基于光谱型白光干涉仪的绝对距离测试研究

　　白光干涉技术已广泛地应用于面形表征^[1-2]、微机电器件的静/动态性能测试^[3]和光学晶体弹光系数的测量^[4]等领域;然而传统的白光干涉仪一般都要用机械扫描系统来实现相位移动从而获得光学干涉条纹,这在一些要求无外部振动的在线测试场合受到了限制.近年来,一种新的光谱型干涉技术引起了人们的研究兴趣,它采用白光作为宽波段光源,经过不同光程差的2束光合成后,由光栅色散元件分光至阵列探测器,记录下光谱域上的干涉图,即信道式光谱.光谱干涉条纹包含了两臂的所有相位信息,通过相位提取和展开,可以进行绝对距离^[5]、位移^[6-7]、块状材料的群折射率^[8]以及多层薄膜的厚度确定^[9]等测试.光谱干涉仪的显著优点是其结构简单无需机械扫描装置,并且阵列探测器的应用使得可以快速地测量宽波段的干涉信号.

　　本文以卤钨灯为光源,采用迈克尔逊干涉结构和光纤光谱仪研究了光谱干涉技术在绝对距离测试中的应用.对采集到的宽波段(450~900 nm)光谱干涉条纹,提出解包络线的方法来提取相位主值,并且通过总光程差与棱镜折射率成正比的关系进行相位解包裹,从而求解棱镜的等效厚度和参考镜的绝对距离.利用这种方法分别测试了镜子在不同位置处的距离和BK7玻璃的厚度,获得了99.9%的线性度和小于1%的精度.最后分析讨论了测试结果和测距范围.

　　1　实验装置

　　实验装置如图1所示,这是1个典型的迈克尔逊干涉仪结构,整套装置包括作为白光光源的卤钨灯、准直透镜、分光棱镜、2块金属反射镜、带千分尺的微位移驱动机构、光纤光谱仪以及计算机.从卤钨灯发出的光由透镜准直后,经由正方分束棱镜分成两束光,分别入射至反射镜1和2(下文又称为参考镜),这两束光被反射出分光棱镜在其下方汇合形成干涉并耦合进探测光纤后,由光纤光谱仪记录光谱干涉条纹.分光棱镜的材料为BK7玻璃,光源是大恒光学的直流调压卤钨灯(GCI 0601).光谱仪为Ocean Optics公司的USB2000微型光纤光谱仪,它采用了600线的光栅(闪耀波长为500 nm)及分辨率为2 048像素的线阵电荷耦合探测器(CCD)来实时测试350~1 000 nm的光谱响应.光谱仪的波长校正通过拟合像素位置与波长之间的3阶非线性关系来实现,而波长分辨率由光栅的周期和入射狭缝(10μm)决定,本文取为1 nm.光谱仪的响应灵敏度可根据光源能量来调整积分时间,实验中采用8 ms的积分时间并取5次平均值进行测试.

　　2　实验原理及数据处理

　　由于制作正方分束棱镜时2个直角棱镜存在的尺寸和角度误差,使得光束经过棱镜两臂的光程并不完全相等,即存在轻微的色散;因此可将该分光棱镜看作1个理想无色散的棱镜和1个假想平板的组合,这个假想平板的厚度称为分光棱镜的等效厚度Tef,如图1中虚线框所示.