2 实验目的
① 深入了解迈克尔逊干涉仪的构造和原理
② 用迈克尔逊干涉仪调出白光的干涉条纹 ③ 对白光想干性进行研究
④ 用迈克尔逊干涉仪测量白炽灯的白光的波长 实验仪器
① 迈克尔逊干涉仪。 ② 半导体激光器。 ③ 白炽灯。
实验要求
① 用迈克尔逊干涉仪调出激光干涉条纹 ② 在此基础上用迈克尔逊干涉仪调出白光干涉条纹 ③ 分析白光干涉的特点，估计白光相干长度
实验原理
图1是迈克尔逊干涉仪的光路图。从光源 S 发出的光束射到玻璃板G1上，G1的前后 两个表面严格平行，后表面镀有铝或银的半 反射膜。光束被半反射膜分为强度相同的两
支，图中用（1）表示反射的一支，用（2）表
示透视的一支。因为G1和平面M1与M2均成45度角，所以两光束分别近于垂直入射到 全反镜M1与M2上。两光束经反射后在E 处 相遇，形成干涉条纹。G2为一补偿板，其材 料和厚度与G1相同，方向也与G1严格平行。 G2的作用是补偿光束（2）的光程，使光束（2） 和光束（1）在玻璃中的光程相等（都通过玻璃 3次）。反射镜M2是固定的，反射镜M1可在 精密导轨上前后移动以改变两束光之间的光程 差。M1的移动采用涡轮蜗杆传动系统，其最小 分度为0.0001mm ，可估读到0.00001mm 。反射 镜M1,M2的背面各有三个螺丝，用以调节M1， M2平面的倾斜度。反面镜M2的下端还附有两 个方向互相垂直的微调螺丝，用以精确地调节反 光镜M2的倾斜角。
实验步骤
3
（一）调节迈克尔逊干涉仪，在毛玻璃屏上的观察到干涉条纹
①两束光之间的光程差要小于光源的想干长度才能干涉。干涉仪M1的位置应该在30mm
左右（从干涉仪左侧的毫米刻度尺上读出）。
②两束光之间的夹角必须很小，干涉条纹才比较宽，眼睛才能分辨，所以必须耐心细致的
调节两个平面反射镜，使两束光的夹角非常小。
（二）找出半导体激光的干涉图像在此基础上在找白光的干涉条纹
①调节两束光的光程差
（三）测量白炽灯的白光波长
实验处理
读数为30.37627mm
估计白光波长为578nm
12.31 下午
调出15：59
迈克尔孙干涉仪 测波长实验报告 班级:计科(2) 学号:090601247 姓名:殷王佳 实验名称:迈克尔孙干涉仪测白光波长 实验目的:1、了解迈克尔孙干涉仪的结构、工作原理和实际应用 2、迈克尔孙干涉仪的调节出白光的干涉条纹 3、用迈克尔孙干涉仪调出激光干涉条纹 4、在上基础上调出白光干涉条纹 5、对白光的相干性进行研究 实验仪器:1、迈克尔孙干涉仪2、半导体激光器3、白炽灯 实验原理：右图为迈克尔孙干涉仪的光路图。从光源S发出的光束射到玻璃板G1上，Ｇ１的前后两个表面严格平行，后比表面镀有铝或银的半反射膜。光束被半反射膜分为强度相同的两支，图中（１）表示反射光，（２）表示透射光，两光经全反镜Ｍ１和Ｍ２反射后，再在Ｅ处相遇，形成干涉条纹。Ｇ２为一补偿板。 （一）干涉图样的形成和分类：迈克尔孙干涉仪所产生的两相干光束是从Ｍ１和Ｍ２反射而来，因此可先画出Ｍ２被Ｇ１反射所成的虚像Ｍ２＇，研究干涉花样时，Ｍ２＇和Ｍ２完全等效。（1）点光源产生的非定域干涉花样：光程差最大时，圆心所对应的级次最高，每生出一个或消失一个圆环，相当于两光距离改变了一个波长，即Ｍ１移动了半个波长。设Ｍ１移动了距离，相应的生出或消失的圆环数目为Ｎ，则有： （1）等倾干涉花样：此时Ｍ１与Ｍ２＇互相平行，如图，入射光经Ｍ１和Ｍ２＇反射成为（１）（２），且相互平行，两光线的光程差. （2）等厚干涉花样：当Ｍ１和Ｍ２＇有一个很小的夹角时，Ｍ１与Ｍ２＇之间形成楔形空气薄层，就会出现等厚干涉条纹，如图所示。如果入射角不大，则
实验步骤： （１）调节迈克尔孙干涉仪，在毛玻璃屏上观察到干涉条纹。 ａ．两束光之间的光程差要小于光源的相干长度才能干涉。干涉仪上Ｍ１的位置应该在３０毫米左右（从干涉仪左侧的毫米刻度尺上读出）。 ｂ．两束光之间的夹角需很小，干涉条纹才比较宽，眼睛才能分辨。把半导体激光器前面的扩束镜转向下方，未经扩束的激光Ｍ１和Ｍ２反射后在毛玻璃片上形成两个光斑，调节Ｍ１和Ｍ２后面的螺丝，使这两个光斑严格重合，此时两光之间的夹角就很小了。把扩束镜转向上方，让激光扩散成发散光束。这时，毛玻璃屏上应可观察到干涉条纹。 （２）调彩虹条纹 将激光源换成白光，按照调出干涉条纹时微动手轮转动的方向
实验6—5 迈克尔逊干涉仪的原理与使用 一．实验目的 （1）.了解迈克尔逊干涉仪的基本构造，学习其调节和使用方法。 （2).观察各种干涉条纹,加深对薄膜干涉原理的理解。 （3).学会用迈克尔逊干涉仪测量物理量。 二．实验原理 1．迈克尔逊干涉仪光路 如图所示,从光源S 发出的光线经半射镜 的反射和透射后分为两束光线,一束向上 一束向右,向上的光线又经M １ 反射回来, 向右的光线经补偿板后被反射镜M2反射回来? 在半反射镜处被再次反射向下，最后两束光线在 观察屏上相遇,产生干涉。 2.干涉条纹 （1).点光源照射——非定域干涉 如图所示，为非定域干涉的原理图。点Ｓ1是光源 相对于M1的虚像，点S ２’是光源相对于M2所成 的虚像。则Ｓ1、S2`所发出的光线会在观察屏上形 成干涉。 当M1和M2相互垂直时,有S1各S2`到点A 的 光程差可近似为： i d L cos 2=? ① 当A 点的光程差满足下式时 λk i d L ==?cos 2 ② A 点为第ｋ级亮条纹。 由公式②知当i 增大时c ｏsi 减小,则k 也减小,即条纹级数变高,所以中心的干涉条纹的级次是最高的 （2)扩展光源照明——定域干涉在点光源之前加一毛玻璃，则形成扩展光源,此时形 成的干涉为定域干涉，定域干涉只有在特定的位置才能看到。 ①．M １与Ｍ2严格垂直时，这时由于d 是恒定的,条纹只与入射角i 在关，故是等倾干涉 ②．M １与M2并不严格垂直时，即有一微小夹角,这种干涉为等厚干涉。当Ｍ１与M2夹角很小,且入射角也很小时,光程差可近似为 )21(2)2sin 1(2cos 222 i d i d i d L -≈-=≈?③ 在M1与Ｍ２`的相交处,d ＝0,应出现直线条纹,称中央条纹。 ３．定量测量 (1).长度及波长的测量 由公式②可知,在圆心处i ＝0 0， ｃosi=1,这时 λk d L ==?2 ④ 从数量上看如ｄ减小或增大N 个半波长时,光程差L ?就减小或增大N 个整波长，对应
垂直扫描白光干涉法测量技术 垂直扫描白光干涉法是干涉法的基础上发展起来的一种光学非接触测量方法。结合了白光干涉显微技术和相移干涉技术，也被称为白光干涉条纹扫描法、相干检测法等。 光的干涉是光在传播过程中呈波动性的重要现象之一，1801年，杨氏双缝实验历史长第一次用实验显示了光的干涉现象，其设计构思的精巧之处在于从同一波阵面上取得了两个波源。随后，相继出现了很多类似原理的实验装置。目前，相干光的应用已经遍及各个领域，如光相干探测、相干光通信以及在遥感领域和军事领域的应用等。 光的干涉现象时光的波动性的表现。光的干涉产生干涉条纹，表现为光在遇到障碍物时候出现光的强度或明暗，在空间稳定分布的现象。两束光在相遇的区域内形成稳定的明暗交替或彩色条纹的现象成为光的干涉现象。例如：双缝干涉中将S光源发出的一束光通过S1、S2的双狭缝，分离出两个很小的部分作为相干光源，这两束光为同一光源发出，所以频率，相位都相等。由于两束光源到屏幕上的任意点的距离不等，所以当两束光在屏幕相遇时，相位相等的点就呈现出叠加加强的现象，显示为亮点，而相位相反的点则相互抵消，就显示为暗点。这样在双缝后面的幕上就呈现了明暗相间的条纹——干涉图样，如图1。对干涉现象的产生完全可按照矢量波的合成来分析。显然，不满足相干条件的几列波虽能叠加，但不能干涉。 图1 白光光源包含了整个可见光谱区域的光谱成分，自红光至紫光，波长为4000~7000?，光谱宽度很大，相干长度很长，大约几个微米。只有光程差很小时，两束光才能发生干涉，白光中不同波长的光将产生各自的一组干涉条纹。因
为干涉条纹的间距与光的波长有关，当光程差为零时，白光光谱内各个谱线双光束干涉的零级条纹完全重合，各种波长的光重叠形成白光干涉对比度最大的白色零级条纹，此处可以认为是最佳干涉位置。随着光程差的不断增加，不同波长的干涉条纹光强的极小值相继出现，此是条纹宽度相差较小，重叠后的干涉条纹颜色为黑色。继续增大光程差，不同波长的干涉条纹光强的极大值不断出现，呈现出彩色条纹。由于各波长干涉条纹的错开会使条纹对比度逐步下降，到一定程度时干涉条纹将消失，如图2所示。白光干涉条纹的影响因素较多，光源的特性和两束相干光的强弱影响干涉条纹的对比度，干涉光路的设计决定了干涉条纹的宽度和颜色分布。 图2 干涉显微镜是干涉仪和显微镜的组合，利用干涉条纹的弯曲量来测量表面的微观不平度。与其他光学技术相比，干涉显微镜具有较高的放大倍数和分辨率，而且表面信息直观，测量精度很高。图3为Mirau型干涉显微镜。 图3
一文读懂白光干涉原理 在白光干涉中，光谱中各色光都有可能参加干涉，并将干涉光强叠加到最后形成的干涉图样上，因此在表面形貌测量中白光干涉形成的干涉条纹是由各色光干涉图样叠加形成的。被测表面的深度不同，两束光的干涉光强不同，干涉条纹的对比度不同，组成干涉条纹的光谱成分也不同。可见，在白光干涉表面形貌测量中，被测表面的深度信息被调制到干涉图样的强度、对比度及光谱成分等信息中，因此可利用干涉图样的强度、对比度以及光谱成分信息扩展深度测量范围。1.干涉条纹扫描法 干涉条纹扫描法扩展深度测量范围的理论根据是被测表面上各点深度不同所形成的干涉光强不同。在双光束干涉显微镜中，如果从分束器到被测表面上某一点的距离等于从分束器到参考面的距离，那么对应的两束干涉光的光程差为0，所形成的干涉光强最小(或最大)。如果用压电陶瓷(PZT)等微位移驱动器沿光轴方向移动样品台或参考镜进行扫描，那么干涉图样上每一点的强度将随着变化。在扫描时，如果记录下或计算出被测面上每一点对应的干涉光强达到最小(或最大)时微位移驱动器的位置，那么在完成扫描后各点间的深度就能计算出来。对于一个具体的干涉显微系统，用干涉条纹扫描法测量形貌，其深度测量范围与干涉光频谱成分有关，大小与干涉长度的一半相当；深度测量分辨率与干涉图样测量系统的分辨率有关，取决于A／D 转换器的位数，可达纳米量级；而测量精度则取决于微位移驱动器。恰当的数据处理方法也可以提高分辨率以及测量精度。 2.干涉条纹对比度法 在白光干涉中，两束相干光形成的干涉光强可表达成一般的形式： Φ Φ++=cos )(**2m S R S R I 式中，R 和S 是两束相干光的光强，Φ是与被测表面深度有关的位相，m 可看作是对比度，它与位相Φ干涉光频谱成分有关。如果干涉图样没有剪切并且干涉光频谱曲线是平滑的，那么m 与位相之间或与被测表面深度之间存在着一一对应的关系。当分束器到被测表面上某一点的距离等于分束器到参考面的距离时，值最大且近似等于1；当距离之差超过干涉光相干长度时，m 值最小，等于0。 由于在一定条件下条纹对比度m 与被测表面深度之间存在着一一对应的关系，因此如果通过某种方法测出m，便可测出被测表面的高度信息。?90相移法便是其中一种典型的测量方法。其原理是，首先测出一幅干涉图样，然后相移?90，测出另一幅干涉图样，从干涉图样中去掉直流成分分量，算出)cos()(??m 和))sin(2m(?π?+，再根据)cos()(??m 和
一文读懂白光干涉仪 SuperView W1白光干涉仪是一款用于对各种精密器件及材料表面进行亚纳米级测量的检测仪器。它是以白光干涉技术为原理、结合精密Z向扫描模块、3D 建模算法等对器件表面进行非接触式扫描并建立表面3D图像，通过系统软件对器件表面3D图像进行数据处理与分析，并获取反映器件表面质量的2D、3D参数，从而实现器件表面形貌3D测量的光学检测仪器。 白光干涉仪原理 光源发出的光经过扩束准直后经分光棱镜后分成两束，一束经被测表面反射回来，另外一束光经参考镜反射，两束反射光最终汇聚并发生干涉，显微镜将被测表面的形貌特征转化为干涉条纹信号，通过测量干涉条纹的变化来测量表面三维形貌。
白光干涉仪应用 SuperView W1白光干涉仪可广泛应用于半导体制造及封装工艺检测、3C电子玻璃屏及其精密配件、光学加工、微纳材料及制造、汽车零部件、MEMS器件等超精密加工行业及航空航天、国防军工、科研院所等领域中。可测各类从超光滑到粗糙、低反射率到高反射率的物体表面，从纳米到微米级别工件的粗糙度、平整度、微观几何轮廓、曲率等，提供依据ISO/ASME/EUR/GBT四大国内外标准共计300余种2D、3D参数作为评价标准。 应用范例： 白光干涉仪性能特色 1、高精度、高重复性
1）采用光学干涉技术、精密Z向扫描模块和优异的3D重建算法组成测量系统，保证测量精度高； 2）独特的隔振系统，能够有效隔离频率2Hz以上绝大部分振动，消除地面振动噪声和空气中声波振动噪声，保障仪器在大部分的生产车间环境中能稳定使用， 获得极高的测量重复性； 2、一体化操作的测量分析软件 1）测量与分析同界面操作，无须切换，测量数据自动统计，实现了快速批量测量的功能； 2）可视化窗口，便于用户实时观察扫描过程； 3）结合自定义分析模板的自动化测量功能，可自动完成多区域的测量与分析过程； 4）几何分析、粗糙度分析、结构分析、频率分析、功能分析五大功能模块齐全； 5）一键分析、多文件分析，自由组合分析项保存为分析模板，批量样品一键分析，并提供数据分析与统计图表功能； 6）可测依据ISO/ASME/EUR/GBT等标准的多达300余种2D、3D参数。 3、精密操纵手柄 集成X、Y、Z三个方向位移调整功能的操纵手柄，可快速完成载物台平移、Z向聚焦、找条纹等测量前工作。 4、双通道气浮隔振系统 既可以接入客户现场的稳定气源也可以采用便携加压装置直接加压充气的双通道气浮隔振系统，在无外接气源的条件下也可稳定工作。 白光干涉仪主要技术指标：
白光干涉表面三维轮廓仪原理及应用 表面三维微观形貌测量意义 在生产中，表面三维微观形貌对工程零件的许多技术性能的评价具有最直接的影响，而且表面三维评定参数由于能更全面、更真实地反映零件表面的特征及衡量表面的质量而越来越受到重视，因此表面三维微观形貌的测量就越显重要。通过对三维形貌的测量可以比较全面地评定表面质量的优劣，进而确认加工方法的好坏及设计要求的合理性，这样就可以反过来通过指导加工、优化加工工艺以加工出高质量的表面，确保零件使用功能的实现。 表面三维微观形貌的测量方法非常丰富，通常可分为接触式和非接触式两种，其中以非接触式测量方法为主。下面介绍其中一种近年来国际上研究比较多的、发展也相对比较成熟的技术：扫描白光干涉法测量表面三维微观形貌技术。 白光干涉扫描原理 在利用白光干涉测量表面三维形貌的过程中，对于被测表面上某一点来说，为了定位其零光程差位置，必须采用某种扫描方式改变参考镜或者被测表面的位置，以此来获得该点光强变化的离散数据，然后依据白光干涉的典型特征来判别并提取最佳干涉位置。因此称这种方法为扫描白光干涉测量法。 图1(a)所示为白光干涉仪架构图，图1(b)所示为仪器测量原理图，光学系统可采用基本的Michelson式干涉仪结构，只是在参考镜后安装有微驱动装置．而被测表面代替了另一个反射镜。测量时通过计算机控制徽驱动装置的进给带动参考镜的进给，这样被测样本表面的不同高度平面就会逐渐进入干涉区，如果在充足的扫描范围内进给，被测样本表面的整个高度范围都可以通过最佳干涉位置。将每步的干涉图样由图像传感器(CCD摄像头)采集，视频信号通过图像采集卡转换成数字信号并存储于计算机内存中，利用与被测面对应的各像素点相关的干涉数据，基于白光干涉的典型特征，通过采用某种最佳干涉位置识别算法对干涉图样数据进行分析处理，提取出特征点位置（最佳干涉位置J，进而就很容易得到各像素点的相对高度，这样便实现了对三维形貌的测量。
白光干涉仪工作原理 白光干涉仪是一款用于对各种精密器件及材料表面进行亚纳米级测量的检测仪器。它是以白光干涉技术为原理、结合精密Z向扫描模块、3D 建模算法等对器件表面进行非接触式扫描并建立表面3D图像，通过系统软件对器件表面3D图像进行数据处理与分析，并获取反映器件表面质量的2D、3D参数，从而实现器件表面形貌3D测量的光学检测仪器。 白光干涉仪可广泛应用于半导体制造及封装工艺检测、3C电子玻璃屏及其精密配件、光学加工、微纳材料及制造、汽车零部件、MEMS器件等超精密加工行业及航空航天、国防军工、科研院所等领域中。可测各类从超光滑到粗糙、低反射率到高反射率的物体表面，从纳米到微米级别工件的粗糙度、平整度、微观几何轮廓、曲率等，提供依据ISO/ASME/EUR/GBT 四大国内外标准共计300余种2D、3D参数作为评价标准。 白光干涉仪工作原理 白光扫描干涉测量法是一种非接触的测量方式，通过干涉条纹，来比较样品测试表面跟理想参考面的偏差。 白光干涉扫描对于测量粗糙，不连续表面很有帮助。因为白光扫描的测试结果是基十每个像素点上的光强信号单独分析，其结果是基于绝对物理高度的结果。单波长激光干涉系统在测量粗糙样品时，就没有这样的优点，移相法在处理每个像素的数据时候会结合邻近像素
相位结果，并且得到的原始结果是基十相位的而不是物理距离。这使在测量处理粗糙样品表而的数据时候，白光干涉扫描具有很大优势，能测量粗糙或者有台阶跳跃结构的表而；而在测量光滑样品表面时，单色光移相法则相对具有速度快的优势。 正如上图所示，每条信号线代表了每个像素在扫描过程中光强信号的变化。 ·每条信号线包络的峰值即为这个像素的完美等光程点。 ·每个像素点的物理绝对高度都是以这个等光程点为参考的。 ·如图把等光程点连接起来就形成了样品表而的而形。
白光干涉仪的工作原理 测控3班姓名：陈超学号：20090106 干涉仪是一种对光在两个不同表面反射后形成的干涉条纹进行分析的仪器。其基本原理就是通过不同光学元件形成参考光路和检测光路。干涉仪是利用干涉原理测量光程之差从而测定有关物理量的光学仪器。两束相干光间光程差的任何变化会非常灵敏地导致干涉条纹的移动，而某一束相干光的光程变化是由它所通过的几何路程或介质折射率的变化引起，所以通过干涉条纹的移动变化可测量几何长度或折射率的微小改变量，从而测得与此有关的其他物理量。测量精度决定于测量光程差的精度，干涉条纹每移动一个条纹间距，光程差就改变一个波长(～10-7米)，所以干涉仪是以光波波长为单位测量光程差的，其测量精度之高是任何其他测量方法所无法比拟的。 白光干涉仪利用时间相关性非常低的白光通过分光板作为参考光和样品照射光，两路光束很容易被测量。接着光经过反射，相互叠加干涉，记录下干涉图，同时开始高低形貌的测量，物镜在Z轴方向上不断微小的移动，在每个移动位置上都会拍照记录，收集图片用于形成整个三维形貌数据。由于白光有低的相关性，白光干涉仪的特点就是高分辨率逐层地测量反光粗糙面。 白光干涉仪的主要功能：观察、分析、应用特点： 1 、非接触式测量：避免物件受损。2 、三维表面测量：表面高度测量范围为1nm ---200μm。 3 、多重视野镜片：方便物镜的快速切换。 4 、纳米级分辨率：垂直分辨率可以达0.1nm。5、高速数字信号处理器：实现测量仅需几秒钟。 6 、扫描仪：闭环控制系统。7、工作台：气动装置、抗震、抗压。8 、测量软件：基于windows 操作系统的用户界面，强大而快速的运算。
光纤白光干涉 摘要 光纤干涉型传感器是光纤传感器中的一个重要分支，而白光干涉测量技术是一种被广泛应用的光学干涉测量技术。白光干涉测量技术应用于光纤干涉型传感器，能够测量光纤干涉仪的绝对光程差，且动态测量范围大，测量分辨率高。本论文分别阐述了扫描白光干涉测量技术和光谱域光纤白光干涉测量技术的原理与研究现状，分析和总结了不同的光纤白光干涉测量的结构和特点。 关键词：光纤传感器；光纤干涉仪；白光干涉测量术； Abstract Fiber optic interferometric sensor is an important branch of the fiber optic sensor. White-light interferometry is a widely used technique of the optical interferometry. The white-light interferometry, which is applied to fiber optic interferometric sensor can measure the absolute optical path difference (OPD) and possess the abilities to provide large dynamic measurement range and high measurement resolution.In this dissertation, the principles and research status of scanning white-light interferometry and spectral-domain optical fiber white-light interferometry are described respectively. The structures and characteristics of different optical fiber white-light interferometry are analyzed and summarized. Keywords:Fiber optic sensor;fiber optic interferometer; white-light interferometry; 1、绪论 光纤传感技术是20世纪70 年代末新兴的一项技术，近年来，光纤传感技术在当代科技领域及实际应用中占有十分重要的地位。光纤具有体积小、质量轻、抗电磁干扰、防腐蚀、电绝缘性好、灵敏度高等优点，可以构成传感网络。光纤传感器的主要工作原理[1]是将来自光源的光信号经过光纤送入调制器，待测物理量与光发生相互作用后，导致光的部分光学性质发生变化（例如光的波长、强度、频率、偏振态、相位等），称为被调制的光信号，信号光再经过光纤送入光探测器通过解调后获得被测参数。 光纤传感器通常可以分为强度调制型光纤传感器，光纤光栅传感器（波长调
白光干涉 1.白光干涉相关理论 所谓白光是相对理想单色光的一个概念，是指具有一定谱宽，相干长度较短的低相干光源。相干长度是与光源的时间相干性相关的一个概念，表明光源发出的一束光被延迟后的部分与未被延迟的光束本身在干涉场中相叠加发生干涉的能力。对一准单色光，从干涉条纹最清晰到消失所对应的光程差变化长度称为相干长度，相干长度L c 为： 2 c L λλ =? 其中λ为中心波长，?λ为光谱的半高全宽。当光程差大于相干长度时，条纹可见度迅速趋近于0。单色光和白光干涉可用下图表示： 图1光源非单色性对干涉条纹的影响 白光干涉原理是利用白光同调性短不易产生干涉的特性，透过频率与振幅相近的光波，可以形成低同调性白光干涉波包。 各波长同调示意图 白光干涉波包 图2白光干涉波包示意图 低相干光源与单色光源不同，单色光源的条纹对比度在任意光程差内是不变的，因此其动态范围被限制在2π相位内；而低相干光源谱宽?λ内的每一条谱线都各自形成一组干涉条纹，除零光程差位置外，相互有偏移，叠加的效果使整体条纹可见度随光程差的增大而减小，大于相干长度时，干涉现象消失，成为简单的光强叠加。
图3典型低相干光源光谱分布 光场的时间相干性，源于光源的有限光谱宽度。具有有限光谱宽度的光源，它所发出的光可看作许多不同波长的单色光成分的组合，每个单色成分产生各自的干涉图样。当光程差从零开始增大时。因波长不同，各单色条纹图样之间的相对位移不断增大，它们按强度叠加的结果，使合成的干涉条纹的对比度下降。在光频波段里，通常认为?λ～lnm量级的谱线单色性较差；?λ～0.0lnm量级时单色性已较好。干涉条纹的反衬度与光源谱宽相联系，是由相应程序生成的不同线宽对应下的干涉图样，干涉图样条纹反衬度越小。下图是白光干涉时光程差与干涉强度之间关系。可见在0光程差时，干涉强度最大，之后不断减小。 图6 白光干涉时光程差与干涉强度关系 2.迈克尔逊干涉原理 图5迈克尔逊干涉原理图 在干涉仪中，补偿板 G2 的作用是消除分光板分出的两束光Ⅰ和Ⅱ的不对称性。不加
白光干涉仪目前在3D检测领域是精度最高的测量仪器之一，在同等系统放大倍率下检测精度和重复精度都高于共聚焦显微镜和聚焦成像显微镜，在一些纳米级和亚纳米级的超精密加工领域，除了白光干涉仪，其它的仪器无法达到其加工精度要求。 光学显微干涉测量的基本原理： 光源发出的光经过扩束准直后经分光棱镜后分成两束，一束经被测表面反射回来，另外一束光经参考镜反射，两束反射光最终汇聚并发生干涉，显微镜将被测表面的形貌特征转化为干涉条纹信号，通过测量干涉条纹的变化来测量表面三维形貌。 白光干涉三维形貌仪是利用光学干涉原理研制开发的超精密表面轮廓测量仪器。照明光束经半反半透分光镜分成两束光，分别投射到样品表面和参考镜表面。从两个表面反射的两束光再次通过分光镜后合成一束光，并由成像系统在CCD相机感光面形成两个叠加的像。由于两束光相互干涉，在CCD相机感光面会观察到明暗相间的干涉条纹。干涉条纹的亮度取决于两束光的光程差，根据白光干涉条纹明暗度以及干涉条文出现的位置解析出被测样品的相对高度。 白光干涉测量法已被用来测量微间隙的厚度。采用这种方法来颜值浮动块。浮动块作为磁传感器的载体，它与磁盘表面考得很近。如果正确设计浮动块的表面形状，并在其上施加适当的载荷，由于在旋转的盘片上存在附面层，于是在浮动块下形成自起作用的空气轴承。 白光干涉仪的测量应用： 以测量单刻线台阶为例，在检查仪器的各线路接头都准确插入对应插孔后，
开启仪器电源开关，启动计算机，将单刻线台阶工件放置在载物台中间位置，先手动调整载物台大概位置，对准白光干涉仪目镜的下方。 在计算机上打开光学3D表面轮廓仪测量软件，在软件界面上设置好目镜下行的最低点，再微调镜头与被测单刻线台阶表面的距离，调整到计算机屏幕上可以看到两到三条干涉条纹为佳，此时设置好要扫描的距离。按开始按钮，光学3D表面轮廓仪可自动进行扫描测量，测量完成后，软件自动生成3D图像，测量人员可以对3D图像进行数据分析，获得被测器件表面线、面粗糙度和轮廓的2D、3D参数。 光学3D表面轮廓仪具有测量精度高、操作便捷、功能全面、测量参数涵盖面广的优点，测量单个精密器件的过程用时2分钟以内，确保了高效率检测。光学3D表面轮廓仪独有的特殊光源模式，可以广泛适用于从光滑到粗糙等各种精密器件表面的测。
第39卷第11期 光电工程V ol.39, No.11 2012年11月Opto-Electronic Engineering Nov, 2012 文章编号：1003-501X(2012)11-0008-09 Linnik白光干涉仪自动对焦及光程差最小化 李勇，吴奎，卢荣胜，董敬涛 ( 合肥工业大学仪器科学与光电工程学院，合肥 230009 ) 摘要：众所周知由于两个干涉臂光路不匹配和参考镜面与被测表面的离焦，要得到相干长度非常短的Linnik白光干涉仪的干涉条纹是非常困难的。本文提出了一种自动调节的方法来解决这个问题。为了实现参考镜面和被测表面的对焦，在商用DVD读取头的基础上，对其像散法进行改进，具体方法是对和信号SS设定一个阈值，通过此阈值对归一化后的FES曲线(NFES)进行裁剪，从而获得一个与离焦距离成单调关系的曲线(TNFES)，其过零点对应的就是焦点。经过实验证明，改进后的自动对焦系统的动态范围为190 μm，平均灵敏度70 mV/μm，平均标准偏差0.041 μm，分辨率4.4 nm，不确定度55 nm。此外为了最小化两个干涉臂的光程差，本文采用均方根RMSFC 算法来计算成像在CCD上的干涉条纹的对比度，通过找到其最大值来最小化光程差。实验证明本文提出的自动方法可以有效地获得Linnik白光干涉仪的干涉条纹。 关键词：自动对焦；Linnik白光干涉仪；DVD读取头；FES曲线 中图分类号：TP273 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.1003-501X.2012.11.002 Automated Method of Focusing and Minimizing OPD in Linnik White Light Interferometry LI Yong，WU Kui，LU Rong-sheng，DONG Jing-tao ( School of Instrument Science and Opto-electric Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China ) Abstract: It is difficult, as we know, to search for interference fringes in Linnik white light interferometry with an extremely short coherence length because of the optical path mismatch of two interference arms and out of focus of the reference mirror and the test surface. An automated method to tackle this problem is presented. The determination of best foci of the reference mirror and the test surface is implemented by the astigmatic method based on a modified commercial DVD pickup head. The astigmatic method is improved by setting a threshold value in the Sum Signal (SS) to truncate the Normalized Focus Error Signal (NFES). The Truncated NFES (TNFES) has a monotonic relationship with the displacement of the test surface and the zero crossing point identifies true focus. The developed autofocus system is confirmed experimentally with a dynamic range of 190 μm, average sensitivity of 70 mV/μm, average standard deviation of 0.041 μm, displayed resolution of 4.4 nm and accuracy of 55 nm. The minimization of Optical Path Difference (OPD) of two interference arms is carried out by finding the maximum fringe contrast of the image captured by a CCD camera with the Root Mean Square Fringe Contrast (RMSFC) function. Experimental tests show that the automated method can be effectively utilized to search for interference fringes in Linnik white light interferometry. Key words: autofocus; Linnik white light interferometry; DVD pickup head; FES curve 0 引 言 一个典型的Linnik白光干涉仪包括两个相同的显微物镜，并且分别聚焦在参考镜面和被测表面。从两 收稿日期：2012-05-02；收到修改稿日期：2012-06-30 基金项目：国家青年基金资助(50905053) 作者简介：李勇(1975-)，男(汉族)，安徽淮南人。博士，副教授，主要研究方向精密机械与测量。E-mail:liyong_ly123@https://www.doczj.com/doc/fc1831574.html,。
白光干涉 迈克尔逊干涉仪中的两束相干光各有一段光路在空气是分开的，在其中的一支光路中放进被研究对象而不会影响另一支光路，据此，本实验将用它测量透明薄片的厚度或折射率。 ［实验目的］ 1、学习一种测量透明薄片厚度或折合率的方法； 2、进一步了解光的干涉现象及其形成条件； 3、学习调节光路的方法。 ［实验原理］ 首先了解迈克尔逊干涉仪产生等倾干涉和等后干涉的原理（见迈克尔逊干涉其他实验内容）。 迈克尔逊干涉仪作为测量波长的最常见实验仪器，使用氦氖激光器观察非定域干涉条纹或使用钠光源观察定域干涉条纹。通常情况下，我们看到的都是等倾干涉，由于光程差与波长的关系，此时，用白光作光源时，由于各种波长的光所产生的干涉条纹明暗交错重叠，无法观察到可见的条纹。结合迈克尔逊干涉仪产生干涉的原理，可以发现，移动M 1与M 2’大至重合时，视场中会出现直线干涉条纹，我们称之为等厚干涉条纹，此时换上白光光源，即可见到彩色直条纹，其中中央为一黑（暗）条纹，两旁对称分布的彩色条纹，稍远处即看不到任何条纹。所以找到等光程位置，是观察到白光干涉条纹的必要条件。 由式： 2 2 2 2)21(2)2sin 21(2cos 2δδδδd d d d d ?=?≈?==Δ （1）
可知，在中央条纹位置，d δ可忽略，则Δ＝2d ，所以中央为直线条纹。 白光干涉的主要应用内容有对一透明薄片的测量，当正常调出彩色条纹时，我们在光路中放置一折射率为n ，厚度为ι的均匀透明薄片，由于光程发生的改变：Δ′＝l（n-1），原所见的条纹移出视场，将M 1向G 1方向前移Δd＝Δ′/2，使彩色条纹重现，由式： )1(2 ' ?=Δ=Δn d l （2） 给定n ，读出Δd，可计算出透明薄片的厚度ι，反之给定透明薄片厚度ι，可计算出n 。 ［实验步骤］ 1、 按干涉仪说明书，以氦氖激光器作光源为例，用投影屏观察，先调出等倾圆条纹，并使条纹基本居中。 2、 转动粗动手轮，使条纹逐渐变粗，当圆条纹变成直条纹时（从一个弯曲方向向另一个弯曲方向改变时），调节固定镜的两个微调螺钉，使直条纹变成铅垂方向。 3、 移去激光，换用白光光源；移去投影屏，略微转动微动手轮（不能超过一圈，否则说明第2步未调好），转动方向为向观察者方向转（即逆时针方向），直接用眼观察，在视场中可见彩色直条纹。 4、 调节白光光源的调光钮，使看到的彩色条纹具有较好的对比度和适当的 亮度。 5、 仍调节固定镜的两个微调螺钉，使直条纹成铅垂方向（便于确定位置），读出此时位置值d 1。 6、 在移动镜前放置薄片，注意使之尽量与光路垂直，即与移动镜平行，此时彩色条纹消失。
光电仪器与测量专业实验报告实验一：白光干涉仪实验 作者姓名： 作者学号：S Y 电话： 电子邮箱： 学科专业： 培养院系： 年月日
一．白光干涉仪实验 1. 实验目的 （1）了解白光干涉仪的工作原理 （2）了解利用白光干涉仪测量光纤环中应力分布的方法 2. 实验器材 SLD光源、白光干涉仪、起偏器、光纤环、光纤适配器、剥纤钳、酒精瓶、宝石刀、计算机、无尘纸、消光比测试仪，温箱。 3. 实验原理及目的 应力会导致在光纤中传输光波偏振态的变化，通过分布式偏振串扰测试技术可以获得光纤环的应力分布模型，并用于评价光纤环的性能。 白光干涉仪利用麦克尔逊干涉仪作为测量手段，它可以测试光纤环的偏振串扰分布。它采用了宽谱光源，其相干长度很短。在白光干涉仪中，只有当两束光的光程差小于其相干长度时，这两束光才能发生干涉。利用白光干涉仪的这个特点，系统可以确定被测物体中耦合点的位置和强度。也就是，可以测量光路中偏振分布变化情况。在光纤环中，偏振的变化与应力分布对应，因此，白光干涉仪可以从偏振的角度对光纤环应力分布进行测量。原理如图一所示。 输入光波 补偿干涉仪 输入干涉仪 图一白光干涉仪原理
当被测光纤环中存在偏振耦合时，入射光波通过入射干涉仪后分为两路这两路光波位置差与入射干涉仪光程差一致。再通过补偿干涉仪后输出为四路光波。它们的偏振态分别两两正交。两对正交的偏振光波的位置差与补偿干涉仪的光程差一致。这个值是可以改变的，因此，当某一位置发生干涉时，就会被识别。实验系统如图二所示。 图二白光干涉仪检测系统 本实验使学生了解白光干涉仪的基本原理以及测量光纤环应力分布的基本方法，通过本实验的操作，掌握光学系统的基本操作与调试。 4. 实验步骤 （1）将待测光纤环放入温箱中； （2）按设备操作说明开启白光干涉仪； （3）处理光纤环的尾纤端头，安装适配器，将适配器分别与消光比测试仪和起偏器连接； （4）调节起偏器，调出光纤环的最大串音和最高功率值； （5）将与消光比测试仪连接的适配器与白光干涉仪的输入端连接，调节白光干涉
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