（测试计量技术及仪器专业论文）数字散斑干涉技术及在多功能光电测试仪中的应用.pdf

囊淡太攀酸 j 学位论文 致谢 繁4 9 3 6 1 睦 本文豹研究工作是在导师杨国光教授的悉心指导和实验室同仁通力台 作下完成的，学生的每一点进步都凝蒙了导师的关怀，课题研究的成绩和产 品他的顺利实现更是集体姆慧和努力的结晶。 此时她鄹，我首先要对杨鲎光老翔表示最衷心豹感禳之情 杨老师不仅 对主修测试计燕和检测专照的我提出在“光、杌、电、算”各领域全瑟成长 的鼙标，而且在整个研究工作期闯，橱老师在选题、研究思路和材料收集、 实验现象分析、课题经费支持和生产准备、论文撰写诸多方面倾注大蠡的心 血。此外，杨老师渊博的学识和平易近人的风范、勇于跟踪和探索学科前沿 的战略眼光、严谨的治学作风、无不令人景仰而铭记于心。 此刻，我还要真诚地感谢安验室白剑副教授、粱宜勇博士、左丹薇老师， 随着课题的展开和设计功熊的增加，他们分担了许多不霹或缺的工作。 感谢甍天宁教授、划承副教授、牟超东副教授、舒晓武副教授、撰西云 高正、陈晓秋老瘴、侯昌伦硬士、岑松原硕士、王东云博士、许蝉玉硕士以 及仪器系的吕汉黎老师、戴云霞老师，他们为课题提供了及时而重要的实验 条件。 最后，我要向我的培养单位和亲人们表示最深切的谢意。他们殷切的希 望激励着我进步，让我安心求学。“取法乎上，得其中”，些许成绩，不足回 报。谨以此文为献! 彭德艳 2 0 0 2 年1 月于浙江大学 浙江人学碘i 。学位论立 摘要 本论文主要研究了数字散斑干涉技术( d i g i t a ls p e c k l e p a t t e r n i n t e r p e r o m e t e r 。后文简称d s p i ) 。( 数字散斑干涉技术的应用在国内尚属空白 该技术在理论和实用领域均有新颖和独到之处。1 l 基于d s p i 原理，论文吸收统计分析思想，相对完善了该技术的实用技术 体系，设计了一种d s p i 应用光路，该光路可用于粗糙表面离面位移和形变检 测，并依托此光路设计了一套多功能激光光电实验系统。 该多功能激光光电实验系统以泰曼一格林干涉( t w y m a n g r e e n ) 光路作核 心，包括先进的数字波面干涉技术和一种基于空闯干涉原理的、纳米分辨率 零差干涉仪位移测量方法，同时将多种新颖、工程实用价值高的测量技术和 光路如衍射测量、共焦显微技术、光纤传感技术以及反映傅立叶光学基本光 学原理的4 f 空间滤波系统也组合进去。 f 在信息技术、仪器科学、计量测试以及自动化专业技术教学中，该系统 能提供丰富的现代光学测试实验。 论文最后总结了该测试系统的不足，提出了一些改进方法，对该仪器的 升级和应用作了展望。 “ 关键字：数字散斑干涉、纳米测量、共焦显微、数字波面干涉、衍射测量、 空间滤波、光纤传感， 塑坚叁兰塑! ! 兰丝堡兰 a b s t r a c t t h ed i g i t a l s p e c k l ep a t t e r n i n t e r f e r o m e t e rw a ss t u d i e di nd e t a i l i nt h i s d i s s e r t a t i o n ，a san e wm i c r o - i m a g i n ga n dp r e c i s i o nm e t e r i n gt e c h n o l o g y , d s p i h a s n o tb e e na p p l i e di n t oa l lk i n d so fi n s t r u m e n t s i no u rc o u n t r yu n t i ln o w , o nt h e o t h e rh a n d ，t h e r ei s n tr e p l a c e m e n tf o ri ti ns o m es p e c i a la p p l i e df i e l d b a s e do nt h ep r i n c i p l eo fd s p i ，ak i n do fv i s u a ls y s t e mw a sd e s i g n e di nt h i s d i s s e r t a t i o n w h i c hc a nb c u s e di nt e s t i n gt h eo f f - s u r f a c ed i s p l a c e m e n t a n d d e f o r m a t i o no ft h er o u g hs u r f a c e a tt h es a m et i m e ，am u l t i - p u r p o s eo p t i c a l m e t e r i n gs y s t e m w h i c hc o n t a i n st h i sv i s u a ls y s t e mw a sc r e a t e da n dm a n u f a c t u r e d t 1 1 i sm u l t i p u r p o s e o p t i c a lm e t e r i n gs y s t e mh a da d o p t e dt h et w y m a n g r e e n i n t e r f e r o m e t r i cs y s t e ma si t sc e n t e r c o n t a i n i n ga na d v a n c e dd i g i t a lw a v es u r f a c e i n t e r f e r o m e t r ya n d ak i n do f h o m o d y n e i n t e r f e r o m e t e rd i s p l a c e m e n tt e s t i n gm e t h o d w i t hn a n o m e t e r - s i z e dc a p a c i t y a tt h es a m et i m e ，m a n yw i d e a p p l i e dm e t e r i n g t e c h n o l o g y ，f o re x a m p l e , t h ed i f f r a c t e df i e l d ( f r i n g e ) m e a s u r e m e n t ，c o f o c a ll e n s s y s t e m ，o p t i c a lf i b e rs e n s o r sa n d4 f ( f o c a ld i s t a n c e ) s p a c ef i l t e rs y s t e mw h i c hc a n e m b o d y t h ec h i e f p r i n c i p l e o ff o u r i e r o p t i c sw e l l ，w e r e c o m b i n e di n t o i t s u c c e s s f u l l y 一 t h i si n s t r u m e n t 7 ( a nf i r s t l - 分o f f e ra n ds h o wm o d e m o p t i c a lt e s t i n g m e t h o di nt h e l a b o r a t o r yf o rm a j o r so f i n f o r m a t i o np r o c e s s i n g ，i n s t r u m e n ts c i e n c e ，m e a s u r i n ga n d t e s t i n gt e c h n o l o g ya n d a u t o m a t i c t e c h n o l o g y a tt h ee n do f t h i sd i s s e r t a t i o n ，t h ei m p e r f e c t i o no f t h i si n s t r u m e n tw a s p o i n t e d o u t t h ei d e a lf o ri m p r o v e m e n ta n dt h ew i d ea p p l i e df i e l do fd s p iw a sd i c t a t e d k e y w o r d s ： d s p i ，n a n o m e t e r - s i z e dt e s t i n g ，c o f o c a lm i c r o i m a g i n g ， d i g i t a lw a v e s u r f a c ei n t e r f e r o m e t r y ，o p t i c a lf i b e rs e n s o r s ， t h ed i f f r a c t e df i e l d ( f r i n g e ) m e a s u r e m e n t ，4 f s p a c ef i l t e rs y s t e m 5 塑垩查兰堡! ：兰些堡= ! ! ! ； 第一章导言 1 1 本课题的研究背景和研究目标 作为一门古老的信息技术学科，光学计量学从本世纪6 0 年代结合新兴的 激光技术和计算机技术起，又焕发了新的活力：不仅理论层面和实验技术上 推陈出新，事实上，新生代光电检测仪器也表现出了功能多样化、计测高精 度( 数字化) 、高速度( 实时化) 等特征，广泛地应用到生产、生活、医疗和 国防等领域。而采用新的计量检测技术技术、新的光电器件，开发研制各种 新颖实用、反映现代计量技术的光电检测仪器或者测控装备，自然成为许多 高校、科研院所的主题方向之一。 在导师的指导下，作者查阅、学习了大量资料文献，发现迈克尔逊干涉 仪光路结构在若干重要检测光路中得到应用。比如：散斑干涉技术应用检测 离面位移、反射式三维共焦显微技术、笔束激光干涉仪用于纳米测量等等。 如果充分公用迈克尔逊干涉仪光学器件，革新信号传输与处理手段，综合典 型的干涉、衍射和空闯滤波原理，实现对某些试样的显微观察、精密检测、 实时计量完全可能。鉴于此，确定课题为研制一种多功能激光检测仪，试图 表现出功能多样、技术新颖、结构紧凑等特点，能包容如下几项精密检测、 显微与光学信息处理技术： 一、数字散斑干涉( d s p i ) 曾一度作为全息工作的天敌的散斑，现已从积极的角度被人们所探究。 大家都已知道，如果激光照射散射表面，用肉眼就很容易观察到散斑效应。 这样的散斑是经干涉而形成的，即来自大量散射中心的光振幅矢量在最小可 分辨视场面积内进行了合成。这种多光束干涉方式在空间上没有参考位置， 因此其本身在计量上并没有什么价值，这也是早期的全息计量工作着一味地 集中精力消除散斑，力图改善全息图重现像的像质的原因。而现在，利用来 自散射表面的所有光学贡献之间的相干特性，兴起并发展了在工程计量中能 起重要作用的- - r 3 学科和技术散斑计量学和散斑干涉技术。 散斑干涉技术是在全息干涉技术的基础上发展起来的( 故也称全息散斑 计量学) ，而且己成为现代光学计量学的一个具有实用价值的新技术，它研究 光学粗糙波面的变化信息的测量，是一种相干捡测技术。 我们知道，全息术只能应用于光滑的有规则的表面，后来在分析物面的 变形和振动时，逐渐发展到任意形状的粗糙表面，但是，在有些应用中，全 息干涉技术尚有以下主要缺点： 1 ) 全息术要求高分辨率底片； 2 ) 用二次曝光法来研究物体的变形时，全息方法得出许多不必要的信 浙江人学颂l ：学位论史 息，例如得出了物体的形状与反射率等信息； 3 ) 虽然理论上由全息图可以完全得出三维空阃的位移信息，但是实际上 不容易将其计算出来。 为了克服这些缺点，人们希望寻找到一种能直接反映测量位移量的非全 息方法，于是散斑干涉术应运而生。 迄今为止，散斑计量学经历了两个发展阶段。第一阶段大体上 1 9 6 5 - - 1 9 7 8 年，是出纯光学的相干计量技术为主的发展阶段。在这一时期， 激光光源提供的光场的优良相干性使相干计量带来的潜能被充分发掘，形成 了一系列纯光学的全息散斑计量方法；对计量机理的解释，主要是承袭了传 统的干涉计量理论，以几何光学光程差的定量分析为基础，辅助以波动光学 和统计光学的定性解释。 第二阶段是由7 0 年代末期微电子技术的发展开始的，是以光电结合的精 密计量技术为主的发展阶段。在这一时期，计算机硬、软件技术的不断普及 及其与纯光学计量技术的结合，使全息散斑计量技术向着高精度、高速度及 自动化方向发展。人们对全息散斑计量机理的认识也发生了深刻的变化，发 展出了用统计学方法解释的新理论，该理论更适合描述空间随机分布光场。 资料表明，散斑干涉场所含的空间频谱成分比较低，以至于可以用光电 器件记录而不丢失信息，因此散斑干涉计量能用电子学和数字的方法实现， 即用光电器件将原始散斑干涉场转换成电信号，经模数转换直接显示在图象 监视器上，配套相应软件后可以实现计量功能，此谓电予散斑干涉计量法 ( e l e c t r o n i cs p e c k l ep a a e m i n t e r f e r o m e t r y ，简称e s p i ) 。 可见e s p i 结合了全息术二次曝光法和散斑干涉技术，事实上，从7 0 年 代初，e s p i 就用于测量物体的形变和面形，这一技术能产生某种相关条纹， 该条纹对应于物体形变前后、或者二次曝光之间的物体表面的位移量，为了 获得相关条纹，需用摄像机在物体形变前后记录含有物体表面信息的干涉图， 然后将干涉图进行电子处理，而后得到相关条纹或进一步提取干涉条纹。然 而，即使利用相当完备的实验条件和丰富的实验试样( 形变物) ，由于整幅散 斑图中散斑颗粒对比度的杂乱多变，相关条纹的边沿也是难得清晰的，因此 散斑干涉技术甚至于e s p i 作为定性探测物体运动不失为一种好办法，如探 测物体振动模式、比较法判断某些结构件、材料、电气触点的异常等等，但 是难以得出定量的结果。 资料表明 3 - 9 1 ，通过引入对某些特殊材料的无损检测方法如数字全息干涉 计量技术( d i g i t a lh o l o g r a p h i ci n t e r f e r o m e t r y , 简称d h i ) 中用到的相移干涉法 ( p h a s e s h i f t i n gi n t e r f e m m e t r y ，简称p s i ) ，可以获得定量数据。 p s i 就是连续或者多步进动移相器，使产生干涉图的两束光中的一束光 浙江人学坝l 学位论义 的相位( 一般是参考光) 发生相对移动。通过干涉图中像素光强的计算来获 得检测波前的相位。d h i 结合了全息术二次曝光法和p s i ，在光学表面和粗 糙表面均能实现定量检测。如果把p s i 用到对粗糙表面的二次曝光法散斑干 涉测量中，无须全息术中间记录步骤，就可以得到能产生位相图的散斑干涉 图，方法是利用同样的一组相移递变值产生物体形变前后的两幅散斑干涉图， 然后分别算出其对应的位相等高图，进行相减运算即得物体形变过程对应的 位相差量。 这种综合e s p i 和p s i ，光路实质同于全息术，信号的获得与处理通过计 算机数控程序实现的方法，我们称之为数字散斑干涉技术( d i g i t a ls p e c k l e p a t t e mi n t e r f e r o m e t r y 或者d s p i ) 。 相对于纯光学处理方案，如二次曝光法，d s p i 略去了显影、定影等复杂 的湿处理手续，相对于e s p i ，d s p i 的控制精度和计量定量化程度有提高， 同时在装备、环保和操作者人身安全方面具有更大优越性。近年来，s p i e 期 刊收录的散斑干涉技术与应用的文献成为一个单列的、经常性的栏目说明散 斑干涉技术包括相对先进的d s p i 是光学检测领域一个值得注意的方向。 本课试图构建一套用于测量位移的光路来表现d s p i 的特点和优点，散 斑干涉计量测位移有双光束法和单光束法两种形式。单光束法又称散斑照相， 如图1 1 1 ，待测物体被一束发散的相干光从任意角度照射，并由照相机成像， 对放在像平面的底片作两次曝光，而在两次曝光之间使试件变形，然后借助 傅立叶滤波技术，就能够从处理后的照相底片中提取因变形引起的面内位移 条纹图。 熏相机 图1 1 1 用以测定匝内位移的单光束方法原理图 用来测量面内位移的双光束法如图1 1 。2 ，当物体发生形变时，各点的位 移致使两散斑波前产生相对的相位变化，沿观察方向位移( 离面位移) 所引 起的光程变化，与沿y 方向面内位移所引起的光程变化对两束光来讲都是相 同的，因此相对的相位差只是由于x 方向面内位移所引起。 堂垩叁兰竺! ：兰些堡苎 s 图1 卜2 用以测定面内位移的双光束方法原理图 用来测量离面位移的双光束法如图1 1 3 ，s0 为试件，sr 为参考表面， 分束器使得so 和sr 同时被入射光照明，又同时被照相机成像，此时，两 散斑波前产生相位差仅归因于离面位移。 s 努寨黑相扎 ( m i 图l l - 3 用以测定离面位移的双光束方法原理图一 x 厶 z 立光柬 体 s 圈l l - 4 用以测定离面位移的双光束方法原理图二 原理图1 1 4 是图1 1 3 的改进，适用于诸如柔性板这一类问题。 这里在相关实验光路和实际应用光路中，选择几幅结构上具有代表性的 光路，见图1 1 5 、图1 1 - 6 和图1 1 7 。可以发现类似于马赫- 泽德干涉光路 和迈克尔逊干涉光路的结构较为常见，作者兼顾课题背景和开发时效性选择 了迈克尔逊干涉光路结构。 图1 卜5 中h e n e 激光器1 0 m w 、分束器分光比可调、p z t 线性程控、 探测器响应2 0 m s e c 幅，前面装楔形波片以削弱玻璃窗寄生干涉条纹，l 2 波 片是为了配合单模光纤保证偏振方向匹配。 x l x l y 新江人学坝 1 学位论义 圈i i 5 用以测定离砸位移的d s p i 双光柬方法实验光路 图1 1 - 6 中，氩离子激光束由显微物镜扩束而由透镜准直，然后被直角 棱镜的两个反射面分割成两部分，再经对称放置的两个反射镜射到物体表面 上，像平面为i ，该光路对平面应变敏感。 圈l l 用以测定平面应变的双光束方法实验光路 图li - 7 用以监视振功、绘恒值线和无损检测的粜实用光路设计略喇 塑坚查兰堡! ：兰些堡苎 二、共焦显微术 光学显微术是一种观测微观世界而被研究了一个多世纪的古老课题。光 学显微术的无破坏性对各种领域都很重要，例如对生物和材料科学的研究。 普通光学显微镜的主要缺点是分辨率受到了衍射极限的限制，它的分辨率与 照明波长是一个数量级；另一个限制是它的有限焦深。这些限制是利用普通 光学显微术对具有一厚度的物体成像很困难，因此对厚样品不可能三维成 像。 共焦显微术的概念首先是由m i n s k y 在5 0 年代提出的1 2 3 j 。当时他企图消 除普通光学显微镜在探测样品时产生的多种散射光。在他提出的共焦显微这 样一个新的成像系统中，利用电光源照明样品，而且样品上被照明点的信息 被一个很小的探测器收集，利用移动样品，可以记录下样品不同部分的信息。 7 0 年代人们对共焦显微成像给予了更细致的研究，首先阐明了它的横向分辨 率是相同孔焦比的普通显微镜的1 4 倍。这种横向分辨率的改进是利用减小 显微镜的视场获得的，但是这种视场小的缺点可以利用扫描机制来补偿。人 们很快认识至q 共焦显微术具有很强的纵向深度的分辨能力：探测到焦点外的 信号强度比在焦点内的信号强度要弱得多，正是这些焦外的信息使普通光学 显微镜的成像变得模糊，也正是这种3 d 成像能力，使共焦显微术广泛适用 于微电子学、材料、工业精密检测、生物医学乃至生命科学等领域的检测。 共焦显微还有另外一个优点，即它的探测器前面所加的针孔掩膜，大大减小 了不想要的闪烁和散射光所成的噪声。现在可以根据传递函数的概念，以统 一的方式定义3 d 共焦成像的分辨率，并能够利用傅立叶变换对具有一定厚 度样品的像进行模拟和计算。另外，借助于3 一d 传递函数通过数字处理还能 够改进图象质量。共焦显微术及其传递函数概念对于关心一般显微成像的研 究者也是有用的。 本课题侧重于演示其3 d 成像能力，并给出一种定标原理。 三、纳米测量系统 微米，纳米技术作为二十世纪出现的高技术，发展十分迅猛，并由此开创 了纳米电子学、纳米材料学、纳米制造学、纳米显微及测量等高技术群，课 题试图展示光学纳米测量技术的实现方式之一。 微观尺度的测量【1 2 l 【3 0 1 ，早期是采用光学显微镜，由于受到光波衍射的限 制，其横向分辨率只达几百纳米，而后相继出现扫描电子显微镜、扫描隧道 显微镜、x 射线干涉仪、电容测微仪、法布里一珀罗( f a b r y p e r o t ) 激光干 涉仪、外差激光干涉仪、零差激光干涉仪等仪器和方法。前三种仪器结构复 杂，造价昂贵；电容测微仪量程有限，分辨率于测量范围有关，而且存在非 线性：f p 激光干涉仪的分辨率可达0 1 n m 但量程一般都较小：外差激光干 浙江人学颂i 与e 位论文 涉仪e 2 z l 罚了载波思想而将被测量转为调频或调相信号，从而使得系统具有较 高的抗于扰能力和分辨率，但当干涉仪用来纳米测量时般要求拍频频差 很低，因而对光源要求苛刻，而且调制器件的精度影响系统精度；相对于外 差激光干涉仪而言，零差激光干涉仪的光源为单一频率，因而成本较低，但 对普通的零差干涉仪，当测量静止时，其输出的干涉信号为直流量，易受光 强波动和噪声影响，因此测量精度和分辨率不易提高。 具有纳米位移测试潜力的光路有很多，如以零差激光干涉仪为框架，继 承其光源为单一频率的优点，针对其精度和线性度不够采取空间干涉光路， 摈弃采取调制器件的办法，有可能实现纳米测量的同时与前面的干涉光路实 现最大程度的融合。 本课题纳米位移试件选用压电晶体驱动的三角棱镜，位移响应灵敏度 4 n m v ，控制电压由计算机程控给出。 四、数字波面干涉 虽然迈克尔逊干涉仪曾在科研和精密计量中起过重要作用，但现在已很 少使用原型的迈克尔逊干涉仪了，不过许多从它演变而来的干涉仪仍有广泛 的应用。 在泰曼一格林干涉仪的结构中，由于利用分束镜的反射和透射形成的两 束相干光分开较远，这就便于改变两束光的光程而观察干涉图样的变化。泰 曼一格林干涉( t w y m a n - g r e e n ) 就是从迈克尔逊干涉仪演变而来的，用于检测 光学零件的综合质量的仪器。检测原理是研究光波波面通过光学零件后的变 形，由此确定零件的质量。如何根据任意形状的干涉图样来确定波面的形状， 已经研究出一些方法。当然，相对于干涉检测技术的重大突破数字波面 干涉术而言，本方法在信息的提取手段方面存在固有的限制。数字波面干涉 技术应用电子控制技术和计算机实时提取干涉图信息，相继出现了外差法、 锁相法及条纹扫描干涉术等直接位相检测技术。直接测量波面的位相分布， 使得检测面形的精度达到“1 0 0 以上，并实现了波面的实时显示。该技术标 志着光学检测仪器的崭新水平和发展方向。 五、激光衍射计量 1 9 7 2 年加拿大国家研究所的t r p r y e r 提出了激光衍射计量方法【1 2 1 。就 是一种利用激光衍射条纹的变化来精密测量长度角度轮廓的一种全场计量方 法。这种方法与干涉计量法、全息计量法、莫尔条纹法相比，具有简单快速 精密以及廉价的优点。因此，2 0 年来受到各方面的重视，逐步发展成一种专 门的计量测试技术。 光学中的衍射现象早被人们所熟知，但直接用于精密计量却是在激光器 出现并发展成熟后的事，与全息术样，是7 0 年才开始形成并发展起来的一 浙江人学颂i ：学位论文 种新的非接触计量测试方法。它特别适合于自动检测，作为一种极其灵敏的 传感器使用。其基本原理是利用激光照明下的夫朗和费衍射效应。由于这种 方法计算简单、操作方便、性能稳定，具有广阔的工程应用i 景a 作者曾参与一套用于薄膜测厚的激光衍射计量系统研制工作1 因此拟将 该技术整合到激光测试仪中。 六、空间滤波技术 阿贝成像理论告诉我们，物体的相干成像是两次傅立叶变换的过程，波 特尔实验证明了阿贝成像理论的正确性，同时从中看到了空间滤波的作用。 从传递函数的角度来看，一个物体的成像情形，可以通过控制光学系统的传 递函数予以改善，而传递函数的控制又可以通过控制频谱面上的光瞳函数来 实现。因此，若物体是一块存储大量信息的二维透明片，则可以在光学系统 中利用空间滤波对其进行改造，和去其噪声，提取有用信息：或将其编码的 保密信息进行解码；对其信息进行加减、微积分运算，此谓“光学信息处理”。 空间滤波系统需要完成从空域到频域，又从频域还原到空域的两次傅立叶变 换，以及在频域的乘法运算。傅立叶变换的性质蕴含于光波的衍射中，借助 透镜的作用可方便地利用存在于光波的衍射中傅立叶交换的性质。因此，系 统应包括实现傅立叶变换的物理实体，及光学透镜，以及具有与空域和频域 相对应的输入、输出和频谱平面。频域上的乘法运算是通过在频谱面上放置 所需要的滤波器来完成的。 泽尼克( z a m i k e ) 在1 9 3 5 年提出的相衬显微镜是最早利用空间滤波( 位相 滤波) 进行光学信息处理的例子之一。在一般情况下，用显微镜只能观察物 体亮暗的变化，不能辨别位相物体的位相变化( 即介绍共焦显微技术时提到 的景深概念) ，位相物体，指只有折射率分布或表面高低不同，而各处振幅透 射率相同的物体。当相干光照射时，光波强度分布与照明光波相同，唯有位 相发生变化。如细菌标本，对其观察最初必须采用染色法，但染色的同时会 杀死细菌，改变标本的原始结构，从而不能在显微镜下如实研究标本的生命 过程。利用位相滤波器将物体的位相变化转换成可以观察到的光的强弱变化， 这种转换称为相幅变换。这种转换对于研究生物组织、金相表面、抛光表面 以及透明材料的不均匀性等用途很大。 七、光纤传感 新兴的光纤技术发展迅猛，随着光纤制造工艺的不断完善，光纤的性能 不断提高，光纤的应用由最初的传像、医疗诊断到通讯网络，遍稚了医疗、 通讯、军事、娱乐等领域。光纤传感器与传统的各类传感器相比有一系列独 特的优点，如：灵敏度高、抗电磁干扰、光路可挠曲，结构简单、耗电少等。 该系统已经成功装备丁浙江乐清市“乐斯”染料有限公司。 1 3 浙江人学硕i 。学位论义 光纤传感器已经实现探测7 0 余种物理量。其核心技术是光调制技术，分强度 调制、相位调制、频率调制、偏振调制和波长( 颜色) 调制。 光相位调制是一种灵敏度极高的测量方法，广泛应用于高分辨率实验室 测量装置。用光纤代替自由空阃作干涉光路的光纤干涉以有两个突出优点： 1 ，仪器小型化、校准不再困难； 2 ，可以用加长光纤的方法来使灵敏度增加。 这样，传统的光学干涉技术从实验室走出来，成为高机械强度和精密灵 活的生产现场使用仪表。 本课题利用光纤应力应变效应和温度应变效应制作一套光纤相位传感 器。出于同样的原因，在几种常用的光纤相位干涉仪中选用了迈克尔逊光纤 干涉仪。并构成全光纤相位干涉仪。 总之，在提倡“学、教、研、产”紧密结合，将应用科技物化为产品、 转化为生产力的今天，将某些比较经典的应用光学技术整合起来，吸收当前 某些前沿思想与技术，设计一类既便于教学与科研，又能启发工程应用的定 量或半定量检测仪器是可能而有意义的。 本文研究目标是： l 、通过文献学习与情报检索，构建d s p i 实验系统，探讨d s p i 实验现象。 准确说明计量方法基于的原理，讨论计量结果的诸影响因素。建立一套相 对完整的数字散斑干涉测量应用体系。 2 、设计实验光路，观察研究笔束激光纳米测试、光学傅立叶变换和共焦显微 实验现象；开发一套光纤传感演示系统：研究将这些光路( 包括先期参与 的“宽幅石墨卷材衍射测厚”课题2 的实验光路) 整合在一起的可能性。 3 、完成多功能光电检测仪的“光机电算”一体化设计。 4 、通过试生产，改进设计，实现产品化。 1 2 立题意义及完成的主要工作 光学精密计量学向现代光电检测技术发展是近代工业和科学研究的需 要。现代科技和工艺的长足发展，测试方法涉及的理论更新而且日渐交叉也 为这种发展提供了可能，然而近年连续几次高等学校教学仪器展销定货会表 明，相对于电子、通讯、多媒体教学、自动化控制等领域琳琅满目、争奇斗 艳的教学仪器和设备而言，近代光学和当代先进的光电检测仪器表现为新品 种少、功能单一，部分德国厂家或代理商的仪器( 如m e o sg m b h 公司) 虽然 工艺和装配精度高，但价格昂贵、实验内容少，最重要的是高教市场里能向 学生比较全面地演示近代物理光学、信息光学、计量光学中典型现象，如经 2 该项口受国家自然科学基金资助 塑垩叁堂型! ! 兰些堡苎 典的光学干涉、衍射、傅立叶光学变换等物理现象，以及具有科研和工程实 用价值的数字波面干涉技术、衍射计量技术、共焦显微技术、光纤传感等技 术的中档光学仪器极端缺乏。由此设想研制一款多功能教学与科研用的仪器， 为了在仪器研制和理论研究上有所突破和创新。作者在导师的指导下，重点 研究数字散斑干涉理论及其应用技术，并力求产品化。 本人完成的工作包括： l 、理论研习与光路分立实验； 比较全面地熟悉了几种主要的现代光学检测原理及实用技术，并分别做 出下面几种实验效果： ( 1 ) 数字散斑干涉、 ( 2 ) 数字波面干涉、 ( 3 ) 衍射计量、 ( 4 ) 全光纤干涉与光纤温度、压力传感实验、 ( 5 ) f t & i f t 以及滤波实验 ( 6 ) 笔束近距激光纳米测试 ( 7 ) 反射式共焦显微实验 2 、仪器多功能光路设计； 创造性的将经典干涉光路功能扩展，设计了包括参考光型散斑干涉光路、 路、笔柬近距激光纳米测试光路以及衍射、4 f 傅立叶光路和光纤传感演示的 多功能实验光路。 3 、 机械结构与零部件设计、部分光学零件设计； 4 、试生产技术配合与系统优化设计； 5 、仪器产品化 国内首创“激光多功能光电检测仪”，拥有近二十种近代光学与光电测试 实验功能，满足了国内部分高校的需要，如：武汉大学、中山大学、汕头大 学、天津轻工学院、辽宁师范大学、山东科技大学等。 塑堡叁兰塑! ! 兰些堡兰 第二章救斑计量基础与散斑物理特性 如导言部分所述，d s p i 理论上源于以散斑照相术和散斑干涉术为主要内 容的全息散斑计量学，作为现代光学计量学的的一个重要分支，它首先是一 种相干检测技术，遵循相干计量理论。 其次，作为- - f 3 相对较新、处于发展中的学科和技术，全息散斑计量包 括d s p i ，无论从理论纵深和横向的交叉研究、积累，还是应用领域的拓展和 实用工程化、计量软件的开发与评价等方面，都还存在诸多课题，在s p i e ( 美 国光学协会杂志、t h ei n t e r n a t i o n a ls o c i e t y f o r o p t i c a le n g i n e e r i n g ) o p t i c a l e n g i n e e r i n g 、a p p l i e do p t i c s 、o p t i c s a n dl a s e rt e c h n o l o g y 等期刊和 s p e c k l em e t r o l o g y ( a c a d e m i c , n e w y o r k ，1 9 7 8 ) 、h o l o g r a p h i c a n d s p e c k l e i n t e r f e r o m e t e r ( c a m b r i d g eu n i v p r e s s ，1 9 8 3 ) 等少数专著对散斑计量技术的研究 作了跟踪和集成，散斑计量学的发现与早期应用是在英国，紧接着在欧洲其 他国家如比利时、德国、挪威、瑞典，直到美国、日本、委内瑞拉等国，散 斑照相测量已经应用于研究焊逢的形变、材料热变形、高压容器和保安零部 件结构件蠕变等方面。 d s p i 理论基础包括了从光波产生和传输分析、物体表面统计特征、干涉 理论和全息思想，以及相移数字干涉技术和散斑产生的机理等方面，而一个 d s p i 应用系统的研究与开发包括光路设计、精密机械设计、数控电源技术、 光学图象处理软件等方面，详见后续章节。本章主要介绍d s p i 理论基础。 2 1 光场的统计特性和偏振特性 现代光学的一个明显特点，是它和同通信理论的紧密联系，光学中采用 通信理论的频谱分析方法和线性系统理论之后，形成了傅立叶光学；而采用 通信理论中的随机过程、相关函数、统计估值等统计方法来解决光学中的统 计问题，则形成了统计光学【1 7 1 。 光学之所以需要用统计方法，是因为光场的产生、传播、和检测过程中， 有许多随机因素造成光场涨落。先看光场的产生，自然界的光源是大量原子 和分子构成的，每个原子发出的基元辐射之间没有固定的位相关系，激光器 发出的激光要有序得多，但残存的自发辐射、谐振腔端面的随机振动等，也 都会使辐射场随机涨落( 而且只有从研究辐射的高阶相关性质才能从本质上 区别激光和普通热光源) ；在光波传播过程中，传播媒质的不均匀性，如空气 的湍流和散射表面的不平，会使光场产生新的涨落：光探测器都是基于光量 子与物质的作用，特别是光电效应，观测结果表为光电子的记数分布，显然 它在时自j 中不会均匀分布，而是随机分布。本文将几何光学光程差的分析原 理结合波动光学和统计光学，试图深入讨论计量过程中诸参数对计量结果的 塑婆叁兰堡! ：兰些篓兰 影响。 2 1 1 光场的基本特性 单色光场 光是一种横波，它的电场强度矢量e 、磁场强度矢量h 和传播方向矢量 k 构成右旋的正交矢量关系，在光频辐射波段，电磁场与物质的相互作用主 要是电场强度矢量e 与物质的相互作用。在光学问题中，一般用电场强度矢 量e 作为光场的特征量，称为光矢量。在光矢量中，最简单也最有代表性的 是那种以某一固定频率做简谐运动的光场，它就是组成复杂振动的基元光场， 这种光场称为单色光场。 单色光场在空间某点r 处沿k 方向传播的光矢量可一般性地由两正交分 量场表示为 e 。= n l c o s ( c o t k r + 6x ) e r = nr c o s ( 耐一k r + 5 ，) ( 2 1 1 1 ) 光的传播矢量k 大小为i 置i = 2 ( 2 1 1 2 ) 在单色光场中，如果只有一个振动分量，或者两个分量可以变换成一个 方向上的振动，光矢量可以作标量来处理。 在物理和工程中，通常以复数表示实数信号，运算简单而信息无损，对 线性问题，复指数函数是一种最简单的基元函数( 积分与微分形式不变) 。 在光学问题中，也普遍采用复数信号表示实振动场。单色光场中某点r 处t 时刻的光振动为 e r ，i f ，= a ( r ) c o s 2 石。口t 一吖，j ( 2 1 1 3 ) 其复数表示为 a ( r ：t ) = a ( r ) e j f r e + m 。_ = a ( r - j z “。 ( 2 、i - 4 ) 其中a ( r ) 称为单色光场的复数振幅，简称复振幅。对于一个单色光场 来说，它随时间变化的规律一定，不会有任何附加信息表征在时间维度上， 如果单色光场携带信息，这些信息必定表征在复振幅的空间分布中。也即位 相因子p 州7 中。 所谓光场传播规律指传播前后光场空间分布之间的内在联系，通常指两 个平面光场的内在联系，由麦克斯韦方程组规定，但在光波段，有两种简单 直观的描述方法，它们都是基于光场线性叠加性质、本质上一致。 1 7 浙j 工人学坝i + 学位论文 1 菲涅耳惠更斯描述法，也叫空域描述法，指将传播前的光场微分成 子光场。将这些子元看成新的点光源，求出每个点光源在传播后光场上的光 场分布，然后叠加积分。 2 傅立叶描述法，也叫频率描述法，指将光传播的空间看成一个位移不 变线性系统，有特定的频谱传递函数，将传播前的光场看成不同频率的复指 数因子的线性( 加权) 组合，作为线性系统理论中的输入光场，而传播后光 场就是输出光场，由系统输入与传递函数在空间域中的卷积给出。 基元光波或基元光场( 球面波、平面波) 及激光波的传播规律 。塑， 单色发散的球面波的复振幅分布为一n j = 兰土e o 。， ( 2 1 1 5 ) 其中r 表示r 点到光源的距离，口。表示距离点光源单位距离处的振幅。 对于会聚球面波，复振幅分布为_ r ，j ：竺! - p 一夸 ( 2 1 1 6 ) 假设一点光源位于直角坐标系的原点，在该坐标系中任意点处复振幅分 布籼w 力2 南x p ( ，等历) ( 2 1 1 - 7 ) 在垂直于z 轴的平面上，该复振幅的幅值随着z 轴距离的增加而单调 下降，其相位周期变化，等相位线是以光轴为中心的同心圆。 平面波是由点光源发出的光经过透镜准直后形成的，也可以看成是位于 无穷远处的点光源发出的光，平面波在三维空间中形成的复振幅分布为 a ( x ，y ，z ) = a e x p ( j k r ) ( 2 1 1 8 ) 若平面波传播矢量的方向角分别为a 、p 、t 时，三维空间中任意一点复 振幅分布可表示为 a ( x m ) ：n 叩( j 婴( x c o s a + y c o s f l + z c o s y ) = 月：唧 ，等r x c o s o t + y 伽刁其 a 。x p ( j i 2 7 rz 正i 丽) 在垂直于z 轴的平面上，爿不因为x ，y 变化，是常量位相因子，等相 浙江人学联l ：学位论文 位线方程为 - 等( x c o s a + y c o s # ) 2 c c 为常数。 平面波复振幅分布的基本特点是以相位值2 冗为周期的周期分布。这种相 位的周期分布表现在x y 平面上为沿x 和y 方向的二维周期分布。 ， 笏 丑 形 炉 图2 ，1 ，1 - 1x - y 面上等相位线分布示意圈 记空间频率六，六，正为正= c o s a , z= c o s p 1正= c o s y 则彳( x ，y ，z ) = a e x p 【j 2 x ( l x + f , y + l z ) 1 在平面波和球面波的传播中。等相位面上的振幅都是相等的，也即振幅 是传播距离的函数，而不是波面坐标的函数，但是也存在波面上的复振幅有 一定的分布的情况1 1 4 】【3 1 1 ，比如激光，沿传播方向( z 方向) 激光束的传播复 振幅为 m ，y 力= ( e x p 【- g 2 + y 2 ) 缈】e x p 【，他+ 口) e x p j k ( x 2 + y 2 ) 1 2 r 鼽r w i 端麓2 z k 县州2 = 吩j l + l盱j l k = ( 刳 式中，w ( z ) 是z 处的束宽( 其实是半宽度) ，w o 是在z = o 的束宽，r 是激光束波面的曲率半径。 可以看出，激波面上的分布不是一个常数，而是按高斯函数分布的( 高 斯光束也是麦克斯韦方程组的一个解) 。激光的波面并不是等幅面，其振幅 在中心( x = y = o ) 处最大，也就是说，激光的光强被限制成束的形式，在一 1 9 堂望叁兰竺! ：兰些丝竺 个有限的范围内，不同的z 值，r 不一样。并且在z = o 和萨。处为平面波面， 所以激光束看起来犹如从光束腰斑处一块平面上发出来的，若取1 5 倍束宽 为半径，则在其光斑面积内，可以包括9 9 的能t ，可见激光束有的很好的 方向性。利用一个倒置的望远镜扩束系统能将高斯光束近似准直。 ，l 五y o j ：妻 “： 7 厂 光场曩降为 、 眺 l k ：处的摄梧 把 图2 1 1 2 激光束的波面与场分布 2 1 2 光阑限制和透镜限制 光场在实际的传播过程中，会受到这样和那样的限制，在工程应用中，可将 对光场的限制抽象为光阑限制和透镜限制两大类。 光阑限制 当光场在传播过程中遇到光阑对，在光阑孔径边沿的投影处存在强度的 波动，这种波动会延续到阴影区内，通常将这种现象称为光的衍射现象。 在透过光阑的平面上的光场分布按基尔霍夫假设( 在绝大多数工程光学 问题中，足够精确) ： ( t ) 在光阑孔径区域内的光场原封不动地通过。 ( 2 ) 在光阑孔径区域内的光场全被挡掉。 用数学描述，也就是光阑的复振幅透过率豳数为 1 1 在孑径内 k 似 儿户1 口，黝 ( 2 1 2 1 由光场传播的惠更斯菲涅尔原理，在x 一，平面( 观察面) 上的复振幅 分布为j 4 r 置y ，= 盯彳。r x 。y 。少f r x 。，y 。， r 工。，y 。i x , y ) d x 。d y 。 ( 2 1 2 2 ) 一 塑翌叁差壁：! 兰丝堡苎 e x p ( j t - 芋2 to,1 e x p ( j - 子r 0 1 ) 其中 r 工。，y 。? z ，y ，：百_ z 徊j ( 2 1 2 3 ) ，oo 为传播过程的加权函数。 圈2 1 2 1 光嗣衍射几何示意豳 假设光阑和观察面之间的距离z 远远大于光阑孔径的最大线度以及所感 兴趣的观察区域的最大线度，则倾斜因子近似为 z 8 ) = 1 ( 2 i 。2 - 4 ) 则加权函数可近似为 r ，儿? t 川：_ 1 了e x p ( 7 i t o , ) ( 2 1 2 5 ) 对指数项的处理则需严格一些 r ”：一 h t 2 _ z 。+ ( x o x