白光干涉测量

垂直扫描白光干涉法测量技术垂直扫描白光干涉法是干涉法的基础上发展起来的一种光学非接触测量方法。结合了白光干涉显微技术和相移干涉技术，也被称为白光干涉条纹扫描法、相干检测法等。光的干涉是光在传播过程中呈波动性的重要现象之一，1801年，杨氏双缝实验历史长第一次用实验显示了光的干涉现象，其设计构思的精巧之处在于从同一波阵面上取得了两个波源。随后，相继出现了很多类似原理的实验装置。目前，相干光的应用已经遍及各个领域，如光相干探测、相干光通信以及在遥感领域和军事领域的应用等。光的干涉现象时光的波动性的表现。光的干涉产生干涉条纹，表现为光在遇到障碍物时候出现光的强度或明暗，在空间稳定分布的现象。两束光在相遇的区域内形成稳定的明暗交替或彩色条纹的现象成为光的干涉现象。例如：双缝干涉中将S光源发出的一束光通过S1、S2的双狭缝，分离出两个很小的部分作为相干光源，这两束光为同一光源发出，所以频率，相位都相等。由于两束光源到屏幕上的任意点的距离不等，所以当两束光在屏幕相遇时，相位相等的点就呈现出叠加加强的现象，显示为亮点，而相位相反的点则相互抵消，就显示为暗点。这样在双缝后面的幕上就呈现了明暗相间的条纹——干涉图样，如图1。对干涉现象的产生完全可按照矢量波的合成来分析。显然，不满足相干条件的几列波虽能叠加，但不能干涉。图1白光光源包含了整个可见光谱区域的光谱成分，自红光至紫光，波长为4000~7000Å，光谱宽度很大，相干长度很长，大约几个微米。只有光程差很小时，两束光才能发生干涉，白光中不同波长的光将产生各自的一组干涉条纹。因为干涉条纹的间距与光的波长有关，当光程差为零时，白光光谱内各个谱线双光束干涉的零级条纹完全重合，各种波长的光重叠形成白光干涉对比度最大的白色零级条纹，此处可以认为是最佳干涉位置。随着光程差的不断增加，不同波长的干涉条纹光强的极小值相继出现，此是条纹宽度相差较小，重叠后的干涉条纹颜色为黑色。继续增大光程差，不同波长的干涉条纹光强的极大值不断出现，呈现出彩色条纹。由于各波长干涉条纹的错开会使条纹对比度逐步下降，到一定程度时干涉条纹将消失，如图2所示。白光干涉条纹的影响因素较多，光源的特性和两束相干光的强弱影响干涉条纹的对比度，干涉光路的设计决定了干涉条纹的宽度和颜色分布。图2干涉显微镜是干涉仪和显微镜的组合，利用干涉条纹的弯曲量来测量表面的微观不平度。与其他光学技术相比，干涉显微镜具有较高的放大倍数和分辨率，而且表面信息直观，测量精度很高。图3为Mirau型干涉显微镜。图3相移干涉显微技术是干涉显微镜与相移技术的结合，在干涉显微镜中增加相移器以改变干涉光路中测量光与参考光之间的相位差，由与相位差对应变化的干涉光强值计算得到被测表面上的相位值。相位干涉法的光源为单色光，由于激光的相干性比较好，常在相移干涉法中作为光源。在相移干涉显微镜中，主要是加入单色滤波片，将白光光源发出的光变为带宽很窄的单色光。相移干涉法的测量精度很高，能实现自动测量，已经得到广泛的应用。垂直扫描白光干涉技术是白光干涉技术、相移干涉显微技术的结合，用白光作为光源，利用白光干涉条纹的特性来进行表面微观形貌的测量。由白光光源产生的光束相干光波间允许的光程差极小，基本上要在等光程位置附近才能观察到干涉条纹，而且条纹也只有为数不多的几条。依据该特征，如果是干涉条纹移动，对于被测表面上的任意一个采样点，其光强的变化曲线如图4所示，即在光程差接近相等时，条纹对比度变化剧烈且呈现非周期性，这样零级条纹很容易与其他级条纹相区别。该特征非常明显，可以利用它来定位零光程差位置、用CCD检测到干涉条纹信号如图4所示，在光程差为零的位置，检测的输出光强有一个最大值，这个光强最大值位置也就对应与物镜的聚焦平面，包含表面的高度信息。图4用CCD记录下每次垂直移动时干涉条纹的图像并将这些图像叠加，叠加图像中像素点的白光干涉光强的垂直分布如图5所示，光强的最大值对应光程差为零的位置。垂直扫描白光干涉法测量表面的三维形貌就是通过垂直扫描得到每个被测点在垂直方向光强分布的离散数据，通过定位光强分布的最大值计算得到被测表面的高度信息值。具体测量过程如下：测量时通过计算机控制工作台或参考竟在垂直光轴方向的位移，使被侧工件表面的不同高度的点与参考镜的光程差相继为零，产生干涉。如果在充足的扫描范围内垂直移动，被测工件表面的整个高度范围都可以通过最佳干涉位置。图5由CCD采集到随垂直方向位移而变化的干涉条纹图像，视频信号通过图像采集卡转换成数字信号并存储于计算机中。利用被侧面对应的各像素点相关的干涉数据，基于白光干涉的典型特征，通过采用某种最佳干涉位置识别算法对干涉图样数据进行数据分析处理，提取出特征点位置（最佳干涉位置），从而就很容易得到各像素点的相对高度，这样便实现了对三维表面形貌的测量。图6为Mirau干涉显微镜的垂直扫描白光干涉显微测量仪的基本结构。由光源、聚光镜、分光镜、纤维物镜、分光板、压电驱动器、CCD相机、计算机等部分组成。图6Mirau垂直扫描白光干涉仪属于分光路结构，使用时，首先由光源发出的光束由聚光镜聚焦成为平行光，再有显微物镜将光线再次聚焦，光线经分光板分成两束，分别照射在参考反射镜和被测表面上，反射光沿原路返回，在分光镜处交汇后产生干涉。光线原路返回经过显微物镜后，由分光镜反射到CCD相机，由CCD相机记录干涉图像并输入计算机中，通过计算机控制压电驱动器驱动被测表面在垂直方向移动，获得一组连续的干涉图像。再通过某种算法计算就可以获得被测表面的围观表面轮廓。这种基于白光干涉的测量方法是通过连续改变光程差，干涉条纹扫描过整个被测表面，根据干涉条纹的最大光强值对应着表面的最佳聚焦位置的原理，完成整个表面的测量，因此被称为垂直扫描白光干涉法。垂直扫描白光干涉法适合测量垂直梯度较大的不连续表面，测量精度可以达到纳米级，测量范围分布在0.05um~0.6mm。