光学测试技术 第4章 光学干涉测量技术
光学测试技术教学设计
光学测试技术教学设计一、前言光学测试技术是科学实验课程中的一门非常重要的学科，它在机械、电子、光学、物理等领域中具有广泛的应用。
因此，为了更好地教学，我们对光学测试技术这门课程进行了一些设计和改进，以便为学生提供更好的教学体验和更好的学习效果。
二、教学目标：1.掌握光学测试技术的基本理论和实验操作方法；2.学会运用现代光学测试仪器进行实验测试；3.培养学生科学实验能力和创新思维。
三、教学内容：3.1 光学测试技术基础•光学基础知识；•光学系统及元器件的分类和功能；•发光源、检测器和光学仪器等基本概念。
3.2 光学测试仪器的基本使用方法•光学测量仪器的分类和功能；•示波器、频谱分析仪、光学功率计和测量型多用表等设备的使用方法；•实验参数的设定和测量方法。
3.3 光学测量技术实验•光的波粒性实验；•光强的测量；•双光栅光谱仪的原理与使用；•透镜组光学系统的分析与实验；•激光干涉法测量光学元件的表面形貌。
四、教学方法本课程将采取理论讲授与实验操作相结合的教学方法，兼顾讲授与实验。
通过实验操作，可以直观地了解光学测试技术，看到实验细节，同时在操作中学习理论。
在课程设计中还将增加一些实际问题讨论和应用案例分析等教学方法来锻炼学生的科学研究素养。
五、教学过程5.1 理论讲授在教学的初期，我们将讲解光学测试技术的基本理论知识。
具体的内容包括光学基础知识、光学系统及元器件的分类和功能、发光源、检测器和光学仪器等基本概念等。
在此基础上，我们还将讲授光学测量仪器的分类和功能、示波器、频谱分析仪、光学功率计和测量型多用表等设备的使用方法。
5.2 实验操作在理论讲授后，我们将进行实验操作，并在操作中让学生自己设置实验参数和进行测量。
具体实验内容包括光的波粒性实验、光强的测量、双光栅光谱仪的原理与使用、透镜组光学系统的分析与实验以及激光干涉法测量光学元件的表面形貌等。
5.3 实际问题讨论在实验操作中，我们将增加一些实际问题的讨论，例如光学测试技术在现实生活中的应用、新型光学元器件的发展方向等问题，来增强学生的学习效果。
光学测量技术与应用幻灯片.ppt
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《光电检测技术》
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分辨率(Resolution Power)：指测量系统能检测到的最小 的输入增量。
误差(Error)：就是测得值与被测量的真值之间的差。误 差可以分为：系统误差、随机误差与粗大误差。
技术重大发现与创新离不开测试与仪器。许多重要 的发现都是通过测量而得到的。 ➢ 没有测量，也没有生产，同时测量手段提高，生产 质量也随着提高。 ➢ 现代战争中，先进的测控系统已成为精确打击武器 装备的重要组成部分。
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狭义测量
➢ 尺寸测量 一般尺寸的测量，大尺寸的测量，小 尺寸和微纳尺寸的测量；高精度测量
➢
4.被测对象和观察者：也是测试系统的组成部分，它
们同传感器、信号调理部分以及数据显示与记录部分一起
构成了一个完整的测试系统。
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光学系统的基本组成部分
1.光源：在许多光学测量系统中需要选择一定辐射功率、 一定光谱范围和一定发光空间分布的光源，以此发出的光束 作为携带被测信息的物质。
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0 引言
1 学习主要目的
➢ 理解和掌握测量领域尤其是光学测量领域中的基 本概念以及光测量信号的基本特征和基本信号处 理方法。
➢ 学习和掌握科学研究、工业生产及计量领域中光 学测量的基本原理、基本方法和基本系统构成,例 如:干涉测量, 全息测量, 多普勒测量、光纤传感 等等。
信号(Signals)：是信号本身在其传输的起点到 终点的过程中所随带的信息的物理表现，是传递信息 的载体。信号具有能量，它描述了物理量的变化过程 ，在数学上可以表示为一个或几个独立变量的函数。
光学 第四章光的衍射
杨氏双缝
2
3 4
薄膜
劈尖 牛顿环
5 迈克尔逊干涉仪
1 杨氏双缝 θ δ = d sin + kλ ={ λ + ( 2 k + 1) 2
( k =0,1,2,... ) 明纹 ( k =0,1,2,... ) 暗纹
明条纹的位置： + k λ x = D d
相邻两明纹或暗纹的间距：
λ Δx = D d
三、光栅(Grating) 1 基本概念 (1)光栅 (2)光栅常数(Grating Constant)
2 光栅衍射的本质 透射光栅的实验装置图
光栅衍射图样是单缝衍射和多缝干涉的 综合结果。
屏
b a
f
0
x
a d= a + b
b 缝宽 不透光部分宽度 4 6 ~ 10 ~ 10 m 光栅常数
3 光栅衍射图样的描述 ① 产生主极大的条件
例 在通常亮度下，人眼睛瞳孔直径约 为3mm，问人眼的最小分辨角是多大？ 远处两根细丝之间的距离为2.0mm，问 离开多远时恰能分辨？
五、X射线(X-ray) 布拉格条件(Bragg Condition)：
当 时， 原子散射线相干加强。波动性的体现。
布喇格父子(W.H.Bragg, W.L.Bragg)
一、基本概念 1 衍射现象 光在传播过程中遇到障碍物时，能够绕 过障碍物的边缘前进，光的这种偏离直线 传播的现象称为光的衍射现象。
屏幕 阴 影
屏幕
缝较大时， 光是直线传播的
缝很小时， 衍射现象明显
2 衍射的本质（惠更斯—菲涅尔原理） (Huygens-Fresnel Principle)
波阵面S 上每个面元 ds 都可以看成是发 出球面子波的新波源，空间任一点 P 的振 动是所有这些子波在该点的相干叠加。
第四章：多光束干涉与光学薄膜
注：透射光的干涉条纹极为明锐，是多光束干 涉最显著的特点。
§4－1平行平板的多光束干涉
四、多光束干涉条纹的锐度：
为了表示多光束干涉条纹极为明锐这一特点， 引入条纹的锐度概念。
条纹的锐度用条纹的位相差半宽度来表示，即：
条纹中强度等于峰值强度
I(t) I(i)
1
一半的两点间的位相差距离，
记为Δδ，对于第m级条纹， 1
n2 sin 2 0
2 2nh cos m 2
所以对于同一个干涉级，不同波长光的亮纹
位置将有所不同，两组亮纹的圆心虽然重合，
但它们的半径略有不同，位置互相错开。
考虑到楔形板内表面镀金属膜的影响：如图4
－7所示，对于靠近条纹中心的某一点 0
对应于两个波长的干涉级差为
§4－2法布里－珀罗干涉仪 和陆末－盖尔克板
（2）、随着R增大，透射光暗条纹强度降低，
亮条纹的宽度变窄，锐度和对比度增大。
（3）、R 1时，透射光干涉图样由在几乎全 黑的背景上的一组很细的亮条纹所组成。反射 光干涉图样和透射光干涉图样互补，由在均匀 明亮背景上的很细的暗条纹组成，这些暗条纹 不如透射光图样中暗背景上的亮条纹看起来清 楚，故在实际中都采用透射光的干涉条纹。
对应于两个波长的干涉级差为
m
m1
m2
2h
1
2h
2
2h1 2
12
而m e / e，
Δe 两个波长的同级条纹的相对位移。e：同
一波长的条纹间距。
2
1
e 2he
12
e 2he
2
2
则：
1
2
§4－2法布里－珀罗干涉仪 和陆末－盖尔克板
是λ1和λ2的平均波长，其值可预先测出。 h是标准具间隔
点衍射干涉检测技术
（Ｆｉｚｅａｕ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ）等，它们均为非共路或准共 标准光学元件加工精度对检测系统精度的限制，
路的干涉结构，易受到机械振动和空气扰动的影 因而可以得到衍射极；而且它们要求 米级精度的检测，成为了高精度光学检测技术中
系统光源具有较长的相干长度，无法使用白光光 极具发展潜力的一种技术手段。除此之外，随着
测需依靠光路中的某一标准镜来产生参考波前， 助光刻技术、空间光学、生物检测、显微技术等的
不仅限制了干涉系统的检测口径，而且受标准参 发展具有重要意义。
考镜加工精度的限制而难以产生高质量的参考球 本文对不同发展阶段的点衍射干涉检测技术
面波前，无法进行高精度光学检测。
进行了分类和归纳，分析了点衍射共路干涉仪、光
（浙江大学光电科学与工程学院现代光学仪器国家重点实验室，浙江杭州３１００２７）
摘要：本文介绍了点衍射干涉仪不同发展阶段的特点和应用。点衍射干涉仪由波长量级的针孔产生高质量的球面波作
为参考波前，能够得到衍射极限性能的分辨率。按照不同的光路特点，点衍射干涉仪可分为点衍射共路干涉和点衍射非
共路干涉两种结构，主要应用于高精度波前检测和面形检测。共路干涉结构简单紧凑，对环境振动不敏感，对光源相干
源、紫外波段甚至Ｘ 射线照明。而用于制作极大 点衍射干涉技术的不断发展，它已成功用于构建
规模集成电路的光刻投影物镜的像差检测要求使 白光干涉显微镜［２］、全息相位显微镜［６］、自适应
用在线式光源（波长为１３．５ ～１９３ ｎｍ），其相干长 光学系统［７］，以及生物细胞三维结构的干涉检
度较短，只能使用全共路干涉仪。传统的干涉检 测［８］。可见，开展点衍射干涉技术的研究对于辅
传统的干涉检测系统用于波前测量时，大多
光学检测技术教学大纲
《光学检测技术》课程教学大纲课程代码：090642003课程英文名称：optical detection technology课程总学时：32 讲课：32 实验：0 上机：0适用专业：光电信息科学与工程大纲编写（修订）时间：2017.10一、大纲使用说明（一）课程的地位及教学目标本课程是光电信息科学与工程专业的一门专业选修课，通过本课程的学习，可以使学生掌握光学测试技术的相关原理和方法，培养学生解决实际问题的能力。
（二）知识、能力及技能方面的基本要求1．各种光学测试技术的原理。
2．各种光学测试技术的系统结构和特性。
3．各种光学测试技术的使用方法。
（三）实施说明1．教学方法：课堂讲授中要重点对基本概念、基本方法和解题思路的讲解；采用启发式教学，培养学生思考问题、分析问题和解决问题的能力；引导和鼓励学生通过实践和自学获取知识，培养学生的自学能力；增加讨论课，调动学生学习的主观能动性；注意培养学生提高运用光学检测技术的能力。
讲课要联系实际并注重培养学生的创新能力。
2．教学手段：本课程属于技术基础课，在教学中采用电子教案、CAI课件及多媒体教学系统等先进教学手段，以确保在有限的学时内，全面、高质量地完成课程教学任务。
（四）对先修课的要求本课程的教学必须在完成先修课程之后进行。
本课程主要的先修课程有《现代应用光学》。
（五）对习题课、实践环节的要求各章内容学习结束后，根据教材内容选择习题，布置习题作业，根据习题的完成质量，随堂讲解各章重点习题，期末总复习全面讲解。
（六）课程考核方式1．考核方式：考查2．考核目标：考核学生对光学测试技术基本知识、原理和方法的掌握，及综合运用、分析解决问题的能力。
3．成绩构成：本课程的总成绩主要由两部分组成：平时成绩（包括作业情况、出勤情况等）占30%，期末考试成绩占70%。
（七）参考书目《光电测试技术》（第三版），范志刚、张旺等编著，电子工业出版社，2015；《光学测试技术》，刘承、张登伟等编著，电子工业出版社，2013；《现代光学测试技术》，王文生等编著，机械工业出版社，2013；二、中文摘要本课程是光电信息科学与工程专业的一门专业课程，课程通过对光学测试技术的相关原理和方法的讲授，使学生掌握光学测试技术的基本原理和方法，培养学生分析、解决光学测试所涉及的实际问题的能力。
光学测量原理及技术
泰曼：分振幅、分光路牛顿干涉仪，分光路容易受环境影响
菲索：分振幅、共光路牛顿干涉仪，可实现平面干涉、球面干涉等。共光路：可减小环境干扰。本质上为牛顿干涉原理。
•菲索平面干涉仪原理、构造、光路简图；
详见课本92、93页；
•菲索平面干涉仪的时间相干性、空间相干性；
•放大率法焦距测量计算；
见书33页
放大率法焦距测量中的注意事项
1.负透镜（测量显微镜工作距离大于负透镜焦距）
2.光源光谱组成（色差）
3.被测镜头像质
4.近轴焦距与全口径焦距（球差）、测量显微镜NA
习题P39题4、6
第四章、准直与自准直技术
•准直、自准直的概念；
准直：获得平行光束。
自准直：利用光学成像原理，使物和像都在同一个平面上的方法。
•移相干涉术的特点；
有利于消除系统误差、减小随机的大气湍流、振动及漂流的影响，可适当放宽对干涉仪器的制造精度要求。
补充：
1、牛顿环判断曲率
单色光源：轻轻按压上面的零件。条纹扩散则凸，条纹收缩则凹。
白光光源：按压使两者紧密接触，中央暗斑、第一亮纹几乎为白色。其余亮纹内侧蓝色、外侧红色则为凸，反之为凹。
（清晰度）人眼调焦扩展不确定度：
（消视差法）人眼调焦扩展不确定度：
人眼摆动距离为b，所选对准扩展不确定度为δe，
•对准误差、调焦误差的表示方法；
对准：人眼、望远系统用张角表示；显微系统用物方垂轴偏离量表示；
调焦：人眼、望远系统用视度表示；显微系统用目标与标志轴向间距表示
• 常用的对准方式；
• 光学系统在对准、调焦中的作用；
望远系统：对统提高对准和调焦对准度
光学测试技术实验报告
一、实验目的1. 熟悉光学测试技术的基本原理和实验方法。
2. 掌握光学测试仪器的操作技巧和数据处理方法。
3. 通过实验，验证光学测试技术在光学系统中的应用效果。
二、实验原理光学测试技术是利用光学原理和方法对光学系统进行测试和检测的技术。
其主要内容包括：光学元件的测量、光学系统的成像质量测试、光学系统的性能测试等。
三、实验仪器与材料1. 实验仪器：- 光学测试台- 光学元件（透镜、棱镜等）- 全息干涉仪- 激光器- 光学显微镜- 照相机- 计算机- 数据采集卡2. 实验材料：- 光学元件- 光学系统- 样品四、实验内容及步骤1. 光学元件测量（1）测量透镜的焦距将透镜放置在光学测试台上，调整光路，使激光束通过透镜后聚焦到光屏上。
通过测量光屏上的光斑直径，计算出透镜的焦距。
（2）测量透镜的球差将透镜放置在光学测试台上，调整光路，使激光束通过透镜后产生球差。
通过测量光屏上的球差曲线，计算出透镜的球差。
2. 光学系统成像质量测试（1）测试光学系统的像差将光学系统放置在光学测试台上，调整光路，使激光束通过系统后聚焦到光屏上。
通过测量光屏上的像差曲线，计算出光学系统的像差。
（2）测试光学系统的分辨率将光学系统放置在光学测试台上，调整光路，使激光束通过系统后聚焦到光屏上。
通过测量光屏上的衍射图样，计算出光学系统的分辨率。
3. 光学系统性能测试（1）测试光学系统的光通量将光学系统放置在光学测试台上，调整光路，使激光束通过系统后聚焦到光屏上。
通过测量光屏上的光强分布，计算出光学系统的光通量。
（2）测试光学系统的光谱特性将光学系统放置在光学测试台上，调整光路，使激光束通过系统后聚焦到光谱仪上。
通过测量光谱仪输出的光谱曲线，计算出光学系统的光谱特性。
五、实验结果与分析1. 光学元件测量结果（1）透镜焦距：f = 200mm（2）透镜球差：C = 0.02mm2. 光学系统成像质量测试结果（1）像差：RMS = 0.01mm（2）分辨率：R = 50lp/mm3. 光学系统性能测试结果（1）光通量：Φ = 80%（2）光谱特性：在可见光范围内，光学系统具有较好的光谱透过率。
光学测量技术实验报告
一、实验目的1. 了解光学测量技术的原理和基本操作。
2. 掌握使用光学测量仪器进行实验的方法和技巧。
3. 通过实验，验证光学测量技术的准确性和可靠性。
二、实验原理光学测量技术是利用光学原理对物体进行精确测量的技术。
它主要包括干涉测量、激光测量、光学成像测量等方法。
本实验主要采用干涉测量法，通过干涉条纹的变化来计算物体的长度、厚度等参数。
三、实验仪器与材料1. 干涉仪：牛顿环干涉仪2. 待测物体：玻璃平板、透镜、标准尺等3. 其他辅助设备：读数显微镜、光源、滤光片等四、实验步骤1. 牛顿环干涉仪的调整（1）将牛顿环干涉仪放置在平稳的工作台上，调整水平。
（2）开启光源，调节光源强度，使干涉条纹清晰可见。
（3）将待测物体放置在牛顿环干涉仪的载物台上，调整待测物体与干涉仪的距离，使干涉条纹与载物台平行。
2. 测量牛顿环半径（1）使用读数显微镜观察牛顿环干涉条纹，选取清晰且等间距的干涉环。
（2）记录干涉环的半径，重复测量多次，取平均值。
3. 计算待测物体的厚度（1）根据牛顿环干涉公式，计算待测物体的厚度。
（2）利用公式计算厚度，并与实际值进行比较，分析误差。
4. 测量透镜的焦距（1）将透镜放置在牛顿环干涉仪的载物台上，调整距离，使干涉条纹清晰。
（2）记录干涉条纹的半径，重复测量多次，取平均值。
（3）根据透镜的焦距公式，计算透镜的焦距。
5. 分析实验结果（1）比较测量值与实际值，分析误差来源。
（2）讨论实验过程中遇到的问题及解决方法。
五、实验结果与分析1. 牛顿环半径测量待测物体的牛顿环半径测量结果如下：| 干涉环编号 | 半径（mm） || -------- | -------- || 1 | 1.23 || 2 | 1.25 || 3 | 1.28 || 4 | 1.30 |平均半径：1.25 mm2. 待测物体厚度计算根据牛顿环干涉公式，计算待测物体的厚度为：厚度= 2 R λ / m其中，R为牛顿环半径，λ为光源波长，m为干涉环编号。
光学基础知识光的干涉和衍射的应用
光学基础知识光的干涉和衍射的应用光的干涉和衍射是光学中重要的现象和现象应用。
干涉是指两个或多个光波相互叠加而形成干涉图样的现象，衍射是指光通过障碍物或物体边缘时发生弯曲和扩散的现象。
在实际应用中，光的干涉和衍射被广泛运用于光学仪器、光学测量、光学存储和光学通信等领域。
一、光的干涉的应用光的干涉应用广泛，以下列举了一些常见的应用：1. 干涉测量：光的干涉可用于测量非常小的位移、长度和形状等参数。
例如，著名的薄膜干涉仪通过测量干涉条纹的变化来获取待测物体的变化信息。
干涉测量在工程、科学和医学领域具有重要的应用价值。
2. 干涉显微镜：干涉显微镜利用光的干涉原理，可以提供比传统显微镜更高的分辨率和对透明样本更好的成像效果。
干涉显微镜在生物医学研究中有广泛的应用，可以观察到细胞、细胞器和微小结构等。
3. 干涉滤波器：干涉滤波器是一种通过光的干涉效应来实现波长选择性的光学器件。
它能够选择性地传递或抑制特定波长的光，用于光学通信、光谱分析和显微成像等领域。
4. 涡旋光：产生干涉的偏振光与普通偏振光不同，被称为涡旋光。
涡旋光的应用较为特殊，如在光学通信中可以提高光信号传输的容量和距离。
5. 光学天文学：干涉仪和干涉观测技术在光学天文学中具有重要地位。
通过干涉仪观测星光的干涉图样，可以研究恒星的表面特征、行星的运动和宇宙中的星系等。
二、光的衍射的应用光的衍射也有着广泛的应用，以下是一些主要的应用领域：1. 衍射光栅：衍射光栅是一种通过光的衍射原理来实现光波分析和光谱测量的重要光学元件。
它广泛应用于光谱仪、光学测量仪器以及激光科学和技术中。
2. 衍射成像：衍射成像技术通过光的衍射原理实现高分辨率的成像效果。
例如，X射线衍射成像被广泛应用于材料科学、生物医学和纳米技术领域。
3. 衍射透镜：衍射透镜是一种利用衍射效应设计的特殊透镜，它可以实现超分辨率成像、增加焦深和减小像差等优点。
衍射透镜在显微镜、激光工艺和光学传感器中具有重要的应用。