4D动态激光干涉仪的原理

　　4D动态激光干涉仪的原理

 

　　激光干涉仪，以激光波长为已知长度，利用迈克耳逊干涉系统测量位移的通用长度测量。

 

　　激光具有高强度、高度方向性、空间同调性、窄带宽和高度单色性等优点。目前常用来测量长度的干涉仪，主要是以迈克尔逊干涉仪为主，并以稳频氦氖激光为光源，构成一个具有干涉作用的测量系统。激光干涉仪可配合各种折射镜、反射镜等来作线性位置、速度、角度、真平度、真直度、平行度和垂直度等测量工作，并可作为精密工具机或测量仪器的校正工作。

 

　　相移干涉技术的原理：

 

　　两束光发生干涉，其干涉场为：

 

　　其中为参考光与样品光之间光程差，当假定参考平面为理想表面时，则通过求便可计算出样品表面起伏。

 

　　为求，引入人为可控量将上式改写为:

 

　　人为改变干涉图的相位可控量，将参考表面由相位处连续移动相位得到以下四组公式：

 

　　然而，传统相移干涉仪使用PZT(压电陶瓷)在时间顺序上改变，这种时间域的相移干涉仪存在一个不可忽视的问题：完成计算所需的每一幅光强图在不同时间获得。通常CCD帧频为30帧/s，而为计算一般需要5到13帧干涉图，则总测量时间约为200至400ms。这就引入了一系列的误差。如在相移测量过程中由环境引起的光路中的任何变化（振动，空气扰动等）都会引起测量误差。

 

　　为解决这一问题需要在同一时间获得完成计算所需的所有相位图，这正是4D动态干涉仪所采用的技术方案（4D通过CCD的单次曝光而获得计算所需的所有相位图）。

 

　　•4D动态干涉仪原理

 

　　4D动态干涉仪采用偏振光干涉原理，将传统相移干涉仪的时间域相移转换为空间域相移，并采用其独创的相位相关的CCD技术，使得一个CCD帧频内就可实现全分辨的测量。

 

　　光源发出的激光经过PBS后分成偏振态不同的两束光,其中S偏振光射向样品表面,P偏振光射向参考镜.样品光和参考光被各自表面反射重新相会后,由于偏振方向不同并不能发生干涉.这样合在一起的光经过光学系统成像,透过一块掩模板进入CCD.

 

　　掩模板（定向微偏振片阵列）的单元结构与CCD的像元一一对应相关.上述合在一起的不同偏振态的光透过掩模板的每个单元后会发生干涉,并且在不同像元位置发生干涉的相位是不同的.这样,任意一组相邻的4个像元都发生了具有固定相位差的干涉.对每一组像元进行相移干涉计算,就可以获得整个样品表面的形貌数据.由于像元的位相是周期变化的，则在计算时可以重复利用相邻像元，从而实现全分辨的测量。