1、第九章典型仪器的 原理与分析12 2第九章典型仪器的原理与分析 第一节激光干涉仪 第二节光学轮廓仪*第三节共焦显微镜*第四节投影仪*第五节光谱仪3以干涉仪为代表的光电仪器3干涉基本原理激光光源光强探测器光学系统细分电路多自由度同时探测绝对距离测量可能性：物理原理可行性：基本器件扩展性/适用性：创新设计惊人的发现划时代的发明产品开发研制4 单色光迈克尔逊干涉仪干涉测位移基本原理4参考臂Lr测量臂Lmmr0021 cos 2n LLII理想情况下探测器上光强其中，n为折射率Lm为测量臂单程长度，Lr为参考臂单程长度0为真空中的波长初始干涉条纹级次 K1=2n(Lm-Lr)/05 单色光迈克尔逊干涉
2、仪干涉测位移基本原理5被测面移动距离L探测器光强参考臂Lr测量臂Lm光线往返，n=1：被测面移动L=0/2以 引起相位变化2为周期Lmr00221 cos 2n Ln LLII 被测面移动L6 单色光迈克尔逊干涉仪干涉测位移基本原理6mr00221 cos 2n Ln LLII 被测面移动L参考臂Lr测量臂Lm移动后干涉条纹级次 K2=2nL/0+K1记录干涉级次条纹变化K=K2-K1则K=2nL/0 即 L=K 0/2n7干涉测位移基本原理 任何干涉，通过对条纹数目或数目变化的统计，就能获得以光的波长为单位的对光程差的计量，用于精密测量和产品质量检验。7高精度测量被测面移动距离探测器光强 L
3、=K 0/2n8位移测量直流信号处理 理想情况下幅值均一正弦周期信号 条纹整周期K被测面移动半波长K倍8被测面移动距离探测器光强 小数部分？n相位恢复（Phase retrieval）问题n数学、物理、电子学普遍问题p电子细分：4倍频，8倍频，512倍频p移相法/傅里叶变换法 L=K 0/2n9位移测量干涉仪分辨率9分辨率分辨率年份年份技术技术/81965商用直流干涉系统/161970商用交流干涉系统/512198720MHz外差干涉系统/20481996电子细分10位移测量直流干涉仪精度分析 直流干涉仪测位移公式其中L为被测位移，K为变化的干涉条纹数，n为介质折射率，0为激光在真空中的波长
4、误差来源干涉条纹计数误差K折射率相对误差n/n稳频相对误差/均为随机误差，总误差 L=?10 L=K 0/2n11位移测量直流干涉仪精度分析 第一步：写出完整的作用方程式11 L=K 0/2n=(K2-K1)0/2n其中，初始干涉条纹级次 K1=2n(Lm1-Lr)/0终止干涉条纹级次 K2=2n(Lm2-Lr)/012位移测量直流干涉仪精度分析 第二步：微分法得到误差作用系数折射率相对误差n/n稳频相对误差0/0干涉条纹计数误差K12011-22KKnnn00201-22K Kn032KnLnLL=K 0/2n=(K2-K1)0/2n13位移测量直流干涉仪精度分析 第三步：随机误差合成注意：
5、Ln为测量过程中空气中的单程光程差最大值L为测量过程中所有媒质中的单程光程差最大值1322220002ininLLLKnn 14计算实例 各项误差折射率相对误差n/n=106稳频相对误差0/0=106干涉条纹计数误差K=104 总误差Ln=L=L=106 m时，L=3.21011 mLn=L=L=1 m时，L=1.4106 m142222002ininLLLKnn 15位移测量干涉仪设计原则 消除误差被测位移短时，提高测相/干涉条纹计数精度被测位移长时，提高折射率精度和波长稳定性 优化光路等光程：使参考光路和测量光路尽可能等光程且元件类似共路：选用参考光路与测量光路尽可能重合的光路结构（斐索干
6、涉仪）152222002ininLLLKnn 16偏振干涉仪 利用偏振完成光路控制方法：目标前放置四分之一波片+偏振分光棱镜 透光反，反光透结合角锥棱镜：光线平行原路返回附带优点：抑制杂散光，信噪比高1617面形测量干涉仪理想干涉条纹M1M2参考面被测面M2 泰曼-格林干涉仪测量被测面M2相对参考面M1的面形 结构特点：单色光准直照明，等厚干涉条纹参考与被测臂不共光路18面形测量干涉仪 斐索平面干涉仪P-Q之间形成空气平板，测量Q的表面平面度或局部误差 结构特点单色光准直照明，等厚干涉条纹测量与参考臂准共路分光镜标准平板被测平板准直镜19面形测量干涉仪 斐索干涉图的调整（假设P、Q均为理想平面
7、）光强一片均匀P、Q完全平行平行等距直条纹P、Q存在一定夹角 夹角增大，条纹变密圆条纹准直有误差，等倾干涉1920面形测量干涉仪 斐索平面干涉仪Q存在面形误差时，干涉条纹的判读被测面是平面，平行等距直条纹被测面不平整，等厚线状条纹根据条纹弯曲方向和弯曲量检测表面缺陷标准平板被测平板2凹陷Hhe 21以色散为基本原理的光谱仪21折射或衍射的基本原理分光元件（棱镜或光栅）阵列光强探测器（准直及聚焦）光学系统狭缝小型化，便携高分辨率大光谱范围可能性：物理原理可行性：基本器件扩展性/适用性：创新设计光纤光谱仪成像光谱仪22以干涉为基本原理的光谱仪22干涉基本原理激光光源光强探测器光学系统相位扫描系统便
8、携性，鲁棒性高速度宽光谱测量可能性：物理原理可行性：基本器件扩展性/适用性：创新设计傅里叶变换（红外）光谱仪23光谱仪的实际应用23光谱仪应用很广，在农业、天文、汽车、生物、化学、镀膜、色度计量、环境检测、薄膜工业、食品、印刷、造纸、喇曼光谱、半导体工业、成分检测、颜色混合及匹配、生物医学应用、荧光测量、宝石成分检测、氧浓度传感器、真空室镀膜过程监控、薄膜厚度测量、LED测量、发射光谱测量、紫外/可见吸收光谱测量、颜色测量等领域应用广泛。24光谱仪的分类 分解光谱的工作原理经典光谱仪：空间色散原理；新型光谱仪：调制原理 工作光谱范围红外光谱仪、可见光光谱仪和紫外光谱仪 分光技术原理棱镜光谱仪、
9、光栅光谱仪和干涉光谱仪 仪器功能和结构单色仪、摄谱仪、分光光度计、调制光谱仪、成像光谱仪等。2425光谱仪的基本组成25HL1SL2GL3PM光源和照明系统准直系统色散系统成像系统接收系统12326光谱仪的基本组成 光源和照明系统光源H可以是研究对象，也可以用来照射和激发被研究物质当研究物质本身的发射谱时（物质本身自己向外辐射光波），光源是被研究对象；在研究物质的吸收、喇曼散射和荧光效应时，光源作为研究的工具照射被研究物质。聚光镜L1用来会聚光辐射能量并传递给准直系统。所有光谱仪的照明系统要求聚光透镜会聚能力强，并与仪器的相对孔径相匹配。2627光谱仪的基本组成 准直系统由入射狭缝S和准直物镜
10、L2组成。入射狭缝位于准直物镜的焦平面上，它限制了进入仪器的光束，使S处的线光源成为实际的光源。由狭缝处发出的光束经过准直物镜后变成平行光束投向色散系统。2728光谱仪的基本组成 色散系统光谱仪的核心部分，色散元件G将入射平行光束色散成按波长排列的光谱。常用的色散元件有棱镜、平面光栅、干涉仪等，相应的光谱仪称为棱镜光谱仪、光栅光谱仪、干涉光谱仪。棱镜：物质色散不同波长的辐射在同一介质中传播的速度不同，因而折射率不同。光栅：多缝衍射不同波长的辐射在同一入射角条件下射到多缝上，经衍射后其衍射主极大的方向不同。FP标准具：多光束干涉一束包含各种波长的辐射在平板上被分割成多支相干光束，根据干涉光束互相
11、加强的条件，各波长的干涉极大值位于空间上的不同点。2829光谱仪的基本组成 聚焦成像系统成像物镜L3将空间中色散开来的各波长的光束会聚或成像在物镜的焦平面上，形成一系列按波长排列的单色狭缝像。光谱记录显示系统PM为显示记录装置，将成像的光谱信号记录下来，并显示成光谱图或其它形式的数据输出，记录的光谱信号中包括波长、强度、轮廓宽度等信息。若一次将全部光谱信息都记录下来，此光谱仪就是摄谱仪；若装置一出射狭缝，只能记录一种波长，通过转动色散元件来获得不同波长的信息，就是单色仪。2930光谱仪的评价指标 工作光谱范围取决于色散系统和色散元件的光谱透射率或反射率，以及采用的探测系统的测量精度。也决定了光
12、谱仪使用的光学元件和探测器材料。例如：玻璃棱镜光谱仪的工作光谱范围为400nm1000nm，大于1000nm的波长范围要用红外晶体材料制造光学元件，小于400nm的要用石英或者萤石来制造光学零件。光电倍增管的光谱响应范围只到850 nm左右，红外波段一般采用热电元件作为接收器。3031光谱仪的评价指标 色散率表明不同波长的光束经色散系统后出射光彼此分开的程度。可以用角色散率或线色散率来表述。角色散率表示两不同波长的光束彼此分开的角距离，用d/d表示，单位rad/nm。角色散率主要取决于色散元件的几何参数、个数和在仪器中安放的位置。光栅角色散率棱镜角色散率31ddcosmd222sindd2dd
13、1sin2AnAn32光谱仪的评价指标 角色散率d/d与线色散率dl/d32f 102ddGdldfddf 为成像物镜的焦距目前各国生产的小型和中型光谱仪的线色散率倒数约为(101)nm/mm，大型光谱仪的线色散率倒数约为(10.1)nm/mm，法布里-珀罗干涉光谱仪的线色散率倒数可达(0.010.001)nm/mm，甚至更大。33光谱仪的评价指标 分辨率分辨率是表示光谱仪分开两条极为靠近的光谱线的能力，是光谱仪器极为重要的指标。分辨率的大小首先决定于仪器的色散率，同时还与仪器的狭缝宽度、衍射、像差、两条谱线强度分布及相对位置、记录显示装置的探测灵敏度有关。根据瑞利判据，分辨率33R式中是被分
14、辨的两谱线的最小分辨间隔，为平均波长。一般中小型棱镜光谱仪的分辨率为103105，特大型棱镜光谱仪可达1.4105。衍射光栅光谱仪的分辨率可达5105，干涉光谱仪的分辨率最高可达5107。实际光谱仪性能指标 光谱学测量的基础是测量光辐射与波长的对应关系。一般来说，光谱学测量的直接结果是由很多个离散的点构成曲线，每个点的横坐标（X轴）是波长，纵坐标（Y轴）是在这个波长处的强度。因此，一个光谱仪的性能，可以粗略地分为下面几个大类：波长范围（在X轴上的可以测量的范围）波长分辨率（在X轴上可以分辨到什么程度的信号变化）噪声等效功率和动态范围（在Y轴上可以测量的范围）灵敏度与信噪比（在Y轴上可以分辨到什
15、么程度的信号变化）杂散光与稳定性（信号的测量是否可靠？是否可重现）采样速度和时序精度（一秒钟可以采集多少个完整的光谱？采集光谱的时刻是否精确？）34实际光纤光谱仪技术指标35荷兰Avantes实际光栅光谱仪技术指标 Omni-150Omni-300 Omni-500Omni-750焦距(mm)150300500750相对孔径f/4.2f/3.9f/6.5f/9.7光学结构C-T机械扫描范围(nm)0-9000-1200分辨率(nm)0.40.10.050.03倒线色散(nm/mm)5.42.71.71.1波长准确度(nm)0.250.2波长重复性(nm)0.10.136卓立汉光技术参数表（12
16、00g/mm光栅条件下）实际光栅光谱仪技术指标37卓立汉光技术参数表（1200g/mm光栅条件下）Omni-150Omni-300 Omni-500Omni-750扫描步距(nm)0.010.005焦面尺寸(mm)25(W)10(H)25(W)14(H)光轴高度(mm)134狭缝规格缝宽：0.01-3mm连续手动可调，可选配自动狭缝；缝高：2，4，10，14mm可选光栅尺寸(mm)32326868光栅台双光栅三光栅外型尺寸(mm)190200158360260195550288195800338195重量(kg)5152233通讯接口标配USB2.0，可选RS-232本章小结 干涉仪掌握干涉测量的基本原理，测长干涉仪精度分析，干涉仪元器件选型，常用的面形测量干涉仪光路（泰曼格林，斐索）光谱仪掌握光谱仪的基本结构、特性参数，光谱仪元器件选型38
