专业实用的光学测量知识

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1、1、相对孔径一、相对孔径与数值孔径1. 定义（见图 1-1）：相对孔径 通光口径与焦距之比 Df 像方数值孔径 物方孔径角u的正弦与物空间的折射率n的乘积NA=nsinu物方图 1-1a、为什么用入瞳直径D不用出瞳直径D ？若用D1，它到系统后焦点F的距离就不一定是焦距厂。若用入瞳直径，对于物在无限远的成像系统来说，不管入瞳在什么地方，相对孔径总是D汀。见图1-2。b、为什么用sin u不用tan u ？ 理想光学系统的物像空间不变式：n y tanu=n y tanu，考虑到设计计算方便，采取规格化（归一化）的措施，故采用正弦代替正切。相应的，显微 镜的设计必须满足正弦条件：n y sinu

2、=n y sinuDf、NA与对准精度、调焦精度、分辨率、光学传递函数密切相关，而且是Df、NA 越大，对准、调焦精度越高，分辨率越高，像质越好。2.对准：对准误差用Y、纫表示。Y . =(16min610道斯1.02 九D道斯NAD f、NA越大，对准越高。3. 调焦：焦深是对应MK (k=48)波前误差的像点位置变化量。望远物镜、照相物镜的焦深表示为：2久Ax，= 2 九q.( f )2/ k sin 2 UKmax显微物镜的焦深表示为：Ax 二士- (NA)2Df、NA越大，调焦精度越高。望远物镜照相物镜显微物镜1.02 九a(rad)DN =(mm-1)1.02 九 FA0.51 九(

3、、Ay =(mm)NA4. 分辨率：理论分辨率Df，、NA越大，分辨率越高。5. 像质：星点直径望远、照相物镜：d二2.44九F显微物镜：d = 1.22九；NA衍射受限系统的光学传递函数：OTF (r)=-兀arccosDrc 截至空间频率r = (D出瞳直径，d 出瞳面到像平面的距离)对于无限远目标成像，d可用厂替代，贝y：1r =c九F见图1-3。rc越大，像质越好。图 1-3二、自准直所谓自准直就是利用光学成像原理使物和像都在同一个平面上的方法。例如自准直望远镜（见图2-1 （a）,是利用无限远的物经平面镜反射仍成像在无限远这个成像原理实现 自准直的。又如自准直显微镜（见图2-1 （b

4、）则是利用位于球面镜球心处的物经球面镜 反射仍成像在球心处这一原理来实现自准直的（也可利用位于平面镜表面上的物仍成像在表 面上，位于球面镜顶点的物仍成像在球面顶点等成像原理）。由上述可见，要实现自准直，首先要将分划板照明，于是在自准直仪的物方便形成分划 板 的像，这个像对于放在自准直仪前面的平面镜或球面镜（见图2-1）来说则是“物”。根 据前 面所讲“物和像都在同一个平面上”这一原则，反射回来的光将在物镜的像面上形成 分划板刻线的自准直像，而且自准直像与分划板刻线本身位于同一平面上，因此通过自准直 目镜看去，二者是同样清晰的。自准直目镜是一种带有分划板及分划板照明装置的目镜。一般自准直目镜不能

5、单独使 用，与望远物镜配合使用可构成自准直望远镜，与显微物镜配合使用则构成自准直显微镜 它们统称为自准直仪。平面铳物镜 井划板肋束橙光iffi 日镜.1.1.1.1.1图 2-1 自准直望远镜和自准直显微镜的光路常见的照明方式有三种，相应地就有三种自准直目镜。现以组成自准直望远镜为例，分别介绍如下：2.1.2 1、高斯式自准直目镜（简称高斯目镜）见图2-2 （a）,光源（乳白灯泡或小灯泡加毛玻璃）经与光轴成45角放置的分束板反 射照明分划板，它经物镜成像在无限远，再经平面镜反射回来，又在分划板上生成其自身的像。成像光线透过分束板射向目镜，眼睛通过目镜观察，既可看到分划板上刻线同时又可看到刻线的

6、自准像。(b)平面铳物镜 勢划板肋束橙光iffi 日镜图 2-2 高斯式自准直目镜、自准直望远镜和自准直显微镜的光路如果平面镜与自准直望远镜的视轴（分划板刻线中心与物镜后节点连线）垂直，则刻 线自准像的中心与刻线自身的中心重合。这种自准直仪的主要缺点是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。2.1.3 2、阿贝式自准直目镜（简称阿贝目镜）见图2-3 （a）,光源通过照明棱镜（加长的小直角棱镜）照明分划板的一小部分。在分 划板的这部分局部镀铝，并在铝膜上刻出一透光十字线，被照明后，从物镜看去为

7、一亮十字 线。它经物镜和平面镜后返回的自准像，必须成在分划板上不被棱镜遮挡的透明部分，才能从目 镜中看到。如果平面镜垂直于物镜光轴，则亮十字线本身和它的自准像将对称位于物镜光轴 与分划板交点的两侧。二13111图2-3 （a）阿贝自准直望远镜（b）分划板刻线形式阿贝目镜的分划板刻线形式之一如图2-3 （b）所示。分划板的中心位于光轴上，透光 十字线与十字刻度线对称位于此中心的两侧。如果平面镜垂直光轴，从目镜将看到亮十字线 自准像中心与十字刻度线中心重合。图中虚线表示照明棱镜的位置。阿贝目镜的特点是射向平面镜的光线不能沿其法线入射，否则看不到亮十字线像。阿 贝目镜大大改善了像的对比度，且目镜结构

8、紧凑，焦距较短，容易做成高倍率的自准直仪 主要缺点是直接瞄准目标时的视轴（十字刻度线中心与物镜后节点连线）与自准直时平面镜的法线不重合；且视场被部分遮档。2.1.4 3、双分划板式自准直目镜见图 2-4，被照明的第一块分划板上的透光十字线，顺序经过分束棱镜（反射）、物镜、 平面镜、物镜、分束棱镜（透射）后，成像在第二块分划板上。如果平面镜垂直于自准直望 远镜的视轴，则亮十字线像的中心与第二块分划板的刻线中心重合。因此要求两块分划板都 准确位于物镜焦面上，而且二者刻线中心应位于同一条视轴上。这种自准直目镜能实现视轴与平面镜法线重合，且像的对比度好。但光能损失较阿贝目 镜大，结构较复杂；其中一块分

9、划板若有垂轴方向移动则造成自准时平面镜法线与视轴不重 合，故不如高斯目镜可靠。二.1.4.1.1.1图 2-4 双分划板式字准直望远镜一种二维光电自准直仪的光学原理图如图2-5所示（德国Moller公司HR型光电自准直 仪）。位于准直物镜两个共轭焦面上相互正交的目标狭缝，由发光二极管发射波长660nm的 光经传光光纤和聚光镜照明，分别通过分束棱镜和物镜准直出射后返回，又分别成像在与目 标狭缝共轭的两个线阵CCD探测器上。其中所形成的一路目标狭缝像光强分布如图1-8所 示。两路CCD接收信号分别经A/D转换成数字信号，再经微电子电路组件精确完成数字信 号处理，由液晶屏实时显示，USB、RS-23

10、2接口可将两路测量数据传输到计算机分别进行X 轴和 Y 轴个方向的对准。ObjectiveX-ChanelLight LED fiberE&3OI splitterCCD Slit CoftdErser line chipAY-clianel图 2-5 二维光电自准直仪光学系统其中，采用了电子细分技术，使其达到0.01 的对准精度。首先，对线阵CCD的1728 个像素信号进行信号滤波和降噪处理，然后通过自动增益控制电路，保证幅值稳定。其次 对其信号进行4倍频处理，得到 6912脉冲当量。再经图中 0-1和0-2的 2倍频处理得13824 个脉冲当量，以及 32 倍频处理得 442368 个脉冲

11、当量。相当于将每一个像素进行了 256 电 子细分。若当线阵CCD的一个像素为10卩m,则1个数字信号细分后对应的量为0.039卩m, 按准直物镜焦距804mm折算后得0.01 。0lihi皿皿订叩口声nfl 呷丁1111nwinmiiniiiBnHmi1728 pixelfotovoltage图中横纵坐标分别为“像素序号”和“归一信号幅值”)信号滤波和降噪处理1728脉冲当量自动增益控制4倍频处理得6912脉冲当量0-10-2的2倍频处理得13824个脉冲当量32倍频处理得442368个脉冲当量0.01秒的光电对准图 2-6 狭缝像成像在线阵 CCD 接收器上电子细分原理图 2-7 所示是电

12、子细分方法实现光电对准测角的一个例子。图中光电自准直仪的一维光 电对准光路，当反射镜垂直于光轴时，在线阵 CCD 上得狭缝像的光强分布的对称中心，而 当反射镜对光轴发生微小角度a的偏折，则可在线阵CCD上精确测得狭缝像光强分布对称 中心的偏移量Ay，除以准直物镜焦距得到反射镜的偏折角a。r二hl irrprObjecliwelllununiLor SiftBe-siTi splitterCCD-chip图 2-7 光电自准直仪光电对准光路图三、干涉干涉测量是一种基于光波叠加原理，分析处理干涉场中的亮暗变化的干涉条纹形状变化 或其灰度变化，来获取被测量的有关信息的测量技术。满足频率相同、振动方向

13、相同以及初相位差恒定三个条件的两支光会发生稳定的干涉现 象。在干涉场中任一点的合成光强为2兀I = I + I + 2.：II cos A(4-1)12 V 1 2 入式中 A 两束光到达某点的光程差；11、2 一分别为两束光的光强；一光波长。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4-2a) 4-2b)干涉仪中两支光路的光程差A可表示为A =工 n lii i式中 m 干涉条纹的干涉级。4-3)一工n ljj j式中 n 、 n 一干涉仪两支光路的介质折射率； l 、 l 一干涉仪两支光路的几何路程i j i j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

14、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/有关的各种物理 量和几何量等。为了获取明亮、清晰和稳定的干涉条纹，在测量中需要采取保证良好干涉条件的一些 技术措施。其中，尤以干涉条纹是否清晰为主要特征，以下用对比度来表征并分析影响干涉 条纹清晰的各种因素，并指出改善其对比度的技术措施。干涉测量条纹的质量首先体现其条纹的对比度是否良好。干涉条纹对比度定义为4-4)K maxminI + Imaxmin 式中，I 和I分别为静态干涉场中光强的最大值和最小值，也可以理解为动态干涉场中max min某点的光强最大值和最小值。当1=0时K=1，对比度最大；而当1= 1 时

15、K=0,条纹消失。在实际应用min max min的干涉仪中，由于种种原因，所观察到的干涉图样对比度都小于1。对目视干涉仪可以认为, 当K0.75时，对比度就算是好的；而当K0.5时，可以算是满意的；当K=0.1时， 条纹尚可辨认，而在这样的干涉仪上工作，已经相当困难了。而对动态干涉测试系统，对条 纹对比度的要求就比较低。对于所有类型的干涉仪，干涉条纹图样对比度降低的普遍原因是： 光源的时间相干性和空间相干性； 相干光束的光强不相等； 杂散光的存在； 各光束的偏振状态有差异。另外还有一些因素，如振动、空气扰动以及干涉仪结构的刚性不 足等，都有可能导致干涉图样的对比度降低甚至消失。在下面的讨论中

16、，在分析一个因素的 影响时将另外的因素看成是理想的。（一）光源单色性与时间相干性的影响干涉测量中实际使用的光源都不是绝对单色，而是有一定的谱线宽度，记为A入。图4-1所示中实线1和实线2分别对应入和入+ A入两组条纹的强度分布曲线，其他波长对 应的条纹强度分布曲线居于两曲线之间。干涉场中实际见到的条纹是这些干涉条纹叠加的结 果，如图4-1中实线3所示。图4-1各种波长干涉条纹的叠加由图4-1可见，在零级时，各波长的极大值重合，之后慢慢错开，干涉级愈高，各波长 极大值错开的距离愈大，合强度峰值逐渐变小，对比度逐渐下降。当入+ A入的第m级亮 纹与入的第m+1级亮纹重合后，所有亮纹开始重合，而在此

17、之前则是彼此分开的。以上 条件可作为尚能分辨干涉条纹的限度，即由此得最大干涉级m=N/A入，与此相应的尚能产生干涉条纹的两支相干光的最大光程差（或称光源的相干长度）为4-6)上式表明，光源的相干长度与光源的谱线宽度成反比。显然，光源的相干长度不仅决定于光源的谱线宽度，还受其谱线的功率分布的线型，激光光源的模系结构和稳频状态等的影响。有研究表明，大致可给出以下扩展的相干长度计算公式4-7)T九2 lc = AX KC式中，KC除谱线呈矩形分布线型取1.0外，一般多取0.30.6之间。表4-1列出了一些干涉仪光源的相干长度，并列出了其辐射亮度的参考数值。例如，用 镉同位素灯作干涉光源，按其波长64

18、3.8 nm,光谱宽度0.0013 nm,按K。取1算出其相干 长度300mm。镉红光是普通单色光源中较好的相干光源，但与激光相比，相差甚远。一个单 模稳频He-Ne激光器的波长632.8 nm，其光谱宽度10-8nm,按耳取1算出其相干长度40 km。 对于实际使用的各种激光器，由于存在各种不稳定因素，导致谐波频率的波动，使得谱宽远 大于理论值，再加之谱线宽度的功率分布线型的复杂性。在实际使用的激光干涉仪中，甚至 可能出现相干条纹清晰状态随光程变化呈周期状的复杂现象。因此，激光器的实际相干长度 拟通过实际的试验来确定为好。表4-1 常用干涉光源的相干长度和辐射亮度光球谨 ifi nm相1卡偿

19、mm白駅灯拘干前堆光片5S0OBix io 加高圧隶灯54&. 12. SXIO-4低圧羞灯54矗1505X ifi 5S7+56啊灯打軸S89. 310HbimX鼠1wo.$XIO-*单色Cdw33Q2. &X1&*KrH盹乩?710*3X IQ7tfe-Ne63：. SX心633.67O,U3O 等5左石通常，激光光源有足够长的相干长度，故不必调整两支光路的相干光程相等。而对诸如 低压汞灯和纳灯之类单色性较差的光源，则必须调整两支相干光程尽量一致。在物理光学中，把光通过相干长度所需要的时间称为相干时间，其实质就是可产生干涉 的波列持续时间。因此，在干涉仪中选择光源，以及相干光路的设计时，为

20、保证获取良好的 干涉条纹图形，应使该光源同一发光原子（点）发出的光波分离后又汇合的光波间光程差不超 过光源的波列长度为原则，对此所采取的技术措施，称其为保证时间相干性。（二）光源大小与空间相干性的影响 干涉图样的亮度，除与所用光源的辐射强度/功率有关外，还在很大程度上取决于有效 利用光源的几何尺寸，而光源的几何尺寸大小又会对各类干涉仪的干涉图样的对比度有不同 的影响。由平行平板产生的等倾干涉，无论多么宽的光源尺寸，其干涉图样都有很好的对比度。 而杨氏干涉实验只在限制狭缝宽度的情况下才能看清干涉图样。由楔形板产生的等厚干涉图 样，则是介于以上两种情况之间。如图4-2所示，光源是被均匀照明的直径为

21、的光阑 孔，光阑孔上不同点S经准直物镜后形成与光轴不同夹角0的平行光束。不同9角的平行 光束经干涉仪形成彼此错位的等厚干涉条纹，经叠加后形成的干涉条纹如图4-3 所示。当 光阑孔较小时，干涉条纹的对比度较好（见图4 -3（a）；随着光阑孔增大，干涉条纹的对比 度下降（见图4-3（b）,直至对比度趋于零（见图4-3（c）。如取对比度为0.9，可得光 源的许可半径为4-8)图 4-2 等厚干涉仪中的扩展光源可见，光源的许可半径正比于准直物镜的焦距f，反比于等效空气层厚度h的开方。空气层厚度越小，光阑孔越可设置较大，干涉条纹也有较高的亮度。在干涉测量中，采取尽 量减小光源尺寸的措施，固然可以提高条纹

22、的对比度，但干涉场的亮度也随之减弱，也不利 于观测。如能设法改变参考光路或测量光路的光程，使两支光的等效空气层厚度减薄，可以 达到适当开大光阑孔的目的。为此，在干涉仪中采取的相应技术措施，称之为保证空间相干 性。（a） （b） （c）图 4-3 光阑孔径大小对干涉条纹对比度的影响光阑孔径较小时，干涉条纹的对比度较好；（b）随着光阑孔径的增大，干涉条纹的对比度下降；（c）随着光阑孔径再增大，对比度趋于零（三）干涉条纹的定域对于分振幅装置，我们把对比度与观察面位置有明显关系的干涉条纹称为定域条纹。把 对应最大对比度的观察面称为干涉条纹的定域面，把能够观测到具有某个阈值以上的对比度 的干涉条纹的空间

23、称为定域范围。对比度基本上不随观察面位置改变的干涉条纹称为非定域 条纹（如等倾条纹）。楔形板的定域面光源中心SO发出一条任意光线被楔形板上、下表面（OA面、OB面）反射，反射光线 的交点是定域面上的一点。一般情况下，定域面是一个圆（见图4-4）,它是OA和OB面的 交点O和光源S0经OA、OB面反射的镜像SA、SB构成一个等腰三角形，定域面就是等腰 三角形osasb的外接圆。对于位在空气中的折射率为n2的楔形玻璃板，只要楔角a很小，入射角i0也很小（接 近于垂直观察），这时两表面反射光线的夹角基本上与i0无关，等于2n2a。因此，定域面依 旧为一个圆周的一部分。当光源面积和楔形板尺寸都不太大时

24、，定域面可以用平面近似（见 图4-5，图中P、P2就为定域面上的两点）。定域面上的干涉条纹的对比度仍然受到光源面 积的限制，扩展光源越小，条纹对比度越高。实际测量中只有楔形板需要干涉场与定域面共轭，因为多数情况下定域面都在第二个反 射面上或者在其附近，当检测平面面形时，只要将被测件放在标准平面的下方（见图），这 时定域面与被测平面基本重合，亦即与光学元件的瞳面基本重合。测量光学系统的波像差和球面的面形偏差时定域面会离瞳面较远，这时应该使干涉场与 被测件的瞳面共轭，也就是说无论检测什么系统元件都要求干涉场与其瞳面共轭，如果此时 干涉条纹对比度不好，只有减少光源尺寸来提高条纹对比度。四）标准参考面

25、的获得目前，干涉测量平面面形，非球面面形和光学系统的波像差，如何获得合格的标准参考 面问题，都已基本解决。惟独检测球面面形时，计量院、研究所和工厂都处在同一水平上 就是说还没有建立球面面形的基准，这是很不正常的。自从小芯径（直径在4pm以下）阶跃光纤出现以后，美国Lawrance-Livermore国家实验室造出第一台激光光纤点衍射移相干涉仪，其光纤端面衍射产生的标准球面波的波差小于(1x10-5)九，NA=0.4,测量精度 0.25nm (rms)。民W点訂即M址精图 4-6 光纤端面的衍射及反射波前五）相干光束光强不等和杂散光的影响设两支相干光的光强关系为【2=nl ，则有4-9)K二込n

26、 +1图4-7中所示实线表示了干涉条纹对比度K随两支光束强度比n的变化。当n =2.5时, 对比度仅降低 10%。这种情况，如柯氏干涉仪和林尼克干涉显微镜，一支光束从镀铝的镜 面（反射率为 90%）上反射，另一支光束从抛光的钢零件表面（反射率约 40%）上反射，形成的 干涉条纹的对比度是好的。经验表明，当n =5时，对比度仍是好的（K=0.75）。可见，没有必要追求两支相干光束的光强严格相等。尤其在其中一支光束光强很小的情况下，人为降低另一支光束的光强，甚至是有害的。因为这会导致不适当地降低干涉图样的照度，从而提升了人眼的对比度灵敏阈值，不利于目视观测。另外，必须指出在干涉测试中，常伴有非期望

27、的杂散光进入干涉场。例如，干涉光束在干涉仪光学零件表面上的有害反射，或者外界环境的漫射光均有可能进入干涉场。设混入两 支干涉光路中杂散光的强度均为I-mI，由式(4-1)和式(4-4)可得(4-10)(4-11)K = -22 + m由图4-4可见，在两支光强比n较小时，杂散光对条纹对比度的影响远比两支干涉光的光强 不相等的影响要严重得多。如容许K值降低10%,则杂散光的强度不得超过干涉光束之一 的强度的20%。因此，必须重视在干涉仪中采取抑制和消除非期望的杂散光的技术措施。在干涉仪中各光学零件的每个界面上都产生光的反射和折射，其中非期望的杂散光线， 能以多种可能的路径进入干涉场。尤其当采用时

28、间相干性好的激光光源的情形，极易使系统 中出现寄生条纹。解决杂散光的主要技术措施有：光学零件表面正确镀增透膜或析光膜; 适当设置针孔光阑； 正确选择分束器。以泰曼干涉仪中的平行平板分束器为例，如图 4-5所示,AA面镀析光膜,，BB面镀增透膜。增透膜的作用是为增强两支干涉光束和的光强，减弱BB面反射引起的和两支杂散光的光强；析光膜的作用是调整AA面的反射比与透射比接近相等，从而使两支光干涉光束和的光强接近相等。图4-8 平行平板分束器产生的杂散光相干光强不等影响干涉条纹对比度，也包括两支相干光束的偏振态不一致造成的影响。表4-2列出了计算某种干涉仪的两支线偏振相干光路不同偏振条件下的条纹对比度

29、。在部分偏振光的情形，显然在合理安装偏振片的情形，可以显著改善干涉图样的对比度。表4-2不同偏振条件下的条纹对比度 ( )0153045607590备注K11111111前后有偏振片K210.970.870.710.500.260前有偏振片K310.770.580.410.270.130后有偏振片K410.740.500.290.130.030无偏振片六、偏振偏振光分析法主要用来直接确定被测试样的偏振特性参数(主要指双折射相位差和偏振主 方向)，然后间接得到被测试样的其它物理特性。这里，围绕如何测量被测试样的双折射相 位差和偏振主方向的问题来介绍偏振光分析法的基本原理。分析试样双折射特性常用的

30、仪器是偏光仪，主要有平面偏光仪、单 1/4 波片偏光仪、双 1/4 波片偏光仪三类。2.1.5 平面偏光法最简单的偏振光分析法是平面偏光法，所构成的仪器称为平面偏光仪(Plane Polarimeter), 由偏振方向呈一定角度的起偏器和检偏器组成，被测样品置于二者中间，如图6-1 所示。若 起偏器和检偏器的偏振方向相互正交，则在不放入试样的情况下，透过检偏器看到的将是暗 视场，这种布局称为暗视场平面偏光仪。反之，若起偏器和检偏器的偏振方向相互平行，则 称为亮视场平面偏光仪。起偏器试样检偏器图 6-1 暗视场平面偏光仪假设被测试样的双折射相位差9和主方向0均是关于空间坐标(x,y,z)的连续变

31、化函数1。如 图6-1所示，起偏器P主方向与参考坐标系x轴的夹角为90,检偏器A主方向与x轴的夹 角为0,试样主方向(快轴方向)f与x轴之间的角度为0。设通过起偏器的线偏振光的O1琼斯矢量为L丄，即线偏振光振动方向平行于y轴且光强为单位值1,该线偏振光沿z方向 通过相位差为9 y)的被测试样，试样的琼斯矩阵为cos2 0 ei9 + sin2 0sin 0 cos0 C9 -1)sin0 cos0 (ei9 -1) sin2 0eo? + cos2 0检偏器的琼斯矩阵为200于是，根据琼斯矢量与琼斯矩阵运算规则，检偏器出射光波可表示为1cos2 0 ei? + sin2 00 0| sin0

32、cos0 (ei? -1)sin0 cos0 ei9 -1sin2 0 ei? + cos2 0(20 )(ei? -1)0因此检偏器的输出光强为二血(20)sin2 2(6-1)由上式可以看出，当0 =0或90时，也就是试样上某一点的主方向与线偏振器偏振方向 平行或垂直时，将出现消光现象。这些点通常位于连续的曲线上并形成暗条纹，这种暗条纹 称为等倾线。等倾线与波长和位相差无关。从上式还可看出，当9二 注：对于理想波片，其双折射相位差和主方向是常数，不随空间坐标变化；但对于一般的试样，例如后 面要介绍的光学玻璃应力双折射，其双折射相位差和主方向是随空间坐标点的改变而变化的。顾，n为零或任意正整

33、数时，也将出现消光现象。因此试样上 所有双折射光程差为波长的整数倍的点也将形成暗条纹，这些暗条纹称为等色线。通常试样 上被测点的双折射相位差是随空间坐标连续变化的，因此等色线是连续光滑的曲线。由于双 折射相位差9 与波长相关，如果使用白光光源，将有可能看到不同颜色的等色条纹。平面偏光仪会同时产生等倾条纹和等色条纹两种性质的条纹，等倾条纹反映了主方向分布 信息，等色条纹反映了双折射相位差大小分布信息，在分析中往往需要对它们进行分离并分 别加以测量。如果使用的是白光，则比较容易区分出这两种条纹，因为等倾条纹是暗条纹 而等色条纹除了零级条纹以外都是彩色条纹。然而如果使用单色光，则两种条纹则难以区分。

34、数字移相全场测量法是现代光测弹性学中进行应力自动化测量的一类重要方法。它的特点 是能够使用计算机自动控制移相过程，采用数字图像处理技术实现试样全测量口径范围内的 应力分析，测量精度和效率较高。这里以最简单的平面偏光仪为例介绍数字移相测量法。如图6-2所示，起偏器P、检偏器A、试样主应力。1的方向（即快轴方向）分别与参考坐标系x轴方向成a、0、0角。设试样由于受到内应力作用，在主应力。1方向多引入了双折射相位差9取a =兀/20 =兀/20、匚4，可以得到如下三个光强计算式图 6-2 移相法中的平面偏光仪光学元件布局图a =兀；20 =兀/2I = I 1 - sin210sin2（20 ）a

35、=兀；2I = I sin220sin2（20 ）a =20 =兀/4I =11 1 - sin232 0sin（40 ）式中 0是起偏器产生的线偏振光的光强。求解上述方程组，可以得到10 = tan-i2I111 + 12 - 213 丿，要求sin2化卜0（2 丿 （6-2）9 = cos -11- A（6-3）其中，B I +1 - 21I + I12这是一种非常简单的三步移相算法。实际测量中，还需要考虑由于起偏器、检偏器并不理 想(消光比不等于零)以及环境杂散光等造成的背景光强的影响。此外，从式(6-2)可以看出， 当双折射相位差申二2kK( k = 0,1,2)时，不能简单地求出等倾

36、角参数 ;从式(6-3)则看出，双折射相位差申的测量范围仅为0兀。为扩大双折射相位差的测量范围，一般可采 用相位解包裹算法。平面偏光仪移相算法还有多种。此外，还有基于单1/4波片偏光仪和双1/4波片偏光仪的 移相算法，例如Kihara八步移相法、Patterson-Wang六步移相法、Sandro移相法等，这里不 再详细介绍，有兴趣的读者可以查阅参考文献45。2.1.6单 1/4 波片法单1/4波片法也叫Senarmont法，最早是由Senarmont于1840年提出的。单1/4波片偏光 仪结构较为简便，它在平面偏光仪的基础上加入了一块1/4 波片，并且该 1/4 波片协同检偏 器一起工作，试

37、样则放置于起偏器与1/4 波片之间，如图6-3 所示。起偏器试样1/4波片检偏器图 6-3 单 1/4 波片法偏光仪设单1/4波片偏光仪中，起偏器P主方向与参考坐标系x轴的夹角为a，检偏器A主方向 与x轴的夹角为卩，被测试样快方向与x轴夹角为0，1/4波片快轴与x轴夹角为耳。这便构成一般情况的单1/4波片偏光仪。下面考虑取特殊角度时的简单情况，即当=兀2、 n = P=0时，采用琼斯矢量分析法不难得到检偏器的输出光强为I = I sin 20(20)sin 2(6-4)其中 0为起偏器出射线偏振光的光强。由式（6-4）可以看出，单1/4 波片偏光仪的输出光强也 满足两种消光条件（即当0 = 0

38、或“2, 9 = 2kKk = 0,1,2时），所以同时存在等倾条纹 和等色条纹。若2、二0，且事先调节试样使试样上某被测点45，检偏器角度0可自由 调节，则检偏器的输出光强为I =厶 1-cos（2p -p）2（6-5）由此可以看出，只需转动检偏器使得0 = /2便能产生消光现象。此种情况下，因入射 于试样上的线偏振光振动方向与试样快方向成45角，经过试样后变为椭圆偏振光，该椭圆 偏振光再通过1/4波片，若椭圆的长短轴分别与波片的快慢方向平行，则从波片出射的将是 线偏振光，且其振动方向与原线偏振光振动方向之间的夹角必与被测试样双折射相位差成简 单的线性关系。这便是 1/4 波片法测量试样双折

39、射相位差的基本原理，将在后面的第错误! 未找到引用源。小节中做进一步介绍。2.1.7双 1/4波片法双1/4波片法也称Tardy法，利用该方法设计的仪器就是圆偏光仪。如图6-4,在平面偏光 仪的两块偏振器之间，插入两块四分之一波片，并使得两块四分之一波片的快慢轴都与偏振 器的偏振轴成45角，这样起偏器产生的线偏振光通过第一块1/4波片后成为圆偏振光（即 入射在试样上的是圆偏振光），因此称为圆偏光仪。其中两块偏振器的偏振轴可以相互平行 或正交，两块四分之一波片的快慢轴也可以相互平行或正交。若起偏器和检偏器的偏振轴相互垂直，构成的圆偏光仪称为正交圆偏光仪。此时如果前后 两块四分之一波片的快慢轴相互

40、垂直，则在不放入试样的情况下，从检偏器一侧可观察到消 光现象，呈现暗视场；若前后两块四分之一波片的快慢轴相互平行，便可观察到亮视场。若起偏器和检偏器的偏振轴相互平行，构成的圆偏光仪称为平行圆偏光仪。此时如果前后 两块四分之一波片的快慢轴相互平行，则在不放入试样的情况下，从检偏器一侧可观察到消 光现象，呈现暗视场；若前后两块四分之一波片的快慢轴相互垂直，便可观察到亮视场。图 6-4 双 1/4 波片法偏光仪如图6-4,设起偏器P偏振方向与参考坐标系x轴的夹角为90，第一块1/4波片Q1的 快轴与x轴夹角为45，试样快轴方向与x轴之间的角度为 = 0，第二块1/4波片Q2的快轴与x轴夹角为135，

41、检偏器A偏振方向与x轴成卩角。则检偏器出射光强为1 -cos(2p -p)(6-6)其中10为起偏器出射线偏振光的光强，p为试样待测双折射相位差。不难看出，若转动检 偏器使得卩=02，则出现消光现象，此时检偏器的角度与被测试样的双折射相位差成简 单线性关系，据此可作为试样双折射相位差测量依据。此外还能看出，检偏器出射光强表达 式中除了检偏角p外只有消光变量p，不再存在消光变量0，因此从检偏器观察到的图像 中只存在等色线，不存在等倾线。2.1.8偏振移相干涉仪实现偏振移相的一般方法是，使沿干涉仪两支光路传播的两束光皆是线偏振光，但振动方 向互相垂直，两束光在干涉场叠加后合成一线偏振光，并且干涉场

42、上某一点的线偏振光的偏 振角（振动方向对某坐标轴的夹角）与该点的相位差成正比。若加入检偏器将会看到干涉场 上出现干涉条纹，转动检偏器，干涉条纹就发生移动，这就实现了移相。下面用一典型的例 子加以说明CCDMiC3山C1 X/4C X/4被测系统PBS2波片卜He-Ne激光一图像处理系统图 6-5 转动检偏器的偏振移相干涉仪系统某移相干涉仪的光学系统如图6-所示。He-Ne激光器发出的线偏振光经1/2波片和扩束系 统后进入偏振分束器 PBS，PBS 将光束分为振动方向相互垂直的两束偏振光。一束反射光经 1/4波片C1射向参考反射镜M1,另一束透射光经1/4波片C2后再透过被测系统射向测试反 射镜

43、M2。由于反射回来的两束光都两次通过快慢方向与入射光偏振方向成45角放置的1/4 波片,使返回光束的振动方向都偏转了 90,因而分别经偏振分束器透射和反射后会合在 一起。这两束振动方向相互垂直的线偏振光经快慢方向与它们的振动方向成 45角放置的 1/4 波片 C3 后,分别成为左、右旋圆偏振光,合成线偏振光,其方位角与两束光之间的相位 差成正比。下面推导合成线偏振光的方位角与两束光相位差之间的关系。设进入1/4波片C3之前， 经偏振分束器PBS反射的测试光和经PBS透射的参考光的琼斯矢量分别为exp i(t + p)，exp式中9为测试光束和参考光束之间的相位差。设1/4波片C3的快轴方向与测

44、试光、参考光 的偏振方向夹角为45，则C3的琼斯矩阵为1 i_i 1因此测试光经过C3后变为_ E _1x1 i_aexpE1y2i 10a exp i(6-7)参考光经过 C3 后变为E2 xE2y1ii1exp %t)=b exp %t)2(6-8)测试光和参考光会合后ExEy旋转1/2波片，使得参考光和测试光振幅相等，即a=b，则上式等于exp （妙）+ ii exp （妙）+11諾 a exp2 a exp %t)申兀、2 4丿=41a exp i t + 丄 + + - b exp %t)cos-sm中兀、 2 - 4 丿 中兀、 厂兀(6-9)可见测试光与参考光合成为线偏振光，其振动方向与x轴的夹角为申：2 叫4，即方位角与两束光之间的相位差线性相关。设检偏器A的偏振方向与y轴成a角，显然当a =卩2-兀4 时消光，此时干涉场上凡是相位差申=2如+兀2 + 2a（ k = 0,1,2）的点都是消光的，这些点组成暗条纹。转动检偏器A改变方位角a，原来的暗点会逐渐变亮，暗条纹产生移 动现象。可以认为，转动检偏器A相当于改变了相位差，即实现了移相。采用第四章介绍 的移相干涉处理方法，即可获得被测波面的相位分布情况。