光電儀器原理與設(shè)計(jì)第9章-干涉儀與光譜儀課件

1、第九章典型儀器的 原理與分析122第九章典型儀器的原理與分析第一節(jié)激光干涉儀第二節(jié)光學(xué)輪廓儀*第三節(jié)共焦顯微鏡*第四節(jié)投影儀*第五節(jié)光譜儀3以干涉儀為代表的光電儀器3干涉基本原理激光光源光強(qiáng)探測(cè)器光學(xué)系統(tǒng)細(xì)分電路多自由度同時(shí)探測(cè)絕對(duì)距離測(cè)量可能性：物理原理可行性：基本器件擴(kuò)展性/適用性：創(chuàng)新設(shè)計(jì)驚人的發(fā)現(xiàn)劃時(shí)代的發(fā)明產(chǎn)品開(kāi)發(fā)研制4單色光邁克爾遜干涉儀干涉測(cè)位移基本原理4光源分光鏡參考面被測(cè)面探測(cè)器參考臂Lr測(cè)量臂Lm理想情況下探測(cè)器上光強(qiáng)其中，n為折射率Lm為測(cè)量臂單程長(zhǎng)度，Lr為參考臂單程長(zhǎng)度0為真空中的波長(zhǎng)初始干涉條紋級(jí)次 K1 = 2n(Lm-Lr)/05單色光邁克爾遜干涉儀干涉測(cè)位移基

2、本原理5光源分光鏡參考面被測(cè)面探測(cè)器被測(cè)面移動(dòng)距離L探測(cè)器光強(qiáng)參考臂Lr測(cè)量臂Lm光線往返，n=1：被測(cè)面移動(dòng)L = 0/2以 引起相位變化2為周期被測(cè)面移動(dòng)L6單色光邁克爾遜干涉儀干涉測(cè)位移基本原理6被測(cè)面移動(dòng)L光源分光鏡參考面被測(cè)面探測(cè)器參考臂Lr測(cè)量臂Lm移動(dòng)后干涉條紋級(jí)次 K2 = 2nL/0+ K1記錄干涉級(jí)次條紋變化K = K2- K1則K = 2nL/0 即 L = K 0/ 2n7干涉測(cè)位移基本原理任何干涉，通過(guò)對(duì)條紋數(shù)目或數(shù)目變化的統(tǒng)計(jì)，就能獲得以光的波長(zhǎng)為單位的對(duì)光程差的計(jì)量，用于精密測(cè)量和產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)。7移動(dòng)距離光程差變化相位變化光強(qiáng)變化高精度測(cè)量被測(cè)面移動(dòng)距離探測(cè)器光強(qiáng)

3、 L = K 0 / 2n8位移測(cè)量直流信號(hào)處理理想情況下幅值均一正弦周期信號(hào)條紋整周期K被測(cè)面移動(dòng)半波長(zhǎng)K倍8被測(cè)面移動(dòng)距離探測(cè)器光強(qiáng)小數(shù)部分？相位恢復(fù)（Phase retrieval）問(wèn)題數(shù)學(xué)、物理、電子學(xué)普遍問(wèn)題電子細(xì)分：4倍頻，8倍頻，512倍頻移相法/傅里葉變換法 L = K 0 / 2n9位移測(cè)量干涉儀分辨率9分辨率年份技術(shù)l /81965商用直流干涉系統(tǒng)l /161970商用交流干涉系統(tǒng)l /512198720MHz外差干涉系統(tǒng)l /20481996電子細(xì)分10位移測(cè)量直流干涉儀精度分析直流干涉儀測(cè)位移公式其中L為被測(cè)位移，K為變化的干涉條紋數(shù)，n為介質(zhì)折射率，0為激光在真空中的

4、波長(zhǎng)誤差來(lái)源干涉條紋計(jì)數(shù)誤差DK折射率相對(duì)誤差Dn/n穩(wěn)頻相對(duì)誤差Dl/l均為隨機(jī)誤差，總誤差 DL = ?10 L = K 0 / 2n11位移測(cè)量直流干涉儀精度分析第一步：寫(xiě)出完整的作用方程式11 L = K 0 / 2n = (K2- K1)0 / 2n其中，初始干涉條紋級(jí)次 K1 = 2n(Lm1-Lr)/0終止干涉條紋級(jí)次 K2 = 2n(Lm2-Lr)/012位移測(cè)量直流干涉儀精度分析第二步：微分法得到誤差作用系數(shù)折射率相對(duì)誤差Dn/n穩(wěn)頻相對(duì)誤差Dl0/l0干涉條紋計(jì)數(shù)誤差DK12LnLL = K 0 / 2n = (K2- K1)0 / 2n13位移測(cè)量直流干涉儀精度分析第三步

5、：隨機(jī)誤差合成注意：Ln為測(cè)量過(guò)程中空氣中的單程光程差最大值Ll為測(cè)量過(guò)程中所有媒質(zhì)中的單程光程差最大值1314計(jì)算實(shí)例各項(xiàng)誤差折射率相對(duì)誤差Dn/n = 106穩(wěn)頻相對(duì)誤差Dl0/l0 = 106干涉條紋計(jì)數(shù)誤差DK = 104總誤差Ln= Ll = L = 106 m時(shí)， DL = 3.21011 mLn= Ll = L = 1 m時(shí)， DL = 1.4106 m1415位移測(cè)量干涉儀設(shè)計(jì)原則消除誤差被測(cè)位移短時(shí)，提高測(cè)相/干涉條紋計(jì)數(shù)精度被測(cè)位移長(zhǎng)時(shí)，提高折射率精度和波長(zhǎng)穩(wěn)定性?xún)?yōu)化光路等光程：使參考光路和測(cè)量光路盡可能等光程且元件類(lèi)似共路：選用參考光路與測(cè)量光路盡可能重合的光路結(jié)構(gòu)（斐索

6、干涉儀）1516偏振干涉儀利用偏振完成光路控制方法：目標(biāo)前放置四分之一波片+偏振分光棱鏡 透光反，反光透結(jié)合角錐棱鏡：光線平行原路返回附帶優(yōu)點(diǎn)：抑制雜散光，信噪比高1617面形測(cè)量干涉儀理想干涉條紋M1M2參考面被測(cè)面M2泰曼-格林干涉儀測(cè)量被測(cè)面M2相對(duì)參考面M1的面形結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：?jiǎn)紊鉁?zhǔn)直照明，等厚干涉條紋參考與被測(cè)臂不共光路18面形測(cè)量干涉儀斐索平面干涉儀P-Q之間形成空氣平板，測(cè)量Q的表面平面度或局部誤差結(jié)構(gòu)特點(diǎn)單色光準(zhǔn)直照明，等厚干涉條紋測(cè)量與參考臂準(zhǔn)共路分光鏡標(biāo)準(zhǔn)平板被測(cè)平板準(zhǔn)直鏡19面形測(cè)量干涉儀斐索干涉圖的調(diào)整（假設(shè)P、Q均為理想平面）光強(qiáng)一片均勻P、Q完全平行平行等距直條紋P、

7、Q存在一定夾角夾角增大，條紋變密圓條紋準(zhǔn)直有誤差，等傾干涉1920面形測(cè)量干涉儀斐索平面干涉儀Q存在面形誤差時(shí)，干涉條紋的判讀被測(cè)面是平面，平行等距直條紋被測(cè)面不平整，等厚線狀條紋根據(jù)條紋彎曲方向和彎曲量檢測(cè)表面缺陷標(biāo)準(zhǔn)平板被測(cè)平板21以色散為基本原理的光譜儀21折射或衍射的基本原理分光元件（棱鏡或光柵）陣列光強(qiáng)探測(cè)器（準(zhǔn)直及聚焦）光學(xué)系統(tǒng)狹縫小型化，便攜高分辨率大光譜范圍可能性：物理原理可行性：基本器件擴(kuò)展性/適用性：創(chuàng)新設(shè)計(jì)光纖光譜儀成像光譜儀22以干涉為基本原理的光譜儀22干涉基本原理激光光源光強(qiáng)探測(cè)器光學(xué)系統(tǒng)相位掃描系統(tǒng)便攜性，魯棒性高速度寬光譜測(cè)量可能性：物理原理可行性：基本器件擴(kuò)展

8、性/適用性：創(chuàng)新設(shè)計(jì)傅里葉變換（紅外）光譜儀23光譜儀的實(shí)際應(yīng)用23光譜儀應(yīng)用很廣，在農(nóng)業(yè)、天文、汽車(chē)、生物、化學(xué)、鍍膜、色度計(jì)量、環(huán)境檢測(cè)、薄膜工業(yè)、食品、印刷、造紙、喇曼光譜、半導(dǎo)體工業(yè)、成分檢測(cè)、顏色混合及匹配、生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用、熒光測(cè)量、寶石成分檢測(cè)、氧濃度傳感器、真空室鍍膜過(guò)程監(jiān)控、薄膜厚度測(cè)量、LED測(cè)量、發(fā)射光譜測(cè)量、紫外/可見(jiàn)吸收光譜測(cè)量、顏色測(cè)量等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。24光譜儀的分類(lèi)分解光譜的工作原理經(jīng)典光譜儀：空間色散原理；新型光譜儀：調(diào)制原理工作光譜范圍紅外光譜儀、可見(jiàn)光光譜儀和紫外光譜儀分光技術(shù)原理棱鏡光譜儀、光柵光譜儀和干涉光譜儀儀器功能和結(jié)構(gòu)單色儀、攝譜儀、分光光度計(jì)、調(diào)制光

9、譜儀、成像光譜儀等。2425光譜儀的基本組成25HL1SL2GL3PM光源和照明系統(tǒng)準(zhǔn)直系統(tǒng)色散系統(tǒng)成像系統(tǒng)接收系統(tǒng)12326光譜儀的基本組成光源和照明系統(tǒng)光源H可以是研究對(duì)象，也可以用來(lái)照射和激發(fā)被研究物質(zhì)當(dāng)研究物質(zhì)本身的發(fā)射譜時(shí)（物質(zhì)本身自己向外輻射光波），光源是被研究對(duì)象；在研究物質(zhì)的吸收、喇曼散射和熒光效應(yīng)時(shí)，光源作為研究的工具照射被研究物質(zhì)。聚光鏡L1用來(lái)會(huì)聚光輻射能量并傳遞給準(zhǔn)直系統(tǒng)。所有光譜儀的照明系統(tǒng)要求聚光透鏡會(huì)聚能力強(qiáng)，并與儀器的相對(duì)孔徑相匹配。2627光譜儀的基本組成準(zhǔn)直系統(tǒng)由入射狹縫S和準(zhǔn)直物鏡L2組成。入射狹縫位于準(zhǔn)直物鏡的焦平面上，它限制了進(jìn)入儀器的光束，使S處的線

10、光源成為實(shí)際的光源。由狹縫處發(fā)出的光束經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直物鏡后變成平行光束投向色散系統(tǒng)。2728光譜儀的基本組成色散系統(tǒng)光譜儀的核心部分，色散元件G將入射平行光束色散成按波長(zhǎng)排列的光譜。常用的色散元件有棱鏡、平面光柵、干涉儀等，相應(yīng)的光譜儀稱(chēng)為棱鏡光譜儀、光柵光譜儀、干涉光譜儀。棱鏡：物質(zhì)色散不同波長(zhǎng)的輻射在同一介質(zhì)中傳播的速度不同，因而折射率不同。光柵：多縫衍射不同波長(zhǎng)的輻射在同一入射角條件下射到多縫上，經(jīng)衍射后其衍射主極大的方向不同。FP標(biāo)準(zhǔn)具： 多光束干涉一束包含各種波長(zhǎng)的輻射在平板上被分割成多支相干光束，根據(jù)干涉光束互相加強(qiáng)的條件，各波長(zhǎng)的干涉極大值位于空間上的不同點(diǎn)。2829光譜儀的基本組成聚

11、焦成像系統(tǒng)成像物鏡L3將空間中色散開(kāi)來(lái)的各波長(zhǎng)的光束會(huì)聚或成像在物鏡的焦平面上，形成一系列按波長(zhǎng)排列的單色狹縫像。光譜記錄顯示系統(tǒng)PM為顯示記錄裝置，將成像的光譜信號(hào)記錄下來(lái)，并顯示成光譜圖或其它形式的數(shù)據(jù)輸出，記錄的光譜信號(hào)中包括波長(zhǎng)、強(qiáng)度、輪廓寬度等信息。若一次將全部光譜信息都記錄下來(lái)，此光譜儀就是攝譜儀；若裝置一出射狹縫，只能記錄一種波長(zhǎng)，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)色散元件來(lái)獲得不同波長(zhǎng)的信息，就是單色儀。2930光譜儀的評(píng)價(jià)指標(biāo)工作光譜范圍取決于色散系統(tǒng)和色散元件的光譜透射率或反射率，以及采用的探測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量精度。也決定了光譜儀使用的光學(xué)元件和探測(cè)器材料。例如：玻璃棱鏡光譜儀的工作光譜范圍為400nm1

12、000nm，大于1000nm的波長(zhǎng)范圍要用紅外晶體材料制造光學(xué)元件，小于400nm的要用石英或者螢石來(lái)制造光學(xué)零件。光電倍增管的光譜響應(yīng)范圍只到850 nm左右，紅外波段一般采用熱電元件作為接收器。3031光譜儀的評(píng)價(jià)指標(biāo)色散率表明不同波長(zhǎng)的光束經(jīng)色散系統(tǒng)后出射光彼此分開(kāi)的程度。可以用角色散率或線色散率來(lái)表述。角色散率表示兩不同波長(zhǎng)的光束彼此分開(kāi)的角距離，用d/d表示，單位rad/nm。角色散率主要取決于色散元件的幾何參數(shù)、個(gè)數(shù)和在儀器中安放的位置。光柵角色散率棱鏡角色散率3132光譜儀的評(píng)價(jià)指標(biāo)角色散率d/d與線色散率dl/d32f 102ddGf 為成像物鏡的焦距目前各國(guó)生產(chǎn)的小型和中型光

13、譜儀的線色散率倒數(shù)約為(101)nm/mm，大型光譜儀的線色散率倒數(shù)約為(10.1)nm/mm，法布里-珀羅干涉光譜儀的線色散率倒數(shù)可達(dá)(0.010.001)nm/mm，甚至更大。33光譜儀的評(píng)價(jià)指標(biāo)分辨率分辨率是表示光譜儀分開(kāi)兩條極為靠近的光譜線的能力，是光譜儀器極為重要的指標(biāo)。分辨率的大小首先決定于儀器的色散率，同時(shí)還與儀器的狹縫寬度、衍射、像差、兩條譜線強(qiáng)度分布及相對(duì)位置、記錄顯示裝置的探測(cè)靈敏度有關(guān)。根據(jù)瑞利判據(jù)，分辨率33式中是被分辨的兩譜線的最小分辨間隔， 為平均波長(zhǎng)。一般中小型棱鏡光譜儀的分辨率為103105，特大型棱鏡光譜儀可達(dá)1.4105。衍射光柵光譜儀的分辨率可達(dá)5105，

14、干涉光譜儀的分辨率最高可達(dá)5107。實(shí)際光譜儀性能指標(biāo)光譜學(xué)測(cè)量的基礎(chǔ)是測(cè)量光輻射與波長(zhǎng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。一般來(lái)說(shuō)，光譜學(xué)測(cè)量的直接結(jié)果是由很多個(gè)離散的點(diǎn)構(gòu)成曲線，每個(gè)點(diǎn)的橫坐標(biāo)（X軸）是波長(zhǎng)，縱坐標(biāo)（Y軸）是在這個(gè)波長(zhǎng)處的強(qiáng)度。因此，一個(gè)光譜儀的性能，可以粗略地分為下面幾個(gè)大類(lèi)： 波長(zhǎng)范圍（在X軸上的可以測(cè)量的范圍） 波長(zhǎng)分辨率（在X軸上可以分辨到什么程度的信號(hào)變化） 噪聲等效功率和動(dòng)態(tài)范圍（在Y軸上可以測(cè)量的范圍） 靈敏度與信噪比（在Y軸上可以分辨到什么程度的信號(hào)變化）雜散光與穩(wěn)定性（信號(hào)的測(cè)量是否可靠？是否可重現(xiàn)）采樣速度和時(shí)序精度（一秒鐘可以采集多少個(gè)完整的光譜？采集光譜的時(shí)刻是否精確？）

15、34實(shí)際光纖光譜儀技術(shù)指標(biāo)35荷蘭Avantes實(shí)際光柵光譜儀技術(shù)指標(biāo)Omni-150Omni-300Omni-500Omni-750焦距(mm)150300500750相對(duì)孔徑f/4.2f/3.9f/6.5f/9.7光學(xué)結(jié)構(gòu)C-T機(jī)械掃描范圍(nm)0-9000-1200分辨率(nm)0.40.10.050.03倒線色散(nm/mm)5.42.71.71.1波長(zhǎng)準(zhǔn)確度(nm)0.250.2波長(zhǎng)重復(fù)性(nm)0.10.136卓立漢光技術(shù)參數(shù)表（1200g/mm光柵條件下）實(shí)際光柵光譜儀技術(shù)指標(biāo)37卓立漢光技術(shù)參數(shù)表（1200g/mm光柵條件下）Omni-150Omni-300Omni-500Omni-750掃描步距(nm)0.010.005焦面尺寸(mm)25(W)10(H)25(W) 14(H)光軸高度(mm)