干涉仪原理与使用

1、干涉仪原理与使用第一章:为何使用干涉仪做检测1-1干涉度量学第章为什么要使用干涉仪检测首先我们要先了解，什么就是干涉度量学？所谓干涉度量学就 是指利用光干涉的效应来量测特定物理量的方法，也就就是说藉由观察干涉条纹的变化，来虽 测出待测物的特征仁2何谓干涉仪干涉仪就是什么？ 般来说，只耍就是利用光干涉的原理来量测的仪器便可以称为干涉仪，但就是干涉仪的种类众多且多变化，因此本课程中将针对最为外界常用之种类作介绍干涉仪原理与使用仁3干涉仪之优缺点干涉仪的优点及缺点第一高精度以光学组件来说，因为组件的微小变化均会严重改变原有的光学质量，因此必须要有非常精确的 量测仪器，干涉仪具有精度非常高的优点，最高

2、可达1/100的波长甚至到1/1000的波长，波长就 是指干涉仪中使用光源的波长值、举例来说：般干涉仪的波长为632、8( nm ),而632、8的百干涉仪原理与使用分之约为6个(nm),目前的奈米科技就是在这个尺度，甚至有些更好的干涉仪可以到0、6个(nm )，从此可以瞧岀干涉仪的精度有多好了第二章:非球面玻璃模造的原理第二、非接触式量测 另种量测用的轮廓仪就是使用接触式的量测方式，即使目前已可以微调接触的力量，但对于 农而较脆弱的彼量测物就是否真的完全不会造成损害则仍无法确定、而当用干涉仪量测时，就是 把光照射到彼量测的物体上，所以干涉仪上的探针也就就是光，并不会对物体农面照成任何伤 害第

3、三使用探针来量测时无法次量测所有的面积，而可能必需分很多扫瞄线去量测，和对来说, 干涉仪的量测速度就非常快了，可能几秒钟就量完了，而不需要等待几个小时的时间、第四则就是干涉仪的缺点，个操作员在会使用干涉仪却不太清楚干涉仪的使用限制、条件及 原理的时候，可能会量测到不就是她所要的东西，而且，因为干涉仪就是用光线虽测，在调整上 也会花费多的时间，可能量测结果只要花几秒钟，但事前的调整却要花费几十分钟甚至数个小干涉仪原理与使用时、第二章:干涉仪工作原理2-1光干涉2- 1、1为何光有干涉现象干涉仪工作原理我们就是用干涉仪量测，所以先要了解什么就是光干涉？为什么光有干涉现象？光的干涉现象有 二个原因，

4、第-光像就是波样，具有波的特性，我们在丢块小石了在池塘中，就会瞧到很 多涟漪向外扩散传播，这就就是波，而光就可以用波来描述、第二波的迭加原理，我们之所以 能够瞧到干涉条纹的明暗变化，就就是因为迭加原理所造成的，这就是二个造成光干涉现象的基干涉仪原理与使用本条件除此之外，偏振光的特性，就是否同相位的特性也就是造成光干涉现象的条件、為何有光干涉現象光具有波之特性e波的*加原理由上述兩個基本條件，便造成之干涉現象 胡相位加廿和哺堆成州千涉現锻的煖件LW2-1-2由迭加原理说明干涉现象由迭加原理说明干涉现象：1、破坏性干涉如上图所示，假设蓝色波的最高值与红色波的最低值在同位置时，其相加数值 为0,所以

5、当蓝色及红色二个波起出现的时候，迭加起来就会变成中间的黑线，I対为光具有波 的特性，所以如果2个波长彼此正好相差半的波长时，也就就是和位差TT时，画面就会呈现全 亮或全暗而完全睡不到条纹，以上图来瞧因为蓝色波的最高点到红色波的最高点距离相差TT,此 时我们就称做破坏性干涉2、建设性干涉如下图所示,假设蓝色波与红色波的最高值在同位置时，其相加数值就就是2, 当蓝色波与红色波完全重迭在起时，迭加起来就会变成较高的黑线，当我们肉眼瞧到时，黑线 的最高点就会变亮，最低点则较暗，而会有明暗的线条变化，我们就称做建设性干涉当蓝色波 与红色波的和加数值为02以内时，波长会较为平缓，就会产生灰阶的渐层条纹变化

6、了、干涉仪原理与使用2/3干涉条纹之定量描述对建设性干涉而言，2个波的差异需满足公式:optical path(n*d)=mA optical path就是光程差，光 程差就是指2个波的差异，当2道光从A点跑到B点时，距离为d及d，因此有道波跑了 nd,另道波跑了 nd那么2道光的差异为n(d-d),也可以变成nd2、如果nd2为波长入的整数倍时，就 会有明暗的条纹变化，也就就是建设性干涉而相反的当nd2刚好为二分之波长的技术倍时便 产生破坏性干涉条纹，公式为:optical path(n*d)=mA/2干涉仪原理与使用公式：optical path(n*d)=m A干涉後奴2定ffi述wss

7、m干涉而8-HW 孜之启1之蚤異霜滿足optical paih(nfd甜热洌比事宽件規笊辰期對建設性干涉而言，液與波之間之差異黑滿足 2波相異的光程差(空棄折射率*距離)=m入對破壞性干涉而詈，波與波之間之差異需涌足 2波相異的光程差(空氣折射率卒距離)入 公式：optical path(n*d)=m 入 /22/4双光束干涉之数学描述双光束干涉之数学描述：假设2道光做干涉，这两到光的光强度分别为11,12,那么当这两道光产生干涉时便符合上述的公式、其中:11+12为干涉条纹的DC项，根号(1112)为干涉条纹的振幅人小，最后Cos(Delta)为相位项，其中Delta扁就是前而所提到的光程差

8、、干涉仪原理与使用所以当光程差变化时，可以知道干涉条纹也会随着变化2-2如何判断干涉条纹2-2-1干涉条纹种类那么我们如何判断干涉条纹？因为我们不就是随时随地都可以方便的使用干涉仪并藉由计算机来分析，所以我们必须用肉眼 来判断，这也就是最快最方便的方式、干涉条纹的种类有2种:第个就是等厚度干涉条纹，在等厚度干涉条纹中明暗的条纹会呈现等 间隔的情形，而且每个相邻的条纹代表相同的厚度间隔、假设横线为标准而，斜线为个斜率固定的待测而，当光线打过来的时候会产生折射现象，我们 在第个射入点做条与标准而平行的虚线，在待测而会有光a反射回去，在标准面时也会有光 b反射回去从图可以瞧出光线a及b所通过的路径就

9、是不同的,而当光程差恰为波长的整数倍时, 就可以瞧到和同间隔的干涉条纹干涉仪原理与使用第二个就是等倾度干涉条纹，就是由相同角度的光线所形成的干涉条纹，PI这点有个干涉 条纹，它的来源就是由4条实线所造成的，而这4条实线对这个物体农而来说，则就是同个角 度的光所造成的，因为物体为圆形，所以会造成对称的效果、而4条虚线则就是由另个角度的 光所造成的，并进而产生P2点的个干涉条纹、因此由同样角度光线形成的干涉条纹我们就称 为等倾度干涉条纹，不过在实际的应用上，等厚度干涉条纹与等倾度干涉条纹就是可能同时出现 的、干涉仪原理与使用2-2-2-1干涉条纹判断应用实例一干涉条纹判断应用实例：应用:衣面平整性

10、如果我们想从干涉图了解物体农而的平整性好不好，可以在干涉图上画个以中心为准的十字 线，数数瞧从中心点起，在X方向上的条纹数及丫方向上的条纹数虽有几个，这个量在光学工厂中就是最常使用的，当我们耍求师父磨个镜片时，就可以告知我们对衣而 平整性的需求，在X方向与Y方向上的谋差范围容忍度就是多少、干涉仪原理与使用从图上来瞧,X方向上有1个条纹，丫方向上则有3个条纹，也就就是说，这个待测的组件，在X 方向与丫方向上的变化程度不样，这个变化程度就定义为农而平整性Surface irregularity同时 差异量最大的地方我们定义为:POWER,也就就是Y方向的3,而irregularity就是瞧X方向与

11、Y 方向上的差异量，也就就是2,所以从上图的干涉条纹我们可以知道待测物的Power为3、 irregularity为2那到底什么就是POWER,什么就是irregularity ?假设我们瞧的组件就是眼镜的镜片，从侧而瞧，当有光打过来时镜片会聚焦，不同的弯曲量聚焦 的程度就会不样，我们称为放大率，而面的弯曲程度就定义为POWER、而在镜片上的X方 向与丫方向的弯曲程度会可能不同，也就就是说POWER不样，我们就称为Surface irregularity,现在我们已经知道这个干涉图条纹的衣示为3/2,那么这个数字就是代衣多少？她的单位就就是 波长，般的雷射为632、8()波长,3/2的3就是指

12、3个波长,2就是指2个波长，在光学组件的 计算之中通常就是以波长来农示的、2-2-2-2干涉条纹判断应用实例一在前itri提到在干涉仪量测中多用波长作为单位所以我们还要注意到使用的干涉仪波长就是多少假设同镜片，由A厂商使用入二500的干涉仪，判读数据为3/2, B厂商使用入二600的干涉仪，判 读数据也就是3/2,那么使用500A干涉仪的A厂商所判读的数据必定就是较好的，因为波长愈短 的，转换为数据时也会相对较小，所以除了判读干涉图的数据之外，还妥注意干涉所使用的波长 就是否与要求和符才能得到最正确的结果、2-2-2-3干涉条纹判断应用实例一干涉仪原理与使用接下来的例&我们耍瞧的样就是POWE

13、R与irregularity 我们可以从图A来判读POWER与irregularity就是多少？加上十字坐标之后,X方向上有2、5个条纹，丫方向上则有1、5个条纹，所以这个镜片的最人弯 曲量就是2、5, X与丫的差距量就是1,但就是这个干涉图的结果却不就是2、5/1当X方向与Y方向待测面的弯曲方向相irregularity为2者相减,但X方向与Y方向待测面 的弯曲方向不同时,irregularity则为两者相加、当X方向与Y方向待测而的弯曲方向相同时，POWER取最人值，但X方向与Y方向待测而的弯 曲方向不同时,POWER相减、所以从这个图来判读的irregularity为1、5+2、5=4,

14、 X方向与丫方向可以视为同个面，所以 POWER就是2、5-1、5=1, W此，我们必须先知道所量测的就是什么物体，否则所求得的数据 也有可能就是错谋的、干涉仪原理与使用2-2-2干涉条纹判断应用实例一接下来我们来瞧I熊几种常见的干涉条纹：我们要注意的件事就是，在这些图中的干涉条纹都就是由待测物与个标准平血比较所造成 的，旦比较条纹变了，所造成的条纹也会全部改变，而且相对应的状况也会完全不同、左侧Without tilt为：当没有倾斜效应进来的时候，不同的待测而所产生的条纹变化右侧With tilt则就是：当倾斜效应进来的时候，不同的待测面所产生的条纹变化当待测而为为平面时1或就是2, Wit

15、hout tilt会瞧不到条纹当待测而为弯曲而3时,Without tilt会呈现边缘较密，间距不等的同心圆条纹当待测而就是球而4时,Without tilt则会呈现间距较为和等的同心圆条纹假设标准而为平而,3的待测物形状可能为双曲线或椭球，所以厚度变化较为剧烈,4的待测物则 可能为球面或接近球面的形状，所以在做干涉仪量测，想判断干涉条纹的形状时，必须先了解待测物体的形状，或者就是由干涉干涉仪原理与使用条纹的形状，来判断待测物体2-2-2-5干涉条纹判断应用实例二因为干涉条纹会随若参考而的不同而不同，所以当我想知道待测面的形状时，就必须先知道标 准面的形状就是什么？现在我们以同形状的待测物-凸

16、透镜为例当待测物为个球而，而参考血为标准平而时，其干涉条纹可能为同心圆分布，但若参考面 改为标准曲率之球而时，其干涉条纹则可能成为直线分布，发生同待侧面却有不同干涉条纹分 布的原因，在于干涉条纹所瞧到的就是待侧而与参考而之间的差异，因此，如果耍判断哪个干 涉条纹的待测物就是球而，就必须先r解，量测时所参考的参考就是什么？才能正确藉由干涉条干涉仪原理与使用纹判断出待测之面形.第三章:干涉仪种类3- 1 Newton Interferometer干涉仪的种类非常的多，在这里所介绍的就是五种最常见的干涉仪、第1个就是Newton Interferometer牛顿干涉仪左边的 Quasimonochr

17、omatic point source 就是个几近单波长的点光源,Quasimonochromatic 为单波长的意思，point source就是点光源、点光源经过透镜变成平行光后，打到下方椭圆形待测物上，这个待测物可能为透镜之类的物体， 待测物下方的平Ifti Optical flat则就是参考面，通常做为参考而的平整度，也就就是Surface干涉仪原理与使用irregularity,必须要1/10入以上.分母愈人就农示其平整度愈好、3-2 Michelson Interferometer第2个就是麦克森干涉仪Michelson Interferometerx当麦克森干涉仪与牛顿干涉仪做比

18、较时，会发现它并不就是个点光源，光源有些散开，光线在 经过第块镜片之后透过中间的分光镜O,使得部份的光反射到反射镜M2再反射回分光镜 0,而部份的光则穿透补偿片C,到达反射镜M l之后才反射回分光镜0合成同道光，并且 将结果打到D(Detector),因此我们就可以在Detector 瞧到 调圈的条纹，也就就是干涉 图A 了、所以麦克森干涉仪通常用来量测距离的变化当我们要量测距离时，只要先量测出原来 的干涉条纹A之后，再将反射镜M2往后移，量测出干涉条纹B,然后就可以从条纹AB的变化干涉仪原理与使用算出距离了、3-3 Fizeau Interferometer ()第3个就是斐洛干涉仪Fize

19、au Interferometer就是目前般最常见的干涉仪，也就是架构最简单，量测最方便的种、左上力的laser becm 雷射光源，雷射光源就是非常好的单波长光源，经过中间的几道程序之后，在经过Reference flat参考面时，部份光被反对，部份光则穿透至flat under fest待测面上后再反射回去，因此我们 瞧到的结果就是参考而与待测而的差异，当参考而不同时，所测出的待测面条纹也会不同、这种 干涉仪的缺点就是：容易受风向、震动、与空气变化等的外力影响，必须放在密闭室内的防震桌 上.才能清楚睡到干涉条纹，所以又称为非共路径干涉仪、干涉仪原理与使用3-3 Fizeau Interfe

20、rometer （二）Fizeau Interferometer这2种就是由2家有名的仪器公司制造的斐洛干涉仪左图就是ZYGO公司所制造的斐洛干涉仪, 而右图则就是VEECO公司的斐洛干涉仪，般光学公司在采购较好的干涉仪设备时，通常就是 以这2家公司的仪器为采购标准、3-4 Mach-Zehnder Interferometer第4个就是Mach-Zehnder干涉仪左下方的光源Extended source,为与麦克森干涉仪相似的扩展光源，光源经过第个 Beam-splitter之后分为二道,各别经过片Mirror反射镜，再经过第二个Beam-splitter合成- 道光之后，将结果打到De

21、tector上、因为中间分为二道光源的关系，在空间及距离上可以做较人 的调整，所以比较适合量测体积人或穿透性人的物体，例如：我们可以用来量测人面积的玻璃、 将待测物放在路径上的第个Beam-splitter与Mirror反射镜之间，我们就可以瞧到路径A、路 径B与待测物之间的差异、这也就是个非共路径干涉仪，它的缺点就是：容易受空气变化等的干涉仪原理与使用外力影响，优点就是：可以量测体积或血积较人的物体、3-6 Twyman-Green Interferometer第5个就是Twyman-Green干涉仪Twyman-Green干涉仪与麦克森干涉仪很相似、当道光源进来，经过BEAM EXPAND

22、ER将 光源变得比较人束后，经由中间的BEAMSPLITTER分为二道光，反射回来之后再回到侦测器, 上每种干涉仪都有各自不同的应用范围.方向与限制.干涉仪原理与使用第四章:实际检测方法4-1可应用范围干涉仪可以应用的范围:1、就是农而的形状2、就是曲率测试3、就是农而平整度或衣粗糙度 4、可以量测玻璃二侧的而就是否够平整5、角度测试，有些光学组件就是有角度的，可藉此量 测其准度6、应力测试，例如眼镜或相机镜头，当必须以其它对象夹住玻璃时，可以测试该玻璃 的变形量、4- 2干涉仪应用于液晶投影机组件检验那么干涉仪到底应用在那些液晶投影机组件的检验：例如：X-cube就是液晶投影机中把RGB三个

23、色光合在起的重耍组件，我们有几种检测它的方 式：第1就是量测农面平整性：我们使用的就是WYKO 6000的斐洛干涉仪，仪器的前面标准参考面，光源由参考面打到待测物 的第个而时会反射，我们瞧到的就是它的差异度，也因此可以量测出待测面的衣血平整度、并 由计算机直接判读出正确的数据结果、如果我们拿张不透光的白纸遮住其中边的光，那么彼 遮住的部份就不会再有光从下方出现，而只显示出部份的反射条纹、干涉仪原理与使用第2就是量测内反射面的平整度:光源由参考而打到待测物的第个而时会反射，但就是也可以打进待测物里面，经由反射的过程 再反射回参考而，也就就是就，使用同个架构可以量测到物体的二而，那么要知道我们量测

24、的 到底就是哪个而？如果我们拿张不透光的白纸遮住其中边的光，那么被遮住的部份就不 会再有光从下方出现，但会显示出没被遮住的部份反射条纹，那么所测得的就就是衣而平整度、 而内反射的光源就是由上方打入待测物中，再经由反射从下方出来，所以如果我们拿张不透 光的白纸遮住上方的光，那么就不会再有光从下方出现，这样就能得知目前所虽测的就是内反 射面平整度了、干涉仪原理与使用第3就是量测内反射面的角度误差: 这就是X-cube的侧血图，理论上都会尽量要求达到接近90度，所以我们也可以用干涉仪来量测 内反射闻的角度谋差第4量测穿透波面的平整度：光在投影机中必须就是穿透的，如果X-cube有些瑕疵的话，显示出来

25、的影像就会不漂亮，所 以就必须量测其穿透波的平整度、当光源从上方打出来，透过待测物打到标准反射镜片时，再反射回去，如果待测物的放置位置就 是平整的，那么每道光都会循原来的途径反射回去，可能会分不淸楚到底就是哪个面所产 生的干涉条纹、这时可以调整待测物平台的倾斜度，使部份光不会进到干涉仪中，那么就可以 很清楚的瞧到干涉条纹了、干涉仪原理与使用Aperture:In television optics, it is the effective diameter of the lens that controls the amount of light reaching the photocondu

26、ctive or photo emitting image pickup sensorANSI Lumens:ANSI stands for American National Standards Institute It is a standard for measuring light output、 Different lamps play a role on light output、 Halogen lamps appear dimmer than干涉仪原理与使用another metal-halide, even if the two units have the same ANS

27、I lumen rating、 Type of LCD technology (active matrix TFT, Poly-Si, passive), type of overall tech no logy (LCD vs、DLP vs、 CRT), contrast ratios, among other factors can also affect the end result、ASAP原名为 Advanced System Analysis Program,为美国 BRO (Breault Research Organization) 公司研发的一套专业光学仿真软件，它可以帮助使

28、用者仿真真实之光学系统，以达到最实际之光学分析结果Dichroic:A mirror or lens that reflects or refracts selective wavelengths of light、 Typically used in projector light engines to separate the lamps “white” light into red, green, and blue lightDigital Light Processing (DLP):The commercial n ame for this tech no logy from Tex

29、as Instruments (Tl):F-number (f/#)f/# is the ratio of the effictive focal length of an optical system to its clear aperture、 For example, a 50mm effictive focal length lens system with a clear aperture of 25mm is f/2、Focal Length (FL)Regarding optical elements and systems: effective focal length (EFL) - Distance from the principle plane to the focal point; front focal leng什(FFL) - Distance from the vertex of the first lens to the front (left) focal point; back focal length (BFL)- Di