3.3 雙焦干涉儀

3.3.1 雙焦干涉儀基本原理

1．雙焦透鏡分束器

雙焦透鏡分束器是一種對稱的雙折射三合透鏡，如圖3-11所示，它由一個位于中間的方解石雙凹透鏡和兩個玻璃的雙凸透鏡組成。方解石的光軸位于透鏡平面內，入射的平行光束經雙焦透鏡后被分成尋常光o及非尋常光e。雙焦透鏡分束器設計成對尋常光的光焦度為零，因此o光經透鏡后其方向保持不變，仍為平行光束；而e光經雙焦透鏡后將被聚焦在有限遠的光軸上(即e光焦距有限遠)，一般焦距常在幾個厘米以內。實用上可把這兩束光均投射到被測工件表面，且使其中一束為參考光，另一束為測量光。

2．雙焦透鏡球面干涉儀

圖3-12為測量凹球面的雙焦干涉儀。作為分束器的雙焦透鏡，其中心與凹面鏡的曲率中心重合。在雙焦透鏡L1的右側放置透鏡L2，其焦點F1在凹面鏡的鏡面上。在L1、L2之間還放一塊四分之一波片，其光軸與方解石透鏡的光軸成45°。

平行光束經偏振器后，偏振光束自左方射入雙焦透鏡分束器，該分束器把入射光分成尋常光和非尋常光。根據雙焦透鏡的特性，o光不被偏折而被透鏡L2聚焦在F1，該光束由被測表面反射后，不受表面面形信息的影響，因此可作為參考光束。由表面反射的o光又被透鏡L2準直，并且兩次經過1/4波片，其振動方向轉過90°，因此被雙焦透鏡折射至F＇。非尋常光線被L1、L2折射后，會聚于組合焦點F2上，并被發散至被測凹面的全孔徑。由于光路的對稱性，這支光束經凹面鏡反射后被聚焦于F＇。該光束由于載有被測表面的面形信息，因此可作為測量光束。同散射板干涉儀一樣，雙焦干涉儀直觀地給出表面面形的信息，但它比散射板優越之處是沒有有害的散斑背景及中心熱斑。

眼睛位于F＇處將看到一個均勻的光斑和一個照亮的球面鏡的孔徑。光斑大小由透鏡L1的孔徑角確定，這兩個場將產生干涉。當然，后續需要一個檢偏器使o光和e光的振動彼此平行。在無像差時，合成場的光強將是均勻的。如果稍微橫向移動雙焦透鏡，使它的中心不再與球面鏡的曲率中心重合，視場中將有直條紋穿過。當雙焦透鏡軸向移動時，將觀察到圓形條紋。當球面鏡有像差時，這些條紋就發生變形。

當垂軸橫移雙焦透鏡，使其中心與被測凹面的曲率中心有小量橫移，則干涉場上將出現直條紋，當雙焦透鏡軸向平移時，將觀察到圓條紋。當凹面鏡有面形誤差，這些條紋就發生變形，根據條紋的變形情況就可評估凹面鏡的面形誤差。也可以用CCD相機來接收條紋，并把它轉換成光電信號，再通過計算機來定量地求得面形誤差。

雙焦干涉儀可用于自動消像散系統，即從特定平面上的一點發散的光重新聚焦至同一平面上一點形成倒像的系統。非自動消像散系統可通過添加一個或多個輔助零件而變為自動消像散系統。例如，為了檢驗透鏡，利用圖3-13的方案。在圖3-13(a)中，透鏡在無限遠的共軛距下檢驗，在圖3-13(b)中，透鏡在有限遠的共軛距檢驗。被測透鏡焦點F與雙焦透鏡的中心重合。

3.3.2 雙焦干涉輪廓儀

1．雙焦干涉輪廓儀基本光路

圖3-14是用于檢驗超光滑表面粗糙度的雙焦干涉儀。如圖3-14所示，激光器發出的線偏光經過擴束準直和λ/2波片后，透過分束鏡BS1進入雙焦透鏡L1后，非尋常光會聚在有限遠，尋常光方向與入射光方向相同，仍為平行光。顯微物鏡L2的前焦點與非尋常光的焦點重合，這樣經顯微物鏡后非尋常光被準直成細的平行光束投射到被測表面。尋常光被很好地聚焦在被測表面，由于被測表面有表面粗糙度而呈現表面微觀的凹凸不平(微觀表面輪廓)。當被測表面被安置在一掃描工作臺上并沿著與光軸垂直的方向掃描時，會聚于表面的尋常光將隨表面的各點高度的變化而發生光程的變化，因此可作為測量光束。被準直成細平行光束的非尋常光，它照明著被測表面的一定面積，只要該面積的直徑遠大于表面微觀高度變化的空間間隔，則在掃描過程中，其平均光程將保持不變，因此可以作為參考光束。當這兩束光同時由被測表面反射，并經雙焦透鏡及檢偏器后形成干涉，圖3-15為雙焦輪廓儀實物圖及其對超光滑玻璃表面的檢測結果。由于這種干涉形式對外界擾動能很好地進行相互共模抑制，因此也稱之為共模抑制雙焦干涉儀。

2．共模抑制技術

干涉信號處理的共模抑制指的是一種能有效消除光、電系統噪聲 (包括測試過程中的激光幅值波動、多模運行噪聲及電路噪聲)。

如圖3-16所示，兩束光經被測表面反射后沿原路返回，并再次進入分束器BS1，兩者的復振幅可表示為

式中：A、B分別為o 光和e 光的振幅，φo、φe分別為兩者相位變化，φ為初始相位。兩者的相位差可表示為

這兩束光合成橢圓偏振光，經BS1反射后被BS2分為兩路，分別通過檢偏器P1和P2, P1和P2 正交放置，且與原參考光和檢測光偏振方向成± 45°，則通過P1 和P2 的干涉光強分別為

通過調整λ/2波片可使A=B，則式(3-30)變為

其中I=A2。此兩路信號經光電轉換后波形如圖3-17所示，將兩者分別差分、求和可得

從而可得

若系統存在激光幅值噪聲或波動ΔI，則式(3-31)需改寫為

同樣，兩者差分、求和可得

相位差余弦仍然可表示為

可見用式(3-36)來求被檢測表面相位變化時，系統存在的激光幅值噪聲或幅值波動被有效地共模抑制了，實際上這樣處理的結果，電路上的電子噪聲也將被有效地抑制。信號經放大后可用式(3-37)表示：

此時有

若被測表面比較光滑，表面各點的相位差變化很小，則可取兩信號的等幅值點O (見圖3-17)作為測定的起點，取光電信號的線性范圍作為其測量范圍。此時有

由于Δφ很小，因此

則被測表面各點高度變化為

這種條紋信號處理技術就是電子共模抑制技術，和共路干涉儀的干涉共模抑制技術有機結合，是消除光電噪聲的有效手段。