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干涉仪

泰曼—格林干涉仪

时间:2024/2/27 23:31:09   作者:郑士利   来源:正势利   阅读:117   评论:0
内容摘要:1916年,泰曼和格林(TwymanandGreen)发明了一种用于检验光学零件的干涉仪,该干涉仪是由迈克耳逊干涉仪结构演变而来,采用单色点光源代替了迈克耳逊干涉仪的扩展光源并取消了迈克耳逊干涉仪的补偿板,泰曼—格林(Twyman-Green)干涉仪由此得名。1.泰曼—格林干涉仪基本原理图23:泰曼—格林干涉仪光路图2...

    1916年,泰曼和格林(Twyman andGreen)发明了一种用于检验光学零件的干涉仪,该干涉仪是由迈克耳逊干涉仪结构演变而来,采用单色点光源代替了迈克耳逊干涉仪的扩展光源并取消了迈克耳逊干涉仪的补偿板,泰曼—格林(Twyman-Green)干涉仪由此得名。

1.  泰曼—格林干涉仪基本原理

泰曼—格林干涉仪

图23:泰曼—格林干涉仪光路

    图23所示为泰曼—格林干涉仪的基本光路形式之一。准单色点光源的出射光经透镜L1准直后形成平行光束,经过分束镜G分束后,反射光经反射镜M1反射,透射光经反射镜M2反射,两束光在分束镜G处相遇发生干涉,干涉图经成像透镜L2成像至探测器或人眼观察处。这种干涉条纹属于等厚干涉条纹,意味着同一条纹处在波面等高的地方。条纹密集的地方波面弯曲大,而条纹稀疏的地方波面弯曲小。相邻条纹的过渡意味着波面对应处的高差为一个波长。检测零件时可将被测件放入两支光路的其中一支,将该路作为检测路,另一路作为参考路。移动M1镜或者外倾M2镜,观察条纹移动方向来确定表面缺陷的弯曲方向,从而精修零件表面。

    在泰曼—格林干涉仪中,实际分束镜仍然具有一定厚度,但与迈克耳逊干涉仪不同的是,由于采用单色点光源代替了扩展光源,经透镜L1准直后形成平行光束,因此多次经过分束镜的光束并不会产生附加光程差,因而并不需要补偿板。当然,这种情况仅限于光源的大小(空间相干性)和单色性(时间相干性)满足系统结构尺寸所决定的最低要求,才能获得对比度较好的干涉条纹。

泰曼—格林干涉仪

图24:分束镜部分放大光路

    虽然在光源的空间相干性和时间相干性均满足要求的情况下不需要补偿板,但是分束镜的多次反射的光线仍然可能会影响干涉条纹的对比度。如图24所示的分束镜部分的放大光路图中,光束入射至分束镜A面,穿过分束镜并被反射镜M2反射,经由分束器B面反射的光线记为光线1,穿过B面由A面反射的光线记为光线2;同样,入射至分束镜A面被反射,再由参考镜M1反射并穿过分束镜的光线记为光线3,入射光穿过A面被B 面反射至参考镜M1,再被反射回分束镜的光线记为光线4。射光穿过A面被B 面反射至参考镜M1,再被反射回分束镜的光线记为光线4。很明显,光线2、4分别经过分束镜3次,而光线1、3分别经过分束镜1次,因此光线1、4之间的光程差与光线2、3之间的光程差相等,将产生两组干涉条纹,极大破坏了条纹对比度。因此,通常在分束镜A面镀一层膜,使其反射率R为45%~50%,透过率T为15%~20%,吸收率ρ≈30%,在B面镀一层增透膜,从而使得光束2、3的强度远大于光线1、4,大大减少了有害光束的影响。此外,也可以将分束镜设计成有一定的楔角,使非成像光线偏离成像区域。

    可知一个有像差的波前在其传播过程中是不断变化的,因而一个光学系统的误差只能是以其光瞳处的波面变形来描述。也就是说在泰曼—格林干涉仪中一个有缺陷的被测光学元件T返回的波前在其传播过程中的干涉图也是不断变化的,只有在干涉仪的光瞳处获得的干涉图方可描述被测波前误差。因此必须满足两个条件:①干涉仪光瞳面上干涉图必须能够表征该处的波前变形;②探测器接收面需位于系统出瞳处。

    迈克耳逊当时曾认为这种干涉仪不能用于检测大口径光学零件,然而随着科学技术的发展,激光的出现为所有干涉仪带来了福音。激光的高相干性使得大部分干涉仪无须再考虑光源的相干长度。利用激光作为光源的泰曼—格林干涉仪也被广泛应用于各种光学元件的检测中。

2.  泰曼—格林干涉仪应用

    泰曼—格林干涉仪被广泛用于检验光学元件质量,其中最简单的应用是检验平行玻璃板。

泰曼—格林干涉仪

图25:泰曼—格林干涉仪检测臂光路

    除玻璃平板外,泰曼—格林干涉仪还被用于检测棱镜、透镜和球面镜等光学元件。图25 (a)所示为泰曼—格林干涉仪检测棱镜的检测臂光路。图25(b)为典型的检测透镜的检测光路,其中可在三个位置处设置不同反射镜用以检测透镜。

泰曼—格林干涉仪

图26:激光泰曼—格林干涉仪检测凸球面原理图

    图26给出了一种经典的相移式激光泰曼—格林干涉仪检测凸球面光路。

图26中检测路利用一透镜组光学系统(组合消球差镜)产生球面波以匹配被测球面轮廓。参考路与检测路波前被截止于毛玻璃处,形成干涉图。成像系统将毛玻璃处干涉图成像于CCD。通常静止的毛玻璃会使干涉图中出现散斑,因此,一般采用快速旋转毛玻璃在探测器的积分时间内平均散斑影响。参考路反射镜装载于一压电陶瓷装置(PZT)上,以PZT提供参考路微位移实现干涉图移相,用来解调被测波前相位。


标签:格林 干涉 

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