激光干涉测量技术(合肥工业大学).ppt

激光测量技术 LaserMeasurementTechnology 第二章激光干涉测量技术 2 1激光干涉测量长度和位移 一 干涉测长的基本原理 激光干涉的条件1 频率相同2 相位差初始恒定3 振动方向相同 非正交 4 小于波列长度 1 干涉数学表达式 设两路激光分别为 E1 Acos t 1 E2 Bcos t 2 则合成有 E E1 E2 Acos t 1 Bcos t 2 Acos t 1 Bcos t 1 Acos t 1 Bcos t 1 cos Bsin t 1 sin A Bcos cos t 1 Bsin sin t 1 A cos t 1 2 1 2 2 arctan A Bcos ABsin A A2 2ABcos B2I A2 2ABcos B2 2 2 2 2 nl 2 光的相位与走过的光程有关 Acos t Bcos t 0 2 nl 满足相干条件时有Acos t Bcos t 0 I A B 2ABcos n1l1 n2l2 条纹可见度 M Imax Imin2ABImax IminA B2 结论合成干涉光的光强是两路光的光程差的余弦函数I A2 B2 2ABcos 当 2 NN nili njlji 1j 1 n1l1 n2l2 2k 合成干涉光光强最大 光越亮 2 当 n1l1 n2l2 2k 1 合成干涉光光强最小 光越暗 应用 光强调制 I cos 测量臂差 测量明暗变化次数 可测量臂差 测量折射率 L均固定 只有一处折射率变化 传感器 通过物理量引起n或者L的变化 测出其变化 再经过处理 反演出物理量的变化 n均固定 已知 一路光的光程固定 由下公式可知 即测量位移和长度NN nili njlji 1j 1通过测量光强的变化的次数 测量某臂的光程变化 所以激光干涉测量一般是 1 相对测量 2 增量式测量 3 中间过程不可忽略 要监视整个测量测量的过程 以Michelson干涉仪为例 开始测量时 两束光的光程差为 1 2n Lm Lc 测量结束时 两束光的光程差为 2 2n Lm L Lc 2nL 1光程差变化量d 2 1 2nL移动距离 L K 2 二 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 一 干涉仪系统 主要包括 光源 分束器 反射器 补偿元器件1 激光干涉仪常用光源 He Ne激光器 激光的功率和频率稳定性高 连续方式运转 在可见光和红外光区域有谱线 1 干涉仪常用分束方法 1 分波阵面法 2 分振幅法 3 分偏振法 PBS 3 常用反射器 1 平面反射器 2 角锥棱镜反射器 3 直角棱镜反射器 4 猫眼反射器 4 典型的光路布置布置原则 1 共路原则消除振动 温度 气流等影响2 考虑测量精度 条纹对比度 稳定性及实用性等因素3 避免光返回激光器 1 使用角锥棱镜 双角锥棱镜光路 单角锥棱镜光路 两半反半透镜一体化光路 双光程光路 2 整体布局 优点 抗干扰好 抗动镜多自由度变化能力 灵敏度高一倍缺点 不方便 吸收严重 3 光学倍频 4 零光程差的结构布局 二 干涉条纹计数与测量结果处理系统干涉条纹计数的要求 能够判断方向 避免反向 大气 环境振动以及导轨的误差影响 能够细分 提高分辨率这样需要相位相差90度的两个电信号输出 即一个按光程正弦变化 一个余弦变化 常用移相器种类 1 机械法移相 形成等厚干涉 特点 简单 条纹间距易变 使信号不完全正交属于分波阵面移 相 容易受大气扰动引起波阵面畸变的影响 2 阶梯板和翼形板移相 属于分波阵面移相 容易受大气扰动引起波阵面畸变的影响 3 金属膜移相原理 利用金属膜表面反射和透射时都产生附加位相差的原理 在分光器的分光面上镀上金属膜做成金属膜分幅移相器优点是两光束受振动和大气扰动的影响相同 元件少 结构紧凑 两反两透 均一透一反 缺点是两相干光束的光强不同 影响条纹对比度 4 分偏振法移相 特点 结构较复杂 不受大气影响 可靠 2 干涉条纹的计数及判向原理 当1324定义为正向 当存在反向时1后边出现的应该是 所以只须判断第二和第四信号的 脉冲次序即可 由于相差为90度 一个计数对应的 是0 25个波长 所以L K 8 分辨率提高4倍 称 为四倍频计数 如何提高分辨率 细分 2 三 条纹的对比度 定义 明暗变化的比值 M Imax Imin2ABImax IminA B2 1 明暗变化的强度越大 PD感测出的信号信噪比越好2 当两干涉光的光强相等时 对比度越好3 影响干涉条纹对比度的因素 相干性 偏振态 光强 背景光 各种环境因素如振动 热变性等 四 应用举例 1 激光比长仪 2 激光跟踪干涉仪 3 Renishaw新型单频激光干涉仪 4 激光小角度干涉仪 H k 4 arcsin HR H k 8 arcsin HR 小角度测量仪 测量范围一般在 1 以内 最大测量误差 0 05 采用下图 可达95 测量精度 0 3 2 2激光外差干涉测量系统 传统干涉测量系统的特点 1 测量精度高 前置放大器为直流放大器2 对环境要求高 不允许光强有较大的变化3 抗干扰能力差 一般工作在恒温 防震条件下 在某一光臂中引入一定频率的载波 被测信息通 过载波传递 使前置放大器可采用交流放大器 可以隔绝由于外界条件引起的直流电平漂移 可在现场稳定工作 这种利用外差技术的干涉仪 称为外差干涉仪或 者交流 AC 干涉仪 解决 1 滤掉了背景噪声 2 滤掉了直流放大器的噪声 一 Zeeman双频激光干涉仪 Bsin t t 1 E E1 E2 Acos 1t 1 Bcos 2t 2 Acos 1t 1 Bcos 1t 1t 1 2 t 1 2 Acos 1t 1 Bcos 1t 1 cos Bsin t 1 sin t A Bcos t cos 1t 1 Bsin t sin 1t 1 A cos 1t 1 3 1 2 1 2 3 arctanA Bcos t A A2 2ABcos t B2I A2 2ABcos t B2 0 t 2 测量臂由于M2的运动由Doppler效应知 f 2vc f 2v 测量镜移动距离L为 L 0 t vdt 0 t 2 fdt t2 0 fdt 2 N 其中N fdt t f0 t为记录下来的累计脉冲数 电路静态频率f1 f2 动态频率 f1 f2 f 为不失真 应满足f1 f2 3 fZeeman 频差1 5 1 8MHz允许测量速度约为150mm s 测量角度 1 t 0 t 0 0 测量空气折射率 fn 2vc f v L dn dt fn 2L 0 dn dt 0 t fn dt nm 2L 0 dn nm 1 2L 0 fn dt 02L f t 2LN 2 2 2声光调制双频外差干涉仪 1 声光调制器 2 声光调制双频外差测振仪 2 4激光全息干涉测量系统全息的来源 1948年盖伯 D Gebar 提出用一个合适的相干照射全息图 透射光的一部分就能重新模拟出原物的散射波前 于是重现一个与原物非常逼真的三维图像 1960年激光的出现促进了全息照相术的发展 全息术得到了不断完善 为此他荣获1971年诺贝尔物理学奖 应用 全息测量系统全息存储全息防伪 无损检测全息电影 每毫 一 全息技术的基本原理 其过程分 1 全息图的记录2 物光波再现 1 全息图的记录 普通照相 记录了光的光强和颜色 频率 每毫 米只能记录50 100个条纹记录介质 银化物 全息图 记录了波前信息 光强及相位 米记录1000个以上条纹记录介质 卤化银乳胶和重铬酸盐乳胶 0 设物光 E0 A0ej 0 则干板前的光强和相位分布 应该为x y的函数 即 E0 A0 x y ej x y 参考光束 平面波 E0 Arej r r 2 sini y 所以 E0 Arej r Arejay 0r 所以干板上的光强分布 I x y E0 Er E E Ar2 A02 x y ArA0 x y ej ay j x y ArA0 x y e j ay j x y Ar2 A02 x y 2ArA0 x y cos ay j x y Ar固定和参考光相位ay是已 知规律变化的 所以 干板记录的信息主要是记录了物光的光强及相位信息 经过一定时间的照射 完成曝光 然后把干板取下 经显影 定影 制成全息底片以上过程称为全息记录 2 物光波再现 全息底片的透射率是t x y 是记录过程时曝光光强的非线性函数 取线性部分 则有 重新复位全息底片 并去掉物 体及物体照射光束 22 22 2 2 e 3 Ee x y t x y Er m Ar A0 x y ArA0 x y e j ay 0 x y ArA0 x y e j ay 0 x y Are jay m Ar A0 x y Are mAr2A0 x y ej 0 x y j2ay j 0 x y mA0 x y Are jay 1 0 1 参考光的透射光束幅度被物光调制 方向不变 m Ar2 A02 x y Arejay 2 与物光光波相同的透射光波Ar2A0 x y ej 0 x y 方向不变 光强变化mAr2倍 3 与2共轭的汇聚光波方向与2共轭 光强变化mAr2 mA0 x y Ar2ej2aye j x y 倍 相位叠加了一线性值 3 全息干涉条纹的调制度I x y Ar2 A02 x y 2ArA0 x y cos ay j x y Ar2 A02 x y 1 2ArA0 x y M Ar2 A02 x y 2ArA0 x y Ar2 A02 x y cos ay j x y 物光对参考光的相位和幅值进行了调制M成为振幅调制度 0 M 1当严格按照余弦分布 也称条纹对比度4 全息技术对光源的要求同普通照相一样具有能使底片得以曝光的光能输出 具有为满足光束的干涉和衍射所必须的时间相干性和空间相干性 全息照相的特点 三维立体图 或四维 彩色图片 永不变颜色不可撕毁性 冗余度大 一次拍摄 可以得到两个图像 原始像和共轭象 单纯的全息技术应用 1 全息图像显示 照片 图片 邮票 书籍 杂志的 封皮与插页等 2 包装 装潢和防伪 产品的包装 标牌和商标 饰品 广告 装潢 人民币 银行卡 居民身份证等 3 全息元件 光栅 透镜 波带片等 4 光学信息处理技术 图像识别 图像的消模糊和边缘增强 图像的假彩色编码 5 全息存储 存储容量大 记录速度快 记录信息不易丢失 冗余好 便于长期保存 便于拷贝 Inphase公司的全息存储器 二 全息干涉测量技术 单纯的全息照相技术 不能提供测量信息 但全息底片记录了物光的某一状态的波前信息 可以与新的物光信息形成干涉 可以利用干涉测量的技术 今行测量分析工作 1965年R Powell和K Stetsen提出 把干涉测量和全 息技术相结合 进行一些测量工作 常用的测量方法主要有 1 实时法 2 二次曝光法3 时间平均法 1 实时法 一次全息图制作 复原安装 再现 对准 应用 实时观察不同条件下的变形 情况 如温度 压力 内部情况 特点 1 只需一次制作全息底片 2 方便 节省时间 特别适合透明介 质的一些现象 3 复位精度要求高 4 使用时间短 条件要求高 乳胶易 收缩变形 产生附加条纹 2 二次曝光法原位曝光 遮光 物体发生变化 再次曝光 显影 定影 显示观察 应用 瞬态现象研究 如冲击波 流体 燃烧等 特点 不需要高复位精度不需要监视变化整个过程原位完成所有过程 引入误差小形成干涉条纹主要有变形和激光频率变化引起 应尽量激光频率变化 3 时间平均法 注意 曝光时间远大于振动的周期常用于振动模式分析 全息干涉测量的特点 项目优点 干涉技术简单 光滑表面单点或多点测量 全息干涉测量任意形状 对表面几乎无要求三维表面 需要全程检测过程可仅比较起始和终了两个时刻的状态 缺点 范围大 小于激光范围小 仅几十um的相干长度全息测量的特点及与传统干涉测量的比较 三 全息干涉测量技术的应用 1 测量气缸内孔 2 发动机活塞变形 3 缺陷检测 常用的方法 实时法和时间平均法 原理 当试件存在缺陷时 在外观 表面会存在变 化 例如 脱胶 脱落 内部裂纹等 4 检测光学玻璃的均匀性 常用方法 实时法 二次曝光法 用途 测量透明介质的一些物理场信息如 温度 力场 流速 均匀性等信息 2 5激光散斑干涉测量系统1970年Leendez开创了光学粗糙表面的干涉测量方法 称这种方法为散斑干涉测量 一 散斑的概念 散斑 当一束激光照射到物体的粗糙表面上 时 其反射的光束中亮斑与暗斑的分布杂乱 顾称为散斑 Speckle 其实质 经粗糙表面漫反射后的光 空间干 涉的结果 所以是非物体表面的像其分布与照射的表面有关 小 散斑产生的条件 1 粗糙表面 h 产生均匀散斑2 必须有高相干光 散斑照相 被激光照射的粗糙表在透镜的像面上形成 的散斑图 同全息相比 散斑照相并不能提供测量的一些信息如果利用全息技术记录某一时刻的散斑信息 利用变 化后的形成的散斑干涉 可以进行测量工作 散斑干涉技术 在散斑图的基础 外加一相干的参考光 例如 平面波 球面波或者稳定的其他散图均可应用 测量位移 应变 振动 粗糙度等 k 二 散斑干涉测量技术1 测量纵向位移当O有位移时 参考光与物光的相位差为 2 2 z 根据相干的条件当 2k 时 即 z 2与初始上干涉状态一致 当 2k 1 时 即 z k 1 22 图像明暗反转 通过观察散斑的明暗变化次数 可以测量纵向位移 当H为全息干板 曝光周期大于振动周期时 在节点处 光强和相位不变化 其他位置 光强和相位发生变化 所以在节点处 高对比度 其他位置对比度下降 可以测量振幅及振动模态 2 测量横向位移参考光与物光以相同夹角入射 方向关于Z对称当物面沿Z向变化时 物光与参考光的相位变化一直 不产生额外相位差 散斑不变化当物面有X Y方向变化时光程变化为 2dsin 相位变化为 2 2dsin 当 2dsin m 时 恢复初始状态 三 电子散斑干涉测量技术 ESPI ESPI 主要相对于传统光学记录方式而言 主要指CCD采集的散斑场信息 这样可以进行电子处理或者计算机处理 ESPI的特点 电子技术提取信息 可以直接显示和保存散斑图 操作简单 实用性强 自动化程度高 可以进行静动态 测量 不需要复杂的显影 定影及复定位技术要求 普通散斑技术的特点 与全息类似 需要干板记录 条纹的计数和判向与传统干涉类似 但可以测量较粗糙的表面 基本原理 ifA0 a1ej 1Ar a2ej 2CCDlightintensity I a12 a22 2a1a2cos 1 2 if 0 a1ej 1 I a12 a22 2a1a2cos 1 2 当 2k 光强不变 当 2k 1 光强变化最剧烈其他 变化程度与 有关 CCD感受的光强为参考光的余弦调制 基本原理ESPI处理 一般图像间相减 其结果 I 2a1a2 cos 1 2 cos 1 2 相减后 光强分布仍然是 的余弦分布函数 即干涉条纹与 有关 这种条纹反映出的是两次散斑干涉间的光强分布之间的相关性 称为相关条文 由于 与光程有关 反应出的是物面的变形或位移 的多少 四 散斑干涉测量技术的应用 1 测量表面粗糙度 2 测量内孔的表面质量 2 5激光光纤干涉测量系统一 基本概念光纤 光导纤维简称材料 玻璃 纤芯及包层为玻璃 胶套硅光纤 芯玻璃包层塑料纤 包 保护 塑料 均为塑料 芯 层 套 类型 阶越式梯度型光纤特点 1 传输频带宽 通讯容量大3 不受电磁波 环境光干扰5 抗化学腐蚀 2 信号损耗低4 线径细 重量轻5 可弯曲 稳定 对比光学器件组成的系统 光纤测量系统的优势 项目灵敏 传统光学系统小 精度低 光纤测量系统大 精度高 度一般 易受环境影响好 不受大气 电磁影响性 操作性体积 较差 可调点多结构复杂 光路复杂 体积大 好 可调点少 仅调节物光束结构简单 体积小 重量轻 光路简单 应用 航空 航天石油化工 采矿业图像传输计算机网络传感器等 医疗通讯 二 主要常用的光纤干涉仪结构型式 主要型式 1 迈克耳逊 Michelson 光纤干涉仪 2 马赫 泽德 Mach Zehnder 光纤干涉仪3 萨格奈克 Sagnac 光纤干涉仪 4 法布里 珀罗 Fabry Perot 光纤干涉仪 1 迈克耳逊 Michelson 光纤干涉仪 优点 结构简单 抗干扰 体积小 稳定性好 可和激光集成 光可能返回激光器 要求激光高度稳定应用 点测量振动 位移 应变 温度等 2 马赫 泽德 Mach Zehnder 光纤干涉仪 特点 无返回光 不影响激光输出自动正余函数便于 细分 应用 测量位移高电压大电流磁场 应力等 3 萨格奈克 Sagnac 光纤干涉仪光纤陀螺 测量角速度 由Doppler效应知 V r Clockwise fc c c c r c c c r PhaseatDetector c 2 c 2 rN 4 2rNc c r Anti clockwise a 2 c 2 rN 4 2rNc c r a c 8 2r2N c 4 法布里 珀罗 Fabry Perot 光纤干涉仪 又称 F P干涉仪 特点 多光束干涉 高灵敏度用途 波长的精密测量光谱线精细结构的研究 其间隔固定不变 法布里 珀罗标 准具 其间隔可以改变 法布里 珀罗干 涉仪 三 光纤干涉仪应用 1 F P干涉仪分析气体成分 2 光纤干涉测长 准白光干涉 3 光纤干涉仪测量温度 压力 4 光纤陀螺 特点 灵敏度高可达0 02 h 质量轻 体积小 成本低结构紧凑 可作为制导 导航用 2 5激光多波长干涉测量系统 传统干涉仪 1 需要导轨 计时从始态到终态全部过程 中间不允 许掉电 2 计数时间长 测量长度较大时耗时时间长 易受环 境因素的影响 3 无零位 增量式测量 不能测量绝对位移 光学绝对测量简史 1 1892年把国际标准米尺与Cd谱线波长相比较提出了小数重合法 激光出现以后 基于小数重合法进行无导轨测长 2 1976年 G LBourder和AG Orszag首先报导了使用CO2激光 器进行多波长干涉测长 3 1983年 日本计量研究所的HMatsumoto提出了用He Ne3 39um单波长和He Ne3 37um 3 51um双谱线组成三级合成波测量 长度 4 同年 CL Bourder利用两支波导CO2激光器 实现了变波长 绝对距离测量 5 1985年 中国计量院陈元吕等人制成了以Zeeman激光为光源的 无导轨测长仪 6 1986午 H Kikuta进行了半导体激光外差干涉测长的研究 7 清华大学的梁晋文教授等人用He Ne3 39um激光实现了多波长 无导轨测长 i 2i 一 小数重合 柯氏干涉仪 对于干涉仪其测量的公式 L 2 N 如果能够测量出条纹间的距离 细分 相位检测等 则实际长度 L m i 如果已知道某一长度的大略范围 例如量块 用一组已知波长的光 进行测量的话 真值对应的一组已知的mi和 i 如果能够测出其小数部分则 容易推导出其真值 测量的次序 1 测出每一波长的激光对应的 2 计算已知尺寸范围间 所有波长对应m及 值 3 测量和计算的 组进行比对 如果相同 则计算的所对应的 尺寸 即是真值 2 二 合成波