4D动态激光干涉仪的原理和应用

4D 动态激光干涉仪的原理和应用

相移干涉技术的原理: 相移干涉技术的原理:

两束光发生干涉,其干涉场为: 两束光发生干涉,其干涉场为:

其中

为参考光与样品光之间光程差,当假定参考平面为理想表面时, 为参考光与样品光之间光程差,当假定参考平面为理想表面时,则通过求

便可计算出样品表面起伏。 便可计算出样品表面起伏。

为求

,引入人为可控量

将上式改写为: 上式改写为

人为改变干涉图的相位可控量 人为改变干涉图的相位可控量 相位 得到以下四组公式: 得到以下四组公式:

,将参考表面由

相位处连续移动

由以上四式可得: 由以上四式可得:



从而得出被测表面相对于参考表面的表面高 度。 然而, 压电陶瓷)在时间顺序上改变 然而,传统相移干涉仪使用 PZT(压电陶瓷 在时间顺序上改变 压电陶瓷 ,这种时

间域的相移干涉仪存在一个不可忽视的问题: 完成计算所需的每一幅光强图在不 间域的相移干涉仪存在一个不可忽视的问题: 同时间获得。 同时间获得。通常 CCD 帧频为 30 帧/s,而为计算 , 帧干涉图, 一般需要 5 到 13 帧干涉图,

则总测量时间约为 200 至 400ms。这就引入了一系列的误差。如在相移测量过程 。这就引入了一系列的误差。 中由环境引起的光路中的任何变化(振动,空气扰动等)都会引起测量误差。 中由环境引起的光路中的任何变化(振动,空气扰动等)都会引起测量误差。 为解决这一问题需要在同一时间获得完成计算所需的所有相位图, 为解决这一问题需要在同一时间获得完成计算所需的所有相位图,这正是 4D 动态干涉仪所采用的技术方案( 动态干涉仪所采用的技术方案(4D 通过 CCD 的单次曝光而获得计算所需的所 有相位图)。 有相位图)。 4D 动态干涉仪原理
4D 动态干涉仪采用偏振光干涉原理,将传统相移干涉仪的时间域相移转换为空间 偏振光干涉原理,

域相移, 技术, 域相移,并采用其独创的相位相关的 CCD 技术,使得一个 CCD 帧频内就可实 现全分辨的测量。其原理图如下图所示: 现全分辨的测量。其原理图如下图所示:

后分成偏振态不同的两束光, 偏振光射向样品表面, 光源发出的激光经过 PBS 后分成偏振态不同的两束光 其中 S 偏振光射向样品表面 P 偏振 光射向参考镜 样品光和参考光被各自表面反射重新相会后, 向参考镜. 光射向参考镜 样品光和参考光被各自表面反射重新相会后 由于偏振方向不同并不能发生 干涉. 这样合在一起的光经过光学系统成像, 透过一块掩模板(见下图) 干涉 这样合在一起的光经过光学系统成像 透过一块掩模板(见下图)进入 CCD.

掩模板(定向微偏振片阵列) 的像元一一对应相关. 掩模板(定向微偏振片阵列)的单元结构与 CCD 的像元一一对应相关 上述合在一起的 不同偏振态的光透过掩模板的每个单元后会发生干涉 发生干涉, 不同偏振态的光透过掩模板的每个单元后会发生干涉 并且在不同像元位置发生干涉的相位 是不同的. 这样, 个像元都发生了具有固定相位差的干涉. 是不同的 这样 任意一组相邻的 4 个像元都发生了具有固定相位差的干涉 对每一组像元 进行相移干涉计算, 就可以获得整个样品表面的形貌数据.由于像元的位相是周期变化的 由于像元的位相是周期变化的, 进行相移干涉计算 就可以获得整个样品表面的形貌数据 由于像元的位相是周期变化的,则 在计算时可以重复利用相邻像元,从而实现全分辨的测量。 在计算时可以重复利用相邻像元,从而实现全分辨的测量。

动态干涉仪的优点及其应用: 4D 动态干涉仪的优点及其应用:

1.适合于恶劣环境下的测量 适合于恶劣环境下的测量 测量速度只受曝光时间限制, 帧频限制! 快速测量 – 测量速度只受曝光时间限制,而不受 CCD 帧频限制 对振动不敏感 减少了气流的影响- 减少了气流的影响-可以使用风扇均化光路气流 2.适合于挑战性的测试设置 适合于挑战性的测试设置 大尺寸光学元件与系统 长光程测量-不需防振台,对光强要求降低 长光程测量-不需防振台, 真空与环境仓内的测试 3.适合于高难度测试 适合于高难度测试 运动和共振检测 ESPI 电子散斑 生产环境下检测 超快过程的检测


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