检测微表面形貌的Mirau相移干涉轮廓仪

　　Mirau相移干涉轮廓仪是在双光束Mirau干涉的基础上,加上相移技术,用来检测微表面形貌的干涉仪[1~5].Mirau干涉只使用一个物镜,可以避免Linnik干涉中两个完全相同的物镜的严格要求;而且其分束元件一般不用Michelson干涉中的立方分束棱镜,所以Mirau干涉体积较小,结构紧凑,适合于中等放大倍率,在干涉检测中得到了广泛应用.而相移干涉就是在参考或测量光中引进已知相移量,人为改变两相干光束的相对相位,从干涉场中任一点在不同相移量下的光强值来求解该点相位.相移干涉的纵向测量精度可以达到纳米量级.

　　基于Mirau干涉[6~8],笔者研制了检测微表面形貌的Mirau相移干涉轮廓仪.分析了轮廓仪中的光路和结构特点,给出了轮廓仪的参数,最后进行了实验,得到了光纤连接器端面的表面形貌.

　　1　M irau相移干涉轮廓仪

　　1.1　相移干涉检测原理

　　在准单色条件下,双光束干涉条纹的光强为

　　式中:I(x,y)为干涉条纹光强; I0(x,y)为直流光强;A为调制度;φ(x, y)为被测面和参考面对应点的相位差.在相移干涉中,由于人为引进了相移量,干涉条纹光强为

　　式中:I1、I2、I3、I4、I5和I6分别为6步的光强值,可以通过解包裹得到被测面相位φ(x,y),进而得到被测面各点的高度值,从而得到微表面的三维形貌.

　　相移器选用压电陶瓷传感器(piezoelectric trans2ducer,PZT),通过改变加在压电陶瓷上的电压的大小改变其位移量. PZT移动和干涉光束相位变化的关系为

　　式中:Δz为PZT移动的距离;ΔΦ为引起的相位变化.

　　在轮廓仪中,波长λ=532 nm,则PZT移动66. 5 nm时,引入的相位变化为π/2.由于PZT本身具有较严重的迟滞和非线性现象,所以采用了电容传感器作为闭环控制的PZT精密定位系统,其重复定位精度为5 nm,则其最大的移相误差为7. 500.当采用5步相移法时,引起的相位误差的峰谷值为0. 006 97 rad,高度测量误差为0. 295 0 nm;而采用6步相移法时,引起的相位误差的峰谷值为0. 000 27 rad,高度测量误差为0. 011 5 nm.所以可以通过采用6步相移法减小相移器的移相误差对测量精度的影响.

　　1.2　M irau相移干涉轮廓仪

　　Mirau相移干涉轮廓仪的结构如图1所示,由Mir2au干涉成像光路和照明光路组成,两者用分束棱镜相连.PZT和Mirau干涉物镜相连,带着干涉物镜沿光轴移动.Mirau干涉成像光路把被测面和参考面形成的干涉条纹成像到CCD(charge coupled device)上.在系统校准后, PZT带着干涉物镜步进式移动.每移动一步,CCD就采集一幅干涉图.干涉图通过视频采集卡采集到计算机中进行处理,经图像处理就可以得到被测面的表面形貌.