第4章-光学干涉测量技术.ppt

光学测试技术 2020年4月21日 第四章光学干涉测量技术 干涉技术和干涉仪在光学测量中占有重要地位 近年来 随着数字图像处理技术的不断发展 使干涉测量这种以光波长作为测量尺度和测量基准的技术得到更为广泛的应用 在光学材料特性参数测试方面 用干涉法测量材料折射率精度可达10 6 对材料光学均匀性的测量精度则可达10 7 用干涉法可测量光学元件特征参数 用球面干涉仪测量球面曲率半径精度达1 m 测量球面面形精度为1 100 用干涉法测量平面面形精度为1 1000 用干涉法测量角度时测量精度可达0 05 以上 在光学薄膜厚度测试方面 用干涉法测厚的精度可达0 1nm 在光学系统成像质量检验方面 利用干涉法可测定光学系统的波像差 精度可达1 20 并可利用干涉图的数字化及后续处理解算出成像系统的点扩散函数 中心点亮度 光学传递函数以及各种单色像差 2 武汉大学电子信息学院 3 武汉大学电子信息学院 在光学检验方面 干涉测量法是一种通用性很好的测量方法 适用于对材料 元件 系统等各种参量的检测 干涉测量法在各种参数的测量中 均具有很高的测试灵敏度和准确度 是一种高精度的测量方法 实现干涉测量的仪器叫干涉仪 干涉仪有几种不同的分类方式 按光波分光方式的不同 可分为分振幅型和分波阵面型 按相干光束的传播途径 可分为共程干涉和非共程干涉 按用途不同分为静态干涉和动态干涉 其中静态测量通过测量被测波面与标准波面之间产生的干涉条纹分布及其变形量求得试样表面微观几何形状或波像差分布 动态测量通过测量干涉场上指定点的干涉条纹的移动或光程变化来求得试样的位移等 4 1干涉测量基础 4 武汉大学电子信息学院 一 干涉测量基本原理1 干涉原理及干涉条件干涉测量基于光波相干叠加 因此必须满足三个条件 频率相同 振动方向相同 位相差恒定 2 影响干涉条纹对比度的因素干涉测量对条纹对比度有较高的要求 通常情况下 要求K 0 75 那么干涉条纹对比度究竟与哪些因素有关呢 1 两相干光波的相对光强可以发现 I1 I2时 K取得极大值 K 1 I1 I2相差的越大 K就越小 一般干涉仪采用分振幅的方法得到两相干光波 所以条纹对比度主要取决于分束器的分束比及性能 武汉大学电子信息学院 5 武汉大学电子信息学院 6 若两支相干光的光强关系为 则 若测试光路中混入有杂散光 其强度均为 会导致干涉图像对比度进一步下降 见p79图4 4 3 1干涉测量基础 8 武汉大学电子信息学院 2 光源大小的影响及其空间相干性干涉条纹的照度很大程度上取决于光源的尺寸 而光源的尺寸大小又会影响到各种干涉条纹的干涉图样对比度 平行平板的等倾干涉 对比度与光源大小无关杨氏干涉 只有利用狭缝限制光源尺寸 才能获得干涉条纹楔形板形成的等厚干涉 介于上述两种情况之间 4 1干涉测量基础 9 武汉大学电子信息学院 如图 光源为被均匀照明的直径为r的光阑孔 光阑孔上不同点S经准直镜后变成与光轴具有不同夹角 的平行光束 设准直镜焦距为f 小孔光阑的中心点为S0 则 不同 角的平行光束经干涉仪后被分成两束相干光 到达干涉场中同一点的光程差各不相同 因此各自形成的干涉条纹彼此错位 4 1干涉测量基础 10 武汉大学电子信息学院 所有干涉条纹进行强度叠加 形成视场中见到的干涉条纹 条纹度比度直接取决于光阑大小 如图所示 设光阑半径为rm0 应用物理光学知识可以证明 式中h是虚拟空气楔厚度 可见 为保证干涉仪的空间相干性 采用长焦准直镜 采用尽可能相等的两臂长 减小空气楔厚度是必要的 K 90 4 1干涉测量基础 11 武汉大学电子信息学院 3 光源非单色性影响与时间相干性能够发生干涉现象的最大光程差与光源的谱线宽度成反比 若干涉测量中用到的光源本身有一定的谱线宽度 对应波长为和 2两组干涉条纹的强度分布 其他波长的光对应的干涉条纹强度分布介于两根曲线之间 干涉场中最终形成的干涉条纹是这些干涉条纹叠加的结果 可见 在零级时 各波长的干涉极大重合 之后慢慢错开 干涉级次越高 错开的距离越大 合强度峰值逐渐变小 对比度逐渐下降 对线宽为 的光源 其最大波列长度为 表4 1 p77 给出了常用光源的相干长度的理论值 实际的相干长度往往会小于相干长度的理论值 7 4 1干涉测量基础 13 武汉大学电子信息学院 4 杂散光对对比度的影响分束器 以及干涉仪系统中的其他光学器件在把入射光分束及折转 成像过程中 会引入杂散光 杂散光会影响条纹对比度 导致对比度的下降 例 分束镜表面的剩余反射 改善措施 分束器表面正确镀制增透膜或析光膜在光源处设置消除杂散光的小孔光阑除此之外 两支相干光束的偏振态不一致也会影响干涉条纹的对比度 4 1干涉测量基础 14 武汉大学电子信息学院 二 干涉条纹的分析判读与干涉图形信号的处理方法从干涉仪系统中获取稳定 清晰的干涉条纹图样是干涉测量的第一步 对获取的干涉条纹进行分析判读才能得到被测量的有用信息 一 干涉条纹的分析判读1 波面偏差的表示方法根据干涉条纹的形成条件 可以知道干涉条纹是干涉场中光程差相同的点的轨迹 相邻条纹之间的光程差为波长的1 n 其中n是测试光束通过被测试样的次数 若某处条纹间隔为H 对应的条纹弯曲量为h 则该处的波面偏差可表示为 3 1干涉测量基础 15 武汉大学电子信息学院 对于非轴对称的情况 则需要绘出二维的波面偏差分布图 在获取整个表面的波面偏差后 可以用以下几种综合指标描述波面分布 1 波峰波谷偏差 被测波面相对参考波面的峰值与谷底之差 可表示为 PV是波前最高点与最低点之间的间距 单位通常为波长 因此 PV给出的是波差的极限值 PV通常被用于描述元件或系统的质量 瑞利曾指出 波前PV值优于 4 可以认为系统成完善像 4 1干涉测量基础 16 武汉大学电子信息学院 如果被测波面是球面 称由实测波面拟合得到的最接近球面的矢高 波高 为Power 当最接近球面为会聚波前时 Power取正值 当最接近球面为发散波前时 Power取负值 可见 Power越小 波前的准直性越高 因此将Power称为波前的离焦量 将Power从PV移出后的剩余量用pv表示 事实上 pv更能体现波前的极限误差 虽然PV可以用于描述元件或系统的质量 但这种描述往往容易受随机误差的干扰的缺陷 因此常用PV20替代PV 4 1干涉测量基础 17 武汉大学电子信息学院 2 均方根误差被测波面相对参考波面各点偏差的均方根值 可表示为 武汉大学电子信息学院 18 武汉大学电子信息学院 19 3 光学元件面形偏差光学车间广泛采用玻璃样板来检验球面或平面光学元件的面形偏差 根据国家标准GB2831 81规定了光圈的识别办法 光圈识别应包括以下三个方面的内容 1 光圈数N 被检光学表面的曲率半径相对于参考光学表面曲率半径的偏差 名词解释 光圈即为等厚干涉测量中出现的牛顿环的数量 4 1干涉测量基础 20 武汉大学电子信息学院 在面形偏差较大 N 1 以有效检验范围内直径方向上最多干涉条纹的一半来度量光圈数 在面形偏差较小 N 1 时 光圈数以通过直径上干涉条纹的弯曲量h与条纹间距H的比值来度量 即 2 像散偏差 被检光学元件与参考表面在两个相互垂直方向上产生的光圈不等所对应的偏差 像散光圈有三种常见形式 椭圆形光圈 马鞍形光圈及柱形光圈3 局部偏差 被检光学表面与参考光学表面在任意一方向上产生的局部不规则称为局部偏差 是对整体光圈走势的偏离 有 3 1干涉测量基础 21 武汉大学电子信息学院 4 1干涉测量基础 22 武汉大学电子信息学院 用样板法检验光学面面形时需要光学样板 所谓样板是根据待测光学元件的标称曲率半径和口径制造出的光学元件 一般分为标准样板和工作样板 标准样板一般成对加工 成对检测 工作样板由标准样板传递 直接在加工过程的现场检测中使用 与普通工件相比 样板一般采用性能稳定的光学材料制成 有一定的厚径比 面形不易变化 曲率半径也可以用其他手段精确测量 4 1干涉测量基础 23 武汉大学电子信息学院 样板本身也有误差 这种误差必然会影响到检测结果 下表给出了基准样板精度等级的划分办法 在光学图纸上 基准样板精度等级以符号 R表示 由于被测面曲率半径和样板曲率半径存在差异 R 使两者之间存在一定的空气隙厚度 空气隙厚度越大 光圈数就越多 根据简单的数学推导 可以得到 式中 为样板检验时用的波长 D和R分别是被测球面的口径和名义曲率半径 4 1干涉测量基础 24 武汉大学电子信息学院 用样板法检测光学元件面形偏差时要注意几个问题 1 样板法检测结果与光源的波长有关 如果不加特别说明 应默认波长为546 1nm 从一种检验波长得到的光圈与另一种检验波长得到的光圈是不一样的 但两者间可以进行转换 2 样板法检测时的观察角度 当观察者从不同方向观察样板上的干涉条纹时 相当于是观察从不同方向上入射的光的干涉 由于光程差的变化 干涉条纹的位置在改变 判读得到的结果自然也就不相同 如果垂直方向观察得到的光圈数为N 则有 4 1干涉测量基础 25 武汉大学电子信息学院 3 小样板检验大工件的精度转换 通常情况下 样板口径应大于等于被检光学元件的直径 如果样板口径小于被检光学元件的直径 则应对检测结果进行转换 4 光圈正负的判别 光圈有正负之分 正光圈又叫高光圈 负光圈又叫低光圈 定义 样板与被检元件在周边接触的是低光圈 样板与被检元件在中心接触的是高光圈 高低光圈的判断 特例 零级干涉条纹的判断当测量时使产生干涉的两波面间的光程差减小 则可判断条纹的移动方向是离开零级条纹的方向 反之 增加光程差 则干涉条纹朝着零级条纹的方向移动 4 1干涉测量基础 26 武汉大学电子信息学院 二 干涉条纹的处理方法1 数字波面的获取干涉仪检测光学元件面形 对获得的干涉图进行数字化转换 并由计算机替代人眼进行判读 即为数字干涉法 在对模拟干涉图像进行数字化转换后 需要提取干涉图上的条纹信息 即确定干涉条纹的中心点坐标及干涉级次 一般处理过程需要如下几个步骤 1 背景滤除 对原始图像进行预处理 2 二值化 使干涉图变为二值化图像 3 细化 保留条纹中心曲线 从而提取出条纹上点的坐标 4 修像 去除细化图像中的干扰信息 修改间断点 5 标记 对干涉条纹进行跟踪 标记不同条纹的干涉级次 6 采样 用等间距采样现贯穿干涉图像区间 均匀设置采样点 采样结束后即完成了对数字化干涉图像的图像处理过程 获得了离散的 采样点基本均布的波面数据集合 x y p 在经过后续的波面拟合计算等可以得到波面数字分布 4 1干涉测量基础 27 武汉大学电子信息学院 2 移相干涉提高干涉条纹稳定性移相干涉法采用光电定量探测方法 在横向以CCD像素构成高密度点阵 在纵向通过标准镜的移动获得多幅干涉图 通过多幅干涉图的平均处理降低随机噪声 提高干涉条纹稳定性 其数学模型如下 在双光束干涉仪中干涉条纹强度分布为 干涉条纹的处理即孔径范围内相位分布的提取需要求解 x y 可以通过安装在参考反射镜上的压电陶瓷驱动器改变光程差 设PZT驱动参考反射镜按 4改变光程差 则采集到的干涉图强度分布为 4 1干涉测量基础 28 武汉大学电子信息学院 对上述式子做简单变换 消除未知量A B 可求出 即 只要对采得的四幅干涉图强度分布做简单运算 即可求得干涉孔径上各点的位相分布 为降低随机噪声 可对多个周期的干涉图像作累计平均 4 2泰曼干涉测量及斐索干涉测量 29 武汉大学电子信息学院 一 泰曼干涉测量 一 泰曼干涉仪泰曼干涉仪 Twyman Green 是从迈克耳逊干涉仪演变而来的专门检验光学元件和光学系统的干涉仪 根据被测量对象的不同 泰曼干涉仪又分为泰曼透镜干涉仪 泰曼棱镜干涉仪和泰曼棱镜透镜干涉仪 泰曼干涉仪形成等厚干涉条纹 4 2泰曼干涉测量及斐索干涉测量 30 武汉大学电子信息学院 二 测量平面面形误差和平板平行度1 测量平面面形偏差在泰曼棱镜干涉仪测试臂上装上被测平面工件 调整参考光臂光程与测试臂光程基本相等 并细调被测工件方位 通过光阑孔10观察 让其反射光斑与参考光路的光斑重合 这时即可在毛玻璃屏11处观察到干涉条纹 由于泰曼干涉仪的参考镜面镀有高反膜 因此只适合测反射率高的光学表面的面形 4 2泰曼干涉测量及斐索干涉测量 31 武汉大学电子信息学院 2 用泰曼干涉仪测量平板的平行度 1 测量原理用泰曼干涉仪测量光学不平行度的测量光路如下图 调节泰曼干涉仪两臂等长 使M1 M2严格平行 则视场中无干涉条纹 将待测平板置于测试光路中 若平板玻璃楔角为 则光线两次通过平板玻璃后总的偏转角 为 即发生干涉的两个平面波之间夹角为 而 因此有 4 2泰曼干涉测量及斐索干涉测量 32 武汉大学电子信息学院 光学玻璃折射率通常在1 5左右 因此平板玻璃楔角近似 为N b 相比用菲索干涉仪测量光学不平行度相比 泰曼干涉法能将测量范围扩大3倍 但能够测量的最小角度也放大的3倍 因此不太适合小角度的测量 4 2泰曼干涉测量及斐索干涉测量 33 武汉大学电子信息学院 2 测量精度与测量范围根据间接测量的不确定度传播公式 得到 例 得 可见 测量平行度 的不确定度可以在1 以内 当 当条纹密度m b 2mm 1 max n 1 以 0 6328 m n 1 5147 b 100mm代入 得到泰曼干涉法测量光学平行度的范围为 1 2 4 4 2泰曼干涉测量及斐索干涉测量 34 武汉大学电子信息学院 3 为解决泰曼干涉法测量小楔角的问题 可对光路作改进 在未放待测检之前 首先将泰曼干涉仪的测试反射镜的虚像与标准反射镜调节成一定的角度 即M1 M2之间存在交角 这时视场中会出现等间隔的平行条纹 将待测平板放置到测试臂中 由于 角的存在 反射光束与入射光束间偏转 角 由于反射镜M1 M2的直径均大于被测光学平板直径 所以视场中心和边沿处干涉条纹既不平行 也不等间隔 转动平板 使两组干涉条纹重新平行 则 4 2泰曼干涉测量及斐索干涉测量 35 武汉大学电子信息学院 可进一步得到 可见 两组干涉条纹宽度越接近 能检测的角度就越小 改进后能测量的最小楔角可小于0 6 0 1 4 2泰曼干涉测量及斐索干涉测量 36 武汉大学电子信息学院 三 测量光学系统波像差用波像差评价光学系统成像质量是一种比较好的方法 对于一般目视光学系统 根据瑞利准则 只要波像差不大于 4即可认为像质优良 精密光学系统波像差则应不大于 10 可见用波像差评价光学系统成像质量不但简单明了 而且与光学系统的特性参数无关 通用性好 另外 波像差易于建立其他像质评价参数 如中心点亮度 光学传递函数之间的转换 测量波像差通常采用透镜干涉仪 4 2泰曼干涉测量及斐索干涉测量 37 武汉大学电子信息学院 1 测量原理及典型干涉图如图 被测光学系统安置在测试臂上 由分束器出射的平面波经被测镜后再由球面反射镜反射 返回的波面再次经过镜头 构成自准直光路 受被测镜头波像差的影响 出射波面不再是平面波 它与参考光路提供的标准平面波干涉 干涉图反映的波面变形是被测镜头本身波像差的两倍 事实上 带有缺陷的波面在传播过程中不断变化 对应的干涉图 由干涉图判读计算得到的波像差在不同位置是不一样的 为统一标准 测量镜头的波像差应严格指名是被测镜头出瞳面上的波像差 相应的 测量中应采集镜头出瞳面上的干涉图 4 2泰曼干涉测量及斐索干涉测量 38 武汉大学电子信息学院 1 出瞳面干涉图系统出瞳面O即为被测镜头口径 通过球面反射镜反射后成像于O 再经过被测透镜后成像于O 前后调节辅助透镜 直至在采集干涉图的像面O 处见到被测镜头出瞳边界的清晰像 在出瞳面上安装感光面以采集干涉图像 另外 仪器配备有不同曲率半径的标准球面反射镜 应选择曲率半径接近且略小于被测镜头焦距的标准球面反射镜 以保证被测镜头的波面基本按原光路返回 4 2泰曼干涉测量及斐索干涉测量 39 武汉大学电子信息学院 2 典型初级像差干涉图假设被测镜头只包含初级像差 其波像差函数可写作 式中 x y 是光瞳面上的直角坐标 入瞳半径做归一化处理 A为球差系数 B为彗差系数 C为像散系数 D为离焦系数 E F为波面倾斜系数 均以波长为单位 按照上述关系式 可以仿真计算出存在各种初级像差时典型干涉图 4 2泰曼干涉测量及斐索干涉测量 40 武汉大学电子信息学院 3 由干涉图求波像差分布干涉条纹形状反映波像差的大小 同时也与标准球面反射镜的调整位置有关 从干涉图上求被测镜头的波像差 应将标准球面反射镜球心C调节到被测镜头最佳像点位置上已形成自准直光路 在实际测量中 以干涉条纹数来判断标准球面球心和最佳像点的重合 一幅干涉图 当移动参考反射镜缩短光程时 在X X截面上条纹移动方向用箭头表示 根据条纹移动方向可以确定干涉图上对应于波面极值点的位置 用 表示波面凸向观察者的顶点位置 表示波面凸向参考镜的顶点位置 相邻两条纹如果移动方向相反 则它们为同光程的 由此可求出截面上的波面形状 4 2泰曼干涉测量及斐索干涉测量 41 武汉大学电子信息学院 从干涉图中求取波像差的处理步骤为 在干涉图上取任一截面A A 在干涉图上方 下方 作平行于A A 间隔相等的平行线 若干涉图上有n个干涉圈 则需要做n 1根平行线 相邻两条平行线间距代表一个波长 以第一根线为零线 其他线代表的波差标注在平行线左侧 由截面与干涉条纹的交点引垂线与对应平行线相交 得交点y1 y2 yn 顺序将各点连成曲线 这条曲线代表了实际波面与理想平面波在A A截面上的偏离程度 由于采用自准直光路 被测件实际波差是图像中测量值的一半 4 2泰曼干涉测量及斐索干涉测量 42 武汉大学电子信息学院 4 离焦干涉图处理方法实际干涉条纹稳定性易受环境扰动的影响 在波像差较小时往往变动很大 不易处理与分析 因此实际上往往拍摄一定条纹数量的干涉条纹 这时对应的是离焦干涉图 对于离焦干涉图 如何最终去除离焦的影响 得到被测波面的波像差呢 离焦干涉图 如图 离焦有焦外离焦和焦内离焦两种 离焦后的波像差为 焦外离焦 W W1 W2焦内离焦 W W1 W2 4 2泰曼干涉测量及斐索干涉测量 43 武汉大学电子信息学院 式中W是离焦后的波像差 W1是离焦前的波像差 W2是离焦引起的附加波像差 当被测物镜口径不太大时 由离焦量 s引起的附加波像差W2为 可见 W2 h2 因此若以W2为横坐标 h2为纵坐标 所得到的两者间的关系满足线性关系 直线的斜率为 利用此关系 就可以从干涉图中得到剔除离焦量 4 2泰曼干涉测量及斐索干涉测量 44 武汉大学电子信息学院 5 作图法求实际波差 作图法是使实际波面的最大波差达最小来确定W2 h2直线的斜率tan 的值 算出各h2对应得波差W2 即可求出W 根据离焦干涉图 做出W1 h2曲线 h的计算方法 量出干涉图直径D 若被检物镜的通光孔径为D 则干涉图放大倍率M D D 这时实际光线的入射高度h与入瞳处干涉环半径r之间的关系为 h r M 根据量出的r 即可计算出h 4 2泰曼干涉测量及斐索干涉测量 45 武汉大学电子信息学院 求W2 h2离焦波差 用两条平行线夹W1 h2曲线 改变两条平行线的斜率至两条平行线的水平间隔最小 即W最小 过坐标原点作直线 使其平行于两平行线 该直线即为W2 h2离焦波差线 曲线W1 h2对直线W2 h2的偏差即为待检透镜实际波差与h2的对应关系 将其转换成W h关系即可 如下图所示 4 2泰曼干涉测量及斐索干涉测量 46 武汉大学电子信息学院 若按波像差平方和达最小 即最小二乘 准则来计算最佳波面 设波面离焦后波像差为W 离焦后附加波像差为a bh2 则对最佳波面有 W1 W a bh2按照最小二乘法 有 4 2泰曼干涉测量及斐索干涉测量 47 武汉大学电子信息学院 四 泰曼型激光球面干涉仪 4 2泰曼干涉测量及斐索干涉测量 48 武汉大学电子信息学院 双臂不等光程的球面干涉仪如上图所示 由He Ne激光器射出的激光束经聚光镜后会聚成一球面波 经分束棱镜后分成两部分 其中的透射光射向标准球面 透射的球面波与标准球面准确同心 因而构成自准直光路 经分束棱镜反射后会聚成一亮点 经分束镜反射的光射向被测球面 调节被测球面使之与分束棱镜反射的球面波同心 则光从被测球面上反射后也能按原光路返回 它透过分束棱镜后也会聚成一亮点 调节仪器使两个亮点准确重合 则人眼在光束会聚点处可观察到参考光和测试光形成的干涉条纹 根据干涉条纹的局部变形可发现被测球面的面形偏差 如果用平面反射镜替代被测球面 则仪器可用于测量准直透镜的波像差 4 2泰曼干涉测量及斐索干涉测量 49 武汉大学电子信息学院 相对于泰曼干涉仪 泰曼型激光球面干涉仪的主要特点是 进入分束镜的波是球面波 为了消除分束棱镜带来的球差 分束采用的立方棱镜组四面加有一定曲率半径的球面镜 以保证在发散光束中不产生球差 参考光与测试光之间光程差可能相差得很大 因此只能产生激光光源 采用球面波后 可以用小口径参考面检查大口径球面 体积小 使用方便 只能用于对凹球面的检测 4 2泰曼干涉测量及斐索干涉测量 50 武汉大学电子信息学院 二 菲索干涉测量 一 菲索 Fizeau 干涉仪 1 光路和原理菲索干涉仪被用于测量参考面与检验面之间的偏差 被检面可以是平面 球面或非球面 4 2泰曼干涉测量及斐索干涉测量 51 武汉大学电子信息学院 菲索干涉仪中 为获得较高的干涉图像对比度 采用的方法除限制光阑尺寸 采用长焦距准直镜 采用激光器照明外 还包括 标准平板做成楔板 被测平面的后表面涂上吸光材料等 其检测精度与标准波面质量有很大关系 对于菲索平面干涉仪来说 标准平晶面形及材料均匀性都很重要 检验大口径光学元件常采用静止液面作为标准面 另外 准直镜的影响也很重要 若其角像差为 则附加程差为h 4 2泰曼干涉测量及斐索干涉测量 52 武汉大学电子信息学院 2 测量平面面形测量方法 将被测件的被测表面清洁后 放在标准平面下的承物台上 通过调节承物台方位使两表面反射光斑像重合 在小孔光阑处即可观察到定域于空气隙之间的弯曲的等厚干涉条纹 菲索干涉仪的标准反射面反射率比较低 因此这种干涉仪适于测量未镀高反膜的工作面面形 平面干涉仪还能测量曲率半径很大的球面曲率半径 只要测量出孔径D范围内干涉条纹的数量m 根据矢高与曲率半径之间的关系 即可计算出曲率半径为 以干涉条纹密度m D 1线 mm 0 6 10 3计 系统能测量的最小曲率半径为40m 以m 1代入 可知系统能测量的最大曲率半径为4000m 4 2泰曼干涉测量及斐索干涉测量 53 武汉大学电子信息学院 3 测量平板的光学平行性把被测平板放在准直镜下方的承物台上 调节承物台使由准直镜出射的平行光垂直入射到被测玻璃平板上 如果玻璃平板材料均匀 表面面形好 则干涉条纹应是平行的等间隔直条纹 设在长度b的范围内有m个条纹 长度b两端对应的厚度分别为h1和h2 则有 2n h1 h2 m 光学平行度为 或 与泰曼干涉仪测平行度的公式相比 菲索干涉仪灵敏度提高了近2倍 相应的测量范围也缩小了2倍 4 2泰曼干涉测量及斐索干涉测量 54 武汉大学电子信息学院 两种干涉仪系统的比较相同点 两者均产生等厚干涉条纹不同点 菲索干涉仪由标准参考平面和待测平面形成的空气楔是真实的 而泰曼干涉仪形成的空气楔是虚拟的 菲索干涉仪是共路干涉 而泰曼干涉仪是双光路干涉系统 因此菲索干涉仪具有更好的稳定性 菲索干涉仪参考光路和测试光路不能完全分开 两支光路的光程差调节受到一定限制 放置样品不太方便 而泰曼干涉仪两支光路彼此分离 除了可以检测各种光学元件外 还可以用于光学系统波像差的检测 也即可以用于光学系统的像质评价 4 2泰曼干涉测量及斐索干涉测量 55 武汉大学电子信息学院 二 菲索型激光球面干涉仪1 光路和原理菲索型激光球面干涉仪光路如图所示 4 2泰曼干涉测量及斐索干涉测量 56 武汉大学电子信息学院 菲索型激光球面干涉仪标准物镜的最后一个球面与出射的高质量的球面波具有同一个球心C0 因此该面作为测量的参考球面 为了获得需要的干涉条纹 必须仔细调整被测球面 使被测球面的球心C与C0精确重合 4 2泰曼干涉测量及斐索干涉测量 57 武汉大学电子信息学院 2 干涉条纹的形状在常用的菲索干涉仪或泰曼干涉仪系统中 干涉条纹通常由平面波与平面波 平面波与球面波 球面波与球面波干涉形成 将平面波看作是有无穷远点光源产生 则干涉条纹的形状主要取决于两相干点源之间的相对位置关系 1 两个平面波的干涉将两个平面波表达为 若 1 2 常数 即两光束具有恒定位相差 则两光束相干 这时有 4 2泰曼干涉测量及斐索干涉测量 58 武汉大学电子信息学院 两光束干涉时的位相差为 当 2m 时出现亮纹 当 2 m 1 2 时出现暗条纹A 设 1 2 0 在X 0平面内观察 有 可见 干涉条纹呈直线状 强度按余弦规律变化 条纹空间周期为 B 1 2 0只影响干涉条纹位置 但不改变条纹间隔结论 当两平面波干涉 在X 0的平面 或在垂直于两平面波所决定的平面内 观察时 条纹是一组垂直于y轴的等间隔平行线 4 2泰曼干涉测量及斐索干涉测量 59 武汉大学电子信息学院 2 两个球面波的干涉当两个球面波干涉时 在观察点P处干涉条纹的位相差为 因此形成的干涉条纹是双曲线 在一般的干涉光路中 往往使用下面两个特例 A X轴垂直于观察平面 垂直于两个点源的连线当 1 2 0 对亮纹有 4 2泰曼干涉测量及斐索干涉测量 60 武汉大学电子信息学院 当 1 2 0 对亮纹有 可见这时形成的干涉条纹与两平面波干涉是一样 注意这时需要假定 x0 y c z 这就意味着在干涉图上的每一点两相干球面波基本具有相同的曲率 而两者唯一的区别是有相对的倾斜 4 2泰曼干涉测量及斐索干涉测量 61 武汉大学电子信息学院 B 观察面垂直于两个点源的连线 且 当 1 2 0 对亮纹有 这时条纹是一组同心圆 其中 定义条纹的空间频率为1 R 则说明同心圆的空间频率随半径线性增加 4 2泰曼干涉测量及斐索干涉测量 62 武汉大学电子信息学院 3 一个平面波与一个球面波的干涉可以看作是两个球面波的干涉 只不过一个球面波的球心位于无穷远 如果 1 2 0 平行光与X轴夹角为 则根据前面的推导可以得出两光束的位相差为 若假设 x0 y z 则 条纹应是同心圆 4 2泰曼干涉测量及斐索干涉测量 63 武汉大学电子信息学院 3 平面干涉仪和球面干涉仪的比较菲索平面干涉仪和球面干涉仪的区别在于前者用标准平晶的后平面作为参考面 而后者则用标准物镜组的最后一个球面作参考面 因此可以通过更换标准参考镜的方法将两者合为一体 形成能测量凸 凹球面及平面 非球面 抛物面 等的面形偏差 以及光学系统波像差的干涉仪系统 测量球面面形偏差在菲索球面干涉仪系统中使被测球面的球心C与标准波面球心C0精确重合 如果干涉场中得到等间距的直条纹 表明没有面形误差 若条纹出现椭圆形或局部弯曲 则可判断存在面形偏差当被测球面球心 球面顶点分别被调节至与标准球面球心重合时 两次构成自准直光路 即两次形成等间距直条纹 利用测长机构可测出两者间的距离即为被测球面曲率半径 4 3移相干涉测量 64 武汉大学电子信息学院 传统的干涉测量方法通过对干涉仪所获取的干涉条纹得到波面波差空间分布的相关信息 受各种因素 特别是干涉条纹判读方法误差较大的限制 传统的干涉测量方法只能做到 10 20 PV 的测量精度 为提高干涉测量精度 可以从多幅相位变化的干涉图中解算波面各点的相位分布 其测量不确定度可达 50 4 3移相干涉测量 65 武汉大学电子信息学院 一 移相干涉测量的基本技术 一 移相干涉测量原理在干涉仪的参考光路中引入一个随时间变化的位相调制 从干涉场内各点交变的位相差信号中提取出多幅不同的移相干涉图图形 采用相减或相除等信号处理方式 能有效去除干涉测量系统中的一些误差 包括固定的系统误差 缓变的气流引起的光程差 振动和温度场等随机误差对测量的影响 在参考镜上连接一压电晶体 PZT 通过驱动电路带动参考镜产生几分之一波长量级的光程变化 使干涉场产生变化的干涉条纹 这时的光强分布可表示为 式中Id x y 是干涉场的直流光强分布 Ia x y 是干涉场的交流光强分布 x y 是被测波面与参考波面的位相差 t 是两支光路随时间变化的位相差 4 3移相干涉测量 66 武汉大学电子信息学院 采集多幅位相差变化的干涉图的光强分布 用适当的数值算法解算出 x y 对于给定的某点 x y 由于Id x y Ia x y 和 x y 均为未知 因此至少需要三幅干涉图才能解算出 x y 假设 i ti i 1 2 N N 3 则I x y i Ii x y Id x y Ia x y cos x y i a0 x y a1 x y cos i a2 x y sin i式中 a0 x y Id x y a1 x y Ia x y cos x y a2 x y Ia x y sin x y 按最小二乘原理 有 4 3移相干涉测量 67 武汉大学电子信息学院 得 其中各符号的含义见公式4 27a 4 27b p97 最后被测波面与参考波面的位相差 x y 可通过a2 x y 与a1 x y 的比值求得 特殊的 取四步移相 即N 4 1 0 2 2 3 4 3 2有 由于位相的计算公式中含有减法和除法 因此可有效去除固定噪声 探测器本身的不均匀和部分随机噪声 4 3移相干涉测量 68 武汉大学电子信息学院 二 常见的移相方法1 压电晶体移相压电晶体置于外电场中 受电场的作用 晶体内部正负电荷中心产生相对位移 导致介质的伸长变形 常用的压电材料是压电陶瓷 这种介质在人工极化前是各向同性的 在人工极化后具有压电性 改进型的锆钛酸材料制成的压电陶瓷片 PZT 其伸长变形方向与电场方向平行 其微位移的线性性好 转换效率高 性能稳定 伸长量与电场之间的关系满足 h DV式中 h为伸长量 以微米为单位 D为压电陶瓷的压电系数 m V V为施加在压电陶瓷片上的电压 事实上 施加的电压与陶瓷的伸缩量并不严格保持线性关系 并且伸缩的变化还具有一定的时间上的滞后 4 3移相干涉测量 69 武汉大学电子信息学院 对PZT所具有的非线性必须进行校正 校正的过程中需要给PZT施加一个非线性电压 Vi A Bi Ci2 i 1 2 N式中A为偏置电压 B为线控系数 C为二次项系数 为放大系数 i为步进数 先给PZT一个初始电压 测出其位移变化 再与预置的相位变化比较 以决定修正系数B C 逐次逼近 直到满足非线性为止 4 3移相干涉测量 70 武汉大学电子信息学院 2 偏振移相偏振移相法的基本思想是将一个被检的二维相位分布 x y 转化为一个二维的线偏振编码场 即将二维相位分布 x y 转换成各相应点的偏振角分布 使偏振角的值正比于该点的初始相位 且保持各点振幅分布均匀 为此使用一检偏器 若检偏器角度为 与线偏光方向的夹角为 x y 2 根据马吕斯定律 可检测到的光强为 从光强分布可见这是一组余弦干涉条纹 条纹的分布不仅与被检光场的位相分布有关 还受检偏角调制 只要改变检偏角 即可产生干涉条纹的移动 故称之为偏振条纹扫描干涉 偏振移相法的优点是 1 检偏器的转角可精确控制 移相精度高 2 适用于干涉系统中光程难以改变的场合 但是 需要制作大口径 高质量的偏振元件 4 4错位干涉测量 71 武汉大学电子信息学院 前面介绍的干涉仪借助标准波面与被检测波面的比较来测量被检测波面的波像差 因此需要使用高精度光学参考面 且标准波面口径要大于被检波面口径 如果被检测波面口径较大 制作更大口径的标准元件将变得很困难 自二十世纪四十年代起人们就开始研究不需要标准波面的干涉测量技术 这就是错位干涉测量 本节介绍波面错位的基本原理 重点介绍横向错位干涉测量原理和横向位错干涉测量方法 一 波面错位干涉测量的基本原理所谓波面错位干涉测量 就是拿被测波面自身比较来确定波面的位相差 需要通过某种错位元件将一个空间相干的波面分裂成两个完全相同或相似的波面 两者间存在一个小的空间位移 因为波面上各点是相干的 在两个波面的重叠区域形成一组干涉条纹 通过对干涉条纹的分析与处理 得到原始波面的信息 4 4错位干涉测量 72 武汉大学电子信息学院 一 波面位错的方式常见的波面错位方式包括横向 径向 旋转和翻转四种 见图4 31 p103 错位前的波面和位错后的波面满足相干条件 在其重叠区域发生干涉 形成干涉条纹 二 实现错位的方法1 基于几何光学原理利用光在位错元件上的反射和折射实现波面位错 一般采用光学平板实现错位 如图4 32 一束准直的待测波面以入射角i射向平板玻璃表面 先后进平板的前 后表面反射形成两束彼此相干 且存在一定横向错位的波面 4 4错位干涉测量 73 武汉大学电子信息学院 两个波面的错位量S与平板厚度t 玻璃折射率n以及光线的入射角i有关 满足 可见 当使用的平板确定后 可以通过改变入射角来改变位错量 图4 33是在的情况下 S t与入射角i之间的关系 当i 50 时从平板上可以获得最大错位量 S 0 76t 4 4错位干涉测量 74 武汉大学电子信息学院 2 基于衍射原理将一个衍射光栅置于被测波面的聚焦点附近 利用光栅的衍射产生若干级次的彼此位错的波面 由于高衍射级次波束的强度较弱 因此实际利用零级和一级衍射的波面 一束会聚光入射至一个周期为d的透射光栅上 其中心光束垂直于光栅 聚焦点与光栅面重合 会聚光束的锥顶角为2 由光栅衍射方程得一级衍射角为 arcsin d 适当选择d 使零级光束与 1级光束均有部分重叠 但 1级光束本身彼此分开 即 或d 2 F 图4 34给出了 1级光束刚好相切时的光栅干涉图 4 4错位干涉测量 75 武汉大学电子信息学院 若要减小光栅的位错量 可以改用双频光栅 所选的较低频率使零级衍射光和一级衍射光分开 选较低频率的一级衍射光和较高频率的一级衍射光产生位错 且位错量取决于两个频率之差1 如用两个完全相同 彼此垂直的双频光栅 可在子午和弧矢方向同时获得位错的干涉图 如图所示 4 4错位干涉测量 76 武汉大学电子信息学院 3 基于偏振原理当一束光入射到具有双折射效应的材料上 会产生振动方向相互垂直的偏振光 利用偏振现象也可以实现相干波面的位错 下面以晶体平板的双折射效应为例 设由单轴晶体制成的平板光轴与入射面垂直 用一束偏振方向与入射面成45 的偏振平行光入射 由晶体的性质可知 出射光束将分裂成两束互相错开的平行光束 一束偏振方向平行于入射面 另一束的偏振方向则垂直于入射面 若晶体的寻常光折射率为n0 非常光折射率为ne 平板厚度为t 则两束光之间的横向位错量为 可见只要绕光轴转动晶体平板 即可实现位错量连续可调的目的 4 4错位干涉测量 77 武汉大学电子信息学院 二 横向错位干涉的测量原理 一 横向错位干涉条纹的产生如图 一束相干准直光分别经平板前后表面反射后 形成两相干的位错波面 在波面的重叠区域发生相干叠加 形成干涉条纹 已经知道经平板发生的位错 其位错大小与平板的厚度t 折射率n及入射角i有关 平板可以带有很小的楔角 以在准直的位错波面中引入一个固定不变的线性光程差 4 4错位干涉测量 78 武汉大学电子信息学院 二 横向错位干涉图的数学处理错位干涉图本身不需要标准波面 但干涉图由两个变形波面形成 从中解算波面的位相分布 或者说求解波面偏差就变