【正文】 干涉儀有邁克爾遜干涉儀、馬赫 — 曾德干涉儀、菲索干涉儀、泰曼 — 格林干涉儀等。 在光學(xué)干涉測量法中，干涉測量法是基于光波的干涉原理測位移的方法。干涉法原理簡單、構(gòu)造容易，測量精度高，測量范圍大，適用于實時動態(tài)測量而被廣泛應(yīng)用于位移及長度測量。激光干涉儀的實用及性能越來越穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)也越來越緊湊。 發(fā)展現(xiàn)狀及前景 邁克爾遜干涉儀原理簡明，構(gòu)思巧妙，堪稱精密光學(xué)儀器的典范 。 它是利用分振幅法產(chǎn)生雙光束以實現(xiàn)干涉，通過調(diào)整該干涉儀，可以產(chǎn)生等厚干涉條紋，也可以產(chǎn)生 等傾干涉條紋 。 隨著對儀器的不斷改進，還能用于光譜線精細(xì)結(jié)構(gòu)的研究和利用光波標(biāo)定標(biāo)準(zhǔn)米尺等實驗 。 日本計量研究所與東京精密儀器公司組成的聯(lián)合研究組，推出一種測定三維運動物體位置的方法，系統(tǒng)包括 4臺干涉儀，所用光源為波長 納米的氦 氖激光器，被測物體上裝有光的反射體。在該研究組進行的一次實驗中，高 2 米的機器人 4 手臂以 50 厘米每秒的速度運動，系統(tǒng)對其臂端反射體的位置進行了測量，測量精度達(dá)到 1 微米。 目前，在近代物理和近代計量技術(shù)中，根據(jù)邁克爾遜干涉儀的基本原理，研制的各種精密儀器已廣泛地應(yīng)用于生產(chǎn) 、 生活和科 技領(lǐng)域，并研制出多種專用干涉儀 。如盧貴武 、 熊昌友 、 江惠民等采用邁克爾遜干涉技術(shù)進行微小位移量和微振動的測量 。 劉雯 、 王貴甫等人依照正弦原理改型設(shè)計了邁克爾遜干涉儀，可以完成小角度測量 。趙斌研究使用邁克爾遜干涉儀可同時測量薄透明體厚度及折射率等 。 由于激光輻射優(yōu)良的空間相干性、時間相干性以及極高的亮度，并借助于數(shù)據(jù)處理電子技術(shù)的躍進，使這種以激光波長為標(biāo)準(zhǔn)，具有較高測量精度的干涉測量技術(shù)成為建立新的長度標(biāo)準(zhǔn)和進行精密測試的重要工具和手段。以美國、日本為代表的國外一些先進國家在精密工件臺測量 定位方面的技術(shù)比較成熟，其系統(tǒng)定位精度可達(dá) nm級別。國內(nèi)許多單位，如清華大學(xué)，中科院長春光機所等在精密工件臺研究中也取得了長足的進步，也已研制出長行程高精度的精密工件臺，定位精度可達(dá)177。 m。 其中 國內(nèi) 一種基于激光干涉的微位移測量儀 ,如圖 ， 該測量儀以半導(dǎo)體激光器為光源 ,以 “ 田 ” 字型四象限光電陣列接受激光干涉信號 ,采用光學(xué)倍程技術(shù)和干涉條紋電子細(xì)分技術(shù) ,位移測量系統(tǒng)的理論分辨率可達(dá) ,實驗表明該測量儀可以達(dá)到 1nm的分辨力 [1]。 圖 微位移測量儀 實驗室中最常用的邁克爾遜干涉儀結(jié)構(gòu)圖如圖 ，儀器前方粗動手輪分度值為 mm，右側(cè)微動手輪的分度值為 mm，可估讀至 mm，兩個讀數(shù)手輪屬于渦輪蝸桿傳動系統(tǒng) 。 測量 顯微鏡結(jié)構(gòu)圖如圖 ，它是將測微螺旋和顯微鏡組合起來用作精確測量長度用的儀器，它的測微螺旋的螺距為 1mm，其活動套管與顯微 5 鏡筒通過絲桿連接，套管鼓輪等分為 100個分格，每轉(zhuǎn)一分格顯微鏡將移動 ，也即移測顯微鏡測微滾輪分度值為 ，它決定了讀數(shù)顯微鏡的測量精度 [2]。 圖 邁克爾遜干涉儀 圖 測量 顯微鏡 在基于邁克爾遜干涉儀的基礎(chǔ)上設(shè)計干涉測量裝置，一方面有了精度的保證，另一方面造價不高的情況下可以實現(xiàn)高精度的測量，所以 干涉測量微小位移的裝置很有發(fā)展前景的。 本文 研究內(nèi)容 及 方法 本論文主要內(nèi)容是基于邁克爾遜干涉儀的等厚干涉的理論，通過移動固定在反射鏡 M2的平臺，產(chǎn)生干涉條紋的移動，再經(jīng)過光電計數(shù)器的檢測查出移動的條紋數(shù)，再乘以相應(yīng)的系數(shù)就可以得到相應(yīng)移動的距離或長度。主要進行了以下幾方面的工作。 1） 在深入了解邁克爾遜干涉儀的結(jié)構(gòu)及原理的基礎(chǔ)上，選擇合適的研究對象及方向 激光干涉測量系統(tǒng)； 2） 對系統(tǒng)中的光學(xué)部分經(jīng)行理論分析并用軟件進行仿真實驗； 3） 設(shè)計合理的干涉條紋接受裝置及計數(shù)裝置，并經(jīng)行可行性分析，再通過相應(yīng)的軟件進行理想仿真； 4） 總結(jié) 整個測量系統(tǒng) 優(yōu)缺點和適用條件，并對今后的工作提出建議 和展望 。 6 綜上所述，本文采用 數(shù)電 設(shè)計的 可逆 條紋計數(shù)器采樣精度高，操作簡便。課題具有實踐研究和理論研究相結(jié)合的特點。在注重實驗操作的應(yīng)用可行性同時也對 干涉條紋 信號處理方法上做了實驗研究 。 步驟和方法 《一》 根據(jù)所選課題進行分析和研究，通過以下方式： （ 1） 網(wǎng)絡(luò)資源 （ 2） 圖書館相關(guān)資源 （ 3） 與老師交流 《二》 確定所研究具體方向。 干涉測量技術(shù)，精密地測定光波波長、微小長度、光源的相干長度等，還可以測量氣體、液體的折射率。我選擇用干涉系統(tǒng)測量長度。 《三》 查閱相關(guān)資料并整理。 7 第二章 系統(tǒng)設(shè)計的理論基礎(chǔ) 邁克爾遜干涉儀實驗在 工業(yè)設(shè)計 中，占有很重要的地位。 在光學(xué)干涉測量法中，干涉測量法是基于 邁克爾遜干涉儀 光波的干涉原理測位移的方法。干涉法原理簡單、構(gòu)造容易，測量精度高，適用于實時動態(tài)測量而被廣泛應(yīng)用于位移及長度測量。 基于此，本文從理論基礎(chǔ)分析討論了激光干涉測量儀的實驗。 系統(tǒng)總體設(shè)計方案 整體系統(tǒng)組成框圖如下圖所示，在該系統(tǒng)中光線由激光發(fā)出，激光束射到分光棱鏡上，通過反射和折射產(chǎn)生 兩束光，分別通過反射鏡的反射匯聚到分束棱鏡上。通過平臺的移動產(chǎn)生射到探測器上的干涉條紋的移動，信號處理波形，由計數(shù)器計數(shù)并計算得到相應(yīng)的位移或長度 [3][4]。 該方案的特點： 軟件可以理想實現(xiàn)，硬件光路、電路簡單，易于實現(xiàn)； 具有更高的測試靈敏度和準(zhǔn)確度；絕大部分的干涉測試都是非接觸式的，不會對被測件帶來表面損傷和附加誤差；抗干擾能力強；操作方便；實現(xiàn)了條紋計數(shù)自動測量；無P 光束 1 單模穩(wěn)頻 HeNe激光器 光電計數(shù)器 顯示記錄裝置 待測物體 激光束 光束 2 光電顯微鏡 邁克爾遜干涉儀 M1 M2 可移動平臺 圖 激光干涉測長儀的原理圖 8 需補償板；在精密測量、精密加工和實時測控的諸多領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。 系統(tǒng)主要模塊 1） 光源 模塊 ： 激光光源一般是采用單模的 HeNe氣體激光器，輸出的是波長為。 因為氦氖激光器輸出激光的頻率和功率穩(wěn)定性高，它以連續(xù)激勵的方式運轉(zhuǎn)，在可見光和紅外光區(qū)域里可產(chǎn)生多種波長的激光譜線，所以氦氖激光器特別適合用作相干光源。 為提高光源的單色性，要對激光器要采取穩(wěn)頻措施。 2）干涉模塊： 邁克爾遜 干涉儀利用分振幅法產(chǎn)生雙光束以實現(xiàn)干涉。通過調(diào)整該干涉儀，可以產(chǎn)生 等厚干涉條紋 ，也可以產(chǎn)生等傾干涉條紋 ， 主要用于長度和折射率的測量 。 3）信號處理模塊：通過光電轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生波形，再經(jīng)過施密特電路的整形出現(xiàn)脈沖信號。 4）計數(shù) 顯示 模塊： 信號經(jīng)過電路判別，把相應(yīng)的判別信號輸入計數(shù)器進行計數(shù)，通過顯示裝置可觀察到移動條紋數(shù)。 系統(tǒng)工作原理 激光干涉測長的基本光路是一個邁克爾遜干涉儀 ,用干涉條紋來反映被測量的信息。干涉條紋是接收面上兩路光程差相同的點連成的軌跡。激光器發(fā)出的激光束到達(dá)半透半反射鏡 P后被分成兩束，當(dāng)兩束光的光程相差激光半波長的偶數(shù) 倍時，它們相互加強形成亮條紋；當(dāng)兩束光的光程相差半波長的奇數(shù)倍時，它們相互抵消形成暗條紋。兩束光的光程差可以表示為 jMJ jNi ii lnln ?? ?? ??? 11 (1) 式中 ji nn, 分別為干涉儀兩支光路的介質(zhì)折射率； jill, 分別為干涉儀兩支光路的幾何路程。將被測物與其中一支光路聯(lián)系起來，使 反光鏡 M2沿光束 2方向移動，每移動半波長的長度，光束 2的光程就改變了一個波長，于是干涉條紋就產(chǎn)生一個周期的明、暗變化。通過對干涉條紋變化的測量就可以得到被測長度 [5]。 9 系統(tǒng)性能及指標(biāo) 對激光干涉測長系統(tǒng)進行基本誤差分析 = + 即 = 式 中 、 和 分別為被測長度、干涉條紋變化計數(shù)和波長的相對誤差。 這說明被測長度的相對誤差由兩部分組成，一部分是干涉條紋計數(shù)的相對誤差，另一部分是波長也就是頻率的相對誤差。前者是干涉測長系統(tǒng)的設(shè)計問題， 由于是設(shè)計的判別細(xì)分電路和可逆計數(shù)器，所以能有效的減小這方面的誤差 其誤差大小大約為 。后者 就是 激光穩(wěn)頻技術(shù) ， 激光的波長穩(wěn)定性可視為頻率的穩(wěn)定性，HeNe 激光器的頻率穩(wěn)定度可達(dá) 1 x 以上所以 , 1 um 的位移測量誤差從理論上講 , 可以達(dá)到 , 因此 , 系統(tǒng)可以獲得極高的測量準(zhǔn)確度。 除此 之外還與環(huán)境控制，即對溫度、濕度、氣壓等的控制有關(guān) [6]。 下面是估算的系統(tǒng)性能指標(biāo)： 1) 測量范圍： 0100mm 2) 分辨率： 3) 測量速度： 10cm/min 4) 分度值： 5) 激光穩(wěn)頻精度： 6) 測量精度： 10 第 三 章 干涉儀光學(xué) 設(shè)計 邁克爾遜 干涉儀，是 1883年美國 物理學(xué)家 邁克爾遜和莫雷合作，為研究 “ 以太 ”漂移而設(shè)計制造出來的精密光學(xué)儀器。它是利用分振幅法產(chǎn)生雙光束以實現(xiàn)干涉。通過調(diào)整該干涉儀，可以產(chǎn)生 等厚干涉條紋 ，也可以產(chǎn)生等傾干涉條紋 ， 主要用于長度和折射率的測量 。 參考鏡 M1 可移動平臺 光源 樣品鏡 M2 接受裝置 圖 邁克爾遜干涉儀 3D圖 工作原理 邁克爾遜干涉儀（英文： Michelson interferometer）是光學(xué) 干涉儀 中最常見的一種，其發(fā)明者是 美國 物理學(xué)家阿爾伯特 178。 亞伯拉罕 178。 邁克耳孫。邁克耳孫干涉儀的原理是一束入射光分為兩束后各自被對應(yīng)的平面鏡反射回來，這兩束光從而能夠發(fā)生干涉。干涉中兩束光的不同 光程 可以通過調(diào)節(jié)干涉臂長度以及改變介質(zhì)的 折射率 來實現(xiàn)，從而能夠形成不同的干涉圖樣。干