（测试计量技术及仪器专业论文）激光多功能实验系统中的几项关键技术研究.pdf

浙江大学硕_1: 学位论文 丫 6 8 9 1 6 7 摘要 本论文主要研究激光多功能光电实验系统及其中的i l 项关键技术。 该 激光多功能光电 实验系统主 要以 泰曼一 格林干涉( t w y m a n - g r e e n ? 光 路作 核心， 包括先进的数字波面干涉技术和一种基于空间干涉原理的， 纳米分辨率零 差干涉仅位移测量方法， 同时将多种新颖、 工程实用价值高的测量技术和光路如 衍射测量、共焦显微技术、光纤传感技术以及反映傅立叶光学基本光学原理的 4 f 滤波系统也组合进去. 另外需要特别介绍的是该系统中涉及的几项近代光学中的难题技术。 全场光衍射技术:该技术适用而广泛，并且克服了一些同类技术的 缺点。 刃 _ 、激光散斑技术:实验仪当中应川了散斑的独特的物理特性来测量速 度、面内位移及加密编码。 以上两类技术在国内尚属空白。 在应用这两项技术之前也存在着很多的问 题 需要解决和克服的。 在信息技术、 仪器科学、 计量测试以及自 动话专业技术教学中， 该系统能提 供丰富的现代光学测试实验并且提升一些学生的研究兴趣。 论文最后总结了该测试系统的不足和其中的一些未来值得继续开拓研究的 技术作出了分析。 关键字:全场激光衍射测量、数字散斑、面内位移、共焦显微、数字波面干涉、 衍射测量、空(n 滤波、光纤传感. 浙江大学硕士学位论文 abs tract l a s e r c o m p o s i t i v e o p t i c a l e l e c t r i c e x p e r i m e n t s y s t e m a n d s e v e r a l k e y t e c h n i q u e s we r e s t u d i e d i n d e t a i l t h i s m u l t i - p u r p o s e o p t i c a l m e t e r i n g s y s te m h a d a d o p t e d t h e t w y m a n - g r e e n i n t e r f e r o m e t r i c s s y s t e m a s i t s c e n t e r , c o n t a i n i n g a n a d v a n c e d d i g it a l w a v e s u r f a c e a n d a k i n d o f h o m o d y n e i n t e r f e r o m e t e r d i s p l a c e m e n t t e s t i n g m e t h o d w i t h n a n o m e t e r - s i z e d c a p a c i t y . a t t h e s a m e t i m e , m a n y w i d e - a p p l i e d m e t e r i n g t e c h n o l o g y , f o r e x a m p l e , t h e d i ff r a c t e d fi e l d ( f r i n g e ) m e a s u r e m e n t , c o - f o c a l le n s s y s t e m , o p t i c a l f i b e r s e n s o r s a n d 4 f ( f o c a l d i s t a n c e ) s p a c e f i l t e r s y s t e m w h i c h c a n e m b o d y t h e c h i e f p r i n c i p l e o f f o u r i e r o p t i c a l w e l l , w e r e c o m b i n e d i n t o i t s u c c e s s f u l l y . a d d i t i o n a l l y , w e w i l l i n t r o d u c e s e v e r a l m o d e m o p t i c s q u e s t i o n t e c h n iq u e s w h i c h a r e a p p l ie d i n t h i s s y s t e m . . a l l- f i e l d l a s e r d i f f r a c t i o n : a w i l l w id e - u s e t e c h n i q u e s , a n d i t o v e r c o m e s s o m e d i s a d v a n t a g e w h i c h i s b e l o n g t o o t h e r t e c h n iq u e s i n t h i s a r e a . . . l a s e r s p e c k l e t e c h n i q u e s : w e u s e s p e c k l e s u n i q u e c h a r a c t e r t o m e a s u r e s p e e d , d i s p l a c e m e n t w i t h i n o n e f a c e a n d e n c r y p t t e x t . t w o t e c h n i q u e s s t u d y h a r v e s t w a s v e r y f e w y e t . b e f o r e p e o p l e c a n a p p l y t h e m i n r e a l - l i f e , t h e r e a r e m a n y p r o b l e m s w h i c h n e e d b e o v e r c o m e a n d a c c o m p l i s h . t h i s s y s t e m c a n o f f e r p l e n t i f u l m o d e m o p t i c a l t e s t e x p e r i m e n t a n d i m p r o v e s t u d e n t s s t u d y i n t e r e s t i n g , e s p e c i a l l y i n i n f o t e c h n i q u e , i n s t r u m e n t s c i e n c e , m e a s u r e m e n t a n d a u t o m a t ic t e c h n i q u e s m a j o r . a t t h e l a s t s e c t i o n o f t h e s i s , w e s u m m a r i z e d i s a d v a n t a g e a n d a n a l y z e s o m e t e c h n iq u e s h a v i n g s t u d y v a l u e i n t h i s s y s t e m . k e y w o r d : a l l - f i e l d l a s e r d i ff r a c t i o n m e a s u r e m e n t , d i g i t a l s p e c k le , d is p l a c e m e n t w it h i n o n e f a c e . c o - f o c a l m i c r o i m a g i n g , d i g i t a l w a v e s u r f a c e i n t e r f e r o m e t r y , s p a c e f i l t e r , o p t i c a l f i b e r s e n s o r s , 浙江大学硕士学位论文 第一章 导言 1 . 1本课题的研究目标及意义 作为门。 . 老的信息科学， 少 七 学i 日价 学从本世纪 6 0年代结合新兴的激光技 术和计算 机技术起，又 焕发了 新的活力:不仅理论层面和实验技术上推陈出新， 事实上，新生 代光电检测仪器也表现出了 功能多样化、 计测高精度 ( 数字化) 、 高速度 ( 实时化)等特征，广泛的应用到生产、生活、医疗和国防等领域。而采 用新的 计量检测技术、 新的光电器件， 并发的研制各种新颖实用、 反映现代计量 技术的光电检测仪器或者测控装备，自 然成为许多高校、 科研院所的主题方向之 在导师的指导下， 通过反复的 推敲产生的思 路， 利用迈克 逊干涉仪光路结构 在若干 重要检测光路中得到应用。比 如: 散斑干涉技术应用检测面内 位移、 反 射式三维共焦显微技术、 笔束激 光干涉仪用 于纳米测最等等。 如果充分共用迈克 逊丁 涉仪光学仪器，革新信号传输， j 处理手段， 综合典型的于涉、 衍射和空间滤 波理论，实现对某些试样的显微观察、 精密检测、实时计 量完全可能。 介于此， 开发了激光光电多功能实验系统。 为了突出该系统理论研究的拓宽性价值， 加入 了一 些国内领先的一些近代光学测试技术， 以使得该 系统成为功能多样化、 技术 新颖、结构紧凑的教学研究综合性实验系统。 序号主要特点表现形式应用领域 1 非接触性i 、液面测量 2 、 柔性表面 测量 3 、高温表面测量 4 、 远距离表面测 量等 精密计量、 遥感测量、 图像测量、 无接触力测量 2 高灵敏度1 、达到波长或亚波 长 级以 卜 的灵敏度 2 .实时监测微变形、 微振动 超精密测最 在线检测 纳米测量 3 高精度1 、 测量精度 1 0 微米一 0 . 1 微米 2 、 任意形状 精密计量测试 无损检测 参数测定 浙江人学硕 1 _ 学位i 仑文 4 三维性l 、 任意 距离 2 、任意表面状态 3 d测量 5快速性 1 、光点测量 2 、扫描方式 3 , c c d图 像方式 故障诊断 在线检测 6 实时性1 、数字方式 2 、反馈控制测量 质量监控 生产 自动话 表 1 . 1近代光学测试技术 主要 特点 上表说 明了 近代光学延续了 传统光学的 优秀特点的基础上， 也提供了 一些新 的技术特点。本系统恰恰是建立在近代光学的基础上的。 在前人 l _ 作的从础 i 几 ，为了体现近代光学的此独特而又 新颖的现代技术， 作者在导师的指导 f 查 阅文 献，反复实 验为该系 统加入了 几项关键技术: 一、激光全场衍射测 量: 该 技术弥补了一些同类技术的 缺点， 利用了 光 学的无接触特性进行整个被测表面的形貌变化， 并可以直接观察整 个变化过程的条纹 变化过 程。 技术特点: 高精度， 无接触， 可进行 水下测量。 但是也存在这一些缺陷， 其中最为重要的就是测量范围 比 较小。该技术的 应用范围: 土木工程力的土力学中的三轴土样 压力实验中可以运用该技术得到土样的全场形变。 材料力学中可以 运用该技术测量应变以后的全场变形量等. 几、散斑类， 其中 包括: 散斑测量类及散斑编码。 散斑测量分为: 散斑 测ia l 内位移，散斑测速，该两现技术属于比较前沿的新技术， 属于 许多科研单位研究的技术。 似足i 1 6 ,1i ) i 没有什么利用这些技术于实 际的测 量当中。原因当然是存在这很多问题没有解决。技术特点: 实时性高， 非接触， 测量精度较高。 存在的技术缺陷: 测量范围小。 对于测速还存在一个问 题就是测量距离比较小。 散斑编码利用了 散斑的 无规律的随机性原理. 这样加密的 信息在没 有得到原始散斑图 样的 情况下是绝对不可能接触原始信息的。 加密 性能 绝对没问 题， 但是也存在一些技 术缺陷， 比如说加密 信息不能 复杂，只能是文字信息。 以上 两类实验共计四个， 不但可以提高学生的动手能力， 而且可以提高学生 的 研究兴 趣， 山于 实验木身运用的技术就存在着一些缺陷， 这样可以调 动他们的 思维， 有兴趣的同学r . 然就可以利用自己 知识对这些技术 进行完善工 作。 如果能 购取得成 绩自 然就是 一 件非 常好的 事情了， 即使没有， 也得到了 提高学生 研究能 力的目的。 浙江大学硕 1: 学位论文 1 . 2该系统涉及的领域 本系统 1 . 要涉及的是光学测试技术，i f 汽接涉及了光学测试的许多领域， j l 是利用光学原理进行的精密测量的技术，都称作光学测试技术。计量 ( m e t o r l o g y ) , 测量( m e a s u r e m e n t ) 、 检验( i n s p e c t i o n ) 与测试( m e a s u r e m e n t a n d t e s t i n g ) 这四个名词对初学者来说， 往往相互混 淆， 特别是光学计量、光学测 两、 光学检验与光学测试这四个主题词更容易认为是一 件事。 实际 上其研究的目 标是不尽相同的。 仅在研究领域与研究方法上有一定交叉和重叠而己。 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 在测量、 试验与检 验的总称，侧重于方法与技术研究。 本系统主要涉及的近代光学测试技术研究领域的 有: 1 、光学成像技术:光学放大技术，自 准直技术， 光扫描技术，图 像处 理技术。 2 ,激光干涉效应:激光光束十涉，实时剪切干涉 。 3 、光散斑技术:客观散斑，散斑干涉法，电子散斑法。 4 、光衍射技术:间隙法， 全场衍射。 5 、光纤与 波导技术:非功能型光纤传感技术。 6 , c c d 成像技术:c c d 法，光 信息处理法。 7 、光学纳米技术:扫描激光显微技术。 夸 1 . 3 前人的工作 本系统的设计开发 工 作是 一 个长期的过程，而!1 需要 个不断的维护更新 的。 系统的 涉及总体光路模型的引入都足前人完成的。 本系统分为两个阶段，第一个阶段即为初期阶段，主要是完成系统总体结 构的构架以及初步的试运行。 第二阶段即为巩固阶段， 加入一些特别新颖的技术， 维护老系统的一些反馈， 加强市 场的适应能力: 完成软件的 编码工作。 而本人主 要是完成第二阶段的工作。 浙江人学硕 f 位沦义 第二章多功能光电测试仪器的整体架构 在系列光学检测与传感器实验系统的基础上，设计一台新型激光多功能光 电 实验仪 ( l a s e r m u lt i p u r p o s e p h o t o e l e c t r i c t e s t i n g s y s t e m) ， 在尽量体现近代光 学测试技术非接触性、 高 灵敏性、 三维性及实时性的特点的 前提下同时 融合了 几 项新颖的技术从而提高学生的研究兴趣。 作为一台实验系统: 实验仪器的良好的 操作性、 操作安个性、1 f _ 交性都得到了充分 考虑。 实验系统配套的硬件和软件 都具有良好的操作性和友好的界l l l 。 利 j 几 学习者培养实验兴趣、 动手能力和研究 兴趣，了解和掌握现代光学测试技术中的 一些 主要原理及方法; 并能启发相关专 业 ( 计量测试、仪器、光学、计算机图形学和控制专业 ) 实验者在实验、研究和 工 程应用诸方面 举一反三的创新思想。 c s y -1 0 1 , 激光多功能光电测试系统实验仪 ( l a s e r u n i v e r s a l o p t o - e l e t r o t e s t i n g s y s t e m s )是在系列传感器实验系统的 基础上发展的新型光电测试实验系 统， 用于仪器科学， 计量测试专业，自动控制专业以及物理专业等课程教学。 其 特点 是实 验内容新颖， 技术先进， 功能多 样。 通过实验指导书提供的数十种实验， 能完 成包 括激光、 散斑、 衍射、 光电、 共焦、 光纤、 纳米、 图像等多种先进测试 技术的实验， 给学习者了解和掌握现代光学测试技术中的 一 些主要原理及方法建 立基础，达到实验者今后在应用中做到举反王的目的。 随着近代 l _ 业和现代科学技术的发展，高精度、非接触、高效率、自动化 是测试技术中急需解决的方向，而传统的光学及光电测试技术己不适应上述要 求，在精密自动测试技术中必须注入新的活力。8 0年代以来激光和计算机技术 结合为新的光学及光电测试技术开辟 了新途径，这就是现代光学测试技术。 c s y 一1 0 1. 是为 演示近代光学测试技术而设计的一 套多功能光电 实验教学仪 器，体 现 了近代光学测试技术中的非 接触性、 高灵敏性、 三维性及实时性， 是近代高新技 术的实验体现之一。 夸 2 . 1 仪器 原理 通过综合光学实验平台 卜 光路切换、调节光路并利用计算机软件配合，操 作者将多种试件的静态和动态参数转换成光 信息， 经由c c d图像采集系统转换 成视频信号， 然后通过电缆送入图像采集处理 k . 最后由计算机做显示及识别提 取数据。 浙江人学硕i 。学位论文 2 1 1 系统照片和功能框架图 显示 幽2 1 实验系统； c c 片 图2 , 2c s y 1 0 l 处理与显示系统 图2 1 是实验系统照j 蚓i i 始_ 的仪器即为激光多功能光电实验系统光 学系统、f 台。 图2 2 描述了整个系统的处理及显示系统。其中图像处理软件及相关算法 是自行编写的，图像采集卡是采用了大恒图像的c g 3 0 0 卡。 2 1 2 多功能光学系统主要架构图 本实验系统的光学原理如图下所示，激光器( h e n e ，波长6 3 5 8 n m ，功率 3 m y ) ，。f 图只是综述性描绘系统架构，具体光路参看各章节具体描述。 9 浙江大学硕士学位论文 计臼 算 机 l2 3 ： 一b -卜一奠妒十 i 9 矛 。- 一 6 戴 3 3 a2 22 12 0t 9c 曲1 7 1 51 6 翻2 3 实验仪光学系统 瓷 1 一激光器2 ，1 7 一衰减器3 ，5 ，1 1 一定向孔4 1 3 一移动反射镜 6 ，7 ，9 ，1 2 一反射镜8 ，2 9 一物镜1 0 准直透镜1 4 一分光棱镜1 5 一共焦显 微镜1 6 一多功能试什火及组合工作台 1 8 一t 特爪1 电陶瓷的组合1 。：作台1 9 ，2 7 一衍射试件平台2 0 一成像透镜2 1 一目镜2 2 一可调光阑2 3 一光电接收器 2 4 一导轨2 5 ，2 8 一直角棱镜2 6 一傅氏透镜3 0 一五维调节架3 l 一光纤分束 器3 2 一光纤3 3 a 外置式光纤传感器3 3 b 一内置式光纤传感器3 4 光纤夹 持器3 5 一备用试件架 2 1 3 机械结构与重要自制件设计介绍 1 、仪器结构与防振设计 仪器结构的设汁1 1 要考虑操作a 观厅他、保证系统防振一p e 能的情况下减轻 重量、外观简洁大方、便于装运、维修等蒯索。 首先确定光路布置为水平共面式，便于装配和调试：经多种方俺比较，支 持平台设计为l o m m 后铝板与支柱( 2 0 2 0 m m 2 铝棒+ 3 0 m m 厚橡皮垫) 组合式， 并在平台山预留防振加强支柱装配孔；其次将电气与电源部分全部装配于工位左 侧围板内壁、平台上所有用电器件经铝板穿线孔配电。这样达到直观简洁便于维 0 浙江大学硕士学位论文 气 送计算机 图z3 实验仪光学系统 1 一激光器2 , 1 7 -衰减器3 , 5 , 1 1 一定向孔4 , 1 3 一移动反射镜 6 , 7 , 9 , 1 2 一 反射镜 8 , 2 9 一物镜1 0 - 准直透镜1 4 一分光棱镜1 5 一 共焦显 微镜1 6 一多 功能试件火及组合工作台 1 8 -带 j k : 电陶瓷的组合工作台 1 9 , 2 7 一衍射试件平台2 0 一成像透镜2 1 一目 镜2 2 一可调光阑2 3 一光电接收器 2 4 一导 轨 2 5 , 2 8 一直角棱镜2 6 -傅氏 透镜 3 0 一五维调节架3 1 一 光纤分束 器 3 2 一光纤 3 3 a 一 外置式光 纤传感器 3 3 b 一内置式光纤传感器 3 4 一光纤夹 持器3 5 一备用试件架 2 . 1 . 3机械结构与重要自 制件设计介绍 1 、 仪器结构与防振设计 仪器结构的设i 1 i s 要考虑操作 i1 : 观方使、保i l f 系统防振性能的情况下减轻 重量、外观简洁大方、便于装运、维修等因索。 首先确定光路布置为水平共面式， 便于装配和调试; 经多 种方俺比 较， 支 持平台 设计为 1 0 二 后铝板与 支柱 ( 2 0 x 2 0 m m 铝棒+3 0 m m厚 橡皮垫) 组合式， 并在平台山预留防振加强支柱装配孔; 其次将电气与电源部分全部装配于工位左 侧围 板内 壁、 平台上所有用电 器件经铝板穿线孔配电。 这样达到直观简洁便于 维 浙江大学硕 卜 学位论文 修的g 1 的。 2 、导轨系统 导轨系统因行程需要和成本因素，定为自行设计，在常见的燕尾槽式、齿 轮齿条祸合式、 精密导向 杆式三种方案中以 后者适合于多功能光路灵活组织器件 的需要， 加工和装配相对简单。 滑块则设计为可拆卸和固定式两种，并留山紧固 和半紧固两种装配孔。 3 、 组合 调整台- 考虑到 试件的多样性和p z t 驱动件的体积， 试件调整台工作面要求较大、 有 4 -5个自由 度， 经考察，决定调整台由 上海华东 理工大学附属工厂的精密二维 平移台和 二 维倾斜台组合成。试件切换楠配合几紧螺钉和三维尺寸不同的垫块、 以适合不同试件。 2 . 1 . 4仪器中应用的一些关键器件及电路介绍 1 , h e - n e激光器 选用浙江大学光电子 技术研究所的j g h d - 2 5 y 小型硬封接氦氖激光器， 波长 6 3 2 . 8 n m ，功率3 m w ,稳定性 5 %，工作电流 4 -6 m a ,随机偏振，t e m 模。 2 、 标准物镜和目 镜。 选用宁波永新光学有限公司 1 0 * 物镜 ( 1 0 / 0 . 2 5 1 6 0 / 0 . 1 7 ) , 2 0 * 物镜 ( 2 0 / 0 . 4 0 1 6 0 / 0 . 1 7 ) , 2 0 * 目镜 3 , c c d 照相机 ” 1 / 3 英寸d s p 单板摄像机，影像象素: 5 0 0 x 5 8 2 、最低照度: 3 l u x / f 2 . 0 , 水平清晰 度: 4 2 0 线、 信噪比: 优于4 8 d 6 、 电 源 1 2 v ( d c ) 上下 1 0 y o 、电 子快门: 1 / 5 01 / 1 0 0 秒 4 , p z t 器件压电 位移发生器 浙江大学硕_ ( : 学位论文 火川 图2 .4正压电效应实验示意图 利用 压 电 晶 体 的 逆 压电 效 应， 在 压 电 晶 体 的 适当 方向 上 加电 场， 可 使 它 产 生 相应的位移， 这种器件称为压电 位移发生 器， 属于压电 晶体换能器( p i e z o e l e t r i c t r a n s d u c e r )的一种. 仪器中用到了 两种压电 位移发生 器( 其中 侧面式位移发生器用于光纤传感光 路) 。 考虑成本因数及匹配精度条件， 选用压电陶瓷材料所制器件。 结构如图2 . 5 所示。 压电常 数反应了 压电 晶体的 压电 性质 a ， 它的 第一个角标表示电 效应方向， 第二个角标表示机械效应方向， 实验证明: 压电晶体极化方向上面电荷密度叮与 单位面积的 作用力 ( 即伸缩应力) t 的关系为: u = d , 不二 v - 试, t q . = d , l 爪 并 联 式 是 利 用了 压 电 常 数d 33 ， 侧面 式 式利 用 了 压 电 常 数d 电遇 图 2 .5左图为并联式p z t , 右图为侧面式p z t 并联式器件比 侧面式灵敏度高一倍， 但存 在着滞后效应和零点漂移问题。 所 加方向电压不能太大，以免引起压电陶瓷的推极化。 为此设计数控电源， 产生在 0 -2 5 0 v 范围内可调脉动电流电 驱动， 程序 给出对话窗，由实验者选择p z t 的线 性 ( 或准线性)工作范围。 5 、计算机 主板 c p u 5 8 6以上，内存 6 4 m以上 6 、图像卡 图像卡选用北京大恒图像视觉有限 公司的d h - v r t -c g 3 0 0 型图 像采集卡。 浙1 ! 人学倾 卜学位i p ic 该卡输入彩色视频信号，经数字解码、 a / d 转换、比例缩放等处理经 p c i 总线传 到计算 机 v g a 卡实时显示或内 存存储。 数据的传送过程是由图像卡控制的， 无需 c p u 参与，因此图 像传输数度可达4 0 m b / s .数 据的实时传送是该卡的突出特点。 详细原 理参见 d h - v r t -c g 3 0 0 型图 像采集卡使用说明 7 、配电图 图 2 .6多功能光电检测仪配电图 2 . 2 各部分实验及光路介绍 各种光学元件的切换与配置， 组合成一种光学物理系统， 实现定性观察与定 量测试的多功能，最终山光电接收器 2 3接收，井将信号送入计算机系统，完成 实验内容的显示与i 十 算。所谓多功能，主要山下列七部分组成: 2 . 2 . 1干涉类实验光路实现 。气杏1了? 一口 价中1甲尉 一 0 图 2 . 7干 涉类实验原理图 浙江大学硕 卜 学位论文 激光器 1 发出的激光经衰减器 2 ( 用于调节激光强度) 后由二个定向小孔 3 , 5引导，经反射镜 6 , 7 进入扩束准直物镜8 , 1 0( 即图 1 中的 l , ) ，由分光镜 1 4 ( 即图 i 中 h 5 )分成 几 束光，分别由反射镜 1 6( 即图 1 中的m . ) ，1 8 ( m : )反射 形成 1 . 涉条纹j 手 经成像物镜 2 0( 即图 ! 中 ! . )将条纹成于 c c d 2 3( 即0 ) ，这 样在计算机屏 卜 就可看到十涉条纹，实现i i i i z . i 驱动产生的微位移的测量。 实验涉及实验及简单原理介绍: 1 、 精密位移量的激光干涉测量方法 实验特点: 通过手动调节螺旋微动杆移动被测工作台产生微弱的位移， 然后 山计 算机记录条 纹移动距离， 然后通过条纹移动量和被测工件的移动量之间的 关 系 : 1 = n . 兰， “ 其 中 、 一 0 .b 3 ,w n ( h e - n e 激 光 器 ) ， 1 为 被 测 件 移 动 距 离 。 n 为 2 条 纹移动u f 离。 ”计 一 算出实 际被测件移动y f 离，然后和螺旋微动杆的移动距离进 行比较。记录饭后分析实验结te 2 、数字千涉测量方法 通过电 压控制器件，自 动的 发生出一 定波形的电压 ( 如正弦波或矩阵 波) 这样可以使得干涉条纹的进行有规律的移动。 利 用 c c d 采集千涉条纹同时处 理计 算出 条纹移动距离和周期。 使学生了 解激光干 涉的近代方法 一一数字干 涉技 术的原理 和方法; 掌握实时干涉检测技术: 了 解激光干涉测量方法的 优点 和应用 场合。 图2 . 8数字t涉系统 l i 一 一 琦佳 直物镜，l 2 一成像物镜，卜 被测件，2 -参考镜， 3 爪电器件 ( p z t) , 4 -成像光电器件 c mos ) 图 ， 的实验系统仍采用 t - c干涉仪，但参考镜 2由压电陶瓷 p z t驱动，产 生位移。此位移的频率与移动量由 计算机控制。设参考镜的瞬时 位移为 i i ，被 测表而的形貌 ( 面形)为w ( x , y ) ，则参考光路和测试光路可分别用下式表示: 浙江人学硕 学位论文 l)2) 了j、2、 u = a - e x p i 2 k ( s + l i ) u , = b - e x p i 2 k s + k ( x , y ) 式中a , b 为光振幅常数。 参考光与测试光相干产生千涉条纹，其瞬时光强由 式 1 1 ( x , y , l i ) =i + r c o s 2 k u , ( x , y ) 一 i i 与式 2 ，可得: ( 3 ) 式中 ; 二 2 a 丫， ， 、 是f 涉 条 纹的 对 比 度。 /咬 a- +n ) 变化， 式中: 式3 说 明 ，-f 涉 场中 任 意 一 点 的 光 强 都是l i 的 余弦 函 数 。由 于l i 随 时 卿 因此式 3 的光强是一个时间周期函数，: !丁 用傅里叶级数展开。设 r = 1 ，则 1 ( x , y , l i ) = a o + a , c o s 2 k l i + b , s i n 2 k l i ( 4 ) a . = a - + b ，a , = 2 a b c o s 2 k w ( x ,y ) , b ， 一 2 a b s in 2 1 w ( x , y ) 由悦角函数的正交性，可求出 f o u r i e r 级数的各个系数，即 。 二 丢 客 “ 一 ，“ ， a, = 丢 客 (一 *,fi)cos2kli “ 一 2n 客 “ 二 ， .1i) sin 2 kli ( 5 ) 从而 求得被测波面，山卜 式给出: 1 _ _ , b , 1 _ , wk x , y) 二-i g一_ -1 9 k a, 是 客 “ 一 ， ,li)sin 2kli 2 c ,n “ 一 ，“ ，一 klt ( 6 ) 式 中li = 兰 i 二0 , 1 ,2 ,3 二 为进一步降低噪声，提高测量精度， 可用 p 个周期进行驱动扫描， 测量数 据作w : 加平均，即 。 ，( * . ， ，、 一 子 ; ，9 zn ( z ) zkli一szkli 5111，)co 耐一(x，y.l 呷勤。一潜 式7 说明孔径内 任意一点的位相可山该 点上的n x p 个光强的采样值计算出来， 因此， 可获得整个孔径上的 位相。 除实现自 动检测外， 还可以测定被测件的三维 形貌 。 浙江人学硕 1 学位论文 3 、面形的三维干涉测量及评价 ( p v 值与 r m s 值) 本实 验采 用数字干涉测量原理进行， 该实 验特点是测量中采用了 扫描 技术， 因而可以实现面形的三维测量。 高精度光学平面零件的面形精度可用下列二个评 价指标，如下图所示。 1 . p v 值 是表面形貌的最大 峰谷 值 2 . r m s 值是表面形貌的均方根值，r m s 的定义是: r m s 一 德 表 面 形 貌 式中 v 二 x一 t ， x , ir - r s 4 !9 1 彭 : _ 迎 ， n -1 y !9t 次 数 。 n 图z 9面形精度的评价 4 、光学系统的波差测量 该实验使学生了解光学系统波差的基本物理概念; 掌握光学系统波差的激光 干涉测量方法。 如 果 光 学 系 统 存 在 像 差， 其出 瞳 平面 上的 光 振 动 的 位 相 分 布 与 理 想 球面 波 所 对应的位相分布将存在差异，用函数o ( x , y ) 来表示， 并且可以 写成 o ( x , y ) =k w ( x , 力 (1 ) 式中，k 是波数 ( k 二 2 ; r / a , a 为光波长) ，w ( x , y ) 即 代表实际光波和理想球面 波之间的偏差，称为波差。 光学系统波差可利用激光干涉方法进行测量。 本实验以泰曼一格林干涉系统 为基 础， 使经过被测光学系 统后的实际波面和干涉仪给出的 标准波面( 参考波面) 干涉， 对干涉图进行数字处理， 就能确定实际波面的形状和波差的大小。 光路原 理如图 1 所示，经扩束准直后的平面波通过半反射镜 b s 分为两束，一束经标准 光经参考镜m, 反射后成为参考光束， 另一束经被测光学系统会聚其焦点处，当 该 焦 点 与 标 准 球 面 镜m z 完 全重 合 时 ， 所 会聚 的 光 束 将 原 路 返回 ， 再 次 经 过 光 学 系统后成为被检光束。 若不考虑标准参 考镜和标准球面镜等系统误差， 参考波面 和被检波t i i 可分别表示为 u ,= a e x p i 2 k l ( 2 ) u , = b e x p i 2 k w ( x , y ) ( 3 ) 浙江人学硕 卜 学位论文 被测光学系统标准t . 面镜 m2 j -0 图 2 . 1 0光学系统波差的千涉测量系统 式， 1 1 , a 和b 分别表示两个波而的 振幅:k 为波数:i 为参考光程:w ( x , y ) 为光 学系统的波差。两光束所形成的 卜 涉图1 1 通过透锐i _ 2 会聚i i i c c d接收，利用数 字干涉测量技术可实现波差的数字求解， 具体力 一 法足: 通过压电晶体驱动参考镜 m , 实 现 位 相 调 制 ， 当 参 考 镜 移 动 。 步 ， 每 步 移 动 量 为 % 。 时 ， 根 据 每 一 步 所 对 、， ， _ 、 _， _.之_、_卜， 。 二、 。 .。 、 . 、 ， ， 二 、 二一 应的 干涉图分布i ( x , y , l ; ) ( 1 二 宁 i , i 二 1 ,2 , . , n ) ， 可 求得被测光学系统的 波差 ， 。 _ 2 n 二 ( x y ) 一 牛 t9 一 乙 x 艺1 ( x , y , l ,) s in ( 2 k l ) 艺i (x , y , l; ) c o s ( 2 k l, ) ( 4) 与 面形处理 一 样， 结果以 三维立体图， 等高图显示， 数据有波峰一 波谷值( p v ) , 均方根值 ( r m s )和最大面形误差 ( e m ) . 5 、光学系统的 p s f 及m t f 评价 该实 验主要使学生了 解光学系统的p s f 及m t f 的基本物理概念，掌握利用 干涉法测波 差求p s f 及m t f 的 基本方 法及其 评价方法。 光学系 统相对于理想物点的成像点的 质量， 可作为光学系统成像质量的评价 指标。 实验中为便于形成理想物点， 对一般光学系 统， 通常选择理想物点 位于光 轴上 的无穷远处， 即采用平行光入射被 测光学系统的方法， 这时所要考察的像方 焦点的分布即为点 扩散函数p s f 。 根据光学系统的傅里 叶变换特性， 点扩散函数 p s f 可直接山波差计算得到 a sf (一 y ) = c jjexpikw ( ,n)exp-ik 异 (fix + t7y)d d 7l ( 1 ) 浙江人学硕 l 学位论义 式 中， a s f ( x , y ) 为 点 振 幅分 布 函 数， c 为 常 数， d 为 光学 系 统 的口 径，f 为 光 学 系统的 焦距， , 7 取单 位圆中的规化坐标。则点扩散函 数为 p s f ( x , y ) =a s f ( x , y ) a s f - ( x , y ) 般使p s 厂规 ， 化，即 ( 2) p s f ,“ 二 。 , ( x , 力=p s f ( x , y ) p s f( 0 , 0 ) ( 3) 调制传递函数 ( m t f )反映了光学系统对不同分辨率的物点在其相应的像点 中对比度的下降 情况。 可通过对点 扩散函数 进行傅里叶反变换求得。 o t f (u , v ) = 仃 p s f ( x , y ) e x p i 2 )t (u x + v y ) jd x d y ( 4 ) 式中，o t f ( u , v ) 为光学传递函数。 规一 化后的 调制传 递函数为 ut f( u , v ) =i o t f ( u , v ) i jo t f ( 0 ,0 ) f ( 5) 调制传递函数也用 自相关方法从波差求得 mt f( u , v ) = j j e x p ik w ( + a f r. t7 + /v ， 一 w ( 41 _7 ) d d 7 j j d d 7 ( 6) 式中，。表示两错开光瞳的重叠区，艺表示出瞳孔径范围。 本实验采用与实验四相同的实验方案， 在获得波差的 条件下， 进一步由程 序 按上述方法自 动计算p s f 与m t f . ; 2 . 2 . 2衍射类实验原理及光路实现 4气十川一代 】2 !卜 日 弃 ;， 习 马 算2 3 扫 l 13/ - 二 24- - - - - - - - - - - - - o ih 团 浙辛 ( _ 人学(y ( 卜学位沦丈 图2 . 1 1 衍射类实验光路 激光不用扩束， 直接照射工作台 1 9上的试件， 在探测器上形成远场衍射条 纹。 即可测量。 另 外对于全场衍射需要在 1 1 和 1 2 之间加上一个小玻璃棒， 这样 可以形成一条竖条状的光。然后通过全场衍射事件夹，在 c c d上形成衍射条纹。 实验涉及实验及简单原理介绍: 1 、 缝宽或间隙的衍射测量 激光衍射计员的基本原理是利用激光 的人朗和费衍射效应。夫朗和费衍 射是 一 种远场衍射。 衍射计量是利m被测物 ， 参考物之间的ld j 隙所形成的远场衍 射来完成。当激光照射被测物与参考的标准物之间的间隙时， 这相当于单缝的远 场衍射。当入射平面波的波长为 x，入射到长度为 t ，宽度为w的单缝上 ( do 入 ) ， 条纹。 w2 并与观测屏距离r 竺 时 兄 ，在观测屏 e的视场上将看到十分清晰的衍射 图 2 . 1 2 是计量原理图，图2 . 1 3 是等效衍射图。在观察屏 e 上 由单缝形成 。 、 。 ， 、 甘 、 ，二 : 、 八、 ，。 .* : 二 、 、 len . 6 , -.t 7; _ ， ( s in 2 川 i j ji f jm刀;牛 人 ，i t l b 7 . 4 1 g j/ j ,i jw 1 % j + ffi u y a i 4 - - j:j 一 1 .1 - - - 7 - , 1 一 y , ) 激 光 r 飞 /参 考 物 被 ;y.叮 物 光、协 叭瓜、 一一. 卜一咨、 ，xx 图 2 . 1 2计 贵原 理 图2 . 1 3等效衍射 式 中 : ， = 到sin 9 ; 。 为 衍 射 角 ， i 是 。 = 。 。 时 的 光 强 ， 即 光 轴 上 的 光 强 度 。 l又) 上式就是远场衍射光强分布的 基本公 式，说明 衍射光强是随 s i n o 的平方而 衰减。当刀= 0 , 土 n , 士 2 7 r ， 士 3 7r , 一 土 n ， 处将出 现强 度为零的条纹，即 卜0的暗条 纹。 测定任个暗条纹的位置变化就 if 以知逆1 1 11 11 ; t w 的尺寸和尺寸变化。 这就是 衍射计量的原理。 因 为 、 一 到sin b ， 对 旧音 条 纹 贝 。 有 到s in o = 。 二 凡 jti j 浙江大学硕l : 学位论文 当。 不大时. 从远场条件，有s i n 0 ; i g d = 号 找 式中:x为第 。级暗条纹中心趾中央零级条纹中心的趾离，r为观察屏距单 缝平面的距离。 最 后 写 成: 、 = r nw = -二 x 这 就 是 衍 射 计量 的 基 本 公 式 。 为 计 算方 便， 设鱼二 t ， t 为 衍射 条 纹 的 间 隔， 己知人，尺 ( r = f ) ,测定两个暗条纹的间隔 当被测物尺寸改变 。时，相当于狭缝尺、 j t ，就可计算出w的精确尺寸。 改变 。，衍射条纹中心位置随之 改 、 ， 贝 。 二 ， 一 、 。 一 。 a r ( 一 习 l x x0 l 式中: w , w 分别为 起始缝宽和最后缝宽; x 。 ， x 分别为起始时衍射条纹中心位置 和变动后衍射条纹中 心位置 ( 条纹n 不变) 。 由 一个狭缝边的位置用上式就可以 推算另一边的位置， 则被测物尺寸或轮廓 完全可由 被测物和参考物之间的缝隙所形成的衍射条纹位置来确定。 利用激光下形成的清晰 衍射条 纹就可以进行微米量级的非接触的 尺寸测量。 2 、微孔直径的衍射测量 由 物理光 学知道，平面波照射的开孔不是矩形而是圆 孔时，其远场的 夫朗 和费衍射像是中心为一圆形亮斑， 外面绕着明暗相间的环形条纹。 这种环形衍射 像就称为爱肚圆，如图2 . 1 4 所示。 p 点的