白光干涉測量

《白光干涉測量》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關內容在工程資料-天天文庫。

1、垂直掃描白光干涉法測量技術垂直掃描白光干涉法是干涉法的基礎上發(fā)展起來的一種光學非接觸測量方法。結合了白光干涉顯微技術和相移干涉技術，也被稱為白光干涉條紋掃描法、相干檢測法等。光的干涉是光在傳播過程屮呈波動性的重要現象Z-,1801年，楊氏雙縫實驗歷史長第一次用實驗顯示了光的干涉現象，其設計構思的精巧Z處在于從同一波陣面上取得了兩個波源。隨后，相繼岀現了很多類似原理的實驗裝置。目前,相干光的應用已經遍及各個領域，如光相干探測、相干光通信以及在遙感領域和軍事領域的應用等。光的干涉現彖時光的波動性的表現。光的干涉產生干涉條紋，表現為光在遇到障礙物時候出現光的強度或明暗，在空間穩(wěn)定分布的現象

2、。兩束光在相遇的區(qū)域內形成穩(wěn)定的明暗交替或彩色條紋的現象成為光的干涉現象。例如：雙縫干涉中將S光源發(fā)出的一束光通過Si、S2的雙狹縫，分離出兩個很小的部分作為相干光源，這兩束光為同一光源發(fā)出，所以頻率，相位都相等。由于兩束光源到屏幕上的任意點的距離不等，所以當兩束光在屏幕相遇時，相位相等的點就呈現出疊加加強的現象，顯示為亮點，而相位相反的點則相互抵消，就顯示為暗點。這樣在雙縫后面的幕上就呈現了明暗相間的條紋——干涉圖樣，如圖1。對干涉現象的產生完全可按照矢量波的合成來分析。顯然，不滿足相干條件的幾列波雖能疊加，但不能干涉?？诠夤庠窗苏麄€可見光譜區(qū)域的光譜成分，自紅光至紫光，波長為

3、4000-7000A,光譜寬度很大，相干長度很長，大約幾個微米。只有光程差很小吋，兩束光才能發(fā)生干涉，白光屮不同波長的光將產生各自的一組干涉條紋。因為干涉條紋的間距與光的波長冇關，當光程差為零時，白光光譜內各個譜線雙光束干涉的零級條紋完全重合，各種波長的光重疊形成口光干涉對比度最大的口色零級條紋，此處口J以認為是最佳干涉位置。隨著光程差的不斷壇加，不同波長的干涉條紋光強的極小值相繼出現，此是條紋寬度相差較小，重疊后的干涉條紋顏色為黑色。繼續(xù)增大光程差，不同波長的干涉條紋光強的極大值不斷出現，呈現出彩色條紋。由于各波長干涉條紋的錯開會使條紋對比度逐步下降，到一定程度時干涉條紋將消失，如

4、圖2所示?？诠飧缮鏃l紋的影響因素較多，光源的特:性和兩束相干?光的強弱影響干涉條紋的對比度，干涉光路的設計決定了干涉條紋的寬度和顏色分布。光程差干?涉顯微鏡是干涉儀和顯微鏡的組合，利用干涉條紋的彎曲量來測量表面的微觀不平度。與其他光學技術相比，干涉顯微鏡具有較高的放大倍數和分辨率,而且表面信息直觀，測量精度很高。圖3為Miimi型干涉顯微鏡。圖3相移干涉顯微技術是干涉顯微鏡與相移技術的結合，在干涉顯微鏡屮增加相移器以改變干涉光路中測量光與參考光之間的相位差，由與相位差對應變化的干涉光強值計算得到被測表面上的相位值。相位干涉法的光源為單色光，曲于激光的相干性比較好，常在相移干涉法屮作為

5、光源。在相移干涉顯微鏡屮，主要是加入單色濾波片，將口光光源發(fā)出的光變?yōu)閹捄苷膯紊?。相移干涉法的測量精度很高，能實現自動測量，已經得到廣泛的應用。垂直掃描口光干涉技術是口光干涉技術、相移干涉顯微技術的結合，用白光作為光源，利用白光干涉條紋的特性來進行表面微觀形貌的測量。曲片光光源產牛的光束相干光波間允許的光程差極小，基木上要在等光程位置附近才能觀察到干涉條紋，而且條紋也只有為數不多的兒條。依據該特征，如果是干涉條紋移動,對于被測表而上的任意一個采樣點，其光強的變化曲線如圖4所示，即在光程差接近相等時，條紋對比度變化劇烈且呈現非周期性，這樣零級條紋很容易與其他級條紋相區(qū)別。該特征非

6、常明顯，可以利用它來定位零光程差位置、用CCD檢測到干涉條紋信號如圖4所示，在光程差為零的位置，檢測的輸出光強有一個最大值，這個光強最大值位置也就對應與物鏡的聚焦平面，包含表面的高度信息。圖4用CCD記錄下每次垂直移動時干涉條紋的圖像并將這些圖像疊加，疊加圖像屮像素點的白光干涉光強的垂直分布如圖5所示，光強的最大值對應光程差為零的位置。垂直掃描口光干涉法測量表面的三維形貌就是通過垂直掃描得到每個被測點在垂直方向光強分布的離散數據，通過定位光強分布的最大值計算得到被測表而的高度信息值。具體測量過程如下：測量時通過計算機控制工作臺或參考竟在垂直光軸方向的位移，使被側工件表面的不同高度的點

7、與參考鏡的光程差相繼為零，產生干涉。如果在充足的掃描范圍內垂直移動，被測工件表面的整個高度范圍都可以通過最佳干涉位置。購點之間相對爲度(zrZi)由CCD采集到隨垂直方向位移而變化的干涉條紋圖像，視頻信號通過圖像采集卡轉換成數字信號并存儲于計算機中。利用被側面對應的各像素點相關的干涉數據，基于白光干涉的典型特征，通過采用某種最佳干涉位置識別算法對干涉圖樣數據進行數據分析處理，提取出特征點位置(最佳干涉位置)，從而就很容易得到各像素點的相對高度，這樣便實現了