光电测试技术-第4章 激光干涉测试技术

光电测试技术哈尔滨工业大学第四章激光干涉测试技术2020/1/202概述历史进程：特点：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伤和附加误差；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。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。17世纪后半叶，玻意耳(Boyle)和胡克(Hooke)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现象。1801年托马斯·杨(ThomasYoung)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。1860年麦克斯韦(C.Maxwell)的电磁场理论为干涉技术奠定了坚实的理论基础。1881年迈克尔逊(A.Michelson)设计了著名的干涉实验来测量“以太”漂移。1960年梅曼(Maiman)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入了快速增长时期。1982年G.Binning和H.Rohrer研制成功扫描隧道显微镜，1986年发明原子力显微镜，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。干涉测试技术按光波分光方式按相干光束传播路径按用途分振幅式分波阵面式共程干涉非共程干涉静态干涉动态干涉2020/1/203§4-1激光干涉测试技术基础1.1干涉原理与干涉条件1．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：cos22121IIIIILπ2位相差两光束到达某点的光程差满足mL的光程差相同的点形成的亮线叫亮纹。)2/1(mL满足的光程差相同的点形成的暗线叫暗纹，亮纹和暗纹组成干涉条纹。其中m是干涉条纹的干涉级次。2020/1/204§4-1激光干涉测试技术基础1.1干涉原理与干涉条件2．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：频率相同振动方向相同恒定的位相差在实际应用中，有时需要有意识地破坏上述条件。比如在外差干涉测量技术中，在两束相干光波中引入一个小的频率差，引起干涉场中的干涉条纹不断扫描，经光电探测器将干涉场中的光信号转换为电信号，由电路和计算机检出干涉场的位相差。静态稳定干涉场的条件2020/1/205§4-1激光干涉测试技术基础1.2影响干涉条纹对比度的因素干涉条纹对比度可定义为式中，Imax、Imin分别为静态干涉场中光强的最大值和最小值，也可以理解为动态干涉场中某点的光强最大值和最小值。minmaxminmaxIIIIK当Imin=0时K＝1，对比度有最大值；而当Imax=Imin时K＝0，条纹消失。在实际应用中，对比度一般都小于1。对目视干涉仪可以认为：当K＞0.75时，对比度就算是好的；而当K＞0.5时，可以算是满意的；当K＝0.1时，条纹尚可辨认，但是已经相当困难的了。对动态干涉测试系统，对条纹对比度的要求就比较低。2020/1/206由此得最大干涉级m＝λ/Δλ，与此相应的尚能产生干涉条纹的两支相干光的最大光程差(或称光源的相干长度)为LM2)()1(mm§4-1激光干涉测试技术基础1.2影响干涉条纹对比度的因素①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λ到λ＋Δλ中间所有波长的光干涉条纹叠加的结果。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，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K1x012345601234563λ+ΔλmI图4-1各种波长干涉条纹的叠加λλ+Δλ在波动光学中，把光通过相干长度所需要的时间称为相干时间，其实质就是可以产生干涉的波列持续时间，（其对应产生干涉的两列波的光程差）。因此，激光光源的时间相干性比普通光源好得多，一般在激光干涉仪的设计和使用时不用考虑其时间相干性。2020/1/207§4-1激光干涉测试技术基础1.2影响干涉条纹对比度的因素②光源大小与空间相干性干涉图样的照度，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: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。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。S0Sr-f图4-2等厚干涉仪中的扩展光源θ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0.9，可得光源的许可半径rfhm'2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，但干涉场的亮度也随之减弱。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。激光光源的大小不受限制，激光的空间相干性比普通光源好得多。2020/1/208§4-1激光干涉测试技术基础1.2影响干涉条纹对比度的因素③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I2=nI1，则有Knn21图4-4对比度K与两支干涉光强比n的关系可见，没有必要追求两支相干光束的光强严格相等。尤其在其中一支光束光强很小的情况下，人为降低另一支光束的光强，甚至是有害的。因为这会导致不适当地降低干涉图样的照度，从而提升了人眼的对比度灵敏阈值，不利于目视观测。ImI'1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，则InmnImax()121InmnImin()121Knnm21于是2020/1/209§4-1激光干涉测试技术基础1.2影响干涉条纹对比度的因素③相干光束光强不等和杂散光的影响当n=1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寄生条纹。解决杂散光的主要技术措施有：①光学零件表面正确镀增透膜，②适当设置针孔光阑，③正确选择分束器。其中尤以第三点为问题的关键。Km22比较式可见，在两支光强比n较小时，杂散光对条纹对比度的影响远比两支干涉光的光强不相等的影响要严重得多。Knn212020/1/2010§4-1激光干涉测试技术基础1.2影响干涉条纹对比度的因素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原因是：光源的时间相干性；光源的空间相干性；相干光束的光强不等；杂散光的存在；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。2020/1/2011§4-1激光干涉测试技术基础1.3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，称为非共程干涉仪。若参考光路和测试光路经过同一光路，这类干涉仪称为共程干涉仪。其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、半反射面或衍射实现分束。特点：①抗环境干扰；②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的光学标准件；③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。特点有：①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，就可直观地获得系统的缺陷信息。如散射板干涉仪、点衍射干涉仪等。②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，得到的信息不是直观的，需要作某些计算才能确定被测波面形状，如各种类型的剪切干涉仪。两类：2020/1/2012§4-1激光干涉测试技术基础1.4干涉条纹的分析与波面恢复在静态干涉系统中，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。①波面偏差的表示波面偏差为EPVERMSEmax参考面b)波面偏差指标Ha)由条纹偏差表示波面偏差h图4-6波面偏差的表示nHhWn是干涉仪的通道数（光速通过样品次数）波面偏差的指标：1）峰谷偏差EPV。被测波面相对于参考波面峰值与谷值之差。2）最大偏差Emax。被测波面与参考波面的最大偏差值。3）均方根偏差ERMS。被测波面相对于参考波面的各点偏差值的均方根值，可由下式表示NiiRMSENE12112020/1/2013§4-1激光干涉测试技术基础1.4干涉条纹的分析与波面恢复②被测波面的恢复要正确求出被测波面的轮廓，首先要判断干涉条纹图的零级条纹位置和被测波面相对于标准波面的凸凹情况。1）零级条纹的判断。使产生干涉的两波面间的光程差减小，则条纹移动的方向是离开零级条纹的方向；反之，则干涉条纹朝着零级条纹的方向移动。2）凸凹面的判断。如果移动W2，减小波面W1与W2间的光程差，条纹移动的方向与弯曲方向相同，则被测表面为凸起的(工厂通称为“高光圈”)；反之，则被测表面为凹陷的(工厂通称为“低光圈”)。凸起高光圈减小程差移动、弯曲同向W1W2W2W1条纹移动方向a)c)W1W2W2W1条纹移动方向b)d)图4-8被测波面凸凹的判断2020/1/2014§4-1激光干涉测试技术基础1.4干涉条纹的分析与波面恢复3）求被测波面轮廓。若采用图解法求旋转对称波面与倾斜平面波相干涉得到的干涉图样，只需求出通过干涉图中心与平面波倾斜方向相同的截面上的波面轮廓就可以了。其步骤如下：yBA图4-9由干涉图恢复波面轮廓x①首先在干涉图上作截面AB，然后确定干涉条纹零级的位置。如本例中零级条纹在干涉图左边，且干涉级从左往右递增。xWFE0xW②在干涉图的上（下）方作若干条等间距的与截面AB相平行的直线，相邻两平行线间距表示光程差为（n为干涉仪的通道数）的变化量。n/③将干涉条纹与截面AB相交的各点垂直引直线到平行线上，从左至右依次到与各对应平行线相交，然后把这些点连成曲线。④为了得到真实的波面轮廓，把倾斜因子减去。2020/1/2015§4-1激光干涉测试技术基础1.5提高分辨力的方法和干涉条纹的信号处理①光学倍频技术分辨力图4-10光学倍频原理图示BM1M2M3a)BM1M3M2M4a/Kb)K2/2/2020/1/2016§4-1激光干涉测试技术基础1.5提高分辨力的方法和干涉条纹的信号处理②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。可以把干涉条纹每变化一个级次，看作相位变化了360°。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、翼形板相位细分、金属膜相位细分和分偏振法相位细分等。例：机械法相位细分。产生90°相移信号的最简单方法是倾斜参考镜M1。当参考镜倾斜一定角度时，调节两光电接收器D1和D2间隔为条纹中心距离的1/4便可获得相移90°的两个输出信号。但这种方法容易因反射镜的稍微失调而改变条纹间隔，使输出信号的位相关系发生变化，引起计数误差。BM2M1M’2D1D2图4-11机械法相位细分示意图2020/1/2017§4-1激光干涉测试技术基础1.5提高分辨力的方法和干涉条纹的信号处理③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、鉴相法细分等。综合来看，鉴相法细分的不确定度最小，使用灵活、方便、集成度高，适合于激光干涉信号的细分。其输出的是模拟信号，分辨率高达2π/1000，但是鉴相范围较小(±2π)。2020/1/2018§4-1激光干涉测试技术基础1.