干涉仪简介

PD1的光拍为
I1 = 2a {1 + cos[2π ( f 2 − f1 )t − ϕ p − ϕ h ]}
2
PD2的光拍为
I 2 = 2a 2 {1 + cos[2π ( f 2 − f1 )t − ϕ p ]}
∆ϕ = ϕ h = 4πh
λ
所以求出两者位相差 即可求 h
自动调焦原理与系统
信号处理系统框图
tan ϕ =
∑I ∑I
1 1 N
N
n
sin α n cos α n
n
2
连续相移干涉测量原理
λ ϕ h= 4π
h 被测表面 微观不平度
如果干涉仪参考臂连续调制且调制幅度小于2π
即
δ (t ) = A sin(ωt )
I ( x , y , t ) = I1 ( x , y ) + I 2 ( x , y ) + 2 I1 ( x, y ) I 2 ( x, y ) cos[ϕ ( x, y ) + δ (t )]
非接触
无目
现在表面分析技术已远走出机器零件表面粗糙度测量的 范围 表面形貌测量 微电子工业 材料科学 生物工程 科学研究 等等 硅片 磁盘表面 光盘 光学元件窗片
表面形貌分析 材料微裂纹 细胞 生物芯片 纳米技术 物理 遗传学 化学 生物等基础科学
二十世纪初 精密机械的制造精度 差 仅为10 m 左右
共光路光学探针
共路光探针外差法
瑞典皇家理工大学研制的双频激光表面轮廓仪示意图 纵向分辨率5nm 横向分辨率3μm
用环形透镜
孔直径2mm 纵向分辨率0.3nm 探针直径1.2 μm
美国布鲁克海文实验室研制的共路光探针外差干涉仪 纵向分辨率0.1nm 横向分辨率4μm
清华大学研制的共路光探针共路光探针外差干涉仪
将δ(t)代入 并以Bessel函数展开
I (x, y, t) = I1 + I2 + 2 I1I2 cosϕ(x, y)[J0 ( A) + 2J2 ( A) cos2ωt + ) + 2 I1I2 sinϕ(x, y)[J1( A) + 2J3 ( A) cos2ωt + )
只有当 谐波
ϕ = nπ
即锁定在极值点上
最后一项为0
无奇次
干涉显微镜
Mirau干涉仪的改进 R被固定在PZT上
1986年WYKO公司研制成功 的TOPO非接触微表面测量 系统
1 λ 测量精度达 1000
自动完成测量
第3节 共模抑制干涉仪
1 2 3
探测光路和参考光路均由被测表面反射 无需参考面 扫描时工作台导轨不直带来的工件少量倾斜不影响测量
主要表面形貌微观测量仪性能比较
常用方法
百度文库
第2节 相移干涉技术 分步相移干涉原理
λ ϕ h= 4π
h 被测表面微观 不平度
对于样品表面 x
y
可以写出
I ( x, y ) = I 0 ( x, y ){1 + A cos[ϕ ( x, y ) + α ]
1 三步法 α 0 α 采用三个相移台阶
第四章 表面粗糙度测量与表面形貌分析用干涉仪 第1节 概述
在机械加工过程中 由于刀痕 切削过程中切屑分离时 的塑性变形 工艺系统中的高频振动 刀具和被加工表面的 摩擦等等原因 会使被加工零件的表面产生微小的峰谷 这 种被加工面所存在的较小间距和峰谷组成的微观几何形状特 征 就是零件的表面粗糙度 表面粗糙度是一种微观几何形状误差 又称微观不平度 对表面粗糙度 波度和形状误差通常都按波距来划分 波距 波距在 小于1mm的属于表面粗糙度 微观几何形状误差 1~10mm的属于表面波度 中间几何形状误差 波距大于 10mm的属于形状误差 宏观几何状误差
采用四个相移台阶 0
π I 2 = I 0 [1 + A cos(ϕ + )] 2 I 3 = I 0 [1 + A cos(ϕ + π )]
3π I 4 = I 0 [1 + A cos(ϕ + )] 2
则
I1 = I 0 (1 + A cos ϕ )
I4 − I2 tan ϕ = I1 − I 3
表面粗糙度对机器零件的使用性能有着重要的影响 要表现在 1 2 3 4 5 6 对摩擦和磨损的影响 对配合性的影响 对接触刚度的影响 对疲劳强度的影响 对抗腐蚀性的影响 对结合密封性的影响
主
此外 表面粗糙度还影响检验零件时的测量不确定度 零件外形的美观等等
特点 通常 量程小 测量分辨率高 标靶
nm
3
Carre法 3α α α 3α
采用四个相移台阶
[3( I 2 − I 3 ) − ( I1 − I 4 )][( I 2 − I 3 ) + ( I1 − I 4 )] tan ϕ = ( I 2 + I 3 ) − ( I1 + I 4 )
4 多步法
采用N步等间隔相移台阶 即
2π α n = n( ) N
I1 = I 0 [1 + A cos(ϕ − α )] I 2 = I 0 [1 + A cos(ϕ )] I 3 = I 0 [1 + A cos(ϕ + α )]
则
I1 − I 3 1 − cos α tan ϕ = × sin α 2 I 2 − I1 − I 3
2
四步法 π/2 π 3π/2
包括系统误差和随机误
发展到二十世纪九十年代 已提高到了几个nm 预期21世纪初 将达到纳米甚至亚纳米量级
进展 1981年IBM公司成功地研制了世界上第一台扫描隧道显 使人类有史 微镜 STM Scanning Tunneling Microscope 以来第一次能够实时地观察到单个原子在物质表面的排列状 态和与表面电子行为有关的物理化学性质 此后原子力显微镜 AFM Atomic Force Microscope 扫描近场光学显微镜 SNON Scanning Near-Field Optical Microsope 等相继出现 人类可以按自己的意愿直接操纵 单个原子或分子 从而制造出具有特定功能的产品 这些发明使人类第一次能够实时地观测单个原子在物质 表面的排列状态和与表面电子行为有关的物理 化学性质 在物理 化学 表面科学等众多领域的研究中有着重大的意 义广阔的应用前景 被国际科学界公认为二十世纪八十年代 世界十大科技成就之一 STM的发明者G.Binnig和H.Rohrer 也因此获得1986年的诺贝尔物理奖