第4章 光学干涉测量技术
光学干涉：利用光波的干涉现象进行测量
光学干涉：利用光波的干涉现象进行测量光学干涉是一种利用光波的干涉现象进行测量的方法。
在这种方法中，通过观察光波的干涉条纹模式，可以得到待测物体的某些性质的信息。
在本文中，我将详细介绍光学干涉的原理、实验的准备和过程，以及该方法在科学研究和应用中的专业性角度。
光学干涉的原理可以通过两个关键定律来解释：菲涅尔原理和互补原理。
总结而言，这两个原理都指出光波在不同路径上的干涉会产生明暗相间的干涉条纹。
首先是菲涅尔原理，该原理说明了光波通过一个缝隙或其他纤细的区域时会发生衍射。
当光波通过两个或多个阵列的缝隙时，光波会在不同的路径上发生衍射，并在某些地方产生干涉、增强或减弱。
这样的干涉模式，即干涉条纹，可以通过观察和测量来获取物体的相关信息。
接下来是互补原理，该原理说明了两个不同光源的光波相互干涉时会产生明暗相间的条纹。
这种干涉是由于两个光源的波长不同，当它们在空间中重叠时，会发生相位差，从而形成干涉现象。
通过观察和测量这些干涉条纹，可以研究和测量光源的性质以及中间介质的光学特性。
在进行光学干涉实验之前，我们首先需要做一些准备工作。
这包括选择适当的光源、准备干涉装置、调整和校准实验装置等。
光源的选择是非常关键的，常见的光源有激光器和白光源。
对于一些特殊的应用，我们可以使用光谱辐射源来观察物体的光谱特性。
在实验中，光源经过干涉装置（如双缝装置或分束器）后，会形成干涉条纹。
观察和记录这些条纹的模式是实验的重要步骤。
对条纹模式的研究可以揭示出物体的尺寸、形状以及光学特性等方面的信息。
在实验中经常使用的一种方法是扫描干涉仪。
该仪器通过改变光路差来观察干涉条纹的变化。
通过记录不同条件下的条纹模式，可以计算出待测物体的相关参数。
例如，根据干涉条纹的宽度和间距，可以计算出物体的厚度和折射率，从而实现测量和分析物体的物理特性。
光学干涉在科学研究和应用领域具有广泛的应用。
在材料科学中，通过干涉条纹的形态和变化，可以研究材料的表面形态、薄膜的厚度以及材料的变形等信息。
物理光学第四章梁铨廷
➢上一章在讨论平板的干涉时，仅仅讨论了最先出射 的两光束的干涉问题，这是在特定条件下采取的一种 近似处理方法。 ➢事实上，光束在平板内经过多次的反射和透射，严 格地说，干涉是一种多光束干涉。 ➢多光束干涉与两光束干涉相比，干涉条纹更加精细， 利用多光束干涉原理制造的干涉仪是最精密的光学测 量仪器，多光束干涉原理在现代激光技术和光学薄膜 技术中也有着重要的应用。
Et2 r 2a1 exp( j )
Er1 Er2 Er3 E0
i
Et3 r 4a1 exp( 2 j )
B
n i'
d
AC
Etk r 2(k1)a1 exp[ j(k 1) ]
D
在无穷远定域面上的合振幅：
Et1 Et 2 Et 3
Et Etk
由于反射系数：
k 1
Et
1
r2
a1 exp(
j
)
4.1.2 多光束干涉图样的特点
1. 反射光、透射光的干涉条纹互补； 2. 干涉条纹的明暗和光强值由位相差决定。
对于反射光
当
2m 1 时为亮纹，其光强为
I M r
F 1 F
I
i
当 2m 时为暗纹，其光强为 Imr 0;
对于透射光
当 2m 时为亮纹，其光强为 I M t I i
当
2m 1时为暗纹，其光强为
由于F－P干涉仪产生的条纹非常细锐、明亮，所以它的分 辩能力很强。
2、激光器的谐振腔，用于选模（选频）。
4.1 平行平板的多光束干涉
若平行平板的反射率很低，则Er1、 Er2的强度接近， Er3、 Er4…的光强 与前两束相差较大。
因此考虑反射光的干涉时，只考虑 前两束光的干涉可以得到很好的近 似。 若平行平板的反射率较高，则除 Er1外，其余反射光的强度相差不 大，因此必须考虑多光束干涉。
第四章 光学干涉测量技术(武大)
光学干涉测量技术的优 缺点
光学干涉测量技术的优点
高精度测量：干涉测量技术具有极高的精度，能够实现纳米级甚至更精确的测量。 宽测量范围：干涉测量技术可以测量大范围的距离和角度，具有较广的适用范围。
抗干扰能力强：干涉测量技术不易受到环境噪声和其他电磁干扰的影响，测量稳定性高。
实时性：干涉测量技术可以实现实时测量，能够快缺点
对光源相干性要求高 对环境振动和稳定性要求较高 测量精度受多种因素影响 设备成本较高，操作复杂
光学干涉测量技术的发展趋势
微型化：随着微纳加工技术的进步，光学干涉测量系统的尺寸不断缩小，提高了测量精度和便携性。 智能化：集成人工智能和机器学习算法，实现光学干涉测量系统的自动化和智能化，提高测量效率和准确性。 多光谱多模式：开发多光谱、多模式的光学干涉测量技术，拓展测量范围和应用领域，满足不同领域的需求。 实时化：提高光学干涉测量技术的实时性，实现动态测量和实时反馈，提高测量效率和可靠性。
光学干涉测量技术是一种利用光的干涉现象进行长度、表面形貌、折射率等物理量测量的技术。
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它利用了光的波动性质，通过将待测物理量转化为干涉图的变化，从而实现了高精度、高分辨 率的测量。
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光学干涉测量技术具有非接触、高精度、高分辨率、高灵敏度等优点，因此在科学研究、工业 检测、医疗诊断等领域得到了广泛应用。
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干涉条纹的分析方法
干涉条纹的生成原理 条纹的形状和间距分析 条纹的移动和变化规律 条纹的定量分析和计算方法
光学干涉测量技术的分 类
时间相干性干涉测量技术
定义：利用时间相干性原理，通过测量光波的时间变化来获取干涉图样的 技术。
原理：利用光的波动性质，通过干涉现象测量光波的相位差，从而确定物 体的几何形状和物理性质。
第四章光的干涉
§6 激光谐振腔的选模原理
据相干加强条件 2nh=m m=1,2,3…; ∵ =c/ ∴满足相干加强的频率为 m= mc / 2nh(纵模)
相邻两纵模间隔 q= m+1- m= c / 2nh
相邻两纵模间隔 q= m+1- m= c / 2nh
例: He-Ne激光器中,原子发出的0=4.7×1014HZ （ 0 =632.8nm） 谱线的宽度=1.5×109HZ。 如果He-Ne激光器的腔长h=10cm，n≈1。问有多 少个纵模输出？如果h=30cm呢?
解: 相邻的两纵模间隔 q= m+1- m= c/2nh
1) 若激光器的腔长h=10cm 激光器输出的纵模个数
N= / q=1
2) 若激光器的腔长 h=30cm
N= / q= 3
§7 光学薄膜
镀膜技术
用真空蒸发、沉淀或甩胶的方法,在璃或 光滑的金属表面涂、镀一层很薄的透明电介质 或金属膜层。
空气
三．应用
1． 可测光的波长，透明薄膜的厚度， 折射率等。
2．可测光波的相干长度 max =L0= 2/ 。
§5 法布里—珀罗干涉仪 一．法布里—珀罗干涉仪的结构
扩展源
准直透镜
分束板，内侧镀膜 会聚透镜
G1,G2间,间距h可调—法布里-珀罗干涉仪
G1,G2间,间距h固定—法布里-珀罗标准具
多光束相干光在L2焦平面上形成等倾圆环条纹
h=mmax/2。 若膜厚发生变化dh,干涉级次发生变化dm
等倾条纹
M1
M1⊥M2 M1‖M max ↓ → mmax ↓
b. 若 h↑ → max ↑→ mmax ↑ 若dm=N，则dh=N/2，测量精度数量级
2．等厚条纹
光学实验技术中的干涉测量方法
光学实验技术中的干涉测量方法干涉测量方法是光学实验技术中一种重要的测量手段。
它通过利用光的干涉现象，实现对物体形态、尺寸和表面性质等参数的测量。
在现代科学研究和工程技术中，干涉测量方法得到了广泛的应用，涉及到光学、物理学、医学、材料科学等多个领域。
一、干涉测量方法的基本原理与分类干涉是指两束或多束光线的叠加现象。
当光线经过光学元件或物体后，它们会发生相位差，进而引起干涉现象。
干涉现象通过干涉条纹的变化来揭示光场的信息。
根据干涉条纹的产生原理，干涉测量方法主要分为两类：自发光干涉和外加光干涉。
自发光干涉是利用物体自身的发光特性产生干涉条纹，例如显微镜下的透射干涉、投影干涉和表面形貌干涉等。
外加光干涉是通过外部光源引入干涉现象，例如激光干涉、多波长干涉和相移法干涉等。
二、应用于形貌测量的干涉测量方法1. 二维轮廓测量利用激光干涉技术，可以实现对物体二维轮廓的高精度测量。
通过将物体反射的激光束与参考激光束叠加，利用干涉条纹的变化来推导出物体表面的高程信息。
2. 三维表面形貌测量三维表面形貌测量是干涉测量方法中的一个重要应用领域。
通过使用相移干涉技术，可以获取到物体表面的三维形貌信息。
相移干涉技术通过改变干涉条纹的相位来实现对物体表面形貌的测量。
3. 全息干涉术全息干涉术是一种高分辨率的干涉测量方法，常应用于光学图像的记录和再现。
通过将物体的三维信息录制在全息图上，并利用光学平台进行复原，可以实现对物体形貌的精确测量。
三、应用于材料测量的干涉测量方法1. 膜厚测量膜厚测量是干涉测量方法中的一个重要应用方向。
利用干涉技术可以测量薄膜的厚度和折射率等参数，从而评估薄膜的性能和质量。
2. 表面粗糙度测量表面粗糙度是材料表面质量的一个重要指标。
通过激光干涉技术，可以实现对材料表面粗糙度的快速测量。
激光束在入射和反射过程中会受到表面粗糙度的影响，从而引起干涉条纹的变化。
3. 液体折射率测量干涉测量方法还可以应用于液体折射率的测量。
光学干涉实验技术使用指导
光学干涉实验技术使用指导光学干涉实验是一种重要的实验方法，广泛应用于科学研究和实际应用中。
本文将为您提供一些关于光学干涉实验技术使用的指导，帮助您在实验中取得准确的结果。
1. 实验原理简介光学干涉实验利用光的波动性质，通过光的相位差的变化来观察和测量物体的性质或者直接研究光自身的特性。
通过光的干涉现象，可以测量光的波长、厚度、折射率等物理量。
2. 实验装置搭建光学干涉实验需要使用到一些基本的实验装置，如光源、物镜、平行光管、半反射镜、干涉片等。
在搭建实验装置时，要注意光路的对称性和稳定性，以保证实验的可行性和准确性。
3. 调节光源和平行光管在进行干涉实验前，首先需要调节光源和平行光管，以确保实验装置中的光是平行的。
调节光源的位置和角度，使光线垂直平行地射向平行光管。
调节平行光管的位置和角度，使通过平行光管的光线平行并聚焦于特定位置。
这样可以得到平行的光源，为实验的进行提供基础。
4. 干涉片的选择与使用在干涉实验中，干涉片是一个重要的装置。
干涉片的厚度、材质和透明度等特性将直接影响到实验结果的准确性。
选择合适的干涉片是至关重要的。
如果需要观察干涉条纹，应选择高透明度的干涉片。
选择干涉片时也要根据实验的需求来，如测量物体的折射率需要选择合适的干涉片。
使用干涉片时，要注意保持干涉片的平行和垂直于光路的方向。
在测量折射率时，可以根据干涉片的位置变化来推算出物体的折射率。
5. 数据记录与处理在进行光学干涉实验时，准确的数据记录和处理是非常重要的。
可以使用光探测器等设备来记录干涉条纹的位置和强度等信息。
同时，还要注意实验环境的稳定性，避免外部因素对实验结果的影响。
在数据处理方面，可以使用计算机软件进行数据的拟合和分析。
根据实验需求，可以通过对干涉条纹的分析，得到所需的物理量，并进行更精确的实验结果的推导和分析。
6. 实验安全与注意事项在进行光学干涉实验时，也要注意实验安全和仪器的保护。
避免直接观察强光源，以免对眼睛造成伤害。
光学测量与光学工艺知识点答案
目录第一章基本光学测试技术 (2)第二章光学准直与自准直 (5)第三章光学测角技术 (9)第四章：光学干涉测试技术 (12)第六章：光学系统成像性能评测 (15)第一章 基本光学测试技术• 对准、调焦的定义、目的；对准又称横向对准，是指一个对准目标（？）与比较标志（？）在垂直瞄准轴（？）方向像的重合或置中。
例：打靶、长度度量人眼的对准与未对准：对准的目的：1.瞄准目标（打靶）；2.精确定位、测量某些物理量（长度、角度度量）。
调焦又称纵向对准，是指一个目标像（？）与比较标志（？）在瞄准轴（？）方向的重合。
人眼调焦：调焦的目的 ：1.使目标与基准标志位于垂直于瞄准轴方向的同一个面上，也就是使二者位于同一空间深度；2.使物体（目标）成像清晰；3.确定物面或其共轭像面的位置——定焦。
121'2'1'P 2'2''•人眼调焦的方法及其误差构成；常见的调焦方法有清晰度法和消视差法。
清晰度法是以目标与比较标志同样清晰为准。
调焦误差是由于存在几何焦深和物理焦深所造成的。
消视差法是以眼镜在垂直平面上左右摆动也看不出目标和标志有相对横移为准的。
误差来源于人眼的对准误差。
（消视差法特点：可将纵向调焦转变为横向对准；可通过选择误差小的对准方式来提高调焦精确度；不受焦深影响）•对准误差、调焦误差的表示方法；对准误差的表示法：人眼、望远系统用张角表示；显微系统用物方垂轴偏离量表示；调焦误差的表示法：人眼、望远系统用视度表示；显微系统用目标与标志轴向间距表示；•常用的对准方式；常见的对准方式有压线对准，游标对准，夹线对准，叉线对准，狭缝叉线对准或狭缝夹线对准。
•光学系统在对准、调焦中的作用；提高对准、调焦精度，减小对准、调焦误差。
•提高对准精度、调焦精度的途径；使用光学系统进行对准，调焦；光电自动对准、光电自动调焦；•光具座的主要构造；平行光管（准直仪）；带回转工作台的自准直望远镜（前置镜）；透镜夹持器；带目镜测微器的测量显微镜；底座•平行光管的用途、简图；作用是提供无限远的目标或给出一束平行光。
(光学测量技术)第4章光学零件的测量
第4章 光学零件的测量 (1)光圈不圆，呈椭圆形。此时用椭圆的长轴和短轴方 向上干涉条纹之差(或在互相垂直的方向上干涉条纹的最大 代数差值)Δ 1 N 来表示，并称为像散偏差。
其中， N x 、 N y 分别为椭圆长、短轴方向的光圈数，它们 都为代数量。 (2 )光圈局部变形。变形量用光圈数表示为 Δ 2 N ，称 为局部偏差。 一般情况下，半径偏差和面形偏差总是同时存在，因此， 有的光圈在样板孔径之内可能看不到其全部，而只能看到其 一分。在 GB2831-81 中，将上述偏差都称为面形偏差。
第4章 光学零件的测量 检验面形偏差时，应使由标准面上反射得到的标准波面 与被测面上反射得到的测试波面两者球心重合，或稍有横向 偏离，并观测其干涉图，当上述两波面之间没有差别时，干 涉图为均匀一片或很少的几条平行直条纹，并且不管条纹方 向如何(它对应两波面球心沿不同方向横向偏离)都为直线， 间距也相等。如果存在面形偏差，则条纹呈现椭圆形或发生 局部弯曲(分别对应 Δ1 N 和 Δ 2 N )，这时可按前述光圈识别 方法判读。
第4章 光学零件的测量 下面先讨论面形偏差的表示方法和光圈的识别方法。 1 )球面零件面形偏差的表示方法 半径偏差:即使零件的表面是标准球面，它还可能与样 板有不同的曲率半径，此时产生规则的牛顿环(光圈)，这种 半径偏差就可以用有效孔径内的光圈数 N 表示。为表示偏 差的性质，光圈数 N 用代数量表示。高光圈 N 取正值;反之， N 取负值。样板的孔径一般要大于被测零件的孔径。 面形偏差:指被检面对球面的偏离。这种偏差一般可分 为两种情况。
第4章 光学零件的测量 测量曲率半径时，只需移动被测件，使被测面的球面的 顶点及球心分别瞄准标准球面球心，并测出被测件移动的距 离，即可得到被测球面的曲率半径。被测件移动的距离可由 精密测长机构(如光学测长、计量光栅测长或激光测长)测出。 在这里，瞄准是通过干涉的方法进行的，即以瞄准时干涉场 上干涉图的特征作为判别准则来进行瞄准，由第 2 章干涉仪 的介绍可知，这个位置的干涉条纹最疏，甚至看不到条纹 (干涉场上具有均匀的亮度)。
精密测量中的光学干涉技术
精密测量中的光学干涉技术光学干涉技术是一种基于光的干涉现象实现测量和检测的方法。
在精密测量领域，光学干涉技术被广泛应用于长度、角度、表面形貌等参数的测量。
本文将介绍光学干涉技术在精密测量中的应用以及其原理和发展。
一、光学干涉技术的原理光学干涉是指两束或多束光波相互叠加产生干涉图样的现象。
光学干涉技术利用光的波动性和干涉现象来实现测量和检测。
其原理可以概括为以下几点：1. 波动性：光是一种电磁波，具有波动性质。
光的传播遵循波动方程，根据不同的波长和频率，光可以传播为长波、短波以及可见光等不同类型。
2. 干涉现象：当两束或多束光波相遇时，它们会相互干涉叠加，形成干涉图样。
在干涉图样中，可以观察到明暗交替的条纹，这些条纹代表了两束光波的相位差和干涉程度。
根据干涉图样的变化，可以得到被测量物体的信息。
3. 波前成像：在光学干涉技术中，光波的波前形状是重要的测量对象。
通过测量光波的波前形状，可以得到被测量物体的表面形貌、形状、尺寸等参数。
二、光学干涉技术在精密测量中的应用1. 长度测量：光学干涉技术被广泛应用于长度测量领域。
通过调节参考光路和待测光路的光程差，可以实现高精度的长度测量。
其中，白光干涉仪和激光干涉仪是常用的光学测量仪器。
2. 角度测量：在角度测量中，光学干涉技术可以通过测量旋转的圆盘或平台上条纹的变化来确定角度的大小。
例如，倾斜式干涉仪和角度干涉仪都是常见的用于角度测量的光学装置。
3. 表面形貌测量：光学干涉技术可以用于检测物体表面的形貌和形状，如光学轮廓仪、激光扫描测量仪等。
这些设备能够高精度地测量物体的表面轮廓和几何形状，应用于工业制造、医学、材料科学等领域。
4. 折射率测量：光学干涉技术还可以用于测量光学介质的折射率。
利用干涉图样的变化特征，可以计算出被测介质的折射率值。
三、光学干涉技术的发展随着科技的进步和需求的不断增加，光学干涉技术也在不断发展和改进。
以下是一些光学干涉技术的发展趋势：1. 多波长干涉技术：通过使用多个波长的光源，可以实现更高精度的干涉测量。
《光学干涉测量技术》课件
单缝衍射
经过狭缝或者孔径时，光的波动性 质会表现出来，形成的干涉条纹与 缝孔大小、波长和距离有关。
光学干涉测量的应用
1 压力测量
2 位移测量
3 曲率测量
通过测量物体在力的作用下 的附加形变，计算得到物体 所受的压力大小。
测量物体的位移，用于判断 物体的形变和运动状态等。
通过测量物体曲面光程差的 变化，得到曲率大小。
全息术的出现和发展
全息术的出现使得光学干涉测 量技术可以更加直观的获取信 号，可以把干涉条纹能量全部 记录在一张全息图上。
激光技术的广泛应用
激光技术是现代光学干涉测量 技术中最为重要的技术之一， 提高了干涉信号的质量和稳定 性。
光学干涉测量技术的局限性和展望
环境因素的影响
干扰会随着环境的变化而变化， 例如温度、湿度、振动等环境因 素都可以影响信号的稳定性和精 度。
光学干涉测量技术
光学干涉测量技术是一种测量物体各种物理量(例如热涨缩、重量、位移、形 变等)的高精度非接触式方法，广泛应用于机械制造、光学制造、航空航天、 军工、半导体等领域。
光干涉仪的原理
1
光程差
光束沿不同路径传播，光程差会改变光的相
等厚线干涉
2
位，形成干涉条纹。
当光在具有一定曲率的光学元件(例如透镜)
4 表面质量检测
5 光学材料的折射率测量
检测制件表面的平整度、波纹度、径向误差、椭 圆度等指标。
通过测量光在材料中的传播速度等参数，计算得 到其折射率。
光学干涉测量技术的发展
数字化技术的应用
数字化技术的出现，对光学干 涉测量技术的发展起到了重要 的推动作用，大量传感数据的 分析、存储、处理和可视化等 随之而来。
光学干涉测量原理及应用
光学干涉测量原理及应用光学干涉测量是利用光学干涉的原理进行精确测量的一种方法。
光学干涉测量最初是由法国物理学家弗朗索瓦·阿拉戈于19世纪初提出的。
经过几十年的发展，现今光学干涉测量已广泛应用于各个领域，如工业制造业、生物医学、地球物理学等。
本文将从光学干涉测量的原理、技术架构、应用等方面进行剖析。
一、光学干涉测量的原理光学干涉测量的原理是利用光的波动特性进行非接触式的测量。
当光线通过介质时，由于介质的折射率发生改变，导致光线产生弯曲，从而出现干涉现象。
光的干涉是波动现象，干涉程度的大小取决于光波的相位差。
若两束光的相位差为0，即两束光的相位完全一致，则会形成明纹条。
若两束光的相位差为π，即两束光相位相反，则会形成暗纹条。
基于这种原理，可以利用光干涉现象进行精确测量。
二、光学干涉测量的技术架构光学干涉测量一般由相干光源、被测物、参考平面反射镜、干涉仪和检测系统等组成，通常需要在实验室等准确的环境中进行。
1. 相干光源相干光源是光学干涉测量的基础，必须保证相干性高，波长稳定，才能得出准确的结果。
常用的相干光源为氦氖激光器、半导体激光器、二极管激光器等。
2. 被测物被测物是光学干涉测量的关键之一，需要对被测物进行纳米级、亚微米级的测量。
常用的被测物有平面、球面、圆柱面等，涵盖了许多领域，如表面形貌测量、运动量测量等。
3. 参考平面反射镜参考平面反射镜是用来将被测物和反射镜所反射的光线合并，使光线趋向于同一平面。
一般采用长凳反射镜。
反射镜的平整度和厚度都会对实验结果造成影响，所以对反射镜的选择和制造都有较高的要求。
4. 干涉仪干涉仪是光学干涉测量中最基础的仪器之一。
干涉仪的作用是将参考光和反射光合并，通过相位差的变化来测量被测物的厚度、形态等。
常用的干涉仪有迈克尔逊干涉仪、弗拉门戈干涉仪等。
5. 检测系统检测系统是光学干涉测量的数据处理模块，负责信号采集和处理，以及测量结果的分析和处理。
检测系统的设计极其重要，因为它是决定实验结果准确性的关键要素。
干涉测量技术
长度测量
D 干涉测量技术可以测量复杂形状的长度
C
干涉测量技术可以测量大长度
B
干涉测量技术可以测量微小长度
A
干涉测量技术可以精确测量长度
角度测量
01
干涉测量技术在角度测量中的应用
03
干涉测量技术在机械加工中的应用
02
干涉测量技术可以精确测量角度
04
干涉测量技术在航空航天中的应用
形变测量
应用领域：建筑、桥梁、隧道等工 程领域
率等参数
02
电子干涉测量： 用于测量电子元 件的尺寸、电阻Fra bibliotek等参数03
声学干涉测量： 用于测量声学元 件的频率、振幅
等参数
04
机械干涉测量： 用于测量机械元 件的位移、速度
等参数
05
生物医学干涉测 量：用于测量生 物组织的厚度、
密度等参数
06
环境监测干涉测 量：用于测量大 气、水质等环境
的参数
干涉测量技术的应用
04
改进方向：提 高测量精度、 扩大测量范围、 提高测量速度， 以及开发新型 干涉测量技术。
谢谢
02 干涉仪：用于测量干涉条纹的设备，包括光源、分束 器、探测器等
03 测量方法：通过测量干涉条纹的周期、相位等参数， 计算被测物体的位移、形变等物理量
04 应用领域：干涉测量技术广泛应用于光学、机械、电 子等领域，如光学测量、精密机械加工、电子测量等。
干涉测量的应用
01
光学干涉测量： 用于测量光学元 件的厚度、折射
干涉测量技术
演讲人
目录
01. 干涉测量技术的原理 02. 干涉测量技术的应用 03. 干涉测量技术的发展 04. 干涉测量技术的局限性
光学干涉实验
光学干涉实验光学干涉是一种通过光的相干性产生的干涉现象来研究光的特性的方法。
在光学实验中，光学干涉实验是一项重要的实验，广泛应用于物理、光学和工程等领域。
本文将详细介绍光学干涉实验的原理、装置和实验步骤，以及实验结果的分析和讨论。
一、实验原理光学干涉是基于光的波动性质的实验。
当两束光线相遇时，如果它们的相位差满足一定条件，就会产生干涉现象。
光的相位差是指两束光线的相位差，即两束光线在空间中的波峰或波谷之间的相位差。
光的相位差可以通过以下公式计算：Δφ = 2πΔL / λ其中，Δφ为相位差，ΔL为两束光线的光程差，λ为光的波长。
当两束光线的相位差为整数倍的2π时，它们处于同一相位，会产生互相加强的干涉现象，称为构成干涉条纹的波峰和波谷。
当相位差为奇数倍的π时，两束光线处于相位反向的情况，会产生互相抵消的干涉现象，消失在黑暗。
二、实验装置实验装置主要包括以下部分：1. 光源：使用一束单色光源，如激光器或单色LED，保证光的波长相对单一。
2. 光源照明系统：使用准直镜和聚焦镜组成的光学系统，将光源发散的光线变为平行光线。
3. 干涉装置：可以使用分光镜、半反射镜、透射板和反射镜等光学元件构造Michelson干涉仪或Young双缝干涉装置。
4. 探测器：使用光敏电子器件，如光电二极管或CCD相机，可以测量干涉条纹的强度和位置。
三、实验步骤1. 搭建干涉实验装置，确保所有光学元件的位置和角度正确调整。
2. 打开光源，调整光源的亮度和位置，使其在光学装置中形成合适的光束。
3. 根据所选择的干涉装置类型，观察和记录干涉条纹的形状、亮度和位置。
4. 对干涉条纹进行定性和定量的分析，可以使用干涉仪的动态观察功能或记录数字图像进行后续分析。
5. 改变干涉装置中的相关参数，如光路长度、光源波长或角度，观察干涉条纹的变化。
四、实验结果分析和讨论根据实验结果可以定性和定量地分析干涉条纹的特性。
干涉条纹的间距与光源波长和光路长度有关。
干涉测量法
长度测量
长度测量
用于测量光程差改变，进而测定气体折射率的瑞利干涉仪
长度测量是光学干涉测量最常见的应用之一。如要测量某样品的绝对长度，最简明的方法之一是通过干涉对 产生的干涉条纹进行计数；若遇到非整数的干涉条纹情形，则可以通过不断成倍增加相干光的波长来获得更窄的 干涉条纹，直到得到满意的测量精度为止。常见的方法还包括惠普公司研发的惠普干涉仪，它通过外加一个轴向 磁场使氦－氖激光器工作在两个相近频率，从而发出频率相差2兆赫兹的两束激光，再通过偏振分束器使这两束激 光产生外差干涉。干涉得到的差频信号被光检测器记录，而待测样品引起的光程差变化则可以通过计数器表示为 光波长的整数倍。惠普干涉仪可以测量在60米左右以内的长度，在附加其他光学器件后还可以用于测量角度、厚 度、平直度等场合。此外，还可以通过声光调制的方法得到差频信号，并且这种方法能获得更高的差频频率，从 而可以从差频信号中得到更高的计数。
二十世纪六十年代末，随着射电望远镜接收器的性能和稳定性的提高，在全世界（以至地球轨道）范围内使 望远镜相距很远的同一射电信号之间产生干涉成为可能，这被称为超长基线干涉（VLBI）。
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射电干涉测量
射电干涉测量
望远镜的角分辨率正比于波长除以口径，而由于无线电波的波长远长于可见光，这造成单个射电望远镜无法 达到观测一般的射电源所需的分辨率（例如采用波长为2.8厘米的无线电波进行分辨率为1毫角秒的观测，需要达 6000千米的望远镜口径）。基于这个原因，英国天文学家马丁·赖尔爵士等人于1946年发明了射电干涉技术，他 们用一架两根天线组成的射电干涉仪对太阳进行了观测。射电干涉技术采用多个分立的射电望远镜构成阵列，这 些望远镜在观测时都对准同一射电发射源，各自观测所得的信号彼此用同轴电缆、波导或光纤连接后发生干涉。 这种干涉不仅仅是提升了观测信号的强度，而且由于望远镜彼此间的基线距离很长，从而提升了观测的有效口径。 由于各个望远镜的位置不同，同一波前到达各个望远镜的时间因而会存在延迟，这就需要对先到达的信号进行恰 当的延迟以保持信号彼此之间的时间相干性。此外，构成干涉的望远镜数量越多越好，这是由于观测射电源表面 的光强分布时，两台望远镜组成的干涉只能观测到光强分布的傅立叶变换（即可见度）的各个空间频率（这里空 间频率的含义是描述光强在不同方向上变化快慢的傅立叶频率）中的一个频率；而采用多个望远镜构成阵列，则 可以在多个空间频率上对射电源进行观测，再对观测所得的可见度函数进行逆傅立叶变换得到射电源的光强分布， 这种方法叫做综合孔径。例如，位于新墨西哥州的甚大天线阵（VLA）由27架射电望远镜组成，每架望远镜由直 径为25米的抛物面天线构成，彼此共形成351条彼此独立的干涉基线，最长的等效基线可达36千米。
光学干涉测量法
光学干涉测量法
光学干涉测量法是一种利用光的干涉现象进行长度、表面形貌、折射率等物理量测量的方法。
其基本原理是当两束或多束相干光波在空间某一点叠加时，它们的光程差将引起光强的变化，形成干涉现象。
通过测量干涉条纹的移动和变化，可以精确地计算出相关物理量的变化。
在光学干涉测量法中，通常需要使用到一些特殊的干涉仪，如迈克尔逊干涉仪、马赫-曾德尔干涉仪等。
这些干涉仪能够将待测光束分成两束或多束相干光波，并在特定的反射或透射路径上传播，最终再次相遇并形成干涉。
通过调整干涉仪的参数，如反射镜或透镜的位置，可以改变相干光波的相对光程，从而产生不同的干涉条纹。
当待测物理量发生变化时，干涉条纹也会随之移动或变化。
通过精确测量干涉条纹的位置或移动距离，可以计算出待测物理量的变化。
光学干涉测量法具有高精度、高分辨率和高灵敏度的优点，因此在科学研究、工业生产和计量测试等领域得到了广泛的应用。
例如，在光学薄膜厚度测量、表面粗糙度检测、折射率测量等方面，光学干涉测量法都发挥着重要的作用。
总的来说，光学干涉测量法是一种基于光的干涉现象进
行测量的方法，具有高精度、高分辨率和高灵敏度的优点，广泛应用于各个领域。
干涉测量技术
干涉测量技术（冶金与能源工程学院）摘要：干涉测量技术已经得到相当广泛的应用。
一方面因为微电子、微机械、微光学和现代工业提出了愈来愈高的精度和更大的量程，其它方法难以胜任；另一方面因为当代干涉测量技术本身具有灵敏度高、量程大、可以适应恶劣环境、光波和米定义联系而容易溯源等特点，因而在现代工业中应用非常广泛。
本论文阐述了干涉测量技术的光学原理，测试条件，并以迈克尔逊干涉仪为典型，阐明干涉测量技术的应用，迈克尔逊干涉仪是一种利用分割光波振幅的方法实现干涉的精密光学仪器关键词：干涉测量光学原理迈克尔逊干涉仪PSInSARSUN Ya Juan(Metallurgy and energy engineering institute,Kunming university of science and technology)Abstract：Interference measuring technology has been quite a wide range of applications，On the one hand for microelectronics, micro mechanical, diffractive and modern industry and put forward high precision and greater range, other methods are hard to do the job，On the other hand because contemporary interference measuring technology itself has a high sensitivity, range, and can adapt to bad environment, light and meters contact and easy to trace the definition, etc, thus in the modern industry is widely used.This paper expounds the interference of measuring technology of optical principle, test conditions, and with Michelson interferometer is typical, expounds the application of interference measuring technology, Michelson interferometer is a use of segmentation method of realization of light amplitude precision optical instrument interferenceKey words: Interferometry Principles of Optics Michelson interferometer0 、引言光的干涉现象是光的波动性的一种表现。
光学干涉测量技术
光学干涉测量技术——干涉原理及双频激光干涉1、干涉测量技术干涉测量技术和干涉仪在光学测量中占有重要地位。
干涉测量技术是以光波干涉原理为基础进行测量的一门技术。
相干光波在干涉场中产生亮、暗交替的干涉条纹，通过分析处理干涉条纹获取被测量的有关信息。
当两束光亮度满足频率相同，振动方向相同以及相位差恒定的条件，两束光就会产生干涉现象，在干涉场中任一点的合成光强为：122I I I πλ=++式中△是两束光到达某点的光程差。
明暗干涉条纹出现的条件如下。
相长干涉（明）：min 12I I I I ==+， （m λ=）相消干涉（暗）：min 12I I I I ==+-， （12m λ⎛⎫=+ ⎪⎝⎭） 当把被测量引入干涉仪的一支光路中，干涉仪的光程差则发生变化。
通过测量干涉条纹的变化量，即可以获得与介质折射率和几何路程有关的各种物理量和几何量。
按光波分光的方法，干涉仪有分振幅式和分波阵面式两类。
按相干光束传播路径，干涉仪可分为共程干涉和非共程干涉两种。
按用途又可将干涉仪分为两类，一类是通过测量被测面与参考标准波面产生的干涉条纹分布及其变形量，进而求得试样表面微观几何形状、场密度分布和光学系统波像差等，即所谓静态干涉；另一类是通过测量干涉场上指定点干涉条纹的移动或光程差的变化量，进而求得试样的尺寸大小、位移量等，即所谓动态干涉。
下图是通过分波面法和分振幅法获得相干光的途径示意图。
光学测量常用的是分振幅式等厚测量技术。
图一 普通光源获得相干光的途径与一般光学成像测量技术相比，干涉测量具有大量程、高灵敏度、高精度等特点。
干涉测量应用范围十分广泛，可用于位移、长度、角度、面形、介质折射率的变化及振动等方面的测量。
在测量技术中，常用的干涉仪有迈克尔逊干涉仪（图二）、马赫-泽德干涉仪、菲索干涉仪、泰曼-格林干涉仪等；随着激光技术的出现及其在干涉测量领域中应用，使干涉测量技术在量程、分辨率、抗干涉能力、测量精度等方面有了显著的进步。
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§4.1 干涉测量基础
（二）干涉条纹的处理方法 1、数字波面的获取 干涉仪检测光学元件面形，对获得的干涉图进行数字化转换，并 由计算机替代人眼进行判读，即为数字干涉法。在对模拟干涉图像进 行数字化转换后，需要提取干涉图上的条纹信息，即确定干涉条纹的 中心点坐标及干涉级次。一般处理过程需要如下几个步骤： (1)背景滤除：对原始图像进行预处理； (2)二值化：使干涉图变为二值化图像； (3)细化：保留条纹中心曲线，从而提取出条纹上点的坐标； (4)修像：去除细化图像中的干扰信息，修改间断点； (5)标记：对干涉条纹进行跟踪、标记不同条纹的干涉级次； (6)采样：用等间距采样现贯穿干涉图像区间，均匀设置采样点。 采样结束后即完成了对数字化干涉图像的图像处理过程，获得了 离散的、采样点基本均布的波面数据集合（x,y,p）。在经过后续的波 面拟合计算等可以得到波面数字分布。
光学测试技术
第四章 光学干涉测量技术
2013年5月26日
干涉技术和干涉仪在光学测量中占有重要地位。近年来，随 着数字图像处理技术的不断发展，使干涉测量这种以光波长作为 测量尺度和测量基准的技术得到更为广泛的应用。 在光学材料特性参数测试方面，用干涉法测量材料折射率精度 可达10-6；对材料光学均匀性的测量精度则可达10-7； 用干涉法可测量光学元件特征参数，用球面干涉仪测量球面曲 率半径精度达1μm，测量球面面形精度为1/100λ；用干涉法测量 平面面形精度为1/1000λ；用干涉法测量角度时测量精度可达 0.05″以上； 在光学薄膜厚度测试方面，用干涉法测厚的精度可达0.1nm； 在光学系统成像质量检验方面，利用干涉法可测定光学系统的 波像差，精度可达1/20λ，并可利用干涉图的数字化及后续处理 解算出成像系统的点扩散函数、中心点亮度、光学传递函数以 及各种单色像差。
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§3.1 干涉测量基础
对于非轴对称的情况，则需要绘出二维的波面偏差分布图。 在获取整个表面的波面偏差后，可以用以下几种综合指标描述波 面分布： 被测波面相对参考波面的峰值与谷底之差，可表示为： PV Emax Emin PV是波前最高点与最低点之间的间距，单位通常为波长。因此， PV给出的是波差的极限值。PV通常被用于描述元件或系统的质量， 瑞利曾指出：波前PV值优于λ/4，可以认为系统成完善像。
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§3.1 干涉测量基础
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§4.1 干涉测量基础
用样板法检验光学面面形时需要光学样板。所谓样板是根据 待测光学元件的标称曲率半径和口径制造出的光学元件，一般分 为标准样板和工作样板。标准样板一般成对加工，成对检测；工 作样板由标准样板传递，直接在加工过程的现场检测中使用。与 普通工件相比，样板一般采用性能稳定的光学材料制成，有一定 的厚径比，面形不易变化，曲率半径也可以用其他手段精确测量。
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§4.1 干涉测量基础
如图，光源为被均匀照明的直径为r的光阑孔。光阑孔上不同 点S经准直镜后变成与光轴具有不同夹角θ的平行光束。设准直镜 焦距为f’，小孔光阑的中心点为S0，则： SS0 / f ' 不同θ角的平行光束经干涉仪后被分成两束相干光，到达干涉 场中同一点的光程差各不相同，因此各自形成的干涉条纹彼此错 位。
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§4.1 干涉测量基础
如果被测波面是球面，称由实测波面拟合得到的最接近球面 的矢高（波高）为Power。当最接近球面为会聚波前时，Power取 正值；当最接近球面为发散波前时，Power取负值。可见，Power 越小，波前的准直性越高，因此将Power称为波前的离焦量。 将Power从PV移出后的剩余量用pv表示。事实上，pv更能体 现波前的极限误差。 虽然PV可以用于描述元件或系统的质量，但这种描述往往容 易受随机误差的干扰的缺陷，因此常用PV20替代PV：
I max I 1 I 2
2
I min I 1 I 2
2
K
2 I1 I 2 I1 I 2
可以发现：I1=I2时，K取得极大值。K=1；I1、I2相差的越大， K就越小。 一般干涉仪采用分振幅的方法得到两相干光波，所以条纹对 比度主要取决于分束器的分束比及性能。
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2 Lm
表4-1（p77）给出了常用光源的相干长度的理论值。实际的 相干长度往往会小于相干长度的理论值。
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I
合成光强 0 0 1 1 2 2 3 3 4 45 5 6
+ (/2)
- (/2)
x
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§4.1 干涉测量基础
(4)杂散光对对比度的影响 分束器，以及干涉仪系统中的其他光学器件在把入射光分束 及折转、成像过程中，会引入杂散光。杂散光会影响条纹对比度， 导致对比度的下降。 例：分束镜表面的剩余反射 改善措施： 分束器表面正确镀制增透膜或析 光膜 在光源处设置消除杂散光的小孔 光阑 除此之外，两支相干光束的偏振态 不一致也会影响干涉条纹的对比度。
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§4.1 干涉测量基础
所有干涉条纹进行强度叠加，形成视场中见到的干涉条纹。 条纹度比度直接取决于光阑大小。
如图所示。设光阑半径为rm0，应用物理光学知识可以证明： 1 f' m0 /h K≥90% rm 0 /h 2 2 式中h是虚拟空气楔厚度。可见，为保证干涉仪的空间相干性， 采用长焦准直镜，采用尽可能相等的两臂长，减小空气楔厚度是 必要的。
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§4.1 干涉测量基础
(3)光源非单色性影响与时间相干性 能够发生干涉现象的最大光程差与光源的谱线宽度成反比。 若干涉测量中用到的光源本身有一定的谱线宽度 ，对应波长为 / 2 和λ-Δλ/2两组干涉条纹的强度分布，其他波长的光对应的干 涉条纹强度分布介于两根曲线之间。干涉场中最终形成的干涉条 纹是这些干涉条纹叠加的结果。 可见，在零级时，各波长的干涉极大重合，之后慢慢错开； 干涉级次越高，错开的距离越大，合强度峰值逐渐变小，对比度 逐渐下降。对线宽为Δλ的光源，其最大波列长度为：
PV20
w
k 1
10
max,k
10
w
k 1
10
min,k
10
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§4.1 干涉测量基础
被测波面相对参考波面各点偏差的均方根值，可表示为：
RMS
E
i 1
n
2 i
n 1
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光学车间广泛采用玻璃样板来检验球面或平面光学元件的 面形偏差。根据国家标准GB2831-81规定了光圈的识别办法， 光圈识别应包括以下三个方面的内容：
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若两支相干光的光强关系为：I 2 nI1 则：
2 n K n 1
I 若测试光路中混入有杂散光，其强度均为： ' mI1
2 n 会导致干涉图像对比度进一步下降 k 1 n m
见p79图4-4
§3.1 干涉测量基础
(2)光源大小的影响及其空间相干性 干涉条纹的照度很大程度上取决于光源的尺寸。而光源的尺 寸大小又会影响到各种干涉条纹的干涉图样对比度。 平行平板的等倾干涉： 对比度与光源大小无关 杨氏干涉：只有利用狭缝限制光源尺寸，才能获得干涉条纹 楔形板形成的等厚干涉：介于上述两种情况之间。
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--在光学检验方面，干涉测量法是一种通用性很好的测量方法，
适用于对材料、元件、系统等各种参量的检测；
--干涉测量法在各种参数的测量中，均具有很高的测试灵敏度和
准确度，是一种高精度的测量方法。 实现干涉测量的仪器叫干涉仪。干涉仪有几种不同的分类方式： 按光波分光方式的不同，可分为分振幅型和分波阵面型； 按相干光束的传播途径，可分为共程干涉和非共程干涉； 按用途不同分为静态干涉和动态干涉。其中静态测量通过测量 被测波面与标准波面之间产生的干涉条纹分布及其变形量求得试 样表面微观几何形状或波像差分布；动态测量通过测量干涉场上 指定点的干涉条纹的移动或光程变化来求得试样的位移等。
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§4.1 干涉测量基础
样板本身也有误差，这种误差必然会影响到检测结果。下表给 出了基准样板精度等级的划分办法。在光学图纸上，基准样板精 度等级以符号ΔR表示。由于被测面曲率半径和样板曲率半径存在 差异ΔR’，使两者之间存在一定的空气隙厚度。空气隙厚度越大， 光圈数就越多。根据简单的数学推导，可以得到： 2 R R' 4 N 2 D 式中：λ为样板检验时用的波长，D和R分别是被测球面的口 径和名义曲率半径。
曲率半径/mm
精度等级 N ΔN
0.5~750
A 0.5 0.1 B 1.0 0.1
>750~40000
A 0.2 0.1 B 0.5 0.1 A 0.05
∞
B 0.10 0.05 0.10
武汉大学 电子信息学院ຫໍສະໝຸດ 23§4.1 干涉测量基础
用样板法检测光学元件面形偏差时要注意几个问题： (1)样板法检测结果与光源的波长有关。如果不加特别说明，应默 认波长为546.1nm。 从一种检验波长得到的光圈与另一种检验波长得到的光圈是 不一样的，但两者间可以进行转换： N 1 2 N 2 1 (2)样板法检测时的观察角度：当观察者从不同方向观察样板上的 干涉条纹时，相当于是观察从不同方向上入射的光的干涉。由于 光程差的变化，干涉条纹的位置在改变，判读得到的结果自然也 就不相同。如果垂直方向观察得到的光圈数为N，则有：