第5章 干涉测量技术.doc

第5章 干涉测量技术干涉测量技术是以光波干涉原理为基础进行测量的一门技术。与一般光学成像测量技术相比，干涉测量具有大量程、高灵敏度、高精度等特点。随着激光技术的出现及其在干涉测量领域中应用，使干涉测量技术在量程、分辨率、抗干涉能力、测量精度等方面有了显著的进步。从光学零件的质量控制到光学系统的象质评价，从经典的光学技术到自适应光学工程，现代干涉测量技术的应用领域不断扩展。另一方面，现代数字图像处理技术、传感器技术和计算机技术使干涉图像判读技术实现了计算机实时自动判读，大大提高了干涉测量的精度和灵敏度。干涉条纹是干涉场中光程差相同点的轨迹。根据干涉条纹的形状、方向、疏密以及条纹移动等情况，可获取被测量的有关信息。按光波分光的方法，干涉仪有分振幅式和分波阵面式两类。按相干光束传播路径，干涉仪可分为共程干涉和非共程干涉两种。按用途又可将干涉仪分为两类，一类是通过测量被测面与参考标准波面产生的干涉条纹分布及其变形量，进而求得试样表面微观几何形状、场密度分布和光学系统波像差等，即所谓静态干涉；另一类是通过测量干涉场上指定点干涉条纹的移动或光程差的变化量，进而求得试样的尺寸大小、位移量等，即所谓动态干涉。分波面是从同一光源等位相面上分两光束产生干涉(如：杨氏双缝干涉)；分振幅是利用分束镜的反射和透射分出两光束产生干涉(等倾干涉和等厚干涉)。光学测量常用的是分振幅式等厚测量技术。5.1 干涉测量基础干涉测量是基于光波叠加原理，在干涉场中产生亮、暗交替的干涉条纹，通过分析处理干涉条纹获取被测量的有关信息。当两束光亮度满足频率相同，振动方向相同以及相位差恒定的条件，两束光就会产生干涉现象，在干涉场中任一点的合成光强为：其中 相长干涉（明）(k = 0,1,2,3) 相消干涉（暗）(k = 0,1,2,3)当把被测量引入干涉仪的一支光路中，干涉仪的光程差则发生变化。通过测量干涉条纹的变化量，可以获得与介质折射率和几何路程有关的各种物理量和几何量。5.1.1 干涉条件及其测量保证为获取明亮、清晰和稳定的干涉条纹，在测量中需要采取保证良好干涉条件的一些技术措施。 决定对比度的因素：振幅比光源的大小光源的单色性1、 光源单色性的影响与时间相干性(1)、理想的单色光 (2)、准单色光、谱线宽度准单色光：在某个中心波长(频率)附近有一定波长(频率)范围的光。 两相干光的最大光程差（或称光源的相干长度）为：在物理光学中，把光通过相干长度所需要的时间称为相干时间，其实质就是可产生干涉的波列持续时间。因此，在干涉仪中选择光源，以及相干光路的设计时，为保证获取良好的干涉条纹图形，应使该光源同一发光原子(点)发出的光波分离后又汇合的光波间光程差不超过光源的波列长度为原则，对此所采取的技术措施，称其为保证时间相干性。、光源大小的影响与空间相干性 空间相干性：空间上不同两点发出的波列经过不同的光程到达同一点时能够相遇干涉，则这两个波列具有空间相干性。 设光源宽度为b 。 极限宽度当光源宽度b等于某个宽度b0 时，干涉条纹刚好消失，b0 称为光源的极限宽度。设Bd 和 b （一级亮纹） 相干孔径角相干孔径角在0 范围内的光场中，正对光源的平面上的任意两点的光振动是相干的。由和有q0小 b0大,在b b0，且b一定的情况下，q0越大空间相干性越好。如图5-1所示，光源是被均匀照明的直径为的光阑孔，光阑孔上不同点经准直物镜后形成与光轴不同夹角的平行光束。不同角的平行光束经干涉仪形成彼此错位的等厚干涉条纹，经叠加后形成的干涉条纹如图5-2所示。如干涉仪干涉条纹的对比度为0.9。可得光源的许可半径： 式中， :光源许可半径，f:准直物镜焦距，h:等效空气层厚度。单位mm。可见，在干涉测量中，尽量采取减小光源的尺寸的措施，固然可以提高条纹的对比度，但干涉场的光亮度也随之减弱。如能设法改变参考光路或测量光路的光程，使两支光的等效空气层厚度减薄，可以达到适当开大光阑孔的目的。为此，在干涉仪中采取相应技术措施，称之为保证空间相干性。、两相干光的光强比和杂散光的影响 设两支光强比，为杂散光系数，可得： 图-3 对比度与两束光强比以及杂散光与干涉光强比的关系实线表示了干涉条纹对比度K随两支光束强度比H的变化。可见，没有必要追求两支相干光束的光强严格相等。4、提高干涉条纹对比度的的技术措施采取如下措施改善激光干涉图形的质量： 清洁光学元件。特别是靠近光阑孔或焦点附近的镜面，要绝对保持清洁。 在激光光束会聚点处，用连续转动的毛玻璃屏消除（或模糊）散斑效应。 在激光光束会聚点处，设置小孔光阑，可以起到空间滤波作用，即滤去部分或大部分的非零频成分光线。5.1.2 干涉条纹分析判读与干涉图信号处理方法为获取明亮、清晰和稳定的干涉条纹，在测量中需要采取保证良好干涉条件的一些技术措施。 在静动态干涉系统中，干涉测量的关键是获得清晰稳定的干涉条纹图样，然后对其进行分析、处理和判读计算，以获得有关的被测量的信息。其中，最基本的信息是如何从干涉条纹变形