第四章_云纹干涉法
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第四章：云纹干涉法及其应用
Specimen
3.波前(wavefront)及波前干涉
qm
• 平行光的波前为平面
Camera
qm,i
Camera
• 如果衍射光栅没有畸变 或均匀畸变，平行光的各 级衍射光的波前为平面
• 如果衍射光栅有非均匀 畸变，平行光的各级衍射 光的波前为曲面，并且可 以看成多个不同衍射方向 的平面波前的组合
第四章：云纹干涉法及其应用
第四章：云纹干涉法
一、云纹干涉法原理
1. 相交平行光的干涉
满足干涉条件下，两相交平行光 干涉形成等间距干涉条纹
空间频率
fv
2 sin
1
2. 光栅衍射方程
位相型光栅的衍射
第四章：云纹干涉法及其应用
sin m sin mf
如果： 令 1 = 0.
sin f
如果 =632.8 nm (He-Ne laser) 且 f =1200 l/mm 则有 =49.4.
这里的f ＝2sin/ ,是两入射光干涉形成的干涉条纹的空间频率
是物理光栅空间频率的2倍！ 9
第四章：云纹干涉法及其应用
S (x, y) = f U (x, y) – k
在干涉条纹图上，P点所对应 的条纹级数Nx
Nx = S (x, y) /=[fU (x, y)-k] /
xz平面内双光束对称入射条件下，条纹图的含义：
Specimen
Fourier 波前模型
sin q m,i sin mf i
3
第四章：云纹干涉法及其应用 4、对称入射光的1级衍射光的干涉
• 两束光以特定角对称入射在无畸变的光栅上，使其 1级衍射光沿光栅法向方向。
两衍射光不产生干涉，记录不到条纹 (Null 场）
4
• 光栅发生均匀变形
第四章：云纹干涉法及其应用
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第四章：云纹干涉法及其应用
变形前P点处的两根出射衍 射光线1、2可以表示为：
A1' a cos 2 (t )
A2 ' a cos 2 (t k / )
k是两入射光线在p点的光程差，
P移至P’后，光线1的光程改变量 OPL1 =A1PB – A1* P' = CP + PB = (FB + BE) + PB
= (U sin + W cos )+W = W (1+cos )+U sin
P移至P’后，光线2的光程改变量 OPL2 = A2PB – A2*P' = A2P – A2*P' + PB = – (CP')+PB = –(EP' – BF) + PB
= – (U sin – W cos) +W = W (1 + cos ) – U sin
根本方法在于改变两路光的光程差，相移/2, 光程差需 改变/4, 一般采用压电陶瓷控制，但方式有多种
14
第四章：云纹干涉法及其应用
8、云纹干涉法的测试一般步骤和技术要点
• 试件固定在加载架上 （方位最好六维可调） • 精确对试件表面成像，尽量使用大光圈 （思考：为什么？） • 试件加载前进行光路调节（标定），得到NULL场。真正的 NULL场是优质光学系统的体现和消除系统误差的保障。 • 机械或热加载，记录条纹，切换U、V场
= – (U sin – W cos) +W = W (1 + cos ) – U sin
变形后P’点处的两根出射衍 射光线1、2可以表示为：
A1'' a cos2 (t OPL1(x, y))
Βιβλιοθήκη BaiduA2'' a cos2 (t k OPL2(x, y) )
两入射光线在P’点的光程差
S (x, y) = OPL1 – OPL2 – k = 2U(x, y) sin – k = f U (x, y) – k
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第四章：云纹干涉法及其应用 10、云纹干涉法的应用
• 在断裂力学中的应用－裂尖位移场/应变场的测量，塑性区 的确定， 断裂力学理论的验证
17
第四章：云纹干涉法及其应用
• 在电子器件热－机械可靠性评价方面的应用
焊球热变形及疲劳寿命的确定
Copper Pad
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6、试件栅的转移技术
第四章：云纹干涉法及其应用
光栅转移注意事项： • 光栅基底材料的选择 • 试件表面的处理 • 环氧胶的选择（固化条件， 高温性能等） • 胶厚度的控制（微米级）、 余胶去除等 • 试件的固定、压制与剥离
12
第四章：云纹干涉法及其应用
13
第四章：云纹干涉法及其应用 7. 云纹干涉法中的相移技术
6维可调架
非理想Null场及其带来的测试误差
15
第四章：云纹干涉法及其应用
9、几何云纹法与云纹干涉法的异同
• 条纹形成机制不同：几何光学干涉与物理光学干涉 • 测试分辨率相差很大
• 测试分辨率都决定于光栅的空间频率 • 云纹干涉法的条纹成因可借助云纹法的条纹成因理解 （交叉入射 光的干涉条纹可视为参考栅，但注意其频率问题） •变形的正负都可用相同方法判断（转动参考栅） • 条纹处理方法相同 • 实现相移方法相同（试件栅与参考栅之间的相对移动）
• 与离面位移信息无关, 反映了试件在x方向的面内位移信息;
• 每一条纹代表了x方向的等位移线
U (x, y)
1 f
N
x
k
习惯上，这样的干涉条纹图称为U场条纹
同样可以理解V场条纹图的含义
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第四章：云纹干涉法及其应用
测量面内变形的云纹干涉法光路
云纹干涉法的技术特征：
• 分辨率 受制于以光栅的空间频 率，以1200 l/mm为例， 测试分辨率为417nm • 分辨率与相干光的波 长无关 • 图像的信噪比较高 • 适于测量面积较小、 变形微小的试件
两衍射光发生干涉，产生均匀的、等间距平行条纹
5
• 光栅发生非均匀变形
第四章：云纹干涉法及其应用
两衍射光发生干涉，产生非均匀、非等间距的条纹，条 纹级数与分布形式与两个翘曲的波前间距直接相关：
N (x, y)=S (x, y)/
6
第四章：云纹干涉法及其应用 5、1级衍射光干涉条纹的力学意义
云纹干涉法的测量原理
8
第四章：云纹干涉法及其应用
OPL1 =A1PB – A1* P' = CP + PB = (FB + BE) + PB
= (U sin + W cos )+W = W (1+cos )+U sin
OPL2 = A2PB – A2*P' = A2P – A2*P' + PB = – (CP')+PB = –(EP' – BF) + PB
第四章：云纹干涉法及其应用
Specimen
3.波前(wavefront)及波前干涉
qm
• 平行光的波前为平面
Camera
qm,i
Camera
• 如果衍射光栅没有畸变 或均匀畸变，平行光的各 级衍射光的波前为平面
• 如果衍射光栅有非均匀 畸变，平行光的各级衍射 光的波前为曲面，并且可 以看成多个不同衍射方向 的平面波前的组合
第四章：云纹干涉法及其应用
第四章：云纹干涉法
一、云纹干涉法原理
1. 相交平行光的干涉
满足干涉条件下，两相交平行光 干涉形成等间距干涉条纹
空间频率
fv
2 sin
1
2. 光栅衍射方程
位相型光栅的衍射
第四章：云纹干涉法及其应用
sin m sin mf
如果： 令 1 = 0.
sin f
如果 =632.8 nm (He-Ne laser) 且 f =1200 l/mm 则有 =49.4.
这里的f ＝2sin/ ,是两入射光干涉形成的干涉条纹的空间频率
是物理光栅空间频率的2倍！ 9
第四章：云纹干涉法及其应用
S (x, y) = f U (x, y) – k
在干涉条纹图上，P点所对应 的条纹级数Nx
Nx = S (x, y) /=[fU (x, y)-k] /
xz平面内双光束对称入射条件下，条纹图的含义：
Specimen
Fourier 波前模型
sin q m,i sin mf i
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第四章：云纹干涉法及其应用 4、对称入射光的1级衍射光的干涉
• 两束光以特定角对称入射在无畸变的光栅上，使其 1级衍射光沿光栅法向方向。
两衍射光不产生干涉，记录不到条纹 (Null 场）
4
• 光栅发生均匀变形
第四章：云纹干涉法及其应用
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第四章：云纹干涉法及其应用
变形前P点处的两根出射衍 射光线1、2可以表示为：
A1' a cos 2 (t )
A2 ' a cos 2 (t k / )
k是两入射光线在p点的光程差，
P移至P’后，光线1的光程改变量 OPL1 =A1PB – A1* P' = CP + PB = (FB + BE) + PB
= (U sin + W cos )+W = W (1+cos )+U sin
P移至P’后，光线2的光程改变量 OPL2 = A2PB – A2*P' = A2P – A2*P' + PB = – (CP')+PB = –(EP' – BF) + PB
= – (U sin – W cos) +W = W (1 + cos ) – U sin
根本方法在于改变两路光的光程差，相移/2, 光程差需 改变/4, 一般采用压电陶瓷控制，但方式有多种
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第四章：云纹干涉法及其应用
8、云纹干涉法的测试一般步骤和技术要点
• 试件固定在加载架上 （方位最好六维可调） • 精确对试件表面成像，尽量使用大光圈 （思考：为什么？） • 试件加载前进行光路调节（标定），得到NULL场。真正的 NULL场是优质光学系统的体现和消除系统误差的保障。 • 机械或热加载，记录条纹，切换U、V场
= – (U sin – W cos) +W = W (1 + cos ) – U sin
变形后P’点处的两根出射衍 射光线1、2可以表示为：
A1'' a cos2 (t OPL1(x, y))
Βιβλιοθήκη BaiduA2'' a cos2 (t k OPL2(x, y) )
两入射光线在P’点的光程差
S (x, y) = OPL1 – OPL2 – k = 2U(x, y) sin – k = f U (x, y) – k
16
第四章：云纹干涉法及其应用 10、云纹干涉法的应用
• 在断裂力学中的应用－裂尖位移场/应变场的测量，塑性区 的确定， 断裂力学理论的验证
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第四章：云纹干涉法及其应用
• 在电子器件热－机械可靠性评价方面的应用
焊球热变形及疲劳寿命的确定
Copper Pad
11
6、试件栅的转移技术
第四章：云纹干涉法及其应用
光栅转移注意事项： • 光栅基底材料的选择 • 试件表面的处理 • 环氧胶的选择（固化条件， 高温性能等） • 胶厚度的控制（微米级）、 余胶去除等 • 试件的固定、压制与剥离
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第四章：云纹干涉法及其应用
13
第四章：云纹干涉法及其应用 7. 云纹干涉法中的相移技术
6维可调架
非理想Null场及其带来的测试误差
15
第四章：云纹干涉法及其应用
9、几何云纹法与云纹干涉法的异同
• 条纹形成机制不同：几何光学干涉与物理光学干涉 • 测试分辨率相差很大
• 测试分辨率都决定于光栅的空间频率 • 云纹干涉法的条纹成因可借助云纹法的条纹成因理解 （交叉入射 光的干涉条纹可视为参考栅，但注意其频率问题） •变形的正负都可用相同方法判断（转动参考栅） • 条纹处理方法相同 • 实现相移方法相同（试件栅与参考栅之间的相对移动）
• 与离面位移信息无关, 反映了试件在x方向的面内位移信息;
• 每一条纹代表了x方向的等位移线
U (x, y)
1 f
N
x
k
习惯上，这样的干涉条纹图称为U场条纹
同样可以理解V场条纹图的含义
10
第四章：云纹干涉法及其应用
测量面内变形的云纹干涉法光路
云纹干涉法的技术特征：
• 分辨率 受制于以光栅的空间频 率，以1200 l/mm为例， 测试分辨率为417nm • 分辨率与相干光的波 长无关 • 图像的信噪比较高 • 适于测量面积较小、 变形微小的试件
两衍射光发生干涉，产生均匀的、等间距平行条纹
5
• 光栅发生非均匀变形
第四章：云纹干涉法及其应用
两衍射光发生干涉，产生非均匀、非等间距的条纹，条 纹级数与分布形式与两个翘曲的波前间距直接相关：
N (x, y)=S (x, y)/
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第四章：云纹干涉法及其应用 5、1级衍射光干涉条纹的力学意义
云纹干涉法的测量原理
8
第四章：云纹干涉法及其应用
OPL1 =A1PB – A1* P' = CP + PB = (FB + BE) + PB
= (U sin + W cos )+W = W (1+cos )+U sin
OPL2 = A2PB – A2*P' = A2P – A2*P' + PB = – (CP')+PB = –(EP' – BF) + PB