环形光源在干涉仪系统中的应用

　　目前商用干涉仪设计的一个难题就是抑制干涉仪能测量空间频率段的系统本征噪声,因为激光作为干涉仪的标准光源,它具有很强的时间和空间相干性,所以干涉系统里光学元件的缺陷(如灰尘、凹陷、伤痕、气泡等)会作为光散射的中心从而产生相干噪声,在干涉图里形成了牛顿环或靶心[1-3],为此,一些学者采用低相干光源或白光作为干涉仪的光源[4],或在成像系统加旋转毛玻璃[5]以降低空间相干性。空间扩展光源是抑制相干噪声的一种有效方法,但它会导致干涉图对比度的下降[5]。Zygo公司利用全息元件实现了环形光源[1]。本文介绍了环形光源抑制相干噪声的原理并通过实验进行验证。

    1　环形光源抑制相干噪声的原理

　　Fizeau干涉仪的示意图如图1所示,它是准直物镜和成像目镜组成的开普勒望远镜结构。准直物镜前面分别是测试镜(T)和参考镜(R),成像目镜后面是探测器CCD(通常要求测试镜和探测器处于共轭位置);而以光轴为中心的环形光源则位于准直物镜(焦距为f)和成像目镜的共同焦点上。设环形光源上任意一点y,经准直镜变成平行光入射到参考镜和测试镜,入射角为α,干涉腔的距离为d,则测试镜上的点A与参考镜的点QA经准直镜和目镜成像到CCD上A′点发生干涉。由图可推导得到

则光源点y引起测试镜上的点A和参考镜的点QA的光程差为

当光源处于光轴上(y=0)时,点A和参考镜的点QA的光程差为D(0),则两者之差为

o(y6/f6)表示与y6/f6同一量级的高阶项,忽略高阶项得

所以光源点y引起测试镜上的点A和参考镜的点QA在CCD上A′点的干涉强度可表示为

式中:k为波数;IT和IR分别表示测试镜点A和参考镜的点QA反射的光强。根据公式(5),(6)可知,环光源上距离光轴为y的所有点照明被测面A点,都成像到CCD上A′点,它们引起的光程差相同,但是它们的光线路径是不同的,若发光点y入射,A与参考镜QA点干涉,发光点-y入射时,A与参考镜PA点干涉,所以环形光源入射时,A将与参考镜上一半径为ρR圆弧上所有点干涉然后强度叠加(图1),其中

　　当采用平均半径为y的环形光源时,可以抑制参考镜上周期小于2ρR的缺陷对被测面的影响,同理,环形光源也可以抑制系统里其它光学元件高频缺陷的影响。所以环形光源实际上是一个积分过程,即平滑系统噪声的过程,但它没有改变波面的相位,也没有降低干涉条纹的对比度。如果环形光源的照度均匀且空间不相干,则通过积分整个光源得到CCD上A′点光强分布为