干涉仪及其在光学检测中的应用

科技信息 0机械与电子0 SCIENCE INFORMATION 2007年 第 1期 干涉仪及其在光学检测中的应用 张宏亮 ’ 王 勤 (1．郑州航空工业管理学院 河南 郑州 450015；2．苏州大学物理科学与技术学院 江苏 苏州 215006) 摘要：干涉法是高精度检测的一种重要方法，它能提供精确的全视场表面的轮廓测试结果，因此成为光学高精度检测的主要方法。本文介 绍干涉仪的原理及几种典型的干涉仪。重点介绍了目前广泛使用的美国ZYGO干涉仪，并给出了相应的装置原理图。最后介绍了干涉仪在光 学检测中的应用。 关键词：干涉仪；高精度；轮廓：光学检测 1．引言 干涉法是高精度检测的一种重要方法，它能提供精确的全视场表 面的轮廓测试结果，因此成为光学元件高精度检测的主要方法之一。 2．干涉仪 的原理 干涉仪的原理是基于光波的干涉理论。在两个(或多个)光波叠加 的区域，某些点的振动始终加强。另一些点的振动始终减弱，形成在该 区域内稳定的光强强弱分布的现象称为光的干涉现象。 把一束光分成两束(或多束)，使这些光束经过不同的路程后再次 会合而产生干涉图样(干涉条纹)。干涉图样中条纹的形状、位置、间距 以及条纹的对比度，取决于光束在各点的光程差以及光波的光谱分布 和光源的大小。因此，利用适当的装置产生一定的干涉图样 。观察其中 条纹的形状、位置和间距及其变化，就可以得出光程差，或者测出光谱 线的精细结构或光源的大小。在光的干涉的应用中，多数情形就是根 据这样的原理进行各种各样的测量。例如，当利用干涉装置测出光程 差时，因为光程是几何路程和媒质折射率的乘积。所以由此可以定出 几何路程之差，或者可以定出媒质折射率之差。而且，用光干涉方法测 出的光程差的值总是光的波长的某一倍数．或者说总是以光的波长为 单位表示的。这说明了用光干涉方法进行测量的精密程度及利用光干 涉方法也可以测定光的波长。这种利用光的干涉测定长度、折射率、波 长的方法，不断被巧妙地应用于各种特殊的量测上，并且为各种测量 目的设计了多种准确而方便的干涉仪。 3．几种典型的干涉仪 根据从单个光束得到几个光束的方法，对干涉的类型进行分类， 大致可分为两种方式，即波阵面分割(例如双光干涉)以及振幅分割(例 如薄膜干涉)。 3．1波阵面分割及点衍射干涉仪 波阵面分割是让光束通过并排放置的几个小孔，它只适用于光源 足够小的情况，像杨氏双缝干涉装置、菲涅耳双面镜及用于测量光程 差的瑞利干涉仪、用于测量光源角幅度的迈克耳逊测星干涉仪等，都 是利用波阵面分割的原理实现的。对于该部分的内容，大多数的教科 书以给出详细的介绍 ，在此仅重点介绍一下目前应用广泛用于测量面 形的采用双光束干涉的点衍射干涉仪 点衍射干涉仪的基本结构如图 l所示，该干涉仪不仅用到了干涉 理论，其中也利用了Hugense原理：利用有很小的单点光源发出的光 作为标准波面 利用点衍射干涉仪测量透镜的基本过程如下：从光源发出的标准 波面经被检透镜聚焦并得到一个包含有待测镜误差信息的有像差的 点光源像，在此像面处放置一个吸收膜片。这个膜片上有一个针孔或 不透明的小圆盘，使光线衍射而得到一个参考球面波。有像差的波面 通过膜片后，与经过小孔衍射得到的标准参考球面波发生干涉，形成 干涉条纹，经 CCD探测器接收并进行数据处理后 ，即可得到待测透镜 的误差分布情况 图 1 点衍射千涉仪的基本原理 3．2振幅分割及zYGO干涉仪 采用一个或多个部分反射的表面，在各表面上，一部分光被反射， 一 部分光透射，这种方法称为振幅分割。它可用于扩展光源情况，因而 效应的强度可比波阵面分割的大。 利用振幅分割原理工作的干涉仪器类型主要有牛顿干涉仪、海丁 格干涉仪、非共光路的泰曼一格林干涉仪、以及共光路的斐索干涉仪以 及剪切干涉仪等。 下面以实际工作中用到的目前应用最广泛的美国ZYGO干涉仪 为例，简单介绍其工作原理及在实际工作中的应用。 ZYGO干涉仪属于共光路的斐索干涉仪一类，采用该种结构减小 了系统中除标准面以外的光学元件误差对测量结果的影响，降低了对 这些元件质量的要求，其精度可以比标准面的精度低一个数量级。基 本结构如图2所示： 图2 干涉仪基本结构 主要包括光源(He—Ne激光，632．8nm)、会聚透镜、星点孔、半透半 反射分光器件、透镜固定组、标准镜以及CCD接受器等 图中的补偿器是在测非球面镜时用到的，一般入射到补偿器中的 光为标准平面或球面波，而出射的为与待测镜的理想面相关的非球面 波；对于平面镜的测量，则不需要补偿器，直接利用干涉标准平面镜头 出射的平面波；而对于球面镜的测量，一般不采用补偿器，而直接利用 由标准球面镜产生的理想波面对工件表面进行测量。 对组件的基本要求： (1)光源的单色性要好： (2)星点孔：加入星点孔的目的是滤波。把来 自激光器的经会聚透 镜后次极大的光滤掉。对孔的基本要求是孔一定要圆，若孔不圆．则视 野不均匀；孔不能太大，其直径要小于艾里斑直径的一半。若孔太大． 则在被检的反射面上存在一定的平移，产生光程差，并在干涉图上会 存在光强的代数叠加，导致干涉条纹不清晰。为此，往往在星点孔之前 放置一高速旋转的毛玻璃，毛玻璃将杂的光均匀化 ，使其成为均匀的 新光源。 (3)分光器件：要求其透过率及反射率均为0．5。 (4)标准镜：决定着出射波面的质量，其精度要高，一般要求 PV= l，210 ． ． ZYGO干涉仪用一个经过很好校正的物镜准直从星点孔发出的 光，在准直物镜(固定透镜组)和星点孔之间放置一半透半反射分光 镜，以便从侧面利用 CCD接受干涉条纹。基准平面是调整好以后固定 的，因此针孔的反射像可以自动准直，调节被检面，直到它反射的像与 针孔重合位置。其测量过程为：由He—Ne激光器发出的激光束经发散 与会聚光透镜聚焦成一点光源后通过立方半镀膜分光棱镜透射到固 定物镜组及标准镜成为一与被检镜理论形状重合的波，经被检面反射 后的光波与从标准平面直接反射回来的波在 CCD接收器处发生干 涉，产生干涉条纹。根据干涉条纹即可判定被检镜的质量。 4．干涉仪的应用 I下转第 114页) 维普资讯 http://www.cqvip.com 。建筑与工程o (1)按刚性桩复合地基进行设计 按《建筑地基处理技术规范)(JGJ79—2002)计算单桩竖向承载力 特征值，取桩径--400ram，桩入土深度26．0m,有效桩长23．0m，桩端进入 第(10)层粉细砂 1．0m，按 (1)式计算代入有关设计参数，计算 Ra= 975kN。桩身竖向抗压强度计算。采用 C80混凝土。工作条件系数取 0．75，按(6)式计算桩身竖向抗压强度为 2358kN，大于桩竖向承载力特 征值。取Ra=975kN。 按上述(4)式确定面积置换率，取 13--o．75，f,--90kPa，f~=200kPa,计 算 m=1．72％，共需布桩 166根，桩承担 66．9％的荷载，桩间土承担 33．1％的荷载。 (2)按桩基 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 进行设计 按《建筑地基基础设计规范)(GBS007—2002)，计算单桩竖向承载 力特征值，采用桩型、桩径、桩长同上，按(5)式计算 Ra=975kN，基底下 需布桩数 249根。 从上述计算不知 ，按刚性桩复合地基方案需布桩数 166根，按桩 基需布桩数249根，桩基与剐性桩复合地基布桩数之比1．5，刚性桩复 合地基少布桩 83根，可节省50％。该工程实际采用刚性复合地基方 案，工程沉降量很小，满足设计要求。 6．结论 (1)工程实例表明，按刚性桩复合地基设计与按桩基设计，用相同 桩型时，可节省 50％ 桩，处理后的地基强度和基础沉降均满足设计和 规范要求。 (2)剐性桩复合地基中，设计桩承担 66．9％的荷载，桩间土承担 33．1％的荷载。说明按刚性桩复合地基设计能充分发挥桩间土的作用， 而桩基则很少考虑利用桩间土的承载能力。 (3)设计地基基础方案时，要依据沉降控制理论，充分挖掘和发挥 桩间土的作用，降低工程造价。e 参考文献 [1]JGJ79—2002，建筑地基处理技术规范【s]． [2]GB50007—2002，建筑地基基础设计规范【s]． [3]贾尚星等，郑州通达纵横小区岩土工程勘察报告【R]郑州岩土工程 勘察设计院．2005． (上接第79页)利用光的干涉实现测量，具有非接触、无损检测的 特点，已经在各个不同领域得到广泛的应用，如：利用电子散斑干涉技 术实现物体表面微小形变的非接触式测量 、利用干涉合成孔径雷达实 现对地表变形进行测量；利用相干梯度敏感(CGs】干涉测量技术对静 态断裂现象的；利用非共面多光束干涉可以在空间形成二维或三维周 期性强度分布，从而被用来制作二维或三维光子晶体；利用全息干涉 技术可用于位移及形变测量、应变与应力分析、缺蹈或损伤探测、振动 模式可视化及测量 、晶体和蛋白质生长过程监测、流体中密度场和热 对流场的观察与测量、以及光学材料与器件的参数测量等。 4．1利用斐索干涉仪检验球面光学元件 若被测元件为一球面反射镜。在检测时不需要补偿器．只需调整 干涉仪使会聚透镜的焦点和球面反射镜的球心重合。如果 射镜是完 好的，当准直光经过会聚透镜到达反射镜时。光波与被测反射镜面相 吻合，这样光线原路返回，在经过会聚透镜后，又是一完善准直光。当 它与参考准直光干涉时，就得到无条纹或等间距直条纹的理想干涉 图。 4．2利用横向剪切干涉仪测量非球面光学元件 横向剪切干涉仪是通过把被检相干波面分为两完全相同的相干 波面，并使这两个波面之间相对产生一小量的横向错位来实现干涉测 量的。由于剪切干涉仪的参考光和比被测光同路 ．其对检验环境的要 求特别是对振动、气流的要求低 ，所以是常用的检验方法之一。剪切干 涉仪的缺点就是条纹判读不直观、相对困难、灵敏度不高。 4．3利用干涉仪测量非球面或非球面顶点曲率半径 用干涉仪测非球面顶点曲率半径的测量原理与测球面曲率半径 原理是一致的，即都是利用自准直法 ，沿轴向移动被测工件．当被测工 件的曲率中心与顶点分别与从干涉仪出射的标准球面波的曲率中心 重合时(从干涉仪的)，测定顶点(极小范围内，可看做球面)出曲率中 心到顶点的距离。但要使参考光波与测试光波相干．并得到所需的干 涉条纹，需要通过轴向移动和横向倾斜被测非球面．精确调整出射波 面经被测非球面后能原路返回，从干涉条纹的形状来判断。则此时非 球面所 在的位 置lip 为，并 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 ；然后轴向 参考衰 ／面 梦铡样品 蓁 li 蓁 阅P 到干涉条纹在视场的 F-—— ．^『 ——．_I 中心很小的区域内出 l I． J、．＼ l l J l 现直条纹，此时位置 I’ l I ———_l 为记录，则两次位 一⋯ 一 u⋯ ． L_J 置之差lip为非球面顶 一 一 一 点 曲率 半径值 的大 小。 4A利用干涉仪 测量光学玻璃的均匀 性 光学均匀性是光 学玻璃的重要质量指 l14 步骤兰 步骤四 圈3 光学均匀性的测量过程 标之一。目前国内光学玻璃光学均匀性测量方法主要是鉴别率法 、星 点法和刀口阴影法。也有用刀口干涉仪的。 测量过程如图3所示。假设样品的折射率为no，样品的厚度为t， 样品的折射率不均匀性An ，，第一步样品前表面反射光波与参考光 波干涉检测得到波相差为 MI(I ，第二步样品后表面反射光波与参考 光波干涉检测得到波相差 M：【I．，，，第三步样品在参考面和系统后反射 面之间时，系统后表面反射光波与参考光波干涉检测得到波相差 M _T】，第四步取出样品后，系统后表面反射光波与参考光波干涉检测 得到波相差 M ，．则可得： ^ 一 (Il0一1)[Ml(I|，广M2(I’，)]+Il0[M ，r厂M I’，)] ““ 一 — — — — — — — — — — — — 一 ’ 可以看出，在上面的计算式中，不仅不包含样品的面形误差，也不 包含系统和系统后反射镜的面形误差。因此是对样品光学均匀性的绝 对测量，降低了对样品、系统和系统后反射镜的质量要求，检测精度很 高。 利用 ZYGO干涉仪测量。基本组成如图4所示。 圈 4 对光学均匀性测量原理圈 不同类型的干涉仪可以对不同的量进行测量，如用于测量固体的 线膨胀系数的干涉膨胀计、用于检查表面光洁度的显微干涉仪、用于 测量长度绝对值的干涉比长仪、用于测量气体与液体折射率测定的瑞 利干涉仪以及研究气体中不稳定流动现象的马赫一泽德干涉仪等等。 5． 总结 初级经济法重点总结下载党员个人总结TXt高中句型全总结.doc高中句型全总结.doc理论力学知识点总结pdf 干涉法已经成为光学高精度检测的主要方法，基于此原理的干涉 仪在光学检测中有着很好的应用前景，值得我们去不断探索总结。● 参考文献 [1]董文勇，用偏振移相共路剪切干涉仪测量光学非球面，北京：北京 工商大学学报(自然科学版)，2003-03． [2]杨勇，用球面共焦Fabry—Perot干涉仪测量微振动。天津：天津大学 学报(自然科学与工程技术版)，2001—5． 作者筒介：张宏亮，男，1978．5，学士，河南信阳，从事电子信息技 术教学与研究工作。 王勤，女，1979．7，在读博士，河南驻马店，从事光学技术研究。 维普资讯 http://www.cqvip.com