（光学工程专业论文）激光双焦轮廓仪的优化研究.pdf

浙江大学硕士学位论文摘要 摘要 本文对现代激光干涉仪的特点和发展方向作了总结共路干涉、移相( 条 纹扫描) 及计算机条纹自动处理。较系统地论述了利用激光双焦偏振干涉系统测 量表面微观轮廓的技术。 论文从理论上分析了实际系统中存在的个问题：激光的椭圆偏振化现象 的产生。，鉴于激光的椭偏化严重影响精密检测，论文提出了相应的将椭偏化影 响减少到最低程度的优化解决方案，并用于实际系统，得到了较为理想的关于 表面信息的干涉图， 同时，论文对于调相系统作了系统地论述和分析比较：分析了现有系统机械 调相中存在的问题，并作出了相应的改进；对于实际应用系统中出现的现象，从 计算机仿真结果出发作出了相应的解释7 f 从理论和实验上论证了电光调相的可 行性，同时也发现了一些存在的问题矗、 对于用c c d 传感、图象卡采集进入计算机的干涉图作了相应的相位提取和 消跳变，得到了连续的波面信息，并作了相应的功率谱估计。从无到有地开发 了一个具有干涉条纹图的采集、分析、显示、保存等功能的软件系统，同时分析 了限制光学干涉检测应用的某些因素。 关键字；c c d ，干涉仪，电光效应，相位调制，移相算法，相位消跳交， 功率谱估计 一一一一一一一 浙江大学硕士学位论文摘要 a b s t r a c t i nt h i st h e s i s ，t h et r e n di nm o d e r no p t i c a l i n t e r f e r o m e t r y i s c o n c l u d e d ：c o m m o n p a t hi n t e r f e r e n c e ，p h a s e s h i f t i n gt e c h n i q u e a n d c o m p u t e rt e c h n o l o g yi np r o c e s s i n gi n t e r f e r o g r a m s i tm a i n l yd is c u s s e st h e t e c h n i q u e s n e e d e di nd o u b l e f o c u sl a s e ri n t e r f e r o m a t e rf o r t e s t i n g m i c r o s u r f a c e p r o f i l e a n d i m p r o v e s t h e t e s t i n gr a r e o f e x i s t i n g i n t e r f e r o m e t e r b ya d o p t i n g t h e p h a s e s h i f t i n gt e c h n i q u e a n dc c d t e c h n i q u e b e c a u s et h ei n t e r f e r e n c es y s t e mu s e s1 i n e a r l yp o l a r i z e dl i g h ta n d c r y s t a lc o m p o n e n t s ，t h er e a ls y s t e md o e s n tw o r ki d e a l l y t h i st h e s i s a n a l y s e st h ec a u s e so fe l i i p t i c a lp o l a r i z a t i o np h e n o m e n aa n dg e t s o l n e s a r i s f a c t o r yr e s u l t sa b o u tt h er e a ls y s t e ma n dan e wt e s t i n gs y s t e m t h i s t h e s i su s e sac c dc a m e r as y s t e mt og r a bt h e p h a s e s h i f t e d i n t e r f e r o g r a m si n t ot h ec o n t r o l l i n gc o m p u t e rw i t ht h ea i do fe l e c t r o o p t i c a le f f e c to fk d pc r y s t a l ，t h e np r o c e s s e st h ed a t aw i t hs e v e r a lp h a s e r e t r i e v a l a i g o r i t h m s a f t e rp h a s eu n w r a p p i n g ，t h r e e d i m e n s i o n a ls u r f a c e i n f o r m a t i o no ft h eo b j e c tb e i n gt e s t e di sr e s t o r e da n dd i s p l a y e do nt h e c o m p u t e r s c r e e n t h i st h e s i sa l s od e a l sw i t ht h ep o w e rs p e c t r ao ft h eo b j e c t ss u r f a c e t os o m ee x t e n t b e s i d e s ，i ta n a l y s e ss e v e r a lr e a s o n sl i m i t i n gt h ea c c u r a c y o fi n t e r f e r o m e t e rs y s t e m s k e yw o r d ：c c i ) ，i n t e r f e r o m e t e r ，e l e c t r o o p t i c a le f f e c t ，p h a s e m o d u l a t i o n ，p h a s e s h i f t i n ga l g o r i t h m ，p h a s eu n w r a p p i n g ，p o w e r s p e c t r ae s t i m a t i o n _一-唯-_-一_一 致谢 作者首先要感谢导师杨甬英副教授。在课题的研究工作和论文 的写作过程中，杨老师自始至终给予巨大的帮助和鼓励。作者的每 一点成绩无不倾注着导师的一番心血。导师渊博的知识、敏锐的科 学洞察力、严谨的治学风格、豁达的处世态度都对作者产生深刻的 影响。在此特向导师对我的悉心栽培表示衷心感谢。 特别要感谢卓永模教授。他同作者耐，山细致的探讨、分析工作 中的具体问题，引导作者思考。他丰富的工作经验，严谨、细心的 工作态度和豁达的胸襟是我学习的榜样。 最后，特别感谢我的家人，感谢他们多年来的养育、关心和支 持，并将此文献给他们。 吴航行 2 0 0 1 年3 月于浙江大学 浙江大学硕士学位论文第一章：绪论 第一节：现状和发展方向1 随着科学技术的发展，人们在对各种物体表面的特征参数的测量中，对于 指标( 如粗糙度、波度、曲率半径、三维面形的纵向和横向分辨率等) 的要求 越来越高，因此对检测物体表面特征参数指标的技术提出了更高的要求。在光 学领域，低散射的透镜、平面镜、分光镜、滤波器等光学元件是组成许多高质 量和特殊用途的光学系统所必需的。如天文望远镜、显微镜、强激光( 加工、 武器) 系统、环形激光陀螺等。在微电子工业上，随着线宽和电路元件越来越 小、在硅片上产生高密度的微电路的光波长越来越短，硅片表面的质量要求相 应地应该越光滑和平整。在信息存储领域，存储密度越来越高，要求光盘和磁 盘表面粗糙度得到很好的控制。所有这些，都必需有相应的仪器设备来检测和 控制。可以说，这些仪器设备的有无、质量的高低，直接地关系到能否生产出 相应的微电子芯片，能否拥有激光武器、能否点燃核聚变反应堆、能否占领国 内、国际上的信息存储设备市场等等。所以，从检测技术发展水平的高低可以 看出一个国家的综合实力。 现在，国内外在微米量级以上的检测技术方面基本上已经成熟，它的应用 则还在不断地扩大范围，在纳米检测技术方面则从原理、技术和应用方面都研 究得很热，尤其是s p m ( 扫描探针显微镜) 技术。因为可以说，s p m 技术是纳 米检测技术和下代的加工技术的基础和核心。当然，从检测的角度来看，应 该拥有从宏观尺寸到微观纳米以致亚纳米的所有尺寸范围的检测技术和设备。 现在，在微米以下数十个纳米以上这一范围内的检测手段还是比较欠缺的。因 此，这也是以后的一个研究和发展的方向。 现在，检测技术的发展趋势是自动化、在线检测、测量数据( 轮廓、缺陷面 形等) 的三维和实时显示。物体表面特征参数的测量方法和原理多种多样，就 物体轮廓指标的榆测方法而言，有机械探针法、光学疗法、扫描探针显微镜法 等。 一：机械探针法” 它的原理是机械探针与被测对象以一定压力相接触，当探针沿被测表面移 动时，被测表面的微观凹凸不平使探针上下移动，其移动量由与探针组合在一 起的位移传感器测量，所得数据经处理后得出被测对象的二维或三维轮廓，如 图1 1 所示。探针是由硬质材料制作成的，一般地，曲率半径大约是o 1 到0 2 5 , t o n 之间，为了保证被铡表面不受损坏，加在探针头上的压力是可变化的，而且应 该选择保证探针与表面相接触的最小压力，这样被测表面就基本上不会变形。 用此方法测量表面形貌时，仪器的分辨率由探针针尖大小和被测表面的具体形 状有关，纵向分辨率可这几个纳米，而横向则可达0 1t a n 。如果探针很粗，则 它的横向和纵向分辨率都不高，减小针尖大小有利于提高仪器的分辨率。但另 一方面，针尖的减小又会使它与样品之间的接触面积很小，极易划破样品表面， 造成永久损伤。因此针尖很小时要减小扫描的速度，以免划破样品表面或使 它变形。当需要测量样品表面大面积区域时，被测数据量大，所花时间就会很 长，而长时间测量是不利于保证环境条件的一致性，使被测数据易受噪声干扰 浙江大学硕士学位论文第一章：绪论 可靠性下降。对于这样的仪器，可实现由探针移动扫描，也可移动被测样品来 完成扫描任务。 因此，这种仪器不适于精密对象的测量和实时检测，也不适合于软体表面( 如 铜、铝或涂有光刻胶等薄膜的表面) 的测量。它的探针又很容易与被测样品表 面的高峰相碰而折断，是一种易耗品。当换上另一探针时仪器的分辨率等又往 往会有所变化。 图1 - 1 ：探针轮廓仪 二：光学方法 光学方法因其测量是非接触式测量，精度比较高，稳定性好，对环境要求 低，价格便宜，技术成熟而具有一定的优势。而且，它的测量范围大、分辨率 适中( 横向为微米量级，纵向为纳米、亚纳米量级) ，与其它方法有一定的互补 性。它适合于产品加工车间的一般检测和流水线加工中的实时自动检测，或成 为闭环控制系统中的一部份。从历史发展的角度来说，光学方法无论从理论基 础、加工技术还是应用开发上来讲，都是一种相当成熟的测量技术。 从原理上度，光学测量方法可分为三类：光学散射法、光斑聚焦法和干涉 测量法。 1 ：光学散射法 光学散射法是光入射到被测样品表面通过从不同角度测量散射光的分布 情况来了解被铡表面的粗糙度的功率谱等统计特征。这种方法的优点是测量原 理和系统结构简单，不足之处是它只能得到物体表面信息的统计结果，不能得 到它的三维表面轮廓图形。 2 ：光斑聚焦法、 光斑聚焦法是通过检测投射到物体表面的光斑的变化情况来得到物体表面 的高度分布信息。如图1 2 所示。 浙江大学硕士学位论文第一章：绪论 光源发出的光经过分光镜b s i 和会聚透镜成像到被测物体表面，从表面反 射回来的光再次经过成像透镜和分光镜b s l 、b s 2 ，使像再一次成像于空间某处。 按图位置放置两个光电探测器通过采集两探测器的光信号并作相应的处理， 可得到光源在样品表面附近的像相对于物体表面之间的差值。因此，利用上述 原理，移动样品或探测系统，可扫描得到物体表面的三维高度分布信息。 这种方法的优点是系统原理和结构都很简单，不足之处是样品表面与光源 在样品表面附近的像之间的差值与探铡器得到的信号之间是比较复杂的非线性 关系，这使得它的高度测量范围比较小，一般小于5 0 a n 。 3 ：干涉测量法” 干涉测量法是光照射到被测样品表面，通过测量与返回来的光波波面与参 考波面之间的差值成余弦关系的干涉图案，来得到样品表面信息。以共路干涉、 移相( 或称条纹扫描) 及计算机条纹自动处理为代表，已成为现代干涉仪的主 流特征。 光学干涉轮廓仪可分为两类：第一类是直接测量表面高度信息；第二类是 使用w o l l a s t o n 棱镜来实现偏振光干涉显微( 即剪切差分干涉仪) ，铡量物体表 面的斜率( 即相邻点之间的高度差) 。这里第一类可有两种实现方式，一种是通 过对物体表面成像来实现测量的，另一种是对物体扫描来实现测量的。前一种 情况下，常见的有：迈克尔逊( m i c h e l s o n ) 型干涉仪、米勒( m i r a u ) 型干涉 仪、列泥克( l i n n i k ) 型干涉仪、菲索( f i z e a u ) 型干涉仪，如图1 3 所示：后 一种情况下，常见的有：同心光束干涉仪( c o n c e n t r i c b e a mi n t e r f e r o m e t e r s ) 及 我们实研室所研制的激光双焦干涉轮廓仪，如图1 _ 4 所示。 迈克尔逊型 列泥克型菲索型 米勒型 图l - 3 图1 - 4 迈克尔逊干涉仪是最经典的干涉仪，它的制造技术最成熟，但它要求有一 块比被测样品表面精度更高的参考面，而且参考面要比被测面大( 至少一样大) ： 列泥克干涉仪相对于迈克尔逊干涉仪来说，对参考面的要求低一些，但在参考 一- _ - - _ - _ _ 一一 浙江大学硕士学位论文第一章：绪论 光路中增加了一个透镜，只有在两透镜的象差等参数相同时，才不会引入附加 的误差。另外这两种干涉仪的两路干涉光是分开的，容易受到外界干扰( 如气 流、温度变化、振动等) 的影响，这就注定这类干涉仪不适合于工业级测量应 用的要求。 对于菲索型干涉仪和米勒型干涉仪，由于在形成干涉条纹的光路设计上， ( 基本上) 都实现了共路干涉，能够得到相当稳定的干涉条纹，抗干扰能力强， 对于透镜的象差等技术要求和环境要求不高而被受欢迎。但是，这种干涉仪也 有其不足之处：( 1 ) 它还是需要干涉参考面的。( 2 ) 为了达到相应的精度，要 有相当大数值孔径的物镜，而大数值孔径的物镜，其工作距离就会受到及大限 制，一般只有几个毫米，而且在这几个毫米内还要放置分光面( 参考面) ，制造 成本高，加工难度大，而且操作还要十分小心，以防物镜碰到被测工件而损坏 仪器和工件；当然，也可以用自动调焦系统来实现测量过程，但这样做的结果 又会使仪器成本大大提高。 无论是迈克尔逊干涉仪、列泥克干涉仪，还是菲索干涉仪、米勒干涉仪， 它们都是用成像方式把干涉条纹投到图像传感器感光面上，由图像传感器自身 的扫描方式来完成扫描任务，如电子枪行、列扫描或电荷耦合等。对于物体扫 描方式来说，则一般是用电机来实现机械扫描。若光从这两种扫描方式来考虑， 机械扫描时有振动噪声、响应速度慢、精度难以保证、成体高等不足，相对而 言图像传感器自扫描则具有响应速度快、噪声小、比较精确可靠、成体适中、 体积小。因此，本论文所研究的c c d 成像的激光双焦干涉仪，就是要继承图像 传感器自扫描的优点和光路设计中的共路特征，另外加上移相技术和计算机干 涉条纹处理技术，使得激光干涉轮廓仪成为性能价格比非常高的多功能仪器。 当然，主要限制光学干涉轮廓仪的应用的是：由被测物体表面反射回来的 光引入的位相跳变。任何材料根据复折射率的不同都会引入一定的位相跳变。 只要物体是是由同一种材料制成的，而且它上面没有镀膜层，则位相跳变并不 会引起问题。但是当由不同种材料并排在物体表面时，这就会引入误差( 详见 第八章的分析) 。 三：扫描探针显微镜s p m ( 扫描隧道显微镜s t m 、原子力显微镜a f m 、近场 光学显微镜s n o m 等) 这类仪器的结构如图l 一5 所示：它主要由逼近系统来实现探头到被测表面 附近一定距离的工作位置的定位，用探头的变形( 或探头收集到的电流、光子 数等) 来传感被测表面高度信息，由变形( 或电流、光子计数等) 传感系统来 放大被测信息，经过反馈系统和计算机传送到执行机构压电扫描系统，以 实现恒定高度或恒定范德瓦尔力( 或电流、光子数等) 的扫描工作方式。这种 测量仪器的横向分辨率由两个因素决定：探头的大小和扫描的步长。 s t m 是利用被测表面与探头之间的间隙形成隧道当在并黄与被测表面之 间加以一定的电压时，隧道上会通过一定的隧道电流这个电流的大小与间隙 的大小成指数关系，因此只要测量电流的变化，就可以得知间隙的微小变化。 这种仪器的不足之处是：要求被测样品是导体或半导体，它不能测量用绝缘材 料做的样品。另外一点是，如果存在样品表面局部导电性的差异，会被误认为 是表面高度的变化，从而使测量结果不能准确反映表面高度信息。 a f m 是利用被测样品表面原子与探头针尖上的原子之间的相互作用力( 范 德瓦尔力) 使得探头发生变形( 或使探针的振动频率发生改变) ，在探头接触工 作的恒力模式下，系统探测到变形并放大后，通过反馈和计算机控制系统，由 浙江大学硕士学位论文第一章：绪论 压电扫描系统执行，使得探头恢复到原来状态。加到压电扫描系统上的改变量 就是样品表面高度信息的大小反映。这种仪器克服了s t m 只能测导体和半导体 表面信息的缺点。但它对于被测样品所处的环境因素非常敏感，如气流、样品 表面所吸附的水膜等。这样，要得到岛质量的数据，就要求它应该在隔离环境 ( 如u h v 状态) 中使用。 一般地，扫描探头的大小是：针尖大约是十几个纳米，探头大约是几百个 纳米，c a n t i l e v e r 大约是一两百个微米。因此，它具有很高的横向、纵向分辨率， 可达纳米，亚纳米量级。 无论是哪一种s p m ，都有压电扫描系统。而压电晶体( 或陶瓷) 的一个缺 点是伸缩量比较小，因此测量范围也就比较小。一般地，测量范围是几个微米 以下这样一个数量级。另一个缺点是非线性。引起非线性的原因有：压电材料 固有的非线性、老化，某些系统上还会有爬行、交叉耦合等问题。为了定标和 测量，有些系统中另外还加了一套甚至几套干涉测量系统，来标定或定位扫描 系统。这样，s p m 作为一个测量仪器，将是一个非常复杂的系统。它要求传感、 决策和控制系统具有非常高的精度，因此仪器的成本昂贵。 第二节：论文工作的内容： 本论文的中心内容有： 一：测量范围的扩大 原来的激光双焦轮廓仪只能用于擐i 量超光滑表面的信息。它是基于这样一 个假设的：被测样品表面的高度变化不大于四分之一波长( 光源是h e - n e 激光， 波长是6 3 2 8 n m ) 。为了扩大它的测量范围，就必须用位相消跳变技术来恢复波 面形状，从而得只表面轮廓信息。虽然现在已有大量现成的算法可供利用，但 是大多数算法都只能用于某一特定的场合、存在一定的假设条件，而且各种算 法的运算性能差异很大。因此有必要分析它们各自的优缺点，比较和估计它们 的运算时间，以得到一个比较适合该仪器需要的条纹处理算法。 二：位相调镥i 技术的改进 原来的激光双焦干涉仪是用机械调相法来实现调相任务的，但这种方法的 一个不足之处是：要达到一定的测量精度要求就要对机械加工精度和装配要 求提出相当苛刻的限制，限于国内机械加工的实际实况，难以实现精度要求， 浙江大学硕士学位论文第一章：绪论 所以有必要对它进行改进，或使用新的调相方法来实现。 三：对c c d 作为图像传感设各的要求作出分析 用c c d 作为干涉条纹图案的光电转换设备，它应该达到什么样的动态范 围、灵敏度、分辨率、线性范围、信噪比等技术指标，这是一个首先要考虑的 问题。对它的要求作出分析并得到结果后就可为c c d 的选择提供指导。论文 研究了市面上的ccd 摄像机或数码相机可否直接买来用于测量用这一问题及 如何看待ccd 的自动增溢控制的问题。另外，对于图像信号的采集，论文也 研究了这样一个问题：是否可直接用市面上买来的8 位图像捕捉卡( 即对a d 转换的速度要求和精度的要求) ? 四：对反射、分光等元件的椭偏化问题作一定的分析，并提出了相应的解决方 案 五：对于双焦晶体透镜的象差作了初步的观察，提出了改进的思路，并苴对实 际应用系统中出现的一些问题进行了计算机仿真 六：对被测对象变化时存在的问题，作出了一定的分折 当被测对象变化时，如测量高反、低反等镀膜的对象时，就会出现仪器中 光电探测器对信号能量的变化是否在它的线性工作范围内的问题及样品表面反射 特性对于测量精度的影响的问题。论文对于第二个问题作了分析计算。 一 - 七：实现了铡量系统中的软件包 软件包中实现了以下功能：图象的采集、显示、保存：数据的分析；测量 结果( 轮廓) 的三维显示等。 6 浙江大学硕士学位论立 第二章：仪器装置及其工作原理 任何双光束干涉系统，它们的基本原理都是样的，即测量光波与参考光 波在空间相遇，形成干涉条纹。设e 。( z ，y ) = a ( x ，y ) e x p i 妒( z ，y ) 】为测量光， e r 0 ，力= b ( x ，y ) 。e x p i 。y ) 】为参考光，a ( x ，y ) 、6 力分别是它们的振幅， 则两光束形成的干涉条纹图案为： i ( x ，y ) = l o ( x ，y ) 。f l + ，c o ( x ，y ) 一( x ，y ) 】 = i o ( x ，y ) 1 + y c o s d h ( y ) - 竿h o ( 五 b( 2 1 ) 其中， i o ( x ，y ) = 口2 ( x ，y ) + 6 2 0 ，为干涉条纹的光强度， m 加糍湍为条纹的调制度州) = 竿似脚9 量光位 相( 对反射测量来说) ，( z ，y ) 为参考光束的位相，一般地，它是一个常数。 厅( x ，) 、( z ，y ) 分别是物体和参考面的高度、长度、面形、折射率等信息， 为测量光的波长。 第一节：现有仪器存在的问题 现有仪器原理如图2 - 1 所示。它存在的问题有： 样品 一：机械加工、装配问题 现有仪器是用电机带动检偏器来完成位相调制任务的。限于机械加工工艺 浙江大学硕士学位论文 第二章：仪器装置及其工作原理 水平，带、轮之间的传动比不精确。它们之间的啮合也不理想，噪声和振动大； 它的响应时间是几十个毫秒量级，因而不能满足高速、实时采集处理的应用要 求：移相精度由电机转动步距角决定，现有系统只能达1 5 度，因此移相精度 不高。另外，在装配过程中，没有相应的仪器来保证光学系统的平行性、垂直 性、同轴性、共焦性等装配的精度要求，因此装配精度不高。例如：机械转轴 与通光轴不平行；机械轴与检偏器不垂直。这些问题的一个直接结果是光轴随 机械转动而移动，从而使干涉图案也随之移动，从而出现两p i n 管上的电流波 形偏离正弦波形状，上小f 大等现象。 二：椭圆偏振化 对于反射镜和分光镜等元器件，它们都不是为仪器定做的，而是普通的镀 铝反射镜和对白光分光的棱镜。因此线偏振光经过它们之后，发生椭偏化现象。 另外，为了方便对样品的调焦，原来的仪器设计是让双焦透镜沿光轴螺旋式转 动和升降，以让会聚光聚焦在样品表面，这不但改变了参考光和测量光的偏振 方向，同时也使它们发生椭偏化。结果是两束光还没有通过检偏器就发生了干 涉，出现了相当清晰的干涉条纹，而光通过检偏器后，干涉条纹的对比度随着 捡偏器的转动而变化，甚至出现光强调制大于位相调制的现象，严重影响测量 结果。 三：光学元器件的质量问题 由于检偏器的前后两表面之间的反射，造成一组相当稳定的细干涉条纹， 叠加到被测图案上，在移相过程中，这组细干涉条纹随着电机的转动而旋转， 因此影响测量。 第二节：改进后的系统 装置 仪器装置经改进后如图( 2 2 ) 所示 一。一一。一。 图( 2 2 ) 二：仪器工作原理简介 8 、。 仪器的工作原理如图2 3 所示。对于( a ) 系统来说：从h e - n e 激光器射出的 波长为6 3 2 8 n m 的线偏振光经过全反镜及准直扩束系统后进入分光镜，进而通过 浙江大学硕士学位论文 第一章：仪器装置及其工作原理 双焦透镜照在被测表面上，在通过双焦透镜时，原来的线( 或椭圆) 偏振光被分为偏 振方向正交的o 光和e 光两部分，这两部分由于受到被测表面的不同调制而在返 d 一 回时它们之间产生了位相差妒( x ，y ) 一钆( x ，y ) = ；h ( x ，y ) 。反射回来的o 、e 光再一次通过双焦透镜、分光镜，经过电光晶体调相系统和检偏器，形成干涉 图案，由c c d 接收、图象卡采集进入计算机。对于( b ) 系统来说：其基本原理 与a 系统相同，只是把电光调相系统改用由二分之一波片来实现的机械调相， 并且从调相器的位置来看，由原来的放置于分光棱镜之后、检偏器之前，改为 放置在激光光源之前而已。 与以前的激光双焦轮廓仪相比，所做的改进和提高是：对于光学器件的镀 膜问题作了详细的推导和计算，提出了解决偏振干涉中椭偏化问题的几种解决 方案；使用c c d 作为信号光电转换器件以代替p i n 管接收，免去了电机扫描过 程，避免了因电机转动过程中的振动、导轨直线性、装配的同轴性等等一系列 机械加工和装配误差的问题；用电光晶体调相代替了原来的电机转动检偏器的调 相，使接收到的图象接近于理想的四步移相法所需图象；对计算得到的位相图 进行了消跳交处理，得到了连续波面的形状；提出了以后小型化发展的方向和 思路以及现阶段干涉技术的发展趋磐。 第三节：激光偏振态的计算 在激光双焦干涉仪中，由于所使用的反射镜和分光镜都是镀膜的，而膜层又 往往使得反射光( 透射光) 的偏振特性发生改变，而激光双焦干涉仪又是偏振光干 涉系统，对于光的偏振态是非常敏感的，所以有必要对于激光传播过程中的偏 振态加以分析和控制( 参见图2 - 3 ) 。下面计算中所用的坐标系统如n ( 2 4 1 所示， s ek 7 r r 趁 |j p ，、 一， 图2 - 4 ：p s 坐标系与o e 坐标系 浙江大学硕士学位论文 第二章：仪器装置及其工作原理 其中，p s 坐标系统是由反射镜和分光棱镜的入射光和入射面所决定，o e 坐标系 统则是由双焦透镜的晶轴方向所决定。 1 ：从激光器发出的线偏振光，在以反射镜p s 方向为坐标轴方向的坐标系 统中，是= 吲。它经过全反镜m = 瞌三 的反射，再透过分光棱镜 3 l 警：j ，在进入双焦透镜之前，它已经是毛咖。一。= 蚝i ：1 3 t - 。， 一般地说，这是椭圆偏振光。 2 ：现在，以双焦透镜的快慢轴为坐标轴方向，入射的椭圆偏振光经过双焦透 镜和被测样品的反射后，又从双焦透镜出射出来，出射的光的偏振态可用 ，一。= 毛帅一。= f ：? 瓦加一。来表示，一般地说，这还是椭圆偏振光 ( 这里不考虑双焦透镜的像差引入的0 、e 光之间的位相差) 。 3 ：又回到p s 坐标系来，椭圆偏振光再_ 次经过分光棱镜，：i7 母”f ， t “ s n j c 若光路中插有波片吖；= ： ，则还要通过它) ，通过调相装置 m 衄= 0 。： ，最后经检偏器p 的耦合，两光发生干涉，由c c 。接收干涉条 纹。 由于怕坐瓣岫坐躲有一个旋转变换帆。= 茹：鬻 ， 它把上面三步的公式联系起来，可得到( 2 2 ) 式( 光路中插有四分之一波片) 或( 2 3 ) 式( 光路中不插四分之一波片) ： 2 盯舳蚝。) 7 m o 目m - n 埘。 ( 2 2 ) 2 ( ) 7 m - 蚝_ 兀m ( 2 3 ) 对于( 2 - 3 ) 式有： f e 一1 ：fh s - 晦， r oc o s 2 ( 卢) + s i n2 ( 卢) 】+ k s 缸卢) c o s ( 卢) 【一】 e ， i 占jl ，o 廿p q 如，尸s i n 必0 9 6 可得，要使用1 2 位的d a 转换器 d ： 电光调相器的优缺点及其改进的思路。 电光调相相对于机械调相来说，它的优点是：避免了机械调相引起光轴的 横向移动、也没有机械振动噪声和机械加工和装配时韵传动比精确满足要求这 一条件。相对于机械调相来说，调相装置结构小巧、紧凑调相速度可达纳秒 量级。当然，有优点也有不足：它的成本比较高，制作、使用和维护都不是那 么方便。 浙江大学硕士学位论文 第四章：移相技术 为了减小加在晶体两端的工作电压，也就是说为了提高位相位相电压曲线 的斜率，本文提出了这样三条思路： 降低晶体的工作温度来增大电光系数( 如使k d p 能工作在一5 0 0 ，则它的 半波电压将下降到2 0 0 伏左右) ，可采用几级帕梯尔槽进行制冷来实现； 对于晶体前后两端工作面可采用多块电光晶体串联使用； 前面所论述的电光晶体都是单轴晶体，在电压作用下变为双轴晶体。当然， 也可以利用立方晶体，在特定的方向加电压，可以产生横向电光效应，而且这 时它的自然双折射为零，因此，没有前面所述的单轴晶体横向应用时的温度飘 移问题。或者采用其它电光系数大的晶体作为工作材料，如k s r n b 。0 。等，它只 有4 2 0 伏特就可达半波电压。 3 ：液晶调相 液晶材料是一种流体，介于完全规则状态( 固体) 和不规则状态( 液体) 之间的 中间态物质，兼有液体的流动性和晶体的各向异性，这是由液晶分子的细长结构 决定的。从液晶相形成的物理条件来讲，可分为热致液晶和溶致液晶。对于热 致液晶来说，从分子排列的有序性角度来讲，大体上可分为三类：丝状相( n e m a t i c p h a s e ) 、螺旋状相( c h o l e s t e r i cp h a s e ) 和层状相( s m e c t i cp h a s e ) 。丝状相是 分子排列具有长程取向有序，局部地区的分子趋向于沿同一方向排列。螺旋状 相是分子排列取向沿着条螺旋轴螺旋式地变换方向。一般地把不属于前面两 种情况的热致中介相都归属为层状相。其中丝状液晶已被广泛地用于商品化器 件中。 由于液晶分子在形状、介电常数、折射率及电导率等方面具有各向异性的 特点，当对这样的物质施加电场后，随着液晶分子轴的排列变化和流动就会发 生不稳定现象。液晶的电光效应有扭曲效应、动态散射效应、电控双折射效应、 相变效应、宾主效应等。其中，能用于本文中作为纯位相调制器的效应是电控 双折射效应。 液晶的电控双折射原理如下：在未加电压状态下，长条状分子结构的液晶 在定向层的作用下，使分子长轴方向处于与定向层平行的方向，而且分子之间 无扭曲。这时液晶的宏观表现是一单轴晶体，线偏振光通过这一装置之后，它 的平常光与非常光之间引入的位相差是 万：2 z - a n - _ _ _ _ 塑d s i n 2 徊) ( 4 1 6 ) 其中，n 是液晶的自然双折射，d 是液晶盒中液晶层的厚度，九是光波波长 0 是入射光相对于液晶光轴的入射角。随着超过阈值的电压的增大，液晶分子 长轴逐渐转向沿电场方向，旋转量与所加电压平方成正比。因此，相对于液晶 盒正入射的光来说，随着电压的逐渐增大，液晶的双折射逐渐减小，以致于趋 向于零。 利用液晶的上述特性可做成纯位相调制的液晶盒调相器，它的结构和它 的电压位相关系如图( 4 1 0 ) 所示。当电压在0 1 0 伏之间变化时，引入的位 相差可达好几个n ，具体的大小与所用的液晶的种类和光波波长有关。 液晶盒作为电光调相器的优点是工作电压低、体积小、控制电路相对简单。 它的不足之处是电压位相关系是非线性的。在仪器定标时，要测出电压位相特 性盐线并存储，在实际操作时作出相应的电压控制决策。另外点是液晶盒长 时间受直流电压作用后会感应出永久电极化，导致在电极两端电荷的堆积，引 浙江大学硕士学位论文第四章：移相技术 起液晶的电化学反应。 定 a 盒甍。 喜6 霉 薹 l ： 电极 。 o2e01 01 2 f m sd r r 呜v d t 口e ，v b 图4 1 0 ：a )液晶盒结构： b )e 7 液晶的电压位相关系，引自文献2 三：磁光效应调相 磁光效应是指具有固有磁矩的物质在外磁场的作用下，电磁特性会发生变 化，因而使光波在其内部的传输特性也发生变化的现象。它具体包括：法拉第 效应、克尔效应、科顿一穆顿效应、塞曼效应和磁激发光散射等。其中，最为 人们所知也最为有用的是法拉第效应。 法拉第效应是指线偏振光入射到磁光介质中，出射光的偏振态相对于入射 光的偏振态发生了旋转，变化量的大小与加在介质上的磁场强度在光通过方向 上的投影的大小成正比，也和光在介质中通过的距离成正比，即： 9 h y = v h l t a 一1 7 其中，v 是伏狄特l v e r d e t ) 常数，即在单位磁场的作用下光在介质中通过单 位长度后它的偏振方向所转过和角度。h 为磁场强度。l 为光在介质中通过的距 离。偏振光旋转的方向在光沿两个方向传播时相同，因此可让光往返多次以累 积法拉第效应。 在实际应用中。要选用v 比较大的磁光材料和设计好磁场分布。可选用掺 铋磁光石榴石单晶薄膜，这种薄膜的旋光率( 0 ，= ( q 一门一) ，单位长度f i 的 。 旋转角) 很大，虽然对于6 3 2 8 纳米的激光的吸收系数比较大，但是薄膜厚度 小，插入损耗还是比较小的。为了降低通电线圈所需的电流和功耗，可以让光 在调制器中往返多次，以累积磁光效应。当然，由于我们这里所需的调制器的 特殊性( 位相调制) ，要对于调制器两面的反射镜的反射特性及其与光轴方向之 问的夹角作出严格的设计，才能用于位相调制。在满足要求的情况下，尽可能 减小调制器的口径和线圈的安匝数，以降低对于驱动电源的电压要求。 四：声光效应调相。 这种方法也叫激光外差技术，它的原理是利用声光调制器对激光束的衍射作 用，把入射的频率为u 的激光分为一频率为和另一频率为+ 甜的两束光。 然后这两束光中的。束作为测量光而另一束作为参考光。其中a ( o 是由声光调 制器的驱动源频率和所用的衍射级次决定的。一般地声光调制器利用b r a g g 衍射效应，衍射级次是正负一级。所以，棚仅由声光调制器的驱动频率决定。 而衍射光的能量大小则可由驱动信号的功率决定。设电场强度分别为： 巨( x ，_ y ，f ) = 4 l x ，y ) e x p p 【诈( x ，y ) 一2 x ( u + a v ) f 】 ( 41 8 a ) 浙江大学硕士学位论文第四章：移相技术 易( z ，y ，z ) = 4 ( x ，力唧 j 哺( x ，y ) 一2 z v z 】 则得到的干涉条纹强度公式为： l ( x ，y ，f ) = l o ( x ，y ) + ，( x ， c o s 妒( x ，y ) + 2 z u f 1 其中i o ( x , ，) ：一，2 0 ，_ y ) + 4 2 ( 工，y ) ，y ( x ，y ) ：2 爿，4 。 ( 4 1 8 b ) ( 4 一1 9 ) 从公式可见，干涉条纹是时间和空间坐标的函数，用相应的光电转换接收方法 干涉图，就可实现移相算法。 五：交波长调相” 变波长调相是指对激光光源进行调制，使它的光波频率发生改变，从而达 到干涉条纹移动的目的。这种方法所用的激光器是半导体激光器，因它的发光 光波长受到电流大小的控制，可以改变。设输入到半导体激光器的电流是受正 弦调制的，为：f ( ，) = i o + a i - c o s ( a z + ) ，则相应激光器输出的光波波长为 2 ( t ) = 厶+ m 。由此得到的干涉条纹图案是： m 川：厶+ y c o s i _ 4 z h ( x , y ) 一生譬堕c 。s ( 酬十妒) 1 ( 4 _ 2 0 ) 、山 九 其中，h ( x ，y ) 是被测物体表面信息，1 3 是半导体激光器电源的调制度，d n 是参 考光路与被测光路之间的平均光程差。与公式( 4 - 1 9 ) 相似，干涉图也是时问 和空间位置的坐标。 这种方法的优点是它可以实现干涉仪的全固态化，没有机械运动部件，结 构小巧，可实现实时检测。不过，由于光源频率的改变，要求所有的光学元器 件的色散很小，即对设计难度提出了要求。另外，对驱动电源的要求也比较高。 第二节：各种移相技术装置的比较 各种移相技术装置的比较见表4 - 1 。 表：4 - 1 浙江大学硕士学位论文第四章：移相技术 机一般只 低实验室环制作简单、成本 精度不高、难以满足高 械能达到 境、一般 低、控制方便、通精度测量要求、比较占 调毫秒量样品测量光口径可做到很空间、工作时可能会引 相级大、技术成熟起较大的噪声。 电k d p 最k d p高速实时向愿啊匝、全部器一般地，k d p 控制电压 光快可达最动态测量件都无机械运动比较高，成本高，设备 调 费秒量 高 所占空间比较大，制作大 相级、液液而均匀性好的晶体困难： 晶一般晶液晶的电压位相关系是 可达几较非线性的 十微秒低 磁快较 一般地，控制电路电流 光低输出比较大，耐压要求 调高、体积比较大 相 声快较激光外差 光 低 干涉测量 调系统 相 变快 低可用于工仪器系统可实现全 系统设计比较难 波 业加工现部固化，性能稳定 长场测量可靠，可实现仪器 调的小型化 相 第三节：对移相精度的要求 要想达到o 1 纳米的纵向精度要求，相应的位相测量精度要不大于： 妒：笪幽：! ：! ：! ! ! 量堕+ 0 1 ：0 0 0 1 9 8 5 8 3 6 0 3 0 3 4 1 3 4 0 弧度。0 1 1 3 8 。 在不计其它噪声、误差要求的情况下，在后继处理是使用四步移相方法时，由 公式： 帆，= 糟= 竺c o s ( 妒慕筹c o s ( 妒4 - = 篙鬻 “一13 + 巧1 ) 一 + 玩) 。u 3 、掣。”3 l 甲o3 帆卜型哗糕等器嚣产型，从而可煳悯结果 ( 4 2 1 ) 其中， a = c o s ( 正) + c o s ( 巧2 ) ，b = s i n ( 8 4 ) + s i n ( 8 2 ) ， c = 1 + c o s ( 8 3 ) ，d = s i n ( 8 3 ) ，一 浙江大学硕士学位论文 第四章：移相技术 z = 培( 们。在4e 【o 0 5 ，0 0 5 l 巧2 = o 1 ，一= o2 时右 a b c d 5 c d a m a xo fe r r o ri s m i no fe r r o ri s ：0 0 0 4 3 6 3 3 ：0 0 0 1 7 4 5 3 ：0 0 0 2 1 8 1 7 ：0 0 0 0 8 7 2 6 7 ：0 1 2 2 1 7 ：0 0 5 0 0 0 2 倒4 一1 1 从公式和图中可以明显地看出，因移相角度误差而由四步移相公式得到的测量 位相误差与被测位相的丈小有关，在角度是n 的整数倍附近时它的误差最大， 而在其它地方相对不大。在实际应用中要达到如此高的精度，角度误差要比 o 1 。小四到五倍左右。实际上，已经有许多大师在这一方面作出了计算和误差 结果。他们认为，由