光电测量的系统.docx

光电检测系统设计课程名称： 光电检测系统设计 系 部： XXX 专业班级： XXX 编 组： XXX 姓名学号： XXX XXX XXX XXX 指导教师： XXX 完成时间： 2013年12月25日 光电检测系统设计基于泰曼格林干涉仪测微小位移量目录一、前言3二、设计目的：3三、设计原理：43.1 光的干涉43.1.1 干涉原理43.1.2 干涉条件43.1.3 产生干涉的方法53.2 利用干涉和衍射测缝间距和缝宽53.2.1 杨氏双缝干涉53.2.2 单缝衍射实验63.3 常见干涉仪73.3.1 迈克尔逊干涉仪73.3.2 泰曼格林干涉仪83.4 系统原理93.5 系统主要部件设计与介绍103.5.1 光束准直系统103.4.2 光电探测器外壳设计机械图16四、心得体会23五、参考文献23一、前言 随着近代工业的迅速发展，微位移测量变得十分重要，且现代工业技术的发展对微位移测量的精度和方式提出了更多更高的要求。因光学干涉测量具有更高的测试灵敏度和准确度，其得到了广泛的发展。在光学干涉测量法中，激光多普勒效应测量方法具有动态响应快、线性度好、测量范围大、精度高等许多独特的优点，得到了更加广泛的应用，有很好的发展前景。比如一些航空领域的测试，要求在持殊的条件下进行，如高温、高压、高速、放射、腐蚀介质或小空间等;在机械工业中，为提高精密加工机床的精度，结构的稳定性和可靠性，要求检测其在承载条件下工作机的动态形变，如大机械的动态变形场(如大型发电机或各种大型机械主轴在运转过程中的变形)、机床导轨在工作中的形变等;在建筑工业中，侨梁承载下的变形场检测、大坝，船舶等工程结构变形状况的检测等，以及对滑坡、地陷、雪崩、地基崩塌等地质灾害的监测都需要进行测量，以获得测量对象的动态测量信息。就这些方面的微位移测量而言，一方面传统的接触式测量技术跟不上现代工业机械加工、材料加工的非接触测量要求，另一方面，传统的静态测量技术同样满足不了现代测试技术中主动测量的要求。因此，在航空、军工、机械等各个领域中的许多测量，非接触式微位移测量方法应用广泛，也起到了十分重要的作用。二、设计目的：本课程的设计目的在于了解激光干涉测量的原理，掌握握微米及亚微米量级位移量的激光干涉测量方法，了解激光干涉测量方法的优点和应用场合，了解常见干涉仪的原理和应用，掌握基于泰曼格林干涉仪测微小位移量的系统设计流程，熟悉一些常用应用设计和分析的软件，比如AutoCAD、Matalb和Zemax等软件。三、设计原理：3.1 光的干涉3.1.1 干涉原理光的干涉是指两束或多束光在空间相遇时，在重叠区内形成稳定的强弱强度分布的现象。要获得稳定的干涉条纹就必须使两束光波的频率相同，相遇处振动方向相同且有固定不变的相位差。例如，两列单色线偏振光E1=E01cos(1t-k1r+01)E2=E02cos(2t-k2r+02)在空间P点机遇，它们的振动方向间的夹角为，则在P点处的总光强为I=I1+I2+2I1I2coscos=I1+I2+2I12式中，I1,I2是二光束的光强,是两光束的相位差，且有=k1r-k1r+01-02+t=1-2I12=I1I2coscos由此可见，两光束叠加后的总强度并不等于这两列波的强度和，而是多了一项交叉项I12,它反映了这两束光的干涉效应，通常称为干涉项。干涉现象就是指这两束光在重叠区内形成的稳定的光强分布。所谓稳定，就是用肉眼或记录仪器能观察到或者记录到条纹分布，即在一定时间内存在着相对稳定的条纹分布。显然，如果干涉项I12远小于两光束中较小一个，就不容易观察到干涉现象，如果两光束的相位差随时间变化，是光强度条纹图样产生移动，且当条纹移动的速度快到肉眼或记录仪器不能分辨出条纹图样时，就观察不到干涉现象了。3.1.2 干涉条件（1）两束光的频率应当想同 （2）两束光在相遇处的振动方向应当相同 （3）两束光在相遇处应有固定不变的相位差3.1.3 产生干涉的方法（1）分波法：将一个波列的波面分成两部分或者几部分，由这一部分发出的波再相遇时，就必然会产生干涉现象。杨氏双缝干涉实验就是应用这个原理。 （2）分振法：利用透明薄板的第一、二表面对入射光的依次反射，将入射光的振幅分解成若干部分，当这些部分的光波相遇时就产生干涉。这是一种很常见的获得相干光、产生干涉的方法。3.2 利用干涉和衍射测缝间距和缝宽3.2.1 杨氏双缝干涉1801年，杨氏巧妙地设计了一种把单个波阵面分解为两个波阵面以锁定两个光源之间的相位差的方法来研究光的干涉现象。杨氏用叠加原理解释了干涉现象，在历史上第一次测定了光的波长，为光的波动学说的确立奠定了基础。图3.2.1 杨氏双缝干涉光路图及条纹光强分布S线光源，G是一个遮光屏，其上有两条与S平行的狭缝S1、S2，且与S等距离，因此S1、S2 是相干光源，且相位相同；S1、S2 之间的距离是d ，到屏的距离是D。相邻两个亮条纹或暗条纹间的距离为条纹间距 e=Dd ，为入射光波波长。通过式可以得到双缝间距d=De 。当=632.8nm，D=133.5cm，条纹间距为e=5.3mm，则可以通过式得到双缝间距d=0.15939396mm。3.2.2 单缝衍射实验当光在传播过程中经过障碍物，如不透明物体的边缘、小孔、细线、狭缝等时，一部分光会传播到几何阴影中去，产生衍射现象。如果障碍物的尺寸与波长相近，那么，这样的衍射现象就比较容易观察到。单缝衍射有两种：一种是菲涅耳衍射，单缝距光源和接收屏均为有限远或者说入射波和衍射波都不都是球面波；另一种是夫琅和费衍射，单缝距光源和接收屏均为无限远或者相当于无限远，即入射波和衍射波都可看作是平面波。X1R图3.2.2 单缝衍射光路图及光强分布观察屏上的光强I=I0(sin2x2),其中=(d)sin ,其中为衍射角，I0是=0时的光强，当=，2，,3 时，I=0，即暗条纹。所以对于暗条纹时，由式可得 dsin=n (n=1,2) 当很小时，sintanxnR ,xn为条纹中央到第n级的距离，将式、式整理后，可得d=Rnxn所以当=632.8nm，R=133.5cm时，可得：表3.2.1 衍射测量缝宽数据表组号序号xn（mm）组110.950.08890.088921.850.089132.850.0887组214.750.17790.177929.250.1780314.00.1778组313.00.28160.281726.00.281739.10.28193.3 常见干涉仪3.3.1 迈克尔逊干涉仪迈克尔逊干涉仪是利用干涉条纹精确测定长度或长度改变的仪器.它是迈克尔逊在1881年设计成功的。迈克尔逊和莫雷应用该仪器进行了测定以太风的著名实验.后人根据此种干涉仪研制出各种具有实用价值的干涉仪。迈克尔逊干涉仪的结构和工作原：G2是一面镀上半透半反膜，M1、M2为平面反射镜，M1是固定的，M2和精密丝相连，使其可前后移动，最小读数为10-4mm，可估计到10-5mm, M1和M2后各有几个小螺丝可调节其方位。当M2和M1严格平行时，M2移动,表现为等倾干涉的圆环形条纹不断从中心“吐出”或向中心“消失”。两平面镜之间的“空气间隙”距离增大时，中心就会“吐出”一个个条纹；反之则“吞进”一个个条纹。M2和M1不严格平行时，则表现为等厚干涉条纹，M2移动时，条纹不断移过视场中某一标记位置，M2平移距离 d 与条纹移动数 N 的关系满足d=N2。图3.3.1 迈克尔逊干涉仪示意图经M2反射的光三次穿过分光板，而经M1反射的光只通过分光板一次.补偿板就是为了消除这种不对称而设置的.在使用单色光源时，补偿板并非必要，可以利用空气光程来补偿；但在复色光源时，因玻璃和空气的色散不同，补偿板则是不可缺少的。若要观察白光的干涉条纹，两相干光的光程差要非常小，即两臂基本上完全对称，此时可以看到彩色条纹；若M1或M2稍作倾斜，则可以得到等厚的交线处（d=0）的干涉条纹为中心对称彩色直条纹，中央条纹由于半波损失为暗条纹。3.3.2 泰曼格林干涉仪本系统采用泰曼格林（Twyman-Green）干涉系统，TG干涉系统是著名的迈克尔逊白光干涉仪的简化。用激光为光源，可获得清晰、明亮的干涉条纹，其原理如图3.2.1所示。图3.3.2 泰曼格林干涉仪示意图激光通过扩束准直系统形成平面波，入射至半反射镜，此平面波可表示为：Uz=Aeikz 此平面波经半半反射镜后一分为二，一束射向参考镜M1，被反射后成为参考光束。UR=AReiR(ZR) 另一束透射过半反射镜，经测量镜M2反射后，成为待测光束。UT=ATeiR(ZT) 此二束光在半反射镜上重新相遇，由于激光的相干性，因而产生干涉条纹。当成像质量足够高时，干涉场的变化取决于待测反射物M2的实像与参考反射镜M1被半反射镜重现的虚像M1间的夹角。当较小，有sin，则可求得干涉条纹的光强为：Ix,y=2I0(1+coskl2) 式中I0为激光光强，l为参考光束与待测光束间的光程差：l=zR-zT。略去大气影响，且两支光路光程相差不大时，则干涉条纹移动数N与光程差l存在以下关系：l=N*/2 光程差增大时，干涉条纹向干涉级次低的方向移动；反之，向级次高的方向移动。通过记录干涉条纹移动的数目，在已知激光波长的情况下，由上式可得出反射镜的轴向位移量L。3.4 系统原理图3.4.1 系统原理框图实验系统中参考镜M1镜由压电陶瓷驱动，产生周期性的轴向振动。设参考镜的瞬时位移为li，被测表面的形貌为w(x，y)，则参考光路和测试光路可分别用下式表示：UR=ARexpi2k(L+li)UT=ATexpi2kL+w(x,y)相干产生干涉条纹的瞬时光强为：Ix,y,li=AR2+AT2+2ATARcos2kwx,y-li 由上式可知干涉图像内任一点的瞬时光强总是li的余弦函数。若li随时间变化，则干涉场的光强 受到调制。参考镜每移动半个波长，则干涉条纹明暗变化一个周期。若li随时间作线性变化时，干涉场中各点光强随时间t作某一固定频率的余弦变化，其频率由li的变化速率决定。若这个频率已知，就能利用通信理论从噪声中提取出信号，从而反推得到波面的相位信息。式进行傅立叶展开得：Ix,y,li=a0+a1cos2kli+b1sin2kli由正交归一性，可确定系数a0=2npi=1npI(x,y,l1)a0=2npi=1npIx,y,licos2klib1=2npi=1npIx,y,lisin2kli式中n为每周期内的采样点数，p为被采样的条纹的周期数。从而求得被测波面，由下式给出：wx,y=12ktan-1b1a1=12ktan-12npi=1npIx,y,lisin2kli2npi=1npIx,y,licos2kli式中li=i2n, (i=1,2,)。3.5 系统主要部件设计与介绍3.5.1 光束准直系统激光器发出的激光经过扩束准直系统进入泰曼格林干涉仪，所以有必要对扩束准直系统进行设计，由于条件限制，采用ZEMAX进行设计仿真。ZEMAX是一种广泛使用的光学设计 软件，由美国华盛顿州贝尔维尤市的ZEMAX软件开发公司研制发售。它可以用来设计和分析光学系统。 ZEMAX 可以执行标准序列光学元件光线追踪，非连续光学元件杂散光追踪，以及物理光学光束传播。ZEMAX软件用于光学系统设计，如照相机镜头和照明系统的分析。它可以模拟射线通过光学元件，如镜头（包括非球面和梯度折射率透镜）、反射镜、衍射光学元件等的传播。ZEMAX也可以模拟元件表面光学薄膜的效果，并能产生各种标准分析图表。它包含丰富的镜头库。物理光学传输功能，可用于必须考虑衍射的问题，如激光光束传播，全息，以及单模光纤光耦合。ZEMAX具有强大的优化工具套件，可用于镜头自动优化调整参数以便最大限度的提高性能减小像差，并有丰富的公差性能。下面是用Zemax进行仿真设计的流程：(1) 设置系统孔径和单位首先设罝系统孔径以及透镜单位，这两者的设罝皆在按钮列中的GEN按钮里（System-General）。点击GEN或透过菜单的System-General来开启General的对话框。点击孔径标签(Aperture Tab)（默认即为孔径页）。需要一个直径为5mm的凹透镜，所以入瞳(Entrance Pupil)，因此设罝：图3.5.1 设置入瞳点击单位标签(Units Tab)，并确认透镜单位为Millimeters。单击确认来离开对话框。图3.5.2 设置单位（2）设置视场角和波长点击按钮列中的Fie或透过菜单的System-Filed来开启场对话框，近轴视场角，其中Weight这个选项可以用来设罝各视场角之权值，并可运用于优化。图3.5.3 设置视场角权值可点击按钮列中的Wav来设罝波长，在波长编辑视窗里我们可以设罝不同的波长与其Weight，ZEMAX也有内建一些常使用波长，可透过Select-这个选项来选择。在此例子可以透过挑选F, d, C (Visible) 这个选项来设罝波长0.486、0.587、0.656 (Microns)，单击OK即可 。图3.5.4 设置波长(3)键入透镜组资料和参数透镜组资料：现在我们要键入Lens的参数。在ZEMAX是透过设罝依序排列的表面来建立出光学系统。在此建立单透镜这个例子需要建立4个表面。l The object surface（OBJ）：设罝光线的起始点l The front surface of the lens(STO)：光线进入Lens的位置。在这例子里，这表面的位置也决定了光阑(Stop)的位置l The back surface of the lens(2)：光线从Lens出来并进入空气中的位置。l The image surface(IMA)：光线追迹最后停止的位置，不可以在IMA这个之后设罝任何的表面。这个位置上并非存真实的表面，而是一个哑的表面。默认的LDE视窗中只有3表面（3列），为了符合此例子需要增加一个表面。将游标移到IMA并按下按键盘上的Insert键，即可产生2这个面。以后新建表面可沿用这种方法。透镜组参数：l 表面类型(Surf：Type)如标准球面、非球面、衍射光栅等l 曲率半径(Radius of Curvature)l 表面厚度(Thickness)：与下一个表面之间的距离l 材料类型(Glass)如玻璃、空气、塑胶等：与下一个表面之间的材料l 表面半高(Semi-Diameter)：决定透镜表面的尺寸大小上面几项是较常使用的参数，而在LDE后面的参数将搭配特殊的表面类型有不同的参数涵义。设置透镜组资料和参数如下图所示：图3.5.5 透镜组资料和参数(4)评估系统性能在ZEMAX中有很多分析功能可评估系统的质量好坏，其中一个最常用的分析工具是光线扇形图(Ray fan plot)。可以点击Ray这个按钮或透过菜单Analysis-Fans-Ray Aberration来开启这个功能。在ZEMAX众多的分析工具里，除了常使用光线扇形图来分析设计系统的光学性能之外，另外也有一个分析功能弥散斑(Spot Diagrams)也是一个相当常用的分析图表。弥散斑(Spot Diagrams)可以显示出平行光束通过光学系统后聚焦于成像面上的斑点。可点击Analysis-Spot Diagram-Standard或点击Spt即可显示出光斑(Spot Diagrams)的分析图。另一个常用的分析工具是光程差扇形图(OPD Fans)，这个图是显示光程差(Optical Path Difference)，此图与光线扇形图一样采用主光线(Chief ray)为参考光，显示光离开光瞳(Exit Pupil)后的光程差，而光线扇形图(Ray Fans Plot)一样也是显示光程差但其是显示光在IMA面上的光程差。可点击Analysis-Fans-Optical Path或点Opd即可显示光程差扇形图(OPD Fans Plot)。图3.5.6 光线扇形图、弥散斑图和光程差扇形图(5)设置优化常常理论计算的参数在实际运用中存在误差，所以对所设计的系统进行优化就显得很有必要。我们希望使用优化来修正这个例子的质量。除基本设计的形式之外，优化需要两个附加项：l 设罝允许变动的参数，让ZEMAX可自由地在允许的范围内调整这个参数，以设计出更好系统。l 在数学上的观点上，需要设罝优化函数(Merit function)的描述，意即评估系统优劣的指标。（6）二维设计图点击Analysis-Layout或点Lay这个选项便可以显示2D设计图(Layout)。此2D设计图的视窗上点击Settings-Number of Rays-7-OK即可显示出如下之图。图3.5.7 设置2D图上的光线条数图3.5.8 整体2D效果图3.4.2 光电探测器外壳设计机械图运用AutoCAD设计光电探测器的外壳，AutoCAD（Auto Computer Aided Design）是美国Autodesk公司在1982年开发的用于二维绘图、详细绘制、设计文档和基本三维设计自动计算机辅助设计软件，现已经成为国际上广为流行的绘图工具。dwg文件格式是二维绘图的事实标准格式。广泛应用于土木建筑、装饰