白光干涉仪介绍ppt课件.ppt

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1、白光干涉仪介绍 汇报人：学号：时间：2015-11-13目录概述概述光干涉技术-内容概述光干涉技术-特点实时性概述白光干涉仪的发展智能化自动化概述干涉仪分辨率由所用光波长决定概述接触式与非接触式测量仪对比Stylus触针式触针式白光干涉仪白光干涉仪二维测量三维测量接触式非接触式对质地较软或脆性工件有损伤对任何工件均为无损测量精度较低，分辨率为微米级精度高，分辨率可达纳米级几何路径光学路径国际和国家标准完善标准尚不完善测量速度较慢测量速度快概述干涉仪分类干涉仪分类按光波分光的方法按相干光束传播路径按用途分分振幅式分波阵面式共程干涉非共程干涉静态干涉动态干涉通过测被测面与标准面干涉条纹分布及变形量

2、求得试样表面微观几何形状、场密度分布和光学系统波像差静态干涉动态干涉通过测量干涉场上指定点的干涉条纹的移动或光程差的变化量求得试样尺寸大小、位移量等概述分波前法波前是指波的等相位面达到的空间分波前干涉法空间不同两点的光波作干涉源实现干涉。由惠更斯原理，空间任一闭合面都可作为次级波源，远处的光波是次级波源光波的干涉叠加。波面上的每一点（面元）都是一个次级球面波的子波源惠更斯原理杨式双缝干涉、双孔干涉、光栅干涉将一束光分成不同比例的两束光概述分振幅法当一束光投射到两种透明媒质的分界面上，光能一部分反射，另一部分折射分振幅立方分束器、分光板、薄膜分光镜、衍射光栅实现方法偏振分束器偏振状态P透S反PB

3、S机械结构整套测量设备由白光干涉垂直扫描仪、气浮平台、控制箱和计算机组成干涉仪原理光源LED点光源卤素灯卤素灯LED点光源点光源扩散光源扩散光源常见，但发热量大，对系统精度影响较大冷光源，可看做点光源，比较理想。一个点向周围空间均匀发光干涉条纹的可见度将降低干涉条纹光波的叠加原理波动性相位相长干涉相消干涉干涉条纹干涉条纹的数目与条纹图像取决于采样平面与参考平面的相对倾角最亮点对焦最好双光束干涉条件时间相干性时间相干性理想单色光源时间相干性无穷大，意味着一束光可相对于另一束光通过不同的光程进行延时仍发生干涉 光程差小于相干长度，才会产生干涉条纹2ccL光源中心波长光谱带宽条纹可见度条纹可见度介于

4、0至1当可见度V大于0.2时才可辨别出条纹条纹可见度辐照度12II时间相干性条纹可见度降低提高减少双光束光程差（=0）对光源光谱滤波可见度条纹可见度空间相干性引起条纹可见度的退化光源的空间滤波改善空间相干性用透镜将光束耦合到单模光纤中点光源用显微物镜将光束聚焦到小孔1.22sin( )DNANA n条纹可见度两束光同偏振状态时条纹可见度达到最大正交偏振的两束光不会产生干涉条纹可见度由 决定cos( )条纹可见度相对光强度/振幅比两束光强之比为1时，条纹可见度最大V小于0.2时无法分辨单色波双干涉方程I121212( , )2()I x yIII I COS是光强 是光波的相位12,0, 2 是

5、测量光束与参考光束的相位差光程差12()2机械结构1.底座2.照明光源3.立柱4.手轮5.步进电机6.压电陶瓷及柔性铰链7.CCD8.衍射光栅计量单元结构单元1.光学显微干涉单元2.步进电机调焦单元3.压电陶瓷扫描单元4.衍射光栅计量单元5.扫描控制和测量软件步进电机调焦单元组成步进电机驱动光路对焦方式自动对焦手动对焦CCD监视某像素点的光强变化并进行实时计算慢操作手轮观测条纹的消失或出现半自动对焦PZT扫描单元结构紧凑不发热无间隙抗干扰衍射光栅衍射光栅干涉计量单元计量PZT扫描步距和扫描位移微位移计量法电感式电容式激光干涉衍射光栅干涉位移传感器电感和电容式电感和电容式位移传感器位移传感器测量

6、精度高测量精度高测量范围小，不适合测量范围小，不适合在垂直扫描白光干涉在垂直扫描白光干涉测量系统中测量系统中激光干涉位移传感器较大的测量范围、较高的分辨率和测量精度通常结构复杂，对环境要求较高衍射光栅干涉位移传感器测量范围大，对使用环境没有严格的要求，故可精确计量PZT垂直进给各传感器对比光路图干涉条纹仅出现在有限空间范围作为干涉测量仪器的基准光程差为零时光强最大调整光程差，确定位移量算出各点相对高度显微干涉单元垂直扫描距离高对应浅色区距离低对应深色区镜头选择物镜的依据：1、视场，确定测量的区域2、光学分辨率，它能区分出的最小特征3、倾斜度，它显示出怎样的曲面能够被测量，特别是很粗的表面用物镜

7、专用的储存盒白光扫描干涉单色光干涉白光扫描干涉白光干涉白光干涉时，各波长产生各自的干涉条纹白光：光谱中包含整个可见光谱区域的光谱成分的光源光程差为零，各波长零级条纹完全重合，光强最大工作时，干涉显微镜通过一个线性位置扫描器（常用PZT）驱动以改变测量臂的长度，在扫描过程中记录每一个像素点的光强值，由此可得到一系列的白光干涉光强值。白光与单色光对比白光扫描干涉寻找零光程差位置的依据白光干涉的对比度随光程差的增大而降低白光扫描干涉不同高度的两个点光强峰值位置不同峰值对应的测量臂反映高度差核心内容提取白光干涉扫描技术 白光干涉是一种新型的表面形貌测量方法，能实现对表面形貌的三维测量。它通过扫描定位被

8、测表面各点的最佳干涉位置得到表面各点相对高度，重构表面三维轮廓，实现对物体三维形貌的测量。单色光干涉双光束干涉原理图（迈克尔逊干涉仪）121212( , )2()I x yIII I COS12()2光程差相位差光强分布符合余弦规律两束光经反射折射后，同时到达分光镜上面的干涉板半反射膜从扩展光源S发出的光射向平行平面透明薄板P1。P1的后表面镀有半反射膜，这个半反射膜把S射来的光束，分成振幅近似相等的反射光1和透射光2，故P1称为分束板。光束1射向平面镜M1；光束2透过补偿板P2射向平面镜M2。M1和M2是在相互垂直的两臂上放置的两个平面反射镜，二者与P1上的半反射膜之间夹角为450，所以，1

9、、2两束光被M1和M2反射后又回到P1的半反射膜上，再会集成一束光射向E。由于这两束光来自光源上同一点，因而是相干光，眼睛从E处向M1方向望去，可以观察到干涉图样。P2是补偿板，它的作用是使1、2两光束在玻璃中经过的光程完全相同，为了使其材料和厚度与P1完全相同，制作时从同一块精密磨制的平板切开而成。P2、P1平行放置。反射镜M2是固定的，M1可以在导轨上前后移动，以改变1、2两束光的光程差白光干涉 1. 白光是光谱中包含了整个可见光谱区域的光谱成分的光源，且光谱为连续谱。 2. 白光干涉时，各波长将产生各自的干涉条纹，光强分布规律符合前面单色光的光强公式。 3. 当光程差为零（零级条纹处）时

10、，各波长的零级条纹完全重合。随着光程差及干涉级数的增加，各波长的干涉条纹彼此逐渐错开，使得条纹对比度逐渐下降，到一定程度时干涉条纹消失。光谱范围越宽，这种现象越明显。白光干涉光源的相干长度2c为光源平均波长的平方为光源带宽宽带光源的相干长度短，时间相干性差白光干涉时光强变化曲线在零级条纹（或零光程差位置）附近的条纹对比度最大，随着级数的增加，干涉条纹对比度迅速下降，直到条纹消失白光干涉对于白光，双光束干涉光强变化的一般表达式为121 21 2121200022cos()22() 1cos()21cos()21cos()1cos()IIII II IIIIIImIMIM 为背景光强，反映光强的直

11、流分量0Im为条纹可见度v为相干包络项，单色光源时v=1M为相干调制度，M=m v反映光强幅值的变化光程差为0时，发生最佳干涉M值最大白光扫描干涉技术宽带光源的相干长度短，时间相干性差，由它产生的两束光波之间的非相干光程差极小，基本上要在等光程差位置附近才能观察到干涉条纹，且条纹也只有为数不多的几条。图为用CCD相机采集的光滑平面产生的一幅干涉图样，可看出干涉图像由交替变幻的亮暗干涉条纹组成，中央一条黑纹为零级条纹，它是零光程差位置，周围有几条互相对称的比较清晰的条纹。干涉条纹的数目与条纹图像的定向取决于采样平面与参考平面的相对倾斜角度，干涉条纹最亮点将出现在对焦最好的地方。白光扫描干涉技术

12、白光扫描干涉技术正是利用这一特征实现的。移动干涉条纹，并扫描整个被测表面时，对于被测表面上的任意一个采样点，其光强呈现图中的变化趋势。当光程差接近相等时，条纹对比度变化剧烈并呈非周期变化性。该特性很容易与其他级条纹相区别，利用这一特性实现对零光程差位置测量。这是白光扫描干涉测量的关键。白光扫描干涉技术 采用白光干涉技术测量表面时，白光干涉图样显著的特征难以获得，因为条纹只在有限的空间范围内出现，若干涉仪聚焦不好或散射不均匀，条纹甚至无法获取。这使得条纹的难获得性对零级条纹的定位非常有利。 零光程差附近光强呈非周期性，有效地消除了模糊误差，减少了对测量范围的限制，可实现较大高度范围的测量，克服了

13、窄带光源干涉轮廓仪测量范围小的不足。 对不连续表面尤其是阶梯状表面而言，基于窄带光源干涉的测量仪器根本无法分辨，而白光干涉的测量仪不受高度突变的影响，因此被用于表面三维微观形貌测量。用白光扫描干涉测表面三维形貌白光扫描干涉测量法： 利用白光干涉测表面三位形貌时，对于被测表面上的某一点而言，为定位其零光程差位置，必须采用扫描方式改变参考镜或被测表面的位置，以此获得该点光强变化的离散数据，再根据白光干涉的典型特征判别并提取最佳干涉点。参考镜被测表面M1经分光镜成的虚像 由于参考镜较轻便，故用参考镜做微小进给。当M1沿扫描方向做微小进给时，若在位置1必然存在虚像，虚平面1与被测表面M2相交的轮廓线，

14、如图（b） 轮廓线上各点为零光程差，这些位置均是最佳干涉。虚平面位置虚平面位置11、2虚平面位置虚平面位置2 23 3、4 4虚平面位置虚平面位置3 35 5、6 6 相当于用一系列间距非常小的平行虚平面切割被测表面，两平面的交线处为光程差等于零的位置。当参考镜做充分扫描直到不出现干涉条纹时，识别并记录各点的最佳干涉点位置作为其相对高度值，所有点的集合便重构了被测表面的三维轮廓。用白光扫描干涉测表面三维形貌测量系统测量系统的组成： 光学系统、 微驱动装置及控制系统 调焦系统、 图像采集及处理系统测量过程1、调焦：开始测量时，由计算机控制步进电机大步进给，使被测物垂直升降。当被测物通过光学系统清

15、晰成像时，调节步距使被测物做微小进给。当观察到干涉条纹时表示调焦完成。2、光学成像：由计算机发出指令控制压电驱动装置的进给从而带动参考镜的微小进给，这样被测表面的不同高度平面就会逐渐进入干涉区。如果在充足的扫描范围内进给，则被测表面的整个高度范围都可以通过最佳干涉点。3、采集图像：扫描过程中，用CCD摄像头采集每步的干涉条纹图像，经图像采集卡转换为数字图像后存储于计算机，这样，扫描结束后每个像素点都有一组该点的光强变化数据。4、分析处理：再基于白光干涉的典型特征，以某种算法，对干涉条纹图像进行分析处理，提取最佳干涉点位置，进而得到各像素点的相对高度，实现对三维形貌的测量。谢谢您的耐心阅读请看后

16、面软件介绍软件介绍Talysurf CCI 应用应用TalyMap 应用应用控制仪器测量和测量数据的收集执行测量数据的分析实时视频屏幕+表面屏幕二维、三维图像用户界面UI测量分析扫描控制和表面测量软件软件模块模块介绍 扫描控制模块的作用是实现对垂直方向位移的控制程序根据干涉图像信息控制步进电机垂直方向的进给，达到准确对焦的目的扫描的过程中，由计量系统反馈的位移信息，调整PZT的输出电压，实现垂直方向精确定位模块介绍干涉图像采集模块实时采集白光干涉图像将转换后的数字图像存储在计算机模块介绍数据处理模块根据相关国际标准对表面形貌进行参数评定形貌恢复是将采集的干涉图像恢复成表面的微观形貌选择合适的算

17、法对原始图像数据处理剔除粗大噪声并对白噪声去噪得到每一像素点的相对高度，即得到了被测表面的微观形貌优点 无需复杂光路调整操作简便纳米级精度可测各种材料与微元件微尺寸检测准备测量样本预热表面性质仪器配置预选表面找干涉条纹测量实例 采集的白光干涉图找平开始测量坐标截止波长填充数据光强测量实例仪器维护放置润滑导轨面防划防锈、不失油光学零件发展现状德国德国 BrukerBruker的的Contour GTContour GT系列系列任何放大倍数下，系统的纵向范围都能够达到亚-埃至毫米级美国美国ZYGOZYGO公司的公司的 New View New View 70007000系列表面轮廓仪系列表面轮廓仪

18、英国英国Taylor-HobsonTaylor-Hobson公司公司三维三维Talysurf CCITalysurf CCI系列系列参考文献1.光学测试技术，刘承等编著，电子工业出版社.2013.62.光学测试技术，沙定国主编，北京理工大学出版社.2010.13.光学干涉检测，埃里克P. .古德温著，浙江大学出版社.2014. 84.白光干涉仪的可用性研究，袁丽，华中科技大学硕士论文5.垂直扫描白光干涉仪测量关键技术的研究及应用，徐海涛，华中科技大学硕士论文.6.基于空间频域算法的三维微观形貌的测量南京理大学光学学报7.白光扫描干涉三维表面形貌测量技术的研究，李其德，合肥工业大学硕士论文，20088. 数字化白光扫描干涉仪的研究, 张以谟等，光学精密工程.2004.129. 白光干涉扫描法测量三维形貌的研究，姚锦晓，南京理工大学硕士论文.10. 利用白光扫描干涉测量表面微观形貌，刘晨等，光电工程.2011 ，38（1）：71-75.11. 机械零件三维表面形貌测量与评定的研究,杨旭东等，机械设计与制造.2007,8:102-10312. 基于空间频域算法的三维微观形貌的测量,徐永祥等,光电工程.2014,41(8):16-21.13. 基于小波包络提取法的白光干涉测量系统,简黎等,微纳电子技术.2015,52(9):586-610.参考文献谢谢谢谢