数字化白光扫描干涉仪的研究

　　1　历史背景

　　1675年,牛顿作牛顿环实验,这是一种光的干涉现象,但牛顿仍用光的微粒说解释。1801年,托马斯·杨提出杨氏干涉实验,1881年,A.A.Michelson首次Michleson干涉仪,灵敏度极高。1899年,C. Fabry和A. Perot设计了Fabry-Perot干涉仪。1948年D.Gabor提出现代全息照相术前身的波阵面再现原理等。几百年的时间,干涉仪都是以“白光作为光源”,要求干涉仪光程长度严格匹配。干涉条纹零级的位置与波长无关,便于定位干涉零级,其在科学和技术的发展过程中发挥了巨大作用。

　　1960年后期,梅曼(T. H. Maiman)制成红宝石激光器, 4个月后,Ali Javan等制成氦氨激光器。以后出现了以激光为源的干涉仪,使得干涉仪在物理量的测量种类和测量精度都得到提高。如天文图像合成干涉仪[1],重力测量干涉仪[2],飞行器推力测量干涉仪[3],耳医学检测干涉仪[4],用于光学检测的Zygo干涉仪等。激光干涉仪对于科学技术的进步的作用极大。干涉计量是以激光作为光源。激光有长的相干长度,易于得到干涉条纹,但是也易由寄生反射产生伪干涉条纹,发生误判。对光学零级的表面光洁度要求高,以减少杂散光。

　　1960年Bell实验室的研究人员发明了电荷耦合器件(CCD)。1945年底,美国工程师莫克利和埃克特设计传统意义上的第一台电子计算机。1976年,Steve Jobs和Steve Wozniak研制出苹果一代个人计算机Apple I。白光干涉计量与现代电子,计算机和软件相结合,便成为数字化白光干涉仪。其主要有衍射光栅干涉仪[5],白光散射平板干涉仪[6]等。白光干涉仪结合精密机械扫描系统便形成白光扫描干涉仪。如垂直扫描干涉仪[7],频率扫描干涉仪[8]等。本文针对光纤技术的需要开展了光纤端面微形貌纳米检测白光扫描干涉仪[9],以及光纤偏振耦合点位置检测白光扫描干涉仪[10]。

　　2　微形貌纳米检测白光扫描干涉仪

　　2.1　微形貌纳米检测白光扫描干涉仪结构

　　目前已有的三维形貌检测技术很多,如电子扫描隧道显微镜(ESTM)、光子扫描隧道显微镜(PSTM)、原子力显微镜(AFM)[11]。其测量方法是逐点扫描测量,对面型需要逐点测量面上每个测试点,测量时间长,不适合对大批量产品检测。微形貌纳米检测白光扫描干涉仪采用Mirau相移干涉。相移干涉是指在参考或测量光中引进已知相移量,认为改变两相干光束的相对相位,从干涉场中任一点在不同相移量下的光强值求解该点相位。本干涉仪采用垂直扫描工作模式,用压电陶瓷传感器PZT带动干涉物镜移动。由于光源有一定谱宽,相干长度很短,并且当干涉仪的两个路径的长度接近匹配时,可以得到很好对比度的条纹。

　　图1为白光扫描干涉仪系统简图。包括光源、相移干涉系统、干涉图像采集处理系统,其系统结构如图1(a)所示,采用的Mirau干涉结构如图1(b)所示。由Mirau干涉物镜得到被测量面的干涉图像,在经过成像系统及CCD、图像采集卡在计算机中获得被测面形貌。在测量过程中,由PZT驱动干涉系统作定步长的位移,每次位移都可获得一幅干涉图像,最后由计算机对位移过程中获得干涉图像进行处理即可得到被测面的形貌特征。光束经显微物镜后透过参考板,然后由分光板上的半反半透膜分成两束,一束透过分光板投射到被测面上,反射后经分光板和参考板回到显微镜。另一束被分光板反射到参考板上表面中心的反射区域,反射后回到分光板并再次被反射,透过参考板回到显微镜,两束光又在显微物镜处相遇从而发生干涉。