光电测试技术激光干涉测试技术.pptx

2024/4/19 2024/4/19 周五周五1 1光电测试技术光电测试技术 哈尔滨工业大学第四章第四章 激光干涉测试技术激光干涉测试技术2024/4/19 2024/4/19 周五周五3 3概述概述历史进程：历史进程：历史进程：历史进程：特点：特点：特点：特点：具有更高的测试灵敏度和准确度；具有更高的测试灵敏度和准确度；具有更高的测试灵敏度和准确度；具有更高的测试灵敏度和准确度；绝大部分的干涉测试都是非接触式的，不会对被测件带来表面损绝大部分的干涉测试都是非接触式的，不会对被测件带来表面损绝大部分的干涉测试都是非接触式的，不会对被测件带来表面损绝大部分的干涉测试都是非接触式的，不会对被测件带来表面损伤和附加误差；伤和附加误差；伤和附加误差；伤和附加误差；较大的量程范围；较大的量程范围；较大的量程范围；较大的量程范围；在精密测量、精密加工和实时测控的诸多领域获得广泛应用。在精密测量、精密加工和实时测控的诸多领域获得广泛应用。在精密测量、精密加工和实时测控的诸多领域获得广泛应用。在精密测量、精密加工和实时测控的诸多领域获得广泛应用。分类：分类：分类：分类：另外还可以利用有关干涉图的接收和数据处理技术计算另外还可以利用有关干涉图的接收和数据处理技术计算另外还可以利用有关干涉图的接收和数据处理技术计算另外还可以利用有关干涉图的接收和数据处理技术计算出点扩散函数、中心点亮度、光学传递函数等综合光学出点扩散函数、中心点亮度、光学传递函数等综合光学出点扩散函数、中心点亮度、光学传递函数等综合光学出点扩散函数、中心点亮度、光学传递函数等综合光学象质评价指标。象质评价指标。象质评价指标。象质评价指标。1717世纪后半叶世纪后半叶世纪后半叶世纪后半叶，玻意耳，玻意耳，玻意耳，玻意耳(Boyle)(Boyle)和胡克和胡克和胡克和胡克(Hooke)(Hooke)独立地观察了两独立地观察了两独立地观察了两独立地观察了两块玻璃板接触时出现的彩色条纹，人类从此开始注意到了干涉块玻璃板接触时出现的彩色条纹，人类从此开始注意到了干涉块玻璃板接触时出现的彩色条纹，人类从此开始注意到了干涉块玻璃板接触时出现的彩色条纹，人类从此开始注意到了干涉现象。现象。现象。现象。18011801年年年年托马斯托马斯托马斯托马斯 杨杨杨杨(Thomas Young)(Thomas Young)完成了著名的杨氏双缝实验，完成了著名的杨氏双缝实验，完成了著名的杨氏双缝实验，完成了著名的杨氏双缝实验，人们可以有计划、有目的地控制干涉现象。人们可以有计划、有目的地控制干涉现象。人们可以有计划、有目的地控制干涉现象。人们可以有计划、有目的地控制干涉现象。18601860年年年年麦克斯韦麦克斯韦麦克斯韦麦克斯韦(C.Maxwell)(C.Maxwell)的电磁场理论为干涉技术奠定了的电磁场理论为干涉技术奠定了的电磁场理论为干涉技术奠定了的电磁场理论为干涉技术奠定了坚实的理论基础。坚实的理论基础。坚实的理论基础。坚实的理论基础。18811881年年年年迈克尔逊迈克尔逊迈克尔逊迈克尔逊(A.Michelson)(A.Michelson)设计了著名的干涉实验来测量设计了著名的干涉实验来测量设计了著名的干涉实验来测量设计了著名的干涉实验来测量“以太以太以太以太”漂移。漂移。漂移。漂移。19601960年年年年梅曼梅曼梅曼梅曼(Maiman)(Maiman)研制成功第一台红宝石激光器，以及微研制成功第一台红宝石激光器，以及微研制成功第一台红宝石激光器，以及微研制成功第一台红宝石激光器，以及微电子技术和计算机技术的飞速发展，使光学干涉技术的发展进电子技术和计算机技术的飞速发展，使光学干涉技术的发展进电子技术和计算机技术的飞速发展，使光学干涉技术的发展进电子技术和计算机技术的飞速发展，使光学干涉技术的发展进入了快速增长时期。入了快速增长时期。入了快速增长时期。入了快速增长时期。19821982年年年年G.BinningG.Binning和和和和H.RohrerH.Rohrer研制成功扫描隧道显微镜，研制成功扫描隧道显微镜，研制成功扫描隧道显微镜，研制成功扫描隧道显微镜，19861986年年年年发明原子力显微镜，从此开始了干涉技术向纳米、亚纳发明原子力显微镜，从此开始了干涉技术向纳米、亚纳发明原子力显微镜，从此开始了干涉技术向纳米、亚纳发明原子力显微镜，从此开始了干涉技术向纳米、亚纳米分辨率和准确度前进的新时代。米分辨率和准确度前进的新时代。米分辨率和准确度前进的新时代。米分辨率和准确度前进的新时代。干涉测试技术干涉测试技术按光波分光方式按光波分光方式按光波分光方式按光波分光方式按相干光束按相干光束按相干光束按相干光束传播路径传播路径传播路径传播路径按用途按用途按用途按用途分振幅式分振幅式分振幅式分振幅式分波阵面式分波阵面式分波阵面式分波阵面式共程干涉共程干涉共程干涉共程干涉非共程干涉非共程干涉非共程干涉非共程干涉静态干涉静态干涉静态干涉静态干涉动态干涉动态干涉动态干涉动态干涉2024/4/19 2024/4/19 周五周五4 44-1 激光干涉测试技术基础激光干涉测试技术基础1.1 1.1 干涉原理与干涉条件干涉原理与干涉条件干涉原理与干涉条件干涉原理与干涉条件1 1干涉原理干涉原理干涉原理干涉原理光干涉的基础是光波的叠加原理。由波动光学知道，两光干涉的基础是光波的叠加原理。由波动光学知道，两光干涉的基础是光波的叠加原理。由波动光学知道，两光干涉的基础是光波的叠加原理。由波动光学知道，两束相干光波在空间某点相遇而产生的干涉条纹光强分布束相干光波在空间某点相遇而产生的干涉条纹光强分布束相干光波在空间某点相遇而产生的干涉条纹光强分布束相干光波在空间某点相遇而产生的干涉条纹光强分布为：为：为：为：位相差位相差位相差位相差两光束到达两光束到达两光束到达两光束到达某点的光程某点的光程某点的光程某点的光程差差差差 满足满足满足满足的光程差相同的点形成的亮线叫亮纹。的光程差相同的点形成的亮线叫亮纹。的光程差相同的点形成的亮线叫亮纹。的光程差相同的点形成的亮线叫亮纹。满足满足满足满足 的光程差相同的点形成的暗线叫的光程差相同的点形成的暗线叫的光程差相同的点形成的暗线叫的光程差相同的点形成的暗线叫暗纹，亮纹和暗纹组成暗纹，亮纹和暗纹组成暗纹，亮纹和暗纹组成暗纹，亮纹和暗纹组成干涉条纹干涉条纹干涉条纹干涉条纹。其中其中其中其中mm是干涉条纹的干涉级次。是干涉条纹的干涉级次。是干涉条纹的干涉级次。是干涉条纹的干涉级次。2024/4/19 2024/4/19 周五周五5 54-1 激光干涉测试技术基础激光干涉测试技术基础1.1 1.1 干涉原理与干涉条件干涉原理与干涉条件干涉原理与干涉条件干涉原理与干涉条件2 2干涉条件干涉条件干涉条件干涉条件通常能够产生干涉的两列光波必须满足三个基本相干条件：通常能够产生干涉的两列光波必须满足三个基本相干条件：通常能够产生干涉的两列光波必须满足三个基本相干条件：通常能够产生干涉的两列光波必须满足三个基本相干条件：频率相同频率相同频率相同频率相同振动方向相同振动方向相同振动方向相同振动方向相同恒定的位相差恒定的位相差恒定的位相差恒定的位相差 在在在在实实实实际际际际应应应应用用用用中中中中，有有有有时时时时需需需需要要要要有有有有意意意意识识识识地地地地破破破破坏坏坏坏上上上上述述述述条条条条件件件件。比比比比如如如如在在在在外外外外差差差差干干干干涉涉涉涉测测测测量量量量技技技技术术术术中中中中，在在在在两两两两束束束束相相相相干干干干光光光光波波波波中中中中引引引引入入入入一一一一个个个个小小小小的的的的频频频频率率率率差差差差，引引引引起起起起干干干干涉涉涉涉场场场场中中中中的的的的干干干干涉涉涉涉条条条条纹纹纹纹不不不不断断断断扫扫扫扫描描描描，经经经经光光光光电电电电探探探探测测测测器器器器将将将将干干干干涉涉涉涉场场场场中中中中的的的的光光光光信信信信号号号号转转转转换换换换为为为为电电电电信信信信号号号号，由由由由电电电电路路路路和和和和计计计计算机检出干涉场的位相差。算机检出干涉场的位相差。算机检出干涉场的位相差。算机检出干涉场的位相差。静态稳定干涉场的条件静态稳定干涉场的条件静态稳定干涉场的条件静态稳定干涉场的条件2024/4/19 2024/4/19 周五周五6 64-1 激光干涉测试技术基础激光干涉测试技术基础1.2 1.2 影响干涉条纹对比度的因素影响干涉条纹对比度的因素影响干涉条纹对比度的因素影响干涉条纹对比度的因素干涉条纹对比度可定义为干涉条纹对比度可定义为干涉条纹对比度可定义为干涉条纹对比度可定义为 式式式式中中中中，I Imaxmax、I Iminmin 分分分分别别别别为为为为静静静静态态态态干干干干涉涉涉涉场场场场中中中中光光光光强强强强的的的的最最最最大大大大值值值值和和和和最最最最小小小小值值值值，也也也也可可可可以以以以理理理理解解解解为为为为动动动动态态态态干干干干涉涉涉涉场场场场中中中中某某某某点点点点的的的的光光光光强强强强最最最最大大大大值值值值和和和和最小值。最小值。最小值。最小值。当当当当 I Iminmin =0 0时时时时K K1 1，对对对对比比比比度度度度有有有有最最最最大大大大值值值值；而而而而当当当当 I Imaxmax=I Iminmin时时时时K K0 0，条纹消失。在实际应用中，对比度一般都小于，条纹消失。在实际应用中，对比度一般都小于，条纹消失。在实际应用中，对比度一般都小于，条纹消失。在实际应用中，对比度一般都小于1 1。对对对对目目目目视视视视干干干干涉涉涉涉仪仪仪仪可可可可以以以以认认认认为为为为：当当当当K K0.750.75时时时时，对对对对比比比比度度度度就就就就算算算算是是是是好好好好的的的的；而而而而当当当当K K0.50.5时时时时，可可可可以以以以算算算算是是是是满满满满意意意意的的的的；当当当当K K0.10.1时时时时，条条条条纹尚可辨认，但是已经纹尚可辨认，但是已经纹尚可辨认，但是已经纹尚可辨认，但是已经相当困难相当困难相当困难相当困难的了。的了。的了。的了。对动态干涉测试系统，对条纹对比度的要求就比较低。对动态干涉测试系统，对条纹对比度的要求就比较低。对动态干涉测试系统，对条纹对比度的要求就比较低。对动态干涉测试系统，对条纹对比度的要求就比较低。2024/4/19 2024/4/19 周五周五7 7由由由由此此此此得得得得最最最最大大大大干干干干涉涉涉涉级级级级mm/，与与与与此此此此相相相相应应应应的的的的尚尚尚尚能能能能产产产产生生生生干干干干涉涉涉涉条条条条纹的两支相干光的最大光程差纹的两支相干光的最大光程差纹的两支相干光的最大光程差纹的两支相干光的最大光程差(或称光源的或称光源的或称光源的或称光源的相干长度相干长度相干长度相干长度)为为为为4-1 激光干涉测试技术基础激光干涉测试技术基础1.2 1.2 影响干涉条纹对比度的因素影响干涉条纹对比度的因素影响干涉条纹对比度的因素影响干涉条纹对比度的因素光源的单色性与时间相干性光源的单色性与时间相干性光源的单色性与时间相干性光源的单色性与时间相干性如图，干涉场中实际见到的条纹是如图，干涉场中实际见到的条纹是如图，干涉场中实际见到的条纹是如图，干涉场中实际见到的条纹是 到到到到 中间所有波中间所有波中间所有波中间所有波长的光长的光长的光长的光干涉条纹叠加的结果干涉条纹叠加的结果干涉条纹叠加的结果干涉条纹叠加的结果。当当当当 的第的第的第的第mm级亮级亮级亮级亮 纹与纹与纹与纹与 的第的第的第的第mm+1+1级亮纹级亮纹级亮纹级亮纹 重合后，所有亮纹开重合后，所有亮纹开重合后，所有亮纹开重合后，所有亮纹开 始重合，而在此之前则是彼此分开的。则尚能分辨干涉条始重合，而在此之前则是彼此分开的。则尚能分辨干涉条始重合，而在此之前则是彼此分开的。则尚能分辨干涉条始重合，而在此之前则是彼此分开的。则尚能分辨干涉条纹的限度为纹的限度为纹的限度为纹的限度为 图4-1 各种波长干涉条纹的叠加+在波动光学中，把光通过相干在波动光学中，把光通过相干在波动光学中，把光通过相干在波动光学中，把光通过相干长度所需要的时间称为长度所需要的时间称为长度所需要的时间称为长度所需要的时间称为相干时相干时相干时相干时间间间间，其实质就是可以产生干涉，其实质就是可以产生干涉，其实质就是可以产生干涉，其实质就是可以产生干涉的波列持续时间，（其的波列持续时间，（其的波列持续时间，（其的波列持续时间，（其对应产对应产对应产对应产生生生生干涉的两列波的光程差）。干涉的两列波的光程差）。干涉的两列波的光程差）。干涉的两列波的光程差）。因此，因此，因此，因此，激光光源的时间相干性激光光源的时间相干性激光光源的时间相干性激光光源的时间相干性比普通光源好得多比普通光源好得多比普通光源好得多比普通光源好得多，一般在激，一般在激，一般在激，一般在激光干涉仪的设计和使用时不用光干涉仪的设计和使用时不用光干涉仪的设计和使用时不用光干涉仪的设计和使用时不用考虑其时间相干性。考虑其时间相干性。考虑其时间相干性。考虑其时间相干性。2024/4/19 2024/4/19 周五周五8 84-1 激光干涉测试技术基础激光干涉测试技术基础1.2 1.2 影响干涉条纹对比度的因素影响干涉条纹对比度的因素影响干涉条纹对比度的因素影响干涉条纹对比度的因素光源大小与空间相干性光源大小与空间相干性光源大小与空间相干性光源大小与空间相干性干涉图样的干涉图样的干涉图样的干涉图样的照度照度照度照度，在很大程度上取决于光源的尺寸，而光，在很大程度上取决于光源的尺寸，而光，在很大程度上取决于光源的尺寸，而光，在很大程度上取决于光源的尺寸，而光源的尺寸大小又会对各类干涉图样对比度有不同的影响源的尺寸大小又会对各类干涉图样对比度有不同的影响源的尺寸大小又会对各类干涉图样对比度有不同的影响源的尺寸大小又会对各类干涉图样对比度有不同的影响:由平行平板产生的等倾干涉，无论多么宽的光源尺寸，其干涉图由平行平板产生的等倾干涉，无论多么宽的光源尺寸，其干涉图由平行平板产生的等倾干涉，无论多么宽的光源尺寸，其干涉图由平行平板产生的等倾干涉，无论多么宽的光源尺寸，其干涉图样都有很好的对比度。样都有很好的对比度。样都有很好的对比度。样都有很好的对比度。杨氏干涉实验只在限制狭缝宽度的情况下，才能看清干涉图样。杨氏干涉实验只在限制狭缝宽度的情况下，才能看清干涉图样。杨氏干涉实验只在限制狭缝宽度的情况下，才能看清干涉图样。杨氏干涉实验只在限制狭缝宽度的情况下，才能看清干涉图样。由楔形板产生的等厚干涉图样，则是介于以上两种情况之间由楔形板产生的等厚干涉图样，则是介于以上两种情况之间由楔形板产生的等厚干涉图样，则是介于以上两种情况之间由楔形板产生的等厚干涉图样，则是介于以上两种情况之间。图4-3 光阑孔大小对干涉条纹对比度的影响 a)b)c)如取对比度为如取对比度为0.9，可得光源的许可半径，可得光源的许可半径 在干涉测量中，采取尽量减小光源尺在干涉测量中，采取尽量减小光源尺在干涉测量中，采取尽量减小光源尺在干涉测量中，采取尽量减小光源尺寸的措施，固然可以提高条纹的对比寸的措施，固然可以提高条纹的对比寸的措施，固然可以提高条纹的对比寸的措施，固然可以提高条纹的对比度，但干涉场的亮度也随之减弱。度，但干涉场的亮度也随之减弱。度，但干涉场的亮度也随之减弱。度，但干涉场的亮度也随之减弱。当采用激光作为光源时，因为光源上当采用激光作为光源时，因为光源上当采用激光作为光源时，因为光源上当采用激光作为光源时，因为光源上各点所发出的光束之间有固定的相位各点所发出的光束之间有固定的相位各点所发出的光束之间有固定的相位各点所发出的光束之间有固定的相位关系，形成的干涉条纹也有固定的分关系，形成的干涉条纹也有固定的分关系，形成的干涉条纹也有固定的分关系，形成的干涉条纹也有固定的分布，而与光源的尺寸无关。布，而与光源的尺寸无关。布，而与光源的尺寸无关。布，而与光源的尺寸无关。激光光源激光光源激光光源激光光源的大小不受限制的大小不受限制的大小不受限制的大小不受限制，激光的空间相干性，激光的空间相干性，激光的空间相干性，激光的空间相干性比普通光源好得多。比普通光源好得多。比普通光源好得多。比普通光源好得多。2024/4/19 2024/4/19 周五周五9 94-1 激光干涉测试技术基础激光干涉测试技术基础1.2 1.2 影响干涉条纹对比度的因素影响干涉条纹对比度的因素影响干涉条纹对比度的因素影响干涉条纹对比度的因素相干光束光强不等和杂散光的影响相干光束光强不等和杂散光的影响相干光束光强不等和杂散光的影响相干光束光强不等和杂散光的影响设两支相干光的光强为设两支相干光的光强为设两支相干光的光强为设两支相干光的光强为I I2 2=nInI1 1，则有，则有，则有，则有图4-4 对比度K与两支干涉光强比n的关系可见，可见，可见，可见，没有必要追求两支没有必要追求两支没有必要追求两支没有必要追求两支相干光束的光强严格相等相干光束的光强严格相等相干光束的光强严格相等相干光束的光强严格相等。尤其在其中一支光束光强尤其在其中一支光束光强尤其在其中一支光束光强尤其在其中一支光束光强很小的情况下，人为降低很小的情况下，人为降低很小的情况下，人为降低很小的情况下，人为降低另一支光束的光强，甚至另一支光束的光强，甚至另一支光束的光强，甚至另一支光束的光强，甚至是有害的。因为这会导致是有害的。因为这会导致是有害的。因为这会导致是有害的。因为这会导致不适当地降低干涉图样的不适当地降低干涉图样的不适当地降低干涉图样的不适当地降低干涉图样的照度，从而提升了人眼的照度，从而提升了人眼的照度，从而提升了人眼的照度，从而提升了人眼的对比度灵敏阈值，不利于对比度灵敏阈值，不利于对比度灵敏阈值，不利于对比度灵敏阈值，不利于目视观测。目视观测。目视观测。目视观测。非期望的杂散光进入干涉场，会严重影响条纹对比度。非期望的杂散光进入干涉场，会严重影响条纹对比度。设混入两支干涉光路中杂散光的强度均为设混入两支干涉光路中杂散光的强度均为 ，则，则于是于是于是于是2024/4/19 2024/4/19 周五周五10104-1 激光干涉测试技术基础激光干涉测试技术基础1.2 1.2 影响干涉条纹对比度的因素影响干涉条纹对比度的因素影响干涉条纹对比度的因素影响干涉条纹对比度的因素相干光束光强不等和杂散光的影响相干光束光强不等和杂散光的影响相干光束光强不等和杂散光的影响相干光束光强不等和杂散光的影响当当当当n n=1=1时，有时，有时，有时，有在干涉仪中各光学零件的每个界面上都产生光的反射和在干涉仪中各光学零件的每个界面上都产生光的反射和在干涉仪中各光学零件的每个界面上都产生光的反射和在干涉仪中各光学零件的每个界面上都产生光的反射和折射，其中非期望的杂散光线，能以多种可能的路径进折射，其中非期望的杂散光线，能以多种可能的路径进折射，其中非期望的杂散光线，能以多种可能的路径进折射，其中非期望的杂散光线，能以多种可能的路径进入干涉场。尤其是在用激光作光源的干涉测量中，由于入干涉场。尤其是在用激光作光源的干涉测量中，由于入干涉场。尤其是在用激光作光源的干涉测量中，由于入干涉场。尤其是在用激光作光源的干涉测量中，由于激光具有极好的空间相干性，使系统中存在的杂散光很激光具有极好的空间相干性，使系统中存在的杂散光很激光具有极好的空间相干性，使系统中存在的杂散光很激光具有极好的空间相干性，使系统中存在的杂散光很容易形成容易形成容易形成容易形成寄生条纹寄生条纹寄生条纹寄生条纹。解决杂散光的解决杂散光的解决杂散光的解决杂散光的主要技术措施主要技术措施主要技术措施主要技术措施有：有：有：有：光学零件表面正确镀光学零件表面正确镀光学零件表面正确镀光学零件表面正确镀增透膜，增透膜，增透膜，增透膜，适当设置针孔光阑，适当设置针孔光阑，适当设置针孔光阑，适当设置针孔光阑，正确选择分束器。其正确选择分束器。其正确选择分束器。其正确选择分束器。其中尤以第三点为问题的关键。中尤以第三点为问题的关键。中尤以第三点为问题的关键。中尤以第三点为问题的关键。比较式比较式比较式比较式可见，在两支光强比可见，在两支光强比可见，在两支光强比可见，在两支光强比n n较较较较小时，杂散光对条纹对比小时，杂散光对条纹对比小时，杂散光对条纹对比小时，杂散光对条纹对比度的影响远比两支干涉光度的影响远比两支干涉光度的影响远比两支干涉光度的影响远比两支干涉光的光强不相等的影响要的光强不相等的影响要的光强不相等的影响要的光强不相等的影响要严严严严重得多重得多重得多重得多。2024/4/19 2024/4/19 周五周五11114-1 激光干涉测试技术基础激光干涉测试技术基础1.2 1.2 影响干涉条纹对比度的因素影响干涉条纹对比度的因素影响干涉条纹对比度的因素影响干涉条纹对比度的因素小结：小结：小结：小结：对于所有类型的干涉仪，干涉条纹图样对比度降低的普遍对于所有类型的干涉仪，干涉条纹图样对比度降低的普遍对于所有类型的干涉仪，干涉条纹图样对比度降低的普遍对于所有类型的干涉仪，干涉条纹图样对比度降低的普遍原因是：原因是：原因是：原因是：光源的时间相干性；光源的时间相干性；光源的时间相干性；光源的时间相干性；光源的空间相干性；光源的空间相干性；光源的空间相干性；光源的空间相干性；相干光束的光强不等；相干光束的光强不等；相干光束的光强不等；相干光束的光强不等；杂散光的存在；杂散光的存在；杂散光的存在；杂散光的存在；各光束的偏振状态差异；各光束的偏振状态差异；各光束的偏振状态差异；各光束的偏振状态差异；振动、空气扰动、干涉仪结构的刚性不足等。振动、空气扰动、干涉仪结构的刚性不足等。振动、空气扰动、干涉仪结构的刚性不足等。振动、空气扰动、干涉仪结构的刚性不足等。2024/4/19 2024/4/19 周五周五12124-1 激光干涉测试技术基础激光干涉测试技术基础1.3 1.3 共程干涉和非共程干涉共程干涉和非共程干涉共程干涉和非共程干涉共程干涉和非共程干涉在普通干涉仪中，由于参考光束和测试光束沿着分开的光在普通干涉仪中，由于参考光束和测试光束沿着分开的光在普通干涉仪中，由于参考光束和测试光束沿着分开的光在普通干涉仪中，由于参考光束和测试光束沿着分开的光路行进，故这两束光受机械振动和温度起伏等外界条件的路行进，故这两束光受机械振动和温度起伏等外界条件的路行进，故这两束光受机械振动和温度起伏等外界条件的路行进，故这两束光受机械振动和温度起伏等外界条件的影响是不同的。因此，在干涉测量过程中，必须严格限定影响是不同的。因此，在干涉测量过程中，必须严格限定影响是不同的。因此，在干涉测量过程中，必须严格限定影响是不同的。因此，在干涉测量过程中，必须严格限定测量条件，采取适当的保护措施，否则干涉场上的干涉条测量条件，采取适当的保护措施，否则干涉场上的干涉条测量条件，采取适当的保护措施，否则干涉场上的干涉条测量条件，采取适当的保护措施，否则干涉场上的干涉条纹是不稳定的，因而不能进行精确的测量。这类干涉仪，纹是不稳定的，因而不能进行精确的测量。这类干涉仪，纹是不稳定的，因而不能进行精确的测量。这类干涉仪，纹是不稳定的，因而不能进行精确的测量。这类干涉仪，称为称为称为称为非共程干涉仪非共程干涉仪非共程干涉仪非共程干涉仪。若参考光路和测试光路经过同一光路，这类干涉仪称为若参考光路和测试光路经过同一光路，这类干涉仪称为若参考光路和测试光路经过同一光路，这类干涉仪称为若参考光路和测试光路经过同一光路，这类干涉仪称为共共共共程干涉仪程干涉仪程干涉仪程干涉仪。其。其。其。其共程干涉仪大致可分为共程干涉仪大致可分为共程干涉仪大致可分为共程干涉仪大致可分为共程干涉仪常常借助于部分散射面、双折射晶体、半反射共程干涉仪常常借助于部分散射面、双折射晶体、半反射共程干涉仪常常借助于部分散射面、双折射晶体、半反射共程干涉仪常常借助于部分散射面、双折射晶体、半反射面或衍射实现分束。面或衍射实现分束。面或衍射实现分束。面或衍射实现分束。特点：特点：特点：特点：抗环境干扰；抗环境干扰；抗环境干扰；抗环境干扰；在产生参考光束时，通常不需要尺在产生参考光束时，通常不需要尺在产生参考光束时，通常不需要尺在产生参考光束时，通常不需要尺寸等于或大于被测光学系统通光口径寸等于或大于被测光学系统通光口径寸等于或大于被测光学系统通光口径寸等于或大于被测光学系统通光口径的光学标准件；的光学标准件；的光学标准件；的光学标准件；在视场中心两支光束的光程差一般在视场中心两支光束的光程差一般在视场中心两支光束的光程差一般在视场中心两支光束的光程差一般为零，因此可以使用白光光源。为零，因此可以使用白光光源。为零，因此可以使用白光光源。为零，因此可以使用白光光源。特点有：特点有：特点有：特点有：使参考光束只通过被检光学系统使参考光束只通过被检光学系统使参考光束只通过被检光学系统使参考光束只通过被检光学系统的小部分区域，因而不受系统像差的小部分区域，因而不受系统像差的小部分区域，因而不受系统像差的小部分区域，因而不受系统像差的影响，当此参考光束和经过该光的影响，当此参考光束和经过该光的影响，当此参考光束和经过该光的影响，当此参考光束和经过该光学系统全孔径的检验光束相干时，学系统全孔径的检验光束相干时，学系统全孔径的检验光束相干时，学系统全孔径的检验光束相干时，就可直观地获得系统的缺陷信息。就可直观地获得系统的缺陷信息。就可直观地获得系统的缺陷信息。就可直观地获得系统的缺陷信息。如如如如散射板干涉仪散射板干涉仪散射板干涉仪散射板干涉仪、点衍射干涉仪点衍射干涉仪点衍射干涉仪点衍射干涉仪等。等。等。等。大多数的共程干涉仪中，参考光大多数的共程干涉仪中，参考光大多数的共程干涉仪中，参考光大多数的共程干涉仪中，参考光束和测试光束都受像差的影响，干束和测试光束都受像差的影响，干束和测试光束都受像差的影响，干束和测试光束都受像差的影响，干涉是由一支光束相对于另一支光束涉是由一支光束相对于另一支光束涉是由一支光束相对于另一支光束涉是由一支光束相对于另一支光束错位产生的。这时，得到的信息不错位产生的。这时，得到的信息不错位产生的。这时，得到的信息不错位产生的。这时，得到的信息不是直观的，需要作某些计算才能确是直观的，需要作某些计算才能确是直观的，需要作某些计算才能确是直观的，需要作某些计算才能确定被测波面形状，如定被测波面形状，如定被测波面形状，如定被测波面形状，如各种类型的剪各种类型的剪各种类型的剪各种类型的剪切干涉仪切干涉仪切干涉仪切干涉仪。两类：两类：两类：两类：2024/4/19 2024/4/19 周五周五16164-1 激光干涉测试技术基础激光干涉测试技术基础1.5 1.5 提高分辨力的方法和干涉条纹的信号处理提高分辨力的方法和干涉条纹的信号处理提高分辨力的方法和干涉条纹的信号处理提高分辨力的方法和干涉条纹的信号处理光学倍频技术光学倍频技术光学倍频技术光学倍频技术 分辨力分辨力分辨力分辨力图图图图4-10 4-10 光学倍频原理图示光学倍频原理图示光学倍频原理图示光学倍频原理图示B BMM1 1MM2 2MM3 3a)a)B BMM1 1MM3 3MM2 2MM4 4a/Ka/Kb)b)2024/4/19 2024/4/19 周五周五17174-1 激光干涉测试技术基础激光干涉测试技术基础1.5 1.5 提高分辨力的方法和干涉条纹的信号处理提高分辨力的方法和干涉条纹的信号处理提高分辨力的方法和干涉条纹的信号处理提高分辨力的方法和干涉条纹的信号处理光学相位细分技术光学相位细分技术光学相位细分技术光学相位细分技术提高干涉仪分辨力，还可利用干涉条纹的相位细分技术。提高干涉仪分辨力，还可利用干涉条纹的相位细分技术。提高干涉仪分辨力，还可利用干涉条纹的相位细分技术。提高干涉仪分辨力，还可利用干涉条纹的相位细分技术。可以把干涉条纹每变化一个级次，看作相位变化了可以把干涉条纹每变化一个级次，看作相位变化了可以把干涉条纹每变化一个级次，看作相位变化了可以把干涉条纹每变化一个级次，看作相位变化了360360。从一个干涉条纹变化中得到多个计数脉冲的技术称为从一个干涉条纹变化中得到多个计数脉冲的技术称为从一个干涉条纹变化中得到多个计数脉冲的技术称为从一个干涉条纹变化中得到多个计数脉冲的技术称为相位相位相位相位细分技术。细分技术。细分技术。细分技术。相位细分的方法有机械相位细分、阶梯板相位细分、翼形相位细分的方法有机械相位细分、阶梯板相位细分、翼形相位细分的方法有机械相位细分、阶梯板相位细分、翼形相位细分的方法有机械相位细分、阶梯板相位细分、翼形板相位细分、金属膜相位细分和分偏振法相位细分等。板相位细分、金属膜相位细分和分偏振法相位细分等。板相位细分、金属膜相位细分和分偏振法相位细分等。板相位细分、金属膜相位细分和分偏振法相位细分等。例：例：例：例：机械法相位细分。产生机械法相位细分。产生机械法相位细分。产生机械法相位细分。产生9090相移信号的最简单方法是倾斜相移信号的最简单方法是倾斜相移信号的最简单方法是倾斜相移信号的最简单方法是倾斜参考镜参考镜参考镜参考镜MM1 1。当参考镜倾斜一定角度时，调节两光电接收器。当参考镜倾斜一定角度时，调节两光电接收器。当参考镜倾斜一定角度时，调节两光电接收器。当参考镜倾斜一定角度时，调节两光电接收器D D1 1和和和和D D2 2间隔为条纹中心距离的间隔为条纹中心距离的间隔为条纹中心距离的间隔为条纹中心距离的1/41/4便可获得相移便可获得相移便可获得相移便可获得相移9090的两个输出的两个输出的两个输出的两个输出信号。信号。信号。信号。但这种方法容易因反射镜的稍微失调而改变条纹间隔，但这种方法容易因反射镜的稍微失调而改变条纹间隔，但这种方法容易因反射镜的稍微失调而改变条纹间隔，但这种方法容易因反射镜的稍微失调而改变条纹间隔，使输出信号的位相关系发生变化，引起计数误差。使输出信号的位相关系发生变化，引起计数误差。使输出信号的位相关系发生变化，引起计数误差。使输出信号的位相关系发生变化，引起计数误差。BM2M1M2D1D2图图图图4-11 4-11 4-11 4-11 机械法相位细分示意图机械法相位细分示意图机械法相位细分示意图机械法相位细分示意图2024/4/19 2024/4/19 周五周五18184-1 激光干涉测试技术基础激光干涉测试技术基础1.5 1.5 提高分辨力的方法和干涉条纹的信号处理提高分辨力的方法和干涉条纹的信号处理提高分辨力的方法和干涉条纹的信号处理提高分辨力的方法和干涉条纹的信号处理 处理电路细分方法处理电路细分方法处理电路细分方法处理电路细分方法电路细分方法有多种，如四细分辨向、计算机软件细分、电路细分方法有多种，如四细分辨向、计算机软件细分、电路细分方法有多种，如四细分辨向、计算机软件细分、电路细分方法有多种，如四细分辨向、计算机软件细分、鉴相法细分等。鉴相法细分等。鉴相法细分等。鉴相法细分等。综合来看，综合来看，综合来看，综合来看，鉴相法细分鉴相法细分鉴相法细分鉴相法细分的不确定度最小，使用灵活、方便、的不确定度最小，使用灵活、方便、的不确定度最小，使用灵活、方便、的不确定度最小，使用灵活、方便、集成度高，适合于激光干涉信号的细分。其输出的是模拟集成度高，适合于激光干涉信号的细分。其输出的是模拟集成度高，适合于激光干涉信号的细分。其输出的是模拟集成度高，适合于激光干涉信号的细分。其输出的是模拟信号，分辨率高达信号，分辨率高达信号，分辨率高达信号，分辨率高达2/10002/1000，但是鉴相范围较小，但是鉴相范围较小，但是鉴相范围较小，但是鉴相范围较小(2)(2)。2024/4/19 2024/4/19 周五周五19194-1 激光干涉测试技术基础激光干涉测试技术基础1.5 1.5 提高分辨力的方法和干涉条纹的信号处理提高分辨力的方法和干涉条纹的信号处理提高分辨力的方法和干涉条纹的信号处理提高分辨力的方法和干涉条纹的信号处理 干涉条纹计数与判向干涉条纹计数与判向干涉条纹计数与判向干涉条纹计数与判向干干干干涉涉涉涉条条条条纹纹纹纹移移移移相相相相系系系系统统统统光电接收器光电接收器光电接收器光电接收器放大器放大器放大器放大器倒相器倒相器倒相器倒相器(sin)(sin)微分电路微分电路微分电路微分电路微分电路微分电路微分电路微分电路(sin)(sin)(-sin)(-sin)光电接收器光电接收器光电接收器光电接收器放大器放大器放大器放大器倒相器倒相器倒相器倒相器(cos)(cos)微分电路微分电路微分电路微分电路微分电路微分电路微分电路微分电路(-cos)(-cos)(cos)(cos)可可可可 逆逆逆逆 计计计计 数数数数 器器器器计计计计 算算算算 机机机机图图图图4-134-134-134-13条纹移动判向计数原理框图条纹移动判向计数原理框图条纹移动判向计数原理框图条纹移动判向计数原理框图sinsin coscos0 00 0(sin)(sin)(-sin)(-sin)(cos)(cos)(-(-cos)cos)(sin)(sin)(-sin)(-sin)(cos)(cos)(-(-cos)cos)(-(-cos)cos)(cos)(cos)(-(-cos)cos)(cos)(cos)(cos)(cos)超前超前超前超前(cos)(cos)滞后滞后滞后滞后1 12 23 34 43 34 4干涉条纹计数判向电路波形干涉条纹计数判向电路波形干涉条纹计数判向电路波形干涉条纹计数判向电路波形当当当当coscos信号信号信号信号超前时超前时超前时超前时（设为正向）：（设为正向）：（设为正向）：（设为正向）：脉冲信号的顺序为脉冲信号的顺序为脉冲信号的顺序为脉冲信号的顺序为1 1、3 3、2 2、4 4，当当当当coscos信号信号信号信号滞后时滞后时滞后时滞后时（应为反向）：（应为反向）：（应为反向）：（应为反向）：脉冲信号的顺序为脉冲信号的顺序为脉冲信号的顺序为脉冲信号的顺序为1 1、4 4、2 2、3 3光电测试技术光电测试技术 4-2 4-2 激光斐索激光斐索激光斐索激光斐索(Fizeau)(Fizeau)型干涉测试技术型干涉测试技术型干涉测试技术型干涉测试技术2024/4/19 2024/4/19 周五周五21214-2 激光斐索激光斐索(Fizeau)型干涉测试技术型干涉测试技术概述：概述：概述：概述：光光光光学学学学干干干干涉涉涉涉测测测测试试试试技技技技术术术术最最最最初初初初在在在在光光光光学学学学零零零零件件件件和和和和光光光光学学学学系系系系统统统统的的的的检检检检验验验验中中中中获得广泛应用。获得广泛应用。获得广泛应用。获得广泛应用。在在在在光光光光学学学学零零零零件件件件面面面面型型型型、平平平平行行行行度度度度、曲曲曲曲率率率率半半半半径径径径等等等等的的的的测测测测量量量量中中中中，斐斐斐斐索索索索型型型型干干干干涉涉涉涉测测测测量量量量法法法法与与与与在在在在光光光光学学学学车车车车间间间间广广广广泛泛泛泛应应应应用用用用的的的的牛牛牛牛顿顿顿顿型型型型干干干干涉涉涉涉测测测测量量量量法（样板法或牛顿型干涉法）相比，属于法（样板法或牛顿型干涉法）相比，属于法（样板法或牛顿型干涉法）相比，属于法（样板法或牛顿型干涉法）相比，属于非接触测量非接触测量非接触测量非接触测量。接接接接触触触触测测测测量量量量存存存存在在在在以以以以下下下下问问问问题题题题：标标标标准准准准样样样样板板板板与与与与被被被被测测测测表表表表面面面面必必必必须须须须十十十十分分分分清清清清洁洁洁洁；清清清清洁洁洁洁工工工工作作作作多多多多拿拿拿拿在在在在手手手手中中中中擦擦擦擦试试试试，由由由由于于于于体体体体温温温温的的的的影影影影响响响响，影影影影响响响响测测测测试试试试准准准准确确确确度度度度；样样样样板板板板有有有有一一一一定定定定重重重重量量量量压压压压在在在