现代光学测试技术

一、双频激光外差干涉仪图
1 -141 示出双频激光外差干涉仪的光学系统。干涉仪的光 源为一双频 He-Ne 激光器，这种激光器是在全内腔单频 He－ Ne 激光器上加上约 300 特拉斯的轴向磁场，由于塞曼效应和 频率牵引效应，使该激光器输出一束有两个不同频率的左旋和 右旋圆偏振光，它们频率 差 Δν约为 1.5MHz 。这两束光 经分光镜4分成两路,反射光经 检偏器5产生”拍”,其拍频即为 1.5MHz ,经探测器转电信号, 经放大器后送给计算机. 频率牵引效应：在激光器中， 由于激活介质的存在，与空的 光学谐振腔不同，其振荡模工 作频率会因色散的存在位置有所移动，会向激活介质的中心频率 稍微靠近，形成所谓频率牵引现象。
2 ．散射板干涉仪 （ 1 ）光路原理
§ 1 – 3多通道干涉仪测试
一、双通道干涉仪 （一）用双通道干涉仪进行像差分离 在泰曼－格林干涉仪中，当被测透镜存在多种像差时，要从干 涉图中对个别像差进行估计是很困难的，若改成双通道排列 来使用，就可以使对称 的波像差和非对称的波像 差以分离的干涉图显示出 来。双通道泰曼－格林干 涉仪如图1－70所示。
§ 1 -5 长度（间隔、高度、振幅）的激光干涉测量
一、激光干涉测长的工作原理及特点 干涉测长仪器是用光波波长为基准来测量各种长度（如各种 线纹尺、量块、曲率半径、高度等）的仪器。干涉测长仪是 属测量干涉场上指定点上位相随时间而变化的干涉仪。 激光干涉测长仪与用其它准单色光源的干涉测长仪相比，具有 下列的显著优点： 1 ．测量范围大： 干涉仪的相干长度取决于光源的单色性，可由下式表示： 现在已有测量距离大于1000ｍ的干涉测长仪。 2 ．测量速度高 用光谱灯来检定一米长的线纹尺，一般要用几个小时的时 间，用激光作光源来进行检定一般只要数分钟就够了。测长 时，速度的快慢不仅是效率的问题，而且还关系到测量精度。 测量速度愈高，外界干扰因素（如温度、气流及振动等)的影 响愈小，愈有利于提高测量精度。 3.仪器结构简化
（三）光栅信号与位移的对应关系 光栅副中任一光栅沿横向（垂直于线纹方 向）移动时，莫尔条纹就沿垂直方向移动，而 且移过的条纹数与栅距是一一对应的。即光栅 移动一个栅距，莫尔条纹移动一个条纹宽度 w ，所以测出了莫尔条纹移动的数目，也就知 道了光栅移动的距离。这种严格的线性关系就 是用莫尔条纹进行长度与角度测量的原理。
二、技术特色
三、技术现状
光电仪器 光加工设备
图0－1 光学产业发展砚状
现代光学测试技术主要介绍：干涉技术、全息技术、散斑技术、莫尔技术、衍射 技术、光扫描技术、光纤传感技术、激光多普勒技术、激光光谱技术、信息与图 像技术、光学纳米技术等。随着激光器的出现和傅里叶光学的形成，特别是激光 技术与微电子技术、计算机技术的结合，出现了光机电算一体化的现代光学测试 技术。上图为光机电算金字塔结构，塔顶是光学。
三、共路干涉仪测试 在泰曼-格林干涉仪中，由于参考光束和 测量光束沿着彼此分开的光路行进，它们受 到环境的振动和温度的影响不同，如果不采 取适当的隔震和恒温措施，则观察面或接收 面上的干涉条纹是不稳定的，就不可能进行 精确的测量。共路干涉仪可以较好地解决上 述问题。所谓共路干涉仪，就是干涉仪中参 考光束与测量光束经过同一光路，对环境的 振动和温度、气流的变化能产生彼此共模抑 制，一般无需隔震和恒温条件也能获得稳定 的干涉条纹。
上式中 是有：
为在时间ｔ内动镜移动的距离L，于
第三章 散斑技术 一、散斑的形成及其性质 当一束激光射到物体的粗糙表面（例如铝板）上 时，在铝板前面的空间将布满明暗相间的亮斑与暗斑； 若再置一纸屏于铝板的前面，会更明显地看到这一现象， 这些亮斑与暗斑的分布是杂乱的，故称为散斑。不论将 纸屏置于近处或远处，都可以看到这一现象，这表明铝 板前面的整个空间都布满着散斑，仅在纸屏靠近铝板时， 散斑较小，远离铝板时，散斑较大。若所用铝板的表面 不是粗糙的，而是光滑的话，则入射光线被铝板反射， 而不成散射，所以在纸屏上将看不到散斑。若所用的虽 是粗糙的表面，但入射的不是激光，而是白光或钠光， 这时虽发生散射光，但由于光线并不相干，会聚到P点 的各散射光不发生干涉，即不会形成暗斑和亮斑。
总复习
第一章 光干涉技术
一、泰曼－格林干涉仪的结构和工作原理 泰曼-格林干涉仪的结构如图 1-16 所示：
准单色点光源和透镜 L1提供入射的平面波（平 行光束），干涉仪的一臂装有参考反射镜 M 1 ， 另一臂则装上被测试的光学元件M 2 。光源发出的 光经分光镜分光后分别由M 1和被测试的光学元件 M 2反射在观察孔处相遇干涉，形成干涉条纹，干 涉条纹可用目视观察或用照相机（镜头应位于 L2 的焦点处）把干涉条纹拍摄下来进行分析。根据干 涉条纹的变化，就可判断被测光学元件的质量。在 图 1－16 中所示泰曼一格林干涉仪中，球面镜 M 2 的曲率中心和被测透镜的焦点重合。如果待测透镜 没有像差，那么，返回到分束器的反射波将仍是平 面的。然而，如果被测透镜有球差、彗差或像散引 起波阵面的变形，那么就会清楚地看到具有畸变的 一幅干涉条纹图，并且可把干涉条纹拍摄下来进行 分析。若把 M 2换成平面镜，就可以检验许多别的 光学元件，如梭镜，光学平板等。
支撑基础：
§2 方法的选择
面对一个计量测试任务，首先碰到的问题是 如何合理而可靠地选择一种好的测试原理敏度或精度； 4）经济性；5）测试环境。测定对象是指被测 的类型，例如是测量长度，还是测量角度，是 测量速度还是测量位移；是测量温度还是测定 温度变化。不同测定对象，有完全不同的测试 方法。同样，同一测定类型但测定范围不同时， 也有不同的测试方法可供选择。
若测量镜以速度为ｖ运动(移动或振动），则由于多普 勒效应，从测量镜返回光束的光频发生变化，其频移 为 ，该 光与返回光会合，形成“拍”，其拍 频信号可表示为：
计算机先将拍频信号 与参考信号 进行相减 处理后，就得到所需的测量信息 . 设在动镜移动的时间 t 内，由 引起的条纹亮暗变化次 数为 N ，则有：
表 0－4， 由测定对象和测定范围来选择的测试方法
选择测试方法的另一 主要原则是测量灵敏 度和要求的精度。图 0－3 是主要光学测试 方法在尺寸上能达 到的灵敏度（分辨率）。
§43技术发展方向 随着新世纪的开始，科学技术必然是高新技术的 日新月异和工业生产的精密化、自动化和智能化，这 就对光学测试技术提出新的要求，促使光学测试技术 的近代发展走向如下几个方向： ( l ）亚微米级、纳 米级的高精密光学测量方法首先得到优先发展 ； ( 2 ） 快速发展小型的、微型的非接触式光学传感器; ( 3 ） 半导体激光器（ LD ）及其阵列，光开关，光滤波器， 光电探测阵列等新器件将在过程控制、在线测量与控 制上得到广泛应用；（4）微光学这类微结构系统将 崭露头角;（5）快速、高效的 3 -D （三维）测量技 术将取得突破；（6）发展带存贮功能的全场动态应 变测量仪器；（ 7 ）发展闭环式光学测试技术，实 现光学测量与光学控制的一体化；（8）以微细加工 技术为基础的高精度、小尺寸、低成本的集成光学和 其他微传感器将成为主流方向；（9）发展光学诊断 和光学无损检测技术。
激光干涉测长的工作原理如图 1-101 所示。
§ 1 -6 激光外差干涉测长与测振 激光光波干涉比长仪以光波波长为基准来测量各种长度，具 有很高的测量精度。这种仪器中，由于动镜在测量时一般是从 静止状态开始移动到一定的速度，因此干涉条纹的移动也是从 静止开始逐渐加速，为了对干涉条纹的移动数进行正确的计数， 光电接收器后的前置放大器一般只能用直流放大器，而不能用 交流放大器，因此在测量时，一般对测量环境有较高的要求， 一般的干涉比长仪不能 用于车间现场进行精密测量。为了适应 在车间现场实现干涉计量的需要，必须使干涉仪不仅具有高的 测量精度，而且还要具有克服车间现场中气流及灰雾引起的光 电信号直流漂移的性能，光外差干涉 技术是为解决车间现场测 量问题而发展起来的。 这种技术的一个共同点是在干涉仪的参考光路中引入具有 一定频率的副载波，干涉后被测信号是通过这一副载波来传递， 并被光电接收器接收，从而使光电接收器后面的前置放大器可 以用一交流放大器代替常规的直流放大器，以隔绝由于外界环 境干扰引起的直流电平漂移，使仪器能在车间现场环境下稳定 工作。
（二）误差的平均效应 光电接收元件接收的信号，是进入视场的 光栅线数 N 的叠加平均的结果。而一般进入 视场的光栅线条有几十线对甚至上千线对， 这样光电元件接收的信号是这些线条的平均 结果。因此当光栅有局部误差时，由于平均 效应，使光栅缺陷或局部误差对测量精度的 影响大大减小，大致的关系是：
δ为平均误差。
（四）信号波形的正弦性 莫尔条纹光场的亮度分布符合正弦规律，经由光 电元件转换之后，如果接收狭缝比条纹宽度窄得多， 则输出信号的瞬时波形也和莫尔条纹的亮度分布一样， 非常接近于正弦波。由于亮度没有负值（极限为零）， 因此光电元件所取得的信号总 是叠加在一个平均信号 之上（平均信号反映了 平均亮度，即背景）。 所以，经光电元件转换 后，形成了带有平均电 压的交变信号，如图 4 – 6 所示。
二、形成散斑必须具备的条件： 1 ）必须有能发生散射 光的粗糙表面。为了使 散射光较均匀，则粗糙 表面的深度必须大于波 长； 2 ）入射光线的相干度 要足够高，例如使用激光。当激光射到毛玻璃 上时，因为符合以上两个条件，所以，在毛玻璃 后面的整个空间充满着散斑。
三、离焦记录时的拍摄装置 图 3 -7 为离焦记录时的拍摄装置。在图中，位于成像平面 P′点的散斑是由观 察面上的P点所决定的，而P点散 斑又是由位于物面 上M点的面积元dσ 所形成的。 离焦量Δ 大，则物点 上较大的面积形成P点的散 斑，测得的是该面元对P点 影响的平均值，因而降低 了测量精度；另一方面，离 焦量Δ 大测量灵敏度高，所 以在测量中要合理选择离焦 量Δ 。 在散斑测量中，为了使各方 向的转动或移动有同样的灵敏 度，一般取垂直于表面的方 向观察或拍摄。在实际 应用中亦是这样的。
第四章 莫尔条纹技术 § 4 -2 光栅读数头 一、莫尔条纹信号的特点 （一）条纹把位移放大 上面已经介绍，以微小角度θ叠合的两块 光栅得到的是横向条纹，这种莫尔条纹是位 移测量的基准。由于 W =P / θ ，因此条纹放 大 1 / θ 倍，就是说光栅副起到一个高质量的 可调前置放大器的作用。它能将微小位移变 化合理放大，获得信噪比很大的稳定输出。 由于条纹宽度比光栅节距放大几百倍，所以 有可能在一个条纹间隔内安放细分读数装置， 以读取位移的分度值，即进行细分。