第 12 课 干涉测量技术
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工程类第二章激光干涉测量技术上
智能化测量将提高测量精度和效 率，降低人为误差和操作成本。
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添加标题展趋势包括实时数据处理、 自动校准和自我诊断功能。
激光干涉测量技术将进一步拓展 应用领域，如智能制造、医疗和 航空航天等。
01
激光干涉测量技术的实际应用案例
激光干涉仪在长度测量中的应用
测量原理：基于激光干涉原理，通过测量干涉条纹的数量来确定长度 应用场景：生产线上的长度测量、精密加工中的定位和测量、科学研究中的长度测量等 优势特点：高精度、高稳定性、非接触式测量等 未来发展：随着激光干涉测量技术的不断进步，其在长度测量领域的应用将更加广泛和精确
XX
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激光干涉仪在振动测量中的应用
激光干涉仪的原理 振动测量中的应用场景 实验结果及分析 未来发展方向
激光干涉仪在光学元件检测中的应用
光学元件检测的必要性 激光干涉仪的工作原理 激光干涉仪在光学元件检测中的应用案例 激光干涉仪在光学元件检测中的优势与局限性
激光干涉仪在表面粗糙度测量中的应用
激光干涉仪的工作原理 表面粗糙度测量的重要性 激光干涉仪在表面粗糙度测量中的应用案例 激光干涉仪在表面粗糙度测量中的优势与局限性
远程测量：激光干涉测量技术可以实现远程测量，无需直接接触被测物体，具有广泛的应用前景。
抗干扰能力强：激光干涉测量技术具有较强的抗干扰能力，能够在复杂的环境下实现稳定的测量。
缺点
设备成本高昂 对环境条件要求较高 测量精度易受干扰影响 需要专业操作人员和维护
01
激光干涉测量技术的发展趋势
高精度测量
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激光干涉测量技术
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干涉测量技术实验报告
1. 理解干涉测量技术的原理及基本应用；2. 掌握牛顿环、劈尖干涉等典型干涉现象的观察方法；3. 学习利用干涉现象测量透镜的曲率半径和薄膜的厚度；4. 培养实验操作能力和数据处理能力。
二、实验仪器1. 牛顿环仪；2. 读数显微镜；3. 钠光灯；4. 牛顿环装置；5. 扩束物镜；6. 迈克尔逊干涉仪；7. He-Ne激光器；8. 光具座；9. 计算器。
三、实验原理1. 牛顿环：牛顿环是等厚干涉现象的一种典型应用。
当一束单色光垂直照射在牛顿环装置上时，透镜与平板之间的空气层上、下表面反射的两光束存在光程差，在透镜表面相遇后发生干涉。
同一干涉环上各处的空气层厚度相同，因此形成明暗相间的圆环。
2. 劈尖干涉：劈尖干涉是另一种等厚干涉现象。
当一束单色光垂直照射在劈尖装置上时，光在劈尖两侧的空气层中传播，由于空气层厚度不同，产生干涉现象。
干涉条纹为明暗相间的直线。
3. 迈克尔逊干涉仪：迈克尔逊干涉仪是利用分振幅法产生双光束以实现干涉的精密光学仪器。
通过调整干涉仪，可以产生等厚干涉条纹和等倾干涉条纹。
主要用于长度和折射率的测量。
1. 牛顿环实验：（1）将牛顿环装置固定在光具座上，调整显微镜使其与牛顿环装置对准。
（2）开启钠光灯，观察牛顿环装置上的干涉条纹。
（3）利用读数显微镜测量牛顿环的直径，计算透镜的曲率半径。
2. 劈尖干涉实验：（1）将劈尖装置固定在光具座上，调整显微镜使其与劈尖装置对准。
（2）开启钠光灯，观察劈尖装置上的干涉条纹。
（3）利用读数显微镜测量劈尖的宽度，计算薄膜的厚度。
3. 迈克尔逊干涉仪实验：（1）将迈克尔逊干涉仪固定在光具座上，调整干涉仪使其对准。
（2）开启He-Ne激光器，观察干涉条纹。
（3）通过移动反射镜M2，观察干涉条纹的变化，计算He-Ne激光的波长。
五、实验结果与分析1. 牛顿环实验：（1）测量牛顿环的直径，计算透镜的曲率半径。
（2）分析实验误差，讨论实验结果。
2. 劈尖干涉实验：（1）测量劈尖的宽度，计算薄膜的厚度。
第四章 光学干涉测量技术(武大)
光学干涉测量技术的优 缺点
光学干涉测量技术的优点
高精度测量：干涉测量技术具有极高的精度，能够实现纳米级甚至更精确的测量。 宽测量范围：干涉测量技术可以测量大范围的距离和角度，具有较广的适用范围。
抗干扰能力强：干涉测量技术不易受到环境噪声和其他电磁干扰的影响，测量稳定性高。
实时性：干涉测量技术可以实现实时测量，能够快缺点
对光源相干性要求高 对环境振动和稳定性要求较高 测量精度受多种因素影响 设备成本较高，操作复杂
光学干涉测量技术的发展趋势
微型化：随着微纳加工技术的进步，光学干涉测量系统的尺寸不断缩小，提高了测量精度和便携性。 智能化：集成人工智能和机器学习算法，实现光学干涉测量系统的自动化和智能化，提高测量效率和准确性。 多光谱多模式：开发多光谱、多模式的光学干涉测量技术，拓展测量范围和应用领域，满足不同领域的需求。 实时化：提高光学干涉测量技术的实时性，实现动态测量和实时反馈，提高测量效率和可靠性。
光学干涉测量技术是一种利用光的干涉现象进行长度、表面形貌、折射率等物理量测量的技术。
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它利用了光的波动性质，通过将待测物理量转化为干涉图的变化，从而实现了高精度、高分辨 率的测量。
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光学干涉测量技术具有非接触、高精度、高分辨率、高灵敏度等优点，因此在科学研究、工业 检测、医疗诊断等领域得到了广泛应用。
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干涉条纹的分析方法
干涉条纹的生成原理 条纹的形状和间距分析 条纹的移动和变化规律 条纹的定量分析和计算方法
光学干涉测量技术的分 类
时间相干性干涉测量技术
定义：利用时间相干性原理，通过测量光波的时间变化来获取干涉图样的 技术。
原理：利用光的波动性质，通过干涉现象测量光波的相位差，从而确定物 体的几何形状和物理性质。
光学实验技术中的干涉测量方法
光学实验技术中的干涉测量方法干涉测量方法是光学实验技术中一种重要的测量手段。
它通过利用光的干涉现象，实现对物体形态、尺寸和表面性质等参数的测量。
在现代科学研究和工程技术中，干涉测量方法得到了广泛的应用，涉及到光学、物理学、医学、材料科学等多个领域。
一、干涉测量方法的基本原理与分类干涉是指两束或多束光线的叠加现象。
当光线经过光学元件或物体后，它们会发生相位差，进而引起干涉现象。
干涉现象通过干涉条纹的变化来揭示光场的信息。
根据干涉条纹的产生原理，干涉测量方法主要分为两类：自发光干涉和外加光干涉。
自发光干涉是利用物体自身的发光特性产生干涉条纹，例如显微镜下的透射干涉、投影干涉和表面形貌干涉等。
外加光干涉是通过外部光源引入干涉现象，例如激光干涉、多波长干涉和相移法干涉等。
二、应用于形貌测量的干涉测量方法1. 二维轮廓测量利用激光干涉技术，可以实现对物体二维轮廓的高精度测量。
通过将物体反射的激光束与参考激光束叠加，利用干涉条纹的变化来推导出物体表面的高程信息。
2. 三维表面形貌测量三维表面形貌测量是干涉测量方法中的一个重要应用领域。
通过使用相移干涉技术，可以获取到物体表面的三维形貌信息。
相移干涉技术通过改变干涉条纹的相位来实现对物体表面形貌的测量。
3. 全息干涉术全息干涉术是一种高分辨率的干涉测量方法，常应用于光学图像的记录和再现。
通过将物体的三维信息录制在全息图上，并利用光学平台进行复原，可以实现对物体形貌的精确测量。
三、应用于材料测量的干涉测量方法1. 膜厚测量膜厚测量是干涉测量方法中的一个重要应用方向。
利用干涉技术可以测量薄膜的厚度和折射率等参数，从而评估薄膜的性能和质量。
2. 表面粗糙度测量表面粗糙度是材料表面质量的一个重要指标。
通过激光干涉技术，可以实现对材料表面粗糙度的快速测量。
激光束在入射和反射过程中会受到表面粗糙度的影响，从而引起干涉条纹的变化。
3. 液体折射率测量干涉测量方法还可以应用于液体折射率的测量。
干涉测量技术基础
x
mD 亮条纹 d D x ( m 1 / 2) 暗条纹 d
科技创新 产业报国
简介：迈克尔逊干涉仪是光学干涉仪中最常见的一种， 也是最早出现的一款以光波干涉原理设计出来的光学计量仪器，
其发明者是美国物理学家阿尔伯特·亚伯拉罕·迈克尔逊。迈克
耳逊干涉仪的原理是典型的分振幅法产生双光束以实现干涉的仪 器。其基本原理是一束入射光分为两束后各自被对应的平面镜反
一束平行光经过平行平板的上、下表面的反射和折 射后，在透镜后焦面相遇产生干涉。
科技创新
产业报国
三、干涉测量原理事例 在干涉现象中，不论是何种干涉，相邻 条纹之间的程差改变都等于相干光波波长，所 以通过对条纹数目或条纹变化的计算，可以获 得以光波波长为单位的对程差的计量，如折射 率已知，则得到以波长为单位的长度值；若已 知长度，可得微小折射率差；同样长度已波长 为单位时，可以精密测量微小角度或角度差。 总之，干涉测量就是利用干涉条纹形状、数量、 间距的变化可以做精密的测量及表面质量、误 差的精密检验。
P
d N
2
科技创新
产业报国
4、迈克尔逊干涉仪
科技创新
产业报国
5、等厚干涉与等倾干涉
等厚干涉
等厚干涉是由平行光入射到厚度变化均匀、折 射率均匀的薄膜上、下表面而形成的干涉条 纹．薄膜厚度相同的地方形成同条干涉条纹， 故称等厚干涉．牛顿环和楔形平板干涉都属等 厚干涉．
科技创新
产业
2
科技创新 产业报国
2、检查光学零件表面质量
菲索干涉仪
H h e 2
科技创新 产业报国
3、检查光学零件或系统成像 质量
访谈结果与析
科技创新
产业报国
(物理光学)第十二章 光的干涉和干涉系统-3
垂直入射时：∆ = 2nh +
λ
2
3、实验装置： 透镜L2的作用，在成象面上观 察。 1 1 1 图中： + = l l′ f
4、条纹分布及性质 注意条纹是由 h 决定的， 分析条纹从 h 入手。
（1） 亮条纹：∆＝2nh + ）
λ λ
2
= mλ
暗条纹：∆＝2nh +
= m+ 1 λ 2 2
(
)
对于折射率均匀的楔形平板， 对于折射率均匀的楔形平板，条纹平行于楔棱
12－ §12－4
平板的双光束干涉
S
P
分光性质： 分光性质：振幅分割 两个干涉的点源： 两个干涉的点源：
n M1 M2 S1 S2
两个反射面对S点 两个反射面对 点 的象S 的象 1和S2
一、干涉条纹的定域 1.条纹定域：能够得到清晰干涉条纹的区域。 条纹定域：能够得到清晰干涉条纹的区域。 条纹定域
m0 = m1 + q
（3）条纹的角半径θ1N 1 nλ θ 1N ≈ ⋅ N −1 + q n' h 说明平板厚度h越大，条纹角半径越小，条纹越密。
（4）条纹间隔 4）条纹间隔 2 d∆ = −2nh sin θ 2 dθ 2 = λdm 相邻条纹dm = ∆m = 1, 则有： dθ 2 = ∆＝2nh cosθ 2 +
二、其他干涉技术 1、数字波面干涉术 、
目的：产生移动的干涉条纹，用光电器件探测条纹的变化。 目的：产生移动的干涉条纹，用光电器件探测条纹的变化。 基本原理：利用光学拍频中干涉条纹强度随时间变化的性质。 基本原理：利用光学拍频中干涉条纹强度随时间变化的性质。
频率偏移器
外差干涉原理
光学测试技术光学干涉测量技术
光阑 除此之外，两支相干光束的偏振态 不一致也会影响干涉条纹的对比度。
12
§4.1 干涉测量基础
二、干涉条纹的分析判读与干涉图形信号的处理方法 从干涉仪系统中获取稳定、清晰的干涉条纹图样是干涉测量
的第一步。对获取的干涉条纹进行分析判读才能得到被测量的有 用信息。 (一)干涉条纹的分析判读 1、波面偏差的表示方法
的矢高（波高）为Power。当最接近球面为会聚波前时，Power取
正值；当最接近球面为发散波前时，Power取负值。可见，Power
越小，波前的准直性越高，因此将Power称为波前的离焦量。
将Power从PV移出后的剩余量用pv表示。事实上，pv更能体
现波前的极限误差。
虽然PV可以用于描述元件或系统的质量，但这种描述往往容
必要的。
9
§4.1 干涉测量基础
(3)光源非单色性影响与时间相干性
能够发生干涉现象的最大光程差与光源的谱线宽度成反比。
若干涉测量中用到的光源本身有一定的谱线宽度 ，对应波长为
/2 和λ-Δλ/2两组干涉条纹的强度分布，其他波长的光对应的干
涉条纹强度分布介于两根曲线之间。干涉场中最终形成的干涉条
易受随机误差的干扰的缺陷，因此常用PV20替代PV：
10
wmax,k
10
wmin,k
PV20
k 1
10
k 1 10
15
§4.1 干涉测量基础
被测波面相对参考波面各点偏差的均方根值，可表示为：
RMS
n
Ei2
i 1
n 1
16
17
光学车间广泛采用玻璃样板来检验球面或平面光学元件的 面形偏差。根据国家标准GB2831-81规定了光圈的识别办法， 光圈识别应包括以下三个方面的内容：
12
§4.1 干涉测量基础
二、干涉条纹的分析判读与干涉图形信号的处理方法 从干涉仪系统中获取稳定、清晰的干涉条纹图样是干涉测量
的第一步。对获取的干涉条纹进行分析判读才能得到被测量的有 用信息。 (一)干涉条纹的分析判读 1、波面偏差的表示方法
的矢高（波高）为Power。当最接近球面为会聚波前时，Power取
正值；当最接近球面为发散波前时，Power取负值。可见，Power
越小，波前的准直性越高，因此将Power称为波前的离焦量。
将Power从PV移出后的剩余量用pv表示。事实上，pv更能体
现波前的极限误差。
虽然PV可以用于描述元件或系统的质量，但这种描述往往容
必要的。
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§4.1 干涉测量基础
(3)光源非单色性影响与时间相干性
能够发生干涉现象的最大光程差与光源的谱线宽度成反比。
若干涉测量中用到的光源本身有一定的谱线宽度 ，对应波长为
/2 和λ-Δλ/2两组干涉条纹的强度分布，其他波长的光对应的干
涉条纹强度分布介于两根曲线之间。干涉场中最终形成的干涉条
易受随机误差的干扰的缺陷，因此常用PV20替代PV：
10
wmax,k
10
wmin,k
PV20
k 1
10
k 1 10
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§4.1 干涉测量基础
被测波面相对参考波面各点偏差的均方根值，可表示为：
RMS
n
Ei2
i 1
n 1
16
17
光学车间广泛采用玻璃样板来检验球面或平面光学元件的 面形偏差。根据国家标准GB2831-81规定了光圈的识别办法， 光圈识别应包括以下三个方面的内容：
激光干涉测量技术(共39张PPT)
2 ➢ 激光干预测长的应用
1、激光比长仪 激光比长仪采用激光器作光源，通过光波干预比长的方法来检定基准米尺， 即通过激光干预仪实现基准米尺和光波波长比较。由于激光波长具有高度的 稳定性，其复现精度可达±5x10-8以上，所以可用激光波长作长度基准。同 时，激光干预仪的输出信号易于实现光电转换，这样就提供了实现动态自动 测量的可能性，从根本上解决了检定基准米尺的精度与效率的问题。
此干预仪的水平位移测量半径为25m,测量倾斜角为 ±45º，目标镜最大移动速度为2m/s，测量分辨力为 0.1µm。
8
2
➢ 激光干预测长的应用
3、激光小角度干预仪
激光小角度干预仪是利用激光干预测位移和三角正弦 原理来测量角度的仪器。左图是激光小角度干预仪测 角原理图。激光器1发出的激光光束经分光镜3分成两 路，一路沿光路a射向测量棱镜2，一路沿光路b射向参 考镜4。当棱镜在位置I时，沿光路a前进的光束经角锥 棱镜反向后，沿光路c射向反射镜5，并沿原路返回至 分光镜，与从b路返回的参考光束会和而产生干预。当 棱镜移动到位置II后，沿光路a前进的光束由于棱镜II 及平面反射镜的作用，使它们仍按原路返回，不产生 光点移动，从而干预图形相对接收元件的位置保持不 变。根据干预测位移原理可以测出角锥棱镜在位置I和 位置II的位移H，假设棱镜转动半径R，便可根据三角 正弦关系求出被测角α。位移为：H=Kλ/4， α=arcsinH/R，式中，R为棱镜转动半径。
12
1 概要
2 激光干预测量长度和位移 3 激光外差干预测量技术 4 激光移相干预测量技术 5 激光散斑干预测量技术 6 激光光纤干预测量技术
7 激光多波长干预测量技术
13
3 ➢ 为什么要用激光外差干预？
一般单频激光干预仪精度较高，但在测量时对环境有较高要求，不允许干预仪两臂 的光强有较大变化，干预条纹光强的变化总要以计数器平均触发电平为中心对等分 布，如图〔a〕所示。
1、激光比长仪 激光比长仪采用激光器作光源，通过光波干预比长的方法来检定基准米尺， 即通过激光干预仪实现基准米尺和光波波长比较。由于激光波长具有高度的 稳定性，其复现精度可达±5x10-8以上，所以可用激光波长作长度基准。同 时，激光干预仪的输出信号易于实现光电转换，这样就提供了实现动态自动 测量的可能性，从根本上解决了检定基准米尺的精度与效率的问题。
此干预仪的水平位移测量半径为25m,测量倾斜角为 ±45º，目标镜最大移动速度为2m/s，测量分辨力为 0.1µm。
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2
➢ 激光干预测长的应用
3、激光小角度干预仪
激光小角度干预仪是利用激光干预测位移和三角正弦 原理来测量角度的仪器。左图是激光小角度干预仪测 角原理图。激光器1发出的激光光束经分光镜3分成两 路，一路沿光路a射向测量棱镜2，一路沿光路b射向参 考镜4。当棱镜在位置I时，沿光路a前进的光束经角锥 棱镜反向后，沿光路c射向反射镜5，并沿原路返回至 分光镜，与从b路返回的参考光束会和而产生干预。当 棱镜移动到位置II后，沿光路a前进的光束由于棱镜II 及平面反射镜的作用，使它们仍按原路返回，不产生 光点移动，从而干预图形相对接收元件的位置保持不 变。根据干预测位移原理可以测出角锥棱镜在位置I和 位置II的位移H，假设棱镜转动半径R，便可根据三角 正弦关系求出被测角α。位移为：H=Kλ/4， α=arcsinH/R，式中，R为棱镜转动半径。
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1 概要
2 激光干预测量长度和位移 3 激光外差干预测量技术 4 激光移相干预测量技术 5 激光散斑干预测量技术 6 激光光纤干预测量技术
7 激光多波长干预测量技术
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3 ➢ 为什么要用激光外差干预？
一般单频激光干预仪精度较高，但在测量时对环境有较高要求，不允许干预仪两臂 的光强有较大变化，干预条纹光强的变化总要以计数器平均触发电平为中心对等分 布，如图〔a〕所示。
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Ch12 干涉测量术
Introduction
由于科学技术的进步，干涉测量技术已经得到相当广泛的应用。 一方面是因为微电子、微机械、微光学和现代工业提出了愈来愈 高的精度和更大量程的要求，其它方法难以胜任；另一方面因为 当代干涉测量技术本身具有灵敏度高、量程大、可以适合恶劣环 境、光波和米定义联系而容易溯源等特点，因而在现代工业中应 用非常广泛。 现代干涉技术是物理学理论和当代技术有机结合的产物。激光、 光电探测技术和信号处理技术对于干涉测量的发展起着重要的作 用。
(m 1) m( )
1 I
K
x
λ λ+Δλ
0 0 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 3
m
λ+Δλ
各种波长干涉条纹的叠加
由此得最大干涉级m＝λ/Δλ ，与此相应的尚能产生干 涉条纹的两支相干光的最大光程差(或称光源的相干长度) 为
2 LM
在波动光学中，把光通过相干长度 所需要的时间称为相干时间，其实 质就是可以产生干涉的波列持续时 间。因此，激光光源的时间相干性 比普通光源好得多，一般在激光干 涉仪的设计和使用时不用考虑其时 间相干性。
Michelson Stellar
Billet
Meslin
• 分振幅法
– 光源发出的光束，通过反射/折射进行分离，经 过不同的光通道后汇合
Plate
Fizeau
Jamin
Mach-Zehnder
Michelson
birefringent
grating
等倾干涉与等厚干涉
• 等倾干涉：
• 等厚干涉：
干涉仪中的常用反射镜
平面反射器 角锥棱镜反射器（图a） 直角棱镜反射器（图b） 猫眼反射器 （图c）
• 干涉仪的光路布局
– 共光路原则：
• 测量光束与参考光束接近同一路径，可将参考光束转折与测量光平行 • 测量光束和参考光束尽量等光程 • 消除振动、温度、气流等影响
– 阿贝原则：
• 被测量点与干涉仪测点尽量在一条直线（延长线）上，减小阿贝误差
影响干涉条纹对比度的因素 ③相干光束光强不等和杂散光的影响
• 设两支相干光的光强为I2=nI1，则有
2 n K n 1
可见，没有必要追求两支 相干光束的光强严格相等。 尤其在其中一支光束光强 很小的情况下，人为降低 另一支光束的光强，甚至 是有害的。因为这会导致 不适当地降低干涉图样的 照度，从而提升了人眼的 对比度灵敏阈值，不利于 目视观测。
迈克耳逊干涉仪的干涉条纹
等 倾 干 涉 条 纹
M2 M1
M2 M1 M2 与 M1 重合
M1 M2
M1 M2
等 厚 干 涉 条 纹
M2
M1
M2 M1
M2 M1
M1 M2
M1
M2
吐级
吞级
移级
干涉测量系统组成
1.激光干涉系统 2.条纹计数计数和处理结果的电子机械系统
干涉仪系统主要包括：光源、分束器、反射器、补偿元器件
（1）利用Edlen公式修正：
Ln L n n (0.357613888p 0.929485610t 0.056083434f ) 106
（2）对空气折射率进行实时测量；
折射率测量干涉仪
外差干涉
单频激光干涉仪的光强信号及光电转换器件输出的电信号都是直 流量，直流漂移是影响测量准确度的重要原因，信号处理及细分 都比较困难。 为了提高光学干涉测量的准确度，七十年代起将电通讯的外差技 术移植到光干涉测量领域，发展了一种新型的光外差干涉技术。
影响干涉条纹对比度的因素
②光源大小与空间相干性
• 干涉图样的照度，在很大程度上取决于光源的尺寸，而光源的尺寸大 小又会对各类干涉图样对比度有不同的影响:
– 由平行平板产生的等倾干涉，无论多么宽的光源尺寸，其干涉图 样都有很好的对比度。
– 杨氏干涉实验只在限制狭缝宽度的情况下，才能看清干涉图样。 – 由楔形板产生的等厚干涉图样，则是介于以上两种情况之间。
当cos信号超前时（设为正向）： 脉冲信号的顺序为1、3、2、4，
(sin) (-sin) (cos) (-cos)
当cos信号滞后时（应为反向）： 脉冲信号的顺序为1、4、2、3
(sin) (-sin) (cos) (-cos) (cos)滞后
1 2 3 4
(cos)
(-cos) (cos) (-cos)
• 条纹对比度受哪些因素影响？
– – – – – – 光源的时间相干性（单色性） 光源的空间相干性（大小） 两光束的光强比例 杂散光 偏振度 环境
影响干涉条纹对比度的因素
①光源的单色性与时间相干性 • 干涉场中实际见到的条纹是λ到λ＋Δλ 中间所有波长的光干涉 条纹叠加的结果。 • 当λ＋Δ λ 的第 m 级亮纹与λ的第 m +1 级亮纹重合后，所有 亮纹开始重合，而在此之前则是彼此分开的。则尚能分辨干涉条纹 的限度为
• 米原器：铂铱合金 • 氪86原子谱线607.5nm波长：稳定性4x10-9 • 光速：299 792 458m/s，推荐了八种激光器 – 甲烷稳频3.39um He-Ne激光 – 碘稳频576nm 染料激光 – 碘稳频633nm He－Ne激光 – 碘稳频612nm He－Ne激光 – 碘稳频515nm 氩离子激光 – 碘稳频543nm He－Ne激光 – 碘稳频640nm He－Ne激光 – 钙束稳频657nm染料激光
对比度K与两支干涉光强比n的关系
影响干涉条纹对比度的因素 ③相干光束光强不等和杂散光的影响
非期望的杂散光进入干涉场，会严重影响条纹对比度。 设混入两支干涉光路中杂散光的强度均为 I ' mI1
，则
I max (1 n m 2 n ) I1
于是
I min (1 n m 2 n ) I1
– 各光束的偏振状态差异； – 振动、空气扰动、干涉仪结构的刚性不足等。
怎样获得两束相干光？
• 分波前
• 分振幅
• 分波前法
– 将光源发出的球面波/平面波从空间上进行分离， 进入两个光通道，最后重新汇合
Thomas Young
Rayleigh
Fresnel
Lloyd
Fresnel Prism
r
S S0
θ
-f
图 4-2 等厚干涉仪中的扩展光源
a)
b)
光阑孔大小对干涉条纹对比度的影响
c)
• 在干涉测量中，采取尽量减小光源尺寸的措施，固然可以 提高条纹的对比度，但干涉场的亮度也随之减弱。 • 当采用激光作为光源时，因为光源上各点所发出的光束之 间有固定的相位关系，形成的干涉条纹也有固定的分布， 而与光源的尺寸无关。 • 激光光源的大小不受限制，激光的空间相干性比普通光源 好得多。
激光头 稳频器
干涉仪本体
氦氖激光器
准直透镜
光电组合体
光电转换 鉴向倍频 放大 整形
大气修正
计算机
输出
激光干涉仪中的光源 最主要的要求就是波长的单色性和稳定性，
波长的稳定性直接影响测量的不确定度，所以大多数激光干涉仪采用 稳频 He-Ne激光器，波长632.8nm，波长稳定性可以达到10-7
“米”的定义
判向计数原理
干涉条纹计数时，通过移相获得两路相差π/2的干涉条纹的光强信号， 该信号经放大，整形，倒向及微分等处理,可以获得四个相位依次相差 π/2的脉冲信号。实现干涉条纹的四倍频记数。相应的测量方程变为
LN
8
判向计数原理框图
1、2—光电元件；3—干涉条纹
sin 0
cos 0 (cos)超前
位相差 两光束到达 某点的光程 差
L
2π
满足
L m 的光程差相同的点形成的亮线叫亮纹。 满足 L (m 1 / 2) 的光程差相同的点形成的暗线叫
暗纹，亮纹和暗纹组成干涉条纹。 其中 m 是干涉条纹的干涉级次。
干涉条件
• 通常能够产生干涉条纹的两列光波必须满足三个基本相干 条件： –频率相同 静态稳定干涉场 –振动方向相同 的条件 –恒定的位相差
机械法移相
狭缝移相
阶梯板移相
翼形板移相
偏振移相
干涉条纹计数
如果只有一组干涉条纹信号输入计数器，工作台的微小倒退信号 也会引起计数器增加计数，带来误差，因此需要判断工作台的运 动方向，而且计数器具有减的功能，即需要“可逆计数器”； 设计方向判别部分，将记数脉冲分为加脉冲和减脉冲两种。使得 当测量镜正向移动时产生的脉冲为正脉冲，而反向移动时产生的 脉冲为负脉冲。
干涉仪(Interferometer)
反射镜
M1 M 2
虚薄膜
a1
光源 S
G1
45 G2
a2
M2
a
补偿板
反 射 镜
半透半反膜
Albert Abraham Michelson
迈克尔逊因发明干涉 仪和光速的测量而获 得1907年诺贝尔物理 学奖金。
a1′
a2′ E 观测装置
• 由M2反射的光束可以当作是从它虚像M2′反射过来的，这样，发生干 涉的光束相当于M1与M2′之间的空气薄膜反射形成的。
干涉条纹对比度
• 干涉条纹对比度可定义为
I max I min K I max I min
式中，Imax、Imin 分别为静态干涉场中光强的最大值和最小值，也可 以理解为动态干涉场中某点的光强最大值和最小值。 当 Imin = 0 时 K＝ 1，对比度有最大值；而当 Imax= Imin时K＝0， 条纹消失。在实际应用中，对比度一般都小于1。 对目视干涉仪可以认为： 当K＞0.75时，对比度就算是好的； 而当K＞0.5时，可以算是满意的； 当K＝0.1时，条纹尚可辨认，但是已经相当困难的了。 对动态干涉测试系统，对条纹对比度的要求就比较低。
Introduction
由于科学技术的进步，干涉测量技术已经得到相当广泛的应用。 一方面是因为微电子、微机械、微光学和现代工业提出了愈来愈 高的精度和更大量程的要求，其它方法难以胜任；另一方面因为 当代干涉测量技术本身具有灵敏度高、量程大、可以适合恶劣环 境、光波和米定义联系而容易溯源等特点，因而在现代工业中应 用非常广泛。 现代干涉技术是物理学理论和当代技术有机结合的产物。激光、 光电探测技术和信号处理技术对于干涉测量的发展起着重要的作 用。
(m 1) m( )
1 I
K
x
λ λ+Δλ
0 0 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 3
m
λ+Δλ
各种波长干涉条纹的叠加
由此得最大干涉级m＝λ/Δλ ，与此相应的尚能产生干 涉条纹的两支相干光的最大光程差(或称光源的相干长度) 为
2 LM
在波动光学中，把光通过相干长度 所需要的时间称为相干时间，其实 质就是可以产生干涉的波列持续时 间。因此，激光光源的时间相干性 比普通光源好得多，一般在激光干 涉仪的设计和使用时不用考虑其时 间相干性。
Michelson Stellar
Billet
Meslin
• 分振幅法
– 光源发出的光束，通过反射/折射进行分离，经 过不同的光通道后汇合
Plate
Fizeau
Jamin
Mach-Zehnder
Michelson
birefringent
grating
等倾干涉与等厚干涉
• 等倾干涉：
• 等厚干涉：
干涉仪中的常用反射镜
平面反射器 角锥棱镜反射器（图a） 直角棱镜反射器（图b） 猫眼反射器 （图c）
• 干涉仪的光路布局
– 共光路原则：
• 测量光束与参考光束接近同一路径，可将参考光束转折与测量光平行 • 测量光束和参考光束尽量等光程 • 消除振动、温度、气流等影响
– 阿贝原则：
• 被测量点与干涉仪测点尽量在一条直线（延长线）上，减小阿贝误差
影响干涉条纹对比度的因素 ③相干光束光强不等和杂散光的影响
• 设两支相干光的光强为I2=nI1，则有
2 n K n 1
可见，没有必要追求两支 相干光束的光强严格相等。 尤其在其中一支光束光强 很小的情况下，人为降低 另一支光束的光强，甚至 是有害的。因为这会导致 不适当地降低干涉图样的 照度，从而提升了人眼的 对比度灵敏阈值，不利于 目视观测。
迈克耳逊干涉仪的干涉条纹
等 倾 干 涉 条 纹
M2 M1
M2 M1 M2 与 M1 重合
M1 M2
M1 M2
等 厚 干 涉 条 纹
M2
M1
M2 M1
M2 M1
M1 M2
M1
M2
吐级
吞级
移级
干涉测量系统组成
1.激光干涉系统 2.条纹计数计数和处理结果的电子机械系统
干涉仪系统主要包括：光源、分束器、反射器、补偿元器件
（1）利用Edlen公式修正：
Ln L n n (0.357613888p 0.929485610t 0.056083434f ) 106
（2）对空气折射率进行实时测量；
折射率测量干涉仪
外差干涉
单频激光干涉仪的光强信号及光电转换器件输出的电信号都是直 流量，直流漂移是影响测量准确度的重要原因，信号处理及细分 都比较困难。 为了提高光学干涉测量的准确度，七十年代起将电通讯的外差技 术移植到光干涉测量领域，发展了一种新型的光外差干涉技术。
影响干涉条纹对比度的因素
②光源大小与空间相干性
• 干涉图样的照度，在很大程度上取决于光源的尺寸，而光源的尺寸大 小又会对各类干涉图样对比度有不同的影响:
– 由平行平板产生的等倾干涉，无论多么宽的光源尺寸，其干涉图 样都有很好的对比度。
– 杨氏干涉实验只在限制狭缝宽度的情况下，才能看清干涉图样。 – 由楔形板产生的等厚干涉图样，则是介于以上两种情况之间。
当cos信号超前时（设为正向）： 脉冲信号的顺序为1、3、2、4，
(sin) (-sin) (cos) (-cos)
当cos信号滞后时（应为反向）： 脉冲信号的顺序为1、4、2、3
(sin) (-sin) (cos) (-cos) (cos)滞后
1 2 3 4
(cos)
(-cos) (cos) (-cos)
• 条纹对比度受哪些因素影响？
– – – – – – 光源的时间相干性（单色性） 光源的空间相干性（大小） 两光束的光强比例 杂散光 偏振度 环境
影响干涉条纹对比度的因素
①光源的单色性与时间相干性 • 干涉场中实际见到的条纹是λ到λ＋Δλ 中间所有波长的光干涉 条纹叠加的结果。 • 当λ＋Δ λ 的第 m 级亮纹与λ的第 m +1 级亮纹重合后，所有 亮纹开始重合，而在此之前则是彼此分开的。则尚能分辨干涉条纹 的限度为
• 米原器：铂铱合金 • 氪86原子谱线607.5nm波长：稳定性4x10-9 • 光速：299 792 458m/s，推荐了八种激光器 – 甲烷稳频3.39um He-Ne激光 – 碘稳频576nm 染料激光 – 碘稳频633nm He－Ne激光 – 碘稳频612nm He－Ne激光 – 碘稳频515nm 氩离子激光 – 碘稳频543nm He－Ne激光 – 碘稳频640nm He－Ne激光 – 钙束稳频657nm染料激光
对比度K与两支干涉光强比n的关系
影响干涉条纹对比度的因素 ③相干光束光强不等和杂散光的影响
非期望的杂散光进入干涉场，会严重影响条纹对比度。 设混入两支干涉光路中杂散光的强度均为 I ' mI1
，则
I max (1 n m 2 n ) I1
于是
I min (1 n m 2 n ) I1
– 各光束的偏振状态差异； – 振动、空气扰动、干涉仪结构的刚性不足等。
怎样获得两束相干光？
• 分波前
• 分振幅
• 分波前法
– 将光源发出的球面波/平面波从空间上进行分离， 进入两个光通道，最后重新汇合
Thomas Young
Rayleigh
Fresnel
Lloyd
Fresnel Prism
r
S S0
θ
-f
图 4-2 等厚干涉仪中的扩展光源
a)
b)
光阑孔大小对干涉条纹对比度的影响
c)
• 在干涉测量中，采取尽量减小光源尺寸的措施，固然可以 提高条纹的对比度，但干涉场的亮度也随之减弱。 • 当采用激光作为光源时，因为光源上各点所发出的光束之 间有固定的相位关系，形成的干涉条纹也有固定的分布， 而与光源的尺寸无关。 • 激光光源的大小不受限制，激光的空间相干性比普通光源 好得多。
激光头 稳频器
干涉仪本体
氦氖激光器
准直透镜
光电组合体
光电转换 鉴向倍频 放大 整形
大气修正
计算机
输出
激光干涉仪中的光源 最主要的要求就是波长的单色性和稳定性，
波长的稳定性直接影响测量的不确定度，所以大多数激光干涉仪采用 稳频 He-Ne激光器，波长632.8nm，波长稳定性可以达到10-7
“米”的定义
判向计数原理
干涉条纹计数时，通过移相获得两路相差π/2的干涉条纹的光强信号， 该信号经放大，整形，倒向及微分等处理,可以获得四个相位依次相差 π/2的脉冲信号。实现干涉条纹的四倍频记数。相应的测量方程变为
LN
8
判向计数原理框图
1、2—光电元件；3—干涉条纹
sin 0
cos 0 (cos)超前
位相差 两光束到达 某点的光程 差
L
2π
满足
L m 的光程差相同的点形成的亮线叫亮纹。 满足 L (m 1 / 2) 的光程差相同的点形成的暗线叫
暗纹，亮纹和暗纹组成干涉条纹。 其中 m 是干涉条纹的干涉级次。
干涉条件
• 通常能够产生干涉条纹的两列光波必须满足三个基本相干 条件： –频率相同 静态稳定干涉场 –振动方向相同 的条件 –恒定的位相差
机械法移相
狭缝移相
阶梯板移相
翼形板移相
偏振移相
干涉条纹计数
如果只有一组干涉条纹信号输入计数器，工作台的微小倒退信号 也会引起计数器增加计数，带来误差，因此需要判断工作台的运 动方向，而且计数器具有减的功能，即需要“可逆计数器”； 设计方向判别部分，将记数脉冲分为加脉冲和减脉冲两种。使得 当测量镜正向移动时产生的脉冲为正脉冲，而反向移动时产生的 脉冲为负脉冲。
干涉仪(Interferometer)
反射镜
M1 M 2
虚薄膜
a1
光源 S
G1
45 G2
a2
M2
a
补偿板
反 射 镜
半透半反膜
Albert Abraham Michelson
迈克尔逊因发明干涉 仪和光速的测量而获 得1907年诺贝尔物理 学奖金。
a1′
a2′ E 观测装置
• 由M2反射的光束可以当作是从它虚像M2′反射过来的，这样，发生干 涉的光束相当于M1与M2′之间的空气薄膜反射形成的。
干涉条纹对比度
• 干涉条纹对比度可定义为
I max I min K I max I min
式中，Imax、Imin 分别为静态干涉场中光强的最大值和最小值，也可 以理解为动态干涉场中某点的光强最大值和最小值。 当 Imin = 0 时 K＝ 1，对比度有最大值；而当 Imax= Imin时K＝0， 条纹消失。在实际应用中，对比度一般都小于1。 对目视干涉仪可以认为： 当K＞0.75时，对比度就算是好的； 而当K＞0.5时，可以算是满意的； 当K＝0.1时，条纹尚可辨认，但是已经相当困难的了。 对动态干涉测试系统，对条纹对比度的要求就比较低。