干涉仪浅谈

干涉仪浅谈
干涉仪现在已经被广泛的应用到光学检验的各个领域中了。

如光学系统评价、表面的粗糙度、面形和元件的微小偏移的测量都采用了干涉仪进行分析。

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。

它对分析光学元件和光学系统质量起着很重要的作用。

它的光学部件主要由光源、分光器件、参考平面和检测平面(如图1所示)。

它是通过分光器件将一个光源发出的光束分成参考光束和检测光束。

当两束光波即波阵面合成在一起时，其合成后的光强的分布将由波阵面的振幅和相位来决定。

由于相位差的变化产生了明暗相间的干涉图样(如图2所示)。

而相位差是由于两束光经过的反射路径后形成的光程差造成的。

通过分析这样的干涉图样我们就可以经过计算得出图样中的任何一点的光程差。

而光程差的出现是由于被检测表面的形状或倾斜与参考表面不一致。

那么当我们把参考表面做成一个接近完美的表面时，干涉图样所反映的就是被测表面的情况。

干涉仪探测物体表面的数据有它明显的优势。

其一，它是非接触测量，不会损伤被探测物体表面。

其二，它获取数据的信息量大，图样本身是一个连续变化的过程，有着极高的分辨率。

其三，测量范围大，它可以同时对一个很大表面进行并行的分析和处理。

当然，它也有其自身的局限性。

因为是分析反射光，所以有足够的反射才能得到干涉图样进行分析。

这就对光源和被探测物体的材质提出了条件。

激光干涉仪
干涉仪的设计方式有许多种。

但基本原理都是通过各种光学元件形成参考和检测光路的方法。

Zygo GPI型就是采用了一种常见的干涉方式制成的。

一般称为Fizeau干涉仪(如图3所示)。

这种干涉仪一般用来测量元件表面或光学系统的波相差。

它结构简单没有采用分光器件分光的方式。

由于所用激光的带宽很窄，因此它的相干长度很长可以在光程差很大的
情况下得到干涉图样。

对待测物体放置的要求不是很严格。

通常干涉仪采用He-Ne激光作为光源。

但其他激光光源也都可以应用在此系统中。

当然在选择好光源时其他光学元件和相关探测器的特性要与其匹配。

激光干涉仪有它的局限性。

他只能测那些表面平滑是连续变化的物体。

这是因为如果相邻的高度变化超过了λ/4时，我们无法通过干涉图样来确定它的具体相位差的数值了。

干涉显微仪
白光也可作为光源用在干涉仪中，但是它的相干长度非常短。

因此要出现干涉图样就需要参考光路与测试光路的光程要基本近似相等。

白光干涉系统中运用了合适的显微物镜就可形成白光干涉显微仪。

它可以对物体的表面粗糙度和微小物体表面进行精细的分析。

白光扫描干涉(scanning white light interferometric SWLI) 显微仪(如Zygo公司的NewView系列中的３-Ｄ光学表面轮廓仪)通过图4中所示光路图的方法得到了两个光路等光程。

物体放在物镜的焦面即可被测。

SWLI显微仪可以对物体进行精细地垂直方向的扫描。

因为物体只有在物镜的焦面上才能产生干涉图样，所以他没有激光干涉中出现的周期性图样的问题。

因此该系统可以对物体表面进行三维扫描。

数据获取与分析
干涉仪数据分析系统是随着计算机的发展而日益完善的。

他已经摆脱了那种根据干涉图人工测量的简单方式。

现在是通过多次采样对数据进行数字化处理来得到精确数据的方式。

特别是近几年，SWLI技术的深入发展，使得干涉仪测量的精度提高到0.1nm。

同时，干涉仪在可靠性和稳定性方面也有长足的进展。

例如：过去干涉仪中光学元件表面缺陷和所附着的一些灰尘造成干涉图样中的干扰图像，使得仪器分析精度和稳定性打了折扣。

ZYGO的VeriFire AT运用特有的环形光源解决了此问题。

可以使仪器获得低噪音的分析数据。

干涉仪对环境的要求和解决方案
干涉仪可以对物体进行精细分析。

但如果在获取数据期间受外界因素的干扰。

那势必会对分析的结果产生不利的影响。

特别是振动和温度的扰动。

如果要解决这个问题就需要获取数据的时间尽量短并且通过一些特殊的设计来补偿不确定的干扰。

同步相位测量干涉仪(IPMI)就是这样的一种设备。

但是有利就有弊，由于IPMI需要进行必要的数据和硬件上的处理，因此它的精度就没有传统的PSI高。

一般只能达到λ/20左右。

位移测量
干涉仪可以对物体的位移进行移动。

位移测量干涉仪(DMI)精度和测量范围都很高。

它可以从纳米一直到米。

DMI分为零差式和外差式两种测量方法。

零差式是一个低成本和地精度的测量。

而外差式有多维测量，高精度等诸多优点。

外差式采用的是双频激光器。

由偏振分光棱镜将其分成参考光路和测量光路。

物体的移动使测量光产生多普勒频移。

由接受设备采集到参考和测量的合成信号。

通过分析此信号可以得出位移的数据。

零差式只是采用普通的单频激光光源。

通过计算干涉条纹的计算来算出位移量。

粗糙表面面形的测量
通常，一般的干涉仪是不能测量非常粗糙的表面。

GDI干涉仪可以实现这个功能。

它通过使用一组衍射光栅来实现多角度照射来克服传统干涉仪周期性问题。