激光干涉测试技术.doc

光电检测技术
---------第三次作业

班级：机测控11
姓名：李谋
学号：2110103013

激光干涉测试技术
技术原理，示意图，影响因素及提高方法
特点：
具有更高的测试灵敏度和准确度；
绝大部分的干涉测试都是非接触式的，不会对被测件带来表面损伤和附加误差；
较大的量程范围；
抗干扰能力强；
操作方便；
在精密测量、精密加工和实时测控的诸多领域获得广泛应用。
干涉条件
通常能够产生干涉的两列光波必须满足三个基本相干条件：
频率相同
振动方向相同
恒定的位相差
在实际应用中，有时需要有意识地破坏上述条件。比如在外差干涉测量技术中，在两束相干光波中引入一个小的频率差，引起干涉场中的干涉条纹不断扫描，经光电探测器将干涉场中的光信号转换为电信号，由电路和计算机检出干涉场的位相差。
影响干涉条纹对比度的因素
对于所有类型的干涉仪，干涉条纹图样对比度降低的普遍原因是：
光源的时间相干性；
光源的空间相干性；
相干光束的光强不等；
杂散光的存在；
各光束的偏振状态差异；
振动、空气扰动、干涉仪结构的刚性不足等。
提高分辨力的方法和干涉条纹的信号处理
①光学倍频技术
分辨力

图4-10光学倍频原理图示
B
M1
M2
M3
a)
B
M1

M3
M2
M4

a/K
b)

②光学相位细分技术
提高干涉仪分辨力，还可利用干涉条纹的相位细分技术。可以把干涉条纹每变化一个级次，看作相位变化了360°。从一个干涉条纹变化中得到多个计数脉冲的技术称为相位细分技术。
相位细分的方法有机械相位细分、阶梯板相位细分、翼形板相位细分、金属膜相位细分和分偏振法相位细分等。
③处理电路细分方法
电路细分方法有多种，如四细分辨向、计算机软件细分、鉴相法细分等。
综合来看，鉴相法细分的不确定度最小，使用灵活、方便、集成度高，适合于激光干涉信号的细分。其输出的是模拟信号，分辨率高达2π/1000，但是鉴相范围较小(±2π)。
④干涉条纹计数与判向
干涉条纹
移相系统
光电接收器
放大器
倒相器
(sin)
微分电路
微分电路
(sin)
(-sin)
光电接收器
放大器
倒相器
(cos)
微分电路
微分电路
(-cos)
(cos)
可逆计数器
计算机
图4-13条纹移动判向计数原理框图

激光斐索(Fizeau)干涉测试技术
概述：
光学干涉测试技术最初在光学零件和光学系统的检验中获得广泛应用。
在光学零件面型、平行度、曲率半径等的测量中，斐索型干涉测量法与在光学车间广泛应用的牛顿型干涉测量法（样板法或牛顿型干涉法）相比，属于非接触测量。
概述：
接触测量存在以下问题：
①标准样板与被测表面必须十分清洁；
②清洁工作多拿在手中擦试，由于体温的影响，影响测试准确度；
③样板有一定重量压在被测表面上，必然会产生一定的变形，尤其是对大平面零件。
斐索型干涉测量法中由于样板和被测表面间距较大，必须用单色光源，一般采用激光光源

①激光斐索型平面干涉仪的基本光路和原理

算例：

若h＝5mm，λ＝546.1nm，则θ<17‘。
若取f‘＝500mm，则d<5mm。

1
2
3
7
4
5
6
M1参考平面
M2被测平面
图4-15激光斐索型平面干涉仪基本光路图

②影响测试准确度的因素
3）杂散光的影响。
平行光在标准参考平板的上表面和被测件的下表面都会反射一部分光而形成非期望的杂散光。由于激光的相干性能非常好，这些杂散光叠加到干涉场上会产生寄生条纹和背景光，影响条纹的对比度
消除该杂散光的主要措施是：
将标准参考平板做成楔形板，以使标准平板上表面反射回来的光线不能进入干涉场；
同样，将被测件做成楔形板或在它的背面涂抹油脂，也能消除或减小被测件下表面产生的杂散光影响；
整个系统的所有光学面上均应镀增透膜。
4）标准参考平板的影响。
标准参考平板参考面M1在干涉仪中是作为测量基准用的，主要要求是：面形误差小；口径必须大于被测件。
当标准平板口径大于200mm时，其加工和检验都很困难。
为了保证参考平面面形精度
严格控制加工过程；
材料的线膨胀系数较小、残余应力很小；
安装时使之不产生装夹应力；
在高质量平面（如标准参考平面）的面形测量中，可以考虑用液体的表面作为参考平面。
4）标准参考平板的影响——液体的表面作为参考平面
地球的曲率半径约为6370km，当液面口径为1000mm时，液面中心才高出约0.1光圈，当口径为250mm时，液面才高出约0.005光圈。
主要要求：使液体处于静止状态（对测量环境要求严格控制，还应该选用粘度较大，本身比较均匀和清洁的液体。）
常常用作标准参考平面的液体有液态石蜡、扩散泵油、精密仪表油和水银等。
2.1激光斐索型平面干涉测量
③激光斐索平面干涉仪用于测量平行平板平行度
1）测量原理
设干涉场的口径为D，