相移干涉显微术测量表面微观形貌

　　1　引　言

　　相移干涉术(phase-shifting interferometry)是一种将光学干涉术和数字相移技术相结合的位相干涉测量方法[1]。其测量原理是:在参考光路中加入精密移相器件,使物光与参考光之间不断地产生一相对的相位移动,构成时间序列上的多幅干涉图,探测器探测每一像素点处的序列干涉光强,并将光强数值送入计算机计算得到每一像素点处的被测相位。使用三个或更多的相移干涉图,相位函数就可独立于强度式中的其它参数而单独提出[2]。

　　本测量系统采用相移干涉与微分干涉相结合来测量纳米图形表面形貌。微分相衬干涉显微镜是一种观察表面的具有纳米级分辨率的光学仪器。但它只是定性观察仪器[3],为了实现对所观察物体的定量测量,我们在该显微镜中加入移相装置,应用相移干涉技术提取所观察物体的相位,再由相位与物体高度的对应关系计算得到表面形貌,从而达到对物体的纳米定量测量。

　　2　测量系统结构组成

　　我们设计制作的相移干涉显微测量系统是在微分相衬干涉显微镜的基础上,加入波片相移装置及图像采集处理系统形成的。测量系统结构框图如图1所示。系统由微分相衬干涉显微镜、相移器件、电视摄像机、图像采集电路、微型计算机、步进电机及驱动电路等部分组成。

　　测量系统的工作原理为:在微分相衬干涉显微镜的相干复合光路中加入1/4波片及检偏器作为相移器件。旋转检偏器,两相干光束的光程差随之变化,利用波片相移装置产生等间距满周期的相移,检偏器与旋转手轮间由两组齿轮实现传动。为了使测量过程全部自动化,并且达到更精确的移相精度,我们采用36BF-02B型步进电机带动检偏器旋转。步进电机由计算机直接进行驱动。微分相衬干涉显微镜形成的干涉图像被成像在CCD靶面上。图像采集电路将CCD摄像机接收到的图像数字化后送入计算机,并完成一幅干涉图像的采样。计算机控制步进电机驱动检偏器旋转一定的角度,以实现对干涉图像的移相,然后,图像采集电路再完成一幅图像采样。

　　相移干涉术需要精确地给出移相量,而通常采用的压电陶瓷(PZT)移动参考反射镜移相的方法由于受PZT非线性的影响而存在相移量误差。本测量系统的波片相移装置为周期移相,可以采用多次采样取平均的方法以消除移相误差。另外,微分相衬干涉显微镜的测量光路与参考光路为共光路系统,有较强的抗振动和抗干扰能力。

　　3　数据分析及处理

　　测量系统的数据分析及处理包括以下几个方面:(1)根据采集到的每一帧相移图像各像素点的光强信息,用相移干涉法进行相位提取计算;(2)由相位与差分的关系式计算各像素点的差分值;(3)经复化梯形积分后得到表面高度分布,并以差分的积分图(三维形貌图)的形式表示出来,实现对被测物体的定量分析。