光学测试技术第4章光学干涉测量技术

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1、光学测试技术2021年7月11日第四章光学干涉测量技术干涉技术和干涉仪在光学测量中占有重要地位。近年来，随着数字图像处理技术的不断发展，使干涉测量这种以光波长作为测量尺度和测量基准的技术得到更为广泛的应用。在光学材料特性参数测试方面，用干涉法测量材料折射率精度可达10-6；对材料光学均匀性的测量精度则可达10-7；用干涉法可测量光学元件特征参数，用球面干涉仪测量球面曲率半径精度达1μm，测量球面面形精度为1/100λ；用干涉法测量平面面形精度为1/1000λ；用干涉法测量角度时测量精度可达0.05″以上；在光学薄膜厚度测试方面，用干涉

2、法测厚的精度可达0.1nm；在光学系统成像质量检验方面，利用干涉法可测定光学系统的波像差，精度可达1/20λ，并可利用干涉图的数字化及后续处理解算出成像系统的点扩散函数、中心点亮度、光学传递函数以及各种单色像差。2武汉大学电子信息学院3武汉大学电子信息学院--在光学检验方面，干涉测量法是一种通用性很好的测量方法，适用于对材料、元件、系统等各种参量的检测；--干涉测量法在各种参数的测量中，均具有很高的测试灵敏度和准确度，是一种高精度的测量方法。实现干涉测量的仪器叫干涉仪。干涉仪有几种不同的分类方式：按光波分光方式的不同，可分为分振幅型和

3、分波阵面型；按相干光束的传播途径，可分为共程干涉和非共程干涉；按用途不同分为静态干涉和动态干涉。其中静态测量通过测量被测波面与标准波面之间产生的干涉条纹分布及其变形量求得试样表面微观几何形状或波像差分布；动态测量通过测量干涉场上指定点的干涉条纹的移动或光程变化来求得试样的位移等。§4.1干涉测量基础4武汉大学电子信息学院一、干涉测量基本原理1、干涉原理及干涉条件干涉测量基于光波相干叠加，因此必须满足三个条件：频率相同；振动方向相同；位相差恒定。2、影响干涉条纹对比度的因素干涉测量对条纹对比度有较高的要求。通常情况下，要求K≥0.75。

4、那么干涉条纹对比度究竟与哪些因素有关呢？(1)两相干光波的相对光强可以发现：I1=I2时，K取得极大值。K=1；I1、I2相差的越大，K就越小。一般干涉仪采用分振幅的方法得到两相干光波，所以条纹对比度主要取决于分束器的分束比及性能。武汉大学电子信息学院5武汉大学电子信息学院6若两支相干光的光强关系为：则：若测试光路中混入有杂散光，其强度均为：会导致干涉图像对比度进一步下降见p79图4-4§3.1干涉测量基础8武汉大学电子信息学院(2)光源大小的影响及其空间相干性干涉条纹的照度很大程度上取决于光源的尺寸。而光源的尺寸大小又会影响到各种干

5、涉条纹的干涉图样对比度。平行平板的等倾干涉：对比度与光源大小无关杨氏干涉：只有利用狭缝限制光源尺寸，才能获得干涉条纹楔形板形成的等厚干涉：介于上述两种情况之间。§4.1干涉测量基础9武汉大学电子信息学院如图，光源为被均匀照明的直径为r的光阑孔。光阑孔上不同点S经准直镜后变成与光轴具有不同夹角θ的平行光束。设准直镜焦距为f’，小孔光阑的中心点为S0，则：不同θ角的平行光束经干涉仪后被分成两束相干光，到达干涉场中同一点的光程差各不相同，因此各自形成的干涉条纹彼此错位。§4.1干涉测量基础10武汉大学电子信息学院所有干涉条纹进行强度叠加，形

6、成视场中见到的干涉条纹。条纹度比度直接取决于光阑大小。如图所示。设光阑半径为rm0，应用物理光学知识可以证明：式中h是虚拟空气楔厚度。可见，为保证干涉仪的空间相干性，采用长焦准直镜，采用尽可能相等的两臂长，减小空气楔厚度是必要的。K≥90%§4.1干涉测量基础11武汉大学电子信息学院(3)光源非单色性影响与时间相干性能够发生干涉现象的最大光程差与光源的谱线宽度成反比。若干涉测量中用到的光源本身有一定的谱线宽度，对应波长为和λ-Δλ/2两组干涉条纹的强度分布，其他波长的光对应的干涉条纹强度分布介于两根曲线之间。干涉场中最终形成的干涉条纹

7、是这些干涉条纹叠加的结果。可见，在零级时，各波长的干涉极大重合，之后慢慢错开；干涉级次越高，错开的距离越大，合强度峰值逐渐变小，对比度逐渐下降。对线宽为Δλ的光源，其最大波列长度为：表4-1（p77）给出了常用光源的相干长度的理论值。实际的相干长度往往会小于相干长度的理论值。合成光强-(/2)+(/2)123456012345x0I7§4.1干涉测量基础13武汉大学电子信息学院(4)杂散光对对比度的影响分束器，以及干涉仪系统中的其他光学器件在把入射光分束及折转、成像过程中，会引入杂散光。杂散光会影响条纹对比度，导致对比度的

8、下降。例：分束镜表面的剩余反射改善措施：分束器表面正确镀制增透膜或析光膜在光源处设置消除杂散光的小孔光阑除此之外，两支相干光束的偏振态不一致也会影响干涉条纹的对比度。§4.1干涉测量基础14武汉大学电子信息学院二、干涉条