3.3 双焦干涉仪

3.3.1 双焦干涉仪基本原理

1．双焦透镜分束器

双焦透镜分束器是一种对称的双折射三合透镜，如图3-11所示，它由一个位于中间的方解石双凹透镜和两个玻璃的双凸透镜组成。方解石的光轴位于透镜平面内，入射的平行光束经双焦透镜后被分成寻常光o及非寻常光e。双焦透镜分束器设计成对寻常光的光焦度为零，因此o光经透镜后其方向保持不变，仍为平行光束；而e光经双焦透镜后将被聚焦在有限远的光轴上(即e光焦距有限远)，一般焦距常在几个厘米以内。实用上可把这两束光均投射到被测工件表面，且使其中一束为参考光，另一束为测量光。

2．双焦透镜球面干涉仪

图3-12为测量凹球面的双焦干涉仪。作为分束器的双焦透镜，其中心与凹面镜的曲率中心重合。在双焦透镜L1的右侧放置透镜L2，其焦点F1在凹面镜的镜面上。在L1、L2之间还放一块四分之一波片，其光轴与方解石透镜的光轴成45°。

平行光束经偏振器后，偏振光束自左方射入双焦透镜分束器，该分束器把入射光分成寻常光和非寻常光。根据双焦透镜的特性，o光不被偏折而被透镜L2聚焦在F1，该光束由被测表面反射后，不受表面面形信息的影响，因此可作为参考光束。由表面反射的o光又被透镜L2准直，并且两次经过1/4波片，其振动方向转过90°，因此被双焦透镜折射至F＇。非寻常光线被L1、L2折射后，会聚于组合焦点F2上，并被发散至被测凹面的全孔径。由于光路的对称性，这支光束经凹面镜反射后被聚焦于F＇。该光束由于载有被测表面的面形信息，因此可作为测量光束。同散射板干涉仪一样，双焦干涉仪直观地给出表面面形的信息，但它比散射板优越之处是没有有害的散斑背景及中心热斑。

眼睛位于F＇处将看到一个均匀的光斑和一个照亮的球面镜的孔径。光斑大小由透镜L1的孔径角确定，这两个场将产生干涉。当然，后续需要一个检偏器使o光和e光的振动彼此平行。在无像差时，合成场的光强将是均匀的。如果稍微横向移动双焦透镜，使它的中心不再与球面镜的曲率中心重合，视场中将有直条纹穿过。当双焦透镜轴向移动时，将观察到圆形条纹。当球面镜有像差时，这些条纹就发生变形。

当垂轴横移双焦透镜，使其中心与被测凹面的曲率中心有小量横移，则干涉场上将出现直条纹，当双焦透镜轴向平移时，将观察到圆条纹。当凹面镜有面形误差，这些条纹就发生变形，根据条纹的变形情况就可评估凹面镜的面形误差。也可以用CCD相机来接收条纹，并把它转换成光电信号，再通过计算机来定量地求得面形误差。

双焦干涉仪可用于自动消像散系统，即从特定平面上的一点发散的光重新聚焦至同一平面上一点形成倒像的系统。非自动消像散系统可通过添加一个或多个辅助零件而变为自动消像散系统。例如，为了检验透镜，利用图3-13的方案。在图3-13(a)中，透镜在无限远的共轭距下检验，在图3-13(b)中，透镜在有限远的共轭距检验。被测透镜焦点F与双焦透镜的中心重合。

3.3.2 双焦干涉轮廓仪

1．双焦干涉轮廓仪基本光路

图3-14是用于检验超光滑表面粗糙度的双焦干涉仪。如图3-14所示，激光器发出的线偏光经过扩束准直和λ/2波片后，透过分束镜BS1进入双焦透镜L1后，非寻常光会聚在有限远，寻常光方向与入射光方向相同，仍为平行光。显微物镜L2的前焦点与非寻常光的焦点重合，这样经显微物镜后非寻常光被准直成细的平行光束投射到被测表面。寻常光被很好地聚焦在被测表面，由于被测表面有表面粗糙度而呈现表面微观的凹凸不平(微观表面轮廓)。当被测表面被安置在一扫描工作台上并沿着与光轴垂直的方向扫描时，会聚于表面的寻常光将随表面的各点高度的变化而发生光程的变化，因此可作为测量光束。被准直成细平行光束的非寻常光，它照明着被测表面的一定面积，只要该面积的直径远大于表面微观高度变化的空间间隔，则在扫描过程中，其平均光程将保持不变，因此可以作为参考光束。当这两束光同时由被测表面反射，并经双焦透镜及检偏器后形成干涉，图3-15为双焦轮廓仪实物图及其对超光滑玻璃表面的检测结果。由于这种干涉形式对外界扰动能很好地进行相互共模抑制，因此也称之为共模抑制双焦干涉仪。

2．共模抑制技术

干涉信号处理的共模抑制指的是一种能有效消除光、电系统噪声 (包括测试过程中的激光幅值波动、多模运行噪声及电路噪声)。

如图3-16所示，两束光经被测表面反射后沿原路返回，并再次进入分束器BS1，两者的复振幅可表示为

式中：A、B分别为o 光和e 光的振幅，φo、φe分别为两者相位变化，φ为初始相位。两者的相位差可表示为

这两束光合成椭圆偏振光，经BS1反射后被BS2分为两路，分别通过检偏器P1和P2, P1和P2 正交放置，且与原参考光和检测光偏振方向成± 45°，则通过P1 和P2 的干涉光强分别为

通过调整λ/2波片可使A=B，则式(3-30)变为

其中I=A2。此两路信号经光电转换后波形如图3-17所示，将两者分别差分、求和可得

从而可得

若系统存在激光幅值噪声或波动ΔI，则式(3-31)需改写为

同样，两者差分、求和可得

相位差余弦仍然可表示为

可见用式(3-36)来求被检测表面相位变化时，系统存在的激光幅值噪声或幅值波动被有效地共模抑制了，实际上这样处理的结果，电路上的电子噪声也将被有效地抑制。信号经放大后可用式(3-37)表示：

此时有

若被测表面比较光滑，表面各点的相位差变化很小，则可取两信号的等幅值点O (见图3-17)作为测定的起点，取光电信号的线性范围作为其测量范围。此时有

由于Δφ很小，因此

则被测表面各点高度变化为

这种条纹信号处理技术就是电子共模抑制技术，和共路干涉仪的干涉共模抑制技术有机结合，是消除光电噪声的有效手段。