光电测试技术-n5PPT演示课件
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光电检测技术PPT演示文稿
•
大。
• 改进型波导腔 FFPT
•
可通过中间光纤波导段的长度 光纤
•
来调整其自由谱区，其光纤长
•
度一般为 100 m 到 几厘米。
光纤
PZT
(a)
光纤 (b)
PZT
光纤 F－P 腔
光纤 (c)
PZT
光纤温度测量技术
光纤压力测量技术
光纤电流测量技术
光纤图像传感器
光纤图像传感器是靠光纤传像束实现图像传输的。传像束由光纤按阵列排
列而成，一根传像束一般由数万到几十万条直径为l0～20μm 的光纤组成，每
条光纤传送一个像素信息。用传像束可对图像进行传递、分解、合成和修正。 传像束式的光纤图像传感器在医疗、工业、军事部门有着广泛的应用。
⑴ 工业用内窥镜
I
光纤 载流导线
起偏器 显微物镜
激光器
光探测器
检偏器
＝ VHL V：Verdet 常数
记录显示器
光纤电流传感器原理示意图
频率调制型光纤传感器
利用外界作用改变光纤中光的波长或频率，通过检测光纤中光的波长或 频率的变化来测量各种物理量,这两种调制方式分别称为波长调制和频率调 制。波长调制技术比强度调制技术用得少，其原因是解调技术比较复杂。 光纤光栅传感器 通过外界参量对布拉格中心波长的调制来获取传感信息
fc ＝
C 2nL
T1-3 ＝ 0， T1-4 ＝ 1
f ＝ f2
或： ＝ (12)/(2nL)
Fabry－Perot 光纤干涉仪
• 光纤波导腔 FFPF
•
光纤两端面直接镀高反射膜，
•
腔长一般为厘米到米量级，因
•
此自由谱区小。
《光电检测技术》课件
生物医学
光电检测技术在生物医学领域的 应用包括光谱分析、荧光成像、 激光共聚焦显微镜等，有助于疾 病的诊断和治疗。
工业生产
光电检测技术在工业生产中的应 用包括产品质量检测、生产线自 动化控制等，可以提高生产效率 和产品质量。
光电检测技术的发展趋势
智能化
随着人工智能技术的发展，光电检测技术 将逐渐实现智能化，能够自动识别和分类
目标，提高检测精度和效率。
微型化
随着微纳加工技术的发展，光电检测器件 将逐渐微型化，能够应用于更广泛的领域
，如生物医疗、环境监测等。
高光谱成像
高光谱成像技术能够获取目标的多光谱信 息，有助于更准确地分析物质成分和状态 ，是光电检测技术的重要发展方向。
多模态融合
将多种光电检测技术进行融合，实现多模 态信息获取和分析，能够提高检测的准确 性和可靠性。
利用光电检测技术快速读取条形码的设备
详细描述
光电式条形码阅读器通过发射光源和接收装置，快速扫描条形码并将光信号转 换成电信号，实现快速、准确地读取条形码信息。广泛应用于超市、图书馆、 物流等领域，提高信息录入效率和准确性。
光电式指纹识别系统
总结词
利用光电检测技术进行指纹识别的系统
详细描述
光电式指纹识别系统通过发射光源和图像传感器，获取指纹的反射光信号，再转换成电信号进行处理。系统能够 实现高精度、高速度的指纹识别，广泛应用于身份认证、门禁控制等领域，提高安全到探测器表面时，光子与材料中的电子相 互作用，使电子从束缚状态跃迁到导带，形成光生电压或电流，从而实现对光 信号的探测。
03
常见的光伏探测器有硅、锗等。
光子探测器
光子探测器是利用光子效应制成的探测器，主要应用于紫外、可见和近红外波段的探测。
光电测量技术 PPT课件
梳状电极 光电导 透光窗口
A
外壳
A
玻璃支柱
绝缘基体
引脚
光敏电阻利用光电导效应制成，一般选 用禁带宽度较宽的半导体材料。
光电导原理：当入射光照到半导体上时， 光子的能量如果大于禁带宽度，即hf≥Eg, 则电子受光子的激发由价带越过禁带跃迁 到导带，在价带中留下带正电的空穴，在 外加电压作用下，导带中的电子和价带中 的空穴同时参与导电，即载流子数增多使 其电阻下降。
10.1
光电测量基础知识
光电式传感器：将被测量的变化转换成光量的变化， 再通过光电元件把光量变化转换成电信号的一种装置。
光量 光量 电量 输出
光源 x1
光通路 x2
光电器件
测量电路
对光量的调制方法： X1——被测量直接引起光源光量的变化 X2——被测量在光传播过程中调制光量
光电传感器的物理基础是光电效应。
mv2/2=hf-A0
v-电子逸出时的速度；
m-电子的质量。
mv2/2=hf-A0
爱因斯坦光电方程说明光电发生服从以下定律： 1）物体表面发射的电子数(光电流)与光强成正比； 2）光电子的动能随光的频率成正比的增加，而与光强无关； 3）要使光电子逸出物体表面，必须 h〃f>A0。对于每种物体 都存在一个极限频率（红限频率f0） ，当入射光的频率低 于这个频率时，无论光强多强，都不会有光电子发射出来。
10.2 光电器件的特性
光电管的分类:真空光电管、充气光电管
(1)结构和工作原理 (真空光电管) 在真空的玻璃泡内装有两个电极：光电阴极和阳极。m
光电阴极有的是贴附在玻璃泡内壁， 有的是涂在半圆筒形的金属片上，阴 极对光敏感的一面是向内的，在阴极 前装有单根金属丝或环状的阳极。当 阴极受到适当波长的光线照射时便发 射电子，电子被带正电位的阳极所吸 引，这样在光电管内就有电子流，在 外电路中便产生了电流。
A
外壳
A
玻璃支柱
绝缘基体
引脚
光敏电阻利用光电导效应制成，一般选 用禁带宽度较宽的半导体材料。
光电导原理：当入射光照到半导体上时， 光子的能量如果大于禁带宽度，即hf≥Eg, 则电子受光子的激发由价带越过禁带跃迁 到导带，在价带中留下带正电的空穴，在 外加电压作用下，导带中的电子和价带中 的空穴同时参与导电，即载流子数增多使 其电阻下降。
10.1
光电测量基础知识
光电式传感器：将被测量的变化转换成光量的变化， 再通过光电元件把光量变化转换成电信号的一种装置。
光量 光量 电量 输出
光源 x1
光通路 x2
光电器件
测量电路
对光量的调制方法： X1——被测量直接引起光源光量的变化 X2——被测量在光传播过程中调制光量
光电传感器的物理基础是光电效应。
mv2/2=hf-A0
v-电子逸出时的速度；
m-电子的质量。
mv2/2=hf-A0
爱因斯坦光电方程说明光电发生服从以下定律： 1）物体表面发射的电子数(光电流)与光强成正比； 2）光电子的动能随光的频率成正比的增加，而与光强无关； 3）要使光电子逸出物体表面，必须 h〃f>A0。对于每种物体 都存在一个极限频率（红限频率f0） ，当入射光的频率低 于这个频率时，无论光强多强，都不会有光电子发射出来。
10.2 光电器件的特性
光电管的分类:真空光电管、充气光电管
(1)结构和工作原理 (真空光电管) 在真空的玻璃泡内装有两个电极：光电阴极和阳极。m
光电阴极有的是贴附在玻璃泡内壁， 有的是涂在半圆筒形的金属片上，阴 极对光敏感的一面是向内的，在阴极 前装有单根金属丝或环状的阳极。当 阴极受到适当波长的光线照射时便发 射电子，电子被带正电位的阳极所吸 引，这样在光电管内就有电子流，在 外电路中便产生了电流。
光电检测技术PPT培训课件
光电检测技术的发展趋势
总结词
光电检测技术未来将朝着高精度、高速度、智能化方向发展。
详细描述
随着科技的不断进步，光电检测技术将进一步提高检测精度和速度，实现更快速、更准确的信息获取 和处理。同时，光电检测技术将与人工智能、机器学习等技术相结合，实现智能化检测和自动化决策 ，为各领域的快速发展提供有力支持。
各类光电检测技术的应用场景
可见光检测技术
广泛应用于图像采集、安防监控、交通拍 照等领域。
激光雷达技术
广泛应用于机器人导航、无人驾驶、智能 制造等领域。
红外检测技术
广泛应用于温度测量、无损检测、消防报 警等领域。
X射线检测技术
广泛应用于医疗影像、工业无损检测、安 全检查等领域。
紫外检测技术
广泛应用于荧光显微镜、化学分析仪器、 环境监测等领域。
04
光电检测技术的实际应用案例
光电检测技术在工业自动化中的应用
总结词
质量检测
光电检测技术在工业自动化领域的应用广 泛，主要用于生产线上的质量检测、位置 检测和速度控制等。
通过光电检测技术对生产线上的产品进行 表面缺陷、尺寸、重量等质量参数的检测 ，确保产品质量符合要求。
位置检测
速度控制
利用光电检测技术对生产线上的产品位置 进行精确检测，实现自动化控制和调整。
详细描述
光电检测技术利用光子与电子的相互作用，将光信号转换为电信号，实现对各 种物理量、化学量和生物量的检测。该技术具有高精度、高灵敏度、高可靠性 等优点，广泛应用于各个领域。
光电检测技术的应用领域
总结词
光电检测技术在多个领域都有广泛应用。
详细描述
在工业自动化领域，光电检测技术用于产品质量检测、生产线监控等；在医疗领域，光电检测技术用于医疗诊断、 生物分析等；在环保领域，光电检测技术用于环境监测、水质分析等；在通信领域，光电检测技术用于光纤通信、 高速数据传输等。
《光电检测技术》PPT课件
由图：辐射源向空间某一方向与法线成θ角， ΔΩ立体角内辐射的功率为
Lcos
与法线成θ角方向上的辐射强度ΔΙθ为
I
LA c os
I0 cos
即：在某一方向上的辐射强度等于这个面垂直方向上的辐射强度 乘以方向角的余弦
4. 朗伯辐射源的L与M关系
2
M L
cosd L0
d 2 cos sind L 0
= 1 metres
尺 1 Decimetre
分 米 = 1 dm
=
10-1 metres
1 Centimetre
厘 米 = 1 cm
=
10-2 metres
1 Millimetre
毫 米 = 1 mm
= 10-3 metres
1 Decimillimetre 丝 米 = 1 dmm =
10-4 metres
五、辐射传输中的相关定律
考虑到辐射在介质和光学元件的表面反射、内部吸收和散射 情况
1. 总功率定律
由能量守恒定律
Pi P P P
定义：反射率：
P
Pi
吸收率： 透过率：
P
则：
Pi
P
Pi
1
26
注意点： 1. 反射率、吸收率、透过率通常随辐射光波长发生变化； 2. 影响反射率的主要因素是：材料种类、表面特性、入射角； 3. 影响吸收率的主要因素是：材料种类、均匀性、温度； 4. 透射率是被动的，随材料的反射率和吸收率而变化。
辐能密度定义为单位体积元内的辐射能，即
dQ
dV
4. 辐射通量（Φ，P）
单位时间内的辐射能
dQ 、 P dQ
dt
dt
7
5. 辐射强度（ I ）
Lcos
与法线成θ角方向上的辐射强度ΔΙθ为
I
LA c os
I0 cos
即：在某一方向上的辐射强度等于这个面垂直方向上的辐射强度 乘以方向角的余弦
4. 朗伯辐射源的L与M关系
2
M L
cosd L0
d 2 cos sind L 0
= 1 metres
尺 1 Decimetre
分 米 = 1 dm
=
10-1 metres
1 Centimetre
厘 米 = 1 cm
=
10-2 metres
1 Millimetre
毫 米 = 1 mm
= 10-3 metres
1 Decimillimetre 丝 米 = 1 dmm =
10-4 metres
五、辐射传输中的相关定律
考虑到辐射在介质和光学元件的表面反射、内部吸收和散射 情况
1. 总功率定律
由能量守恒定律
Pi P P P
定义：反射率：
P
Pi
吸收率： 透过率：
P
则：
Pi
P
Pi
1
26
注意点： 1. 反射率、吸收率、透过率通常随辐射光波长发生变化； 2. 影响反射率的主要因素是：材料种类、表面特性、入射角； 3. 影响吸收率的主要因素是：材料种类、均匀性、温度； 4. 透射率是被动的，随材料的反射率和吸收率而变化。
辐能密度定义为单位体积元内的辐射能，即
dQ
dV
4. 辐射通量（Φ，P）
单位时间内的辐射能
dQ 、 P dQ
dt
dt
7
5. 辐射强度（ I ）
光电测试技术-n5ppt课件
➢ 1．干涉原理
➢ 光干涉的基础是光波的叠加原理。由波动光学知道，两 束相干光波在空间某点相遇而产生的干涉I22I1I2cos
两光束到达 某点的光程
2π L
差
➢ 满足 Lm 的光程差相同的点形成的亮线叫亮纹。
➢ 满足 L(m1/2)的光程差相同的点形成的暗线叫
暗纹，亮纹和暗纹组成干涉条纹。
a)
b)
c)
图4-3 光阑孔大小对干涉条纹对比度的影响
.
10
➢ 如取对比度为0.9，可得光源的许可半径
rm
f' 2
h
在干涉测量中，采取尽量减小光源尺 寸的措施，固然可以提高条纹的对比 度，但干涉场的亮度也随之减弱。
当采用激光作为光源时，因为光源上 各点所发出的光束之间有固定的相位 关系，形成的干涉条纹也有固定的分 布，而与光源的尺寸无关。激光光源 的大小不受限制，激光的空间相干性 比普通光源好得多。
.
11
§5-1 激光干涉测试技术基础
1.2 影响干涉条纹对比度的因素 ➢ ③相干光束光强不等和杂散光的影响 ➢ 设两支相干光的光强为I2=nI1，则有
K2 n n1
➢ 非期望的杂散光进入干涉场，会严重影响条纹对比度。 ➢ 设混入两支干涉光路中杂散光的强度均为 I'mI1，则
Im ax(1nm 2n)I1Im in(1nm 2n)I1
➢ 其中m是干涉条纹的干涉级. 次。
3
§5-1 激光干涉测试技术基础
1.1 干涉原理与干涉条件
➢ 2．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
静态稳定干涉场的 条件
光电测试技术PPT
6
二、光电传感器与敏感器的概念 1、 传感器
将非电量转换为与之有确定对应关系的电量 输出
2、敏感器
将被测非电量转换为可用非电量的器件或装 置
3、光电传感器 基于光电效应，将光信号转换为电信号的一 种传感器。
7
光电传感器主要有光电二极管、光电晶体管、 光敏电阻、光电耦合器、集成光 电传感器、光电池和图像传感器等
第一章 绪论
信息技术与光电检测技术
光电检测与光电传感器概念
光电检测系统的组成及特点 光电检测方法及应用发展趋势
1.1 信息技术与光电检测技术
1、信息技术
四个基本内容：感测技术 、通信技术 、人工 智能技术与计算机技术 、控制技术
信息技术包括微电子信息技术、光子信息技 术、光电信息技术等
2
2、光电检测技术
22
（3）辐射型 被测物体本身就是一个辐射源，光电接收 器通过接收被测物的辐射光能量实现测量。
23
2、光电检测基本方法
直接作用法、差动测量法、补偿测量法和 脉冲测量法 (1)直接作用法 受被测物理量控制的光通量，经光电接收 器转换成电量后由检测机构可直接得到所 求被测物理量 。
被测物理量 光通量 光电传感器
27
在高频信号被滤波器滤去后
uO 1/ 2 Ei ER cos[2 ( f1 f 2 )t 1 2 ]
且使 f1=f2
14
1）、功率检测接收机
也称作直接检测接收机或非相干接收机。 透镜系统和光电探测器用于检测所收集到 的到达光接收机的光场瞬间光功率。
15
2）、外差接收机
也称为空间相干接收机。本地产生的光波 场与接收到的光波场经前端镜面加以合成， 然后由光探测器检测这一合成的光波。外 差式接收机可接收以幅度调制、频率调制、 相位调制方式传输的信息。
光电检测技术文档ppt
特点：克服单频干涉仪的漂移问题； 细分变得容易； 提高了抗干扰性能。
3.2.1 光电外差检测的基本原理
两束入射光：偏振方向相同、传 播方向平行、重合后垂直入射到 光电探测器上，光波场的合成产 生了和频、差频光强信号。当差 频信号频率在探测器频率响应区 域时形成输出电信号。
3.2.1 光电外差检测的基本原理
3.2.2 光电外差检测的基本特性
(1)光外差探测增益 被探测信号光功率
本振光功率
Ps
E
2 s
2
PL
E
2 L
2
光外差检测输出功率
P IFi2R L2E s2 2 E L2R L2 h e 2P sP LR L
3.2.2 光电外差检测的基本特性
(1)光外差探测增益 光电直接探测输出功率为
3.2.2 光电外差检测的基本特性
(3)光外差探测的滤波特性 直接探测时用滤波片滤除背景光
1nm
对应的光频带宽度为
f
c
2
0.3
2
二氧化碳激光的10.6微米波长
f 3GHz
3.2.2 光电外差检测的基本特性
(3)光外差探测的滤波特性 光外差产生差频信号转换成电信号，频率远远低于探测光 的频率。光外差信号对应的频率宽度为
fIFf fSfL
CO2激光多普勒效应测物体运动速率 10m / s
fIF2cufL2uL 1.89MHz
3.2.2 光电外差检测的基本特性
(4)光外差探测的极限灵敏度
考虑到光电探测器的内部增益，散粒噪声、热噪声，光外 差探测器的噪声为
P n 2 G 2 e h eP s P b P L Id fIF R L 4 K T fIF R L
输出信号有效功率为
3.2.1 光电外差检测的基本原理
两束入射光：偏振方向相同、传 播方向平行、重合后垂直入射到 光电探测器上，光波场的合成产 生了和频、差频光强信号。当差 频信号频率在探测器频率响应区 域时形成输出电信号。
3.2.1 光电外差检测的基本原理
3.2.2 光电外差检测的基本特性
(1)光外差探测增益 被探测信号光功率
本振光功率
Ps
E
2 s
2
PL
E
2 L
2
光外差检测输出功率
P IFi2R L2E s2 2 E L2R L2 h e 2P sP LR L
3.2.2 光电外差检测的基本特性
(1)光外差探测增益 光电直接探测输出功率为
3.2.2 光电外差检测的基本特性
(3)光外差探测的滤波特性 直接探测时用滤波片滤除背景光
1nm
对应的光频带宽度为
f
c
2
0.3
2
二氧化碳激光的10.6微米波长
f 3GHz
3.2.2 光电外差检测的基本特性
(3)光外差探测的滤波特性 光外差产生差频信号转换成电信号，频率远远低于探测光 的频率。光外差信号对应的频率宽度为
fIFf fSfL
CO2激光多普勒效应测物体运动速率 10m / s
fIF2cufL2uL 1.89MHz
3.2.2 光电外差检测的基本特性
(4)光外差探测的极限灵敏度
考虑到光电探测器的内部增益，散粒噪声、热噪声，光外 差探测器的噪声为
P n 2 G 2 e h eP s P b P L Id fIF R L 4 K T fIF R L
输出信号有效功率为
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源的尺寸大小又会对各类干涉图样对比度有不同的影响: ✓ 由平行平板产生的等倾干涉，无论多么宽的光源尺寸，
其干涉图样都有很好的对比度。 ✓ 杨氏干涉实验只在限制狭缝宽度的情况下，才能看清
干涉图样。 ✓ 由楔形板产生的等厚干涉图样，则是介于以上两种情
况之间。
9
r
S
S0
θ
-f
图 4-2 等厚干涉仪中的扩展光源
➢ 对目视干涉仪可以认为：当K＞0.75时，对比度就算是好 的；而当K＞0.5时，可以算是满意的；当K＝0.1时，条 纹尚可辨认，但是已经相当困难的了。
➢ 对动态干涉测试系统，对条纹对比度的要求就比较低。
5
§5-1 激光干涉测试技术基础
1.2 影响干涉条纹对比度的因素
➢ ①光源的单色性与时间相干性 ➢ 如图，干涉场中实际见到的条纹是λ到λ＋Δλ 中间所有波
11
§5-1 激光干涉测试技术基础
1.2 影响干涉条纹对比度的因素 ➢ ③相干光束光强不等和杂散光的影响 ➢ 设两支相干光的光强为I2=nI1，则有
K2 n n1
➢ 非期望的杂散光进入干涉场，会严重影响条纹对比度。 ➢ 设混入两支干涉光路中杂散光的强度均为 I'mI1，则
Im ax(1nm 2n)I1Im in(1nm 2n)I1
➢于是
K 2 n 1 n m
12
图4-4 对比度K与两支干涉光强比n的关系
可见，没有必要追求两支 相干光束的光强严格相等。 尤其在其中一支光束光强 很小的情况下，人为降低 另一支光束的光强，甚至 是有害的。因为这会导致 不适当地降低干涉图样的 照度，从而提升了人眼的 对比度灵敏阈值，不利于 目视观测。
两光束到达 某点的光形成的亮线叫亮纹。
➢ 满足 L(m1/2)的光程差相同的点形成的暗线叫
暗纹，亮纹和暗纹组成干涉条纹。
➢ 其中m是干涉条纹的干涉级次。
3
§5-1 激光干涉测试技术基础
1.1 干涉原理与干涉条件
➢ 2．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：
a)
b)
c)
图4-3 光阑孔大小对干涉条纹对比度的影响
10
➢ 如取对比度为0.9，可得光源的许可半径
rm
f' 2
h
在干涉测量中，采取尽量减小光源尺 寸的措施，固然可以提高条纹的对比 度，但干涉场的亮度也随之减弱。
当采用激光作为光源时，因为光源上 各点所发出的光束之间有固定的相位 关系，形成的干涉条纹也有固定的分 布，而与光源的尺寸无关。激光光源 的大小不受限制，激光的空间相干性 比普通光源好得多。
1986年发明原子力显微镜，从此开始了干涉技术向纳米、亚纳
米分辨率和准确度前进的新时代。 2
§5-1 激光干涉测试技术基础
1.1 干涉原理与干涉条件
➢ 1．干涉原理
➢ 光干涉的基础是光波的叠加原理。由波动光学知道，两 束相干光波在空间某点相遇而产生的干涉条纹光强分布
为：
位相 差
II1I22I1I2cos
✓ 频率相同
✓ 振动方向相同 ✓ 恒定的位相差
静态稳定干涉场的 条件
➢ 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。
4
§5-1 激光干涉测试技术基础
长的光干涉条纹叠加的结果。 ➢ 当λ＋Δ λ 的第m级亮 纹与λ 的第m+1级亮纹重合后，所有
亮纹开始重合，而在此之前则是彼此分开的。则尚能分辨 干涉条纹的限度为
(m 1 )m ( )
6
K 1
I
x
λ
3
λ+Δλ
0
1
2
3
4
5
6
m
0
1
2
3
4
5
6
图4-1 各种波长干涉条纹的叠加 λ + Δ λ
7
➢ 由此得最大干涉级m＝λ/Δλ ，与此相应的尚能产生干涉条 纹的两支相干光的最大光程差(或称光源的相干长度)为
13
§5-1 激光干涉测试技术基础
1.2 影响干涉条纹对比度的因素
1881年分✓振迈较幅大克式的尔量逊程(范A.围M；ic共h程el干s涉on)设非计共了程干著涉名的干涉实静验态来干涉测量 “以太✓”在漂精密移测。量、精密加工和实时测控的诸多领域获得广泛应用。 19➢60分分年波类梅阵：面曼式(Maiman)研制成功第一台红宝石激光器动，态以干及涉 微 电➢子技另术外和还计可算以机利技用术有的关飞干速涉发图展的，接使收光和学数干据涉处技理术技的术发计展算进 入了快出速点增扩长散时函期数。、中心点亮度、光学传递函数等综合光学 1982象年质G.评Bi价nn指in标g和。H.Rohrer研制成功扫描隧道显微镜，
光电测试技术
第五章 激光干涉测试技术
成都信息工程学院
概述 17世纪后半叶，玻意耳(Boyle)和胡克(Hooke)独立地观察了两
块玻璃板接触时出现的彩色条纹，人类从此开始注意到了干涉
现➢象。历史进程： 18➢01特年点托：马斯·杨(Thomas 干Y涉o测un试g技)术完成了著名的杨氏双缝实 验，人✓们具可有更以高有的计测划试、灵敏有度目和的准地确控度；制干涉现象。 1860年✓ 麦绝按大克光部斯波分分韦的光(干方C式.涉M测ax试w都e是l按l)传非的相播接干电路触光径磁束式场的，理不论会为对干被按涉测用途件技带术来奠表定面了 坚实的理损论伤和基附础加。误差；
LM
2
在波动光学中，把光通过相干长度所需要
的时间称为相干时间，其实质就是可以产
生干涉的波列持续时间，（其对应产生干
涉的两列波的光程差）。因此，激光光源
的时间相干性比普通光源好得多，一般在
激光干涉仪的设计和使用时不用考虑其时
间相干性。
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§5-1 激光干涉测试技术基础
1.2 影响干涉条纹对比度的因素 ➢ ②光源大小与空间相干性 ➢ 干涉图样的照度，在很大程度上取决于光源的尺寸，而光
1.2 影响干涉条纹对比度的因素
➢ 干涉条纹对比度可定义为
K Imax Imin Imax Imin
➢ 式中，Imax、Imin 分别为静态干涉场中光强的最大值和最 小值，也可以理解为动态干涉场中某点的光强最大值和
最小值。
➢ 当 Imin = 0时K＝1，对比度有最大值；而当 Imax= Imin时K ＝0，条纹消失。在实际应用中，对比度一般都小于1。
其干涉图样都有很好的对比度。 ✓ 杨氏干涉实验只在限制狭缝宽度的情况下，才能看清
干涉图样。 ✓ 由楔形板产生的等厚干涉图样，则是介于以上两种情
况之间。
9
r
S
S0
θ
-f
图 4-2 等厚干涉仪中的扩展光源
➢ 对目视干涉仪可以认为：当K＞0.75时，对比度就算是好 的；而当K＞0.5时，可以算是满意的；当K＝0.1时，条 纹尚可辨认，但是已经相当困难的了。
➢ 对动态干涉测试系统，对条纹对比度的要求就比较低。
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§5-1 激光干涉测试技术基础
1.2 影响干涉条纹对比度的因素
➢ ①光源的单色性与时间相干性 ➢ 如图，干涉场中实际见到的条纹是λ到λ＋Δλ 中间所有波
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§5-1 激光干涉测试技术基础
1.2 影响干涉条纹对比度的因素 ➢ ③相干光束光强不等和杂散光的影响 ➢ 设两支相干光的光强为I2=nI1，则有
K2 n n1
➢ 非期望的杂散光进入干涉场，会严重影响条纹对比度。 ➢ 设混入两支干涉光路中杂散光的强度均为 I'mI1，则
Im ax(1nm 2n)I1Im in(1nm 2n)I1
➢于是
K 2 n 1 n m
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图4-4 对比度K与两支干涉光强比n的关系
可见，没有必要追求两支 相干光束的光强严格相等。 尤其在其中一支光束光强 很小的情况下，人为降低 另一支光束的光强，甚至 是有害的。因为这会导致 不适当地降低干涉图样的 照度，从而提升了人眼的 对比度灵敏阈值，不利于 目视观测。
两光束到达 某点的光形成的亮线叫亮纹。
➢ 满足 L(m1/2)的光程差相同的点形成的暗线叫
暗纹，亮纹和暗纹组成干涉条纹。
➢ 其中m是干涉条纹的干涉级次。
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§5-1 激光干涉测试技术基础
1.1 干涉原理与干涉条件
➢ 2．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：
a)
b)
c)
图4-3 光阑孔大小对干涉条纹对比度的影响
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➢ 如取对比度为0.9，可得光源的许可半径
rm
f' 2
h
在干涉测量中，采取尽量减小光源尺 寸的措施，固然可以提高条纹的对比 度，但干涉场的亮度也随之减弱。
当采用激光作为光源时，因为光源上 各点所发出的光束之间有固定的相位 关系，形成的干涉条纹也有固定的分 布，而与光源的尺寸无关。激光光源 的大小不受限制，激光的空间相干性 比普通光源好得多。
1986年发明原子力显微镜，从此开始了干涉技术向纳米、亚纳
米分辨率和准确度前进的新时代。 2
§5-1 激光干涉测试技术基础
1.1 干涉原理与干涉条件
➢ 1．干涉原理
➢ 光干涉的基础是光波的叠加原理。由波动光学知道，两 束相干光波在空间某点相遇而产生的干涉条纹光强分布
为：
位相 差
II1I22I1I2cos
✓ 频率相同
✓ 振动方向相同 ✓ 恒定的位相差
静态稳定干涉场的 条件
➢ 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。
4
§5-1 激光干涉测试技术基础
长的光干涉条纹叠加的结果。 ➢ 当λ＋Δ λ 的第m级亮 纹与λ 的第m+1级亮纹重合后，所有
亮纹开始重合，而在此之前则是彼此分开的。则尚能分辨 干涉条纹的限度为
(m 1 )m ( )
6
K 1
I
x
λ
3
λ+Δλ
0
1
2
3
4
5
6
m
0
1
2
3
4
5
6
图4-1 各种波长干涉条纹的叠加 λ + Δ λ
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➢ 由此得最大干涉级m＝λ/Δλ ，与此相应的尚能产生干涉条 纹的两支相干光的最大光程差(或称光源的相干长度)为
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§5-1 激光干涉测试技术基础
1.2 影响干涉条纹对比度的因素
1881年分✓振迈较幅大克式的尔量逊程(范A.围M；ic共h程el干s涉on)设非计共了程干著涉名的干涉实静验态来干涉测量 “以太✓”在漂精密移测。量、精密加工和实时测控的诸多领域获得广泛应用。 19➢60分分年波类梅阵：面曼式(Maiman)研制成功第一台红宝石激光器动，态以干及涉 微 电➢子技另术外和还计可算以机利技用术有的关飞干速涉发图展的，接使收光和学数干据涉处技理术技的术发计展算进 入了快出速点增扩长散时函期数。、中心点亮度、光学传递函数等综合光学 1982象年质G.评Bi价nn指in标g和。H.Rohrer研制成功扫描隧道显微镜，
光电测试技术
第五章 激光干涉测试技术
成都信息工程学院
概述 17世纪后半叶，玻意耳(Boyle)和胡克(Hooke)独立地观察了两
块玻璃板接触时出现的彩色条纹，人类从此开始注意到了干涉
现➢象。历史进程： 18➢01特年点托：马斯·杨(Thomas 干Y涉o测un试g技)术完成了著名的杨氏双缝实 验，人✓们具可有更以高有的计测划试、灵敏有度目和的准地确控度；制干涉现象。 1860年✓ 麦绝按大克光部斯波分分韦的光(干方C式.涉M测ax试w都e是l按l)传非的相播接干电路触光径磁束式场的，理不论会为对干被按涉测用途件技带术来奠表定面了 坚实的理损论伤和基附础加。误差；
LM
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在波动光学中，把光通过相干长度所需要
的时间称为相干时间，其实质就是可以产
生干涉的波列持续时间，（其对应产生干
涉的两列波的光程差）。因此，激光光源
的时间相干性比普通光源好得多，一般在
激光干涉仪的设计和使用时不用考虑其时
间相干性。
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§5-1 激光干涉测试技术基础
1.2 影响干涉条纹对比度的因素 ➢ ②光源大小与空间相干性 ➢ 干涉图样的照度，在很大程度上取决于光源的尺寸，而光
1.2 影响干涉条纹对比度的因素
➢ 干涉条纹对比度可定义为
K Imax Imin Imax Imin
➢ 式中，Imax、Imin 分别为静态干涉场中光强的最大值和最 小值，也可以理解为动态干涉场中某点的光强最大值和
最小值。
➢ 当 Imin = 0时K＝1，对比度有最大值；而当 Imax= Imin时K ＝0，条纹消失。在实际应用中，对比度一般都小于1。