德國XONOX菲索型激光干涉儀原理與使用

1、德國XONOX菲索型激光干涉儀原理與使用第一章：為何使用干涉儀做檢測 1-1干涉度量學(xué) 第一章 為什么要使用干涉儀檢測首先我們要先了解，什么是干涉度量學(xué)？ 所謂干涉度量學(xué)是指利用光干涉的效應(yīng)來量測特定物理量的方法, 也就是說藉由觀察干涉條紋的變化, 來量測出待測物的特征1-2何謂干涉儀 干涉儀是什么? 一般來說, 只要是利用光干涉的原理來量測的儀器便可以稱為干涉儀, 但是干涉儀的種類眾多且多變化, 因此本課程中將針對(duì)最為外界常用之種類作介紹1-3干涉儀之優(yōu)缺點(diǎn) 干涉儀的優(yōu)點(diǎn)及缺點(diǎn) 第一 高精度以光學(xué)組件來說, 因?yàn)榻M件的微小變化均會(huì)嚴(yán)重改變原有的光學(xué)質(zhì)量，因此必須要有非常精確的量測儀器, 干涉

2、儀具有精度非常高的優(yōu)點(diǎn), 最高可達(dá)1/100的波長甚至到1/1000的波長, 波長是指干涉儀中使用光源的波長值.舉例來說：一般干涉儀的波長為632.8( nm ),而 632.8的百分之一約為6個(gè)(nm) , 目前的奈米科技是在這個(gè)尺度, 甚至有些更好的干涉儀可以到0.6個(gè)(nm ),從此可以看出干涉儀的精度有多好了第二章：非球面玻璃模造的原理 第二. 非接觸式量測另一種量測用的輪廓儀是使用接觸式的量測方式, 即使目前已可以微調(diào)接觸的力量, 但對(duì)于表面較脆弱的被量測物是否真的完全不會(huì)造成損害則仍無法確定.而當(dāng)用干涉儀量測時(shí), 是把光照射到被量測的物體上, 所以干涉儀上的探針也就是光, 并不會(huì)對(duì)

3、物體表面照成任何傷害 第三 使用探針來量測時(shí)無法一次量測所有的面積, 而可能必需分很多掃瞄線去量測, 相對(duì)來說, 干涉儀的量測速度就非?？炝? 可能幾秒鐘就量完了, 而不需要等待幾個(gè)小時(shí)的時(shí)間. 第四 則是干涉儀的缺點(diǎn), 一個(gè)操作員在會(huì)使用干涉儀卻不太清楚干涉儀的使用限制、條件及原理的時(shí)候, 可能會(huì)量測到不是他所要的東西, 而且, 因?yàn)楦缮鎯x是用光線量測, 在調(diào)整上也會(huì)花費(fèi)多的時(shí)間, 可能量測結(jié)果只要花幾秒鐘, 但事前的調(diào)整卻要花費(fèi)幾十分鐘甚至數(shù)個(gè)小時(shí). 第二章：干涉儀工作原理 2-1光干涉 2-1.1為何光有干涉現(xiàn)象 干涉儀工作原理 我們是用干涉儀量測, 所以先要了解什么是光干涉? 為什么光

4、有干涉現(xiàn)象?光的干涉現(xiàn)象有二個(gè)原因, 第一 光像是波一樣, 具有波的特性, 我們在丟一塊小石子在池塘中, 就會(huì)看到很多漣漪向外擴(kuò)散傳播, 這就是波, 而光就可以用波來描述. 第二 波的迭加原理, 我們之所以能夠看到干涉條紋的明暗變化, 就是因?yàn)榈釉硭斐傻?這是二個(gè)造成光干涉現(xiàn)象的基本條件除此之外, 偏振光的特性, 是否同相位的特性也是造成光干涉現(xiàn)象的條件. 2-1-2由迭加原理說明干涉現(xiàn)象 由迭加原理說明干涉現(xiàn)象： 1. 破壞性干涉如上圖所示, 假設(shè)藍(lán)色波的最高值與紅色波的最低值在同一位置時(shí), 其相加數(shù)值為0, 所以當(dāng)藍(lán)色及紅色二個(gè)波一起出現(xiàn)的時(shí)候, 迭加起來就會(huì)變成中間的黑線, 因?yàn)楣?/p>

5、具有波的特性, 所以如果2個(gè)波長彼此正好相差一半的波長時(shí), 也就是相位差時(shí), 畫面就會(huì)呈現(xiàn)全亮或全暗而完全看不到條紋, 以上圖來看因?yàn)樗{(lán)色波的最高點(diǎn)到紅色波的最高點(diǎn)距離相差, 此時(shí)我們就稱做破壞性干涉 2. 建設(shè)性干涉如下圖所示,假設(shè)藍(lán)色波與紅色波的最高值在同一位置時(shí),其相加數(shù)值就是2,當(dāng)藍(lán)色波與紅色波完全重迭在一起時(shí), 迭加起來就會(huì)變成較高的黑線, 當(dāng)我們?nèi)庋劭吹綍r(shí), 黑線的最高點(diǎn)就會(huì)變亮, 最低點(diǎn)則較暗, 而會(huì)有明暗的線條變化, 我們就稱做建設(shè)性干涉 當(dāng)藍(lán)色波與紅色波的相加數(shù)值為02以內(nèi)時(shí), 波長會(huì)較為平緩, 就會(huì)產(chǎn)生灰階的漸層條紋變化了. 2-1-3干涉條紋之定量描述 對(duì)建設(shè)性干涉而言,

6、 2個(gè)波的差異需滿足公式: optical path(n*d)=m optical path是光程差, 光程差是指2個(gè)波的差異,當(dāng)2道光從A點(diǎn)跑到B點(diǎn)時(shí), 距離為d及d', 因此有一道波跑了nd, 另一道波跑了nd' 那么2道光的差異為n(d'-d), 也可以變成nd2'.如果nd2'為波長的整數(shù)倍時(shí), 就會(huì)有明暗的條紋變化, 也就是建設(shè)性干涉 而相反的當(dāng)nd2'剛好為二分之一波長的技術(shù)倍時(shí)便產(chǎn)生破壞性干涉條紋，公式為:optical path(n*d)=m/2 2-1-4雙光束干涉之?dāng)?shù)學(xué)描述 雙光束干涉之?dāng)?shù)學(xué)描述： 假設(shè)2道光做干涉，這兩到光的

7、光強(qiáng)度分別為I1,I2，那么當(dāng)這兩道光產(chǎn)生干涉時(shí)便符合上述的公式.其中:I1+I2為干涉條紋的DC項(xiàng),根號(hào)(I1I2)為干涉條紋的振幅大小，最后Cos(Delta)為相位項(xiàng),其中Delta扁是前面所提到的光程差.所以當(dāng)光程差變化時(shí)，可以知道干涉條紋也會(huì)隨著變化 2-2如何判斷干涉條紋 2-2-1干涉條紋種類 那么我們?nèi)绾闻袛喔缮鏃l紋? 因?yàn)槲覀儾皇请S時(shí)隨地都可以方便的使用干涉儀并藉由計(jì)算機(jī)來分析, 所以我們必須用肉眼來判斷, 這也是最快最方便的方式.干涉條紋的種類有2種:第一個(gè)是等厚度干涉條紋, 在等厚度干涉條紋中明暗的條紋會(huì)呈現(xiàn)等間隔的情形, 而且每個(gè)相鄰的條紋代表相同的厚度間隔.假設(shè)橫線為

8、標(biāo)準(zhǔn)面, 斜線為一個(gè)斜率固定的待測面, 當(dāng)光線打過來的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生折射現(xiàn)象, 我們在第一個(gè)射入點(diǎn)做一條與標(biāo)準(zhǔn)面平行的虛線, 在待測面會(huì)有光a反射回去, 在標(biāo)準(zhǔn)面時(shí)也會(huì)有光b反射回去從圖可以看出光線a及b所通過的路徑是不同的，而當(dāng)光程差恰為波長的整數(shù)倍時(shí)，就可以看到相同間隔的干涉條紋 第二個(gè)是等傾度干涉條紋, 是由相同角度的光線所形成的干涉條紋, P1這一點(diǎn)有一個(gè)干涉條紋, 它的來源是由4條實(shí)線所造成的, 而這4條實(shí)線對(duì)這個(gè)物體表面來說, 則是同一個(gè)角度的光所造成的, 因?yàn)槲矬w為圓形, 所以會(huì)造成對(duì)稱的效果.而4條虛線則是由另一個(gè)角度的光所造成的, 并進(jìn)而產(chǎn)生P2點(diǎn)的一個(gè)干涉條紋.因此由同樣角度光

9、線形成的干涉條紋我們就稱為等傾度干涉條紋,不過在實(shí)際的應(yīng)用上, 等厚度干涉條紋與等傾度干涉條紋是可能同時(shí)出現(xiàn)的. 2-2-2-1 干涉條紋判斷應(yīng)用實(shí)例一 干涉條紋判斷應(yīng)用實(shí)例：應(yīng)用一:表面平整性-如果我們想從干涉圖了解物體表面的平整性好不好, 可以在干涉圖上畫一個(gè)以中心為準(zhǔn)的十字線, 數(shù)數(shù)看從中心點(diǎn)起, 在X方向上的條紋數(shù)及Y方向上的條紋數(shù)量有幾個(gè),這個(gè)量在光學(xué)工廠中是最常使用的, 當(dāng)我們要求師父磨一個(gè)鏡片時(shí), 就可以告知我們對(duì)表面平整性的需求, 在X方向與Y方向上的誤差范圍容忍度是多少.從圖上來看, X方向上有1個(gè)條紋, Y方向上則有3個(gè)條紋, 也就是說, 這個(gè)待測的組件, 在X方向與Y方向

10、上的變化程度不一樣, 這個(gè)變化程度就定義為表面平整性Surface irregularity同時(shí)差異量最大的地方我們定義為: POWER, 也就是Y方向的3, 而irregularity是看X方向與Y方向上的差異量, 也就是2, 所以從上圖的干涉條紋我們可以知道待測物的Power為3、irregularity 為2 那到底什么是POWER, 什么是irregularity ? 假設(shè)我們看的組件是眼鏡的鏡片, 從側(cè)面看, 當(dāng)有光打過來時(shí)鏡片會(huì)聚焦, 不同的彎曲量聚焦的程度就會(huì)不一樣, 我們稱為放大率, , 而面的彎曲程度就定義為POWER. 而在鏡片上的X方向與Y方向的彎曲程度會(huì)可能不同, 也就

11、是說POWER不一樣, 我們就稱為Surface irregularity, 現(xiàn)在我們已經(jīng)知道這個(gè)干涉圖條紋的表示為3/2, 那么這個(gè)數(shù)字是代表多少? 他的單位就是波長, 一般的雷射為632.8( )波長, 3/2 的3是指3個(gè)波長, 2是指2個(gè)波長, 在光學(xué)組件的計(jì)算之中通常是以波長來表示的. 2-2-2-2 干涉條紋判斷應(yīng)用實(shí)例一 在前面提到在干涉儀量測中多用波長作為單位所以我們還要注意到使用的干涉儀波長是多少假設(shè)同一鏡片, 由A廠商使用=500的干涉儀, 判讀數(shù)據(jù)為3/2, B廠商使用=600的干涉儀, 判讀數(shù)據(jù)也是3/2,那么使用500干涉儀的A廠商所判讀的數(shù)據(jù)必定是較好的, 因?yàn)椴ㄩL

12、愈短的, 轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)時(shí)也會(huì)相對(duì)較小, 所以除了判讀干涉圖的數(shù)據(jù)之外, 還要注意干涉所使用的波長是否和要求相符才能得到最正確的結(jié)果. 2-2-2-3 干涉條紋判斷應(yīng)用實(shí)例一 接下來的例子, 我們要看的一樣是POWER和irregularity我們可以從圖A來判讀POWER和irregularity 是多少?加上十字坐標(biāo)之后, X方向上有2.5個(gè)條紋, Y方向上則有1.5個(gè)條紋, 所以這個(gè)鏡片的最大彎曲量是2.5, X與Y的差距量是1, 但是這個(gè)干涉圖的結(jié)果卻不是 2.5/1當(dāng)X方向與Y方向待測面的彎曲方向相同時(shí), irregularity為2者相減, 但X方向與Y方向待測面的彎曲方向不同時(shí), i

13、rregularity則為兩者相加.當(dāng)X方向與Y方向待測面的彎曲方向相同時(shí), POWER取最大值, 但X方向與Y方向待測面的彎曲方向不同時(shí),POWER相減.所以從這個(gè)圖來判讀的irregularity為1.5+2.5=4, X方向與Y方向可以視為同一個(gè)面, 所以POWER是2.5-1.5=1, 因此, 我們必須先知道所量測的是什么物體, 否則所求得的數(shù)據(jù)也有可能是錯(cuò)誤的. 2-2-2-4 干涉條紋判斷應(yīng)用實(shí)例一接下來我們來看看幾種常見的干涉條紋：我們要注意的一件事是, 在這些圖中的干涉條紋都是由待測物和一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)平面比較所造成的, 一旦比較條紋變了, 所造成的條紋也會(huì)全部改變, 而且相對(duì)應(yīng)的狀況

14、也會(huì)完全不同.左側(cè)Without tilt為: 當(dāng)沒有傾斜效應(yīng)進(jìn)來的時(shí)候, 不同的待測面所產(chǎn)生的條紋變化右側(cè)With tilt則是: 當(dāng)傾斜效應(yīng)進(jìn)來的時(shí)候, 不同的待測面所產(chǎn)生的條紋變化當(dāng)待測面為為平面時(shí)1或是2, Without tilt 會(huì)看不到條紋當(dāng)待測面為彎曲面3時(shí), Without tilt 會(huì)呈現(xiàn)邊緣較密, 間距不等的同心圓條紋當(dāng)待測面是球面4時(shí), Without tilt 則會(huì)呈現(xiàn)間距較為相等的同心圓條紋假設(shè)標(biāo)準(zhǔn)面為平面, 3的待測物形狀可能為雙曲線或橢球, 所以厚度變化較為劇烈, 4的待測物則可能為球面或接近球面的形狀, 所以在做干涉儀量測, 想判斷干涉條紋的形狀時(shí), 必須先了

15、解待測物體的形狀, 或者是由干涉條紋的形狀, 來判斷待測物體 2-2-2-5 干涉條紋判斷應(yīng)用實(shí)例二 因?yàn)楦缮鏃l紋會(huì)隨著參考面的不同而不同, 所以當(dāng)我想知道待測面的形狀時(shí), 就必須先知道標(biāo)準(zhǔn)面的形狀是什么? 現(xiàn)在我們以同一形狀的待測物-凸透鏡為例當(dāng)待測物為一個(gè)球面, 而參考面為一標(biāo)準(zhǔn)平面時(shí),其干涉條紋可能為一同心圓分布, 但若參考面改為標(biāo)準(zhǔn)曲率之球面時(shí),其干涉條紋則可能成為直線分布 ,發(fā)生同一待側(cè)面卻有不同干涉條紋分布的原因, 在于干涉條紋所看到的是待側(cè)面與參考面之間的差異,因此, 如果要判斷哪一個(gè)干涉條紋的待測物是球面, 就必須先了解, 量測時(shí)所參考的參考是什么?才能正確藉由干涉條紋判斷出待

16、測之面形. 第三章：干涉儀種類 3-1 Newton Interferometer 干涉儀的種類非常的多, 在這里所介紹的是五種最常見的干涉儀. 第1個(gè)是Newton Interferometer牛頓干涉儀 左邊的Quasimonochromatic point source是一個(gè)幾近單波長的點(diǎn)光源, Quasimonochromatic為單波長的意思, point source是點(diǎn)光源.點(diǎn)光源經(jīng)過透鏡變成平行光后, 打到下方橢圓形待測物上, 這個(gè)待測物可能為透鏡之類的物體, 待測物下方的平面Optical flat 則是參考面, 通常做為參考面的平整度, 也就是Surface irregul

17、arity, 必須要1/10以上, 分母愈大就表示其平整度愈好.  3-2 Michelson Interferometer 第2個(gè)是麥克森干涉儀Michelson Interferometer. 當(dāng)麥克森干涉儀和牛頓干涉儀做比較時(shí), 會(huì)發(fā)現(xiàn)它并不是一個(gè)點(diǎn)光源, 光源有些散開, 光線在經(jīng)過第一塊鏡片之后透過中間的分光鏡O, 使得一部份的光反射到反射鏡M2再反射回分光鏡O, 而一部份的光則穿透補(bǔ)償片C, 到達(dá)反射鏡M1之后才反射回分光鏡O合成同一道光, 并且將結(jié)果打到D(Detector)上, 因此我們就可以在Detector上看到一圈一圈的條紋, 也就是干涉圖A了. 所以麥克森干涉儀

18、通常用來量測距離的變化當(dāng)我們要量測距離時(shí), 只要先量測出原來的干涉條紋A之后, 再將反射鏡M2往后移, 量測出干涉條紋B, 然后就可以從條紋AB的變化算出距離了. 3-3 Fizeau Interferometer (一) 第3個(gè)是斐洛干涉儀Fizeau Interferometer 是目前一般最常見的干涉儀, 也是架構(gòu)最簡單, 量測最方便的一種.左上方的laser becm 雷射光源, 雷射光源是非常好的單波長光源, 經(jīng)過中間的幾道程序之后, 在經(jīng)過Reference flat 參考面時(shí), 部份光被反射, 部份光則穿透至flat under fest待測面上后再反射回去, 因此我們看到的結(jié)果

19、是參考面與待測面的差異, 當(dāng)參考面不同時(shí), 所測出的待測面條紋也會(huì)不同.這種干涉儀的缺點(diǎn)是: 容易受風(fēng)向、震動(dòng)、與空氣變化等的外力影響, 必須放在密閉室內(nèi)的防震桌上, 才能清楚看到干涉條紋, 所以又稱為非共路徑干涉儀.  3-3 Fizeau Interferometer (二) Fizeau Interferometer 這2種是由2家有名的儀器公司制造的斐洛干涉儀左圖是ZYGO公司所制造的斐洛干涉儀,而右圖則是VEECO公司的斐洛干涉儀,一般光學(xué)公司在采購較好的干涉儀設(shè)備時(shí), 通常是以這2家公司的儀器為采購標(biāo)準(zhǔn). 3-4 Mach-Zehnder Interferometer 第

20、4個(gè)是Mach-Zehnder 干涉儀 左下方的光源Extended source, 為一與麥克森干涉儀相似的擴(kuò)展光源, 光源經(jīng)過第一個(gè) Beam-splitter之后分為二道, 各別經(jīng)過一片Mirror反射鏡, 再經(jīng)過第二個(gè)Beam-splitter合成一道光之后, 將結(jié)果打到Detector上.因?yàn)橹虚g分為二道光源的關(guān)系, 在空間及距離上可以做較大的調(diào)整, 所以比較適合量測體積大或穿透性大的物體, 例如: 我們可以用來量測大面積的玻璃.將待測物放在路徑上的第一個(gè) Beam-splitter與Mirror反射鏡之間, 我們就可以看到路徑A、路徑B與待測物之間的差異.這也是一個(gè)非共路徑干涉儀,

21、 它的缺點(diǎn)是: 容易受空氣變化等的外力影響,優(yōu)點(diǎn)是: 可以量測體積或面積較大的物體. 3-6 Twyman-Green Interferometer 第5個(gè)是Twyman-Green 干涉儀 Twyman-Green 干涉儀和麥克森干涉儀很相似.當(dāng)一道光源進(jìn)來, 經(jīng)過BEAM EXPANDER將光源變得比較大束后, 經(jīng)由中間的BEAMSPLITTER 分為二道光, 反射回來之后再回到偵測器,上每種干涉儀都有各自不同的應(yīng)用范圍、方向和限制. 第四章：實(shí)際檢測方法 4-1可應(yīng)用范圍 干涉儀可以應(yīng)用的范圍:1. 是表面的形狀2. 是曲率測試3. 是表面平整度或表粗糙度4. 可以量測玻璃二側(cè)的面是否夠

22、平整5. 角度測試, 有些光學(xué)組件是有角度的, 可藉此量測其準(zhǔn)度6. 應(yīng)力測試, 例如眼鏡或相機(jī)鏡頭, 當(dāng)必須以其它對(duì)象夾住玻璃時(shí), 可以測試該玻璃的變形量. 4-2 干涉儀應(yīng)用于液晶投影機(jī)組件檢驗(yàn) 那么干涉儀到底應(yīng)用在那些液晶投影機(jī)組件的檢驗(yàn):例如: X-cube是液晶投影機(jī)中把RGB三個(gè)色光合在一起的重要組件, 我們有幾種檢測它的方式:第1 是量測表面平整性:我們使用的是WYKO 6000的斐洛干涉儀, 儀器的前面標(biāo)準(zhǔn)參考面, 光源由參考面打到待測物的第一個(gè)面時(shí)會(huì)反射, 我們看到的是它的差異度, 也因此可以量測出待測面的表面平整度.并由計(jì)算機(jī)直接判讀出正確的數(shù)據(jù)結(jié)果.如果我們拿一張不透光的

23、白紙遮住其中一邊的光, 那么被遮住的部份就不會(huì)再有光從下方出現(xiàn), 而只顯示出一部份的反射條紋.第2 是量測內(nèi)反射面的平整度:光源由參考面打到待測物的第一個(gè)面時(shí)會(huì)反射,但是也可以打進(jìn)待測物里面, 經(jīng)由反射的過程再反射回參考面,也就是就, 使用同一個(gè)架構(gòu)可以量測到物體的二面, 那么要知道我們量測的到底是哪一個(gè)面? 如果我們拿一張不透光的白紙遮住其中一邊的光, 那么被遮住的部份就不會(huì)再有光從下方出現(xiàn), 但會(huì)顯示出沒被遮住的部份反射條紋, 那么所測得的就是表面平整度. 而內(nèi)反射的光源是由上方打入待測物中, 再經(jīng)由反射從下方出來, 所以如果我們拿一張不透光的白紙遮住上方的光, 那么就不會(huì)再有光從下方出現(xiàn)

24、, 這樣就能得知目前所量測的是內(nèi)反射面平整度了. 第3 是量測內(nèi)反射面的角度誤差:這是X-cube的側(cè)面圖, 理論上都會(huì)盡量要求達(dá)到接近90度, 所以我們也可以用干涉儀來量測內(nèi)反射面的角度誤差第4 量測穿透波面的平整度:光在投影機(jī)中必須是穿透的, 如果X-cube有一些瑕疵的話, 顯示出來的影像就會(huì)不漂亮, 所以就必須量測其穿透波的平整度.當(dāng)光源從上方打出來, 透過待測物打到標(biāo)準(zhǔn)反射鏡片時(shí), 再反射回去, 如果待測物的放置位置是平整的, 那么每一道光都會(huì)循原來的途徑反射回去, 可能會(huì)分不清楚到底是哪一個(gè)面所產(chǎn)生的干涉條紋. 這時(shí)可以調(diào)整待測物平臺(tái)的傾斜度, 使部份光不會(huì)進(jìn)到干涉儀中, 那么就可

25、以很清楚的看到干涉條紋了.  Aperture: In television optics, it is the effective diameter of the lens that controls the amount of light reaching the photoconductive or photo emitting image pickup sensorANSI Lumens:ANSI stands for American National Standards Institute. It is a standard for measuring light out

26、put. Different lamps play a role on light output. Halogen lamps appear dimmer than another metal-halide, even if the two units have the same ANSI lumen rating. Type of LCD technology (active matrix TFT, Poly-Si, passive), type of overall technology (LCD vs. DLP vs. CRT), contrast ratios, among other

27、 factors can also affect the end result. ASAP原名為Advanced System Analysis Program，為美國BRO (Breault Research Organization) 公司研發(fā)的一套專業(yè)光學(xué)仿真軟件，它可以幫助使用者仿真真實(shí)之光學(xué)系統(tǒng)，以達(dá)到最實(shí)際之光學(xué)分析結(jié)果Dichroic: A mirror or lens that reflects or refracts selective wavelengths of light. Typically used in projector light engines t

28、o separate the lamps "white" light into red, green, and blue lightDigital Light Processing (DLP): The commercial name for this technology from Texas Instruments (TI):F-number (f/#) f/# is the ratio of the effictive focal length of an optical system to its clear aperture. For example,

29、a 50mm effictive focal length lens system with a clear aperture of 25mm is f/2.Focal Length (FL)Regarding optical elements and systems: effective focal length (EFL) - Distance from the principle plane to the focal point; front focal length (FFL) - Distance from the vertex of the first lens to the front (left) focal point; back focal length (BFL) - Distance from the vertex of the last lens to the back