光电测试技术实验实验1精密位移量的激光干涉测量一。实验目的1.了解泰曼一一格林干涉测量的原理：2.掌握微米及亚微米量级位移量的激光干涉测量方法；3.了解激光干涉测量方法的优点和应用场合。二实验仪器设备CSYGLJT1激光多功能光电测量综合试验仪。三、实验要求1.预习教材中的相关内容。2.阅读并熟悉本次实验的内容。3.设计并正确连接电路。4.测量并记录实验数据。5.实验结束将仪器归位。四．实验任务本实验采用泰曼一格林（Twyman-Green）干涉系统，T一G干涉系统是著名的迈克尔逊白光于涉仪的简化。用激光为光源，可获得清晰、明亮的于涉条纹，其原理如图1-1所示。十Mi（参考镜）★4BSLiHe-Ne激光器EM（测量镜）A+AL扩束准直系统干涉条纹JD2图1-1T-G干涉系统激光通过扩束准直系统L1提供入射的平面波（平行光束）。当设光轴方向为Z轴，则此平面波可用下式表示：1
1 光电测试技术实验 实验 1 精密位移量的激光干涉测量 一．实验目的 1. 了解泰曼——格林干涉测量的原理； 2. 掌握微米及亚微米量级位移量的激光干涉测量方法； 3.了解激光干涉测量方法的优点和应用场合。 二. 实验仪器设备 CSYGLJT1 激光多功能光电测量综合试验仪。 三. 实验要求 1. 预习教材中的相关内容。 2. 阅读并熟悉本次实验的内容。 3. 设计并正确连接电路。 4. 测量并记录实验数据。 5. 实验结束将仪器归位。 四. 实验任务 本实验采用泰曼－格林（Twyman-Green）干涉系统，T－G 干涉系统是著名的迈克尔逊 白光干涉仪的简化。用激光为光源，可获得清晰、明亮的干涉条纹，其原理如图 1-1 所示。 激光通过扩束准直系统 L1 提供入射的平面波（平行光束）。当设光轴方向为 Z 轴， 则此平面波可用下式表示： 图 1-1 T－G 干涉系统
U(Z)= Ae'k:(1-1)2元k=.入为波数，入为激光波长。式中A为平面波的振幅，此平面波经半反射镜BS分为二束，一束经参考镜M1，反射后成为参考光束，其复振幅UR用下式表示UR=ARe(=n)(1-2)ΦR（=R）为参考光束的位相，它由参考光程ZR决定。式中AR为参考光束的振幅，9另一束为透射光，经测量镜M2反射，其复振幅Ut，用下式表示：U,= A,eio(s)(1-3)(=）为测量光束的位相，它由测量光程Zt决定。式中，At为测量光束的振幅，9此二束光在BS相遇，由于激光的相干性，因而产生干涉条纹。干涉条纹的光强I(x，y)由下式决定I(x,y)=U-U*(1-4)式中U=U+U,U"=U"+U',而U,U",U"为U,UR,U.的共轭波。当反射镜M1与M2彼此间有一交角20，并将式（15-2)，式15-3)代入式（15-4)，且当0较小，即sino=0时，经简化可求得干涉条纹的光强为：I(x, y)= 21.(1+cos kl20)(1-5)式中，I0为激光光强，1光程差，1==R-27。式(1-5)说明干涉条纹由光程差1及来调制。当为一常数时，干涉条纹的光强如图1-2所示。当测量在空气中进行，且干涉臂光程不大，即略去大气的影响，则I=N.22(1-6)式中N为干涉条纹数。因此，记录干涉条纹移动数，已知激光2/2AI(x,y)波长，由式（15-6)即可测量反射镜的位移量，或反射镜的轴向变动量△L。干涉条纹的计数，从图1中知道，定位在BS面上或无穷远上的干涉条纹由成像物镜L2将条纹0成在探测器上，实现计数。测量灵敏为：当图1-2干涉条纹光强分布2
2 ( ) ikz U Z Ae = （1-1） 式中 A 为平面波的振幅， 2 k π λ = 为波数，λ 为激光波长。 此平面波经半反射镜 BS 分为二束，一束经参考镜 M1，反射后成为参考光束，其复振幅 UR 用下式表示 ( ) R Rz U Ae R R φ = （1-2） 式中 AR 为参考光束的振幅， ( ) R R φ z 为参考光束的位相，它由参考光程 ZR 决定。 另一束为透射光，经测量镜 M2 反射，其复振幅 Ut，用下式表示： ( ) t t i z U Ae t t φ = （1-3） 式中，At 为测量光束的振幅， ( ) t t φ z 为测量光束的位相，它由测量光程 Zt 决定。 此二束光在 BS 相遇，由于激光的相干性，因而产生干涉条纹。干涉条纹的光强 I(x,y) 由下式决定 * Ixy UU (, ) = ⋅ （1-4） 式中UU U = + R t ， ** * UU U = + R t ，而 * U ， * U R ， * U t 为U ，UR ，Ut 的共轭波。 当反射镜 M1 与 M2 彼此间有一交角 2θ，并将式(15-2)，式(15-3)代入式(15-4)，且当 θ 较小，即 sinθ≅θ 时，经简化可求得干涉条纹的光强为： 0 I x y I kl ( , ) 2 (1 cos 2 ) = + θ （1-5） 式中，I0 为激光光强，l 光程差， R t lz z = − 。 式(1-5)说明干涉条纹由光程差l 及θ来调制。当θ为一常数时，干涉条纹的光强如图 1-2 所示。当测量在空气中进行，且干涉臂光程不大，即略去大气的影响，则 2 l N λ = ⋅ （1-6） 式中 N 为干涉条纹数。 因此，记录干涉条纹移动数，已知激光 波长，由式(15-6)即可测量反射镜的位移 量，或反射镜的轴向变动量ΔL。干涉条纹 的计数，从图 1 中知道，定位在 BS 面上或 无穷远上的干涉条纹由成像物镜 L2 将条纹 成在探测器上，实现计数。测量灵敏为：当 图 1-2 干涉条纹光强分布
1N/ =2,=0.63μm,则/=0.3μmN=1，则=0.03um如果细分N，一般以1/10细分为例，则干涉测量的最高灵敏度为实验光路如图1-3所示，激光器1发出的激光经衰减器2（用于调节激光强度）后，经1D国送+算1317机n图1-3实验光路反射镜4，5进入扩束准直物镜6，8（即图1-1中的L1），由分光镜11（即图1-1中BS）分成二束光，分别由反射镜13（即图15-1中的M1），15（M2）反射形成干涉条纹并经成像物镜17（即图1-1中L2）将条纹成于CCD22上（即D），这样在计算机屏上就可看到干涉条纹，实现微位移的测量。实验步骤如下：1、公共部分：（1）开机，激光器1迅速起辉，待光强稳定。（2）检查CCD22上电信号灯亮否。（3）调整光路时若移开反射镜3，10，扩束激光：移入反射镜3，反射镜10，不扩束激光；2、本实验步骤(1）扩束（2）在组合工作台13，15上分别装平面反射镜，调节工作台13，15上调平调向测微器，使二路反射光较好重合（在成像物镜17后焦面上，两反射光会聚的焦斑重合）（3）打开计算机，然后微调工作台上测微器，在显示屏上看见干涉条纹（4）调整CCD在轨道上的位置，使干涉条纹清晰，锁定22，再调节可调光阑19孔径3
3 N＝1，则 2 l λ ∆ = , λ µ = 0.63 m,则∆ =l m 0.3µ 如果细分 N，一般以 1/10 细分为例，则干涉测量的最高灵敏度为 ∆ =l m 0.03µ 。 实验光路如图 1-3 所示，激光器 1 发出的激光经衰减器 2（用于调节激光强度）后，经 反射镜 4，5 进入扩束准直物镜 6，8（即图 1-1 中的 L1），由分光镜 11（即图 1-1 中 BS）分 成二束光，分别由反射镜 13（即图 15-1 中的 M1），15（M2）反射形成干涉条纹并经成像物 镜 17（即图 1-1 中 L2）将条纹成于 CCD 22 上（即 D），这样在计算机屏上就可看到干涉条 纹，实现微位移的测量。 实验步骤如下： 1、公共部分： （1）开机，激光器 1 迅速起辉，待光强稳定。 （2）检查 CCD22 上电信号灯亮否。 （3）调整光路时若移开反射镜 3，10，扩束激光； 移入反射镜 3，反射镜 10，不扩束激光； 2、本实验步骤 （1）扩束 （2）在组合工作台 13，15 上分别装平面反射镜，调节工作台 13，15 上调平调向测微 器，使二路反射光较好重合（在成像物镜 17 后焦面上，两反射光会聚的焦斑重合） （3）打开计算机，然后微调工作台上测微器，在显示屏上看见干涉条纹 （4）调整 CCD 在轨道上的位置，使干涉条纹清晰，锁定 22，再调节可调光阑 19 孔径 图 1-3 实验光路
位置，N.N2 测量位移量序号备注驱动位移量（L）条纹数（N)(L)1234其中几=632.8nm五。实验报告1.记录数据并进行数据处理。实验2面形的三维干涉测量及评价一，实验目的1.了解表面三维形貌的高精度实时测量原理；2.实测一个平面光学零件的表面形貌3.对评价指标PV，RMS的定义有所掌握。二实验仪器设备CSYGLJT1激光多功能光电测量综合试验仪。三，实验要求1．预习教材中的相关内容。2.阅读并熟悉本次实验的内容。3设计并正确连接电路。4.测量并记录实验数据。5.实验结束将仪器归位。四。实验任务随着电子技术与计算机技术的发展，并与传统的干涉检测方法结合，产生了一种新的位相检测技术一一数字干涉技术，这是一种位相的实时检测技术。这种方法不仅能实现干涉条4
4 位置， 序号 驱动位移量（L） 条纹数（N） 2 N N ⋅ 测量位移量 （L） 备注 1 2 3 4 其中λ = 632.8nm 五. 实验报告 1．记录数据并进行数据处理。 实验 2 面形的三维干涉测量及评价 一．实验目的 1. 了解表面三维形貌的高精度实时测量原理； 2. 实测一个平面光学零件的表面形貌； 3.对评价指标 PV，RMS 的定义有所掌握。 二. 实验仪器设备 CSYGLJT1 激光多功能光电测量综合试验仪。 三. 实验要求 1. 预习教材中的相关内容。 2. 阅读并熟悉本次实验的内容。 3. 设计并正确连接电路。 4. 测量并记录实验数据。 5. 实验结束将仪器归位。 四. 实验任务 随着电子技术与计算机技术的发展，并与传统的干涉检测方法结合，产生了一种新的位 相检测技术——数字干涉技术，这是一种位相的实时检测技术。这种方法不仅能实现干涉条
纹的实时提取，而且可以利用波面数据的存储功能消除干涉仪系统误差，消除或降低大气扰动及随机噪声，使干涉技术实现入/100的精度，这是目前干涉仪精度最高的近代方法。其原理如图2-1所示。光源个驱动器计算机软件L1，准直物镜；L2，成像物镜；1，被测件；2，参考镜3，压电器件（PZT）：4，成像光电器件（CMOS）图2-1数字干涉系统图中的实验系统仍采用T-G干涉仪，但参考镜2由压电陶瓷PZT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1i，被测表面的形貌（面形）为w(x,y)，则参考光路和测试光路可分别用下式表示：UR=a·exp[i2k(s+li)](2-1)U, = b·exp(i2k[s+w(x,y)])(2-2)式中a,b为光振幅常数。参考光与测试光相干产生干涉条纹，其瞬时光强由式(2-1)与式(2-2)，可得：I(x,y,li)=1+rcos2k[w(x,y)-li](23)r=2ab/(α2+b）是干涉条纹的对比度。式（16-3)说明，干涉场中任意一点的光强都是1i的余弦函数。由于1i随时间变化，因此式（16-3)的光强是一个时间周期函数，可用傅里叶级数展开。设r=1，则I(x,y,li)=a+a,cos2kli+b,sin2kli(2-4)式中%=α* +b", 4 =2abcos 2hon(x,), b=2absin2h(x,)。由三角函数的正交性，可求出Fourier级数的各个系数，即5
5 纹的实时提取，而且可以利用波面数据的存储功能消除干涉仪系统误差，消除或降低大气扰 动及随机噪声，使干涉技术实现λ/100 的精度，这是目前干涉仪精度最高的近代方法。其 原理如图 2-1 所示。 图中的实验系统仍采用 T-G 干涉仪，但参考镜 2 由压电陶瓷 PZT 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 li，被测表面的形貌（面形） 为 w(x,y)，则参考光路和测试光路可分别用下式表示： exp[ 2 ( )] U a i k s li R =⋅ + (2-1) exp{ 2 [ ( , )]} U b i ks wxy t =⋅ + (2-2) 式中 a,b 为光振幅常数。 参考光与测试光相干产生干涉条纹，其瞬时光强由式(2-1)与式(2-2)，可得： I x y li r k w x y li ( , , ) 1 cos 2 [ ( , ) ] = + − (2-3) 2 2 r ab a b = + 2( ) 是干涉条纹的对比度。 式(16-3)说明，干涉场中任意一点的光强都是 li 的余弦函数。由于 li 随时间变化， 因此式(16-3)的光强是一个时间周期函数，可用傅里叶级数展开。设 r=1，则 0 1 1 I x y li a a kli b kli ( , , ) cos 2 sin 2 =+ + (2-4) 式中 2 2 0 aab = + ， 1 a ab kw x y = 2 cos 2 ( , ) ， 1 b ab lw x y = 2 sin 2 ( , ) 。 由三角函数的正交性，可求出 Fourier 级数的各个系数，即 L1，准直物镜；L2，成像物镜；1，被测件；2，参考镜； 3，压电器件（PZT）；4，成像光电器件（CMOS） 图 2-1 数字干涉系统