激光測(cè)量技術(shù)-第二章 激光干涉測(cè)量技術(shù)

第二章激光干涉測(cè)量技術(shù)本章主要內(nèi)容:背景知識(shí)概述（重點(diǎn)）第一節(jié)干涉測(cè)量長(zhǎng)度和位移（重點(diǎn)）第二節(jié)小角度測(cè)量?jī)x(合并第一節(jié))第三節(jié)外差干涉測(cè)量技術(shù)（重點(diǎn)）第四節(jié)激光全息干涉測(cè)量技術(shù)第五節(jié)激光散斑干涉測(cè)量技術(shù)第六節(jié)激光光纖干涉測(cè)量技術(shù)第七節(jié)激光多波長(zhǎng)干涉測(cè)長(zhǎng)技木2006年3月6日星期一一、背景知識(shí)概述1、激光干涉的條件頻率相同相位差初始恒定振動(dòng)方向相同（非正交）小于波列長(zhǎng)度（Δτ≤1/Δυ）

2、干涉數(shù)學(xué)表達(dá)式：三角表示法設(shè)：兩路激光分別為2006年3月6日星期一一、背景知識(shí)概述則合成有：因?yàn)楣鈴?qiáng)與振幅有關(guān)：I≈A22006年3月6日星期一一、背景知識(shí)概述光的相位與走過(guò)的光程nl有關(guān)：已知發(fā)生相干條件，帶入2-1-2式：復(fù)指數(shù)表示法2006年3月6日星期一一、背景知識(shí)概述上兩種推導(dǎo)過(guò)程的結(jié)論：

合成干涉光的光程是兩路光的光程差的余弦函數(shù)當(dāng)合成干涉光光強(qiáng)最大,光越亮當(dāng)合成干涉光光強(qiáng)最小,光越暗

2006年3月6日星期一一、背景知識(shí)概述應(yīng)用光強(qiáng)調(diào)制

I∝cosΔ

測(cè)量臂差

測(cè)量明暗變化次數(shù),可測(cè)量臂差測(cè)量折射率

L均固定,只有一處折射率變化傳感器

通過(guò)物理量引起n或者L的變化,測(cè)出其變化,再經(jīng)過(guò)處理,反演出物理量的變化2006年3月6日星期一第一節(jié)干涉測(cè)量長(zhǎng)度和位移一、基本原理n均固定/已知,一路光的光程固定,由下公式可知,即測(cè)量位移和長(zhǎng)度通過(guò)測(cè)量光強(qiáng)的變化的次數(shù),測(cè)量某臂的光程變化:所以激光干涉測(cè)量一般是:1.相對(duì)測(cè)量2.增量式測(cè)量3.中間過(guò)程不可忽略,要監(jiān)視整個(gè)測(cè)量測(cè)量的過(guò)程2006年3月6日星期一§2.1一、基本原理以Michelson干涉儀為例:當(dāng)M2->M1’時(shí)當(dāng)干涉儀在真空時(shí),n=1,所以有:2006年3月6日星期一§2.1一、基本原理討論:溫場(chǎng)不均勻會(huì)有什么影響?G2的作用是什么?L0,Lr不等長(zhǎng)會(huì)有什么影響?干涉儀的測(cè)量精度能否大于半波長(zhǎng)?明暗變化的實(shí)質(zhì)是什么?一干涉測(cè)量系統(tǒng)的基本組成由哪些？

2006年3月6日星期一§2.1一、基本原理干涉儀的測(cè)量精度的保證是什么？震動(dòng)會(huì)帶來(lái)什么影響？E輸出光強(qiáng)分布，何為理想？2006年3月6日星期一§2.1二、系統(tǒng)的組成干涉測(cè)量系統(tǒng)的一般組成：激光干涉系統(tǒng)條紋計(jì)數(shù)計(jì)數(shù)和處理結(jié)果的電子機(jī)械系統(tǒng)2006年3月6日星期一§2.1二、系統(tǒng)的組成（一）干涉儀系統(tǒng)主要包括：光源分束器反射器補(bǔ)償元器件2006年3月6日星期一§2.1二、系統(tǒng)的組成激光器的選型和要求

a、頻率穩(wěn)定測(cè)量精度

b、功率穩(wěn)定對(duì)比度，信號(hào)處理問(wèn)題

c、連續(xù)運(yùn)行不能間斷

d、TEM00

條紋復(fù)雜，空間干涉嚴(yán)重2006年3月6日星期一§2.1二、系統(tǒng)的組成2.分束方法分波陣面法-------勞埃德鏡振幅不變、相位分布不均勻，易受大氣影響2006年3月6日星期一§2.1二、系統(tǒng)的組成分振幅法------半透半反鏡，立體分光鏡振幅減小，相位均勻，易于固定2006年3月6日星期一§2.1二、系統(tǒng)的組成分偏振法（PBS）-------多次反射、沃拉斯頓棱鏡偏振光干涉2006年3月6日星期一§2.1二、系統(tǒng)的組成3.常用反射器a平面反射器易收偏轉(zhuǎn)影響，引入額外相位差b角錐棱鏡抗偏擺、俯仰，常用元件c直角棱鏡抗單一方向的偏轉(zhuǎn)，加工容易d貓眼反射器加工容易，不引入額外的光程2006年3月6日星期一§2.1二、系統(tǒng)的組成4其他元件1）起偏器a多次折返布諾斯特角b晶體二色性c晶體偏振器如：格蘭湯姆遜棱鏡沃拉斯特棱鏡2)波片---偏振及相位補(bǔ)償a?波片b?波片c全波片d平行平板2006年3月6日星期一§2.1二、系統(tǒng)的組成典型光路布置

布置原則:1)共路原則消除振動(dòng)、溫度、氣流等影響

2）考慮測(cè)量精度、條紋對(duì)比度、穩(wěn)定性及實(shí)用性等因素

3）避免光返回激光器2006年3月6日星期一§2.1二、系統(tǒng)的組成1）使用角錐棱鏡平面反射式的缺點(diǎn)：光返回激光器，引起激光不穩(wěn)定。M1M2對(duì)偏轉(zhuǎn)、振動(dòng)影響無(wú)消除能力a雙角錐特點(diǎn):消除光返回激光器,抗偏轉(zhuǎn)及振動(dòng),加工,安裝精度要求高

平面反射式2006年3月6日星期一§2.1二、系統(tǒng)的組成b單角錐特點(diǎn):加工精度要求降低,但安裝精度沒(méi)有變化2006年3月6日星期一§2.1二、系統(tǒng)的組成C一體化結(jié)構(gòu)緊湊,加工精度有所提高,安裝精度下降2006年3月6日星期一§2.1二、系統(tǒng)的組成d雙光程特點(diǎn):激光還是返回激光器,靈敏度提高一倍,l=kλ/42006年3月6日星期一§2.1二、系統(tǒng)的組成整體布局

優(yōu)點(diǎn):抗干擾好,抗動(dòng)鏡多自由度變化能力，靈敏度高一倍缺點(diǎn)：不方便，吸收嚴(yán)重2006年3月6日星期一§2.1二、系統(tǒng)的組成光學(xué)倍頻

L=Kλ/2k2006年3月6日星期一§2.1二、系統(tǒng)的組成零光程差

Lr

與Lm相等且同向安置,消除環(huán)境的影響,提高精度2006年3月6日星期一§2.1二、系統(tǒng)的組成(二)、干涉條紋計(jì)數(shù)與測(cè)量結(jié)果干涉條紋計(jì)數(shù)的要求：能夠判斷方向，避免反向、大氣、環(huán)境振動(dòng)以及導(dǎo)軌的誤差影響能夠細(xì)分，提高分辨率這樣需要相位相差90度的兩個(gè)電信號(hào)輸出，即一個(gè)按光程正弦變化，一個(gè)余弦變化

2006年3月6日星期一§2.1二、系統(tǒng)的組成移相器常用移相器種類(lèi)機(jī)械法移相階梯板和翼形板移相金屬膜移相分偏振法移相

2006年3月6日星期一§2.1二、系統(tǒng)的組成機(jī)械法移相

形成等厚干涉特點(diǎn):簡(jiǎn)單條紋間距易變,使信號(hào)不完全正交屬于分波陣面移相，容易受大氣擾動(dòng)引起波陣面畸變的影響。2006年3月6日星期一§2.1二、系統(tǒng)的組成階梯板和翼形板移相階梯板d=λ/8翼形板:采用階梯板或翼形板移相同樣容易受大氣擾動(dòng)引起波陣面畸變的影響。2006年3月6日星期一§2.1二、系統(tǒng)的組成金屬膜移相原理：利用金屬膜表面反射和透射時(shí)都產(chǎn)生附加位相差的原理，在分光器的分光面上鍍上金屬膜做成金屬膜分幅移相器優(yōu)點(diǎn)是兩光束受振動(dòng)和大氣擾動(dòng)的影響相同，元件少，結(jié)構(gòu)緊湊。缺點(diǎn)是兩相干光束的光強(qiáng)不同，影響條紋對(duì)比度兩反兩透均一透一反2006年3月6日星期一§2.1二、系統(tǒng)的組成分偏振法移相特點(diǎn):

結(jié)構(gòu)較復(fù)雜不受大氣影響,可靠2006年3月6日星期一§2.1二、系統(tǒng)的組成干涉條紋的計(jì)數(shù)及判向原理得到4個(gè)相位相差90度的信號(hào):sin→cos→-sin→-cos2006年3月6日星期一§2.1二、系統(tǒng)的組成當(dāng)1324定義為正向當(dāng)存在反向時(shí)1后邊出現(xiàn)的應(yīng)該是?所以只須判斷第二和第四信號(hào)的脈沖次序即可由于相差為90度,一個(gè)計(jì)數(shù)對(duì)應(yīng)的是0.25個(gè)波長(zhǎng)所以L(fǎng)=Kλ/8,分辨率提高4倍,稱(chēng)為四倍頻計(jì)數(shù)?如何提高分辨率(細(xì)分)?2006年3月6日星期一§2.1三、條紋的對(duì)比度定義:明暗變化的比值明暗變化的強(qiáng)度越大,PD感測(cè)出的信號(hào)信噪比越好

當(dāng)兩干涉光的光強(qiáng)相等時(shí),對(duì)比度越好影響干涉條紋對(duì)比度的因素:

相干性、偏振態(tài)、光強(qiáng)、背景光、各種環(huán)境因素如振動(dòng)、熱變性等

2006年3月6日星期一§2.1四、應(yīng)用舉例1、比長(zhǎng)儀2、激光跟蹤儀3、Renishaw干涉儀4、小角度測(cè)量?jī)x2006年3月6日星期一§2.1應(yīng)用舉例--比長(zhǎng)儀應(yīng)用:對(duì)刻尺進(jìn)行標(biāo)定或檢測(cè)2006年3月6日星期一§2.1應(yīng)用舉例--激光跟蹤儀應(yīng)用:測(cè)量已知目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡或者位置API公司:2006年3月6日星期一§2.1應(yīng)用舉例--Renishaw干涉儀優(yōu)點(diǎn):去掉直流分量和實(shí)現(xiàn)共膜抑制三個(gè)信號(hào)完全共路,去掉外界噪聲,保證低頻的穩(wěn)定性2006年3月6日星期一§2.1應(yīng)用舉例--小角度測(cè)量?jī)x2006年3月6日星期一作業(yè)1、試設(shè)計(jì)一測(cè)量空氣折射率的干涉測(cè)量系統(tǒng)2、設(shè)計(jì)一干涉測(cè)量系統(tǒng)，測(cè)量機(jī)床導(dǎo)軌的某一方向的偏擺角度2006年3月6日星期一§2.1應(yīng)用舉例--小角度測(cè)量?jī)x小角度測(cè)量?jī)x:測(cè)量范圍一般在±1°以?xún)?nèi)，最大測(cè)量誤差±0.05″,采用下圖,可達(dá)95°,測(cè)量精度±0.3″2006年3月6日星期一§2.3激光外差干涉測(cè)量系統(tǒng)傳統(tǒng)干涉測(cè)量系統(tǒng)的特點(diǎn)測(cè)量精度高前置放大器為直流放大器對(duì)環(huán)境要求高，不允許光強(qiáng)有較大的變化抗干擾能力差，一般工作在恒溫、防震條件下2006年3月6日星期一§2.3激光外差干涉測(cè)量系統(tǒng)在某一光臂中引入一定頻率的載波，被測(cè)信息通過(guò)載波傳遞，使前置放大器可采用交流放大器，可以隔絕由于外界條件引起的直流電平漂移，可在現(xiàn)場(chǎng)穩(wěn)定工作這種利用外差技術(shù)的干涉儀，稱(chēng)為外差干涉儀或者交流（AC）干涉儀解決：1、濾掉了背景噪聲2、濾掉了直流放大器的噪聲2006年3月6日星期一§2.3激光外差干涉測(cè)量系統(tǒng)一、Zeeman雙頻激光干涉儀2006年3月6日星期一§2.3激光外差干涉測(cè)量系統(tǒng)1、PD上的信號(hào)2006年3月6日星期一§2.3激光外差干涉測(cè)量系統(tǒng)2、測(cè)量臂

由于M2的運(yùn)動(dòng)由Doppler效應(yīng)知：對(duì)入射光：對(duì)反射光：總的變化：2006年3月6日星期一§2.3激光外差干涉測(cè)量系統(tǒng)N為脈沖的數(shù)量所以:PD1的輸出信號(hào)頻率:v1-v2PD2的輸出信號(hào)頻率:v1-(v2±Δf)

λ為測(cè)量臂的波長(zhǎng)2006年3月6日星期一§2.3激光外差干涉測(cè)量系統(tǒng)3、后續(xù)電路2006年3月6日星期一§2.3激光外差干涉測(cè)量系統(tǒng)看看其能力：電路靜態(tài)頻率：V1-V2動(dòng)態(tài)頻率：(V1-V2）±Δf為不失真,Δf≤

1/3(V1-V2)所以對(duì)于一個(gè)雙頻激光干涉儀其最大的測(cè)量速度為:v≤λ/6(V1-V2)2006年3月6日星期一§2.3激光外差干涉測(cè)量系統(tǒng)二、其他外差干涉儀Zeeman：頻差1.5-1.8MHz動(dòng)鏡移動(dòng)速率小于300mm/sAOM（Acousto-Optic-Modulator)/Bragg器件：

產(chǎn)生的一級(jí)衍射光束的頻率為ν0±νs，Vs可達(dá)幾十兆Hz2006年3月6日星期一§2.3激光外差干涉測(cè)量系統(tǒng)三、應(yīng)用1、測(cè)量角度/偏擺2006年3月6日星期一§2.3激光外差干涉測(cè)量系統(tǒng)2、測(cè)量空氣折射率2006年3月6日星期一§2.3激光外差干涉測(cè)量系統(tǒng)2006年3月6日星期一§2.3激光外差干涉測(cè)量系統(tǒng)3、測(cè)量振動(dòng)2006年3月6日星期一3、測(cè)量振動(dòng)2006年3月6日星期一3、測(cè)量振動(dòng)2006年3月6日星期一§2.4激光全息干涉測(cè)量系統(tǒng)全息的來(lái)源:

1948年蓋伯(D.Gebar)提出用一個(gè)合適的相干照射全息圖，透射光的一部分就能重新模擬出原物的散射波前，于是重現(xiàn)一個(gè)與原物非常逼真的三維圖像。1960年激光的出現(xiàn)促進(jìn)了全息照相術(shù)的發(fā)展，全息術(shù)得到了不斷完善，為此他榮獲1971年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)2006年3月6日星期一§2.4激光全息干涉測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)用:全息測(cè)量系統(tǒng)無(wú)損檢測(cè)全息存儲(chǔ)全息電影全息防偽2006年3月6日星期一§2.4激光全息干涉測(cè)量系統(tǒng)一、基本原理其過(guò)程分：1、全息圖的記錄2、物光波再現(xiàn)1、全息圖的記錄普通照相：記錄了光的光強(qiáng)和顏色（頻率）每毫米只能記錄50～100個(gè)條紋記錄介質(zhì)：銀化物全息圖：記錄了波前信息：光強(qiáng)及相位每毫米記錄1000個(gè)以上條紋記錄介質(zhì)：鹵化銀乳膠和重鉻酸鹽乳膠2006年3月6日星期一§2.4激光全息干涉測(cè)量系統(tǒng)設(shè)物光：E0=A0ejΦ0則干板前的光強(qiáng)和相位分布應(yīng)該為x、y的函數(shù)即

E0=A0（x，y）ejΦ0（x，y）參考光束：平面波E0=ArejΦrΦr=2πsini/λy所以:E0=ArejΦr=Arejay

2006年3月6日星期一§2.4激光全息干涉測(cè)量系統(tǒng)所以干板上的光強(qiáng)分布:Ar固定和參考光相位ay是已知規(guī)律變化的所以:干板記錄的信息主要是記錄了物光的光強(qiáng)及相位信息2006年3月6日星期一§2.4激光全息干涉測(cè)量系統(tǒng)經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的照射,完成曝光,然后把干板取下,經(jīng)顯影、定影、制成全息底片以上過(guò)程稱(chēng)為全息記錄2006年3月6日星期一§2.4激光全息干涉測(cè)量系統(tǒng)2、物光波再現(xiàn)

全息底片的透射率是t（x，y）是記錄過(guò)程時(shí)曝光光強(qiáng)的非線(xiàn)性函數(shù)，取線(xiàn)性部分，則有重新復(fù)位全息底片，并去掉物體及物體照射光束2006年3月6日星期一2、物光波再現(xiàn)1232006年3月6日星期一2、物光波再現(xiàn)參考光的透射光束幅制被物光調(diào)制，方向不變與物光光波相同的透射光波方向不變，光強(qiáng)變化mAr2倍與2共軛的匯聚光波方向與2共軛，光強(qiáng)變化mAr2倍，相位疊加了一線(xiàn)性值2006年3月6日星期一2、物光波再現(xiàn)2006年3月6日星期一3、全息干涉條紋的調(diào)制度物光對(duì)參考光的相位和幅值進(jìn)行了調(diào)制

M成為振幅調(diào)制度，0≤M≤1當(dāng)嚴(yán)格按照余弦分布，也稱(chēng)條紋對(duì)比度2006年3月6日星期一二、干涉測(cè)量技術(shù)全息照相的特點(diǎn):三維立體圖（或四維）彩色圖片，永不變顏色不可撕毀性（冗余度大）一次拍攝，可以得到兩個(gè)圖像（原始像和共軛象）2006年3月6日星期一二、全息干涉測(cè)量技術(shù)單純的全息技術(shù)應(yīng)用:1、全息圖像顯示：

照片；圖片；郵票；書(shū)籍、雜志的封皮與插頁(yè)等。2、包裝、裝潢和防偽：

產(chǎn)品的包裝、標(biāo)牌和商標(biāo)；飾品；廣告；裝潢；人民幣；銀行卡；居民身份證等2006年3月6日星期一單純的全息技術(shù)應(yīng)用3、全息元件：

光柵；透鏡；波帶片等。4、光學(xué)信息處理技術(shù)：

圖像識(shí)別；圖像的消模糊和邊緣增強(qiáng);圖像的假彩色編碼。2006年3月6日星期一單純的全息技術(shù)應(yīng)用:5、全息存儲(chǔ)存儲(chǔ)容量大記錄速度快記錄信息不易丟失（冗余好）便于長(zhǎng)期保存便于拷貝Inphase公司的全息存儲(chǔ)器2006年3月6日星期一二、全息干涉測(cè)量技術(shù)單純的全息照相技術(shù),不能提供測(cè)量信息,但全息底片記錄了物光的某一狀態(tài)的波前信息,可以與新的物光信息形成干涉,可以利用干涉測(cè)量的技術(shù),今行測(cè)量分析工作1965年R.Powell和K.Stetsen提出,把干涉測(cè)量和全息技術(shù)相結(jié)合,進(jìn)行一些測(cè)量工作。常用的測(cè)量方法主要有:實(shí)時(shí)法二次曝光法時(shí)間平均法2006年3月6日星期一1.實(shí)時(shí)法一次全息圖制作→復(fù)原安裝→再現(xiàn)對(duì)準(zhǔn)應(yīng)用:實(shí)時(shí)觀(guān)察不同條件下的變形情況,如溫度\壓力\內(nèi)部情況特點(diǎn):只需一次制作全息底片方便,節(jié)省時(shí)間,特別適合透明介質(zhì)的一些現(xiàn)象復(fù)位精度要求高使用時(shí)間短,條件要求高,乳膠易收縮變形,產(chǎn)生附加條紋2006年3月6日星期一2.二次曝光法原位曝光/遮光→物體發(fā)生變化→再次曝光→顯影/定影→顯示觀(guān)察應(yīng)用:瞬態(tài)現(xiàn)象研究,如沖擊波、流體、燃燒等2006年3月6日星期一2.二次曝光法特點(diǎn)：不需要高復(fù)位精度不需要監(jiān)視變化整個(gè)過(guò)程原位完成所有過(guò)程，引入誤差小形成干涉條紋主要有變形和激光頻率變化引起，應(yīng)盡量激光頻率變化2006年3月6日星期一3.時(shí)間平均法注意:曝光時(shí)間遠(yuǎn)大于振動(dòng)的周期常用于振動(dòng)模式分析2006年3月6日星期一全息干涉測(cè)量的特點(diǎn)項(xiàng)目干涉技術(shù)全息干涉測(cè)量?jī)?yōu)點(diǎn)簡(jiǎn)單、光滑表面任意形狀、對(duì)表面幾乎無(wú)要求單點(diǎn)或多點(diǎn)測(cè)量三維表面需要全程檢測(cè)過(guò)程可僅比較起始和終了兩個(gè)時(shí)刻的狀態(tài)缺點(diǎn)范圍大，小于激光的相干長(zhǎng)度范圍小，僅幾十um全息測(cè)量的特點(diǎn)及與傳統(tǒng)干涉測(cè)量的比較2006年3月6日星期一三、應(yīng)用（一）尺寸和形狀測(cè)量1）全息長(zhǎng)度比較儀利用鑒相技術(shù)，可分辨到λ/100

2006年3月6日星期一（一）尺寸和形狀測(cè)量2）測(cè)量氣缸內(nèi)孔2006年3月6日星期一（一）尺寸和形狀測(cè)量3）測(cè)量表面粗糙度Ρ為物光和參考光亮度之比；K=exp（iφλ/R）φ物光和參考光相位之差R被測(cè)表面中心到H2的中心距離為粗糙度均方根值2006年3月6日星期一（一）尺寸和形狀測(cè)量4）發(fā)動(dòng)機(jī)活塞變形2006年3月6日星期一（二）缺陷檢測(cè)常用的方法:實(shí)時(shí)法和時(shí)間平均法原理:當(dāng)試件存在缺陷時(shí),在外觀(guān)、表面會(huì)存在變化，例如：脫膠、脫落、內(nèi)部裂紋等2006年3月6日星期一（三）振動(dòng)測(cè)量常用方法：時(shí)間平均法常測(cè)量：特殊要求的機(jī)械部件的振動(dòng)模態(tài)2006年3月6日星期一（二）粒子與流場(chǎng)分布測(cè)量常用方法：實(shí)時(shí)法、二次曝光法用途：測(cè)量透明介質(zhì)的一些物理場(chǎng)信息如：溫度、力場(chǎng)、流速、均勻性等信息2006年3月6日星期一§2.5激光散斑干涉測(cè)量系統(tǒng)1970年Leendez開(kāi)創(chuàng)了光學(xué)粗糙表面的干涉測(cè)量方法，稱(chēng)這種方法為散斑干涉測(cè)量一、基本的概念散斑：當(dāng)一束激光照射到物體的粗糙表面上時(shí)，其反射的光束中亮斑與暗斑的分布雜亂，顧稱(chēng)為散斑（Speckle）其實(shí)質(zhì)：經(jīng)粗糙表面漫反射后的光，空間干涉的結(jié)果，所以是非物體表面的像

其分布與照射的表面有關(guān)(小)2006年3月6日星期一一、基本的概念散斑產(chǎn)生的條件：1）粗糙表面，h>λ產(chǎn)生均勻散斑2）必須有高相干光散斑照相:被激光照射的粗糙表在透鏡的像面上形成的散斑圖同全息相比,散斑照相并不能提供測(cè)量的一些信息如果利用全息技術(shù)記錄某一時(shí)刻的散斑信息,利用變化后的形成的散斑干涉,可以進(jìn)行測(cè)量工作散斑干涉技術(shù):在散斑圖的基礎(chǔ),外加一相干的參考光,例如平面波,球面波或者穩(wěn)定的其他散圖均可應(yīng)用:測(cè)量位移、應(yīng)變、振動(dòng)、粗糙度等2006年3月6日星期一二、散斑干涉測(cè)量技術(shù)1、測(cè)量縱向位移當(dāng)O有位移時(shí)，參考光與物光 的相位差為：根據(jù)相干的條件當(dāng)δφ=2kπ時(shí)， 即：與初始上干涉狀態(tài)一致當(dāng)δφ=(2k+1)π時(shí),即:圖像明暗反轉(zhuǎn)2006年3月6日星期一1、測(cè)量縱向位移通過(guò)觀(guān)察散斑的明暗變化次數(shù),可以測(cè)量縱向位移當(dāng)H為全息干板,曝光周期大于振動(dòng)周期時(shí),在節(jié)點(diǎn)處,光強(qiáng)和相位不變化,其他位置,光強(qiáng)和相位發(fā)生變化,所以在節(jié)點(diǎn)處,高對(duì)比度,其他位置對(duì)比度下降,可以測(cè)量振幅及振動(dòng)模態(tài)2006年3月6日星期一2、測(cè)量橫向位移參考光與物光以相同夾角入射，方向關(guān)于Z對(duì)稱(chēng)當(dāng)物面沿Z向變化時(shí)，物光與參考光的相位變化一直，不產(chǎn)生額外相位差，散斑不變化當(dāng)物面有X，Y方向變化時(shí)光程變化為：相位變化為：當(dāng)Δ=2dsinθ=mλ時(shí)，恢復(fù)初始狀態(tài)2006年3月6日星期一三、電子散斑干涉測(cè)量技術(shù)（ESPI）ESPI：主要相對(duì)于傳統(tǒng)光學(xué)記錄方式而言，主要指CCD采集的散斑場(chǎng)信息，這樣可以進(jìn)行電子處理或者計(jì)算機(jī)處理。ESPI的特點(diǎn)：電子技術(shù)提取信息，可以直接顯示和保存散斑圖，操作簡(jiǎn)單、實(shí)用性強(qiáng)，自動(dòng)化程度高、可以進(jìn)行靜動(dòng)態(tài)測(cè)量，不需要復(fù)雜的顯影、定影及復(fù)定位技術(shù)要求普通散斑技術(shù)的特點(diǎn)：與全息類(lèi)似，需要干板記錄，條紋的計(jì)數(shù)和判向與傳統(tǒng)干涉類(lèi)似，但可以測(cè)量較粗糙的表面

2006年3月6日星期一三、電子散斑干涉測(cè)量技術(shù)（ESPI）基本原理CCD感受的光強(qiáng)為參考光的余弦調(diào)制當(dāng)Δφ=2kπ，光強(qiáng)不變當(dāng)Δφ=(2k+1)π，光強(qiáng)變化最劇烈其他,變化程度與Δφ有關(guān)2006年3月6日星期一基本原理ESPI處理:一般圖像間相減,其結(jié)果:

相減后,光強(qiáng)分布仍然是Δφ的余弦分布函數(shù),即干涉條紋與Δφ有關(guān),這種條紋反映出的是兩次散斑干涉間的光強(qiáng)分布之間的相關(guān)性,稱(chēng)為相關(guān)條文由于Δφ,與光程有關(guān),反應(yīng)出的是物面的變形或位移的多少2006年3月6日星期一四、散斑干涉測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用1、測(cè)量表面粗糙度2006年3月6日星期一四、散斑干涉測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用2、測(cè)量?jī)?nèi)孔的表面質(zhì)量2006年3月6日星期一§2.6激光光纖干涉測(cè)量技術(shù)一、基本概念光纖:光導(dǎo)纖維簡(jiǎn)稱(chēng)材料:玻璃-纖芯及包層為玻璃膠套硅光纖-芯玻璃包層塑料塑料-均為塑料類(lèi)型:階越式梯度型光纖特點(diǎn):

纖芯包層保護(hù)套1.傳輸頻帶寬、通訊容量大2.信號(hào)損耗低3.不受電磁波/環(huán)境光干擾4.線(xiàn)徑細(xì)、重量輕5.抗化學(xué)腐蝕

5.可彎曲2006年3月6日星期一一、基本概念對(duì)比光學(xué)器件組成的系統(tǒng),光纖測(cè)量系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì):

項(xiàng)目傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)光纖測(cè)量系統(tǒng)靈敏度小,精度低大,精度高穩(wěn)定性一般,易受環(huán)境影響好,不受大氣、電磁影響操作性較差，可調(diào)點(diǎn)多好，可調(diào)點(diǎn)少，僅調(diào)節(jié)物光束體積結(jié)構(gòu)復(fù)雜，光路復(fù)雜，體積大結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，重量輕，光路簡(jiǎn)單，應(yīng)用：航空/航天石油化工/采礦業(yè)醫(yī)療通訊圖像傳輸

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)傳感器等2006年3月6日星期一二、主要常用的光纖干涉儀結(jié)構(gòu)型式主要型式：邁克耳遜（Michelson）光纖干涉儀馬赫-澤德（Mach-Zehnder）光纖干涉儀薩格奈克(Sagnac)光纖干涉儀法布里-珀羅(Fabry-Perot)光纖干涉儀2006年3月6日星期一1.邁克耳遜（Michelson）光纖干涉儀優(yōu)點(diǎn):

結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,抗干擾,體積小,穩(wěn)定性好,可和激光集成,光可能返回激光器,要求激光高度穩(wěn)定應(yīng)用:點(diǎn)測(cè)量振動(dòng),位移,應(yīng)變,溫度等2006年3月6日星期一2.馬赫-澤德（Mach-Zehnder）光纖干涉儀特點(diǎn):

無(wú)返回光,不影響激光輸出自動(dòng)正余函數(shù)便于細(xì)分應(yīng)用:測(cè)量位移高電壓大電流磁場(chǎng)應(yīng)力等2006年3月6日星期一3.薩格奈克(Sagnac)光纖干涉儀光纖陀螺,測(cè)量角速度:由Doppler效應(yīng)知:2006年3月6日星期一4.法布里-珀羅(Fabry-Perot)光纖干涉儀又稱(chēng):F-P干涉儀特點(diǎn):多光束干涉,高靈敏度用途:波長(zhǎng)的精密測(cè)量光譜線(xiàn)精細(xì)結(jié)構(gòu)的研究

其間隔固定不變——法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具其間隔可以改變——法布里-珀羅干涉儀2006年3月6日星期一4.法布里-珀羅(Fabry-Perot)光纖干涉儀GG/A0相鄰兩光束到達(dá)透鏡L2焦平面某一點(diǎn)時(shí)的光程差和位相差分別為:各光束的位相依次為（假設(shè)第一束光的位相為零）干涉公式：2006年3月6日星期一三、光纖干涉儀應(yīng)用1）F-P干涉儀分析氣體成分2006年3月6日星期一2）光纖干涉測(cè)長(zhǎng)準(zhǔn)白光干涉2006年3月6日星期一3）光纖干涉儀測(cè)量溫度、壓力2006年3月6日星期一4）光纖陀螺特點(diǎn)：靈敏度高可達(dá)0.02’’/h質(zhì)量輕,體積小,成本低結(jié)構(gòu)緊湊,可作為制導(dǎo)、導(dǎo)航用。2006年3月6日星期一§2.6激光多波長(zhǎng)干涉測(cè)長(zhǎng)技術(shù)傳統(tǒng)干涉儀:需要導(dǎo)軌,計(jì)時(shí)從始態(tài)到終態(tài)全部過(guò)程,中間不允許掉電.計(jì)數(shù)時(shí)間長(zhǎng),測(cè)量長(zhǎng)度較大時(shí)耗時(shí)時(shí)間長(zhǎng),易受環(huán)境因素的影響3)無(wú)零位,增量式測(cè)量,不能測(cè)量絕對(duì)位移2006年3月6日星期一一、光學(xué)絕對(duì)測(cè)量簡(jiǎn)史

1892年把國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)米尺與Cd譜線(xiàn)波長(zhǎng)相比較提出了小數(shù)重合法激光出現(xiàn)以后，基于小數(shù)重合法進(jìn)行無(wú)導(dǎo)軌測(cè)長(zhǎng)1976年，G.LBourder和AG．Orszag首先報(bào)導(dǎo)了使用CO2激光器進(jìn)行多波長(zhǎng)干涉測(cè)長(zhǎng)1983年,日本計(jì)量研究所的HM