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幹涉測量技術

發布時間：2023-08-01 11:34:44 瀏覽量：2944 作者：Luo

摘要

幹涉儀(yi) 是基於(yu) 兩(liang) 束相幹光的幹涉所製成的測量儀(yi) 器。該技術可用於(yu) 精密檢測中，通過光電探測器探測攜帶了被測目標信息的光信號，然後通過計算機分析光信號的光強，對比度，相位等，從(cong) 而間接得到目標的準確信息。隨工業(ye) 的發展，對於(yu) 精密測量要求越來越高，出現了許多類型的幹涉儀(yi) ，本文對幾種常用幹涉儀(yi) 進行了介紹，對於(yu) 它們(men) 的原理，優(you) 缺點進行了一些分析。

正文


幹涉測量技術


1.引言


幹涉儀(yi) 是基於(yu) 兩(liang) 束相幹光的幹涉所製成的測量儀(yi) 器。該技術可用於(yu) 精密檢測中，采用該方法可以從(cong) 一 束光波中準確地獲取另一束光波的特征。幹涉法的用途很廣，從(cong) 納米量級的數控機床，到宇宙 學規模中采用引力透鏡尋找暗物質，在這兩(liang) 種ji端情況中間，則是光學車間中采用幹涉法的透鏡生產(chan) 和係統調試。幹涉儀(yi) 的性能取決(jue) 於(yu) 係統所用元件的質量，如投影光學元件或收集光學元件的質量，或者所使用輻射光 源的質量，而輻射光源的相幹特性則是幹涉儀(yi) 精度和使用靈活性的決(jue) 定因素。


2.幹涉波


幹涉儀(yi) 可直接測量由於(yu) 光學係統畸變、光學元件製造產(chan) 生的缺陷，以及材料的非均勻性等所產(chan) 生的波前變形，通過測量電磁波的複振幅分布來實現，而複振幅的測量則是通過將變形波前與(yu) 理想波前進行混合的互相關(guan) 完成。波形表示電磁波的複振幅，幹涉波的振幅相同，當兩(liang) 束波的相位相差π時，振幅恰好相互抵消；當兩(liang) 束波的相位相同時，合成波的複振幅是單一波束振幅的2倍。如下圖2.1所示。


2.1複振幅的合成


2.2明暗條紋對比度



由於(yu) 光強便於(yu) 探測，一般用強度來表示對比度。上式Imax為(wei) 兩(liang) 束相幹光同相時振幅的時間平均；Imin為(wei) 反相時 兩(liang) 束相幹光的振幅時間平均。


3.幹涉儀(yi) 的分類


（1）斐索幹涉儀(yi)


3.1斐索幹涉儀(yi)


與(yu) 其它幹涉儀(yi) 相比較而言，斐索幹涉儀(yi) 多了一些限製，光源的譜線寬度 限製了其相幹性，因此，分光鏡的表麵必須非常接近被測麵，這使得完整光學係統的測量變得非常困難。光源的能量的強弱則會(hui) 影響到光信號能否被探測器所探測到。


對於(yu) 這一問題，使用激光作為(wei) 幹涉儀(yi) 的光源則可以較好解決(jue) 問題，長的相幹長度可以測量很複雜的光學係統，較大的能量可以觸發探測器。如果該係統采用CO2激光器，存在的主要問題就是在觸發探測器之前如何消除多餘(yu) 能量。但是激光器也有它的缺點，長的相幹長度會(hui) 引起任意光束之間的幹涉，而這些光往往是由於(yu) 鍍膜不合格的光學係統的反射的引起。基於(yu) 此原因，有必要對針孔後麵的所有光學元件鍍一層增透膜，而針孔本身就是一個(ge) 空間濾波器，應位於(yu) 所有光學元件之前，並能濾除聚焦光學係統所有相幹噪聲。


3.2激光斐索幹涉儀(yi)


優(you) 點：：幹涉儀(yi) 中的所有光學係統會(hui) 同時經過測試光和參考光，除非用單一表麵作為(wei) 分光鏡，這意味著光學係統的畸變對zui終觀察到的條紋形狀影響很小，但要求分光鏡的表麵質量必須很高，否則會(hui) 嚴(yan) 重影響到條紋形狀。


3.3非球麵測量


（2）泰曼格林幹涉儀(yi)


3.4泰曼格林幹涉儀(yi)



若采用普通光源(如汞燈)時該裝置的優(you) 點是可以調節並移動參考鏡麵，保證測試光路和參考光路具有相同的光程長度。


若用激光作為(wei) 光源，相對於(yu) 普通光源的斐索幹涉儀(yi) 而言，它不僅(jin) 可以測量整個(ge) 光學係統，而且可以提高測量效率，但需要用到較多的光學元件，同時要求分光鏡的兩(liang) 個(ge) 表麵以及參考鏡都必須非常平整，此外，準直激光束所用的元件和將光束投影到攝像機所用的元件，必須具有相同的精度。


（3）馬赫澤德幹涉儀(yi)


3.5馬赫澤德幹涉儀(yi)


優(you) 點：不需要試光路和參考光路的光程差必須相同。其是單通道幹涉儀(yi) ，兩(liang) 束光在測試光路後合成為(wei) 一束，然後再通過被測係統。相對於(yu) 雙通道幹涉儀(yi) ，其優(you) 點是由孔徑引起的衍射光隻會(hui) 通過一次，因此，很容易通過處理衍射孔徑來消除衍射效應對係統的影響。

缺點：不適用於(yu) 微透鏡等衍射很重要的測量中。


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