文档介绍：第5章干涉测量技术
干涉测量技术是以光波干涉原理为基础进行测量的一门技术。与一般光学成像测量技术相比,干涉测量具有大量程、高灵敏度、高精度等特点。随着激光技术的出现及其在干涉测量领域中应用,使干涉测量技术在量程、分辨率、抗干涉能力、测量精度等方面有了显著的进步。从光学零件的质量控制到光学系统的象质评价,从经典的光学技术到自适应光学工程,现代干涉测量技术的应用领域不断扩展。另一方面,现代数字图像处理技术、传感器技术和计算机技术使干涉图像判读技术实现了计算机实时自动判读,大大提高了干涉测量的精度和灵敏度。
干涉条纹是干涉场中光程差相同点的轨迹。根据干涉条纹的形状、方向、疏密以及条纹移动等情况,可获取被测量的有关信息。按光波分光的方法,干涉仪有分振幅式和分波阵面式两类。按相干光束传播路径,干涉仪可分为共程干涉和非共程干涉两种。按用途又可将干涉仪分为两类,一类是通过测量被测面与参考标准波面产生的干涉条纹分布及其变形量,进而求得试样表面微观几何形状、场密度分布和光学系统波像差等,即所谓静态干涉;另一类是通过测量干涉场上指定点干涉条纹的移动或光程差的变化量,进而求得试样的尺寸大小、位移量等,即所谓动态干涉。
分波面是从同一光源等位相面上分两光束产生干涉(如:杨氏双缝干涉);分振幅是利用分束镜的反射和透射分出两光束产生干涉(等倾干涉和等厚干涉)。
光学测量常用的是分振幅式等厚测量技术。
§ 干涉测量基础
干涉测量是基于光波叠加原理,在干涉场中产生亮、暗交替的干涉条纹,通过分析处理干涉条纹获取被测量的有关信息。
当两束光亮度满足频率相同,振动方向相同以及相位差恒定的条件,两束光就会产生干涉现象,在干涉场中任一点的合成光强为:
其中
相长干涉(明)
(k = 0,1,2,3…)
相消干涉(暗)
(k = 0,1,2,3…)
当把被测量引入干涉仪的一支光路中,干涉仪的光程差则发生变化。通过测量干涉条纹的变化量,可以获得与介质折射率和几何路程有关的各种物理量和几何量。
§ 干涉条件及其测量保证
为获取明亮、清晰和稳定的干涉条纹,在测量中需要采取保证良好干涉条件的一些技术措施。
决定对比度的因素:▲振幅比▲光源的大小▲光源的单色性
光源单色性的影响与时间相干性
(1)、理想的单色光
(2)、准单色光、谱线宽度
准单色光:在某个中心波长(频率)附近有一定波长(频率)范围的光。
两相干光的最大光程差(或称光源的相干长度)为:
在物理光学中,把光通过相干长度所需要的时间称为相干时间,其实质就是可产生干涉的波列持续时间。因此,在干涉仪中选择光源,以及相干光路的设计时,为保证获取良好的干涉条纹图形,应使该光源同一发光原子(点)发出的光波分离后又汇合的光波间光程差不超过光源的波列长度为原则,对此所采取的技术措施,称其为保证时间相干性。
2、光源大小的影响与空间相干性
空间相干性:空间上不同两点发出的波列经过不同的光程到达同一点时能够相遇干涉,则这两个波列具有空间相干性。设光源宽度为b 。
极限宽度
当光源宽度b等于某个宽度b0 时,干涉条纹刚好消失,b0
称为光源的极限宽度。
设B>>d 和 b
(一级亮纹)
ⅱ相干孔径角—相干孔径角
在θ0 范围内的光场中,正对光源的平面上的任意两点的光振动