基于共光路干涉原理的精细表面粗糙度测量方法

　　1引言

　　近年来，随着机械、电子及光学工业的飞速发展，对精密机械加工表面的质量要求日益提高，使得表面粗糙度的测量具有越来越重要的地位。

　　目前测量物体表面粗糙度的方法主要有机械方法与光学方法两大类。触针法是机械方法中的代表，具有0.1nm的灵敏度和很高的横向分辨率，但它是接触式测量，容易划伤工件表面。常用的光学方法包括光散射法^[1] 、散斑法^[2] 、光触针法^[3] 、光干涉法^[4~6]等。本文提出了一种利用光的干涉原理测量物体表面粗糙度的方法。其特点是用半波片和1/4波片来改变光束的偏振态使干涉信号最强，且系统光路结构简单，容易实现。

　　2测量光路及方法

　　该方法的原理光路如图1所示。从激光器发出的光束经L ₁、L ₂扩束、准直后，经与X轴成角的起偏器Pl变为线偏振光，经偏振分束器PBSI后，偏振方向沿X轴方向的S分量被反射，偏振方向沿Y轴方向的p分量透射，分别经平面反射镜MZ、Ml反射。反射后S分量经光轴方向与X轴成45“的1/2波片后，变为与p分量偏振方向相同的线偏振光，然后经L ₃发生聚焦，经PBSZ全透射,并在分束器BS处发生半反半透，其中反射光束与经反射镜Ml反射并在分束器BS处透射的光束发生干涉，被探测器PDZ接收，作为参考信号。

　　经反射镜Ml反射并在BS处发生反射的光束经过1/4波片、经聚焦物镜L ₁聚焦于待测表面，作为测量光，经待测表面反射后，再次经过L ₄、1/4波片，在BS处透射的光在PBSZ处发生全反射;另一路经反射镜MZ反射并在BS处透射的光束经过1/4波片、经聚焦物镜L ₄变为平行光束人射到待测表面上，再经待测表面反射后，再次经过L ₄、1/4波片与BS的光在PBSZ处发生全反射;在PBSZ处发生全反射的信号光与参考光发生干涉并被探测器PDI接收，成为包含待测表面信息的信号。

　　经光电探测器接收的参考信号与包含被测表面信息的信号经数据采集和处理程序，即可得到被测表面的表面粗糙度参数。

　　3测量原理

　　测量原理按以上方法设置光路，透过起偏器的光矢可用琼斯矩阵表示为^[7]

　　PD2接收的干涉光强值为

　　式中“+”号表示对矢量进行厄米运算。人射到PD2前的光矢为

　分别为测量光和参考光被待测表面反射过程中的琼斯矩阵，分别为p光和S光共光路的相位延迟量。

　　则PD1接收的干涉光强值为