1、第12課干涉測量技術第一頁，共72頁。由于科學技術的進步，干涉測量技術已經得到相當廣泛的應用。一方面是因為微電子、微機械、微光學和現代工業提出了愈來愈高的精度和更大量程的要求，其它方法難以勝任；另一方面因為當代干涉測量技術本身具有靈敏度高、量程大、可以適合惡劣環境、光波和米定義聯系而容易溯源等特點，因而在現代工業中應用非常廣泛。現代干涉技術是物理學理論和當代技術有機結合的產物。激光、光電探測技術和信號處理技術對于干涉測量的發展起著重要的作用。目前已經有許多成熟的干涉儀產品，覆蓋了相當大的應用范圍。但是，干涉儀畢竟不是簡單的工具，仍有許多新的應用領域有待開發和研究。因此，需要更加深入的學習。In

2、troduction第二頁，共72頁。特點：具有更高的精度和靈敏度（納米）；非接觸式，不會對被測件帶來表面損傷和附加誤差；較大的量程范圍；較強的抗電磁干擾能力；在精密測量、精密加工和實時測控的諸多領域應用廣泛。第三頁，共72頁。應用測位移（微納工作臺）測直線度測角測面形第四頁，共72頁。干涉 (Interference)計算條紋間距？第五頁，共72頁。第六頁，共72頁。干涉原理光干涉的基礎是光波的疊加原理。由波動光學知道，兩束相干光波在空間某點相遇而產生的干涉條紋光強分布為：第七頁，共72頁。兩平面波干涉位相差兩光束到達某點的光程差 滿足的光程差相同的點形成的亮線叫亮紋。滿足 的光程差相同的點

3、形成的暗線叫暗紋，亮紋和暗紋組成干涉條紋。其中 m 是干涉條紋的干涉級次。 第八頁，共72頁。第九頁，共72頁。干涉條件通常能夠產生干涉條紋的兩列光波必須滿足三個基本相干條件：頻率相同振動方向相同恒定的位相差 靜態穩定干涉場的條件第十頁，共72頁。干涉條紋對比度可定義為 式中，Imax、Imin 分別為靜態干涉場中光強的最大值和最小值，也可以理解為動態干涉場中某點的光強最大值和最小值。當 Imin = 0 時 K1，對比度有最大值；而當 Imax= Imin時K0，條紋消失。在實際應用中，對比度一般都小于1。對目視干涉儀可以認為：當K0.75時，對比度就算是好的；而當K0.5時，可以算是滿意的

4、；當K0.1時，條紋尚可辨認，但是已經相當困難的了。對動態干涉測試系統，對條紋對比度的要求就比較低。干涉條紋對比度第十一頁，共72頁。條紋對比度受哪些因素影響？光源的時間相干性（單色性）光源的空間相干性（大小）兩光束的光強比例雜散光偏振度環境第十二頁，共72頁。影響干涉條紋對比度的因素光源的單色性與時間相干性干涉場中實際見到的條紋是到 中間所有波長的光干涉條紋疊加的結果。當 的第 m 級亮紋與的第 m +1 級亮紋重合后，所有亮紋開始重合，而在此之前則是彼此分開的。則尚能分辨干涉條紋的限度為第十三頁，共72頁。各種波長干涉條紋的疊加+第十四頁，共72頁。在波動光學中，把光通過相干長度所需要的時

5、間稱為相干時間，其實質就是可以產生干涉的波列持續時間。因此，激光光源的時間相干性比普通光源好得多，一般在激光干涉儀的設計和使用時不用考慮其時間相干性。 由此得最大干涉級m/ ，與此相應的尚能產生干涉條紋的兩支相干光的最大光程差(或稱光源的相干長度)為第十五頁，共72頁。影響干涉條紋對比度的因素光源大小與空間相干性干涉圖樣的照度，在很大程度上取決于光源的尺寸，而光源的尺寸大小又會對各類干涉圖樣對比度有不同的影響:由平行平板產生的等傾干涉，無論多么寬的光源尺寸，其干涉圖樣都有很好的對比度。楊氏干涉實驗只在限制狹縫寬度的情況下，才能看清干涉圖樣。由楔形板產生的等厚干涉圖樣，則是介于以上兩種情況之間。

6、第十六頁，共72頁。光闌孔大小對干涉條紋對比度的影響 a) b) c)第十七頁，共72頁。在干涉測量中，采取盡量減小光源尺寸的措施，固然可以提高條紋的對比度，但干涉場的亮度也隨之減弱。當采用激光作為光源時，因為光源上各點所發出的光束之間有固定的相位關系，形成的干涉條紋也有固定的分布，而與光源的尺寸無關。激光光源的大小不受限制，激光的空間相干性比普通光源好得多。第十八頁，共72頁。影響干涉條紋對比度的因素相干光束光強不等和雜散光的影響設兩支相干光的光強為I2=nI1，則有對比度K與兩支干涉光強比n的關系可見，沒有必要追求兩支相干光束的光強嚴格相等。尤其在其中一支光束光強很小的情況下，人為降低另一

7、支光束的光強，甚至是有害的。因為這會導致不適當地降低干涉圖樣的照度，從而提升了人眼的對比度靈敏閾值，不利于目視觀測。 第十九頁，共72頁。非期望的雜散光進入干涉場，會嚴重影響條紋對比度。設混入兩支干涉光路中雜散光的強度均為 ，則影響干涉條紋對比度的因素相干光束光強不等和雜散光的影響于是第二十頁，共72頁。影響干涉條紋對比度的因素相干光束光強不等和雜散光的影響當n = 1時，有在干涉儀中各光學零件的每個界面上都產生光的反射和折射，其中非期望的雜散光線，能以多種可能的路徑進入干涉場。尤其是在用激光作光源的干涉測量中，由于激光具有極好的空間相干性，使系統中存在的雜散光很容易形成寄生條紋。解決雜散光的

8、主要技術措施有：光學零件表面正確鍍增透膜，適當設置針孔光闌，正確選擇分束器。其中尤以第三點為問題的關鍵。 比較式可見，在光強之比 n 較小時，雜散光對條紋對比度的影響遠比兩支干涉光的光強不相等的影響要嚴重得多。 第二十一頁，共72頁。影響干涉條紋對比度的因素小結：對于所有類型的干涉儀，干涉條紋圖樣對比度降低的普遍原因是：光源的時間相干性；光源的空間相干性；相干光束的光強不等；雜散光的存在；各光束的偏振狀態差異；振動、空氣擾動、干涉儀結構的剛性不足等。第二十二頁，共72頁。怎樣獲得兩束相干光？分波前分振幅第二十三頁，共72頁。分波前法將光源發出的球面波/平面波從空間上進行分離，進入兩個光通道，最

9、后重新匯合第二十四頁，共72頁。Thomas YoungRayleigh第二十五頁，共72頁。FresnelLloyd第二十六頁，共72頁。Fresnel PrismMichelson Stellar第二十七頁，共72頁。BilletMeslin第二十八頁，共72頁。分振幅法光源發出的光束，通過反射/折射進行分離，經過不同的光通道后匯合第二十九頁，共72頁。FizeauPlate第三十頁，共72頁。JaminMach-Zehnder第三十一頁，共72頁。Michelsonbirefringentgrating第三十二頁，共72頁。等傾干涉與等厚干涉等傾干涉：第三十三頁，共72頁。等厚干涉：第三

10、十四頁，共72頁。第三十五頁，共72頁。干涉儀(Interferometer)第三十六頁，共72頁。Albert Abraham Michelson邁克爾遜因發明干涉儀和光速的測量而獲得1907年諾貝爾物理學獎金。 SM1M2G1G2EM2a1a1a2a2半透半反膜補償板反射鏡反射鏡光源觀測裝置虛薄膜第三十七頁，共72頁。由M2反射的光束可以當作是從它虛像M2反射過來的，這樣，發生干涉的光束相當于M1與M2之間的空氣薄膜反射形成的。第三十八頁，共72頁。M2M1M2M2M2M2M2M2M2M2M2M1M1M1M1M1M1M1M1M1與重 合等厚干涉條紋等傾干涉條紋邁克耳遜干涉儀的干涉條紋第三十

11、九頁，共72頁。吐級dM11M1M2M2M1MM2與 之間的平行空氣膜產生的等傾干涉條紋1M1M2ldN若 平移 d 使空氣膜加厚時吐出了 N 級條紋. 則1M加厚時吐出第四十頁，共72頁。吞級2MM11M1M2Md1M1M2ldN若 平移 d 使空氣膜減薄時吞進了 N 級條紋. 則1M減薄時吞進第四十一頁，共72頁。移級1M1M1M1M2Md1MM2與 構成的空氣劈尖產生的等厚干涉條紋2ldN平移d,條紋右移(或左移)N級.1M第四十二頁，共72頁。干涉測量系統組成1.激光干涉系統2.條紋計數計數和處理結果的電子機械系統干涉儀系統主要包括：光源、分束器、反射器、補償元器件第四十三頁，共72頁

12、。 激光頭 干涉儀本體 穩頻器 氦氖激光器 準直透鏡 光電組合體 光電轉換 放大 鑒向倍頻 整形 大氣修正 計算機 輸出第四十四頁，共72頁。第四十五頁，共72頁。激光干涉儀中的光源 最主要的要求就是波長的單色性和穩定性，波長的穩定性直接影響測量的不確定度，所以大多數激光干涉儀采用穩頻 He-Ne激光器，波長632.8nm，波長穩定性可以達到10-7第四十六頁，共72頁。“米”的定義米原器：鉑銥合金氪86原子譜線607.5nm波長：穩定性4x10-9光速：299 792 458m/s，推薦了八種激光器甲烷穩頻3.39um He-Ne激光碘穩頻576nm 染料激光碘穩頻633nm HeNe激光碘

13、穩頻612nm HeNe激光碘穩頻515nm 氬離子激光碘穩頻543nm HeNe激光碘穩頻640nm HeNe激光鈣束穩頻657nm染料激光第四十七頁，共72頁。干涉儀中的常用反射鏡平面反射器角錐棱鏡反射器（圖a）直角棱鏡反射器（圖b）貓眼反射器 （圖c）第四十八頁，共72頁。干涉儀的光路布局共光路原則：測量光束與參考光束接近同一路徑，可將參考光束轉折與測量光平行測量光束和參考光束盡量等光程消除振動、溫度、氣流等影響阿貝原則：被測量點與干涉儀測點盡量在一條直線（延長線）上，減小阿貝誤差考慮測量精度、條紋對比度、穩定性及實用性等因素避免光返回激光器第四十九頁，共72頁。干涉儀的光路布局第五十頁

14、，共72頁。光學倍頻第五十一頁，共72頁。干涉儀中的移相器：在干涉信號后處理中常需要對條紋進行計數需要相差90度的兩個信號才能進行判別被測物移動的方向（判向），一個信號按正弦移動，另外一個按余弦移動這兩個信號可以用來判別方向外，還可以用來對條紋進行細分，提高測量的分辨率第五十二頁，共72頁。機械法移相第五十三頁，共72頁。狹縫移相第五十四頁，共72頁。階梯板移相第五十五頁，共72頁。翼形板移相第五十六頁，共72頁。偏振移相第五十七頁，共72頁。干涉條紋計數如果只有一組干涉條紋信號輸入計數器，工作臺的微小倒退信號也會引起計數器增加計數，帶來誤差，因此需要判斷工作臺的運動方向，而且計數器具有減的功

15、能，即需要“可逆計數器”；設計方向判別部分，將記數脈沖分為加脈沖和減脈沖兩種。使得當測量鏡正向移動時產生的脈沖為正脈沖，而反向移動時產生的脈沖為負脈沖。第五十八頁，共72頁。判向計數原理干涉條紋計數時，通過移相獲得兩路相差/2的干涉條紋的光強信號，該信號經放大，整形，倒向及微分等處理,可以獲得四個相位依次相差/2的脈沖信號。實現干涉條紋的四倍頻記數。相應的測量方程變為 判向計數原理框圖第五十九頁，共72頁。1、2光電元件；3干涉條紋第六十頁，共72頁。sin cos00(sin)(-sin)(cos)(-cos)(sin)(-sin)(cos)(-cos)(-cos)(cos)(-cos)(c

16、os)(cos)超前(cos)滯后123434干涉條紋計數判向電路波形當cos信號超前時（設為正向）：脈沖信號的順序為1、3、2、4，當cos信號滯后時（應為反向）：脈沖信號的順序為1、4、2、3第六十一頁，共72頁。干涉信號鑒相細分要實現納米測量，利用相差90度的兩路干涉信號進行 4 細分仍然不夠，提高分辨率的方法除了采取光學倍頻外，最常用的方法是對干涉信號進行鑒相細分，目前通過鑒相很容易實現 /1000 的分辨率 鎖相倍頻細分法第六十二頁，共72頁。大氣修正大氣條件的影響 測長公式：L = N / 2* 標準激光波長（標準大氣條件下介質中的激光波長）* 標準大氣條件氣溫20C，氣壓760m

17、mHg，濕度10mmHg; 修正測長公式：L= N 0 /2n 式中：0：激光的真空波長； n：標準大氣折射率（標準大氣壓下空氣折射率）；第六十三頁，共72頁。（1）利用Edlen公式修正：（2）對空氣折射率進行實時測量； 第六十四頁，共72頁。折射率測量干涉儀第六十五頁，共72頁。第六十六頁，共72頁。外差干涉單頻激光干涉儀的光強信號及光電轉換器件輸出的電信號都是直流量，直流漂移是影響測量準確度的重要原因，信號處理及細分都比較困難。為了提高光學干涉測量的準確度，七十年代起將電通訊的外差技術移植到光干涉測量領域，發展了一種新型的光外差干涉技術。1970年美國 HP 公司的雙頻激光干涉儀 HP5

18、500A首先投入市場概念：光外差干涉是指兩只相干光束的光波頻率產生一個小的頻率差，引起干涉場中干涉條紋的不斷掃描，經光電探測器將干涉場中的光信號轉換為電信號，由電路和計算機檢出干涉場的相位差。特點：克服單頻干涉儀的漂移問題； 細分變得容易； 提高了抗干擾性能。第六十七頁，共72頁。外差干涉的光源塞曼激光器：在HeNe激光器中施加橫向或者縱向磁場，由于塞曼效應導致譜線分裂，形成有一定頻率差的一個左旋偏振光和一個右旋偏振光，橫向塞曼頻差約 300kHz，縱向塞曼頻差約 1.5MHz移動（旋轉光柵）：當一束單頻激光打在一個運動的光柵上，由于多普勒效應，不同衍射級次的激光會產生一個與光柵運動速度成正比的頻移聲光調制器（AOM）：聲光調制器中的超聲波壓縮聲光介質，在里面產生密度的分布，形成等效光柵，光柵周期可以由聲光調制頻率確定，光柵相位取決于激發電源的相位，因此AOM中等