外差干涉仪中光路调整的分析

　　引　言

　　双频激光共光路外差干涉仪测量表面微细形貌原理如图1所示。光路Ⅰ和光路Ⅱ干涉信号的光强由光电元件接收,通过分析,可得出如下关系式:

式中ΔΦ为光路I和光路Ⅱ的光电元件所接收到信号的相位差变化,ΔL为射向被测表面的两束光的光程差;λ为激光波长。如图1所示,当入射光束的分束点位于透镜后焦面上,在表面起伏较小时,两条光束的光程差为

　　当b较小时,cosβ≈1,所以由式(1)可得从此式可看出,两个光强号相位差的变化与被测表面的起伏成线性关系。因此,只要测出两个光电元件所接收信号之间的相位差,就可得到表面微观高度。

　　1　入射光束相对于光轴位置的调整

　　由式(1),(2)可知,计算关系式的非线性误差为

　　为了减小计算关系式线性化带来的误差,应尽量减小b。测量系统的测量范围为±1μm,焦距f=14mm,要求非线性误差<0.1%。因此,在光路调整和设计中,应使b<0.9mm,即光束从渥拉斯顿棱镜分光时,应使分光点距光轴的距离小于0.9mm。

　　经分析计算[1],当光束方向相对于光轴方向的夹角有变化时,对被测表面上的光点间隔、光束返回后光点的重合率以及两条测量光束的光程差都有一定的影响。其中,对光点重合率的影响不大,而对光程差的影响却较大。因此,在干涉仪的机械设计中,应注意系统的稳定性;在选择激光器时应注意激光器角漂移的指标;在测量中应尽量减小环境的干扰,使角漂移对测量的影响减小到可满足仪器精度要求的程度。

　　2　渥拉斯顿棱镜位置的调整

　　当渥拉斯顿棱镜光轴方向与入射光偏振方向不平行或垂直时,不仅光电元件接收到的信号幅值会发生变化,而且会造成混频现象。如图2(a)所示,当绕Z轴转动渥拉斯顿棱镜时,接收到的信号的幅值会发生变化。光电元件接收到的信号为

　　IB 为f1,f2偏振光的幅值。从上式可以看出,当旋转渥拉斯顿棱镜时,如图2(b)所示,I的幅值会随着θ以π为周期变化。当偏振光f1的偏振方向P1与渥拉斯顿棱镜的光轴垂直,或偏振光f2的偏振方向P2与渥拉斯顿棱镜的光轴方向平行时,信号的幅值最大;当偏振方向P1(或P2)与渥拉斯顿棱镜光轴方向成45°(或135°)时幅值最小。因此,在调整光路时应根据此现象调整渥拉斯顿棱镜、起偏器和检偏器,使信号幅值最大,减小混频的影响。

　　3　被测表面与物镜间距离的调整

　　被测表面应位于物镜的焦平面上,当被测表面离焦时,会引起四方面的影响: