白光干涉仪介绍

白光 扫描 干涉
单色光干涉
白光 扫描 干涉
白光干涉
白光：光谱中包含整个可见光谱区域的光谱成分的光源
白光干涉时，各波长产生各自的干涉条纹
光程差为零，各波长零级条纹完全重合，光强最大
白光 扫描 干涉
白光与单色光对比
寻找零光程差 位置的依据
白光干涉的对比度随 光程差的增大而降低
工作时，干涉显微镜通过一个线性位置扫描器（常用PZT） 驱动以改变测量臂的长度，在扫描过程中记录每一个像素 点的光强值，由此可得到一系列的白光干涉光强值。
对不连续表面尤其是阶梯状表面而言，基于窄带光源 干涉的测量仪器根本无法分辨，而白光干涉的测量仪不 受高度突变的影响，因此被用于表面三维微观形貌测量。
用白光扫描干涉测表面三维形貌
白光扫描干涉测量法： 利用白光干涉测表面三位形貌时，对于被测 表面上的某一点而言，为定位其零光程差位置， 必须采用扫描方式改变参考镜或被测表面的位 置，以此获得该点光强变化的离散数据，再根 据白光干涉的典型特征判别并提取最佳干涉点。
参考镜
M1经分光镜 成的虚像
被测表面
由于参考镜较轻便，故用参考镜做微小进给。当M1沿扫 描方向做微小进给时，若在位置1必然存在虚像，虚平面1 与被测表面M2相交的轮廓线，如图（b） 轮廓线上各点为零光程差，这些位置均是最佳干涉。
虚平面位置1 虚平面位置2 虚平面位置3 1、2 3、4 5、6
用白光扫描干涉测表面三维形貌
概述
分振幅法
分振幅
实现方法
当一束光投射到两种透明媒质的分界面上， 光能一部分反射，另一部分折射
立方分束器、分光板、 薄膜分光镜、衍射光栅
P透 PBS
偏振状态
S反
偏振分束器
机械 结构
整套测量设备由白光干涉垂直扫 描仪、气浮平台、控制箱和计算 机组成
干涉 仪原 理
光源
LED 点光 源
卤素灯 常见，但发热 量大，对系统 精度影响较大
微位移计 量法
各传 感器 对比
电感和电容式 位移传感器 激光干涉位移 传感器 测量精度高 测量范围小，不适合 在垂直扫描白光干涉 测量系统中 通常结构复杂，对环 境要求较高
较大的测量范围、较高的 分辨率和测量精度
衍射光栅干涉 位移传感器
测量范围大，对使用环境 没有严格的要求，故可精 确计量PZT垂直进给
理想单色光源时间相 干性无穷大，意味着 一束光可相对于另一 束光通过不同的光程 进行延时仍发生干涉
光源 中心 波长
光程差小于相干 长度，才会产生 干涉条纹
c 2 Lc
光谱带 宽
条纹 可见 度
条纹可见度介于0至1 当可见度V大于0.2时才可辨别出条纹
条纹 可见 度
辐照度
可见度
I1 I 2
动态干涉
概述
分波前法
杨式双缝 干涉、双 孔干涉、 光栅干涉
波前
是指波的等相位面达到的空间
将一束光分成 不同比例的两 束光
分波前 干涉法
空间不同两点的光波作干涉源实现干涉。由惠更斯 原理，空间任一闭合面都可作为次级波源，远处的 光波是次级波源光波的干涉叠加。
惠更斯 原理
波面上的每一点（面元）都 是一个次级球面波的子波源
双光束干涉原理图（迈克尔逊干涉仪）
I ( x, y) I1 I 2 2 I1I 2 COS (1 2 )
光程差 (1 2 ) 相位差
2
光强分布符合余弦规律
半 反 射 膜
两束光经反射折射后，同时到达分光镜上面的干涉板
从扩展光源S发出的光射向平行平面透明薄板P1。P1的后表面镀有半 反射膜，这个半反射膜把S射来的光束，分成振幅近似相等的反射光1 和透射光 2，故 P1 称为分束板。光束1射向平面镜 M1 ；光束 2透过补偿 板P2射向平面镜 M2。M1和M2是在相互垂直的两臂上放置的两个平面反 射镜，二者与P1上的半反射膜之间夹角为450，所以，1、2两束光被M1 和 M 2反射后又回到 P 1的半反射膜上，再会集成一束光射向 E。由于这 两束光来自光源上同一点，因而是相干光，眼睛从E处向M1方向望去 ，可以观察到干涉图样。P2是补偿板，它的作用是使1、2两光束在玻 璃中经过的光程完全相同，为了使其材料和厚度与P1完全相同，制作 时从同一块精密磨制的平板切开而成。P2、P1平行放置。 反射镜M2是固定的，M1可以在导轨上前后移动，以改变1、2两束光 的光程差
光路 图
干涉条纹仅出 现在有限空间 范围
作为干涉测量 仪器的基准
光程差为零 时光强最大
调整光程差， 确定位移量算 出各点相对高 度
显微 干涉 单元
垂直 扫描
距离高对应浅色区 距离低对应深色区
镜头
用物镜专 用的储存 盒
选择物镜的依据： 1、视场，确定测量的区域 2、光学分辨率，它能区分出的最小特征 3、倾斜度，它显示出怎样的曲面能够被测 量，特别是很粗的表面
白光扫描干涉技术
白光扫描干涉技术 正是利用这一特征实 现的。移动干涉条纹， 并扫描整个被测表面 时，对于被测表面上 的任意一个采样点， 其光强呈现图中的变 化趋势。
当光程差接近相等时，条纹对比度变化剧烈并呈非周期变 化性。该特性很容易与其他级条纹相区别，利用这一特性 实现对零光程差位置测量。这是白光扫描干涉测量的关键。
时间相干性
条纹可见 度降低
提高
减少双光 束光程差 （=0） 对光源光 谱滤波
条纹 可见 度
空间相干性引起条纹可见度的退化
光源的空间滤波改善空间相干性
用透镜将 光束耦合 到单模光 纤中 用显微物 镜将光束 聚焦到小 孔
点光源
D 1.22
NA NA n sin( )
条纹 可见 度
两束光同偏振状态时 条纹可见度达到最大
白光干涉仪介绍
汇报人： 学号： 时间：2015-11-13
目 录
概述
概述
光干涉技术---内容
概述
光干涉技术---特点
实时 性
概述
白光 干涉 仪的 发展
智能化 自动化
概述
干涉仪分 辨率由所 用光波长 决定
概述
Stylus触针式
二维测量 接触式
接触式与非接触式测量仪对比
白光干涉仪
三维测量 非接触式 对任何工件均为无损测量
相当于用一系列间距非常小的平行虚平面切割被测 表面，两平面的交线处为光程差等于零的位置。当参 考镜做充分扫描直到不出现干涉条纹时，识别并记录 各点的最佳干涉点位置作为其相对高度值，所有点的 集合便重构了被测表面的三维轮廓。
测量系统
测量系统的组成： 光学系统、 微驱动装置及控制系统 调焦系统、 图像采集及处理系统
是测量光束与参
考光束的相位差
光程差 (1 2 ) 2
机械 结构
1.底座 2.照明光源 3.立柱 4.手轮 5.步进电机 6.压电陶瓷及柔性铰链 7.CCD 8.衍射光栅计量单元
结构 单元
1.光学显微干涉单元 2.步进电机调焦单元 3.压电陶瓷扫描单元 4.衍射光栅计量单元 5.扫描控制和测量软 件
LED 冷光源，可看 做点光源，比 较理想。
点光源 一个点向周围 空间均匀发光
扩散光源 干涉条纹的可 见度将降低
干涉 条纹
光波的叠 加原理
相位
相长干涉 相消干涉
波动性
干涉 条纹
干涉条纹的数目与条纹图像取决于 采样平面与参考平面的相对倾角
最亮 点
对焦 最好
双光 束干 涉条 件
时间 相干 性 时 间 相 干 性
测量过程
1、调焦：开始测量时，由计算机控制步进电机大步进给， 使被测物垂直升降。当被测物通过光学系统清晰成像时，调 节步距使被测物做微小进给。当观察到干涉条纹时表示调焦 完成。 2、光学成像：由计算机发出指令控制压电驱动装置的进给 从而带动参考镜的微小进给，这样被测表面的不同高度平面 就会逐渐进入干涉区。如果在充足的扫描范围内进给，则被 测表面的整个高度范围都可以通过最佳干涉点。 3、采集图像：扫描过程中，用CCD摄像头采集每步的干涉条 纹图像，经图像采集卡转换为数字图像后存储于计算机，这 样，扫描结束后每个像素点都有一组该点的光强变化数据。 4、分析处理：再基于白光干涉的典型特征，以某种算法， 对干涉条纹图像进行分析处理，提取最佳干涉点位置，进而 得到各像素点的相对高度，实现对三维形貌的测量。
步进 电机 调焦 单元
步进电机
组 成 驱动光路
自动对焦 对焦 方式 手动对焦
慢
CCD监视某像素点 的光强变化并进行 实时计算
半自动对焦
操作手轮观测条 纹的消失或出现
PZT 扫描 单元
结构紧凑
无间隙 不发热
Hale Waihona Puke Baidu
抗干扰
衍射 光栅
衍射光栅干涉计量单元
电感式
计量PZT扫 描步距和 扫描位移 电容式 激光 干涉 衍射光 栅干涉 位 移 传 感 器
白光扫描干涉技术
采用白光干涉技术测量表面时，白光干涉图样显著的 特征难以获得，因为条纹只在有限的空间范围内出现， 若干涉仪聚焦不好或散射不均匀，条纹甚至无法获取。 这使得条纹的难获得性对零级条纹的定位非常有利。 零光程差附近光强呈非周期性，有效地消除了模糊误 差，减少了对测量范围的限制，可实现较大高度范围的 测量，克服了窄带光源干涉轮廓仪测量范围小的不足。
M为相干调制度，M=m v’ 反映光强幅值的变化 光程差为0时，发生最佳干涉M值最大
白光扫描干涉技术
宽带光源的相干长度短，时间相干 性差，由它产生的两束光波之间的 非相干光程差极小，基本上要在等 光程差位置附近才能观察到干涉条 纹，且条纹也只有为数不多的几条。
图为用CCD相机采集的光滑平面产生的一幅干涉图样，可看出 干涉图像由交替变幻的亮暗干涉条纹组成，中央一条黑纹为 零级条纹，它是零光程差位置，周围有几条互相对称的比较 清晰的条纹。干涉条纹的数目与条纹图像的定向取决于采样 平面与参考平面的相对倾斜角度，干涉条纹最亮点将出现在 对焦最好的地方。
正交偏振的两束光不会产生干涉
条纹可见度由 cos( ) 决定
条纹 可见 度
相对光强度/振幅比
两束光强之比为1时，条纹可见度最大 V小于0.2时无法分辨
单色 波双 干涉 方程
I ( x, y) I1 I 2 2 I1I 2 COS (1 2 )
是光强 是光波的相位
I
1 2 , 0, 2
白光干涉
1. 白光是光谱中包含了整个可见光谱区域的光谱 成分的光源，且光谱为连续谱。 2. 白光干涉时，各波长将产生各自的干涉条纹， 光强分布规律符合前面单色光的光强公式。 3. 当光程差为零（零级条纹处）时，各波长的零 级条纹完全重合。随着光程差及干涉级数的增加， 各波长的干涉条纹彼此逐渐错开，使得条纹对比度 逐渐下降，到一定程度时干涉条纹消失。光谱范围 越宽，这种现象越明显。
对质地较软或脆性工件有损伤
精度较低，分辨率为微米级
精度高，分辨率可达纳米级
几何路径
国际和国家标准完善 测量速度较慢
光学路径
标准尚不完善 测量速度快
概 述
按光波分光的 方法 分振幅式 分波阵面式
干涉仪分类
按相干光束传播路径 按用途分
共程干涉 非共程干涉
静态干涉 动态干涉
静态干涉
通过测被测面与标准面干涉条纹分布及变形量求得试 样表面微观几何形状、场密度分布和光学系统波像差 通过测量干涉场上指定点的干涉条纹的移动或光程差 的变化量求得试样尺寸大小、位移量等
白光 扫描 干涉
不同高度 的两个点
光强峰值 位置不同
峰值对应的 测量臂反映 高度差
核心内容 提取
白光干涉扫描技术
白光干涉是一种新型的表面形貌测量方法， 能实现对表面形貌的三维测量。它通过扫描 定位被测表面各点的最佳干涉位置得到表面 各点相对高度，重构表面三维轮廓，实现对 物体三维形貌的测量。
单色光干涉
白光干涉
光源的相干长度 c
2

为光源平均波长的 平方 为光源带宽
宽带光源的相干长度短，时间相干性差
白光干涉时光强变化曲线
在零级条纹（或零光程差位置） 附近的条纹对比度最大，随着级 数的增加，干涉条纹对比度迅速 下降，直到条纹消失
白光干涉
对于白光，双光束干涉光强变化的一 般表达式为
I I1 I 2 2 I1I 2 cos(2 ) 2 I1I 2 2 ( I1 I 2 ) 1 cos( I1 I 2 ) I 0 为背景光强，反映光强的直流分量 I 0 1 m cos(2 ) m为条纹可见度 2 I 0 1 M cos( ) v’为相干包络项，单色光源时v’=1 I 0 1 M cos( )
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