白光干涉测量法用白光作为光源,白光光源是各波长单色光的叠加,为连续光谱。光源光谱中不同的波长之间互不相干,不同波长的条纹叠加成了白光条纹。图6.12(a)为用黑白CCD 拍摄到的轴向扫描几个位置处(不同光程差)获得的球面被测物的白光干涉图。图6.12(b)所示为在3 个不同波长下,某一固定点在不同轴向位置处的光强分布曲线,即干涉光强与光程差的关系曲线。因为光源每一波长对应条纹的间距是不同的,仅有一个位置包含了所有波长对应条纹的最大值,即光程差为0 的位置(等光程位置)。图6.12(c)为图(b)中所有波长条纹的强度叠加结果。光强峰值称为零级条纹,在其两边相邻的条纹则依次为+1 级、-1 级条纹及+2 级、-2 级条纹。
从图6.12(c)可以看出,一方面,随着光程差及干涉条纹级数的增加,干涉条纹中亮纹的强度将逐渐降低,直至干涉条纹消失;另一方面,与单色光干涉不同,白光干涉条纹的对比度随光程差的增大而降低,只有等光程位置时,条纹对比度变化剧烈并且呈现非周期性变化。该特征很容易与其他级条纹相区别,利用这一特征可以实现等光程位置的测量。因此,定位等光程位置是进行白光扫描干涉测量的关键。
图6.12 白光干涉条纹及光强变化曲线(www.xing528.com)
(a)不同轴向位置处的白光干涉条纹;(b)3 个不同波长的光强-轴向位置分布轴线;(c)白光光强-轴向位置分布曲线
白光光源的带宽越宽,时间相干性越差,由它产生的两束光波之间的相干光程就越短,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。采用白光干涉技术测量表面时,其干涉图样很难获得。但是条纹条数少,对比度下降快,对等光程位置的判断确非常有利,因此,其大量应用于干涉式光学轮廓仪中。
由于等光程位置附近光强呈现非周期性,它有效地消除了2π 不定性,因此可实现较大高度范围的测量,从而克服了窄带光源干涉轮廓测量范围小的不足。对于非连续表面,尤其是阶梯状表面来说,基于窄带干涉的测量仪器根本无法分辨条纹的整数级次,而白光干涉的测量仪则不受表面高度突变的影响,因此白光干涉已广泛应用于表面三维微观形貌测量中。
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