光学测量技术与应用ppt课件(第三章至第七章)-研究生考试复试专业课

O R e O R e 2
i (O R )
00
2
i(O R )
00
干涉现象是由第二项和第四项代表的初始物光波和被 测物光波相干叠加产生的
U1 R02O0e iO (O02 R02 )O0e i
I1 U1*U1
O02[R04 (O02 R02 )2 2R02 (O02 R02 ) cos( O )]
1

O02

R02

O R e i(O R ) 00

O R e i(O R ) 00
29
波前再现时用参考光和被测物光波同时照射全息图
再现照明光波为： C R O'
透过全息图的衍射光波：
U C 1 ( R0e iR O0e i ) 1
(O02 R02 )R0e iR R02O0e iO R02e i 2R O0e iO (O02 R02 )O0e i
18
❖ 全息波前的复现
布喇格条件:
19
Fourier 全息
20
Fourier 全息的复现
21
✓ 激光全息干涉测量技术
▪ 它是同一个物体在不同时间的全息干涉条纹。 ▪ 它是同一物体的两个状态（变化前与变化后） 的比较。 ▪ 它适合于测量粗糙表面。 ▪ 它的测量精度高于 5×10-4mm。 ▪ 它的测量量程很小，只有几十个微米。
t
0
e i dt
光强：
R02O0
e dt t i (O Kcost )
0
tR02O0e iO J 0 ( K )
I *

t
2
R4O02
J
2 0
[
2
A( x,
y)(cos1 cos2 )]
34
条纹强度与位移之间的关系
A( x, y)
ai
, i 1,2,3,
2 (cos 1 cos 2 )
35
✓ 全息技术的应用
全息干涉技术是全息技术中应用最多的一种技术。 可用于测量位移、形变、应变、以及三维尺寸。 在信息处理领域，全息技术可用于全息滤波、全 息识别、全息存储。
36
➢ 位移和形状检测
两光束的相位差
：


2
d(cos1 cos2 )
I( x, y) (O R)(O* R* ) OO* RR* OR* RO*
O02 R02 O0 R0 {exp[i(O R ) exp[i(O R )]}
记录介质经显影、定影处理后，即成为全息图。
5
强度呈周期性变化，即物波波前的振幅和相位以强度 的形式记录下来。

全息图的振幅透过率：
( x, y) 0 H 0 tI( x, y) 0 'I ( x, y)
0和均为常数，是－H曲线直线 部分的斜率，t为曝光时间。
H
( x, y) 0 '(O02 R02 O0 R0 {exp[i(O R ) exp[i(O R )]}) ( 0 'R02 ) 'O02 'O0 R0 exp[i(O R )] 'O0 R0 exp[i(O R )] 1 2 3(x, y) 4(x, y)
I I1 I2 (O* R* )(O R) (O'* R* )(O' R)
全息图原参考光照射，其透过的物光波复振幅：
U RI R[(O* R* )(O R) (O'* R* )(O' R)] 2( R02 O02 )R0 e i R R02 (O0e iO O0e i ) R02e i 2 R (O0e iO O0e i ) U1 U2 U3
E4 ( x, y) 'O0 R0C0 exp[i(t C O R )]
------赝视实像，全息图衍射场的-1级波。
8
✓ 全息图的分类 从不同的角度来考虑分类
光学记录全息图、计算机制作全息图 同轴全息图和离轴全息图 振幅全息图和相位全息图 透射全息图和反射全息图 同轴全息图和离轴全息图 ……
7
E1( x, y) C( 0 'R02 )
-----照明光波按几 何光学直线前进， 但振幅被改变。
E2 ( x, y) C 'O02
----振幅受到调制的照明波前
E3 ( x, y) 'O0 R0C0 exp[i(t C O R )]
------虚像，全息图衍射场的＋1级波。
6
第二步：波前再现 再现光的复振幅分布：
C( x, y) C0 exp[i(t C )]
透过全息图的光场：
E( x, y) C( x, y) ( x, y) C( 0 'R02 ) C 'O02 'O0 R0C0 exp[i(t C O R )] 'O0 R0C0 exp[i(t C 0 R )] E1 E2 E3 E4
第三章 激光全息测量 与散斑测量技术
➢ 全息术及其基本原理 ➢ 激光全息干涉测量 ➢ 激光散斑干涉测量
物体发出的波前包含两个信息:振幅和位相。如果发 出波前的物体已不存在时, 但波前已经被记录下来， 物体的像能被复现。
全息的概念是 Denis Gabor 1948提出来的, 这个概 念是基于光的干涉原理和衍射原理。


1 2(12) Nhomakorabea

1 2
(1
2)


2
d (cos1
cos2 )
2 2
d cos 1
2
2
cos 1
2
2

4d
cos
cos
d
d cos

2k cos

n 2 cos
37
不透明物体的离面位移测量
1 0, 2 0
9
✓ 全息图的分析 ▪ 全息图的条纹分布
同轴全息条纹分布
▪ 条纹是一系列同心圆. ▪ 随着圆的半径的增大条纹密度越来越大.
10
Gabor 同轴全息
物体的尺寸受到限制。 物体必须是透明的。 在同一方向上总有一个共轭像, 因此像的质量不好.
11
离轴全息的条纹分布
离轴全息的制作
12
同轴全息的复现
全息图上的平均曝光量：
E

t
0
Idt
33
底片用参考光波R照射时，再现光波：
U RE
R0e iR
t
Idt
0
t( R02 O02 )R0e iR R02O0
t 0
e i ( 2 R )dt

R02O0
t e i dt
0
第三项是再现的物光波原始像：

R02O0
30
▪ 时间平均法
▪ 记录的全息照片是不同时刻物体发出的波 前的总的效果。 ▪ 复现图像是记录的全部波前的干涉。
31
膜片简谐振动： A( x, y, t ) A( x, y)cost
初始物光波（静止时）复振幅 ： O O0( x, y)exp[iO ( x, y)]
振动时的物光波复振幅 ：
O' O0( x, y)exp[i( x, y)]
参考光光波的复振幅：
R R0( x, y)exp[iR( x, y)]
( x, y, t) O ( x, y) ( x, y, t)
------由于振动的位移引起的相位差
32
物体上一点P移动到P’的相位差：
( x, y, t)
22
➢ 全息干涉测量技术的方法： ▪ 两个静止状态时的二次曝光法 ▪ 单次曝光法--实时全息 ▪ 时间平均法
23
▪ 二次曝光法
▪ 全息照片记录了同一个物体的两个状态。 ▪ 再现图像是记录的两个波前的干涉。
24
物体变形前物光波复振幅： O O0( x, y)exp[iO ( x, y)]
物体变形后物光波复振幅：
2
Ax, y, t (cos1 cos2 )
(x, y,t) O(x, y)
2
A( x, y)cost(cos1 cos2 ) O
K cost
K

2
A( x, y)(cos1 cos2 )
到达底片的光强：
I ( R* O'* )(R O' ) ( R02 O02 ) R0O0[e i(R ) e ] i(R )
随着20世纪60年代的激光器的出现以及Leith and Upatnieks 的创新性的工作， 全息技术得到了极大的 发展。
全息干涉测量是光学测量领域中一个具有前景的技 术，尤其对于无损测量与检测领域。
此技术可用于静态和动态位移测量，表面形貌测量， 流域测量等等。
2
✓ 全息原理
全息原理与一般的照相原理完全不同，全息不仅记 录了物波波前的幅值，而且记录了物波波前的相位。 全息是成三维像。 制作一张全息照片需要两个步骤：
式中： kF i垂直于干涉条纹表 面的单位矢量。
物光和参考光的单位矢
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设矢量
, 干涉相长条纹的方程为：
O 和 R 分别是物光光束和参考光束相对于 Z轴的夹角。D 是复现光波波长。
16
干涉相长表面与Z轴的夹角是： 相邻相长干涉表面的距离为：
▪ 透射的立体全息
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▪ 反射的立体全息
复现光束与参考光束在同一边，复现像似乎是被 反射波前复现。
0 级 和 ±级衍射不能被分开, 在观察时它们相 互干扰. 所以导致复现的像质量不好.
13
离轴全息的复现
如果参考光束和复现光束都是垂直入射到全息图片 上,那么,虚像和实像对于全息图片对称。
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➢ 立体全息
❖ 立体全息的记录：在一个厚的介质上记录的全息图。 介质的厚度必须加以考虑，衍射效果相当于三维光栅的衍射。
1. 波前的记录------用干涉原理。 2. 波前的复现------用衍射原理。
3
记录和复现一张全息
4
第一步：波前记录 物光和参考光叠加所产生的干涉条纹的记录
物光波前： O O0 exp[i(t O )] 参考光波前： R R0 exp[i(t R )]
干涉条纹的强度：
O O0( x, y)exp[iO ( x, y)] 物体变形后物光波复振幅：
O' O0( x, y)exp[i( x, y)]
参考光光波的复振幅：
R R0( x, y)exp[iR( x, y)]
一次曝光到达全息底片的光强：
I1 (O* R* )(O R)
线性记录条件下，全息图的透过率：
dz

4

n
2
38
全息用于内部形状测量
可以一次性对内部形状进行全域测量.
测量精度为 0.5µm.
直径方向上的误差为ΔD=nλ/2cosθ, n 是干涉条
纹级次.
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❖ 缺陷检测 利用干涉条纹的局部形变发现表面以及表面附 近的裂纹. 全场检测。Overview field detecting. 灵敏度高达λ/2, 3×10-4mm.
利用两次曝光全 息检测小裂纹
40
有裂纹存在的全息干涉图
左图是加应力11小时后的全息干涉图 右图是加应力18小时后的全息干涉图
2R04O02[1 cos( O )]

4 R04O02
cos2 (
O
2
)
条纹是由于物体在前后两次曝光之间运动或 形变引起了相位的变化
通过分析干涉条纹，算出
就可以计算出与之相联系的物理量
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▪ 单次曝光法
▪ 只需一次曝光. ▪ 干涉条纹的对比度很低.
28
物体变形前物光波复振幅：
U2是两个重现的物光波（变形前和变形后）相干叠 加的合成波，反映了两次曝光时物体形状的变化。
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I U2*U 2
R04 (O0e iO O0e i )(O0e iO O0e i )
R04[2O02 O02 (e i(O ) e i(O ) )]
O' O0( x, y)exp[i( x, y)]
参考光光波的复振幅：
R R0( x, y)exp[iR( x, y)]
第一次曝光到达全息底片的光强：
I1 (O* R* )(O R)
第二次曝光到达全息底片的光强 I2 (O'* R* )(O' R)
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两次曝光后全息底片上的总光强：