S3 光電檢測技術(shù) 03

C3光電檢測技術(shù)理學(xué)院宋旸22C3光電檢測技術(shù)3.1光電直接檢測技術(shù)3.2光電外差檢測技術(shù)3.3激光干涉測試技術(shù)3.4激光衍射測量技術(shù)3激光干涉測量技術(shù)33光電檢測技術(shù)43.3激光干涉測量技術(shù)干涉測量技術(shù)是以光波干涉原理為基礎(chǔ)進(jìn)行測量的一門技術(shù)。20世紀(jì)60年代以來，由于激光的出現(xiàn)、隔振條件的改善及電子與計算機(jī)技術(shù)的成熟，使干涉測量技術(shù)得到長足發(fā)展。干涉測量技術(shù)大都是非接觸測量，具有很高的測量靈敏度和精度。在激光干涉測量技術(shù)中，常用邁克爾遜干涉儀、馬赫-澤德干涉儀、菲索干涉儀、泰曼—格林干涉儀等。干涉測量廣泛應(yīng)用于位移、長度、角度、面形、介質(zhì)折射率的變化及振動等方面的測量。53.3激光干涉測量技術(shù)具有更高的測試靈敏度和準(zhǔn)確度絕大部分的干涉測試都是非接觸式的，不會對被測件帶來表面損傷和附加誤差較大的量程范圍特點(diǎn)抗干擾能力強(qiáng)63.3激光干涉測量技術(shù)干涉測試技術(shù)按光波分光方式按相干光束傳播路徑按用途分振幅式分波陣面式共程干涉非共程干涉靜態(tài)干涉動態(tài)干涉73.3激光干涉測量技術(shù)在干涉測量中，干涉儀以干涉條紋來反映被測件的信息。將光分成兩路，干涉條紋是兩路光光程差相同點(diǎn)聯(lián)成的軌跡。而光程差是干涉儀兩支光路光程之差，可表示成若把被測件放入干涉儀的一支光路中，干涉儀的光程差將隨著被測件的位置與形狀而變，干涉條紋也隨之變化，測量出干涉條紋的變化量，便可直接獲得、間接獲得與光程或折射率有關(guān)的各種被測信息。83.3激光干涉測量技術(shù)3.3.1激光比長儀3.3.2激光小角度干涉測量儀3.3.3激光全息干涉測量技術(shù)93.3.1激光比長儀激光比長儀采用激光器作光源，通過光波干涉比長的方法來檢定基準(zhǔn)米尺。激光波長具有高度的穩(wěn)定性，其復(fù)現(xiàn)精度可達(dá)10-8，所以用激光波長作長度基準(zhǔn)。激光干涉儀的輸出信號易于實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，這樣就提供了實(shí)現(xiàn)動態(tài)自動測量的可能性，從根本上解決了檢定基準(zhǔn)米尺的精度與效率的問題。103.3.1激光比長儀He-Ne激光器1發(fā)出的激光束經(jīng)平行光管2后將光束變?yōu)楣獍咧睆竭_(dá)50mm的平行光，經(jīng)反射鏡3和分光器4后將光束分為兩路。113.3.1激光比長儀一路光透過分光器4經(jīng)反射鏡5射入固定角錐棱鏡6；另一路光由分光器反射至可動角錐棱鏡7。123.3.1激光比長儀一路光透過分光器4經(jīng)反射鏡5射入固定角錐棱鏡6；另一路光由分光器反射至可動角錐棱鏡7。分光器4至固定角錐棱鏡6為一固定的光程，分光器4至可動角錐棱鏡7為一隨工作臺11移動而改變的光程。兩者的光程差為激光半波長的偶數(shù)倍時出現(xiàn)亮條紋，奇數(shù)倍時出現(xiàn)暗條紋。工作臺11連續(xù)移動時就會產(chǎn)生亮暗交替變化的條紋。133.3.1激光比長儀移相板8將干涉圖樣分為上下兩部分，兩部分的位相差為900。分像棱鏡組9將兩組位相差為900的干涉條紋分別引入兩個光電探測器12，光電探測器將亮暗交替變化的光信號變?yōu)閮陕废嗖顬?00的電信號，經(jīng)過放大整形電路13實(shí)現(xiàn)倍頻處理后傳遞給計算機(jī)14。143.3.1激光比長儀裝在橫梁上的雙管差動式動態(tài)光電顯微鏡10供作瞄準(zhǔn)被檢測尺上的刻線用。當(dāng)工作臺11運(yùn)動，即基準(zhǔn)尺的刻線通過光電顯微鏡的兩個狹縫時，刻線的影像即被置于兩個狹縫后面的光電探測器15所分別接收，經(jīng)差動放大器16、觸發(fā)器17轉(zhuǎn)換成電脈沖作計算機(jī)開始計數(shù)和終止計數(shù)的指令信號。計算機(jī)的計算結(jié)果送人顯示器和打印機(jī)，實(shí)現(xiàn)顯示和打印。153.3.1激光比長儀要求理解基本工作原理，明確元件功能，及信號處理流程。163.3.2激光小角度干涉測量儀

激光小角度干涉儀是利用激光干涉測位移和三角正弦原理來測量角度的儀器。173.3.2激光小角度干涉測量儀激光器1發(fā)出的激光光束經(jīng)分光鏡3分成兩路，一路沿光路a射向角錐棱鏡2，一路沿光路b射向參考鏡4。183.3.2激光小角度干涉測量儀當(dāng)角錐棱鏡在位置I時，沿光路a前進(jìn)的光束經(jīng)角錐棱鏡反射后，沿光路c射向反射鏡5，并從原路返回至分光器，與從b路返回的參考光束會合而產(chǎn)生干涉。193.3.2激光小角度干涉測量儀當(dāng)角錐棱鏡移到位置Ⅱ后，沿光路a前進(jìn)的光束由于棱鏡Ⅱ及平面反射鏡的作用，使它們?nèi)园丛较蚍祷兀瑥亩铣晒饴?的方向不變，干涉圖形相對接收元件的位置保持不變。203.3.2激光小角度干涉測量儀已知棱鏡轉(zhuǎn)動半徑R，由三角正弦關(guān)系得被測角。棱鏡在位置I、Ⅱ的光程差為

213.3.2激光小角度干涉測量儀為提高測量裝置的靈敏度，在對稱直徑位置上布置兩個角錐棱鏡。在這種情況下，干涉儀經(jīng)過兩次光倍頻，使得輸出的每一條干涉條紋相應(yīng)的光程差減半?？赡嬗嫈?shù)器采用四倍頻，則每計一個數(shù)對應(yīng)的長度再減小到1/4儀器的測量范圍為±5o，在±1o內(nèi)，儀器的最大測量誤差為±0.05”。223.3.2激光小角度干涉測量儀由激光器1發(fā)出的激光光束經(jīng)移動式轉(zhuǎn)向反射鏡2反射至分光器3，激光束被分成兩束，其中一束經(jīng)五棱鏡4轉(zhuǎn)向，其后，這兩束光分別射向兩個角錐棱鏡5上，經(jīng)角錐棱鏡反射后，在分光器上匯合并產(chǎn)生干涉。角錐棱鏡被固定在旋轉(zhuǎn)工作臺6上，它的旋轉(zhuǎn)改變了上述兩光束的光程差。這種裝置的測量范圍可達(dá)95o，測量精度可達(dá)0.3”。233.3.3激光全息測量技術(shù)概念：全息的概念早在1948年就由英國的Gabor提出。所謂全息就是在攝影底片上同時記錄物光波的振幅和位相的全部信息，通過再現(xiàn)，可以獲得物光波的立體像。全息術(shù)是一種兩步成像技術(shù)：記錄，即以干涉條紋的形式在底片上存儲被攝物體的光強(qiáng)和位相再現(xiàn)，即用光衍射原理來重現(xiàn)被記錄物體的三維形狀243.3.3激光全息測量技術(shù)記錄，即以干涉條紋的形式在底片上存儲被攝物體的光強(qiáng)和位相253.3.3激光全息測量技術(shù)再現(xiàn)，即用光衍射原理來重現(xiàn)被記錄物體的三維形狀263.3.3激光全息測量技術(shù)全息術(shù)與普通照相相比具有以下特點(diǎn)：三維性：全息術(shù)能獲得物體的三維信息，成立體像?？蛊茐男裕喝D的一部分就可以再現(xiàn)出物體的全貌，僅成像的亮度降低、分辨力下降，而且全息圖不怕油污和擦傷。信息容量大。光學(xué)系統(tǒng)簡單，原則上無須透鏡成像。273.3.3激光全息測量技術(shù)①全息圖的記錄設(shè)參考光波為θ全息底片物光波O

P參考光波

z

y全息圖的記錄過程圖示令則有283.3.3激光全息測量技術(shù)①全息圖的記錄對于物體光波，由于入射到全息底片上各點(diǎn)的振幅和位相均為(x,y)的函數(shù)，故P(x,y)點(diǎn)物體光波電場分布為全息底片僅對光強(qiáng)起反應(yīng)，而光強(qiáng)可表示為光波振幅的平方，即注意與參考光波的比較293.3.3激光全息測量技術(shù)①全息圖的記錄該式表明，全息底片上的光強(qiáng)分布按正弦規(guī)律分布，而且干涉條紋的亮度和形狀主要由物光波決定，因此物體光波的振幅和相位以光強(qiáng)的形式記錄在全息底片上。全息底片經(jīng)過顯影和定影處理后，就成為全息圖(又稱全息干板)。303.3.3激光全息測量技術(shù)②物光波的再現(xiàn)如果處理過的全息干板的透過率和曝光光強(qiáng)成線性關(guān)系，則其透過率為線性部分

HtOt-H曲線313.3.3激光全息測量技術(shù)②物光波的再現(xiàn)如果用和參考光一樣的光波再現(xiàn)全息圖，則得到的透射光波為全息底片虛像O照明光波z

y物光波的再現(xiàn)圖示再現(xiàn)物波323.3.3激光全息測量技術(shù)②物光波的再現(xiàn)全息底片虛像O照明光波z

y物光波的再現(xiàn)圖示再現(xiàn)物波在整個全息圖上近似為常數(shù)，則該項正好是一個常數(shù)乘上一個物體光波，它表示一個與物體光波相同的透射光波，這個光波具有原始光波所具有的一切性質(zhì)，如果迎著該光波觀察就會看到一個和原來一模一樣的“物體”。所以，這個透射光波是原始物體波前的再現(xiàn)。由于再現(xiàn)時實(shí)際物體并不存在，該像只是衍射光線的反向延長線所構(gòu)成，稱之為原始物體的虛像或原始像。333.3.3激光全息測量技術(shù)②物光波的再現(xiàn)該項也含有物體光波的振幅和位相信息，但是它和物光波前進(jìn)方向不同，這可以從位相項中看出。它所表示的光波是比照明光波更偏離z軸的光束波前。前的負(fù)號預(yù)示著再現(xiàn)光波對原始物體光波在相位上是共軛的。這表示的光波在全息圖后邊某處形成原始物體的一個實(shí)像。全息底片實(shí)像（共軛像）O照明光波zy物光波的再現(xiàn)圖示虛像（原始像）343.3.3激光全息測量技術(shù)②物光波的再現(xiàn)該項是在照明光束方向傳播的光波，它經(jīng)過全息圖后不偏轉(zhuǎn)，但是振幅會發(fā)生變化。全息底片實(shí)像（共軛像）O照明光波zy物光波的再現(xiàn)圖示虛像（原始像）全息圖的再現(xiàn)可以看作是一復(fù)雜光柵產(chǎn)生衍射，包含零級，+1級與-1級衍射光波353.3.3激光全息測量技術(shù)由于全息圖記錄的是物體光波和參考光波產(chǎn)生的干涉條紋，它分布于整個全息圖上，因此，如果全息圖缺損一部分，僅減少了干涉條紋所占的面積，降低了再現(xiàn)象的亮度和分辨力，而對再現(xiàn)像的位置和形狀是毫無影響的。這就是說，全息圖對缺損、劃傷、油污、灰塵等沒有嚴(yán)格要求，這一點(diǎn)在應(yīng)用中具有重要意義。363.3.3激光全息測量技術(shù)③全息術(shù)對光源的要求由全息術(shù)的原理知道，全息圖的記錄和再現(xiàn)依賴于光的干涉和衍射效應(yīng)。因此，全息術(shù)對所用光源的要求不僅同普通照相一樣具有能使底片得以曝光的光能輸出，而且應(yīng)具有為滿足光束的干涉和衍射所必須的時間相干性和空間相干性—一般選擇激光器。④全息底片的要求全息底片一般采用在玻璃板基片上涂敷一層光敏鹵化物膜層（俗稱照相乳膠）制成的全息干板。對全息底片主要要求是分辨力。一般干涉條紋的密度是800lp/mm。因此，全息底片的分辨力要求是很高的，普通底片不能滿足要求。373.3.3激光全息測量技術(shù)全息干涉測試技術(shù)是全息術(shù)應(yīng)用于實(shí)際最早也是最成熟的技術(shù)，它把普通的干涉測試技術(shù)同全息術(shù)結(jié)合起來，具有許多獨(dú)特的優(yōu)勢：1）全息干涉技術(shù)則能夠?qū)θ我庑螤詈痛植诒砻娴娜S表面進(jìn)行測量，測量不確定度可達(dá)光波波長數(shù)量級。2）全息圖的再現(xiàn)像具有三維性質(zhì)，因此全息干涉技術(shù)可以從不同視角觀察一個形狀復(fù)雜的物體，一個干涉全息圖相當(dāng)于用一般干涉進(jìn)行多次觀察。3）全息干涉技術(shù)是比較同一物體在不同時刻的狀態(tài)，因此，可以測試該段時間內(nèi)物體的位置和形狀的變化。4）全息干涉圖是同一被測物體變化前后的狀態(tài)的記錄，不需要比較基準(zhǔn)件，對任意形狀和粗糙表面的測試比較有利。383.3.3激光全息測量技術(shù)全息干涉方法包括：①單次曝光法（實(shí)時法）；②二次曝光法；③多次曝光法；④連續(xù)曝光法（時間平均法）；⑤非線性記錄；⑥多波長干涉；393.3.3激光全息測量技術(shù)①靜態(tài)二次曝光全息干涉法原理：二次曝光全息干涉法是將兩個具有一定位相差的光波分別與同一參考光波相干涉，分兩次曝光記錄在同一張全息底片上。當(dāng)用與參考光完全相同的再現(xiàn)光照射該全息圖時，就可以再現(xiàn)出兩個互相重疊的具有一定位相差的物光波。當(dāng)迎著物光波觀察時，就可以觀察到在再現(xiàn)物體上產(chǎn)生的干涉條紋。403.3.3激光全息測量技術(shù)①靜態(tài)二次曝光全息干涉法413.3.3激光全息測量技術(shù)①靜態(tài)二次曝光全息干涉法設(shè)第一次曝光時物光波為設(shè)參考光為則第一次曝光在底片上的曝光量為設(shè)第二次曝光時物光波為設(shè)參考光仍為則第二次曝光在底片上的曝光量為423.3.3激光全息測量技術(shù)①靜態(tài)二次曝光全息干涉法兩次曝光后，全息底片上總的曝光量分布為若把曝光時間取為1，并假設(shè)底片工作在線性區(qū)，比例系數(shù)取為1，則底片經(jīng)過顯影、定影處理后得到全息圖的振幅透射比分布為433.3.3激光全息測量技術(shù)①靜態(tài)二次曝光全息干涉法用與參考光完全相同的光波再現(xiàn)全息圖，則透射全息圖的光波復(fù)振幅分布為背景光兩次曝光時兩個物光波相干疊加的合成波——產(chǎn)生干涉合成波的共軛波——也產(chǎn)生干涉443.3.3激光全息測量技術(shù)①靜態(tài)二次曝光全息干涉法現(xiàn)在將兩物光波的復(fù)振幅分布代入第二項，則有其相應(yīng)的強(qiáng)度分布為透射光波中出現(xiàn)條紋。該條紋是由物體在前后兩次曝光之間變形引起位相分布的變化引起的。453.3.3激光全息測量技術(shù)②實(shí)時法全息干涉原理：將對物體曝光一次的全息圖經(jīng)顯影和定影處理后在原來攝影裝置中精確復(fù)位，再現(xiàn)全息圖時，再現(xiàn)像就重疊在原來的物體上。若物體稍有位移或變形，就可以看到干涉條紋。設(shè)物光波和參考光波在全息底片上形成的光場分布分別為經(jīng)過曝光、顯影和定影處理后得到的全息底片透射率分布為463.3.3激光全息測量技術(shù)②實(shí)時法全息干涉把經(jīng)過處理后獲得的全息圖復(fù)位，并用原參考光波R和變形后的物光波A1同時照射全息圖，設(shè)變形后的物光波透過全息圖的光場復(fù)振幅分布是物光A參考光R全息圖a)記錄過程物物光A1再現(xiàn)光R全息圖b)再現(xiàn)過程變形后物ⅢⅠ,ⅥⅡ,ⅣⅤ實(shí)時法全息圖的記錄與波面再現(xiàn)473.3.3激光全息測量技術(shù)②實(shí)時法全息干涉由第二項和第四項光疊加后的復(fù)振幅分布為疊加后的光強(qiáng)分布是干涉后的光強(qiáng)分布僅僅與原物光波和變形后的物光波的相位差有關(guān)。當(dāng)這一相位差分別等于π的偶數(shù)倍或奇數(shù)倍時，就分別得到亮條紋或暗條紋。實(shí)時法全息干涉技術(shù)在實(shí)際工作中要求全息圖必須嚴(yán)格復(fù)位，否則直接影響測試準(zhǔn)確度。483.3.3激光全息測量技術(shù)③時間平均法多次曝光全息干涉技術(shù)的概念可以推廣到連續(xù)曝光這一極限情況，結(jié)果得到所謂的時間平均全息干涉測試技術(shù)。這種方法是對周期性振動物體做一次曝光而形成。當(dāng)記錄的曝光時間大于物體振動周期時，全息圖上就會有效地記錄許多像的總效果，物體振動的位置和時間平均相對應(yīng)。當(dāng)這些光波又重新再現(xiàn)出來時，它們在空間上必然要相干疊加。由于物體上不同點(diǎn)的振幅不同而引起的再現(xiàn)波相位不同，疊加結(jié)果是再現(xiàn)像上必然會呈現(xiàn)和物體的振動狀態(tài)相對應(yīng)的干涉條紋，亦即產(chǎn)生和振動的振幅相關(guān)的干涉條紋。493.3.3激光全息測量技術(shù)③時間平均法懸臂板一階振型時間平均法可用非接觸方法來獲得振動體的振動模，能對整個二維擴(kuò)散的表面精密地測出振動的振幅。測量對象以粗糙面較為適宜，同時，可對小至晶體振子大至擴(kuò)音器、樂器、渦輪機(jī)翼等進(jìn)行振動分析。503.3.3激光全息測量技術(shù)③時間平均法渦輪葉片在不同激振頻率下的振型時間平均全息干涉技術(shù)是研究正弦振動的最好工具，也可以用于研究非正弦運(yùn)動，是振動分析的基本手段。513.3.3激光全息測量技術(shù)④全息干涉測量技術(shù)應(yīng)用舉例氣缸內(nèi)孔表面檢測圓柱內(nèi)孔的精密測量具有重要應(yīng)用意義，如活塞、液壓泵、波導(dǎo)管等內(nèi)孔的指標(biāo)是圓度和直線性。用全息干涉方法精密測量氣缸內(nèi)孔圓度、直線性具有明顯優(yōu)勢。523.3.3激光全息測量技術(shù)④全息干涉測量技術(shù)應(yīng)用舉例氣缸內(nèi)孔表面檢測平行激光束照射在錐形透鏡Ll上。該透鏡一面是平面，一面是錐面，中間有一個孔，孔內(nèi)裝凹透鏡L2。測量光束通過錐形透鏡Ll

后發(fā)散，以掠入射的方式照射到內(nèi)孔壁上形成一次反射。533.3.3激光全息測量技術(shù)④全息干涉測量技術(shù)應(yīng)用舉例氣缸內(nèi)孔表面檢測出射的測量光束經(jīng)過透鏡L3和L4使光束成圓環(huán)式照射到全息底片H上。由于光束與氣缸內(nèi)壁的夾角很小，即使相當(dāng)粗糙的表面仍能形成鏡面反射。543.3.3激光全息測量技術(shù)④全息干涉測量技術(shù)應(yīng)用舉例氣缸內(nèi)孔表面檢測參考光束取自激光束的中心區(qū)，該部分光束經(jīng)透鏡L2后發(fā)散，直接穿過內(nèi)孔并由透鏡L3聚焦，最后經(jīng)L4發(fā)散地照射到全息底片上，與測量光束發(fā)生干涉。屏S1內(nèi)有一窄環(huán)，只能讓鏡面反射光通過，而擋住雜散光。553.3.3激光全息測量技術(shù)④全息干涉測量技術(shù)應(yīng)用舉例氣缸內(nèi)孔表面檢測檢測時先用合格的圓孔做一張全息圖作為標(biāo)準(zhǔn)，然后復(fù)位到底片架原來的位置上，在屏幕上觀察是否有干涉條紋，沒有干涉條紋說明復(fù)位正確。沒有被測工件時，全息衍射中包含了標(biāo)準(zhǔn)圓孔的光波信息。563.3.3激光全息測量技術(shù)④全息干涉測量技術(shù)應(yīng)用舉例氣缸內(nèi)孔表面檢測然后用一個被檢測內(nèi)孔取代標(biāo)準(zhǔn)件，被測工件上的反射光波也進(jìn)入全息圖，當(dāng)工件與標(biāo)準(zhǔn)工件表面出現(xiàn)差異時，屏上出現(xiàn)干涉條紋。通過對干涉條紋的分析計算，獲得待測工件的形狀誤差(圓度和直線性)。573.3.3激光全息測量技術(shù)④全息干涉測量技術(shù)應(yīng)用舉例氣缸內(nèi)孔表面檢測標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)孔與被測內(nèi)孔表面之間的徑向誤差為n為被測條紋的級數(shù)。夾角為入射平行光與軸之間的角度。此方法的測量限制是長度與半徑之比不能超過10:1。一個條紋相當(dāng)于3微米。夾角不