激光平面干涉仪

14．参考反射镜 17．消球差物镜 18．被检测件 19、23角锥棱镜 24．投影物镜 25、29光电探测器
26、28光孔栏 27．分光镜 30、31前置放大器 32．专用计算机 33．准直物镜 35．聚光镜
工作台
19 18
20 17 16
12
13 15 10 9
11
8 7
6 5 4
R
14 21 22 23 24 25 27
二、瞳窗理论（以第2种系统为例，说明瞳窗关系）
1.球面E右移，焦点通过球面反射的像点在F’之右， 在A1、 A2出瞳的下方→得不等间距同心圆条纹。
F1(球面E的焦面）
f2’ f1’ F’ A2 A1 C
-dx dx’
-f=R/2 E
O F’的像
-x -x’
b a
移动前的 球心位置
R/2
dx
P
对运动后的球面运用成像公式：
l e A1 A2
ω
P
设观察屏上有N条直条纹，观察屏直径为D，
则干涉条纹间距也可以表示为：
D l 则： N A1 A2
微分上式得 Dd ( A1 A2 ) ldN
条纹灵敏度 dN 1 则：
D e＝ N
f2 ' 微分 A1 A2 2a f1 ' l 2a 并代入上式得 da f1 ' 2 Df 2 '
入瞳（无穷远 或焦点）
L（调焦镜） F’ R1
B
A
R2
出瞳（A1、A2）
•球顶于F’重合后，球面沿横向（垂直于光轴方向） 作微动，可得干涉直条纹，用条纹间距可测球面度
2.平形平板作标准面 用球面干涉仪得出两次极限位置（条纹间距无穷大） 之间的距离，即为半径R。
F1 ’ F
3.凹透镜半反射面作标准面
• 2.仪器结构
以检测光学平面为例。 • (1) 、光学结构： 由组合星点 Gl 发出的单色 光经棱镜 G2 后，投向主镜表 面折射为平行光后，射向主 镜下表面（A面）及被测光 学平面， A面和被测光学平 面反射回来的光重叠相干后， 经棱镜 G2 反射，进入接收件。 星点可由激光管 G5、棱镜 G6 、光源强度调节发散镜 G7 组成。接收件可以由人眼 G10 ，成象物镜 G15 和测微目 镜 G11 ，或由分光棱镜 G12 、 可动小孔 G13 和摄像头 G14 组 成的摄像系统。
• (2) 如 M2是一半径很大的球面波，则可能得到圆 弧形的干涉条纹（图五a）。 • (3) 如 M2 是一半径不是很大的球面波，则可能得 到一系列圆环形的干涉条纹（图五b）。
• (4) 如 M2 是柱面的波形，则可能得到一系列直线 的平行的，但间距不等的干涉条纹，也可能得到 弯曲的，但不是圆弧状的干涉条纹（图六a）。 • (5)如果 M2 是一个不规则的波面，则得到相应不 规则的干涉条纹（图六b）。
工作台及激光电源箱
3.各种情况下干涉条纹概述
(1) 如果 M1、M2(波 面）之间存在楔角θ，则 两波面叠加相干时，得到 平行的、直线的、等间距 的一系列干涉条纹。 图a、b反映的是M1、M2的 平行度误差,B为条纹间隔. θ愈大， B 愈小，条纹愈密，窄（图四a ); θ愈小， B 愈大，条纹愈疏，宽（图四b ) ; θ = 0 , B = ∞，干涉场为一片颜色（图四c ) 如果被检系统 P2 存在缺陷，则反射波面 M2 将产生 对 M1 的某些偏离，此时将产生与 图四不同的干涉条 纹。
光电接收器2，而光束Ⅰ2则是在移相析光膜上
两次反射后到达光电接收器2的，它有

2
的百度文库
位相跳变，因此相干光束Ⅰ2和Ⅱ2产生的干 涉条纹将有 的附加移相。这样，通过移相 2 析光膜后，光电接收器1和2接收到的两组干 涉条纹彼此间就有

2 分稳定的条纹移相。
的移相。此法可获得十
•
四、细分、判向原理（与莫尔条纹细分、判向原理相同）
• 1.主要数据、
• 1.第一标准平面（ A 面），不镀膜。 工作直径： D1＝Ф146mm 不平度小于 0 .02μm(λ/30） • 2 、第二标准平面（ B 面），不镀 膜。 工作直径： D2＝Ф140mm 不平度小于 0 . 03μm(λ/20） • 3 、准直系统：孔径 F / 2 . 8 ， 工作直径： D0 ＝Ф146mm 焦距：f’=400mm 。
4
1
Ⅱ2 2次透射，有
2
附加相位差
2
Ⅰ2
Ⅰ1
两路光均反射一 次，无附加光程 差
Ⅱ1
Ⅱ2
图11-16 在析光镜上镀移相膜
在图中，到达光电接收1的两相干光束
Ⅰ1和Ⅱ1，由于两者均在移相析光膜上反射 一次，所以干涉的结果没有附加的移相。而 到达光电接收器2的两相干光线Ⅰ2和Ⅱ2，由 于光束Ⅱ2是经过两次透过移相析光膜后到达
11－3、激光平面干涉仪
一、平面干涉仪测量原理
平面干涉仪基于双光束等厚干涉 原理进行精密观测。如图所示，图 中 S 是扩展光源，位于准直透镜 L 1 的前焦面上，发出的光束经透镜 L1 准直后射向玻璃片 M ，再从玻璃片 反射垂直投射到楔形平板 G 上（为 确定起见，设垂直于上表面）。
S2 S1
入射光束在楔形平板上表而的反射光由原路回头， 透过玻璃片 M 后射向观察显微镜 L2；在楔形平板下 表面的反射光透过平板上表面和玻璃片反射向 L2。按照确定定域面的作图法，可知定域面在楔形平 板内部的 BB’ 位置。如果平板不是太厚，且平板两表 面的楔角不是太大时，定域面非常接近平板下表面， 这样如调节显微镜 L2对准平板的下表面，就可在显微 镜像平面 E 上观察到楔形平板产生的等厚条纹。
三、面形误差测量
1.测量局部误差
1 N
2
相邻条纹之间对应平板的厚度变化
Δh=hm+1- hm =/(2n)
2. 测整个面形误差（用N） N ——光圈数 ΔN ——不足一个光圈数 •粗糙度用δ1表示； •平面度误差： 误差不足 于λ /2,用δ1（图 右边）表示——精度高
2 N
四倍频信号 `
方波t 1 脉冲P 1 方波t2 脉冲P2 方波t 3 脉冲P3 方波t 4 脉冲P 4
`
正向输出 Q+
反向输出Q-
此时输出为零
反向输出Q此时输出为零
四倍频信号
Q+=t1p4+t2p1+t3p2+t4p3
Q-=t1p2+t2p3+t3p4+t4p1
五、反射器
1. 平面反射镜 2.直角棱镜反射器
da 1.75m
e
H
三、激光球面干涉仪
原理同第1种,即反射面作标准平面。只是多一套干涉测长系 统确定球半径R（在工作台及左边部分）。 P151 1.稳频器 2.光电管 3.He—Ne稳频激光器 4. 1/2波片 5.分光镜 6、12、20、21、37、 36、38均为反射镜 7.聚光镜 8、34针孔 9、15、16准直物镜 10、22分光棱镜 11、观察屏（底片） 13、观察物镜
激光干涉测长仪中，干涉条纹的运动受反射镜 动镜倾斜影响非常大。
• 由于导轨直线度影响，动镜沿导轨移动过程中有 2 的偏摆，条纹间隔就会从无穷宽变到30mm左右， 条纹方位也随差倾斜方法的不同而改变。
• 要使动镜移动时条纹间隔及方向不变，必须对导轨
当然狭缝的宽度与条纹间隔的比值还必须满足
比宽度的要求，用这种移相法时狭缝的方向应
平行于条纹。

2
Imax
Imin
(2m+1)π 2mπ
0
δ
2.在析光镜上镀移相膜法 如图11-16在干涉系统的析光镜上镀移 相析光膜，该移相析光膜不仅使入射光线在 此一分为二，而且光线在该膜层上每反射一 Ⅰ2光均反射2次， 次就产生 的位相跳变。
原始信号：互成900的Sinθ、cosθ
1.差分放大后的信号
正向测量波形 θ =ω t 2π t t t t
sin θ cos θ -sinθ -cosθ
-sinθ cosθ sinθ -cosθ
反向测量波形 θ =ω t 2π t t t t
2.整形及信号处理
方波t1 脉冲P1 方波t2 脉冲P2 方波t3 脉冲P3 方波t4 脉冲P4 正向输出 Q+
G1
G2
G14 G13 G12 G10
G11
G15
7
8
• (2).仪器光路图及光学零部件
仪器光路图
光学零部件
• (3)、机械结构：
箱体 1 联系各部件、导 轨 2 借助螺钉 3 固定光 源，压圈 4 固定接收器 件。门可卸下去不用。 底面 7 下有微调机构， 借助于手轮 8 调节干涉 条纹。凹型台有平行槽， 借助于插入工作台。工 作台上有调节手轮，可 粗调干涉条纹。（参考 图七）
根据牛顿公式（xx' ff '）有xdx' x' dx 0 dx' x' R/2 则 － 1，沿光轴（反向c 2dx), dx x R/2 f2 ' 2 2 f1 '、f 2 ' 透镜轴向放大b c b 2dx( )
f1 '
作图法说明出瞳移动情况：
f2’ f1’ F2
l d ( A1 A2 ) D
例： f1 150mm, f 2 350mm; D 80mm; 600nm, l 200mm,
求横向灵敏度。
解：根据公式 da f1 ' l 2 Df 2 ' 求得横向灵敏度 da 0.3m
• 5. 测面型
H ＝ e 2
二、PG15 —J4 型激光平面干涉仪
• PG15 —J4 型激光平面干涉仪由上海光机所生 产，是一种使用方便的光学精密计量仪器，主要 用于精密测量光学平面度。仪器配有激光光源 （波长为 632.8nm ）。对于干涉条纹可目视测量 读数。工作时对防震要求一般。该仪器可应用于 光学车间、实验室、计量室。如需配购相关的必 要附件，可精密测量光学平板的微小楔角、光学 材料折射率 n 的均匀性，光学镀膜面或金属块规 表面的平面度， 90 0棱镜的直角误差及角锥棱镜 单角和综合误差。

2
粗糙度
误差大 于λ /2, 用δ2表示——精 度稍低一点
（ δ2 ）
11－4、激光球面干涉仪
一.常用的三种系统
P(标准平面） 被测凸（或凹） 球面
1.反射面作标准面
•当球心或球顶与L 的焦点F’重合时， 两出瞳重合，干涉 条纹宽度无穷大。
•两次出现条纹宽 度无穷大，球面沿 光轴移动的距离即 球面半径R1(或R2)
F2 ’
F1
F1 ’
2. A1、A2出瞳重合
e
3.当球心O和F’重合，e→∞,干涉场一片均匀 4.球面E垂直光轴横移a，则F’通过E球面成的象移动2a
出瞳分离量
f2 ' A1 A2 2a 2a f1 '
f2’
f1’ F’的像 2a O a
干涉条纹间距
O F’
A2 A1 f1’ l
美国：臂长4KM的干涉仪 投资：3.65亿美元
日本300m长臂 激光干涉仪
各国建造的长臂干涉仪分布图
三、干涉条纹信号的移相
1.狭缝移相法 在两光电接收器前分别置两狭缝，如图 11-15所示。
图11-15 狭缝移相
干涉条纹的距离，这 样通过两狭缝的两组干涉条纹就有 的位相差。
2
使两狭缝相对移开
Imin 0 （2m+1）π
2mπ δ
二、光电系统原理
激光器1出射单频率的激光，经反射镜2、3反射，
4扩束到达分光镜5。分成两束光：一束经角锥镜反射
到达探测器12，一束透过6直接到达探测器12，
这两束光产生干涉条纹。同理，经5反射6透射到达
探测器11的光产生干涉。探测器11和12的干涉条纹
信号相位相差900。
38
3光
激 器
2 33 34 35 37
1
26
V 30 31 V
28 29 36
稳频器
专用计算机 32
激光球面干涉仪
11-4 激光干涉测长仪（单频）
• 一、测长方程
• 动镜位移L→光程变化2L=Nλ （因每位移一个条纹， 光程变化λ ） 也就是：Δ= mλ （m为整数）——当光程差为波 长的 整数倍，干涉条纹为亮条纹 （极大值） • 条纹数变化N=2L/λ 故L=Nλ /2=Nλ 0/(2n) λ 0—真空波长; Imax n—折射率
• 4 、测微目镜： 焦距 f = 16.7mm ， 放大倍数β＝ 15 ×， 视场角 2ω = 400， 成象物镜： I、 D = 4. 5 II、 D = 7 III、 D = 10 f = 1 5 f = 23 f = 37 • 5 、工作波长： 632.8nm • 6 、干涉室尺寸： 深 26ox 宽 300 x 190mm 。 • 7 、光源规格：激光 ZN 18 ( He－Ne ) 。 • 8 、仪器的外形尺寸： 长／宽／高 350 / 400 / 720mm • 9 、仪器重量： 100 公斤