干涉仪原理与使用Word文件下载.docx
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另一种量测用的轮廓仪就是使用接触式的量测方式,即使目前已可以微调接触的力量,但对于表面较脆弱的被量测物就是否真的完全不会造成损害则仍无法确定、而当用干涉仪量测时,就是把光照射到被量测的物体上,所以干涉仪上的探针也就就是光,并不会对物体表面照成任何伤害
第三使用探针来量测时无法一次量测所有的面积,而可能必需分很多扫瞄线去量测,相对来说,干涉仪的量测速度就非常快了,可能几秒钟就量完了,而不需要等待几个小时的时间、
第四则就是干涉仪的缺点,一个操作员在会使用干涉仪却不太清楚干涉仪的使用限制、条件及原理的时候,可能会量测到不就是她所要的东西,而且,因为干涉仪就是用光线量测,在调整上也会花费多的时间,可能量测结果只要花几秒钟,但事前的调整却要花费几十分钟甚至数个小时、
干涉仪工作原理
2-1光干涉
2-1、1为何光有干涉现象
我们就是用干涉仪量测,所以先要了解什么就是光干涉?
为什么光有干涉现象?
光的干涉现象有二个原因,第一光像就是波一样,具有波的特性,我们在丢一块小石子在池塘中,就会瞧到很多涟漪向外扩散传播,这就就是波,而光就可以用波来描述、第二波的迭加原理,我们之所以能够瞧到干涉条纹的明暗变化,就就是因为迭加原理所造成的,这就是二个造成光干涉现象的基本条件除此之外,偏振光的特性,就是否同相位的特性也就是造成光干涉现象的条件、
2-1-2由迭加原理说明干涉现象
由迭加原理说明干涉现象:
1、破坏性干涉如上图所示,假设蓝色波的最高值与红色波的最低值在同一位置时,其相加数值为0,所以当蓝色及红色二个波一起出现的时候,迭加起来就会变成中间的黑线,因为光具有波的特性,所以如果2个波长彼此正好相差一半的波长时,也就就是相位差π时,画面就会呈现全亮或全暗而完全瞧不到条纹,以上图来瞧因为蓝色波的最高点到红色波的最高点距离相差π,此时我们就称做破坏性干涉
2、建设性干涉如下图所示,假设蓝色波与红色波的最高值在同一位置时,其相加数值就就是2,当蓝色波与红色波完全重迭在一起时,迭加起来就会变成较高的黑线,当我们肉眼瞧到时,黑线的最高点就会变亮,最低点则较暗,而会有明暗的线条变化,我们就称做建设性干涉当蓝色波与红色波的相加数值为0~2以内时,波长会较为平缓,就会产生灰阶的渐层条纹变化了、
2-1-3干涉条纹之定量描述
对建设性干涉而言,2个波的差异需满足公式:
opticalpath(n*d)=mλopticalpath就是光程差,光程差就是指2个波的差异,当2道光从A点跑到B点时,距离为d及d'
因此有一道波跑了nd,另一道波跑了nd'
那么2道光的差异为n(d'
-d),也可以变成nd2'
、如果nd2'
为波长λ的整数倍时,就会有明暗的条纹变化,也就就是建设性干涉而相反的当nd2'
刚好为二分之一波长的技术倍时便产生破坏性干涉条纹,公式为:
opticalpath(n*d)=mλ/2
2-1-4双光束干涉之数学描述
双光束干涉之数学描述:
假设2道光做干涉,这两到光的光强度分别为I1,I2,那么当这两道光产生干涉时便符合上述的公式、
其中:
I1+I2为干涉条纹的DC项,根号(I1I2)为干涉条纹的振幅大小,最后Cos(Delta)为相位项,其中Delta扁就是前面所提到的光程差、
所以当光程差变化时,可以知道干涉条纹也会随着变化
2-2如何判断干涉条纹
2-2-1干涉条纹种类
那么我们如何判断干涉条纹?
因为我们不就是随时随地都可以方便的使用干涉仪并藉由计算机来分析,所以我们必须用肉眼来判断,这也就是最快最方便的方式、
干涉条纹的种类有2种:
第一个就是等厚度干涉条纹,在等厚度干涉条纹中明暗的条纹会呈现等间隔的情形,而且每个相邻的条纹代表相同的厚度间隔、
假设横线为标准面,斜线为一个斜率固定的待测面,当光线打过来的时候会产生折射现象,我们在第一个射入点做一条与标准面平行的虚线,在待测面会有光a反射回去,在标准面时也会有光b反射回去从图可以瞧出光线a及b所通过的路径就是不同的,而当光程差恰为波长的整数倍时,就可以瞧到相同间隔的干涉条纹
第二个就是等倾度干涉条纹,就是由相同角度的光线所形成的干涉条纹,P1这一点有一个干涉条纹,它的来源就是由4条实线所造成的,而这4条实线对这个物体表面来说,则就是同一个角度的光所造成的,因为物体为圆形,所以会造成对称的效果、而4条虚线则就是由另一个角度的光所造成的,并进而产生P2点的一个干涉条纹、因此由同样角度光线形成的干涉条纹我们就称为等倾度干涉条纹,不过在实际的应用上,等厚度干涉条纹与等倾度干涉条纹就是可能同时出现的、
2-2-2-1干涉条纹判断应用实例一
干涉条纹判断应用实例:
应用一:
表面平整性-
如果我们想从干涉图了解物体表面的平整性好不好,可以在干涉图上画一个以中心为准的十字线,数数瞧从中心点起,在X方向上的条纹数及Y方向上的条纹数量有几个,
这个量在光学工厂中就是最常使用的,当我们要求师父磨一个镜片时,就可以告知我们对表面平整性的需求,在X方向与Y方向上的误差范围容忍度就是多少、
从图上来瞧,X方向上有1个条纹,Y方向上则有3个条纹,也就就是说,这个待测的组件,在X方向与Y方向上的变化程度不一样,这个变化程度就定义为表面平整性Surfaceirregularity同时差异量最大的地方我们定义为:
POWER,也就就是Y方向的3,而irregularity就是瞧X方向与Y方向上的差异量,也就就是2,所以从上图的干涉条纹我们可以知道待测物的Power为3、irregularity为2那到底什么就是POWER,什么就是irregularity?
假设我们瞧的组件就是眼镜的镜片,从侧面瞧,当有光打过来时镜片会聚焦,不同的弯曲量聚焦的程度就会不一样,我们称为放大率,,而面的弯曲程度就定义为POWER、而在镜片上的X方向与Y方向的弯曲程度会可能不同,也就就是说POWER不一样,我们就称为Surfaceirregularity,
现在我们已经知道这个干涉图条纹的表示为3/2,那么这个数字就是代表多少?
她的单位就就是波长,一般的雷射为632、8()波长,3/2的3就是指3个波长,2就是指2个波长,在光学组件的计算之中通常就是以波长来表示的、
2-2-2-2干涉条纹判断应用实例一
在前面提到在干涉仪量测中多用波长作为单位所以我们还要注意到使用的干涉仪波长就是多少
假设同一镜片,由A厂商使用λ=500的干涉仪,判读数据为3/2,B厂商使用λ=600的干涉仪,判读数据也就是3/2,那么使用500λ干涉仪的A厂商所判读的数据必定就是较好的,因为波长愈短的,转换为数据时也会相对较小,所以除了判读干涉图的数据之外,还要注意干涉所使用的波长就是否与要求相符才能得到最正确的结果、
2-2-2-3干涉条纹判断应用实例一
接下来的例子,我们要瞧的一样就是POWER与irregularity
我们可以从图A来判读POWER与irregularity就是多少?
加上十字坐标之后,X方向上有2、5个条纹,Y方向上则有1、5个条纹,所以这个镜片的最大弯曲量就是2、5,X与Y的差距量就是1,但就是这个干涉图的结果却不就是2、5/1
当X方向与Y方向待测面的弯曲方向相同时,irregularity为2者相减,但X方向与Y方向待测面的弯曲方向不同时,irregularity则为两者相加、
当X方向与Y方向待测面的弯曲方向相同时,POWER取最大值,但X方向与Y方向待测面的弯曲方向不同时,POWER相减、
所以从这个图来判读的irregularity为1、5+2、5=4,X方向与Y方向可以视为同一个面,所以POWER就是2、5-1、5=1,因此,我们必须先知道所量测的就是什么物体,否则所求得的数据也有可能就是错误的、
2-2-2-4干涉条纹判断应用实例一
接下来我们来瞧瞧几种常见的干涉条纹:
我们要注意的一件事就是,在这些图中的干涉条纹都就是由待测物与一个标准平面比较所造成的,一旦比较条纹变了,所造成的条纹也会全部改变,而且相对应的状况也会完全不同、
左侧Withouttilt为:
当没有倾斜效应进来的时候,不同的待测面所产生的条纹变化
右侧Withtilt则就是:
当倾斜效应进来的时候,不同的待测面所产生的条纹变化
当待测面为为平面时1或就是2,Withouttilt会瞧不到条纹
当待测面为弯曲面3时,Withouttilt会呈现边缘较密,间距不等的同心圆条纹
当待测面就是球面4时,Withouttilt则会呈现间距较为相等的同心圆条纹
假设标准面为平面,3的待测物形状可能为双曲线或椭球,所以厚度变化较为剧烈,4的待测物则可能为球面或接近球面的形状,
所以在做干涉仪量测,想判断干涉条纹的形状时,必须先了解待测物体的形状,或者就是由干涉条纹的形状,来判断待测物体
2-2-2-5干涉条纹判断应用实例二
因为干涉条纹会随着参考面的不同而不同,所以当我想知道待测面的形状时,就必须先知道标准面的形状就是什么?
现在我们以同一形状的待测物-凸透镜为例
当待测物为一个球面,而参考面为一标准平面时,其干涉条纹可能为一同心圆分布,但若参考面改为标准曲率之球面时,其干涉条纹则可能成为直线分布,发生同一待侧面却有不同干涉条纹分布的原因,在于干涉条纹所瞧到的就是待侧面与参考面之间的差异,因此,如果要判断哪一个干涉条纹的待测物就是球面,就必须先了解,量测时所参考的参考就是什么?
才能正确藉由干涉条纹判断出待测之面形、
第三章:
干涉仪种类
3-1NewtonInterferometer
干涉仪的种类非常的多,在这里所介绍的就是五种最常见的干涉仪、
第1个就是NewtonInterferometer牛顿干涉仪
左边的Quasimonochromaticpointsource就是一个几近单波长的点光源,Quasimonochromatic为单波长的意思,pointsource就是点光源、
点光源经过透镜变成平行光后,打到下方椭圆形待测物上,这个待测物可能为透镜之类的物体,待测物下方的平面Opticalflat则就是参考面,通常做为参考面的平整度,也就就是Surfaceirregularity,必须要1/10λ以上,分母愈大就表示其平整度愈好、
3-2MichelsonInterferometer
第2个就是麦克森干涉仪MichelsonInterferometer、
当麦克森干涉仪与牛顿干涉仪做比较时,会发现它并不就是一个点光源,光源有些散开,光线在经过第一块镜片之后透过中间的分光镜O,使得一部份的光反射到反射镜M2再反射回分光镜O,而一部份的光则穿透补偿片C,到达反射镜M1之后才反射回分光镜O合成同一道光,并且将结果打到D(Detector)上,因此我们就可以在Detector上瞧到一圈一圈的条纹,也就就是干涉图A了、所以麦克森干涉仪通常用来量测距离的变化当我们要量测距离时,只要先量测出原来的干涉条纹A之后,再将反射镜M2往后移,量测出干涉条纹B,然后就可以从条纹A~B的变化算出距离了、
3-3FizeauInterferometer
(一)
第3个就是斐洛干涉仪FizeauInterferometer
就是目前一般最常见的干涉仪,也就是架构最简单,量测最方便的一种、左上方的laserbecm雷射光源,雷射光源就是非常好的单波长光源,经过中间的几道程序之后,在经过Referenceflat参考面时,部份光被反射,部份光则穿透至flatunderfest待测面上后再反射回去,因此我们瞧到的结果就是参考面与待测面的差异,当参考面不同时,所测出的待测面条纹也会不同、这种干涉仪的缺点就是:
容易受风向、震动、与空气变化等的外力影响,必须放在密闭室内的防震桌上,才能清楚瞧到干涉条纹,所以又称为非共路径干涉仪、
3-3FizeauInterferometer
(二)
FizeauInterferometer
这2种就是由2家有名的仪器公司制造的斐洛干涉仪左图就是ZYGO公司所制造的斐洛干涉仪,而右图则就是VEECO公司的斐洛干涉仪,一般光学公司在采购较好的干涉仪设备时,通常就是以这2家公司的仪器为采购标准、
3-4Mach-ZehnderInterferometer
第4个就是Mach-Zehnder干涉仪
左下方的光源Extendedsource,为一与麦克森干涉仪相似的扩展光源,光源经过第一个Beam-splitter之后分为二道,各别经过一片Mirror反射镜,再经过第二个Beam-splitter合成一道光之后,将结果打到Detector上、因为中间分为二道光源的关系,在空间及距离上可以做较大的调整,所以比较适合量测体积大或穿透性大的物体,例如:
我们可以用来量测大面积的玻璃、将待测物放在路径上的第一个Beam-splitter与Mirror反射镜之间,我们就可以瞧到路径A、路径B与待测物之间的差异、这也就是一个非共路径干涉仪,它的缺点就是:
容易受空气变化等的外力影响,优点就是:
可以量测体积或面积较大的物体、
3-6Twyman-GreenInterferometer
第5个就是Twyman-Green干涉仪
Twyman-Green干涉仪与麦克森干涉仪很相似、当一道光源进来,经过BEAMEXPANDER将光源变得比较大束后,经由中间的BEAMSPLITTER分为二道光,反射回来之后再回到侦测器,上每种干涉仪都有各自不同的应用范围、方向与限制、
第四章:
实际检测方法
4-1可应用范围
干涉仪可以应用的范围:
1、就是表面的形状2、就是曲率测试3、就是表面平整度或表粗糙度4、可以量测玻璃二侧的面就是否够平整5、角度测试,有些光学组件就是有角度的,可藉此量测其准度6、应力测试,例如眼镜或相机镜头,当必须以其它对象夹住玻璃时,可以测试该玻璃的变形量、
4-2干涉仪应用于液晶投影机组件检验
那么干涉仪到底应用在那些液晶投影机组件的检验:
例如:
X-cube就是液晶投影机中把RGB三个色光合在一起的重要组件,我们有几种检测它的方式:
第1就是量测表面平整性:
我们使用的就是WYKO6000的斐洛干涉仪,仪器的前面标准参考面,光源由参考面打到待测物的第一个面时会反射,我们瞧到的就是它的差异度,也因此可以量测出待测面的表面平整度、并由计算机直接判读出正确的数据结果、如果我们拿一张不透光的白纸遮住其中一边的光,那么被遮住的部份就不会再有光从下方出现,而只显示出一部份的反射条纹、
第2就是量测内反射面的平整度:
光源由参考面打到待测物的第一个面时会反射,但就是也可以打进待测物里面,经由反射的过程再反射回参考面,也就就是就,使用同一个架构可以量测到物体的二面,那么要知道我们量测的到底就是哪一个面?
如果我们拿一张不透光的白纸遮住其中一边的光,那么被遮住的部份就不会再有光从下方出现,但会显示出没被遮住的部份反射条纹,那么所测得的就就是表面平整度、而内反射的光源就是由上方打入待测物中,再经由反射从下方出来,所以如果我们拿一张不透光的白纸遮住上方的光,那么就不会再有光从下方出现,这样就能得知目前所量测的就是内反射面平整度了、
第3就是量测内反射面的角度误差:
这就是X-cube的侧面图,理论上都会尽量要求达到接近90度,所以我们也可以用干涉仪来量测内反射面的角度误差
第4量测穿透波面的平整度:
光在投影机中必须就是穿透的,如果X-cube有一些瑕疵的话,显示出来的影像就会不漂亮,所以就必须量测其穿透波的平整度、
当光源从上方打出来,透过待测物打到标准反射镜片时,再反射回去,如果待测物的放置位置就是平整的,那么每一道光都会循原来的途径反射回去,可能会分不清楚到底就是哪一个面所产生的干涉条纹、这时可以调整待测物平台的倾斜度,使部份光不会进到干涉仪中,那么就可以很清楚的瞧到干涉条纹了、
Aperture:
Intelevisionoptics,itistheeffectivediameterofthelensthatcontrolstheamountoflightreachingthephotoconductiveorphotoemittingimagepickupsensor
ANSILumens:
ANSIstandsforAmericanNationalStandardsInstitute、Itisastandardformeasuringlightoutput、Differentlampsplayaroleonlightoutput、Halogenlampsappeardimmerthananothermetal-halide,evenifthetwounitshavethesameANSIlumenrating、TypeofLCDtechnology(activematrixTFT,Poly-Si,passive),typeofoveralltechnology(LCDvs、DLPvs、CRT),contrastratios,amongotherfactorscanalsoaffecttheendresult、
ASAP
原名为AdvancedSystemAnalysisProgram,为美国BRO(BreaultResearchOrganization)公司研发的一套专业光学仿真软件,
它可以帮助使用者仿真真实之光学系统,以达到最实际之光学分析结果
Dichroic:
Amirrororlensthatreflectsorrefractsselectivewavelengthsoflight、Typicallyusedinprojectorlightenginestoseparatethelamps"
white"
lightintored,green,andbluelight
DigitalLightProcessing(DLP):
ThecommercialnameforthistechnologyfromTexasInstruments(TI):
F-number(f/#)
f/#istheratiooftheeffictivefocallengthofanopticalsystemtoitsclearaperture、Forexample,a50mmeffictivefocallengthlenssystemwithaclearapertureof25mmisf/2、
FocalLength(FL)
Regardingopticalelementsandsystems:
effectivefocallength(EFL)-Distancefromtheprincipleplanetothefocalpoint;
frontfocallength(FFL)-Distancefromthevertexofthefirstlenstothefront(left)focalpoint;
backfocallength(BFL)-Distancefromthevertexofthelastlenstotheback(right)focalpoint、
LCD:
LCDstandsforliquidcrystaldisplayandcomesinmanyforms,sizes,andresolutions、Itsprimarypurposeistopresentadigitalimageforviewing、AcommonuseofLCDsisasadisplayonanotebookcomputer
Panel:
Alsoknownasaprojectionpanel,LCDprojectionpanel,orplate、Thepanelisthepredecessoroftoday'
sprojectors
Projector:
Aprojectorisadevicethatintegratesalightsource,opticssystem,electronicsanddisplay(s)forthepurposeofprojectinganimagefromacomputerorvideodeviceontoawallorscreenforlargeimageviewing、
TFT:
ThinFilmTransistor
ZoomLens:
Alenswithavariablefocallengthprovidingtheabilitytoadjustthesizeoftheimageonascreenbyadjustingthezoomlens,insteadofhavingtomovetheprojectorcloserorfurther、
ZEMAX:
就是一套综合性的光学设计软件。
它将