现代光学测试技术

从测量镜返回光束的光频发生变化，其频移为
，该
光与返回光会合，形成“拍”，其拍频信号可表示为：
计算机先将拍频信号
与参考信号
理后，就得到所需的测量信息 .
进行相减处
设在动镜移动的时间 t 内，由 为 N ，则有：
引起的条纹亮暗变化次数
上式中
为在时间ｔ内动镜移动的距离L，于是有：
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第三章 散斑技术 散斑的形成及其性质 当一束激光射到物体的粗糙表面（例如铝板）上时，在铝板前面的空间将布满明暗相间的亮斑与暗斑；
一、双频激光外差干涉仪图
1 -141 示出双频激光外差干涉仪的光学系统。干涉仪的 光源为一双频 He-Ne 激光器，这种激光器是在全内腔单频 He－Ne 激光器上加上约 300 特拉斯的轴向磁场，由于塞曼 效应和频率牵引效应，使该激光器输出一束有两个不同频率的 左旋和右旋圆偏振光，它们频率
差 Δν约为 1.5MHz 。这两束光
1 -5 长度（间隔、高度、振幅）的激光干涉测量
一．
激光干涉测长的工作原理及特点
干涉测长仪器是用光波波长为基准来测量各种长度（如属测量干涉场上指定点上位相随时间而变化的干涉仪。
激光干涉测长仪与用其它准单色光源的干涉测长仪相比，具有下列的显著优点：
激光干涉测 长的工作原 理如图 1101 所示。
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1 -6 激光外差干涉测长与测振 激光光波干涉比长仪以光波波长为基准来测量各种长度，具有很高的测量精度。这种仪器中， 由于动镜在测量时一般是从静止状态开始移动到一定的速度，因此干涉条纹的移动也是从静止 开始逐渐加速，为了对干涉条纹的移动数进行正确的计数，光电接收器后的前置放大器一般只 能用直流放大器，而不能用交流放大器，因此在测量时，一般对测量环境有较高的要求，一般 的干涉比长仪不能 用于车间现场进行精密测量。为了适应在车间现场实现干涉计量的需要，必 须使干涉仪不仅具有高的测量精度，而且还要具有克服车间现场中气流及灰雾引起的光电信号 直流漂移的性能，光外差干涉 技术是为解决车间现场测量问题而发展起来的。 这种技术的一个共同点是在干涉仪的参考光路中引入具有一定频率的副载波，干涉后被测信号 是通过这一副载波来传递，并被光电接收器接收，从而使光电接收器后面的前置放大器可以用 一交流放大器代替常规的直流放大器，以隔绝由于外界环境干扰引起的直流电平漂移，使仪器 能在车间现场环境下稳定工作。
表示：
现在已有测量距离大于1000ｍ的干涉测长仪。
仪器结构简化
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经分光镜4分成两路,反射光经
检偏器5产生”拍”,其拍频即为
1.5MHz ,经探测器转电信号,
经放大器后送给计算机.
频率牵引效应：在激光器中，
由于激活介质的存在，与空的
光学谐振腔不同，其振荡模工
作频率会因色散的存在位置有所移动，会向激活介质的中心频率 稍微靠近，形成所谓频率牵引现象。
若测量镜以速度为ｖ运动(移动或振动），则由于多普勒效应，
三、共路干涉仪测试
在泰曼-格林干涉仪中，由于参考光束和测量光束沿着彼此分开的 光路行进，它们受到环境的振动和温度的影响不同，如果不采取适 当的隔震和恒温措施，则观察面或接收面上的干涉条纹是不稳定的， 就不可能进行精确的测量。共路干涉仪可以较好地解决上述问题。 所谓共路干涉仪，就是干涉仪中参考光束与测量光束经过同一光路， 对环境的振动和温度、气流的变化能产生彼此共模抑制，一般无需 隔震和恒温条件也能获得稳定的干涉条纹。
若再置一纸屏于铝板的前面，会更明显地看到这一现象，这些亮斑与暗斑的分布是杂乱的，故称为散 斑。不论将纸屏置于近处或远处，都可以看到这一现象，这表明铝板前面的整个空间都布满着散斑， 仅在纸屏靠近铝板时，散斑较小，远离铝板时，散斑较大。若所用铝板的表面不是粗糙的，而是光滑 的话，则入射光线被铝板反射，而不成散射，所以在纸屏上将看不到散斑。若所用的虽是粗糙的表面， 但入射的不是激光，而是白光或钠光，这时虽发生散射光，但由于光线并不相干，会聚到P点的各散 射光不发生干涉，即不会形成暗斑和亮斑。
第四章 莫尔条纹技术
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散射板分束器上各点的相位不是随机分布的，每一散射点都具有对散 射板中心反转对称的相位分布，即相对于散射板中心的每一对对称散点都 是同相点，但相邻散射点的相对位相呈随机分布。制板时为了使散射板上 的散射点位相具有反转对称的性质，在同一全息干板上要作
二次曝光，并在二次曝光时把全息干板绕轴精确地旋
转 1800。
结合，出现了光机电算一体化的现代光学测试技术。上
图为光机电算金字塔结构，塔顶是光学。
支撑基础：
2 方法的 选择
面对一个计量测试任务，首先碰到的问题是如何合 理而可靠地选择一种好的测试原理。
合理选择光学测试方法的原则是根据五点：1）测 定对象；2）测定范围；3）灵敏度或精度；4）经 济性；5）测试环境。测定对象是指被测的类型， 例如是测量长度，还是测量角度，是测量速度还是 测量位移；是测量温度还是测定温度变化。不同测 定对象，有完全不同的测试方法。同样，同一测定 类型但测定范围不同时，也有不同的测试方法可供 选择。
二．．散射 板干涉仪
（ 1 ）光 路原理
1 – 3多通道干涉仪测试 双通道干涉仪 用双通道干涉仪进行像差分离 在泰曼－格林干涉仪中，当被测透镜存在多种像差
时，要从干涉图中对个别像差进行估计是很困难的， 若改成双通道排列来使用，就可以使对称 的波像差和非对称的波像 差以分离的干涉图显示出 来。双通道泰曼－格林干 涉仪如图1－70所示。
总复习
第一章 光干涉技术
泰曼－格林干涉仪的结构 和工作原理
泰曼-格林干涉仪的结构 如图 1-16 所示：
准单色点光源和透镜 L1提供入射的平面波（平行光束），干涉仪的一臂装有 参考反射镜 M 1 ，另一臂则装上被测试的光学元件M 2 。光源发出的光经 分光镜分光后分别由M 1和被测试的光学元件M 2反射在观察孔处相遇干涉， 形成干涉条纹，干涉条纹可用目视观察或用照相机（镜头应位于 L2 的焦点 处）把干涉条纹拍摄下来进行分析。根据干涉条纹的变化，就可判断被测光 学元件的质量。在图 1－16 中所示泰曼一格林干涉仪中，球面镜 M 2的曲 率中心和被测透镜的焦点重合。如果待测透镜没有像差，那么，返回到分束 器的反射波将仍是平面的。然而，如果被测透镜有球差、彗差或像散引起波 阵面的变形，那么就会清楚地看到具有畸变的一幅干涉条纹图，并且可把干 涉条纹拍摄下来进行分析。若把 M 2换成平面镜，就可以检验许多别的光学 元件，如梭镜，光学平板等。
斐索共路 干涉仪测 试
（二）散射板分束器及散射板干涉仪
1 ．散射板分束器
散射板分束器是一块利用特种工艺制作的弱散射体，会聚的入射光 束经这一散射板以后被一分为二：一部分光束直接透过散射板到达被测表 面的中心区域；另一部分光束经散射板后，被散射到被测表面的全孔径， 如图 1－31 所示。这两支光束均由被测表面反射后复经散射板第二次透 射、散射后产生干涉。
光学研究方法（光学测试技术）
要求：
1. 写一篇综述论文，字数3000字以上； 2. 内容：首先对光学测试技术进行综述，然后
结合课内讲述内容，就一个测试内容进行综述，也可以就一 个研究领域进行综述。
1 领域与特点
一、研究领域
凡是利用光学原理进行精密测量的技术，都称为光学测试技术。主要方向有：计量、 测量 、检验与测试一般说计量是泛指对物理量的标定、传递与控制；测量是泛指各 种物理量与技术参数的获取方法；检验是泛指产品质量的评估技术与方法；而测试 则是测量、试验与检验的总称，侧重于方法与技术的研究，而不是产品质量的标定 方法研究，光学测试技术的主要研究领域如表 0－1 所示。
技术特色
三、技术现状
0 1
光电仪器
光加工设备
图0－1 光学产业发展砚状
0
现代光学测试技术主要介绍：干涉技术、全息技术、散
2
斑技术、莫尔技术、衍射技术、光扫描技术、光纤传感
技术、激光多普勒技术、激光光谱技术、信息与图像技
术、光学纳米技术等。随着激光器的出现和傅里叶光学
的形成，特别是激光技术与微电子技术、计算机技术的
观察面上的P点所决定的，而P点散 斑又是由位于物面 上M点的面积元dσ 所形成的。
离焦量Δ大，则物点 上较大的面积形成P点的散 斑，测得的是该面元对P点 影响的平均值，因而降低 了测量精度；另一方面，离 焦量Δ大测量灵敏度高，所 以在测量中要合理选择离焦 量Δ。
在散斑测量中，为了使各方 向的转动或移动有同样的灵敏 度，一般取垂直于表面的方 向观察或拍摄。在实际 应用中亦是这样的。
单击添加大标 题
形成散斑必须具备的条件：
1. ）必须有能发生散射
光的粗糙表面。为了使 散射光较均匀，则粗糙 表面的深度必须大于波 长；
2. ）入射光线的相干度
要足够高，例如使用激光。当激光射到毛玻璃 上时，因为符合以上两个条件，所以，在毛玻璃后面 的整个空间充满着散斑。
三、离焦记录时的拍摄装置 图 3 -7 为离焦记录时的拍摄装置。在图中，位于成像平面 P′点的散斑是由
表 0－4， 由测定 对象和测定范围来 选择的测试方法
0 1
选择测试方法的另一
0 3
度和要求的精度。图
0 5
方法在尺寸上能达
”
0 2
主要原则是测量灵敏
0 4
0－3 是主要光学测试
0 6
到的灵敏度（分辨率）。
43技术发展方向
随着新世纪的开始，科学技术必然是高新技术的日新月异和工业生产的精密化、自动化和智 能化，这就对光学测试技术提出新的要求，促使光学测试技术的近代发展走向如下几个方向： ( l ）亚微米级、纳米级的高精密光学测量方法首先得到优先发展 ； ( 2 ）快速发展小型的、 微型的非接触式光学传感器; ( 3 ）半导体激光器（ LD ）及其阵列，光开关，光滤波器， 光电探测阵列等新器件将在过程控制、在线测量与控制上得到广泛应用；（4）微光学这类微 结构系统将崭露头角;（5）快速、高效的 3 -D （三维）测量技术将取得突破；（6）发展 带存贮功能的全场动态应变测量仪器；（ 7 ）发展闭环式光学测试技术，实现光学测量与光 学控制的一体化；（8）以微细加工技术为基础的高精度、小尺寸、低成本的集成光学和其他 微传感器将成为主流方向；（9）发展光学诊断和光学无损检测技术。
．测量速度高 用光谱灯来检定一米长的线纹尺，一般要用几个小时的时间， 用激光作光源来进行检定一般只要数分钟就够了。测长时，速 度的快慢不仅是效率的问题，而且还关系到测量精度。测量速 度愈高，外界干扰因素（如温度、气流及振动等)的影响愈小， 愈有利于提高测量精度。
．测量范围大： 干涉仪的相干长度取决于光源的单色性，可由下式