球王会官方【测量知识】—光学干涉测量原理及应用

　　干涉测量法主要应用于光学车间检测，被用于测量各种不同类型的零件，如光学系统性能、表面粗糙度、表面形状和运动表面的位移。

　　干涉仪是一种比较两个物体的位置或表面结构的仪器。振幅干涉仪的两个基本分束组件由光源、分束器、基准面和测试面组成（图1）。分束器从单个光源创建参考光束和测试光束。当两个光束重新组合时，观察到的强度会根据这些光束的振幅和相位而变化。假设两个光束的强度相等，并且在重新组合点处完全同相，则合成的强度是任一光束强度的四倍。当两个光束在重新组合时完全不同步时，会发生相消干涉。光束相互抵消，产生的强度为零。

　　如果两个光束在空间上可以扩展，我们可以观察到包含这两个光束的波前相对相位在被测试物体表面积上的变化。构造干涉和相消干涉的交替区域会产生通常称为干涉条纹的亮带和暗带（图2）。当光束通过不同的光程长度时，会产生两个波前之间的相位差，部分原因是测试表面和参考表面的形状和纹理不同。通过分析干涉图，可以确定仪器视野中任何点的路径长度差异。路径长度的差异是由干涉仪测试表面和参考表面之间的形状和倾斜差异引起的。通常选择的参考表面要明显优于被测表面。

　　通过对干涉仪设置，实践和了解，可以轻松识别条纹图。现代计算机化干涉仪自动执行这种分析，从而显示表面形貌。

　　与其他表面测量技术相比，干涉测量技术有几个优点。它对表面形貌具有非常高的灵敏度，通常以纳米为单位测量。它也不需要与被测表面进行机械接触。因此，不存在表面损坏或变形的风险。此外，干涉仪可以覆盖大面积、高横向分辨率，每次测量可收集数十万个数据点。横向分辨率仅受光学衍射和相机像素数的限制。

　　基于激光的斐索干涉仪，通常测量单个表面或完整光学系统的表面形状或透射波前质量。它们将基准面和分束器合并到一个称为传输元件的组件中（图3）。激光的窄线宽和高相干性使得即使在较大的光程长度差异下也可以看到清晰的干涉条纹，从而可以将测试表面放置在测试光束中几乎任何方便的位置。

　　商用干涉仪通常使用的光源，波长为632.8 nm的氦氖激光器。然而，斐索干涉仪可用于各种波长，而无需对配置进行重大更改。主要考虑因素是找到合适的激光源和探测器，微调系统的光学设计，并为新的光源波长选择新的光学元器件镀膜。

　　干涉测量学已经从产生静态条纹图的简单仪器发展到将静态条纹图数字化和分析的计算机系统，再发展到精密的相位测量仪器。当参考和测试元件之间的间距被调制时，通过捕获多帧强度数据，相移干涉仪（PSI）计算表面上每个点的相位，从而实现更精确的数据分析和更高的测量分辨率。

　　激光干涉仪通常要求被测表面足够光滑，以确保局部高度变化不超过光波长的四分之一。对于光波，相位每半个波长重复一次，强度没有任何明显变化。因此，在双通干涉仪中，被测量间隔点大于四分之一波长的突变，被视为非连续状态。这种情况称为2π模糊度，因此，基于激光的干涉仪最适合测量光学元件和其他光滑、抛光表面。

　　干涉显微镜通常使用扩展的白光光源，如发光二极管。这些光源的低相干性意味着干涉条纹仅在很短的距离内可见，约为微米，需要使用不同类型的干涉仪，以实现参考光和测量光的几乎相等的路径长度。

　　干涉仪本身内置在显微镜物镜中（图4），通常使用在可旋转转台上具有多个此类干涉物镜的系统，该转台可提供应用所需的各种放大率和光学分辨率。

　　对近等路径的要求是大多数现代干涉显微镜测量原理的基本要求，干涉显微镜利用这一现象对表面纹理进行区域面型测量，否则对基于激光的干涉测量来说，表面纹理会过于粗糙、复杂或杂乱无章。相干扫描干涉测量（CSI）系统在图4所示的垂直方向上扫描物镜，同时以规则、紧密间隔收集强度数据帧。当被测表面上的每个点聚焦时，该点的条纹对比度达到峰值。对峰值对比度位置进行软件分析，并结合干涉相位信息，可获得测试零件的高灵敏度表面形貌图像。对于光滑表面上的单次测量，表面数据的测量噪声为亚纳米级。CSI测量原理不受传统基于激光的PSI系统的2π模糊度的影响，并且与不使用扩展白光源的系统相比，它与更粗糙的表面和更大的离散台阶高度兼容。

　　在某些情况下，测试对象具有两个或多个反射面；例如，半透明光学平板的正面和背面。多次反射会导致重叠条纹图案，这在传统干涉仪中很难或不可能解释。调制后的激光源可通过波长移动进行相移。在此配置中，每个干涉腔以不同的速率或频率进行调制。通过扫描广泛的频率范围并对相移数据进行傅里叶变换分析，可以单独区分和分析每个条纹图。具有几乎平行表面的样品可以快速、准确地同时测量，无需任何特殊的样品制备。这些系统提供了基于多个表面测试的附加功能，例如同时测量物理厚度剖面和材料均匀性。

　　相移激光斐索干涉测量法为光学测试提供了最高性能、最低不确定度的测量。传统的PSI通过一系列相机帧获取数据。不幸的是，由于总采集时间可能长达半秒，采集可能会受到振动和湍流的不利影响。在生产环境中，以及在测试大型光学元件或光学系统时，通常会出现这种情况。在这些情况下，维持适合PSI的环境可能不切实际，甚至不可能。在这些条件下需要进行测量时，可选择将环境影响降至最低。

　　对于剧烈振动或需要动态测量运动中物体的情况，必须在单个相机快照的时间范围内获取所有数据。存在空气湍流和极端振动的情况下，使用一种称为空间相移的技术，结合高速相机快门，振动影响有效的改善。该技术提供了独特的功能，包括实时Zernike反馈，用于主动监测光学系统的对准情况（图5）

　　图5 动态相位™ 载波条纹瞬时干涉仪提供实时面型和表面参数分析，包括与对准相关的参数动态报告，大大简化了零件设置

　　任何环境的测量都是需要成本的。无论使用何种方法，所有瞬时干涉测量技术都会牺牲测量确定性和横向分辨率，以获得瞬时确定相位的能力。

　　干涉仪也可以用来测量位移，即物体移动了多远。位移测量干涉仪（DMI）测量范围从纳米到米的线性运动，同时满足最严格的精度和精度要求。DMI系统也可用于测量角位移或空气折射率的变化。

　　DMI使用的两种主要方法：零差和外差干涉测量法。外差干涉测量的优点包括对光源强度波动不敏感、方向清晰、多轴同步测量能力和高动态精度。零差法的主要优点是成本较低；然而，这在动态范围、速度和精度方面存在一些折衷。

　　在外差位移测量干涉术中，使用双频激光作为光源。每个频率都有唯一的线性偏振。使用偏振分束器和四分之一波片，将光束分为测量和参考组件（图6）。参考路径长度是固定的，而测量路径包括运动目标。随着目标的移动，反射测量波束的频率会根据移动方向上下移动多普勒。参考光束和测量光束通过偏振器重新组合和混合。混合光信号由光纤传感器传输至测量电子设备，并在其中转换为位移。

　　干涉测量技术可以以高精度和高分辨率处理各种计量应用，并且不会对被测样品造成损坏。新的应用可以通过组合技术来解决。例如，PSI和CSI可以同时测量喷油器部件的形状、粗糙度、厚度和平行度。干涉测量、数据采集、光学设计和相机电子技术的进一步发展有望在不久的将来显著扩展干涉测量能力。返回搜狐，查看更多