2i一、小數(shù)重合(柯氏干涉儀)對(duì)于干涉儀其測(cè)量的公式:L=λ2N如果能夠測(cè)量出條紋間的距離(細(xì)分,相位檢測(cè)等)則實(shí)際長(zhǎng)度:L=(m+εi)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。本文檔共94頁;當(dāng)前第83頁;編輯于星期六\7點(diǎn)31分測(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,即是真值本文檔共94頁;當(dāng)前第84頁;編輯于星期六\7點(diǎn)31分-2二、合成波長(zhǎng)

小數(shù)重合法時(shí),用兩個(gè)波長(zhǎng)進(jìn)行測(cè)量:L=L=λ1

2λ2

2(m1+ε1)(m2+ε2)2L

λ1

2L

λ2=(m1+ε1) =(m2+ε2)2L2L

λ1λ2=m1-m2+ε1-ε2=m3+

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