光電儀器原理與設(shè)計第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探測器光學(xué)系統(tǒng)細分電路多自由度同時探測絕對距離測量可能性：物理原理可行性：基本器件擴展性/適用性：創(chuàng)新設(shè)計驚人的發(fā)現(xiàn)劃時代的發(fā)明產(chǎn)品開發(fā)研制4單色光邁克爾遜干涉儀干涉測位移基本原理4光源分光鏡參考面被測面探測器參考臂Lr測量臂Lm理想情況下探測器上光強其中，n為折射率Lm為測量臂單程長度，Lr為參考臂單程長度0為真空中的波長初始干涉條紋級次 K1 = 2n(Lm-Lr)/05單色光邁克爾遜干涉儀干涉測位移基

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

3、 L = K 0 / 2n8位移測量直流信號處理理想情況下幅值均一正弦周期信號條紋整周期K被測面移動半波長K倍8被測面移動距離探測器光強小數(shù)部分？相位恢復(fù)（Phase retrieval）問題數(shù)學(xué)、物理、電子學(xué)普遍問題電子細分：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電子細分10位移測量直流干涉儀精度分析直流干涉儀測位移公式其中L為被測位移，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、波長誤差來源干涉條紋計數(shù)誤差DK折射率相對誤差Dn/n穩(wěn)頻相對誤差Dl/l均為隨機誤差，總誤差 DL = ?10 L = K 0 / 2n11位移測量直流干涉儀精度分析第一步：寫出完整的作用方程式11 L = K 0 / 2n = (K2- K1)0 / 2n其中，初始干涉條紋級次 K1 = 2n(Lm1-Lr)/0終止干涉條紋級次 K2 = 2n(Lm2-Lr)/012位移測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)折射率相對誤差Dn/n穩(wěn)頻相對誤差Dl0/l0干涉條紋計數(shù)誤差DK12LnLL = K 0 / 2n = (K2- K1)0 / 2n13位移測量直流干涉儀精度分析第三步

5、：隨機誤差合成注意：Ln為測量過程中空氣中的單程光程差最大值Ll為測量過程中所有媒質(zhì)中的單程光程差最大值1314計算實例各項誤差折射率相對誤差Dn/n = 106穩(wěn)頻相對誤差Dl0/l0 = 106干涉條紋計數(shù)誤差DK = 104總誤差Ln= Ll = L = 106 m時， DL = 3.21011 mLn= Ll = L = 1 m時， DL = 1.4106 m1415位移測量干涉儀設(shè)計原則消除誤差被測位移短時，提高測相/干涉條紋計數(shù)精度被測位移長時，提高折射率精度和波長穩(wěn)定性優(yōu)化光路等光程：使參考光路和測量光路盡可能等光程且元件類似共路：選用參考光路與測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：抑制雜散光，信噪比高1617面形測量干涉儀理想干涉條紋M1M2參考面被測面M2泰曼-格林干涉儀測量被測面M2相對參考面M1的面形結(jié)構(gòu)特點：單色光準(zhǔn)直照明，等厚干涉條紋參考與被測臂不共光路18面形測量干涉儀斐索平面干涉儀P-Q之間形成空氣平板，測量Q的表面平面度或局部誤差結(jié)構(gòu)特點單色光準(zhǔn)直照明，等厚干涉條紋測量與參考臂準(zhǔn)共路分光鏡標(biāo)準(zhǔn)平板被測平板準(zhǔn)直鏡19面形測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面形測量干涉儀斐索平面干涉儀Q存在面形誤差時，干涉條紋的判讀被測面是平面，平行等距直條紋被測面不平整，等厚線狀條紋根據(jù)條紋彎曲方向和彎曲量檢測表面缺陷標(biāo)準(zhǔn)平板被測平板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）陣列光強探測器（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：基本器件擴展性/適用性：創(chuàng)新設(shè)計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探測器光學(xué)系統(tǒng)相位掃描系統(tǒng)便攜性，魯棒性高速度寬光譜測量可能性：物理原理可行性：基本器件擴展

8、性/適用性：創(chuàng)新設(shè)計傅里葉變換（紅外）光譜儀23光譜儀的實際應(yīng)用23光譜儀應(yīng)用很廣，在農(nóng)業(yè)、天文、汽車、生物、化學(xué)、鍍膜、色度計量、環(huán)境檢測、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、顏色混合及匹配、生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用、熒光測量、寶石成分檢測、氧濃度傳感器、真空室鍍膜過程監(jiān)控、薄膜厚度測量、LED測量、發(fā)射光譜測量、紫外/可見吸收光譜測量、顏色測量等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。24光譜儀的分類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、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可以是研究對象，也可以用來照射和激發(fā)被研究物質(zhì)當(dāng)研究物質(zhì)本身的發(fā)射譜時（物質(zhì)本身自己向外輻射光波），光源是被研究對象；在研究物質(zhì)的吸收、喇曼散射和熒光效應(yīng)時，光源作為研究的工具照射被研究物質(zhì)。聚光鏡L1用來會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)要求聚光透鏡會聚能力強，并與儀器的相對孔徑相匹配。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，它限制了進入儀器的光束，使S處的線

10、光源成為實際的光源。由狹縫處發(fā)出的光束經(jīng)過準(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)干涉光束互相加強的條件，各波長的干涉極大值位于空間上的不同點。2829光譜儀的基本組成聚

11、焦成像系統(tǒng)成像物鏡L3將空間中色散開來的各波長的光束會聚或成像在物鏡的焦平面上，形成一系列按波長排列的單色狹縫像。光譜記錄顯示系統(tǒng)PM為顯示記錄裝置，將成像的光譜信號記錄下來，并顯示成光譜圖或其它形式的數(shù)據(jù)輸出，記錄的光譜信號中包括波長、強度、輪廓寬度等信息。若一次將全部光譜信息都記錄下來，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，通過轉(zhuǎn)動色散元件來獲得不同波長的信息，就是單色儀。2930光譜儀的評價指標(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，以及采用的探測系統(tǒng)的測量精度。也決定了光譜儀使用的光學(xué)元件和探測器材料。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光譜儀的評價指標(biāo)色散率表明不同波長的光束經(jīng)色散系統(tǒng)后出射光彼此分開的程度?？梢杂媒巧⒙驶蚓€色散率來表述。角色散率表示兩不同波長的光束彼此分開的角距離，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光譜儀的評價指標(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(0.010.001)nm/mm，甚至更大。33光譜儀的評價指標(biāo)分辨率分辨率是表示光譜儀分開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，同時還與儀器的狹縫寬度、衍射、像差、兩條譜線強度分布及相對位置、記錄顯示裝置的探測靈敏度有關(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。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1.4105。衍射光柵光譜儀的分辨率可達5105，

14、干涉光譜儀的分辨率最高可達5107。實際光譜儀性能指標(biāo)光譜學(xué)測量的基礎(chǔ)是測量光輻射與波長的對應(yīng)關(guān)系。一般來說，光譜學(xué)測量的直接結(jié)果是由很多個離散的點構(gòu)成曲線，每個點的橫坐標(biāo)（X軸）是波長，縱坐標(biāo)（Y軸）是在這個波長處的強度。因此，一個光譜儀的性能，可以粗略地分為下面幾個大類： 波長范圍（在X軸上的可以測量的范圍） 波長分辨率（在X軸上可以分辨到什么程度的信號變化） 噪聲等效功率和動態(tài)范圍（在Y軸上可以測量的范圍） 靈敏度與信噪比（在Y軸上可以分辨到什么程度的信號變化）雜散光與穩(wěn)定性（信號的測量是否可靠？是否可重現(xiàn)）采樣速度和時序精度（一秒鐘可以采集多少個完整的光譜？采集光譜的時刻是否精確？）

15、34實際光纖光譜儀技術(shù)指標(biāo)35荷蘭Avantes實際光柵光譜儀技術(shù)指標(biāo)Omni-150Omni-300Omni-500Omni-750焦距(mm)150300500750相對孔徑f/4.2f/3.9f/6.5f/9.7光學(xué)結(jié)構(gòu)C-T機械掃描范圍(nm)0-9000-1200分辨率(nm)0.40.10.050.03倒線色散(nm/mm)5.42.71.71.1波長準(zhǔn)確度(nm)0.250.2波長重復(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)