光学干涉测量技术
——干涉原理及双频激光干涉
1、干涉测量技术
干涉测量技术和干涉仪在光学测量中占有重要地位。干涉测量技术是以光波干涉原理为基础进行测量的一门技术。相干光波在干涉场中产生亮、暗交替的干涉条纹，通过分析处理干涉条纹获取被测量的有关信息。
当两束光亮度满足频率相同，振动方向相同以及相位差恒定的条件，两束光就会产生干涉现象，在干涉场中任一点的合成光强为：
122I I I πλ=++
式中△是两束光到达某点的光程差。明暗干涉条纹出现的条件如下。 相长干涉（明）：
min 12I I I I ==+ （
m λ=）
相消干涉（暗）：
min 12I I I I ==+-， （12m λ?
?=+ ???
） 当把被测量引入干涉仪的一支光路中，干涉仪的光程差则发生变化。通过测量干涉条纹的变化量，即可以获得与介质折射率和几何路程有关的各种物理量和几何量。
按光波分光的方法，干涉仪有分振幅式和分波阵面式两类。按相干光束传播路径，干涉仪可分为共程干涉和非共程干涉两种。按用途又可将干涉仪分为两类，一类是通过测量被测面与参考标准波面产生的干涉条纹分布及其变形量，进而求得试样表面微观几何形状、场密度分布和光学系统波像差等，即所谓静态干涉；另一类是通过测量干涉场上指定点干涉条纹的移动或光程差的变化量，进而求得试样的尺寸大小、位移量等，即所谓动态干涉。 下图是通过分波面法和分振幅法获得相干光的途径示意图。光学测量常用的是分振幅式等厚测量技术。
图一 普通光源获得相干光的途径
与一般光学成像测量技术相比，干涉测量具有大量程、高灵敏度、高精度等特点。干涉测量应用范围十分广泛，可用于位移、长度、角度、面形、介质折射率的变化及振动等方面的测量。在测量技术中，常用的干涉仪有迈克尔逊干涉仪（图二）、马赫-泽德干涉仪、菲索
干涉仪、泰曼-格林干涉仪等；随着激光技术的出现及其在干涉测量领域中应用，使干涉测量技术在量程、分辨率、抗干涉能力、测量精度等方面有了显著的进步。70年代以后，抗环境干扰的外差干涉仪(交流干涉仪)发展迅速，如双频激光干涉仪等；近年来，光纤干涉仪的出现使干涉仪结构更加简单、紧凑，干涉仪性能也更加稳定。从光学零件的质量控制到光学系统的象质评价，从经典的光学技术到自适应光学工程，现代干涉测量技术的应用领域不断扩展。另一方面，现代数字图像处理技术、传感器技术和计算机技术使干涉图像判读技术实现了计算机实时自动判读，大大提高了干涉测量的精度和灵敏度。
图二迈克尔逊干涉仪原理图
下面我们主要介绍干涉测量原理的实际应用——双频激光干涉仪，并简单介绍其工作原理以及其测量中具有的优势。
2、干涉测量原理的实际应用——双频激光干涉仪
2.1 干涉仪：实现干涉测量的仪器叫干涉仪。激光干涉仪是一种所谓“增量法”测长的仪器，它是把目标反射镜与被测对象固联，参考反射镜固定不动，当目标反射镜随被测对象移动时，两路光束的光程差即发生变化，干涉条纹也将发生明暗交替变化。若用光电探测器接收，当被测对象移动一定距离时，条纹亮暗交替变化一次．光电探测器输出信号将变化一个周期，记录下信号变化的周期数，便确定了被测长度。
2.2 单频激光干涉仪：从激光器发出的光束，经扩束准直后由分光镜分为两路，并分别从固定反射镜和可动反射镜反射回来会合在分光镜上而产生干涉条纹（其原理图类似迈克尔逊干涉仪原理图）。当可动反射镜移动时，干涉条纹的光强变化由接受器中的光电转换元件和电子线路等转换为电脉冲信号，经整形、放大后输入可逆计数器计算出总脉冲数，再由相应的公式算出可动反射镜的位移量L。使用单频激光干涉仪时，要求周围大气处于稳定状态，各种空气湍流都会引起直流电平变化而影响测量结果。
2.3 双频激光干涉仪：双频激光干涉仪是在单频激光干涉仪的基础上发展的一种外差式干涉仪。和单频激光干涉仪一样，双频激光干涉仪也是一种以波长作为标准对被测长度进行度量的仪器。它可用于精密机床、大规模集成电路加工设备等的在线在位测量、误差修正和控制。双频激光干涉仪采用外差干涉测量原理,克服了普通单频干涉仪测量信号直流漂移的问题,具有信号噪声小、抗环境干扰、允许光源多通道复用等诸多优点,使得干涉测长技术能真正用于实际生产。目前干涉仪产品大多为双频激光干涉仪。
2.4 双频激光干涉仪原理：图三为双频激光干涉仪的工作原理图。单模氦氖激光器置于纵向磁场中，由于塞曼效应使输出激光分裂为具有一定频差（约1-2MHz），旋转方向相反的左右圆偏振光。双频激光干涉仪就是以这两个具有不同频率的圆
偏振光作为光源的。左右圆偏振光通过1/4破片后成为互相垂直的线偏振光1
f 、
2
f （其中1f 垂直于纸面，2f 平行于纸面）。
图三 双频激光干涉仪的工作原理
分光镜使1f
、2f 的部分光反射，另一部分光透射。反射光经偏振片1后由左侧的光电探测器接收并经前置放大整形电路处理，作为后续电路处理的基准信号。透射光经过偏振分光镜后使1f 、2f 分离，偏振方向平行于纸面的2
f 光透过偏正分光镜到固定在被测量物体上的可动反射镜，当可动反射镜随被测量物体移动时，
2f 产生光的多普勒效应，返回的频率变为2f f ±?，f ?为多普勒频移量，它包含了可动反射镜的位移信息。返回的1f 、2f f ±?光在偏振分光镜处再度汇合，经反射镜后由右侧的光电探测器接收并经前置放大
整形电路处理，作为系统的测量信号。
下面是对两处光电探测器处光强情况的讨论：
设左侧光电探测器处两束光1f 、2
f 的波动方程分别为： 111=cos 2R t f
E E π （1）
222=cos 2R t f E E π （2）
合成振幅为： 12R1R212=+=cos 2cos 2E E E E t t f
f E ππ+ （3） 光强函数为： 2R I E = （4）
由于光电探测器的频响限制，实际接收光强为：
()()1221122cos 2122R R R t R R f f I E E E E π=
+-+ （5） 同理，可以计算右侧光电探测器处接收光强为： ()()12211
22cos 2122M m m f t m m f f I E E E E π=+-±?+ （6）
由式（5）和式（6）可见，左侧光电探测器接收信号为一直流分量()
1
22122R R E E +与一交流信号()1221cos 2R R t f f E E π-的叠加，这一信号经由交流放大器和过零触发
器组成的前置放大整形电路处理后，输出一组频率为()21f f -的连续脉冲；同样右侧光电探测器接收信号经放大整形后，输出一组频率为()21
f f f -±的连续脉冲。经过减法器实现两组脉冲相减得到f 的值（包含了被测量的位移信息），即
()()2121f f f f f f ??±?=-±?--?
? （7）
又由多普勒效应 2V =C
f f （8） 式中V 为测量反射镜的移动速度，C 为光速，f 为光频。 设测量长度为L ，则有
000
22t t t fc L Vdt dt fdt f λ===??? （9） 频率的时间积分为周期数N ，所以上式可以化为 2L N
λ= （10） 此式即为双频激光干涉仪的原理公式。
由式（6）可见，双频激光干涉仪的测量信息是叠加在一个固定频差()21f f -上的，
属于交流信号，具有很大的增益和高信噪比，完全克服了单频激光干涉仪因光强变动造成直流电平漂移，使系统无法正常工作的弊端。测量时即使光强衰弱90%，双频激光干涉仪仍能够正常工作。由于其具有很强的抗干扰能力，因而特别适合现场条件下适用。
2.5单、双频激光干涉仪比较及分析：单频的激光器它的一个根本弱点就是受环境影响严重，在测试环境恶劣，测量距离较长时，这一缺点十分突出。其原因在于它是一种直流测量系统，必然具有直流光平和电平零漂的弊端。激光干涉仪可动反光镜移动时，光电接收器会输出信号，如果信号超过了计数器的触发电平则就会被记录下来，而如果激光束强度发生变化，就有可能使光电信号低于计数器的触发电平而使计数器停止计数，使激光器强度或干涉信号强度变化的主要原因是空气湍流，机床油雾，切削屑对光束的影响，结果光束发生
偏移或波面扭曲。这种无规则的变化较难通过触发电平的自动调整来补偿，因而限制了单频干涉仪的应用范围，只有设法用交流测量系统代替直流测量系统才能从根本上克服单频激光干涉仪的这一弱点。
而双频激光干涉仪正好克服了这一弱点，它是在单频激光干涉仪的基础上发展的一种外差式干涉仪。和单频激光干涉仪一样，双频激光干涉仪也是一种以波长作为标准对被测长度进行度量的仪器，所不同者，一方面是当可动棱镜不动时，前者的干涉信号是介于最亮和最暗之间的某个直流光平，而后者的干涉信号是一个频率约为1.5MHz的交流信号；另一方面，当可动棱镜移动时，前者的干涉信号是在最亮和最暗之间缓慢变化的信号，而后者的干涉信号是使原有的交流信号频率增加或减少了△f，结果依然是一个交流信号。因而对于双频激光干涉仪来说，可用放大倍数较大的交流放大器对干涉信号进行放大，这样，即使光强衰减90%，依然可以得到合适的电信号。由于这一特点，双频激光干涉仪可以在恒温，恒湿，防震的计量室内检定量块，量杆，刻尺和坐标测量机等，也可以在普通车间内为大型机床的刻度进行标定，既可以对几十米的大量程进行精密测量，也可以对手表零件等微小运动进行精密测量，既可以对几何量如长度、角度．直线度、平行度、平面度、垂直度等进行测量，也可以用于特殊场合，诸如半导体光刻技术的微定位和计算机存储器上记录槽间距的测量等等。
图四是双频激光干涉仪的实物图，图五是双频激光干涉仪在实际测量中的应用。
图四双频激光干涉仪实物图
图五对机床运动进行测量
2.6双频激光干涉仪的优越性：
精度高：双频激光干涉仪以波长作为标准对被测长度进行度量的仪器。即使不做细
分也可达到um量级，细分后更可达到nm量级。
●应用范围广：双频激光干涉仪除了可用于长度的精密测量外，配上适当的附件还可
测量角度、直线度、平面度、振动距离及速度等等。
●环境适应力强：即使光强衰减90%，仍然可以得到有效的干涉信号。由于这一特
点，双频激光干涉仪既可在恒温、恒湿、防震的计量室内检定量块、量杆、刻尺、微分校准器和坐标测量机，也可以在普通的车间内为大型的机床的刻度进行标定。
●实时动态测速高：现代的双频激光干涉仪测速普遍达到1 m/s，有的甚至于十几m/s，
适于高速动态测量。
2.7双频激光干涉仪发展趋势：同大多数测量仪器一样，双频激光干涉仪也有向高分辨率，高精度，高测速的发展趋势。
3、总结
双频激光干涉仪是激光在计量领域中最成功的应用之一,是工业中最具权威的长度测量仪器。双频激光干涉仪的发明使激光干涉仪最终摆脱了计量室的束缚，更为广泛的应用于工业生产和科学研究中。
用激光干涉仪作为机床的测量系统可以提高机床的精度和效率。起初仅用于高精度的磨床、镗床和坐标测量机上，以后又用于加工中心的定位系统中。但由于在一般机床上使用感应同步器和光栅一般能达到精度要求，而激光仪器的抗振性和抗环境的干扰性能差，且价格较贵，目前在机械加工现场使用较少。
随着双频激光干涉仪向着高分辨率、高精度、高测速方向的发展，其研究领域也在进一步拓宽。希望我们能在双频激光干涉仪这方面的研究有所进展和突破，研制出具有先进水平的测量仪器。
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光学干涉测量技术 ——干涉原理及双频激光干涉 1、干涉测量技术 干涉测量技术和干涉仪在光学测量中占有重要地位。干涉测量技术是以光波干涉原理为基础进行测量的一门技术。相干光波在干涉场中产生亮、暗交替的干涉条纹，通过分析处理干涉条纹获取被测量的有关信息。 当两束光亮度满足频率相同，振动方向相同以及相位差恒定的条件，两束光就会产生干涉现象，在干涉场中任一点的合成光强为： 122I I I πλ=++ 式中△是两束光到达某点的光程差。明暗干涉条纹出现的条件如下。 相长干涉（明）： min 12I I I I ==+ （ m λ=） 相消干涉（暗）： min 12I I I I ==+-， （12m λ? ?=+ ??? ） 当把被测量引入干涉仪的一支光路中，干涉仪的光程差则发生变化。通过测量干涉条纹的变化量，即可以获得与介质折射率和几何路程有关的各种物理量和几何量。 按光波分光的方法，干涉仪有分振幅式和分波阵面式两类。按相干光束传播路径，干涉仪可分为共程干涉和非共程干涉两种。按用途又可将干涉仪分为两类，一类是通过测量被测面与参考标准波面产生的干涉条纹分布及其变形量，进而求得试样表面微观几何形状、场密度分布和光学系统波像差等，即所谓静态干涉；另一类是通过测量干涉场上指定点干涉条纹的移动或光程差的变化量，进而求得试样的尺寸大小、位移量等，即所谓动态干涉。 下图是通过分波面法和分振幅法获得相干光的途径示意图。光学测量常用的是分振幅式等厚测量技术。 图一 普通光源获得相干光的途径 与一般光学成像测量技术相比，干涉测量具有大量程、高灵敏度、高精度等特点。干涉测量应用范围十分广泛，可用于位移、长度、角度、面形、介质折射率的变化及振动等方面的测量。在测量技术中，常用的干涉仪有迈克尔逊干涉仪（图二）、马赫-泽德干涉仪、菲索
1.光学测量：对光学材料、零件及系统的参数和性能的测量。 2.直接测量：无需对被测的量与其他的实测的量进行函数关系的辅助计算，而直接得到被测值的测量。 3.间接测量：直接测量的量与被测的量之间有已知的函数关系，从而得到该被测量的测量。 4.测量误差原因：（测量装置误差）（环境误差）（方法误差）（人员误差）。 5.测量误差按其特点和性质，可分为（系统误差）、（偶然误差）和（粗大误差）。 6.精度：反应测量结果与真实值接近程度的量。 7.精度分为：①正确度:由系统误差引起的测量值与真值的偏离程度②由偶然误差引起......③由系统误差和偶然误差引起的...... 8.偶然误差的评价:(标准偏差)(极限误差)。 9.正态分布特征：（单峰性）（对称性）（有界性）（抵偿性）。 10.确定权的大小的方法：（根据测量次数确定）（由标准偏差确定）。 11.对准（横向对准）是指在垂直于瞄准轴方向上，使目标和比较标记重合或置中的过程，又称横向对准。 12.调焦（纵向对准）指目标和比较标记瞄准轴方向重合或置中的过程。 13..对准误差：对准残留的误差。 14.调焦误差：调焦残留的误差。 15.常用调焦方式：（清晰度法）、（消视差法）。 16.清晰度法：以目标象和比较标志同样清晰为准，其调焦误差由几何景深和物理景深决定。 17.消视差法：以眼睛垂直于瞄准轴摆动时看不出目标象和比较标志有相对错动为准，调焦误差受对准误差影响。 18.平行光管：是光学测量中最常用的部件，发出平行光，用来模拟无限远目标，主要由（望远物镜）和（安置在物镜焦平面上的分划板）构成。 19.调校平行光管的目的：是使分划板的分划面位于物镜焦平面上。调校方法：（远物法）、（可调前置镜法）、（自准直法）、（五棱镜法）和（三管法）。 20.自准直仪：（自准直望远镜）（自准直显微镜）。 21.自准直目镜是一种带分划板和分划板照明装置的目镜。一般不能单独使用，应与望远镜物镜配合构成自准直望远镜；与显微镜物镜配合构成自准直显微镜。它们统称自准直仪。 22.常用自准直目镜：（高斯目镜）、（阿贝目镜）、（双分划板式自准直目镜）。 23.剪切干涉法常见的平板式横向剪切干涉仪，它是以干涉条纹成无限宽，即干涉场中呈均匀一片作为判别光束准直性基准的。 24.双楔板剪切干涉法的原理？ 解：假设楔板的棱边平行于x轴(棱边呈水平状态)，并倾斜至于光路中。一离焦板的光波Kd(x2+y2)经楔板前，后面反射，则反射波沿x方向被横波向剪切。干涉条纹是一组与x轴倾斜的直线簇，在重叠区域形成的条纹可表示为（nkβ）y+(KDs)x=mπ 25.V棱镜法的检测原理：当单色平行光垂直的入射到V棱镜的ED面时，若被检玻璃折射率n与V棱镜折射率n0完全相同，则出射光不发生任何偏折的射出；若n与n0不等，则出射光相对入射光有一偏折角θ，若测出θ，就可计算出折射率。 26.V棱镜折光仪：主要用于平行光管、对准望远系统、读数显微镜系统和标准V块组成。 27.V棱镜折光仪的使用方法：平行光管分划板的刻线是在水平透光宽缝中间刻一细长线。由平行光管射出的单色平行光束经V棱镜和待检试样后，产生偏折角θ，转动望远镜对准平行光管的刻线象。当望远镜对准时，带动度盘转动。有读数显微镜读得角θ，其整数部分由度盘读出，小数部分由测微目镜读出。 28.最小偏向角法的测量原理：单色平行光沿MP方向射出，入射光与出射光的夹角δ为偏
光学测量技术详解(图文) 光学测量是生产制造过程中质量控制环节上重要的一步。它包括通过操作者的观察进行的快速、主观性的检测，也包括通过测量仪器进行的自动定量检测。光学测量既可以在线下进行，即将工件从生产线上取下送到检测台进行测量；还可以在线进行，即工件无须离开产线；此外，工件还可以在生产线旁接受检测，完成后可以迅速返回生产线。 人的眼睛其实就是一台光学检测仪器；它可以处理通过晶状体映射到视网膜上的图像。当物体靠近眼球时，物体的尺寸感觉上会增加，这是因为图像在视网膜上覆盖的“光感器”数量增加了。在某一个位置，图像达到最大，此时再将物体移近时，图像就会失焦而变得模糊。这个距离通常为10英寸（250毫米）。在这个位置上，图像分辨率大约为0.004英寸（100微米）。举例来说，当你看两根头发时，只有靠得很近时才能发现它们之间是有空隙的。如果想进一步分辨更加清楚的细节的话，则需要进行额外的放大处理。 本部分设定了隐藏，您已回复过了，以下是隐藏的内容 人的眼睛其实就是一台光学检测仪器；它可以处理通过晶状体映射到视网膜上的图像。本图显示了人眼成 像的原理图。 人眼之外的测量系统 光学测量是对肉眼直接观察获得的简单视觉检测的强化处理，因为通过光学透镜来改进或放大物体的图像，可以对物体的某些特征或属性做出准确的评估。大多数的光学测量都是定性的，也就是说操作者对放大的图像做出主观性的判断。光学测量也可以是定量的，这时图像通过成像仪器生成，所获取的图像数据再用于分析。在这种情况下，光学检测其实是一种测量技术，因为它提供了量化的图像测量方式。 无任何仪器辅助的肉眼测量通常称为视觉检测。当采用光学镜头或镜头系统时，视觉检测就变成了光学测量。光学测量系统和技术有许多不同的种类，但是基本原理和结构大致相同。
激光干涉位移测量技术 张欣（2015110034） 摘要：为了实现纳米级以上分辨力位移的测量研究，利用激光干涉位移测量技术可以达到纳米级分辨力，其具有可溯源、分辨力高、测量速度快等特点，是目前位移测量领域的主流技术。本文对目前主要的激光干涉位移测量技术进行了分类介绍，并对各种干涉仪的特点进行了分析，最后介绍了激光干涉位移测量技术的国内外发展现状和趋势。 关键词：纳米级；激光干涉；位移测量； 1 引言 干涉测量技术( interferometry ) 是基于电磁波干涉理论，通过检测相干电磁波的图样，频率、振幅、相位等属性，将其应用于各种相关的测量技术的统称。用于实现干涉测量技术的仪器被称为干涉仪。在当今多个科研领域，干涉测量技术都发挥着重要的作用，包括天文学，光纤光学，以及各种工程测量学。其中由于上个世纪60年代激光的研制成功，使得激光干涉测量技术在各种精密工程领域得到了广泛的应用。它的基本功能是将机械位移信息变成干涉条纹的电信号，再对干涉条纹进行调理和细分，进而获得所需要的测量信息。整个激光干涉测量系统中主要的组成部分有光电转换、信号调理、信号细分处理。 1.1激光干涉仪分类 激光干涉仪是以干涉测量为原理，利用激光作为长度基准，对数控设备(加工中心、三坐标测量机等)的位置精度（定位精度、重复定位精度等）、几何精度（抚养扭摆角度、直线度、垂直度）进行精密测量的精密测量技术。由于激光具有波长稳定、波长短、具有干涉性，使得激光在现代光电测量系统中占据了重要的地位，尤其是在激光干涉测量系统中。下面介绍激光干涉仪测量原理以及激光干涉仪。 光的相长干涉和相消干涉： 图1.光的相长以及相消干涉 如果两束光相位相同，光波会叠加增强，表现为亮条纹，如果两束光相位相反，光波会相互抵消，表现为暗条纹。图1.1就是光的相长以及相消干涉，而激光干涉仪主要依据的原理就是激光的干涉产生明亮
1、激光三角法测距。 利用激光良好的方向性，以及几何光学成像的比例特性，将一束激光照射到物体上，在与激光光束成一定角度的位置用光学成像系统检测照射到物体的光斑，这样镜头-光斑、镜头平面到激光光束的连线、光斑到镜头平面与激光光束交点构成一三角形，而镜头-光斑的像、镜头平面以及过光斑的像的激光光束平行线与镜头平面的交点成一个与前面所描述的三角形相似的三角形。用光电传感器阵列检测到光斑的像的位置，则可以根据三角形性质计算出光斑位置。这种测量方法适合距离较短的情况。 目前的激光三坐标测量机（抄数机）一般都采用激光三角法测距。 2、光速法测距。 利用光速不变原理，检测激光发射与反射光反射回来的时间差，从而计算出距离。为了提高精度，可以将激光调制上一个低频信号，利用测量反射光的相位差来测得反射时间差。这种方法一般用于远距离测量。 目前各种激光测距仪一般用这种方法测量。 3、激光干涉法测距。 这是一种相对测量，它无法测得一个物体离仪器的绝对距离，但可以测得两被测物体的相对距离。它的原理是一台迈克尔逊干涉仪，利用反射镜距离变化时干涉条纹的变化来测量，反射镜从物体A运动到物体B，干涉条纹变化的数量反映了其距离。这种测量要求条件较高，但是可以精确测量，它也是目前所有测量手段中最精确的一种。 4、光学图象识别技术测量位移。 其所用原理与三角法相似，但是可以不用激光，而是直接对移动物体拍照，利用前后两幅图片中物体在图片中的位移来计算物体真实的位移。、 这种技术在光电鼠标中大量使用。 5、光栅测量位移。 利用光栅形成的莫尔条纹，计算莫尔条纹变化量即可计算出位移量。 这是目前应用最多的技术，光栅尺大量应用于工业上的行程测量。 6、激光衍射法测量细丝、小孔直径和狭缝宽度。 测量衍射斑的大小就可以计算出孔或缝的尺寸。
第一章、对准、调焦 ?对准、调焦的定义、目的； 1.对准又称横向对准，是指一个对准目标与比较标志在垂直瞄准轴方向像的重合或置 中。目的：瞄准目标（打靶）；精确定位、测量某些物理量（长度、角度度量）。 2、调焦又称纵向对准，是指一个目标像与比较标志在瞄准轴方向的重合。 目的： --使目标与基准标志位于垂直于瞄准轴方向的同一个面上，也就是使二者位于同一空间深度； --使物体（目标）成像清晰； --确定物面或其共轭像面的位置——定焦。 人眼调焦的方法及其误差构成； 清晰度法：以目标和标志同样清晰为准则； 消视差法：眼睛在垂直视轴方向上左右摆动，以看不出目标和标志有相对横移为准则。可将纵向调焦转变为横向对准。 清晰度法误差源：几何焦深、物理焦深； 消视差法误差源：人眼对准误差； 几何焦深：人眼观察目标时，目标像不一定能准确落在视网膜上。但只要目标上一点在视网膜上生成的弥散斑直径小于眼睛的分辨极限，人眼仍会把该弥散斑认为是一个点，即认为成像清晰。由此所带来的调焦误差，称为几何焦深。 物理焦深：光波因眼瞳发生衍射，即使假定为理想成像，视网膜上的像点也不再是一个几何点，而是一个艾里斑。若物点沿轴向移动Δl后，眼瞳面上产生的波像差小于λ/K(常取K=6)，此时人眼仍分辨不出视网膜上的衍射图像有什么变化。 （清晰度）人眼调焦扩展不确定度： （消视差法）人眼调焦扩展不确定度： 人眼摆动距离为b ?对准误差、调焦误差的表示方法； 对准：人眼、望远系统用张角表示；显微系统用物方垂轴偏离量表示； 调焦：人眼、望远系统用视度表示；显微系统用目标与标志轴向间距表示 ?常用的对准方式； 22 22 122 8 e e e D KD αλ φφφ ???? ''' =+=+ ? ? ???? 121 11e e l l D α φ'=-= 22 21 118 e l l KD λ φ'=-= e b δ φ'=
第一章、 对准、调焦 ? 对准、调焦的定义、目的； 1. 对准又称横向对准，是指一个对准目标与比较标志在垂直瞄准轴方向像的重合或置 中。目的：瞄准目标（打靶）；精确定位、测量某些物理量（长度、角度度量）。 2、调焦又称纵向对准，是指一个目标像与比较标志在瞄准轴方向的重合。 目的： --使目标与基准标志位于垂直于瞄准轴方向的同一个面上，也就是使二者位于同一空间深度； --使物体（目标）成像清晰； --确定物面或其共轭像面的位置——定焦。 人眼调焦的方法及其误差构成； 清晰度法：以目标和标志同样清晰为准则； 消视差法：眼睛在垂直视轴方向上左右摆动，以看不出目标和标志有相对横 移为准则。可将纵向调焦转变为横向对准。 清晰度法误差源：几何焦深、物理焦深； 消视差法误差源：人眼对准误差； 几何焦深：人眼观察目标时，目标像不一定能准确落在视网膜上。但只要目标上一点在视网膜上生成的弥散斑直径小于眼睛的分辨极限，人眼仍会把该弥散斑认为是一个点，即认为成像清晰。由此所带来的调焦误差，称为几何焦深。 物理焦深：光波因眼瞳发生衍射，即使假定为理想成像，视网膜上的像点也不再是一个几何点，而是一个艾里斑。若物点沿轴向移动Δl 后，眼瞳面上产生的波像差小于λ/K(常取K=6)，此时人眼仍分辨不出视网膜上的衍射图像有什么变化。 （清晰度）人眼调焦扩展不确定度： （消视差法）人眼调焦扩展不确定度： 人眼摆动距离为b ，所选对准扩展不确定度为δe ， ? 对准误差、调焦误差的表示方法； 对准：人眼、望远系统用张角表示；显微系统用物方垂轴偏离量表示； 调焦：人眼、望远系统用视度表示；显微系统用目标与标志轴向间距表示 ? 常用的对准方式； 2 2 2212 28e e e D KD αλφφφ????'''=+=+ ? ?????12111e e l l D αφ'=-= 2 2 21118e l l KD λ φ'=-= e b δφ'=
word格式文档 高精度光学测量微位移技术综述 *** （******大学光电**学院，重庆400065） 摘要 微位移测量技术在科学与工业技术领域应用广泛。光学测量微位移技术与传统测量方法相比，具有灵敏度高、抗电磁干扰能力强、耐腐蚀、防爆、结构简单、体积小、重量轻等优点。本文介绍了几种高精度光学测量微位移的方法，从激光三角法、激光干涉法、光栅尺法、光纤光栅法、X射线干涉法和F-P干涉法几个类别对各种微位移测量原理和仪器进行了系统的分析和比较，并对各种方法的特点进行了归纳，对光学微位移测量方法的发展趋势进行了概括。 关键词：微位移测量，高精度，光学测量，发展趋势 1 引言 随着科学技术的发展，微小位移的检测手段已发展到多种，测量准确度也不断提高。目前，高分辨力微位移测量技术主要分为包含电学、显微镜等测量方法的非光学测量技术和以激光干涉测量为代表的光学测量技术两大类。电学测量技术又包括电阻法、电容和电感法以及电涡流法等，其中，电容和电感法发展迅速，较为常用。目前，三端电容传感器可测出5×10－5μm的微位移，最大稳定性为每天漂移几个皮米[1]。而显微镜测量技术种类较多，主要有高性能透射电子显微镜、扫描电子显微镜、扫描探针显微镜（包括扫描隧道显微镜和原子力显微镜）等二十多个品种[2]。按光学原理不同，光学测量技术可分为激光三角测量[3]、光杠杆法[1,4]、光栅尺测量法[5]、光纤位移测量法[5]和激光干涉法等，测量分辨力在 专业资料整理
几十皮米到几纳米之间。此外，利用X射线衍射效应进行位移测量的X射线干涉技术近年来备受关注，其最大特点是以晶格结构中的原子间距作为溯源标准，可实现皮米量级的高分辨力，避免了光学干涉仪的各种非线性误差[6]。现将主要的具有纳米量级及以上分辨力的微位移测量技术概括如表1所示。 纵观位移测量技术的发展历程，如果说扫描探针技术为高分辨力位移测量领域带来了革命性变革，那么近几十年来激光技术的发展则将该领域带入了一个崭新的时代。由表1可见，目前电容传感器和SPM的测量分辨力也很高，但它们的共同缺陷是当溯源至国际标准长度单位时，必须借助激光干涉仪等方法进行标定和校准。根据1983年第17次度量大会对“米”的新定义，激光干涉法对几何量值溯源有着天然优越性，同时具有非接触测量、分辨力高、测量速度快等优势。本文将对目前主要的光学微位移测量技术介绍和比较分析。 表1 常用微位移测量技术 仪器种类分辨力/nm 测量范围 电容传感器0.05-2 10nm-300μm 电感传感器 5 10μm SPM 0.05 1-10μm 激光三角测头 2.5 100-500μm 光纤位移传感器 2.5 30-100μm 双频激光干涉仪0.1 >10m 光栅尺0.1-10 70-200mm X射线干涉仪0.005 200μm F-P干涉仪0.001 5nm-300μm 2 光学微位移测量技术概述 2.1 激光三角法微位移测量技术 随着工业测量领域的不断扩展以及对测量精度和测量速度的不断提高，传统的接触式测量已经无法满足工业界的需求。而非接触测量由于其良好的精确性和
光学检测原理复习提纲 第一章 基本光学测量技术 一、光学测量中的对准与调焦技术 1、对准和调焦的概念(哪个是横向对准与纵向对准？) P1 对准又称横向对准，指一个目标与比较标志在垂轴方向的重合。调焦又称纵向对准，是指一个目标像与比较标志在瞄准轴方向的重合。 2、常见的五种对准方式。 P2 压线对准，游标对准。。。。 3、常见的调焦方法 最简便的调焦方法是：清晰度法和消视差法。p2 二、光学测试装置的基本部件及其组合 1、平行光管的组成、作用；平行光管的分划板的形式（abcd ）。P14 作用：提供无限远的目标或给出一束平行光。 组成:由一个望远物镜（或照相物镜）和一个安置在物镜 焦平面上的分划板。二者由镜筒连在一起，焦距 1000mm 以上的平行光管一般都带有伸缩筒，伸缩筒 的滑动量即分划板离开焦面的距离，该距离可由伸 缩筒上的刻度给出，移动伸缩筒即能给出不同远近 距离的分划像（目标）。 2、什么是自准直目镜（P15）（可否单独使用？），自准直法？ 一种带有分划板及分划板照明装置的目镜。Zz 自准直：利用光学成像原理使物和像都在同一平面上。 3、；高斯式自准直目镜（P16）、阿贝式自准直目镜（P16）、双分划板式自准直目镜（P17）三种自准直目镜的工作原理、特点。P15—p17（概念，填空或判断） 1高斯式自准直目镜缺点--分划板只能采用透明板上刻不透光刻线的形式，不能采用不透明板上刻透光刻线的形式，因而像的对比度较低，且分束板的光能损失大，还会产生较强的杂光。 2阿贝式自准直目镜---特点射向平面镜的光线不能沿其法线入射，否则看不到亮“+”字线像。阿贝目镜大大改善了像的对比度，且目镜结构紧凑，焦距较短，容易做成高倍率的自准直仪。 主要缺点：直接瞄准目标时的视轴（“+”字刻度线中心与物镜后节点连线）与自准直时平面 （a ）"+"字或"+"字 刻线分划板； （b ）分辨率板； （c ）星点板； （d ）玻罗板
实验三激光干涉测量技术 一、引言 激光精密干涉测量技术有着广泛的应用。区别于基础实验课程中应用成套的干涉仪设备进行测量，本实验使用零散的光学元件搭建干涉装置，旨在锻炼学生的实际光路搭建能力以及相关的实践技巧。 二、实验目的 1．了解激光干涉测量的原理 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 4. 锻炼实际光路搭建能力以及搭建干涉测量装置的相关技巧 三、实验原理 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一种变型，在光学仪器的制造工业中，常用其产生的等间距干涉条纹对光学零件或光学系统作综合质量检验。 图1 泰曼－格林干涉仪原理图
泰曼－格林干涉仪与原始的迈克尔逊干涉仪不同点是，光源是单色激光光源，它置于一个校正像差的透镜L1的前焦点上，光束经透镜L1准直后，被分束器A 分成两束光，到达反射镜M1和M2并被反射，两束反射光再次经A透射和反射，用另一个校正像差的透镜L2会聚，观察屏放在透镜L2的焦点位置观察，也可不加透镜L2直接观察。能够观察到反射镜M1和M2的整个范围，从而可获得清晰、明亮的等间距干涉直条纹，其原理如图1所示。 若作出反射镜M1在半反射面A中的虚像M1’（图中未画出），干涉仪的出射光线相当于M2和M1’所构成的空气楔的反射光，因而泰曼干涉仪实际上就等效于平面干涉仪，只是这里两束光的光路被完全分开，进而产生了等厚干涉条纹。当光源是点光源时，条纹是非定域的，在两个相干光束重叠区域内的任何平面上，条纹的清晰度都一样。不过，实际上为了获得足够强度的干涉条纹，光源的扩展不能忽略，这时条纹定域在M1和M2构成的空气楔附近。 如图1所示，设入射平面波经M1反射后的波前是W1，经M2反射后相应的波前是W2，W1和W2位相相同。引入虚波前W1’，它是在W1半反射面A中的虚像，图中画出了虚相交于波前W2上P点的两支光路，这两支光在P点的光程差为 即等于W1’到P点的法线距离，因为W1’和W2之间介质（空气）折射率为1，显然当 时，P点为亮点，而当 时，P点为暗点。如果平面M1和M2是理想的平面，那么反射回来的波前W1（或W1’）和W2也是平面，这样当眼睛聚焦于W2上时，在W1’和W2之间有一楔角 的情况下，将看到一组平行等距的直线条纹（W1’和W2相互平行，视场是均匀 照明的，没有条纹），它们与所形成的空气楔的楔棱平行。从一个亮条纹（或暗条纹）过渡到相邻的亮条纹（或暗条纹），W1’和W2之间的距离改变λ。由于 测量镜M2移动l会带来2l的光程差则： 式中N为干涉条纹数。 因此，记录下干涉条纹移动数，已知激光波长，即可测量反射镜的位移量，或反射镜的轴向变动量l。测量灵敏为：当N＝1，则
光学三维测量技术 1. 引言 人类观察到的世界是一个三维世界, 尽可能准确和完备地获取客观世界的三维信息才能尽可能准确和完备地刻画和再现客观世界。对三维信息的获取和处理技术体现了人类对客观世界的把握能力,因而从某种程度上来说它是体现人类智慧的一个重要标志。 近年来, 计算机技术的飞速发展推动了三维数字化技术的逐步成熟, 三维数字化信息获取与处理技术以各种不同的风貌与特色进入到各个不同领域之中 [1]:在工业界, 它已成为设计进程中的一环, 凡产品设计、模具开发等, 无一不与三维数字化测量有着紧密的结合; 虚拟现实技术需要大量景物的三维彩色模型数据, 以用于国防、模拟训练、科学试验; 大量应用的三坐标测量机和医学上广泛应用的 CT 机和 MRI 核磁共振仪器,也属于三维数字化技术的典型应用;文化艺术数字化保存(意大利的古代铜像数字化、中国的古代佛像数字化、古文物数字化保存、 3D 动画的模型建构(电影如侏罗纪公园、太空战士、医学研究中的牙齿、骨头扫描, 甚至人类学的考古研究等, 都可运用三维扫描仪快速地将模型扫描、建构; 而随着宽频与计算机速度的提升, Web 3D的网络虚拟世界将更为普及,更带动了三维数字化扫描技术推广到商品的电子商务、产品简报、电玩动画等, 这一切都表明未来的世界是三维的世界。 目前, 有很多种方法可用来获取目标物体的三维形状数据, 光学三维测量技术(Optiacl Three-dimensional Measurement Techniques因为其“非接触”与“全场”的特点,是目前工程应用中最有发展前途的三维数据采集方法。光学三维测量技术是二十世纪科学技术飞速发展所催生的丰富多彩的诸多实用技术之一, 它是以现代光学为基础, 融光电子学、计算机图像处理、图形学、信号处理等科学技术为一体的现代测量技术。它把光学图像当作检测和传递信息的手段或载体加以利用, 其目的是从图像中提取有用的信号, 完成三维实体模型的重构 [2]。随着激光技术、精密计量光栅制造技术、计算机技术以及图像处理等高新技术的发展, 以及不断推出的高
光学测量技术及仪器 阿贝折射仪 旋光仪 分光光度计 分光光度计的构造原理 72型分光光度计 752型分光光度计 光与物质相互作用可以产生各种光学现象(如光的折射、反射、散射、透射、吸收、旋光以及物质受激辐射等)，通过分析研究这些光学现象，可以提供原子、分子及晶体结构等方面的大量信息。所以，不论在物质的成分分析、结构测定及光化学反应等方面，都离不开光学测量。下面介绍物理化学实验中常用的几种光学测量仪器。 一、阿贝折射仪 折射率是物质的重要物理常数之一，许多纯物质都具有一定的折射率，如果其中含有杂质则折射率将发生变化，出现偏差，杂质越多，偏差越大。因此通过折射率的测定，可以测定物质的浓度。 1.阿贝折射仪的构造原理 阿贝折射仪的外形图如图Ⅱ-5-1所示。 当一束单色光从介质Ⅰ进入介质Ⅱ(两种介质的密度不同)时，光线在通过界面时改变了方向，这一现象称为光的折射，如图Ⅱ-5-2所示。
图Ⅱ-5-1 阿贝折射仪外形图 1.测量望远镜; 2.消散手柄; 3.恒温水入口; 4.温度计; 5.测量棱镜; 6.铰链; 7.辅助棱镜; 8.加液槽; 9.反射镜;10.读数望远镜;11.转轴;12.刻度盘罩;13.闭合旋钮;14.底座。 图Ⅱ-5-2光的折射 光的折射现象遵从折射定律: 式中α为入射角，β为折射角，n Ⅰ、nⅡ为交界面两侧两种介质的折射率;n Ⅰ, Ⅱ 为介质Ⅱ对介质Ⅰ的相对折射率。 若介质Ⅰ为真空，因规定n=1.0000，故n ⅠⅡ=n Ⅱ 为绝对折射率。但介质 Ⅰ通常为空气，空气的绝对折射率为1.00029，这样得到的各物质的折射率称为常用折射率，也称作对空气的相对折射率。同一物质两种折射率之间的关系为: 绝对折射率=常用折射率×1.00029
激光干涉测量 xxxxx xxxxx xxxxx 摘要：干涉测量技术是以光波干涉原理为基础进行测量的一门技术。 20世纪60年代以来，由于激光的出现、隔振条件的改善及电 子与计算机技术的成熟，使干涉测量技术得到长足发展。本文 介绍了激光干涉的基本原理。 关键词：激光干涉测量双频激光干涉仪 由于科学技术的进步，干涉测量技术已经得到相当广泛的应用。一方面因为微电子、微机械、微光学和现代工业提出了愈来愈高的精度和更大的量程，其它方法难以胜任；另一方面因为当代干涉测量技术本身具有灵敏度高、量程大、可以适应恶劣环境、光波和米定义联系而容易溯源等特点，因而在现代工业中应用非常广泛。 激光的出现在世界计量史上具有重大的意义。用稳频的氦氖激光器作为光源，由于它的相干长度很大，干涉仪的测量范围可以大大的扩展；而且由于它的光束发散角小，能量集中，因而它产生的干涉条纹可以用光电接收器接收，变为电讯号，并由计数器一个不漏的记录下来，从而提高了测量速度和测量精度，比如说我国自行设计与制造的以氦氖激光器作为光源的光电光波比长仪，可以在20分钟之内把1米线纹尺上1001条刻线依次自动鉴定完毕，精度达到±0.2μm，这就是激光干涉仪的成功例证。 一、激光干涉仪的介绍 激光干涉仪，以激光波长为已知长度，利用迈克耳逊干涉系统测量位移的通用长度测量，有单频的和双频的两种。 1、单频激光干涉仪 从激光器发出的光束，经扩束准直后由分光镜分为两路，并分别从固定反射镜和可动反射镜反射回来会合在分光镜上而产生干涉条纹。当可动反射镜移动时，干涉条纹的光强变化由接受器中的光电转换元件和电子线路等转换为电脉冲信号，经整形、放大后输入可逆计数器计算出总脉冲数，再由电子计算机按计算式[356-11]式中λ为激光波长(N 为电脉冲总数)，算出可动反射镜的位移量L。使用单频激光干涉仪时，要求周围大气处于稳定状态，各种空气湍流都会引起直流电平变化而影响测量结果。 2、双频激光干涉仪 双频激光干涉仪是在单频激光干涉仪的基础上发展的一种外差式干涉仪，，双频激光干涉仪可以在恒温，恒湿，防震的计量室内检定量块，量杆，刻尺和坐标测量机等，也可以在普通车间内为大型机床的刻度进行标定，既可以对几十米的大量程进行精密测量，也可以对手表零件等微小运动进行精密测量，既可以对几何量如长度、角度．直线度、平行度、平面度、
目录 第一章基本光学测试技术 (2) 第二章光学准直与自准直 (5) 第三章光学测角技术 (9) 第四章：光学干涉测试技术 (12) 第六章：光学系统成像性能评测 (15)
第一章 基本光学测试技术 ? 对准、调焦的定义、目的； 对准又称横向对准，是指一个对准目标（？）与比较标志（？）在垂直瞄准轴（？）方向像的重合或置中。例：打靶、长度度量 人眼的对准与未对准： 对准的目的：1.瞄准目标（打靶）； 2.精确定位、测量某些物理量（长度、角度度量）。 调焦又称纵向对准，是指一个目标像（？）与比较标志（？）在瞄准轴（？）方向的重合。 人眼调焦： 调焦的目的 ：1.使目标与基准标志位于垂直于瞄准轴方向的同一个面上，也就是使二者位 于同一空间深度； 2.使物体（目标）成像清晰； 3.确定物面或其共轭像面的位置——定焦。 12 1'2' 1'P 2' 2' '
?人眼调焦的方法及其误差构成； 常见的调焦方法有清晰度法和消视差法。 清晰度法是以目标与比较标志同样清晰为准。调焦误差是由于存在几何焦深和物理焦深所造成的。 消视差法是以眼镜在垂直平面上左右摆动也看不出目标和标志有相对横移为准的。误差来源于人眼的对准误差。 （消视差法特点： 可将纵向调焦转变为横向对准； 可通过选择误差小的对准方式来提高调焦精确度； 不受焦深影响） ?对准误差、调焦误差的表示方法； 对准误差的表示法：人眼、望远系统用张角表示； 显微系统用物方垂轴偏离量表示； 调焦误差的表示法：人眼、望远系统用视度表示； 显微系统用目标与标志轴向间距表示； ?常用的对准方式； 常见的对准方式有压线对准，游标对准，夹线对准，叉线对准，狭缝叉线对准或狭缝夹线对准。 ?光学系统在对准、调焦中的作用； 提高对准、调焦精度，减小对准、调焦误差。 ?提高对准精度、调焦精度的途径； 使用光学系统进行对准，调焦；光电自动对准、光电自动调焦； ?光具座的主要构造； 平行光管（准直仪）；带回转工作台的自准直望远镜（前置镜）；透镜夹持器；带目镜测微器的测量显微镜；底座 ?平行光管的用途、简图； 作用是提供无限远的目标或给出一束平行光。 简图如下：
激光干涉测量技术的发展及现状调研报告 一、激光干涉基本原理 激光输出可被视为正弦光波 波长 从激光头射出的光波有三个关键特性： ? 波长精确已知，能够实现精确测量 ? 波长很短，能够实现精密测量或高分辨率测量 ? 所有光波均为同相，能够实现干涉条纹 干涉测量是基于光波叠加原理，在干涉场中产生亮暗交替的干涉条纹，通过分析处理干涉条纹来获取被测量的有关信息。 当两束光满足频率相同、振动方向相同以及初相位差恒定的条件时，两支光会发生干涉现象。在干涉场中任一点的合成光强为： ?++=λπ 2c o s I I 2I I I 2121 式中，?为两束光到达某点的光程差；1I 、2I 分别为两束光的光强；λ为光波长。 干涉条纹是光程差相同点的轨迹，以下两式分别为亮纹和暗纹方程 ? =m λ ?=(m+1/2)λ 式中，m 为干涉条纹的干涉级 干涉仪中两支光路的光程差?可表示为 ?=j j j i i l n l n ∑∑-i 式中，i n 、j n 分别为干涉仪两支光路的介质折射率；i l 、j l 分别为干涉仪两支光路的几何路程。
当把被测量引入干涉仪的一支光路中，干涉仪的光程差则发生变化，干涉条纹也随之变化。通过测量干涉条纹的变化量，可以获得与介质折射率n和几何路程l有关的各种物理量和几何量。 二、发展历史、现状及趋势 早在十九世纪八十年代，人们第一次证实了光干涉原理可以作为测量工具使用。尽管该技术多年来不断发展，但是使用极小、稳定、准确定义的光波长作为测量单位的基本原理仍然没有改变。 干涉测量技术是以光波干涉原理为基础进行测量的一门技术。20世纪60年代以来，由于激光的出现、隔振条件的改善及电子与计算机技术的成熟，使干涉测量技术得到长足发展。 干涉测量技术大都是非接触测量，具有很高的测量灵敏度和精度。干涉测量应用范围十分广泛，可用于位移、长度、角度、面形、介质折射率的变化及振动等方面的测量。在测量技术中，常用的干涉仪有迈克尔逊干涉仪、马赫-泽德干涉仪、菲索干涉仪、泰曼-格林干涉仪等；70年代以后，抗环境干扰的外差干涉仪(交流干涉仪)发展迅速，如双频激光干涉仪等；近年来，光纤干涉仪的出现使干涉仪结构更加简单、紧凑，干涉仪性能也更加稳定。 激光检测学科发展现状在光电检测领域，利用光的干涉、衍射和散射进行检测已经有很长的历史。由泰曼干涉仪到莫尔条纹，然后到散斑，再到全息干涉，出现了一个个干涉场，物理量（如位移、温度、压力、速度、折射率等）的测量不再需要单独测量，而是整个物理量场一起进行测量。自从激光出现以后，电子学领域的许多探测方法（如外差、相关、取样平均、光子计数等）被引入，使测量灵敏度和测量精度得到大大提高。用激光检测关键技术(激光干涉测量技术、激光共焦测量技术、激光三角测量技术)实现的激光干涉仪、激光位移传感器等，可以完成纳米级非接触测量。可以说，超精密加工技术将随着高精密激光检测技术的发展而发展；在此基础上，提出了激光测量需解决的关键技术及今后的发展方向。 三、主要应用 1、激光干涉在长度测量中的应用 高精度7m万能测长机是一种由激光干涉系统、光学高精度系统、精密机械、电气驱动、微机控制和计量管理相结合的大型长度计量仪器，其结构如图2-10所示。光学测量原理在前面已经论述，测量原理图所示。如图
光学三维测量技术综述 1．引言 客观景物三维信息的获取是计算机辅助设计、三维重建以及三维成像技术中的基础环节，被测物体的三维信息的快速、准确的获得在虚拟现实、逆向工程、 生物与医学工程等领域有着广泛的应用[1]。 三维测量方法总的包括两大类，接触式以及非接触式。如图 1.1 所示。 图1.1 三维测量方法分类 接触式的三维测量方法到目前为止已经发展了很长一段时间，这方面的技术理论已经非常完善和成熟，所以，在实际的测量中会有比较高的准确性。但是尽 管如此，依然会有一些缺点[2]： (1) 在测量过程中，接触式测量必须要接触被测物体，这就很容易造成被测物体表面的划伤。 (2) 接触式测量设备在经过长时间的使用之后，测量头有时会出现形变现象，这无疑会对整个测量结果造成影响。 (3) 接触式测量要依靠测量头遍历被测物体上所有的点，可见，其测量效率还是相当低的。 接触式三维测量技术发展已久，应用最广泛的莫过于三坐标测量机。该方法基于精密机械，并结合了当前一些比较先进技术，如光学、计算机等。并且该方法现在已经得到了广泛的应用，特别是在一些复杂物体的轮廓、尺寸等信息的精确测量上。在测量过程中，三坐标测量机的测量头在世界坐标系的三个坐标轴上都可以移动，而且测量头可以到达被测物体上的任意一个位置上，只要测量头能到达该位置，测量机就可以得到该位置的坐标，而且可以达到微米级的测量精度。但由于三坐标机测量系统成本较高，加之上述的一些缺点，广泛应用还不太现实。 非接触式三维测量技术一般通过利用磁学、光学、声学等学科中的物理量测量物体表面点坐标位置。核磁共振法、工业计算机断层扫描法、超声波数字化法
光学三维测量技术综述 Prepared on 24 November 2020
光学三维测量技术综述 1．引言 客观景物三维信息的获取是计算机辅助设计、三维重建以及三维成像技术中的基础环节，被测物体的三维信息的快速、准确的获得在虚拟现实、逆向工程、生物与医学工程等领域有着广泛的应用。 三维测量方法总的包括两大类，接触式以及非接触式。如图所示。 图三维测量方法分类 接触式的三维测量方法到目前为止已经发展了很长一段时间，这方面的技术理论已经非常完善和成熟，所以，在实际的测量中会有比较高的准确性。但是尽管如此，依然会有一些缺点： (1) 在测量过程中，接触式测量必须要接触被测物体，这就很容易造成被测物体表面的划伤。 (2) 接触式测量设备在经过长时间的使用之后，测量头有时会出现形变现象，这无疑会对整个测量结果造成影响。 (3) 接触式测量要依靠测量头遍历被测物体上所有的点，可见，其测量效率还是相当低的。 接触式三维测量技术发展已久，应用最广泛的莫过于三坐标测量机。该方法基于精密机械，并结合了当前一些比较先进技术，如光学、计算机等。并且该方法现在已经得到了广泛的应用，特别是在一些复杂物体的轮廓、尺寸等信息的精确测量上。在测量过程中，三坐标测量机的测量头在世界坐标系的三个
坐标轴上都可以移动，而且测量头可以到达被测物体上的任意一个位置上，只要测量头能到达该位置，测量机就可以得到该位置的坐标，而且可以达到微米级的测量精度。但由于三坐标机测量系统成本较高，加之上述的一些缺点，广泛应用还不太现实。 非接触式三维测量技术一般通过利用磁学、光学、声学等学科中的物理量测量物体表面点坐标位置。核磁共振法、工业计算机断层扫描法、超声波数字化法等非光学的非接触式三维测量方法也都可以测量物体的内部及外部结构的表面信息，且不需要破坏被测物体，但是这种测量方法的精度不高。而光学三维轮廓测量由于其非接触性、高精度与高分辨率,在CAD /CAE、反求工程、在线检测与质量保证、多媒体技术、医疗诊断、机器视觉等领域得到日益广泛的应用,被公认是最有前途的三维轮廓测量方法。由于光不能深入物体内部，所以光学三维测量只能测量物体表面轮廓，因此，本文中所言光学三维测量即指光学三维轮廓测量，此后不再单独解释。 光学三维测量技术总体而言可以分为主动式光学三维测量和被动式光学三维测量，根据具体的原理又可以分为双目立体视觉测量法、离焦测量法、飞行时间法、激光三角法、莫尔轮廓术和结构光编码法等。下面就刚刚提到的几种光学三维测量技术的原理进行逐一讲解。
1.1 干涉测量基本原理 干涉测量是基于光波叠加原理，在干涉场中产生亮暗交替的干涉条纹，通过分析处理干涉条纹来获取被测量的有关信息。 当两束光满足频率相同、振动方向相同以及初相位差恒定的条件时，两支光会发生干涉现象。在干涉场中任一点的合成光强为[12]： ? ++=λ π 2cos 22121I I I I I 式中，?为两束光到达某点的光程差；1I 、2I 分别为两束光的光强；λ为光波长。 干涉条纹是光程差相同点的轨迹，以下两式分别为亮纹和暗纹方程 λm =? λ ??? ? ? +=?21m 式中，m 为干涉条纹的干涉级 干涉仪中两支光路的光程差?可表示为 ∑∑-= ?j j j i i i l n l n 式中，i n 、j n 分别为干涉仪两支光路的介质折射率；i l 、j l 分别为干涉仪两支光路的几何路程。 当把被测量引入干涉仪的一支光路中，干涉仪的光程差则发生变化，干涉条纹也随之变化。通过测量干涉条纹的变化量，可以获得与介质折射率n 和几何路程l 有关的各种物理量和几何量。 1.2 多光束干涉中反射率之间的关系 为测量被测表面的微观高度信息，在被测物上方置一石英玻璃片，以其下表面作为参考平面，如图2-1所示，石英玻璃片的下表面GS 和被测物的上表面OS 之间的空气会形成很薄的一层膜。现假设石英玻璃片的下表面为理想平面，且与被测表面接近平行，当间距为纳米量级，则可以通过测量空气薄膜各点处的厚度来间接获取被测表面的微观高度信息[13]。 当一束光从石英玻璃片上方入射到其内部后，在玻璃碟的下表面和被测物的上
表面间会发生多次反射和透射。设石英玻璃片和两面间空气的折射率分别为n g 和n a ；GS 面和OS 面的反射率分别为r g 和r s ；石英和空气的透射率分别为t g 和t ′g ，记入射光振幅为A 0，反射和折射光分别为A 1、A 2、A 3…。 图2-1 多光束在薄膜内的传播 从图2-1不难看出，在GS 的反射光束族中，后一光束均比前一光束多经历了 光程i H n a cos 2=?，考虑到正入射以及反射面所引起的附加相位移Φs [14－ 17]， 其相应于光程差的相位总延迟量为： s a H n Φ+= λ πδ4 (2-1) 其中： (2-2) 设入射光在初始入射点处的初相为零，即入射光复振幅为 A Ae E i ==?00~ 则各反射光束的复振幅分别为： ...... ~~~~32 3 4 22 321δ δδ i g g s g i g g s g i g s g g e t r r t A E e t r r t A E e t r t A E Ar E ''=''='== 故反射光的合成复振幅为： n a n g )() (**2tan 2 22 1 s s a s s a s a s a g g s s a s a s ik n n ik n n r n n n n r k n n k n +++-=+-=??? ? ??---=Φ-π
光学测量的基本知识 一.典型的光学测试装置-----光具座 光具座的类型一般以其上的平行光管EFL的长短来区分,例如: GXY---08A型之EFL=1200mm. 我们的光具座:MSFC---Ⅳ型有3个准直镜头, EFL1=550mm,F/NO=10 EFL2=200.61mm,F/NO=4 EFL3=51.84mm,F/NO=4 其组成如下:1.平行光管. 2.透镜夹持器. 3.V型座. 4测量显微镜. 5.导轨底座. 6.光源. 7. 光源变压器. 8.光源调压器. 9.附件. 1.平行光管 又称准直仪,它的作用是提供无限远的目标或给出平行光.其组成如下: 物镜EFL=550mm 分划板 分划板的形式有多种,例如(1)十字或十字刻度分划板,(2)分辨率板,(3)星点板, (4)玻罗板(PORRO). 2.透镜夹持器 用来夹持被测镜片或镜头,並保持光轴的一致性. -1-
3.V型座 用来放置EFL=200.61mm和EFL=51.84mm准直物镜, 並保持光轴一致性. 4.测量显微镜 是一个带有目镜测微器的显微镜. 用来进行各种测量. 目镜测微器有多种.最常用的是螺杆目镜测微器,其螺距为0.02mm,则每格值为 0.002mm. 5.导轨底座 导轨很精密,用它把1.平行光管. 2.透镜夹持器. 3.V型座. 4测量显微镜等联在一起,称为光具座. 6.附件:各种倍数和不同数值孔径的显微镜物镜,各种分划板. 光具座主要测量(1)正,负透镜和照相物镜,望远物镜的焦距(EFL). (2)正,负透镜和照相物镜,望远物镜的截距(BFL) (3)检测照相物镜,望远物镜的分辨率. (4)检测照相物镜,望远物镜的星点. (5) 照相物镜,望远物镜的F/NO. (6)加上其它光学器件和机械装置,可以组成多种 光学测量装置. -2-