（光学专业论文）双波长全息法测量物体形貌.pdf

工 中 献 定 复印件和电子版 允许论文被查阅和借阅 本人授权东北师范大学可以将 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索 可以采用影印 缩 印或其它复制手段保存 汇编本学位论文 学在论文作者签名 墨兰幸知 指导教师签名 日 期 椒l j f 日 期 学位论文作者毕业后去向 工作单位 一 通讯地址 李白 弘 掣 电话 邮编 i 摘要 在制造高质量产品和高效率生产过程中 精密测量技术起到了很大的作用 而且其重要性与日俱增 光学测量技术是一种非接触测量 与传统的接触式测量 技术相比 非接触式测量具有精度高 信噪比高 动态响应快 线性好 量程范 围大和非接触等优点 用干涉的方法比较两个光滑表面之间的微小差异或错位是我们所熟悉的 例 如如果在迈克尔逊干涉仪中的两臂的反射镜不完全垂直 则在视场中将出现平行 的干涉条纹 于此同理 用马赫一曾德尔干涉仪可以测量一个加工出来的光滑球 面与另一个标准光滑球面之间的微小差异 但是上述方法中存在着两个缺点 首 先 比较是在两个表面之间进行的 如果一个表面后来的形位相对于原来的形位 发生了微小差异 则上述方法对此无能为力 其次 被比较的两个表面都必须是 光滑的 本文中我们介绍了双波长全息干涉术 这种方法可以克服以上两个缺点 因 为比较的对象是同一表面的先后两个状态 而在表面的形位发生变化时其同一局 部的细微结构基本保持不变 所以这种方法不必限定光滑表面 而适用于粗糙的 漫射表面 同时我们运用双波长全息法测量物体表面形貌 把一个凸凹不平的表 面的高度分布情况借助干涉条纹显现出来 通过理论分析和实验验证 这是一种 具有纳米准确度的可行测量方法 关键词 精密测量 全息干涉术 表面形貌 a b s t r a c t 1 1 1n l em 锄u f a c t u r eo fh i g h q u a l i t yp r o d u c t sa n de f f i c i e n tp r o d u c n o np r o c e s s e s d r e c i s i o nm e a s u r e m e n tt e c h n o l o g yp l a y s as i g n i f i c a n tr o l e a n d i t1 sg r o w i n g i i i l p o n a n c e o p t i c a lm e a s u r e m e n tt e c h n i q u e i san o n c o n t a c tm e a s u r e m e n t i th a s ai o t o fa d v 釉g e s0 v e r 仃a d i t i o i l a lc o n t a c tm e a s u r e m e n tt e c h n i q u e s u c h a s1 1 i g ha c c 嗽c y t l i g hs i g n a lt on o i s er a t i o f a s td y n a m i cr e s p o n s e g o o dl i n e a r i t y l a r g e m e a s 吼n g 黜g e n o n c o n t a c t 锄1 ds oo n c o m p a r i n gt h es m a l ld i f f e r e n c e s o rd i s l o c a t i o nb e 姗e e n t w os m o o t hs u r f a c ew i t ht h ei n t e r f e r e n c em e t h o d i sf a m i l i a r f o re x 眦p l e i ft h em i c h e l s o ni n t e r f e r o m e t e r s m i r r o r si n t h e a l t l l sa r en o t c o m p l e t e l yv e r t i c a l p a r a l l e li n t e r f e r e n c ef r i n g e sw i l la p p e a r i nt h e 删d a l s ou s i n gm a c h z e h n d e r i n t e r f e r o m e t e rt h e s m a l ld i f f e r e n c eb e t w e e n o n e 咖d u c e ds m o o t hs p h e r e a n da n o t h e rs t a n d a r ds m o o t hs p h e r i c a l c a nm e a s u r e h o w e v e r 廿l e r ea r et w os h o r t c o m i n g si nt h e s e m e t h o d s f i r s t b e c a u s et h ec o m p a n s o n i sc o n d u c t e db e t e e nt h et w os u r f a c e s r e l a t i v et ot h eo r i g i n a l s u r f a c e i ft h es h 印e a n dp o s i t i o no c c u n e dm i n o rd i f f e r e n c e s t h ea b o v em e t h o dc o u l dn o tw o r k s e c o n d i e 阳 os u r f a c e sb e i n gc o m p a r e dm u s tb es m o o t h 1 1 1t l l i sp a p e rw ei n t r o d u c eat w o w a v e l e n g t hh o l o g r a p h i ci n t e r f e r o m e t r y a n d t h i s m 础0 dc a no v e r c o m et h e s et w os h o r t c o m i n g s b e c a u s e t h eo b j e c t so fc o m p a n s o n a r e t w os t a t e so ft 1 1 es 锄es u r f a c e a n dw h e nt h es u r f a c ec h a n g e so c c u r r e d f i n es t r u c 嘁 o fi t se s s e n t i a l l y 眦c h a i l g e da tt h es a m el o c a l t h i s m e t h o dd o n tl i m i tt h es m 0 0 也 s 曲c e锄di ta p p l i e s t or o u g hd i f f u s e s u r f a c et o o w eu s et w o w a v e l e n g 仕l h o l o g r a 出ct om e a s u r et h es u r f a c eo fo b j e c t s a n ds h o w t h ec o n t o u rd i s t r i b u t i o no f m es u r f a c e 砌i 1 1 t 拍r e n c ef r i n g e s t h r o u g ht h e o r e t i c a la n a l y s i sa n d 饮p e 姗e 删 t e s t i m o n y t h i si sak i n do f m e t h o dw i t hn a n o m e t e rp r e c l s l o n k e vw o r d s f i n em e a s u r e m e n t h o l o g r a p h i ci n t e r f e r o m e t r y s u r f a c et o p o g r a p h y 弋r 目录 摘要 i a b s t r a c t i i 目录 i i i j l言 1 第一章光学检测技术的发展现状与发展前景 2 1 光学测试技术的研究领域和发展现状 2 2 光学测试技术发展的方向 2 第二章纳米测量系统 4 1 概i 2 b 4 2 纳米传感技术 4 3 扫描测试系统 5 第三章全息测试技术 7 四 双波长全息法 1 4 1 双波长全息干涉技术 1 4 2 实验过程及结果分析 一1 7 五 结论 2 3 参考文献 2 4 六 致谢 2 7 1 1 1 东北师范大学硕士学位论文 己i吉 ji 嗣 在制造高质量产品和高效率生产过程中 精密测量技术起到了很大的作用 而且其重要性与日俱增 产品不断向高精度和高质量化的发展 对测量技术也提 出了更严格的要求 制造业生产和检验对测量仪器及装置的要求大致如下 1 能够适应较大范围的环境温度 2 防干扰和抗污染性能优异 3 重复测量精度高 4 设备简单 使用方便 为了满足上述要求 就必须要求精密测量仪器具有更高的精度和可靠性 光 学测量技术是一种非接触测量 与传统的接触式测量技术相比 非接触式测量具 有精度高 信噪比高 动态响应快 线性好 量程范围大 减轻对工件的损伤和 非接触等优点 用干涉的方法比较两个光滑表面之间的微小差异或错位时主要存 在着两个缺点 首先 比较是在两个表面之间进行的 如果一个表面后来的形位 相对于原来的形位发生了微小差异 则上述方法对此无能为力 其次 被比较的 两个表面都必须是光滑的 本文介绍的全息干涉技术是将相隔一段时间拍摄的物体波分别记录在同一 张全息图上 照明此全息图时 再现的两光波就发生干涉 由干涉条纹就可精密 的检测任意形状的 任何表面状态的三维试件 我们设计实验运用双波长全息法 测量物体表面形貌 把一个凸凹不平的表面的高度分布情况借助干涉条纹显现出 来 通过理论分析和实验验证 这是一种具有纳米准确度的可行测量方法 东北师范大学硕士学位论文 第一章光学检测技术的发展现状与发展前景 利用光学进行精密测量一直是测量领域中的主要方法 特别是激光和计算机 技术及二者的结合为新的测试技术开辟了一条新的途径 由于光学测试方法的非 接触性 高灵敏度性 高精度性以及光学图象的二维计量性 在精密测量中有着 重要的应用 1 光学测试技术的研究领域和发展现状 光学测试技术的研究领域包括光学成像技术 光偏振技术 光干涉技术 光 度与色度技术 光谱技术 光电技术 光散射技术 其它光物理技术 从原理上 说近代光学测试技术的现状主要是三点 l 3 1 从主观光学发展成为客观光学 也就是用光电探测器来取代人眼这个主观探 测器 提高了测试精度与测试效率 2 用激光这个单色性 方向性 相干性 稳定性都极好的光源来取代常规光源 获得方向性极好的实际光线用于各种光学测量上 3 从光机结合的模式向光机电算一体化的模式转换 实现测量与控制的一体化 从功能上说 近代光学测试技术的现状主要有三点 1 从静态测量发展成为动态测量 2 从逐点测量发展成为全场测量 3 从低速度测量发展成快速的 具有存储 记录功能的测量 2 光学测试技术发展的方向 光学测试技术的近代走向如下几个方向1 4 5 j 1 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l d 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 器将成为技术主流方向 2 东北师范大学硕士学位论文 9 发展光学诊断和光学无损检测技术 综上所述 随着科学技术和经济的发展 首先要求光学测试技术要有快速的 新发展 这就是纳米技术 光学层析技术 光学超分辨技术 光学超像元技术等 东北师范大学硕士学位论文 第二章纳米测量系统 自微电子技术问世以来 人们不断追求越来越小的微型结构 对生物 环境 控制 医学 航天 灵巧武器 先进信息传感器以及数字通信等领域也提出微型 方面的更高更新的要求 借助于扫描隧道显微镜 6 s t m 和原子力显微镜 a f m 物理学家开辟了从 专用集成电路到微型机电系统 到专用集成微型仪器 再到纳米技术的批量加工 工具技术n 这一系列技术可以概括为微米 纳米技术 1 概述 微观尺度的测量 早期是采用光学显微镜 由于受到光波衍射的限制 其横 向分辨率仅达几百纳米 尔后出现了扫描电子显微镜 其横向分辨率可达纳米级 它们都只能测量二维尺寸 对于一维尺寸的位移测量 8 贝u 可利用光干涉等技术达 到亚纳米甚至更高的精度 2 纳米传感技术 纳米传感技术是将纳米尺度的空间变化变换成可供接收和处理的信息 目前 能做到这一点就是纳米尺度的探针 按照其传感特点 可分为以下三种类型 1 隧道显微术 s 聊 它是利用纳米尺度的极细探针和被研究样品表面作为两个电极 当探针与样 品表面的距离非常接近时 通常为1 r i m 在探针和表面之间所形成的电场作用下 电子会穿过二者之间的势垒从一个电极流向另一个电极 此即所谓隧道效应 隧 道电流的大小与此空隙大小有关 当空隙增大时 电流以指数函数衰减 空隙增 大0 1 n m 电流减小一个数量级 因此有极高的灵敏度 对此隧道电流作处理就可 探测出针尖与表面空隙的变化 由于探针尖端部位的截面是纳米尺度 因此可以 对纳米间隔的各点进行测量 也就是可以测出纳米尺度的三维空间的变化 隧道 显微技术使用的局限是被测表面必须是导体 2 原子力显微术 原子力显微术 9 1 0 1 a f m 是将一个对微弱力极敏感的微悬臂一端固定 另一 端有一微小针尖 其尖端部分具有纳米尺度 针尖与样品表面轻轻接触 由于针 尖端部与样品表面原子间存在微弱的排斥力使悬臂产生微小变形 扫描时通过控 制此微小变形恒定 使带有针尖的微悬臂对应于针尖与表面原子间作用力的等位 4 东北师范大学硕士学位论文 面 而在垂直于样品的表面方向起伏运动 采用光学检测法或隧道电流检测法或 测得微悬臂对应于各点的位置变化从而获得表面的形貌 3 扫描近场光显微术 s n o m 扫描近场光显微术 s n o m 是利用被测表面附近 一般距表面距离小于光的 波长 即近场光的特性 来探测表面形貌及特性 传统的光传播理论均是描述近 场光的传播特性 对于贴近表面的近场的传播规律 还了解得不完善 但有两点 是清楚的 即其特性与光的照明方式有关 光强分布与表面微观形貌相对应 例 如当利用全内反射的照明时 在界面光学折射率小的那边将形成消逝波场 随距 界面距离的增加 光强将按指数衰减 如将一光学探针进入此波场 即可探测到 其光强的变化 用s t m 同样的方式可以测得表面的形貌 3 扫描测试系统 1 三维参考坐标系 1 1 它用x y z 三方向的高精度长度测量装置组成 完成这一测量精度的方 法 目前有以下五种 1 光外差干涉仪 它用测量干涉信号的位相取代常规干涉仪的测量信号的强度 从而提高了测量的分辨率 其精度可达o 1 n m 测量范围可达5 0 n m 2 x 射线干涉仪 它是利用x 射线经过硅晶格的衍射后获得干涉信号 晶体的 间格成为长度的度量基准 其精度可达0 0 1 n m 测量范围可达2 2 0um 3 s t m 测量法 它是用硅晶格作为长度的度量基准 而用s t m 读取晶格数来进 行测量 其精度可达0 0 5 n m 测量范围超过3 0ui n 其受限于现有可作为基准 的晶体表面长度 4 频率跟踪f p 标准具 使一可调谐激光通过f p 标准具 并锁定输出的峰值 将此锁定的激光频率与一高稳定的标准激光频率混频 测出二者的频差 用此频 差可测出标准具腔长的变化 其精度可达0 0 0 1 n m 但测量范围仅为0 1i lm 其 受限于现有激光器的调频范围 5 激光频率分裂测长术 激光频率分裂的值与分裂元件的位移有关 通过测频率 来测量位移 其精度已达l n m 进一步改进激光稳频可达0 0 1 n m 测量范围1 5 0 um o 2 三维扫描运动系统 扫描运动系统的作用是产生探针相对于样品的三维扫描运动 1 2 这是一个 高精度的机械设计与制造的问题 为满足纳米精度的运动要求 其运动部件的直 线性 正交性运动的重复性和稳定性都达到了前所未有的高要求 此外还要具有 抗外界环境影响的能力 主要是热影响和外界振动的影响 为了既能完成高分辨 率和高精度的运动又能在大范围内寻找测量区域 运动系统均设计粗动和微动两 东北师范大学硕士学位论文 套系统 其中微动系统大都采用各种类型的多维弹性铰链工作台 驱动则采用压 电晶体 最后是信息处理及图像分析技术 即对探针得到的信息进行处理 应控 制三维扫描系统正确工作 最终给出样品表面特征的三维图像 东北师范大学硕士学位论文 第三章全息测试技术 光全息是 f j 正在蓬勃发展的光学分支 其应用正在向纵向方向发展 渗 透到各个领域 已成为近代科学研究 工业生产 经济生活中有效的测试工具 在实际应用中 全息干涉与相关方法占有重要地位 出现了各种全息干涉与相 关分析仪器 用于位移 应变 三维测量 缺陷检测 粒子分析 全息在信息 处理方面的应用也很广泛 例如 全息滤波 全息识别 全息存储 1 3 1 5 等等 另外计算机全息图 超焦深摄影 全息透镜 全息光栅 全息相差改正 积分 照相机 三维显示 全息显微等等都有意义深远的应用 全息干涉技术是将相隔一段时间拍摄的物体波分别记录在同一张全息图上 照明此全息图时 再现的两光波就发生干涉 由干涉条纹就可精密的检测任意形 状的 任何表面状态的三维试件 全息干涉不同于一般干涉方法 其主要区别是 1 全息干涉技术是一个物体在不同时刻的干涉图记录 因此可以检测该段时间 内物体位置和形状的变比 2 全息干涉技术是被检物体变化前后本身的比较 无需比较基准件1 1 6 对形 状复杂的工件具有实用价值 3 全息干涉技术适合于粗糙表面检测 下面我们来分析全息摄影的波前再现原理 三维空间的波场可以由该波场在 某一平面上的场值完全确定 因此 所谓波场的再现 其实就是在某一平面或者 曲面上再现原来的场值 1 7 渤 对于波来说 场值就意味着振幅和位相 假如我们 要在z o 的平面上再现某一波场 己0 x y 0 4 0 x y e 蜘 3 1 这里省略了时间因子 我们的办法是 用一个简单的波 相干的平面波或者球面 波 从左侧照射位于z o 平面上的一块模板 如下图 7 东北师范大学硕士学位论文 以 x y z 一 午 仁 o 空间的波场与乩对应的 波场恰成实像和虚像的关系 砜产生的是原物的虚像 所以玩对应的是一个实 像 然后我们讨论因子妒 第一种情况 入射的参考波u 为平面波 为了简明起见 假定入射方向只 在x z 面上倾斜 即 g x y z e x p 孥 p x x q z 3 1 2 其中见 吼为飞方向余弦 则 驴 q x y o 1 z e x p 孚2 见z 3 1 3 旷的作用相当于一个棱镜 2 7 2 引 其顶角口和折射率n 满足 n 1 t a n a 2 见 3 1 4 第二种情况 入射的参考波为球面波 设球心位于 钆0 f 在捌平面上 有 u 训 z e x p f 等 厂 击 x 口 2 3 1 5 一上i 驴 训纠 e x p f 等 2 钔 专 工叫2 3 1 6 一7 除了常量因素2 一厂 之外 可以认为e x p i 兰 之 x t 的作用相当于一 l 一 1 2 东北师范大学硕士学位论文 个焦距为 的凹透镜 其轴平行于乏轴 对应的实像 2 9 1 在凹透镜的物方焦点左侧 为一个放大的实像 5 第五项为 像方焦点在 a o 处 假若 则这个波场再经过凹透镜之后将会成 一 u u 矿 i u 1 2u p 懦 3 1 7 由于l u r 近似于常量 所以这一项只是变了强度的参考波 由以上分析 我们可以知道 对于上面的五项 如果在光路中的集合安排上 我们能够避开参考波 则只剩下原物的虚像和一个共轭并经过棱镜或透镜 3 0 1 的 像 原物的虚像项使我们看起来如同见到原物一样 而共轭项在第一种情况下是 一个与原物等大的实像 在第二种情况下 则可能是实像也可能是虚像 且一般 与原物不同大小 会发生畸变 由于第三项原本地再现了物波 所以如果用两只眼睛观看 就与用双目观看 原物一样 而立体感正是靠双目视觉完场的 所以我们说全息照相做到了三维再 现 东北师范大学硕士学位论文 四 双波长全息法 1 双波长全息干涉技术 下面我们来考察用波长为 的光拍摄全息图 而用波长为如的光再现时 情况会怎样 x 眠 o 一 l r z o 7 o z h 图4 1 1 平面参考波拍摄物点全息图 如上图 为了简明起见 假定物是一个点o 处于x z 平面内 坐标为 0 z o 全息底片h 置于z o 平面 用入射角为q 的平面参考波进行拍摄 波 矢量也在x z 平面内 设波场为 则参考波可以写成 物波可近似写为 u a e x p i t x s i n 鼠 1 4 1 1 v o a oe x p i 竿 气 坠掣 4 1 2 lz 气 略去无关紧要的位相因子孥气 则有 1 4 一 东北师范大学硕士学位论文 二二 4 e x p f 孚 坠譬生 4 1 3 以1z z 这张全息图冲洗出来之后 我们用如的参考平面波沿岛方向照射全息图以 实现再现 这个参考波可以写成 a e x p i 孚x s i n 岛 4 1 4 h 则再现波为 一刚 q 麒4 4 e x p 讶e x p 玎署船m 岛 署半一署矧n b 4 1 5 h lz z 一 我们分析该式的位相 贴川2 百2 n 瓦1 2 s i n q 一砉s i n 岛 拈 露 y 2 4 1 6 令五2 砉毛 x o x o s i l l b 一砉s i l l 则上式成为 咖 署半 去 霹w 4 7 上式右端第二项是与x y 无关的常量 从而 咖 署半 c 其中c l 写一毛2 如气 这表示再现的像是位于 毛 0 一毛 的虚物点 就是说若把0 点到z 轴的垂线 当作物 则当参考波为平面波时 用五 瞑拍摄 而用如 岛再现时将会得到 一个放大或缩小的虚俐3 1 3 3 且像的轴向放大率为 m 争 争 4 1 9 毛如 7 它与q 和岛无关 像的垂轴放大率为 蜘而x o 1 岫q 一砉咖岛 五x o 4 1 1 0 东北师范大学硕士学位论文 它与q 岛 如 x o rz o 都有关系 再现时的擦 图4 1 2 不同入射角度的参考光束拍摄和再现全息图 时的参 q 根据上述原理 我们可以运用全息术把一个凸凹不平的表面的高度分布情况 借助干涉条纹显现出来 3 4 3 5 1 上图中 用a q 的平面参考波对表面瓦先拍摄全 息图h 然后用参考波如 岛实行再现 这时照射层的光与与如的光来自同一 光源 参考光再现的波场相当于从放大的像e 发出的 而照明光经过 漫射后 再通过全息片 借助于其透过率中的常量项便可以认为原封通过 于是民和e 反 射的两个波发生干涉 若我们调节b 和岛使 五s i n s l as i i l 岛 4 1 1 1 则像的垂轴放大率m 1 于是e 上的各点是瓦上对应点沿z 轴的移动 移动距 离与各点原来的坐标气有关 止 磊 z o 冬 乙 4 1 1 2 厶 2 止正是上述两个波的光程差 于是干涉场的位相差就是 的函数 1 6 东北师范大学硕士学位论文 妒署2 止 筹 a 卅z o 4 1 1 3 这样 每一条干涉条纹就是表面f o 的一条等高线 3 7 3 a l 因此我们可以得到物体表 面的形貌 2 实验过程及结果分析 图4 2 一l 全息图拍摄实验光路 实验拍摄光路如上图所示 激光器发出的光束经过扩束镜扩束成为发散光 束 经过分束器后分为两束光 一束经反射镜m 1 反射后形成参考光波u r 投射到 全息底片上 另一束经反射镜m o 反射到物体上形成物光波u o 也投射到全息底片 上 参考光波与物光波相干叠加 在全息干板上形成干涉条纹 对记录介质进行 显影和定影等线性冲洗 就制成了一张全息照片 拍摄过程中需要注意劈尖放置 时一面与全息底片平行 另一面成一定的倾斜角度 保证劈尖反射面到全息底片 的距离只与反射面的倾斜程度有关 还要注意避免震动啪3 对拍摄质量产生影响 1 7 东北师范大学硕士学位论文 全息图再现时 激光发出的激光束经分束镜和反射镜后作为再现参考波u r 以角度只投射到全息照片上 实验中 激光器用l d 扩束镜焦距为1 2 c m 分 束镜为半反半透镜 物光束中加入衰减片以调节光强 反射镜选用铝膜高反射镜 用测微目镜观测条纹 c c d 拍摄图像 删 如果采用纳米测量系统 4 1 4 2 1 可以进一 步提高测量精度 但是由于条件所限 我们采取以下测量仪器 为了简单起见 我们选取劈尖作为带测物体进行实验 劈尖用玻璃制作 用 波长为5 6 8 n m 的平行光垂直照射劈尖 可以观察到等厚干涉条纹 我们用测微 目镜测量 4 3 出条纹间隔d 则可以得到劈尖角度值 然后我们把劈尖其他面涂黑 使其只有表面可以反射光束 实验测得数据如下 条纹数a x m m 条纹间距d 而 m m 吒 m m t o n i 3 01 3 6 51 50 1 3 5 0 0 0 4 5 3 01 6 3 l1 7 7 8o 1 4 70 0 0 4 9 3 01 8 7 62 0 1 4o 1 3 80 0 0 4 6 3 0 2 1 3 52 2 8 8o 1 5 30 0 0 5 l 3 0 2 3 6 52 5 1 50 1 5 00 0 0 5 0 表4 2 1 实验测量劈尖等厚干涉条纹间距 d o 0 0 4 8 m m 此时劈尖角度满足 t 粕口 寺 o 0 5 9 2345 e x l e 们i r n e n t 图4 2 2 测量数据与平均值偏差 1 8 3 2 帆 o o 东北师范大学硕士学位论文 当气 夏署譬万时 其中n 取整数 可以观察到亮条纹 且条纹宽度为 幽 2 4 二 a 竺 一t a n a 由此可知 拍摄参考光波长 和再现参考光波长如相差越 小 n 取值就越小 即光程差越小 条纹对比度就比较好 而且条纹间距a h 比 较大 更容易观测 因此我们选取l d 作为光源 波长为 5 6 8 n m s i n o l 0 3 4 2 1 如 5 5 5 n m s i n 0 2 0 3 3 4 2 的分别作为拍摄参考光和再现参考光 此时 条纹间 距a h 的理论值为0 2 0 0 8 m m 实验测得数据 条纹数缸 r a m 条纹宽度a h x o r a m m m m m 2 01 2 3 35 4 3 74 2 0 40 2 1 0 2 2 01 4 7 85 5 0 04 0 2 20 2 0 1 l 2 01 9 3 55 9 6 54 0 3 0o 2 0 1 5 2 01 3 5 l5 3 6 94 0 8 10 2 0 0 9 2 0 1 7 8 75 8 3 54 0 4 80 2 0 2 4 2 01 5 4 35 5 9 34 0 5 00 2 0 2 5 2 01 7 3 35 9 0 54 1 7 20 2 0 8 6 2 01 4 6 25 4 8 64 0 2 40 2 0 1 2 2 01 8 7 96 0 9 54 2 1 6o 2 1 0 8 2 01 6 6 25 7 0 44 0 4 20 2 0 2 1 表4 2 2 实验测量全息干涉图条纹间距 取其平均数 a h 0 2 0 4 1 m m 1 9 东北师范大学硕士学位论文 e e c 豸 o 2 5 o 2 4 o 2 3 o 2 2 o 2 1 o 2 0 o 1 9 o 1 8 o 1 7 o 1 6 o 1 5 o 1 4 o 1 3 o 1 2 o 1 1 o 1 0 567891 01 1 e x p e r i m e n t 图4 2 3 测量值与理论值偏差 在实验过程中应注意以下几点 1 首先经过理论分析 选取波长合适的激光器 制作合适的拍摄物体 以保 证产生的干涉条纹易于观察 便于测量 2 拍摄全息图时的参考光的入射角鼠和重现时参考光入射角幺的测量需要借 助于透镜 并选取平行于光轴的辅助光束 丙束光通过透镜时会形成两个频谱点 v 此时满足t a n0 等 其中a x 为两频谱点距离 f 为透镜的焦距 鼠和幺的测量 要多进行几次 找到最佳位置 不然会对后续测量产生误差 3 拍摄全息图时候物光束与参考光束之间的夹角要适当 以小于3 0 度适宜 物光束与参考光束的光强比取1 2 1 5 之间 曝光时间2 0 秒左右 显影时间约3 分钟 定影时间约5 分钟 4 全息干板显影 定影处理完之后 要平放与阴凉干燥处进行自然晾干 以 免条纹变形影响测量精度 5 测量条纹间距a h 时要多次几次 取其平均值 以降低误差 误差分析 1 拍摄物体即劈尖的制作达不到理论所要求的精度 因此会带来误差 2 拍摄全息图的效果也会带来误差 如光学平台震动的影响 曝光时间 显 影 定影等 等可能影响到全息照片的质量 东北师范大学硕士学位论文 3 由于像的垂轴放大率为 m 立 l s i n 8 1 一拿s i n 岛 鱼 可见 若拍摄 而如 角度和重现角度的选择不适当 则会对条纹产生影响 使其产生一定比例的缩放 进而带来测量误差 4 用测微目镜测量条纹过程中会产生读数误差 2 l 东北师范大学硕士学位论文 下面两图a b 分别为不同角度的入射参考光照射实验时 c c d 拍摄干涉条纹 图4 2 4 c c d 拍摄全息干涉图a 图4 2 5e c d 拍摄全息干涉图b l l 0洮 套镶礤 眵 澎 孙器 r 弘 p如 糍一 麟器弼 0州 终轳 为弘殍垂 疆一 n 0 0 1二 誊讲啦罐彩澎瑗一 东北师范大学硕士学位论文 五 结论 光学测量技术是一种非接触测量 与传统的接触式测量技术相比 非接触式 测量具有精度高 信噪比高 动态响应快 线性好 量程范围大 减轻对工件的 损伤和非接触等优点 在制造高质量产品和高效率生产过程中 起到了很大的作 用 而且其重要性与日俱增 用干涉的方法比较两个光滑表面之间的微小差异或错位中存在着两个缺点 首先 比较是在两个表面之间进行的 如果一个表面后来的形位相对于原来的形 位发生了微小差异 则上述方法对此无能为力 其次 被比较的两个表面都必须 是光滑的 本文中我们介绍了全息干涉术的原理及发展 因为这种方法比较的对 象是同一表面的先后两个状态 而在表面的形位发生变化时其同意局部的细微结 构基本保持不变 所以不必限定光滑表面 而适用于粗糙的漫射表面 我们运用双波长全息法测量物体表面形貌 把一个凸凹不平的表面的高度分 布情况借助干涉条纹显现出来 通过理论分析和实验验证 这是一种具有纳米准 确度的可行测量方法 东北师范大学硕士学位论文 参考文献 1 w s c h u m a n n m d ubas h o l o g r a p h i ci n t e r f e r o m e t r y b e r l i nh e i d e l b e r gn e wy o r k 0 s p r i n g e r v e r l a g 1 9 7 9 2 c a iy u nl i a n g m o d u l a t e db e a m sh o l o g r a p h ya n ds i g n a lp r o c e s s i n g s p ie 1 9 9 0 1 2 3 0 6 1 2 6 1 5 3 b e n n r t tcl c a r t e rmi m a g i n gf o u r i e rt r a n s f o r ms p e c t r o m e t e r19 9 3 4 v a u g h a na hi m a g i n gm i c h e l s o ns p e c t r o m e t e rf o rh u b b l es p a c et e l e s c o p e19 8 8 5 j u n t t i l aml k a u p p i n e nj i k o n e nep e r f o r m a n c el i m i t e so fs t a t i o n a r yf o u r i e rt r a n s f o r m s p e c t r o m e t e r s19 91 9 6 j u n t t i l amls t a t i o n a r yf o u r i e rt r a n s f o r ms p e c t r o m e t e r19 9 2 2 1 7 h a s h i m o t om k a w a t asm u l t i c h a n e lf o u r i e rt r a n s f o r mi n f r a r e ds p e c t r o m e t e r19 9 2 2 8 8 m o i l e rkdw a v e f r o n t d i v i d e i n ga r r a yi n t e r f e r o m e t e rw i t h o u tm o v i n gp a r t sf o rr e a l t i m e s p e c t r o s c o p yf r o mt h ei rt ot h eu v19 9 5 9 9 d a n i e lh o f s t e t t e r h a n spz a p p e r e n 6d a n d l i k e ro p t i c a ld i s p l a c e m e n tm e s u r e m e n t w i t hg a a s a i g a a s b a s e dm o n o l i t h i c a l l yi n t e g r a t e dm i c h e l s o ni n t e r f e r o m e t e r s19 9 7 4 1 0 j a c kas t o n e l o w e l lph o w a r das i m p l et e c h n i q u ef o ro b s e r v i n gp e r i o d i c n o n i i n e ar i t i e sj nm i c h e l s o ni n t e r f e r o m e t e r s19 9 8 1 1 sja gc o s i j n s hh a i t j e m a phjs c h e l l e k e n sm o d e l i n ga n dv e r i f y i n gn o n l i n e a r i t i e s i nh e t e r o d y n ed i s p l a c e m e n ti n t e r f e r o m e t r y2 0 0 2 1 2 jmd ef r e i t a s map l a y e ri m p o r t a n c eo fr o t a t i o n a lb e a ma l i g n m e n ti nt h eg e n e r a t i o n o fs e c o n dh a r m o n i ce r r o r si ni a s e rh e t e r o d y n ei n t e r f e r o m e t r y19 9 3 1 3 j o l y o nm d ef r e i t a sa n a l y s i so fl a s e rs o u r c eb i r e f n n g e n c ea n dd i c h r o i s mo n n o n l i n e a r i t yi nh e t e r o d y n ei n t e r f e r o m e t r y19 9 7 1 4 j o h ncb i r d f a c h e n gl i a n g b i r a nhs o l h e i map o l a r i z i n gm i c h e l s o ni n t e r f e r o m e t e r f o rm e a s u r i n gt h e r m o s p h e r i cw i n d s19 9 5 15 j a m e sm i l l e r d n e a lb r o c k j o h nh a y sp i x e l a t e dp h a s e m a s kd y n a m i ci n t e r f e r o m e t e r 2 0 0 4 1 6 np a r k pfw y s o e k i2 4 l i n em u l t i w a v e l e n g t ho p e r a t i o no fe r b i u m d o p e df i b e f d n g i a s e r1 9 9 6 11 1 7 s h a hq i n y o n g b ot a n g d a mc h e nm u l t i w a v e l e n g t hh y b r i dg a i nf i b e rr i n gl a s e r b a s e do nr a m a na n de r b i u m d o p e df i b e r2 0 0 6 11 2 4 r 东北师范大学硕士学位论文 1 8 wsm a n hyt a m msd e m o k a n a a lm e c h a n i s mo fi n t r i n s i cw a v e l e n g t ht u n i n ga n d s i d e b a n da s y m m e t r yi nap a s s i v e l ym o d e l o c k e ds o l i t o nf i b e rr i n gl a s e r2 0 0 0 1 1 9 b a r a k a trb i l i n e a rc o n s t r a i n t sb e t w e e ne l e m e n t sc ft h e4 x 4m u e l l e r j o n e st r a n s f e r m a t r i xo fp o l a r i z a t i o nt h e o r y19 8 1 2 0 l us h i h y a u c h i p m a nram u e l l e rm a t r i c e sa n dt h ed e g r e ecfp o l a r i z a t i o n19 9 8 2 1 c r a i grm g i l b e r tsl h a l ep dh i g h r e s o l u t i o n n o n m e c h a n i c a la p p r o a c ht o p o l a r i z a t i o n d e p e n d e n tt r a n s m i s s i o nm e a s u r e m e n t s19 9 8 2 2 f o s c h i n igj p o o l ecds t a t i s t i c a lt h e o r yo fp o l a r i z a t i o nd i s p e r s i o ni ns i n g l em o d e f i b e r s1 9 9 1 1 1 2 3 k s y o u n g w o r t h t g b r o w nf o c u s i n go fh i g hn u m e r i c a la p e r t u r ec y l i n d r i c a lv e c t o r b e a m s2 0 0 0 2 2 4 h a ob i n g j a m e sl e g e rn u m e r i c a la p e r t u r ei n v a d a n tf o c u ss h a p i n gu s i n gs p i r a l l y p o l a r i z e db e a m s2 0 0 8 2 5 s q u a b i s r d o m g l e u c h sg e n e r a t i o no far a d i a l l yp o l a r i z e dd o u g h n u tm o d eo fh i g h q u a l i t y2 0 0 5 2 6 d j e n a ng a n i c x i a o s o n gg a n m i ng ug e n e r a t i o no fd o u g h n u tl a s e rb e a m sb yu s eo fa l i q u i d c r y s t a lc e l lw i t hac o n v e r s i o ne f f i c i e n c yn e a r10 0 2 0 0 2 15 2 7 a e lr u e h l h o l g e rh u n d e r t m a r k d i e t e rw a n d to 7w a l l f i b e re r b i u mo s c i l l a t o r g e n e r a t i n g6 4f sw a v eb r e a k i n g f r e ep u l s e s2 0 0 5 16 2 8 s t e v e nlj a c q u e s j e s s i c acr a m e l l a r o m a n k e nl eei m a g i n gs k i np a t h o l o