【正文】 度、光源的相干長(zhǎng)度等，還可以測(cè)量氣體、液體的折射率。 在光學(xué)干涉測(cè)量法中，干涉測(cè)量法是基于 邁克爾遜干涉儀 光波的干涉原理測(cè)位移的方法。通過平臺(tái)的移動(dòng)產(chǎn)生射到探測(cè)器上的干涉條紋的移動(dòng)，信號(hào)處理波形，由計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)并計(jì)算得到相應(yīng)的位移或長(zhǎng)度 [3][4]。 為提高光源的單色性，要對(duì)激光器要采取穩(wěn)頻措施。 4）計(jì)數(shù) 顯示 模塊： 信號(hào)經(jīng)過電路判別，把相應(yīng)的判別信號(hào)輸入計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，通過顯示裝置可觀察到移動(dòng)條紋數(shù)。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。 這說明被測(cè)長(zhǎng)度的相對(duì)誤差由兩部分組成，一部分是干涉條紋計(jì)數(shù)的相對(duì)誤差，另一部分是波長(zhǎng)也就是頻率的相對(duì)誤差。 下面是估算的系統(tǒng)性能指標(biāo)： 1) 測(cè)量范圍： 0100mm 2) 分辨率： 3) 測(cè)量速度： 10cm/min 4) 分度值： 5) 激光穩(wěn)頻精度： 6) 測(cè)量精度： 10 第 三 章 干涉儀光學(xué) 設(shè)計(jì) 邁克爾遜 干涉儀，是 1883年美國(guó) 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(jì)制造出來的精密光學(xué)儀器。 亞伯拉罕 178。干涉條紋是等光程差 點(diǎn)的軌跡，因此，要分析某種干涉產(chǎn)生的圖樣，必求出相干光的光程差位置分布的函數(shù)。 兩平面鏡之間的 “ 空氣間隙 ” 距離增大時(shí)，中心就會(huì) “ 吐出 ” 一個(gè)個(gè)條紋；反之則 “ 吞進(jìn) ” 。 ZEMAX是一套綜合性的光學(xué)設(shè)計(jì) 仿真軟件 ，它將 實(shí)際光學(xué)系統(tǒng) 的設(shè)計(jì)概念、優(yōu)化、分析、公差以及報(bào)表整合在一起。 ZEMAX功能強(qiáng)大，速度快，靈活方便，是一個(gè)很好的綜合性程序。 ZEMAX中有很多功能能夠通過選擇對(duì)話框和下拉菜單來實(shí)現(xiàn)。該軟件擁有兩大特點(diǎn)，就是可以實(shí)現(xiàn)序列和非序列分析。 (3)公差分析 表欄式 Tolerance參數(shù)輸入和對(duì)話窗式預(yù)設(shè) Tolerance參數(shù)，方便使用者定義。 ZEMAX 對(duì)表面進(jìn)行順序安排，起始面為物面，序列號(hào)為 “0”。非共軸模式（非序列模式）是指光線沿著自然可實(shí)現(xiàn)的路徑 13 進(jìn)行追跡，直到被物體攔截，然后折射、反射、或 者被吸收，這取決于物體的特性。在這種模式下， ZEMAX追跡從物面多所定義的表面和非共軸組件的光線。適用 NSCE（非共軸元件編輯器）代替基本編輯器。這些功能包括光線扇形圖、傳遞函數(shù)輸出、點(diǎn)列圖，以及其他很多只在共軸光線追跡中存在的功能。首先，打開 ZEMAX，在 File里面選擇 NONSequential Mode（非序列模式）出現(xiàn) Component Editor 的編輯界面。光源的主要參數(shù)設(shè)置有 layout rays設(shè)置成 5表示在平面圖和 3D圖中顯示 5條光線，然后將 analysis rays設(shè)置成 100000，表示分析 100000光線，分析的光線越多，所呈現(xiàn)的圖像清晰度就越高。 3 參考鏡和樣品鏡的設(shè)置 參考鏡和樣品鏡我們可以選擇 Standard Surface（標(biāo)準(zhǔn)平面）， 將其材質(zhì)設(shè)置為 MIRROR(表示反射 )，樣品鏡的 Z設(shè)置為 30，參考鏡的 Z設(shè)置為 15， Y設(shè)置為 15，這樣參考鏡和樣品鏡就設(shè)置好了。 圖 ZEMAX設(shè)計(jì)的邁克爾遜干涉儀 3D圖 等厚干涉 如果 M1和 M2當(dāng)于不垂直，也就是 M1與 M2‘ 不平行而是成一很小的交角（交角太大則看不到干涉條紋），就出現(xiàn)等厚干涉條紋。我們可以設(shè)傾角為 ，相鄰的兩個(gè)暗（明）條紋間距為 b，則 其中 為光在真空真的波長(zhǎng)， n為介質(zhì)的折射率。下面為不同光程差進(jìn)行光路追跡后的干涉圖樣。 器件選擇 光源： 型 號(hào) 波 長(zhǎng)（ nm） 功率（ mW） 穩(wěn)定性 發(fā)散角 （ mrad） 模 式 管 長(zhǎng) （ mm） 工作壽命（小時(shí)） 售價(jià)（ RMB） FPHL250 ≥ 5% TEMoo/multi 250177。由于電介質(zhì)膜幾乎沒有吸收，入射光的損失小。 在動(dòng)態(tài)測(cè)試中測(cè)試元件需正反兩個(gè)方面移動(dòng) ， 利用可逆計(jì)數(shù)器對(duì)一個(gè)方向移動(dòng)的信號(hào)進(jìn)行加法運(yùn)算 ， 而對(duì)相反方向移動(dòng)的信號(hào)進(jìn)行減法運(yùn)算 ， 從而實(shí)現(xiàn)了可逆計(jì)數(shù)， 下圖為 系統(tǒng)的原理框圖 [10][14]。 2） 放大整形電路 ： 由于光經(jīng)光電二極管產(chǎn)生的電信號(hào)很弱 ， 不能使后面的波形整顯示器 譯碼器 計(jì)數(shù)器 控制電路 接收電路 信號(hào)放大 波形 信號(hào) 接收 譯碼 計(jì)數(shù) 控制 波形整形 22 形電路及計(jì)數(shù)器正常工作 ， 所以需要經(jīng)過放大電路放大到一定程度才可以使后面的電路正常運(yùn)作。 3）計(jì)數(shù)器電路 ： 這是整個(gè)裝置的核心部分 ， 它接收來自波形整形電路的脈沖信號(hào)經(jīng)過內(nèi)部觸發(fā)器的運(yùn)作輸出 4位二進(jìn)制數(shù) .若產(chǎn)生進(jìn)位溢出則輸入到下一個(gè)計(jì)數(shù)單元 。 計(jì)數(shù)器電路設(shè)計(jì) 移相系統(tǒng) 圖 計(jì)數(shù)器原理圖 移相系統(tǒng) 干涉條紋屬增量碼， 需要判向可逆記數(shù)。 翼形板和分象棱鏡組合的移相。 圖 組合移相 狹縫移相 在兩光電接收器前分別置兩狹縫，如圖，使兩狹縫相對(duì)移開 1/4干涉條紋的距離，這樣通過兩狹縫的兩組干涉條紋就有π /2的位相差。當(dāng)接通電源的時(shí)候，紅外發(fā)射管發(fā)光，紅外接收管反向?qū)ǎ喈?dāng)于短路，所以 A點(diǎn)的電壓為低電平，基極電流降低，發(fā)射結(jié)的電壓降低，所以發(fā)射結(jié)反向截止，根據(jù)三極管基極電壓與集電極電壓 反向的特性，所以集電極電壓為高電平，當(dāng)一旦有東西遮在發(fā)光管和光敏三極管中間時(shí)，紅外接收管正向截止，即 A點(diǎn)電位為高電平，當(dāng)之超過三極管的導(dǎo)通電壓（一般為硅管為 ，鍺管為 ）時(shí)，三極管就會(huì)導(dǎo)通，當(dāng)基極電流繼續(xù)增加時(shí)，三極管會(huì)飽和導(dǎo)通，此時(shí)三極管相當(dāng)于工作在開關(guān)的閉合狀態(tài)，發(fā)射極相當(dāng)于直接接地，所以集電極輸出為低電平。 單穩(wěn)態(tài)電路如圖所示 圖 單穩(wěn)態(tài)電路 辨向：如果 A?出現(xiàn)在 B為負(fù)的半周期，則 A滯后于 B,正向運(yùn)動(dòng)；如果 A?出現(xiàn)在 B為正的半周期，則 A超前于 B,反向運(yùn)動(dòng) 下面是細(xì)分判別原理框圖，并沒有給具體參數(shù)。 下面為加法的波形圖。 七段數(shù)字顯示器原理 按內(nèi)部連接方式不同，七段數(shù)字顯示器分為共陰極和共陽極兩種 (a)管腳排列圖 。 ) habcdefg( 若 A3 =0,且低位為零 , 則低位零被熄滅。 LD為預(yù)置輸入控制端，異步預(yù)置。由 74LS192組成的一百進(jìn)制遞加計(jì)數(shù)器如下圖 。仿真結(jié)果如下圖，可 理想實(shí)現(xiàn)加法運(yùn)算 [20][22]。通過這些較為系統(tǒng)及深入地研究，研制出了理論的干涉測(cè)量微位移 裝置。 3） 從系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方案出發(fā)，分別對(duì) 光源 、 邁克爾遜干涉儀 、 電子設(shè)備和電源設(shè)計(jì)四個(gè)模塊所使用的器件介紹、分析和選擇 做了 較 詳細(xì)的闡述。 在這里，我要特別感謝我的畢業(yè)設(shè)計(jì)指導(dǎo)老師即 劉志健 老師的耐心指導(dǎo)與幫助，這次的畢業(yè)設(shè)計(jì)不僅讓我運(yùn)用了大學(xué)四年所學(xué)到的知識(shí)，同時(shí)我還學(xué)到了許多新 理論和 知識(shí)。我還有感謝各位同學(xué)，在畢業(yè)設(shè)計(jì)的這段時(shí)間里，你們給了我很多的啟發(fā)，提出了很多寶貴的意見，對(duì)于你們的幫助和支持， 我 再次表示深深地感謝！ 36 參考文獻(xiàn) [1] 王淑珍 謝鐵邦 基于激光干涉的接觸式位移測(cè)量?jī)x 華中科技大學(xué) 洛陽理工學(xué)院 [2] 熊澤本 基于邁克爾遜干涉儀的微小長(zhǎng)度測(cè)量裝置的設(shè)計(jì) 荊楚理工學(xué)院 數(shù)學(xué)學(xué)院 湖北 [3] 杜振輝 蔣誠(chéng)志 桂桓 王斌 激光干涉儀測(cè)量長(zhǎng)度 河北建筑工程學(xué)院電氣工程系 天津大學(xué)精儀學(xué)院 [4] 孫長(zhǎng)庫(kù) 激光測(cè)量技術(shù) 天津大學(xué)出版社 [5] 郭培源，付揚(yáng) 光電測(cè)試技術(shù)與 應(yīng)用 北京航空航天大學(xué)出版社 [6] 閻吉祥 激光原理與技術(shù) 高等教育出版社 [7] 張家文 徐毅強(qiáng) 激光干涉測(cè)長(zhǎng)儀 貴州民族學(xué)院 [8] 齊煒 尤政 張高飛 孫劍 張弛 激光測(cè)距技術(shù)在空間的應(yīng)用 中國(guó)航天 2021年第 5期 [9] 南京光科技計(jì)信息技術(shù)有限公司 光科技團(tuán)隊(duì) ZEMAX 光學(xué)成像設(shè)計(jì)實(shí)例教程 [10] 王守全 張紹良 張薇 干涉條紋計(jì)數(shù)器的研制 長(zhǎng)春郵電學(xué)院 [11] 楊周琴 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