《光电测量技术》(第八章).

光电信息测控技术与装备研究所1第八章相干光信号变换与检测光电信息测控技术与装备研究所2利用光电方法对各种干涉现象进行检测和处理，最终检测出几何参量和物理参量的技术称为光电干涉测量技术光电信息测控技术与装备研究所3与一般的光学测试技术相比，光干涉测试技术具有更高的测试灵敏度和准确度光电信息测控技术与装备研究所4第一节相干变换与检测原理一、相干光信息及光干涉原理光干涉是指可能相干的两束或多束光波相重叠，它们的合成光波随其空间相位关系表现出不同的光强空间分布或时序变化的现象光电信息测控技术与装备研究所5第一节相干变换与检测原理以两束光干涉为例12,01）当两束光频率相同时IxyAx,y1+rx,ycosx,y,上式表明，单频相干时随相位变化的干涉条纹强度分布表现为余弦分布—单频干涉测量的基础光电信息测控技术与装备研究所6第一节相干变换与检测原理L002ndl2）当两束光频率不同时，则形成频差Δω若频差较小时，则光电检测器件可检测到的干涉条纹以Δω角频率在波动，而形成光拍频，即外差干涉干涉条纹的强度取决于相干光的相位差，而相位差取决于传输介质的折射率n和光传播距离dl的线积分0022Ln+nL光电信息测控技术与装备研究所7第一节相干变换与检测原理二、相干测量中的调制和解调光调制技术是将被测物理量的相关信息叠加到光载波上。光调制技术振幅调制AM相位调制PM频率调制FM偏振调制POM光波谱调制SM光电信息测控技术与装备研究所8相干光信息物理效应干涉图衍射图莫尔拓扑图散斑图全息图光电信息测控技术与装备研究所9相干光频率单频双光束或多光束干涉双频双光束干涉多频多光束干涉光电信息测控技术与装备研究所10相干场的时空范围局部空间内的随时间变化干涉信号一定空间内的空间干涉信号一定空间内的时间干涉信号光电信息测控技术与装备研究所11光波分光振幅式干涉仪分波阵面式干涉仪光电信息测控技术与装备研究所12相干光束传播路径共程干涉非共程干涉光电信息测控技术与装备研究所13以迈克尔逊干涉仪为例参考镜单色光源光电检测器测量镜ΔL被测参量ΔL，ΔL/Δt光电信息测控技术与装备研究所14载波器调制器解调器（单色光源）（被测参量）（参考光路）（测量光路）ΔLΔL/Δt（a0，v0，φ0）（a0，v0，φ0）U0（a0，v0+Δv，φ0+Δφ）（a0，v0，φ0）ΔφΔf两路光在透镜的作用下相遇，在干涉场处获得稳定干涉图样；该干涉图就是解调的光载波，它以干涉条纹的相位分布或光拍的时序变化来表现被测量的特征光电信息测控技术与装备研究所15影响干涉条纹对比度的因素干涉条纹图样对比度降低的普遍原因：minmaxminmaxIIIIK1）光源的时间相干性和空间相干性；2）相干光束的光强不相等；3）杂散光的存在；4）各光束的偏振状态有差异。光电信息测控技术与装备研究所161)光源的时间相干性和空间相干性ΔL=mλ光程差相同的点形成的亮线称为亮纹1xKIm各种波长干涉条纹的叠加L2ΔL=（m+1/2）λ光程差相同的点形成的暗线称为暗纹当λ+Δλ的第m级亮纹与λ的第m+1级亮纹重合后，所有亮纹开始重合光电信息测控技术与装备研究所17以上条件可作为尚能分辨干涉条纹的限度，即mm1m2ML由此得到最大干涉级与此相对应得上能产生干涉条纹的两支相干光的最大光程差（或称为光源的相干长度）为上式表明，光源的相干长度与光源的谱线宽度成反比。光电信息测控技术与装备研究所18例如：用镉红光作为光源时，如果其波长为λ=643.8nm，光谱宽度Δλ=0.0013nm，可计算出相干长度为mmLM3002用He-Ne激光作为光源时，如果其波长为λ=632.8nm，光谱宽度Δλ10-8nm，可计算出相干长度为kmnmLM40104132由于有足够长的相干长度，故不必调整两支光路的相干光程相等。光电信息测控技术与装备研究所192）相干光束的光强不相等；干涉图样的照度，在很大程度上取决于光源的尺寸，而光源尺寸的大小又会对各类干涉仪的干涉图样的对比度有不同的影响不同角的平行光束经干涉仪形成彼此错开的等厚干涉条纹，经叠加后形成的干涉条纹如下图所示rSS0-f等厚干涉仪中的扩展光源光电信息测控技术与装备研究所202r2r2r如果取对比度为0.9，可得光源的许可半径为hfrm2'许可半径正比于准直物镜的焦距，反比于等效空气层厚度h的开方光电信息测控技术与装备研究所21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度，但干涉场的亮度也会随之减弱，不利于观测设法改变参考光路或测量光路的光程，使两路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为上述目的在干涉仪中采取的相应技术措施，称为保证空间相干性光电信息测控技术与装备研究所22第二节相干光的相位调制和检测一、单频光相位调制和条纹检测1、单频光的相位调制在单频光相干光路中，被测量使相干光波相位发生变化，同时通过干涉作用把光波相位变化变换为振幅变化，该过程称为单频光波的相位调制或相幅变换光电信息测控技术与装备研究所23可借助机械、光学、光电子学等变换器件将被测量的变化转换为光程和折射率的变化IxyAxy1+rx,yxy,cos,,L002ndl0022Ln+nL光电信息测控技术与装备研究所24激光器传感器固定镜M2测量镜分光镜光电检测器迈克耳逊(Michelson)干涉仪简单、条纹对比度好、信噪比高；光束易返回激光器，造成激光不稳定，要用角锥棱镜作反射器光电信息测控技术与装备研究所25相干能力差的光源也能获得干涉条纹用于测量透明物质的折射率和比较测量镀膜参考物被测物光电检测器吉曼（Gell-Mann）干涉仪光电信息测控技术与装备研究所26回馈光极小，稳定、噪声小激光器传感器固定镜分光镜2分光镜1测量镜光电检测器马赫-泽德干涉仪（Mach-Zehnder）光电信息测控技术与装备研究所27用于感知转角、转速、磁场强度等又称为环形激光影响精度的原因：频锁、零漂、频率牵引、地球自转等激光器分光镜1光电检测器萨古纳克干涉仪（Sagnac）被测物光电信息测控技术与装备研究所28多光束干涉激光器传感器光电检测器参考物测量镜d法布里-珀罗罗干涉仪（Fabry-Perot）光电信息测控技术与装备研究所29第二节相干光的相位调制和检测一、单频光相位调制和条纹检测2、单频光的条纹调制指在局部空间里干涉条纹光强随时间变化的条纹检测。单频光干涉条纹检测法分为：光强法、比较法和跟踪法。光电信息测控技术与装备研究所301）条纹光强检测法该方法是指在干涉场中确定位置上用光电元件直接接收条纹光强变化其目的：能获得最佳的光电信号输出，即信号幅度达和信噪比高确保光学系统和光电检测器的最佳工作条件阿贝原则、共路原则、等光强原则、干扰光最小原则、相干度最大原则、光电转换的混频效率光电信息测控技术与装备研究所31激光器Mr光电检测器λ0+ΔλαII1HiΔLM0条纹光强检测原理图0I(x)Dx波形图光电信息测控技术与装备研究所32单频相干光合成时的瞬时光强为221212Ixytaa2aatcos,,22121201Ixytaa2aatdtcos,,001tdtcoscos001tdtcoscos若在检测时间内是恒定值时，则是确定的tcosIxyt,,若在检测时间内是变化的，则合成光强为t光电信息测控技术与装备研究所33001tdtcoscos相干度01只有在Г大时光强随相位变化才明显当Г=0时，只有直流分量，表明在τ检测时间内两光束不相干相干光源的单色性、光束的发散以及接收光阑等都影响相干度当Г=1时，表明在τ检测时间内相位保持不变，相干度最大光电信息测控技术与装备研究所34①光的单色性对相干度的影响Δλ增加，表明光的单色性不好，就会造成具有不同初相位光的叠加，使相干度Г下降0若入射光波为2020202L2LC2Lsinsin为相干长度20上式表明：ΔL越小，单色性越好，则相干度越大当ΔL与相干长度相等时，相干度等于零，干涉条纹消失光电信息测控技术与装备研究所35②光源光束发散角的影响相干光源的光线若发散传播，就会使不同发散角的光线产生不同的相位差，引起相位角的变化对平板干涉，光束入射角为i，发散角为α，则有附加光程差，其相干度为0002nLi2nLiC2nLisinsinsinsinsinα增大，使相干度下降；α小，入射光的平行性好，相干度上升光电信息测控技术与装备研究所36③光电接收元件的接收孔阑的影响lDhx0x2212122Ixaa2aaxDcos若干涉条纹间距为D，则沿x方向的条纹光强分布为光电信息测控技术与装备研究所37在不同位置上的光点检测器件的输出光电流为Is,有00hlx2222hlS1212x222212122212122IKdyaa2aaxdxDl2Khlaa2aaCxDD2Khlaa2aaxDcossincoscosllDClDDsinsin为混频效率光电信息测控技术与装备研究所38当l/D趋于零，即光阑lD，则β=1，信号交流分量幅度大当l/D=1，则β=0，信号只有直流分量，对比度为零通常，在l一定时，用调节条纹宽度D来提高混频效率请注意：l的大小还有滤波作用，如l=D/2，可滤去2n次谐波分量光电信息测控技术与装备研究所39在干涉条纹检测时，还要判断干涉条纹的运动方向并可逆技术需要获得相位差为90°的两路信号其方法有：1）直接放光电元件，用其位置不同来获得90°相差2）用移相板3）在分光镜上镀一层移相膜4）加偏振片移相光电信息测控技术与装备研究所402）干涉条纹比较测量法该方法是采用两束不同的相干光源，各自组成独立的干涉光路两束光为：一束为基准，一束为未知两路光各自形成干涉条纹，通过比较电信号的频率测出未知光波的波长光电信息测控技术与装备研究所41移动工作台λrλxDxDr锁相振荡M倍频脉冲门显示打印N分频锁相振荡条纹比较法波长测量原理图λrλrλxλx光电信息测控技术与装备研究所423）干涉条纹跟踪测量法该方法是一种平衡测量法（与零位指示法相似）激光器放大器控制器测量镜光电检测器参考镜压电晶体参考光ΔL条纹跟踪法干涉系统原理图该方法可避免干涉测量的非线性误差，但需要精确的电压与压电位移的关系光电信息测控技术与装备研究所43第二节相干光的相位调制和检测二、单频光波面的相位调制测量与干涉图分析将相干光束扩成平面波或其他规则光波照射到被测物面时，干涉将会形成由干涉条纹组成的二维干涉图，它反映了被测物表面的微细面分布或者透射介质折射率分布光电信息测控技术与装备研究所44激光器光电检测器参考镜被测物ΔL泰曼-格林干涉仪激光器光电检测器参考镜被测物林尼克干涉仪1、单频光波面的相位调制光电信息测控技术与装备研究所45激光器光电检测器米勒干涉仪被测物半反半透镜显微物镜参考镜半透镜光电检测器光源光阑准直物镜参考镜被测物斐索干涉仪光电信息测控技术与装备研究所46以泰曼-格林干涉仪为例来分析激光器光电检测器参考镜被测物ΔL泰曼-格林干涉仪光电信息测控技术与装备研究所47rrrjyxayxUyxjyxayxUexp,,,exp,,000yxayxaayxayxIrrr,cos,2,,00220yxn,干涉场上的光强分布为再考虑到光路折返yxL,y