现代光学干涉技术

• 干涉体系特点 ： 普通光学仪器是物像关系，在于成象质量的优劣。 干涉仪是以条纹作为量测标准，因此是瞳，窗关系。 光学成象仪器： L入瞳——1个、 L 出瞳——1个（孔栏及象方的象） P入窗——1个、 P 出窗——1个（视栏及物方的象） 干涉系统： L入瞳——1个、 L1、L2出瞳——2个或多个（多光束成象） P1 、P2入窗——2个或多个（特殊情况下两者可能重合， 扬氏干涉，双缝是出瞳及入窗） P出窗——1个
1952年，英国工程师Charles Oatley制造出了第一台扫描电 子显微镜（SEM），可观察三维形貌。电子显微镜是20世纪最 重要的发明之一。
扫描电子显微镜（SEM） 扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope）SEM 是研究材料、生物、微结构的重要设备。
分 辨 率：3.5 nm 最大放大倍数： 18~300,000 × 最大加速电压：30 kV 样品台尺寸：φ152.4 mm
七、信号的数字处理模式(软件处理流程)； 1、 干涉系统压电扫描的非线性误差及校正 2、正交化方法在数字波前拟合中的应用
其它 1、每个学生应完成一次文献综述或阅读报告； 2、参加现场教学一次；
一、绪论： 1、干涉体系的应用及特点； • 干涉仪和激光干涉仪。 干涉仪：利用光的干涉原理对各种参数进行精密测量的仪器。 用普通光源：迈氏干涉仪、干涉显微镜、乌氏干涉仪。 激光干涉仪：激光器件与技术与干涉仪相结合的仪器。 数字波面干涉仪：双频激光测长仪、激光测振、用激光光源。 学习该门课牵涉到多门课程。几何光学、物光、电子学、计 算机、数字信号处理。 干涉系统的基本组成：光源及照明系统——干涉体系——观 察系统或光电接收系统——信号处理系统 • 干涉体系的应用及特点 。 具有广泛的应用范围 根据光强变化测量， 直接量：n , l 2 I I I 2 I I cos (n1L1 n2 L2 ) 1 2 1 2 间接量： 几何量：角度、面形（平面度、平直度）、粗糙度。
2.1 表面(微)纳米量级特征参数 2.1.1 表面形貌与波度 2.1.2 表面粗糙度与微观轮廓 2.1.3 物质纳米结构的辨识 2.2 纳米光电测试与横向分辨率之关联 2.3 相干测试技术与纵向分辨率之关联
2.1 表面(微)纳米量级特征参数 2.1.1 表面形貌与波度 面形:
D视场
D大于10mm或以上的 口径; 波度: 两者之间是按相邻的 两波峰或波谷的距离 (波距)来划分的。通常， 波度的波距在lmm到 10mm之间。
三维微观轮廓
• X射线元件、激光器的反射镜窗片、表面粗糙度三维轮廓 同步辐射光学元件、激光陀螺元件 表面纳米结构 等都要求很高的表面质量。
• 表面形貌测量在和纳米技术、生 物技术等学科领域上互相渗透，后 者的发展为前者带来了新的技术手 段和新的工作领域。
精密表面粗糙度二维轮廓
横向分辨率
纵向分辨率
横向分辨率— 系统所能感受到的最小的横向宽度（最小峰谷的宽度） 纵向分辨率— 系统所能感受到的最小的纵向深度（最小峰谷的深度）
1665年，英国科学家罗伯特· 胡克 用他的显微镜观察 “细胞”。
使用可见光作为光源的显微镜，它的分辨率极限是0.2微米。任 何小于0.2微米的结构都没法识别出来。提高显微镜分辨率的途径 之一就是设法减小光的波长，或者，用电子束来代替光。
根据德布罗意的物质波理论，运动的电子具有波动性，而 且速度越快，它的“波长”就越短。如果能把电子的速度加到 足够高，并且汇聚它，就有可能用来放大物体。由于电子的速 度可以加到很高，电子显微镜的分辨率可以达到纳米级。 （ 109 m）。 1938年，德国工程师Ernst Ruska制造出了世界上第一台电子 显微镜。
五、现代干涉光电信号处理技术 1、谐振增强的振动模型及其在纳米测试中的应用 2、微弱信号检测的锁相技术 3、AFM的谐振增强测试系统应用 六、干涉系统应用中的精密扫描与定位系统 1、 压电效应及非线性、迟滞效应； 2、 一维压电扫描系统； 3、 蠕动、冲击式压电直线电机； 4、 多维扫描柔性铰链压电系统；
激光核聚变中的波前在线诊断系统
输出诊断
前端-预放级
自适应光学系统 输入诊断
径向剪切干涉系统
核聚变总体装置
核聚变靶室
傅立叶光学信息处理重构原始波面的流程
仿真的畸变波前 圆瞳的畸变波前 加海明窗后的干涉图
干干干
9 8 7 6 5 4 3 2 1
x 10
6
傅氏变换后频谱 X干干干干干
0 -300
-200
物理量：振动、速度、加速度、力、光学传递函数、膜层厚度、应 变。 激光平面干涉仪：检定平面度及局部误差，菲佐型双光束干涉， 利用目视及照相检测。
数字波面干涉仪：测面形及曲条半经。可达精度：平面—— λ/100、 球面——λ/20。 光机电高度综合仪器，计算机存储信息，消除系统误差。
干涉显微镜：测表面光洁度，膜层厚度。 振动测试的激光测振仪：应用激光干涉测量振动振幅，主要是 基于振动物体位移引起光波位相调制。 瑞利干涉仪：利用二个气室，求出折射率之差。精度可达10-8。
扫描探针显微镜
显微镜横向分辨率提高历史的示意图
2.3 相干测试技术与纵向分辨率之关联 近十几年来高科技领域已达到微纳尺度，对测量技术提出了更高 的要求，迫切需要开拓新的手段。 扫描隧道显微镜、原子力显微镜研制成功，测量探针与被测器件 之间的原子力来测量微小尺寸。 这些系统都需要达到纳米甚至亚纳米级的纵向分辨力。为了准确 测出这些纳米尺度测量显微镜的精度，还必须溯源到光的波长上， 因此迫切需要精度达到纳米和亚纳米级的干涉仪来实现纳米尺度的 测量和标定。 横向分辨率高不等于纵向分辨率高，必须应用不同的探测手段 实现。
程系浙 所光大 学光 工电
研究生课程
课程内容简介
一、绪论： 1、干涉体系的应用及特点； 2、干涉测试系统中的横向、纵向分辨率及其关联； 3、干涉体系设计及瞳窗理论； 二、新颖干涉传感器 1. 干涉系统的空间和时间相干性； 2. 菲索干涉微位移传感系统； 3. 偏振分光器件及其干涉微位移传感器； 4. 双焦干涉微位移传感器； 5. 点衍射干涉微位移传感技术； 6. 剪切干涉系统； 7. 米勒系统；
三、精密长度及振动测量体系设计 1、激光干涉测长系统的工作原理； 2、激光光源的模式选择； 3、干涉体系的四倍频及移相； 4、激光测振及纳米测试技术中的谐振增强技术；
四、干涉微位移检测传感器的信号噪声及抑制技术： 1、微弱信号检测中的噪声； 2、电子共模抑制技术； 3、光外差干涉方法； 4、条纹扫描数字干涉系统； 5、空间位相调制技术；
分辨率：人眼或仪器 能分辨物体的最小间距（角分辨）。 人眼分辨率：在明视距离内只拥有1分的分辨率或0.1mm。 显微镜：最高1600倍放大率，实际上有象差，受衍射极限影响.

分划板
D
0.61 1.22 L n NA nD
1 D 2 L
NA
纵向
5500 A
横向
L
= 0.3m 所以，传统光学显微镜分辨率极限是 2
-100
0
100
200
300
重构后波前
消跳变
18 16 14 12 10 8 6 4 2
x 10
5
滤波移频后频谱
干干干干干X干干干干
0 -300
-200
-100
0
100
200
300
图3-30移频后的 方向的频谱图。
具有高的精度及灵敏度。 灵敏度（分辨率）仪器能感受到的最小变化量。 普通干涉仪目视：一般，在良好的实验室环境下—λ/10。 现在原子力量微镜：可以测量样品每个原子之间的间隔。分辨率可 ≤1A0.2A0 并可用计算机实时检测勾划出三维轮廓图。 精度：表征仪器对测量值的可靠程度，现原子力量微镜可达0.2A0 。 国内外：精度要有绝对的标准。 具有很大的测量范围。 60 年代前未有激光，最大测量范围受光源谱线限制。 Kr86 相干长度约 700㎜。 激光干涉仪： 激光方向性好，其2 约几个毫弧度。 能量密度高，红宝石激光可达104W，用于激光核聚变，1013 W 以上 单色性好=5×10-8 相干性好（时间相干性及空间相干性）：相干 长度精度高，速度18M/min 。 测量速度大为加快。 条纹对比度好，已有测量范围从0～60m。
为提高分辨率，减小波长 从可见光——紫外光—— x射线 1nm 10nm 而更短的波长、电子射线 0.001nm
公元13世纪，出现了的眼镜——一种玻璃制造的透镜片。 16世纪末，荷兰的眼镜商詹森（Zaccharias Janssen）制 造的是第一台复合式显微镜。放大倍数1020=200倍。显微镜 和望远镜的前身。
表面粗糙度 :
视场在几十个m— 至几个mm。
PV = 0.213300 () RMS = 0.044035 ()
2.1.2 表面粗糙度与微观轮廓 近代高科技对表面形貌的高要求。 • 硅片表面粗糙度对集成电路的电 阻、电容、成品率影响很大； • 磁盘表面粗糙度影响到耐磨、信 号的读出幅度、信噪比等；
h h cos

cos
纵向分辨率——1 m 纵向分辨率——20 m
数字波面干涉系统
用于 宏观面形检测,纵向分辨率到nm 量级，波前RMS精度可达 1/300波长。
测量光路系统、数据处理方法等可以用于纵向的微位移检测参考。
干涉显微镜（迈克尔逊） Michelson，Mirau，Linik，Nomarski 测量的工作原理就是利用双光束干涉。CCD面阵接收器三维显示。 利用干涉检测的轮廓仪(微观检测,具有统计规律) 可以检测纵向高度，纵向分辨率到0.1nm ，横向(0.5-1) m 。
在电子显微镜下病毒(蚊子)
扫描隧道显微镜（STM） 用电子代替光，这或许是一个反常规的主意。1983年，IBM 公司苏黎世实验室的两位科学家Gerd Binnig和Heinrich Rohrer发明了扫描隧道显微镜（STM）。这种显微镜比电子显 微镜更激进，它完全失去了传统显微镜的概念。