德國XONOX菲索型激光干涉儀原理與使用.

1、德國XONO菲索型激光干涉儀原理與使用第一章：為何使用干涉儀做檢測1-1干涉度量學第一章 為什么要使用干涉儀檢測首先我們要先了解， 什么是干涉度量學？ 所謂干涉度量學是指 利用光干涉的效應來量測特定物理量的方法 ，也就是說藉由觀察干涉條紋的變化 ，來量測岀待 測物的特征1-2何謂干涉儀干涉儀是什么？ 一般來說，只要是利用光干涉的原理來量測的儀器便可以稱為干涉儀，但是干涉儀的種類眾多且多變化，因此本課程中將針對最為外界常用之種類作介紹1- 3干涉儀之優(yōu)缺點干涉儀的優(yōu)點及缺點第一高精度以光學組件來說，因為組件的微小變化均會嚴重改變原有的光學質(zhì)量，因此必須要有非常精確的量測儀器，干涉儀具有精度非常高

2、的優(yōu)點 ，最高可達1/100的波長甚至到1/1000的波長，波長是 指干涉儀中使用光源的波長值.舉例來說：一般干涉儀的波長為632.8( nm ),而632.8的百分之一約為6個(nm),目前的奈米科技是在這個尺度，甚至有些更好的干涉儀可以到0.6個(nm ),從此可以看出干涉儀的精度有多好了第二章：非球面玻璃模造的原理第二.非接觸式量測另一種量測用的輪廓儀是使用接觸式的量測方式，即使目前已可以微調(diào)接觸的力量，但對于表面較脆弱的被量測物是否真的完全不會造成損害則仍無法確定.而當用干涉儀量測時，是把光照射到被量測的物體上，所以干涉儀上的探針也就是光，并不會對物體表面照成任何傷害第三 使用探針來量

3、測時無法一次量測所有的面積，而可能必需分很多掃瞄線去量測，相對來說干涉儀的量測速度就非?？炝?，可能幾秒鐘就量完了 ，而不需要等待幾個小時的時間.第四則是干涉儀的缺點，一個操作員在會使用干涉儀卻不太清楚干涉儀的使用限制、條件及原 理的時候，可能會量測到不是他所要的東西，而且，因為干涉儀是用光線量測，在調(diào)整上也會花費多的時間，可能量測結(jié)果只要花幾秒鐘，但事前的調(diào)整卻要花費幾十分鐘甚至數(shù)個小時vuMH*, fi jJlF jAjf-.耘山蕈ai究怖第二章：干涉儀工作原理2-1光干涉2-1.1為何光有干涉現(xiàn)象干涉儀工作原理我們是用干涉儀量測，所以先要了解什么是光干涉？為什么光有干涉現(xiàn)象 ？光的干涉現(xiàn)象

4、有二個原因，第一光像是波一樣，具有波的特性，我們在丟一塊小石子在池塘中，就會看到很多漣漪向外擴散傳播，這就是波，而光就可以用波來描述.第二波的迭加原理，我們之所以能夠看到 干涉條紋的明暗變化，就是因為迭加原理所造成的，這是二個造成光干涉現(xiàn)象的基本條件除此之外，偏振光的特性，是否同相位的特性也是造成光干涉現(xiàn)象的條件巫獺技衛(wèi)顒麹2- 1-2由迭加原理說明干涉現(xiàn)象由迭加原理說明干涉現(xiàn)象：1. 破壞性干涉如上圖所示，假設藍色波的最高值與紅色波的最低值在同一位置時，其相加數(shù)值為0,所以當藍色及紅色二個波一起岀現(xiàn)的時候，迭加起來就會變成中間的黑線，因為光具有波的特性，所以如果2個波長彼此正好相差一半的波長

5、時，也就是相位差 n時，畫面就會呈現(xiàn)全亮或全暗而完全看不到條紋，以上圖來看因為藍色波的最高點到紅色波的最高點距離相差n，此時我們就稱做破壞性干涉2. 建設性干涉如下圖所示，假設藍色波與紅色波的最高值在同一位置時，其相加數(shù)值就是 2,當藍色波與紅色波完全重迭在一起時，迭加起來就會變成較高的黑線，當我們?nèi)庋劭吹綍r，黑線的最高點就會變亮，最低點則較暗，而會有明暗的線條變化，我們就稱做建設性干涉當藍色波與紅色波的相加數(shù)值為02以內(nèi)時，波長會較為平緩，就會產(chǎn)生灰階的漸層條紋變化了.艘舉性干涉建設性干莎u O SLffiitr性豐涉 2_HK-lTiS.I.假虜牲干涉 0114*莎皿咖怦取#：151以工戲

6、M氐丞霊邑孟匣腔n乾到應!逼區(qū))禺血趾龍中產(chǎn)I *-累額斗鞍壞性干涉趣護性干涉(D ；Wff4 K4H1 2 : flnAd outpol2-1-3干涉條紋之定量描述對建設性干涉而言，2個波的差異需滿足公式差是指2個波的差異，當2道光從A點跑到:optical path(n*d)=m入 optical path是光程差,光程B點時，距離為d及d,因此有一道波跑了nd,另一也可以變成nd2.如果nd2為波長入的整數(shù)倍時，就道波跑了 nd那么2道光的差異為n(d-d),會有明暗的條紋變化，也就是建設性干涉而相反的當nd2剛好為二分之一波長的技術(shù)倍時便產(chǎn)生破壞性干涉條紋，公式為 :optical p

7、ath(n*d)=m 入/22-1-4雙光束干涉之數(shù)學描述雙光束干涉之數(shù)學描述：假設2道光做干涉，這兩到光的光強度分別為11,12，那么當這兩道光產(chǎn)生干涉時便符合上述的公式.其中:11+12為干涉條紋的 DC項,根號(1112)為干涉條紋的振幅大小，最后Cos(Delta)為相位項，其中Delta扁是前面所提到的光程差.所以當光程差變化時，可以知道干涉條紋也會隨著變化課瞠內(nèi)T2-2如何判斷干涉條紋2-2-1干涉條紋種類那么我們?nèi)绾闻袛喔缮鏃l紋？因為我們不是隨時隨地都可以方便的使用干涉儀并藉由計算機來分析，所以我們必須用肉眼來判斷，這也是最快最方便的方式.干涉條紋的種類有 2種:第一個是等厚度干

8、涉條紋，在等厚度干涉條紋中明暗的條紋會呈現(xiàn)等間隔的情形，而且每個相鄰的條紋代表相同的厚度間隔假設橫線為標準面，斜線為一個斜率固定的待測面，當光線打過來的時候會產(chǎn)生折射現(xiàn)象，我們在第一個射入點做一條與標準面平行的虛線，在待測面會有光 a反射回去，在標準面時也會有光b反射回去從圖可以看岀光線a及b所通過的路徑是不同的，而當光程差恰為波長的整數(shù)倍時，就可以看到相同間隔的干涉條紋巫華技踴研盍院等厚艮干涉條仗等傾度干涉條紋t虎愼虹吐滬：h 干卻KI爼瞎幡I Jkr jdLm*i 詁“斛flMfl單* *啊itt iT/?*T/ji I 川 fA|! taff. din hrAih i,-Rd玄 Frin

9、ges snd optical pth difference f OPD園為獲鬥萍聘也閒腸胞Hl即里萬牌冊6用干步需血械審韶來分析J G色伺金習心心步第二個是等傾度干涉條紋，是由相同角度的光線所形成的干涉條紋，P1這一點有一個干涉條紋，它的來源是由4條實線所造成的，而這4條實線對這個物體表面來說，則是同一個角度的光所造成的，因為物體為圓形，所以會造成對稱的效果.而4條虛線則是由另一個角度的光所造成的，并進而產(chǎn)生P2點的一個干涉條紋.因此由同樣角度光線形成的干涉條紋我們就稱為等傾度干涉條 紋,不過在實際的應用上，等厚度干涉條紋與等傾度干涉條紋是可能同時出現(xiàn)的2-2-2-1干涉條紋判斷應用實例一干

10、涉條紋判斷應用實例：應用一：表面平整性-如果我們想從干涉圖了解物體表面的平整性好不好，可以在干涉圖上畫一個以中心為準的十字線，數(shù)數(shù)看從中心點起，在X方向上的條紋數(shù)及 丫方向上的條紋數(shù)量有幾個，這個量在光學工廠中是最常使用的，當我們要求師父磨一個鏡片時，就可以告知我們對表面平整性的需求，在X方向與丫方向上的誤差范圍容忍度是多少.從圖上來看，X方向上有1個條紋，丫方向上則有3個條紋，也就是說，這個待測的組件，在X方 向與丫方向上的變化程度不一樣，這個變化程度就定義為表面平整性Surface irregularity 同時差異量最大的地方我們定義為：POWER,也就是丫方向的3,而irregular

11、ity是看X方向與丫方向上的差異量，也就是2,所以從上圖的干涉條紋我們可以知道待測物的Power為3、irregularity為2那到底什么是 POWER, 什么是irregularity ?假設我們看的組件是眼鏡的鏡片，從側(cè)面看，當有光打過來時鏡片會聚焦，不同的彎曲量聚焦的程度就會不一樣，我們稱為放大率,而面的彎曲程度就定義為POWER.而在鏡片上的 X方向與丫方向的彎曲程度會可能不同 ，也就是說POWER不一樣，我們就稱為Surface irregularity, 現(xiàn)在我們已經(jīng)知道這個干涉圖條紋的表示為3/2,那么這個數(shù)字是代表多少？他的單位就是波長一般的雷射為632.8()波長,3/2的

12、3是指3個波長，2是指2個波長，在光學組件的計算之中通 常是以波長來表示的.2-2-2-2干涉條紋判斷應用實例一在前面提到在干涉儀量測中多用波長作為單位所以我們還要注意到使用的干涉儀波長是多少 假設同一鏡片，由A廠商使用入=500的干涉儀，判讀數(shù)據(jù)為3/2, B廠商使用入=600的干涉儀，判 讀數(shù)據(jù)也是3/2,那么使用50 0入干涉儀的A廠商所判讀的數(shù)據(jù)必定是較好的，因為波長愈短的， 轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)時也會相對較小，所以除了判讀干涉圖的數(shù)據(jù)之外，還要注意干涉所使用的波長是 否和要求相符才能得到最正確的結(jié)果2-2-2-3干涉條紋判斷應用實例一接下來的例子，我們要看的一樣是POWER和irregular

13、ity我們可以從圖 A來判讀POWER和irregularity 是多少？加上十字坐標之后，X方向上有2.5個條紋，丫方向上則有1.5個條紋，所以這個鏡片的最大彎曲量是2.5, X與丫的差距量是1,但是這個干涉圖的結(jié)果卻不是2.5/1當X方向與丫方向待測面的彎曲方向相同時 ,irregularity為2者相減，但X方向與丫方向待測面 的彎曲方向不同時,irregularity則為兩者相加.當X方向與丫方向待測面的彎曲方向相同時，POWER取最大值，但X方向與丫方向待測面的彎曲方向不同時，POWER 相減.所以從這個圖來判讀的irregularity為1.5+2.5=4, X方向與丫方向可以視為

14、同一個面，所以POWER是2.5-1.5=1,因此，我們必須先知道所量測的是什么物體，否則所求得的數(shù)據(jù)也有可能是錯誤的.2-2-2-4干涉條紋判斷應用實例一接下來我們來看看幾種常見的干涉條紋:我們要注意的一件事是，在這些圖中的干涉條紋都是由待測物和一個標準平面比較所造成的，一旦比較條紋變了 ，所造成的條紋也會全部改變 ，而且相對應的狀況也會完全不同.左側(cè)Without tilt為：當沒有傾斜效應進來的時候 ，不同的待測面所產(chǎn)生的條紋變化右側(cè)With tilt則是：當傾斜效應進來的時候，不同的待測面所產(chǎn)生的條紋變化當待測面為為平面時1或是2, Without tilt 會看不到條紋當待測面為彎曲

15、面 3時，Without tilt會呈現(xiàn)邊緣較密，間距不等的同心圓條紋當待測面是球面4時，Without tilt則會呈現(xiàn)間距較為相等的同心圓條紋假設標準面為平面，3的待測物形狀可能為雙曲線或橢球，所以厚度變化較為劇烈，4的待測物則可能為球面或接近球面的形狀，所以在做干涉儀量測，想判斷干涉條紋的形狀時，必須先了解待測物體的形狀，或者是由干涉條紋的形狀，來判斷待測物體2-2-2-5干涉條紋判斷應用實例二因為干涉條紋會隨著參考面的不同而不同，所以當我想知道待測面的形狀時，就必須先知道標準面的形狀是什么？ 現(xiàn)在我們以同一形狀的待測物-凸透鏡為例當待測物為一個球面，而參考面為一標準平面時，其干涉條紋可

16、能為一同心圓分布，但若參考面改為標準曲率之球面時，其干涉條紋則可能成為直線分布，發(fā)生同一待側(cè)面卻有不同干涉條紋分布的原因，在于干涉條紋所看到的是待側(cè)面與參考面之間的差異，因此，如果要判斷哪一個干涉條紋的待測物是球面，就必須先了解，量測時所參考的參考是什么？才能正確藉由干涉條紋判斷岀待測之面形第三章：干涉儀種類3- 1 Newt on In terferometer干涉儀的種類非常的多，在這里所介紹的是五種最常見的干涉儀.第1個是Newt on In terferometer牛頓干涉儀左邊的 Quasimonochromatic point source是一個幾近單波長的點光源,Quasimon

17、ochromatic為單波長的意思，point source 是點光源.點光源經(jīng)過透鏡變成平行光后，打到下方橢圓形待測物上，這個待測物可能為透鏡之類的物體 待測物下方的平面 Optical flat則是參考面，通常做為參考面的平整度，也就是Surfaceirregularity,必須要1/10入以上，分母愈大就表示其平整度愈好.3-2 Michels on In terferometer第2個是麥克森干涉儀Michelson Interferometer.當麥克森干涉儀和牛頓干涉儀做比較時，會發(fā)現(xiàn)它并不是一個點光源，光源有些散開，光線在經(jīng)過第一塊鏡片之后透過中間的分光鏡O,使得一部份的光反射到

18、反射鏡M2再反射回分光鏡 O,而一部份的光則穿透補償片C,到達反射鏡 M1之后才反射回分光鏡0合成同一道光，并且將結(jié)果打到D(Detector)上,因此我們就可以在Detector上看到一圈一圈的條紋，也就是干涉圖 A 了.所以麥克森干涉儀通常用來量測距離的變化當我們要量測距離時，只要先量測出原來的干涉條紋A之后，再將反射鏡M2往后移，量測岀干涉條紋 B,然后就可以從條紋 AB的變化算岀距離了.3-3 Fizeau In terferometer （一）第3個是斐洛干涉儀 Fizeau Interferometer是目前一般最常見的干涉儀，也是架構(gòu)最簡單，量測最方便的一種.左上方的laser

19、becm 雷射光源，雷射光源是非常好的單波長光源，經(jīng)過中間的幾道程序之后，在經(jīng)過Reference flat 參考面時，部份光被反射，部份光則穿透至flat under fest待測面上后再反射回去，因此我們看到的結(jié) 果是參考面與待測面的差異，當參考面不同時，所測岀的待測面條紋也會不同.這種干涉儀的缺 點是：容易受風向、震動、與空氣變化等的外力影響，必須放在密閉室內(nèi)的防震桌上，才能清楚看到干涉條紋，所以又稱為非共路徑干涉儀.3-3 Fizeau In terferometer （二）Fizeau In terferometer這2種是由2家有名的儀器公司制造的斐洛干涉儀左圖是ZYGO公司所制造

20、的斐洛干涉儀 ，而右圖則是VEECO公司的斐洛干涉儀，一般光學公司在采購較好的干涉儀設備時，通常是以這2家裴洛干涉AtFizeau IntCfferometerZYGOUS）的G託耐干W制倉閱的干裁公司的儀器為采購標準靶用N-VEJC3 ilBMOF-zeau 干注堺Q LI I , I I I I lil W H W M ?3-4 Mach-Zeh nder In terferometer第4個是 Mach-Zehnder 干涉儀左下方的光源Exte nded source,為一與麥克森干涉儀相似的擴展光源，光源經(jīng)過第一個Beam-splitter之后分為二道，各別經(jīng)過一片 Mirror反射

21、鏡，再經(jīng)過第二個Beam-splitter合成一 道光之后，將結(jié)果打到Detector上.因為中間分為二道光源的關(guān)系，在空間及距離上可以做較大的調(diào)整，所以比較適合量測體積大或穿透性大的物體，例如：我們可以用來量測大面積的玻璃.將待測物放在路徑上的第一個Beam-splitter與Mirror反射鏡之間，我們就可以看到路徑A、路徑B與待測物之間的差異.這也是一個非共路徑干涉儀，它的缺點是：容易受空氣變化等的外力影響,優(yōu)點是：可以量測體積或面積較大的物體3-6 Twyma n-Gree n In terferometer第5個是Twyman-Green 干涉儀Twyman-Green 干涉儀和麥克

22、森干涉儀很相似 .當一道光源進來，經(jīng)過BEAM EXPANDER 將光 源變得比較大束后，經(jīng)由中間的BEAMSPLITTER 分為二道光，反射回來之后再回到偵測器 ，上 每種干涉儀都有各自不同的應用范圍、方向和限制第四章：實際檢測方法4-1可應用范圍干涉儀可以應用的范圍:1.是表面的形狀2.是曲率測試3.是表面平整度或表粗糙度4.可以量測玻璃二側(cè)的面是否夠平整5.角度測試，有些光學組件是有角度的，可藉此量測其準度6.應力測試，例如眼鏡或相機鏡頭，當必須以其它對象夾住玻璃時，可以測試該玻璃的變形量.4-2干涉儀應用于液晶投影機組件檢驗那么干涉儀到底應用在那些液晶投影機組件的檢驗：例如:X-cub

23、e是液晶投影機中把 RGB三個色光合在一起的重要組件，我們有幾種檢測它的方式第1是量測表面平整性：我們使用的是 WYKO 6000的斐洛干涉儀，儀器的前面標準參考面，光源由參考面打到待測物的 第一個面時會反射，我們看到的是它的差異度 ，也因此可以量測岀待測面的表面平整度 .并由計 算機直接判讀岀正確的數(shù)據(jù)結(jié)果.如果我們拿一張不透光的白紙遮住其中一邊的光，那么被遮住的部份就不會再有光從下方岀現(xiàn)，而只顯示岀一部份的反射條紋.第2是量測內(nèi)反射面的平整度：光源由參考面打到待測物的第一個面時會反射，但是也可以打進待測物里面，經(jīng)由反射的過程再反射回參考面，也就是就，使用同一個架構(gòu)可以量測到物體的二面，那么

24、要知道我們量測的到底是哪一個面？如果我們拿一張不透光的白紙遮住其中一邊的光，那么被遮住的部份就不會再有光從下方岀現(xiàn)，但會顯示岀沒被遮住的部份反射條紋，那么所測得的就是表面平整度.而內(nèi)反射的光源是由上方打入待測物中，再經(jīng)由反射從下方岀來，所以如果我們拿一張不透光的白紙遮 住上方的光，那么就不會再有光從下方岀現(xiàn)，這樣就能得知目前所量測的是內(nèi)反射面平整度了.第3是量測內(nèi)反射面的角度誤差這是X-cube的側(cè)面圖，理論上都會盡量要求達到接近90度，所以我們也可以用干涉儀來量測內(nèi)反射面的角度誤差第4量測穿透波面的平整度：光在投影機中必須是穿透的，如果X-cube有一些瑕疵的話，顯示岀來的影像就會不漂亮，所

25、以就必須量測其穿透波的平整度.當光源從上方打?qū)鐏?，透過待測物打到標準反射鏡片時，再反射回去，如果待測物的放置位置是平整的，那么每一道光都會循原來的途徑反射回去，可能會分不清楚到底是哪一個面所產(chǎn)生的干涉條紋.這時可以調(diào)整待測物平臺的傾斜度，使部份光不會進到干涉儀中，那么就可以很清楚的看到干涉條紋了.T淨縫書禺於諭品投Ik出亓火戀賽面平整展測-內(nèi)反制IS甲整蛋“內(nèi)反射匱倚股誤遠-液均勻贋o ifti孑喪你nuw代咼輸平芒你曲應號刊TtS的光半廈為干T H- -宵帯UST踏t利Hl廐甫畫破I紳元啊黃劇平整翌測課 18!lii-r”b1a Tkjrr ?4ZJ內(nèi)反俐豪單靈18豹密逼力勻展內(nèi)反嗣AB角金

26、誤主* 苗理鬥期可草.到國砂：訕口之中EE朋匱所啊t的審潭 咖u已W X石匸7Aperture:In television optics, it is the effective diameter of the lens that controls the amount of light reachi ng the photoc on ductive or photo emitt ing image pickup sen sorANSI Lume ns:ANSI stands for American National Standards Institute. It is a standard

27、 for measuring light output. Different lamps play a role on light output. Haloge n lamps appear dimmer tha n ano ther metal-halide, even if the two units have the same ANSI lumen rating. Type of LCD technology (active matrix TFT, Poly-Si, passive), type of overall technology (LCD vs. DLP vs. CRT), c

28、ontrast ratios, among other factors can also affect the end result.ASAP原名為 Advanced System Analysis Program，為美國 BRO (Breault Research Organization)公司研發(fā)的一套專業(yè)光學仿真軟件， 它可以幫助使用者仿真真實之光學系統(tǒng)，以達到最實際之光學分析結(jié)果Dichroic:A mirror or lens that reflects or refracts selective wavelengths of light. Typically used in pro

29、jector light engines to separate the lamps white light into red, green, and blue lightDigital Light Processing (DLP):The commercial name for this technology from Texas Instruments (TI):F-number (f/#)f/# is the ratio of the effictive focal length of an optical system to its clear aperture. For exampl

30、e, a 50mm effictive focal length lens system with a clear aperture of 25mm is f/2.Focal Length (FL)Regarding optical elements and systems: effective focal length (EFL) - Distance from the principle plane to the focal point; front focal length (FFL) - Distance from the vertex of the first lens to the front (left) focal point; back focal length (BFL) -