《光電測量技術》(第八章)

1、光電信息測控技術與裝備研究所光電信息測控技術與裝備研究所1第八章第八章 相干光信號變換與檢測相干光信號變換與檢測光電信息測控技術與裝備研究所光電信息測控技術與裝備研究所2 利用光電方法對各種干涉現象進行檢測和處理，最終檢測出幾何參量和物理參量的技術稱為光電干涉測量技術光電信息測控技術與裝備研究所光電信息測控技術與裝備研究所3 與一般的光學測試技與一般的光學測試技術相比，光干涉測試術相比，光干涉測試技術具有更高的測試技術具有更高的測試靈敏度和準確度靈敏度和準確度光電信息測控技術與裝備研究所光電信息測控技術與裝備研究所4第一節(jié)第一節(jié) 相干變換與檢測原理相干變換與檢測原理一、相干光信息及光干涉原理一

2、、相干光信息及光干涉原理n光干涉光干涉是是指可能相干的兩束或多束光波指可能相干的兩束或多束光波相重疊，它們的合成光波隨其空間相位相重疊，它們的合成光波隨其空間相位關系表現出不同的光強空間分布或時序關系表現出不同的光強空間分布或時序變化的現象變化的現象光電信息測控技術與裝備研究所光電信息測控技術與裝備研究所5第一節(jié)第一節(jié) 相干變換與檢測原理相干變換與檢測原理12,0 n1）當兩束光頻率相同時）當兩束光頻率相同時 I x yA x,y1+r x,y cosx,y ,上式表明，單頻相干時隨相位變化的干涉條紋強度上式表明，單頻相干時隨相位變化的干涉條紋強度分布表現為余弦分布分布表現為余弦分布單頻干涉測

3、量的基礎單頻干涉測量的基礎光電信息測控技術與裝備研究所光電信息測控技術與裝備研究所6第一節(jié)第一節(jié) 相干變換與檢測原理相干變換與檢測原理L002ndl n2）當兩束光頻率不同時，則形成頻差）當兩束光頻率不同時，則形成頻差若頻差較小時，則光電檢測器件可檢測到的干涉條紋若頻差較小時，則光電檢測器件可檢測到的干涉條紋以以角頻率在波動，而形成光拍頻，即角頻率在波動，而形成光拍頻，即外差干涉外差干涉干涉條紋的強度取決于相干光的相位差，而相位差取干涉條紋的強度取決于相干光的相位差，而相位差取決于傳輸介質的折射率決于傳輸介質的折射率n和光傳播距離和光傳播距離dl的線積分的線積分0022Ln+nL光電信息測控技

4、術與裝備研究所光電信息測控技術與裝備研究所7第一節(jié)第一節(jié) 相干變換與檢測原理相干變換與檢測原理二、相干測量中的調制和解調二、相干測量中的調制和解調n光調制技術是將被測物理量的相關信息疊加到光調制技術是將被測物理量的相關信息疊加到光載波上。光載波上。光調制技術光調制技術振幅調制振幅調制AM相位調制相位調制PM頻率調制頻率調制FM偏振調制偏振調制POM光波譜調制光波譜調制SM光電信息測控技術與裝備研究所光電信息測控技術與裝備研究所8相干光信息相干光信息物理效應物理效應 干涉圖干涉圖 衍射圖衍射圖 莫爾拓撲圖莫爾拓撲圖散斑圖散斑圖全息圖全息圖光電信息測控技術與裝備研究所光電信息測控技術與裝備研究所9

5、相干光頻率相干光頻率單頻雙光束或單頻雙光束或多光束干涉多光束干涉雙頻雙光束干涉雙頻雙光束干涉多頻多光束干涉多頻多光束干涉光電信息測控技術與裝備研究所光電信息測控技術與裝備研究所10相干場的時空范圍相干場的時空范圍局部空間內的局部空間內的隨時間變化干涉信號隨時間變化干涉信號一定空間內的一定空間內的空間干涉信號空間干涉信號一定空間內的一定空間內的時間干涉信號時間干涉信號光電信息測控技術與裝備研究所光電信息測控技術與裝備研究所11光波分光光波分光振幅式干涉儀振幅式干涉儀分波陣面式干涉儀分波陣面式干涉儀光電信息測控技術與裝備研究所光電信息測控技術與裝備研究所12相干光束傳播路徑相干光束傳播路徑共程干涉

6、共程干涉非共程干涉非共程干涉光電信息測控技術與裝備研究所光電信息測控技術與裝備研究所13以邁克爾遜干涉儀為例以邁克爾遜干涉儀為例參考鏡參考鏡單色光源單色光源光電檢測器光電檢測器測量鏡測量鏡L被測參量被測參量L，L/t光電信息測控技術與裝備研究所光電信息測控技術與裝備研究所14光電信息測控技術與裝備研究所光電信息測控技術與裝備研究所15影響干涉條紋對比度的因素影響干涉條紋對比度的因素干涉條紋圖樣對比度降低的普遍原因：干涉條紋圖樣對比度降低的普遍原因：minmaxminmaxIIIIK1）光源的時間相干性和空間相干性；）光源的時間相干性和空間相干性；2）相干光束的光強不相等；）相干光束的光強不相等

7、；3）雜散光的存在；）雜散光的存在；4）各光束的偏振狀態(tài)有差異。）各光束的偏振狀態(tài)有差異。光電信息測控技術與裝備研究所光電信息測控技術與裝備研究所161)光源的時間相干性和空間相干性光源的時間相干性和空間相干性nL=m光程差相同的點光程差相同的點形成的亮線稱為亮紋形成的亮線稱為亮紋L2nL=（m+1/2）光程差光程差相同的點形成的暗線稱為相同的點形成的暗線稱為暗紋暗紋n當當 + 的第的第m級亮紋與級亮紋與的第的第m+1級亮紋重合后，所級亮紋重合后，所有亮紋開始重合有亮紋開始重合 光電信息測控技術與裝備研究所光電信息測控技術與裝備研究所17n以上條件可作為尚能分辨干涉條紋的限度，即以上條件可作為

8、尚能分辨干涉條紋的限度，即mm 1m2MLn由此得到最大干涉級由此得到最大干涉級 與此相對應得上能產生干涉條紋的兩支相干光與此相對應得上能產生干涉條紋的兩支相干光的的最大光程差最大光程差（或稱為（或稱為光源的相干長度光源的相干長度）為）為 上式表明，光源的相干長度與光源的譜線寬度上式表明，光源的相干長度與光源的譜線寬度成反比。成反比。光電信息測控技術與裝備研究所光電信息測控技術與裝備研究所18n例如：用鎘紅光作為光源時，如果其波長為例如：用鎘紅光作為光源時，如果其波長為=643.8nm，光譜寬度，光譜寬度=0.0013nm，可計算出，可計算出相干長度為相干長度為mmLM3002 用用He-Ne

9、激光作為光源時，如果其波長為激光作為光源時，如果其波長為=632.8nm，光譜寬度，光譜寬度10-8nm，可計算出相，可計算出相干長度為干長度為kmnmLM40104132 由于有足夠長的相干長度，故不必調整兩支光路由于有足夠長的相干長度，故不必調整兩支光路的相干光程相等。的相干光程相等。光電信息測控技術與裝備研究所光電信息測控技術與裝備研究所19 2）相干光束的光強不相等；）相干光束的光強不相等；n干涉圖樣的照度，在很大程度上取決于光源的尺寸，而干涉圖樣的照度，在很大程度上取決于光源的尺寸，而光源尺寸的大小又會對各類干涉儀的干涉圖樣的對比度光源尺寸的大小又會對各類干涉儀的干涉圖樣的對比度有不

10、同的影響有不同的影響n不同角的平行光束經干涉儀形成彼此錯開的等厚干涉不同角的平行光束經干涉儀形成彼此錯開的等厚干涉條紋，經疊加后形成的干涉條紋如下圖所示條紋，經疊加后形成的干涉條紋如下圖所示光電信息測控技術與裝備研究所光電信息測控技術與裝備研究所20如果取對比度為如果取對比度為0.9，可得光源的許可半徑為，可得光源的許可半徑為hfrm2許可半徑正比于準直物鏡的焦距，反比于等效空氣層厚度許可半徑正比于準直物鏡的焦距，反比于等效空氣層厚度h的開方的開方光電信息測控技術與裝備研究所光電信息測控技術與裝備研究所21n在干涉測量中，采取盡量減小光源尺寸的措施，固然在干涉測量中，采取盡量減小光源尺寸的措施

11、，固然可以提高條紋的對比度，但干涉場的亮度也會隨之減可以提高條紋的對比度，但干涉場的亮度也會隨之減弱，不利于觀測弱，不利于觀測n設法改變參考光路或測量光路的光程，使兩路光的等設法改變參考光路或測量光路的光程，使兩路光的等效空氣層厚度減薄，可以達到適當開大光闌孔的目的效空氣層厚度減薄，可以達到適當開大光闌孔的目的n為上述目的在干涉儀中采取的相應技術措施，為上述目的在干涉儀中采取的相應技術措施，稱為稱為保證空間相干性保證空間相干性光電信息測控技術與裝備研究所光電信息測控技術與裝備研究所22第二節(jié)第二節(jié) 相干光的相位調制和檢測相干光的相位調制和檢測一、單頻光相位調制和條紋檢測一、單頻光相位調制和條紋

12、檢測1、單頻光的相位調制、單頻光的相位調制光電信息測控技術與裝備研究所光電信息測控技術與裝備研究所23 I x yA x y1+r x,yx y,cos, ,L002ndl 0022Ln+nL光電信息測控技術與裝備研究所光電信息測控技術與裝備研究所24激光器傳感器固定鏡M2測量鏡分光鏡光電檢測器邁克耳遜邁克耳遜(Michelson)干涉儀干涉儀光電信息測控技術與裝備研究所光電信息測控技術與裝備研究所25鍍膜參考物被測物光電檢測器吉曼吉曼（Gell-Mann）干涉儀干涉儀光電信息測控技術與裝備研究所光電信息測控技術與裝備研究所26激光器傳感器固定鏡分光鏡2分光鏡1測量鏡光電檢測器馬赫馬赫-澤德干

13、涉儀澤德干涉儀（Mach-Zehnder）光電信息測控技術與裝備研究所光電信息測控技術與裝備研究所27激光器分光鏡1光電檢測器薩古納克干涉儀薩古納克干涉儀（Sagnac）被測物光電信息測控技術與裝備研究所光電信息測控技術與裝備研究所28激光器傳感器光電檢測器參考物測量鏡d法布里法布里- -珀羅羅干涉儀珀羅羅干涉儀（Fabry-Perot）光電信息測控技術與裝備研究所光電信息測控技術與裝備研究所29第二節(jié)第二節(jié) 相干光的相位調制和檢測相干光的相位調制和檢測一、單頻光相位調制和條紋檢測一、單頻光相位調制和條紋檢測2、單頻光的條紋調制、單頻光的條紋調制光電信息測控技術與裝備研究所光電信息測控技術與裝

14、備研究所30光電信息測控技術與裝備研究所光電信息測控技術與裝備研究所31光電信息測控技術與裝備研究所光電信息測控技術與裝備研究所32 221212I x y taa2a at cos, , 22121201I x y taa2a at dt cos, , 001t dt coscos 001t dt coscos tcos I x y t, , t光電信息測控技術與裝備研究所光電信息測控技術與裝備研究所33 001t dt coscos01 只有在只有在大時光強隨相位變化才明顯大時光強隨相位變化才明顯當當=0時，只有直流分量時，只有直流分量，表明在，表明在檢測時間內兩光束不相干檢測時間內兩光束

15、不相干 當當=1時，表明在時，表明在檢測時間內相位保持不變，相干度最大檢測時間內相位保持不變，相干度最大光電信息測控技術與裝備研究所光電信息測控技術與裝備研究所34光的單色性對相干度的影響光的單色性對相干度的影響0 2020202L2LC2Lsinsin 20光電信息測控技術與裝備研究所光電信息測控技術與裝備研究所35光源光束發(fā)散角的影響光源光束發(fā)散角的影響0002 n Li2 n LiC2 n Lisinsinsinsinsin 光電信息測控技術與裝備研究所光電信息測控技術與裝備研究所36光電接收元件的接收孔闌的影響光電接收元件的接收孔闌的影響 2212122I xaa2a axDcos若干

16、涉條紋間距為若干涉條紋間距為D，則沿，則沿x方方向的條紋光強分布為向的條紋光強分布為光電信息測控技術與裝備研究所光電信息測控技術與裝備研究所37在不同位置上的光點檢測器件的輸出光電流為在不同位置上的光點檢測器件的輸出光電流為Is,有有00hlx2222hlS1212x222212122212122IKdyaa2a ax dxDl2Khl aa2a aCxDD2Khl aa2a axDcossincoscos llDClDDsinsin 為混頻效率為混頻效率光電信息測控技術與裝備研究所光電信息測控技術與裝備研究所38n當當l/D趨于零，即光闌趨于零，即光闌lD，則，則=1，信號交流分量幅度大，信

17、號交流分量幅度大n當當l/D=1， 則則=0，信號只有直流分量，對比度為零，信號只有直流分量，對比度為零n通常，在通常，在l一定時，用調節(jié)條紋寬度一定時，用調節(jié)條紋寬度D來提高混頻效率來提高混頻效率n請注意：請注意：l 的大小還有濾波作用，如的大小還有濾波作用，如l=D/2，可濾去，可濾去2n次諧波分量次諧波分量光電信息測控技術與裝備研究所光電信息測控技術與裝備研究所39n在干涉條紋檢測時，還要判斷干涉條紋的運動方向并可逆技術在干涉條紋檢測時，還要判斷干涉條紋的運動方向并可逆技術n需要獲得相位差為需要獲得相位差為90的兩路信號的兩路信號n其方法有：其方法有：1）直接放光電元件，用其位置不同來獲

18、得）直接放光電元件，用其位置不同來獲得90相差相差2） 用移相板用移相板3） 在分光鏡上鍍一層移相膜在分光鏡上鍍一層移相膜4） 加偏振片移相加偏振片移相光電信息測控技術與裝備研究所光電信息測控技術與裝備研究所40光電信息測控技術與裝備研究所光電信息測控技術與裝備研究所41光電信息測控技術與裝備研究所光電信息測控技術與裝備研究所42光電信息測控技術與裝備研究所光電信息測控技術與裝備研究所43第二節(jié)第二節(jié) 相干光的相位調制和檢測相干光的相位調制和檢測二、單頻光波面的相位調制測量與干涉圖分析二、單頻光波面的相位調制測量與干涉圖分析光電信息測控技術與裝備研究所光電信息測控技術與裝備研究所441、單頻光

19、波面的相位調制、單頻光波面的相位調制光電信息測控技術與裝備研究所光電信息測控技術與裝備研究所45光電信息測控技術與裝備研究所光電信息測控技術與裝備研究所46n以泰曼以泰曼-格林干涉儀格林干涉儀為例來分析為例來分析光電信息測控技術與裝備研究所光電信息測控技術與裝備研究所47rrrjyxayxUyxjyxayxUexp,exp,000yxayxaayxayxIrrr,cos,2,00220yxn,干涉場上的光強分布為干涉場上的光強分布為再考慮到光路折返再考慮到光路折返yxL,yxLnyxnLyxyxr,4,00折射率分布；折射率分布；物面變形分布物面變形分布當當n不變時不變時當當L不變時不變時yx

20、Lnyx,4,0yxnLyx,4,0光電信息測控技術與裝備研究所光電信息測控技術與裝備研究所482、干涉圖樣分析、干涉圖樣分析n干涉圖樣是二維圖形干涉圖樣是二維圖形光電信息測控技術與裝備研究所光電信息測控技術與裝備研究所49 實際波面的面形輪廓相對于理想參考波面的幾何實際波面的面形輪廓相對于理想參考波面的幾何偏差定義為偏差定義為波面偏差波面偏差干涉條紋分析中干涉條紋分析中最基本的信息是被測波面最基本的信息是被測波面相對于參考標準波面的波面偏差及實際波相對于參考標準波面的波面偏差及實際波面的輪廓形狀面的輪廓形狀1、波面偏差的表示、波面偏差的表示nHhW 由條紋之間的偏差所由條紋之間的偏差所表示的

21、波面偏差為表示的波面偏差為 H最適條紋間隔最適條紋間隔 n干涉儀的通道數（光束通過樣品次數）干涉儀的通道數（光束通過樣品次數）光電信息測控技術與裝備研究所光電信息測控技術與裝備研究所502、光學零件面形偏差、光學零件面形偏差GB281381國家標準規(guī)定了光圈的識別辦法國家標準規(guī)定了光圈的識別辦法1）半徑偏差（）半徑偏差（N）2）像散偏差（）像散偏差（1N）3）局部偏差（）局部偏差（ 2N ） 被檢光學表面的曲率半徑相對參考表面曲率半徑的偏差，被檢光學表面的曲率半徑相對參考表面曲率半徑的偏差，以所對應的光圈數以所對應的光圈數N來表示來表示 被檢光學表面與參考表面在兩個相互垂直方向上的光圈數被檢光

22、學表面與參考表面在兩個相互垂直方向上的光圈數不等所對應的偏差不等所對應的偏差 被檢光學表面與參考表面在任一方向上產生的干涉條紋的被檢光學表面與參考表面在任一方向上產生的干涉條紋的局部不規(guī)則程度局部不規(guī)則程度光電信息測控技術與裝備研究所光電信息測控技術與裝備研究所51半徑偏差N的度量光電信息測控技術與裝備研究所光電信息測控技術與裝備研究所52像散像散1N偏差的度量偏差的度量光電信息測控技術與裝備研究所光電信息測控技術與裝備研究所53局部局部2N偏差的度量偏差的度量光電信息測控技術與裝備研究所光電信息測控技術與裝備研究所54n泰曼泰曼-格林干涉儀的獨特的物理性質：格林干涉儀的獨特的物理性質：n能看

23、到整個視場，即看到參考鏡和被測物面的任何一部分能看到整個視場，即看到參考鏡和被測物面的任何一部分n根據干涉條紋的變化就可判斷被測光學元件的質量根據干涉條紋的變化就可判斷被測光學元件的質量n用于表征初級像差所產生的雙光束干涉圖，可按金用于表征初級像差所產生的雙光束干涉圖，可按金斯萊克斯萊克（Kingslak）所論述的方法進行分析，相對于）所論述的方法進行分析，相對于高斯像點中心的波像差（高斯像點中心的波像差（OPD）可由下式求）可由下式求出出光電信息測控技術與裝備研究所光電信息測控技術與裝備研究所55FxEyyxDyxCyxByyxAOPD2222222223224fRA縱向三級像差lhRB2徑

24、向慧差22lC徑向像散離焦22lLD軸傾斜繞xlhE軸傾斜繞 yltF透鏡的半徑R距離透鏡的后表面到像點的l像高h離焦量L傾斜量軸橫向位移產生的波面軸和分別由像沿、yxth光電信息測控技術與裝備研究所光電信息測控技術與裝備研究所56A、完善透鏡沒有傾斜時沒有傾斜時E=F=0E=5的傾斜時，條紋的傾斜時，條紋方向平行于傾斜方向方向平行于傾斜方向有離焦但無有離焦但無傾斜傾斜既有離焦又既有離焦又有傾斜有傾斜光電信息測控技術與裝備研究所光電信息測控技術與裝備研究所57B、球差A=6沒有離焦沒有離焦（D=0）和傾斜）和傾斜（E=F=0）平均焦距處平均焦距處D=A，E=5，F=0平均焦距處平均焦距處D=A

25、，E=F=0D=2,A=10,E=F=0D=2,A=10,E=5，F=0A=2 （D=0）（E=F=0）光電信息測控技術與裝備研究所光電信息測控技術與裝備研究所58C、彗差B=5時，沒有離焦的近時，沒有離焦的近軸彗差圖軸彗差圖中間干涉圖是沒有傾斜中間干涉圖是沒有傾斜E=F=0的的兩邊的條紋圖是有不同組兩邊的條紋圖是有不同組合傾斜（合傾斜（E=3,F=3）光電信息測控技術與裝備研究所光電信息測控技術與裝備研究所59B=5時，有少量離焦時，有少量離焦（D=2）的彗差干涉圖）的彗差干涉圖中間干涉圖是沒有傾斜中間干涉圖是沒有傾斜E=F=0的的兩邊的條紋圖是有不同組兩邊的條紋圖是有不同組合傾斜（合傾斜（

26、E=3,F=3）光電信息測控技術與裝備研究所光電信息測控技術與裝備研究所60D、像散C=2時的像散干涉圖D=0時可得到匹茨瓦Petzval焦點，可得像散OPD223yDCxDCOPD若C+D=0，為徑向焦點若3C+D=0，為子午焦點若C+D=-(3C+D)，D=-2C為平均焦點右圖為匹茨瓦焦點處各方向有傾斜時的干涉圖（E=3,F=3）光電信息測控技術與裝備研究所光電信息測控技術與裝備研究所61C=2時的像散干涉圖 右圖為表示在徑向焦點處有組合傾斜時的像散干涉圖光電信息測控技術與裝備研究所光電信息測控技術與裝備研究所62C=2時的像散干涉圖 右圖為表示在平均焦點處有組合傾斜時的像散干涉圖光電信息

27、測控技術與裝備研究所光電信息測控技術與裝備研究所63C=2時的像散干涉圖 右圖為表示在子午焦點處有組合傾斜時的像散干涉圖光電信息測控技術與裝備研究所光電信息測控技術與裝備研究所64E、組合像差球差和彗差組球差和彗差組合的干涉圖合的干涉圖球差和像散組球差和像散組合的干涉圖合的干涉圖彗差和像散組彗差和像散組合的干涉圖合的干涉圖球差、彗差、像球差、彗差、像散同時存在的組散同時存在的組合干涉圖合干涉圖光電信息測控技術與裝備研究所光電信息測控技術與裝備研究所653、斐索干涉儀、斐索干涉儀n由于普通干涉儀的參考光束和測量光束沿著彼此由于普通干涉儀的參考光束和測量光束沿著彼此分開的光路行進，它們受到環(huán)境的震

28、動和溫度的分開的光路行進，它們受到環(huán)境的震動和溫度的影響不同影響不同n若不采取適當的隔振和恒溫措施，則在觀察面或若不采取適當的隔振和恒溫措施，則在觀察面或接收面上的干涉條紋是不穩(wěn)定的，也就不可能進接收面上的干涉條紋是不穩(wěn)定的，也就不可能進行精確測量行精確測量n而共路干涉儀可以較好地解決上述問題而共路干涉儀可以較好地解決上述問題光電信息測控技術與裝備研究所光電信息測控技術與裝備研究所66n共路干涉儀：共路干涉儀：就是干涉儀中參考光束與測量光束就是干涉儀中參考光束與測量光束經過同一光路的干涉儀經過同一光路的干涉儀n共路干涉儀的優(yōu)點：共路干涉儀的優(yōu)點：對環(huán)境的震動和溫度、氣流的變化能產生彼此共模抑制

29、對環(huán)境的震動和溫度、氣流的變化能產生彼此共模抑制無需隔振和恒溫條件也能獲得穩(wěn)定的干涉條紋無需隔振和恒溫條件也能獲得穩(wěn)定的干涉條紋具有不需要尺寸等于被測表面的參考表面具有不需要尺寸等于被測表面的參考表面參考光束直接來自被測表面的微小區(qū)域，不受被測表面參考光束直接來自被測表面的微小區(qū)域，不受被測表面誤差的影響誤差的影響可直接獲得被測表面的缺陷信息可直接獲得被測表面的缺陷信息光電信息測控技術與裝備研究所光電信息測控技術與裝備研究所67n在上述這類共路干涉儀中，干涉場中心的兩支光在上述這類共路干涉儀中，干涉場中心的兩支光束的光程差一般為零，對光源的時間相干性要求束的光程差一般為零，對光源的時間相干性要

30、求不高，可以采用白光光源不高，可以采用白光光源n而在另一類共路干涉儀中，干涉是由一支光束相而在另一類共路干涉儀中，干涉是由一支光束相對于另一支光束錯位產生的，即參考光束和檢測對于另一支光束錯位產生的，即參考光束和檢測光束均受被測表面信息的影響，所產生的干涉圖光束均受被測表面信息的影響，所產生的干涉圖不直接反映被測表面的信息，需經過計算才能求不直接反映被測表面的信息，需經過計算才能求得得此類干涉稱為此類干涉稱為共路錯位干涉儀共路錯位干涉儀光電信息測控技術與裝備研究所光電信息測控技術與裝備研究所68斐索共路干涉儀n共路干涉儀是借助一些特殊的分共路干涉儀是借助一些特殊的分束器來實現的束器來實現的n當

31、參考平面和被測表面之間形成當參考平面和被測表面之間形成很小的空氣楔時，可以看到或檢很小的空氣楔時，可以看到或檢測到等厚條紋測到等厚條紋n若參考平面是理想的，則等厚條若參考平面是理想的，則等厚條紋的任何形狀變化就可認為是被紋的任何形狀變化就可認為是被測表面的缺陷測表面的缺陷光電信息測控技術與裝備研究所光電信息測控技術與裝備研究所69n用凹面鏡準直光束的斐用凹面鏡準直光束的斐索干涉儀索干涉儀n針孔的離焦、準直透鏡針孔的離焦、準直透鏡的像差及分光鏡的厚度的像差及分光鏡的厚度都會使出射光束的準直都會使出射光束的準直性受到影響，在設計時性受到影響，在設計時應有嚴格要求應有嚴格要求光電信息測控技術與裝備研

32、究所光電信息測控技術與裝備研究所70光電信息測控技術與裝備研究所光電信息測控技術與裝備研究所71n必須指出：只有參考面與被測面之間的必須指出：只有參考面與被測面之間的空氣間隔很小且在結構上使兩者形成一空氣間隔很小且在結構上使兩者形成一體時，才能具有共路干涉的特性，對外體時，才能具有共路干涉的特性，對外界干擾才具有界干擾才具有“脫敏脫敏”性能性能n空氣間隔小的稱為共路型斐索干涉儀空氣間隔小的稱為共路型斐索干涉儀n空氣間隔大的稱為非共路型斐索干涉儀空氣間隔大的稱為非共路型斐索干涉儀光電信息測控技術與裝備研究所光電信息測控技術與裝備研究所72n相干探測的主要方式為外差干涉探測相干探測的主要方式為外差

33、干涉探測一、光學外差檢測原理一、光學外差檢測原理n光學外差探測將包含被測信息的相干調制光波光學外差探測將包含被測信息的相干調制光波合作為基準的本機振蕩光波合作為基準的本機振蕩光波n在滿足波前匹配條件情況下在光電檢測元件上在滿足波前匹配條件情況下在光電檢測元件上進行光學混頻進行光學混頻n光電檢測元件的輸出是頻率為兩束光波光頻差光電檢測元件的輸出是頻率為兩束光波光頻差的拍頻信號的拍頻信號光電信息測控技術與裝備研究所光電信息測控技術與裝備研究所73入射光波 SSSStatUsin 0000sintatU0022SS S0S0S0S0S0S00020SS2202020220tcosa2atcosa2a

34、2t2cosa2t2cosaaa22SSeSSeSehsStUtUtUtUStUtUSI參考光波光電信息測控技術與裝備研究所光電信息測控技術與裝備研究所74t2cosaatcosaaS0S0S0S0eehsSSI光學外差信號表達式光學外差信號表達式光電信息測控技術與裝備研究所光電信息測控技術與裝備研究所75光電信息測控技術與裝備研究所光電信息測控技術與裝備研究所76n參考光為相干光的光頻率和相位的比較基準參考光為相干光的光頻率和相位的比較基準n信號光可以由本機振蕩光分束后經調制形成，信號光可以由本機振蕩光分束后經調制形成，多用于干涉測量多用于干涉測量n信號光采用獨立的相干光源保持與本機振蕩光信

35、號光采用獨立的相干光源保持與本機振蕩光波的頻率跟蹤和相位同步，波的頻率跟蹤和相位同步，多用于相干通信多用于相干通信光電信息測控技術與裝備研究所光電信息測控技術與裝備研究所77n光外差檢測的特性：光外差檢測的特性：1）探測能力強）探測能力強2）轉換增益高）轉換增益高3）信噪比高）信噪比高4）濾波性好）濾波性好5）穩(wěn)定性和可靠性高）穩(wěn)定性和可靠性高光電信息測控技術與裝備研究所光電信息測控技術與裝備研究所78二、外差檢測的調頻方法二、外差檢測的調頻方法n為實現外差檢測所必需的光頻差，工程上采用為實現外差檢測所必需的光頻差，工程上采用多種頻率調制技術多種頻率調制技術n根據光頻差獲得方式分為根據光頻差獲

36、得方式分為n參量調頻法參量調頻法n固定頻移法固定頻移法n直接調頻法直接調頻法光電信息測控技術與裝備研究所光電信息測控技術與裝備研究所79參量調頻法參量調頻法光電信息測控技術與裝備研究所光電信息測控技術與裝備研究所80固定頻移法固定頻移法光電信息測控技術與裝備研究所光電信息測控技術與裝備研究所81光電信息測控技術與裝備研究所光電信息測控技術與裝備研究所82直接調頻法直接調頻法光電信息測控技術與裝備研究所光電信息測控技術與裝備研究所83光電信息測控技術與裝備研究所光電信息測控技術與裝備研究所84n用光學多普勒效應可形成運動參量調頻用光學多普勒效應可形成運動參量調頻n多普勒效應：多普勒效應：n運動物

37、體能改變入射于其上的波動性質運動物體能改變入射于其上的波動性質n光學多普勒效應：光學多普勒效應：n若光波入射到運動物體上，由于物體的運動若光波入射到運動物體上，由于物體的運動將使入射光波頻率改變的現象將使入射光波頻率改變的現象光電信息測控技術與裝備研究所光電信息測控技術與裝備研究所85光學多普勒效應光學多普勒效應 當頻率為當頻率為f0的單色光入射到以速度的單色光入射到以速度v運動的物體上時，運動的物體上時，被物體散射的光波頻率被物體散射的光波頻率fs會產生多普勒頻移會產生多普勒頻移f 0rrsf 與散射方向有關，其表達式為與散射方向有關，其表達式為是散射接收方向和光束入射方向的單位矢量差，稱為

38、多是散射接收方向和光束入射方向的單位矢量差，稱為多普勒強度方向普勒強度方向001rrvfffss光電信息測控技術與裝備研究所光電信息測控技術與裝備研究所860rrs002rrrs當當有有vrvf220這就是邁克爾遜干涉儀用這就是邁克爾遜干涉儀用于速度測量時的情況于速度測量時的情況光電信息測控技術與裝備研究所光電信息測控技術與裝備研究所87222sinsinvf這就是多普勒測速的基本公式這就是多普勒測速的基本公式光電信息測控技術與裝備研究所光電信息測控技術與裝備研究所88n多普勒測速儀中頻率調制有多種方式：多普勒測速儀中頻率調制有多種方式：n參考光束方式參考光束方式n對稱互差方式對稱互差方式n干

39、涉條紋方式干涉條紋方式光電信息測控技術與裝備研究所光電信息測控技術與裝備研究所89參考光束方式參考光束方式光電信息測控技術與裝備研究所光電信息測控技術與裝備研究所90對稱互差方式對稱互差方式光電信息測控技術與裝備研究所光電信息測控技術與裝備研究所91干涉條紋方式干涉條紋方式光電信息測控技術與裝備研究所光電信息測控技術與裝備研究所92n利用頻移器件使參考光波相對信號光波利用頻移器件使參考光波相對信號光波形成一固定的頻率偏移形成一固定的頻率偏移 或利用雙頻光源形成有一定頻差的兩束或利用雙頻光源形成有一定頻差的兩束相干光束的頻率調制的方法相干光束的頻率調制的方法n固定頻差可通過光學或光電子器件產生固

40、定頻差可通過光學或光電子器件產生光電信息測控技術與裝備研究所光電信息測控技術與裝備研究所93（1）塞曼效應激光頻移）塞曼效應激光頻移光電信息測控技術與裝備研究所光電信息測控技術與裝備研究所94（2）聲光效應激光頻移）聲光效應激光頻移光電信息測控技術與裝備研究所光電信息測控技術與裝備研究所95（3）旋轉波片激光頻移）旋轉波片激光頻移光電信息測控技術與裝備研究所光電信息測控技術與裝備研究所96（4）旋轉光柵激光頻移）旋轉光柵激光頻移光電信息測控技術與裝備研究所光電信息測控技術與裝備研究所97激光雷達測速原理圖S入射激光束入射激光束0PD參考光參考光M1M2Q散射光散射光光電信息測控技術與裝備研究所

41、光電信息測控技術與裝備研究所98相干接收激光雷達方框圖（單穩(wěn)）相干接收激光雷達方框圖（單穩(wěn)）123456789101112131-1-激光發(fā)射機激光發(fā)射機2-2-光束整形系統(tǒng)光束整形系統(tǒng)3-3-發(fā)射發(fā)射/ /接收隔離開關接收隔離開關4-4-望遠鏡望遠鏡5-5-光學掃描系統(tǒng)光學掃描系統(tǒng)6-6-目標目標7-7-本機振蕩器本機振蕩器8-8-光學混頻器光學混頻器9-9-光學成像系統(tǒng)光學成像系統(tǒng)10-10-光敏探測器光敏探測器11-11-高通電子濾波器高通電子濾波器12-12-信號處理器信號處理器13-13-數字處理器數字處理器光電信息測控技術與裝備研究所光電信息測控技術與裝備研究所99光電信息測控技術

42、與裝備研究所光電信息測控技術與裝備研究所100零拍探測激光雷達原理框圖（單穩(wěn)）零拍探測激光雷達原理框圖（單穩(wěn)）1234567891011121314151-1-激光發(fā)射機激光發(fā)射機2-2-分束器分束器4-4-發(fā)射發(fā)射/ /接收隔離開關接收隔離開關3-3-光調制器光調制器6-6-光學掃描系統(tǒng)光學掃描系統(tǒng)7-7-目標目標8-8-半波帶片半波帶片10-10-光學混頻器光學混頻器 11-11-光學成像系統(tǒng)光學成像系統(tǒng)12-12-光敏探測器光敏探測器13-13-高通電子濾波器高通電子濾波器14-14-信號處理器信號處理器15-15-數字處理器數字處理器5-5-擴束器擴束器9-9-反射鏡反射鏡光電信息測控

43、技術與裝備研究所光電信息測控技術與裝備研究所101相干接收激光雷達方框圖（雙穩(wěn)）相干接收激光雷達方框圖（雙穩(wěn)）12345678910111213141-1-激光發(fā)射機激光發(fā)射機2-2-光束整形系統(tǒng)光束整形系統(tǒng)3-3-發(fā)射系統(tǒng)望遠鏡發(fā)射系統(tǒng)望遠鏡4-4-發(fā)射系統(tǒng)光學掃描部件發(fā)射系統(tǒng)光學掃描部件6-6-接收系統(tǒng)光學掃描部件接收系統(tǒng)光學掃描部件5-5-目標目標7-7-接收系統(tǒng)望遠鏡接收系統(tǒng)望遠鏡9-9-光學混頻器光學混頻器10-10-光學成像系統(tǒng)光學成像系統(tǒng)11-11-光敏探測器光敏探測器12-12-高通電子濾波器高通電子濾波器13-13-信號處理器信號處理器14-14-數字處理器數字處理器8-8-

44、本機振蕩激光本機振蕩激光光電信息測控技術與裝備研究所光電信息測控技術與裝備研究所102光電信息測控技術與裝備研究所光電信息測控技術與裝備研究所103零拍探測激光雷達原理框圖（雙穩(wěn)）零拍探測激光雷達原理框圖（雙穩(wěn)）12345678910111213141-1-激光發(fā)射機激光發(fā)射機2-2-分束器分束器3-3-光調制器光調制器4-4-發(fā)射系統(tǒng)光學望遠鏡發(fā)射系統(tǒng)光學望遠鏡5-5-發(fā)射系統(tǒng)掃描器發(fā)射系統(tǒng)掃描器6-6-目標目標8-8-接收系統(tǒng)光學望遠鏡接收系統(tǒng)光學望遠鏡7-7-光學混頻器光學混頻器10-10-光學成像系統(tǒng)光學成像系統(tǒng)11-11-光敏探測器光敏探測器12-12-高通電子濾波器高通電子濾波器1

45、3-13-信號處理器信號處理器14-14-數字處理器數字處理器9-9-接收系統(tǒng)掃描器接收系統(tǒng)掃描器光電信息測控技術與裝備研究所光電信息測控技術與裝備研究所104激光雷達發(fā)射系統(tǒng)的理想光束質量激光雷達發(fā)射系統(tǒng)的理想光束質量 激光雷達的性能與發(fā)射的激光光束的性質有激光雷達的性能與發(fā)射的激光光束的性質有著密切的關系著密切的關系n如：激光的發(fā)射功率、激光光束的束寬或發(fā)散角、如：激光的發(fā)射功率、激光光束的束寬或發(fā)散角、激光光束的光強分布截面形狀和相對目標的傳輸激光光束的光強分布截面形狀和相對目標的傳輸方向等。方向等。 激光雷達的系統(tǒng)設計首先遇到的就是光束形激光雷達的系統(tǒng)設計首先遇到的就是光束形狀問題。狀

46、問題。光電信息測控技術與裝備研究所光電信息測控技術與裝備研究所105利用可進行頻率調制的激光器產生隨時將變化的調利用可進行頻率調制的激光器產生隨時將變化的調頻參考光束的頻率調制方法稱為頻參考光束的頻率調制方法稱為直接光頻調制法直接光頻調制法1）半導體激光器的直接頻率調制）半導體激光器的直接頻率調制當注入電流改變時，激光器的振蕩頻率能跟隨直接當注入電流改變時，激光器的振蕩頻率能跟隨直接變化，可實現直接光頻調制變化，可實現直接光頻調制光電信息測控技術與裝備研究所光電信息測控技術與裝備研究所1062）直接調頻光干涉測量）直接調頻光干涉測量光電信息測控技術與裝備研究所光電信息測控技術與裝備研究所107

47、三、外差檢測方法三、外差檢測方法（一）零差檢測（一）零差檢測光電信息測控技術與裝備研究所光電信息測控技術與裝備研究所108光電信息測控技術與裝備研究所光電信息測控技術與裝備研究所109光電信息測控技術與裝備研究所光電信息測控技術與裝備研究所110（二）雙頻干涉（二）雙頻干涉 光外差干涉技術是為適應復雜的測量環(huán)境而發(fā)展起來光外差干涉技術是為適應復雜的測量環(huán)境而發(fā)展起來的技術的技術該技術的共同特點是在干涉儀的參考光路中引入具有一定頻該技術的共同特點是在干涉儀的參考光路中引入具有一定頻率的副載波，干涉后被測信號是通過這一副載波來傳遞的，率的副載波，干涉后被測信號是通過這一副載波來傳遞的，并被光電器件

48、接收，從而使光電器件后面的前置放大器可用并被光電器件接收，從而使光電器件后面的前置放大器可用一個交流放大器來代替常規(guī)的直流放大器，用以隔絕由于外一個交流放大器來代替常規(guī)的直流放大器，用以隔絕由于外界環(huán)境干擾所引起的直流電平漂移。界環(huán)境干擾所引起的直流電平漂移。利用這種激光外差技術設計的干涉儀稱為外差干涉儀，也利用這種激光外差技術設計的干涉儀稱為外差干涉儀，也稱為交流干涉儀稱為交流干涉儀光電信息測控技術與裝備研究所光電信息測控技術與裝備研究所111雙頻激光外差干涉儀光電信息測控技術與裝備研究所光電信息測控技術與裝備研究所112雙頻激光外差干涉儀n光源為雙頻光源為雙頻He-Ne激光器激光器n在激光

49、器的全內腔單頻激光器上加上約在激光器的全內腔單頻激光器上加上約0.3T（特（特拉斯）的軸向磁場，由于塞曼效應和頻率牽引效拉斯）的軸向磁場，由于塞曼效應和頻率牽引效應，使激光器輸出一束有兩個不同頻率的左旋和應，使激光器輸出一束有兩個不同頻率的左旋和右旋圓偏振光，頻差為右旋圓偏振光，頻差為1.5MHz光電信息測控技術與裝備研究所光電信息測控技術與裝備研究所1132fLdtdtfdtNttt222000f1和和f2頻率相差幾頻率相差幾MHzNL2光電信息測控技術與裝備研究所光電信息測控技術與裝備研究所114雙頻激光外差干涉的應用n雙頻激光干涉儀用于精密測角雙頻激光干涉儀用于精密測角RfdtsinRs

50、int2011光電信息測控技術與裝備研究所光電信息測控技術與裝備研究所115雙頻激光外差干涉的應用n雙頻激光干涉儀用于直線度測量雙頻激光干涉儀用于直線度測量nf1的光程差較原來減小了的光程差較原來減小了2AC，而，而f2的光程差卻增加了的光程差卻增加了2BD；n二者總差值等于二者總差值等于2（AC+BD）24220sinfdtsinBDACABt光電信息測控技術與裝備研究所光電信息測控技術與裝備研究所116（三）直接光頻率調制的外差檢測（三）直接光頻率調制的外差檢測光電信息測控技術與裝備研究所光電信息測控技術與裝備研究所117光電信息測控技術與裝備研究所光電信息測控技術與裝備研究所118陀陀 螺螺 儀儀機械陀螺儀（機械陀螺儀（MG）其缺點：其缺點：1）到所需轉速的啟動時間長（約）到所需轉速的啟動時間長（約10秒）秒）2）性能與質量高精度平衡旋轉的壽命有）性能與質量高精度平衡旋轉的壽命有關關3）結構體積大和耗能大）結構體積大和耗能大光電信息測控技術與裝備研究所光電信息測控技術與裝備研究所119新型陀螺儀分類新型陀螺儀分類新型陀螺儀新型陀螺儀RLG環(huán)形激光環(huán)形激光陀螺儀陀螺