1、 第一章：為何使用干涉儀做檢測1-1干涉度量學第一章 為什么要使用干涉儀檢測首先我們要先了解，什么是干涉度量學？ 所謂干涉度量學是指利用光干涉的效應來量測特定物理量的方法, 也就是說藉由觀察干涉條紋的變化, 來量測出待測物的特征1-2何謂干涉儀干涉儀是什么? 一般來說, 只要是利用光干涉的原理來量測的儀器便可以稱為干涉儀, 但是干涉儀的種類眾多且多變化, 因此本課程中將針對最為外界常用之種類作介紹1-3干涉儀之優缺點干涉儀的優點與缺點第一 高精度以光學組件來說, 因為組件的微小變化均會嚴重改變原有的光學質量，因此必須要有非常精確的量測儀器, 干涉儀具有精度非常高的優點, 最高可達1/100的波

2、長甚至到1/1000的波長, 波長是指干涉儀中使用光源的波長值.舉例來說：一般干涉儀的波長為632.8( nm ),而 632.8的百分之一約為6個(nm) , 目前的奈米科技是在這個尺度, 甚至有些更好的干涉儀可以到0.6個(nm ),從此可以看出干涉儀的精度有多好了第二章：非球面玻璃模造的原理第二. 非接觸式量測另一種量測用的輪廓儀是使用接觸式的量測方式, 即使目前已可以微調接觸的力量, 但對于表面較脆弱的被量測物是否真的完全不會造成損害則仍無法確定.而當用干涉儀量測時, 是把光照射到被量測的物體上, 所以干涉儀上的探針也就是光, 并不會對物體表面照成任何傷害第三 使用探針來量測時無法一次

3、量測所有的面積, 而可能必需分很多掃瞄線去量測, 相對來說, 干涉儀的量測速度就非常快了, 可能幾秒鐘就量完了, 而不需要等待幾個小時的時間.第四 則是干涉儀的缺點, 一個操作員在會使用干涉儀卻不太清楚干涉儀的使用限制、條件與原理的時候, 可能會量測到不是他所要的東西, 而且, 因為干涉儀是用光線量測, 在調整上也會花費多的時間, 可能量測結果只要花幾秒鐘, 但事前的調整卻要花費幾十分鐘甚至數個小時.第二章：干涉儀工作原理2-1光干涉2-1.1為何光有干涉現象干涉儀工作原理我們是用干涉儀量測, 所以先要了解什么是光干涉? 為什么光有干涉現象?光的干涉現象有二個原因, 第一 光像是波一樣, 具有

4、波的特性, 我們在丟一塊小石子在池塘中, 就會看到很多漣漪向外擴散傳播, 這就是波, 而光就可以用波來描述. 第二 波的迭加原理, 我們之所以能夠看到干涉條紋的明暗變化, 就是因為迭加原理所造成的,這是二個造成光干涉現象的基本條件除此之外, 偏振光的特性, 是否同相位的特性也是造成光干涉現象的條件.2-1-2由迭加原理說明干涉現象由迭加原理說明干涉現象：1. 破壞性干涉如上圖所示, 假設藍色波的最高值與紅色波的最低值在同一位置時, 其相加數值為0, 所以當藍色與紅色二個波一起出現的時候, 迭加起來就會變成中間的黑線, 因為光具有波的特性, 所以如果2個波長彼此正好相差一半的波長時, 也就是相位

5、差時, 畫面就會呈現全亮或全暗而完全看不到條紋, 以上圖來看因為藍色波的最高點到紅色波的最高點距離相差, 此時我們就稱做破壞性干涉2. 建設性干涉如下圖所示,假設藍色波與紅色波的最高值在同一位置時,其相加數值就是2,當藍色波與紅色波完全重迭在一起時, 迭加起來就會變成較高的黑線, 當我們肉眼看到時, 黑線的最高點就會變亮, 最低點則較暗, 而會有明暗的線條變化, 我們就稱做建設性干涉 當藍色波與紅色波的相加數值為02以時, 波長會較為平緩, 就會產生灰階的漸層條紋變化了.2-1-3干涉條紋之定量描述對建設性干涉而言, 2個波的差異需滿足公式: optical path(n*d)=m optic

6、al path是光程差, 光程差是指2個波的差異,當2道光從A點跑到B點時, 距離為d與d', 因此有一道波跑了nd, 另一道波跑了nd' 那么2道光的差異為n(d'-d), 也可以變成nd2'.如果nd2'為波長的整數倍時, 就會有明暗的條紋變化, 也就是建設性干涉 而相反的當nd2'剛好為二分之一波長的技術倍時便產生破壞性干涉條紋，公式為:optical path(n*d)=m/22-1-4雙光束干涉之數學描述雙光束干涉之數學描述：假設2道光做干涉，這兩到光的光強度分別為I1,I2，那么當這兩道光產生干涉時便符合上述的公式.其中:I1+I2為

7、干涉條紋的DC項,根號(I1I2)為干涉條紋的振幅大小，最后Cos(Delta)為相位項,其中Delta扁是前面所提到的光程差.所以當光程差變化時，可以知道干涉條紋也會隨著變化2-2如何判斷干涉條紋2-2-1干涉條紋種類那么我們如何判斷干涉條紋?因為我們不是隨時隨地都可以方便的使用干涉儀并藉由計算機來分析, 所以我們必須用肉眼來判斷, 這也是最快最方便的方式.干涉條紋的種類有2種:第一個是等厚度干涉條紋, 在等厚度干涉條紋中明暗的條紋會呈現等間隔的情形, 而且每個相鄰的條紋代表一樣的厚度間隔.假設橫線為標準面, 斜線為一個斜率固定的待測面, 當光線打過來的時候會產生折射現象, 我們在第一個射入

8、點做一條與標準面平行的虛線, 在待測面會有光a反射回去, 在標準面時也會有光b反射回去從圖可以看出光線a與b所通過的路徑是不同的，而當光程差恰為波長的整數倍時，就可以看到一樣間隔的干涉條紋第二個是等傾度干涉條紋, 是由一樣角度的光線所形成的干涉條紋, P1這一點有一個干涉條紋, 它的來源是由4條實線所造成的, 而這4條實線對這個物體表面來說, 則是同一個角度的光所造成的, 因為物體為圓形, 所以會造成對稱的效果.而4條虛線則是由另一個角度的光所造成的, 并進而產生P2點的一個干涉條紋.因此由同樣角度光線形成的干涉條紋我們就稱為等傾度干涉條紋,不過在實際的應用上, 等厚度干涉條紋與等傾度干涉條紋

9、是可能同時出現的.2-2-2-1 干涉條紋判斷應用實例一干涉條紋判斷應用實例：應用一:表面平整性-如果我們想從干涉圖了解物體表面的平整性好不好, 可以在干涉圖上畫一個以中心為準的十字線, 數數看從中心點起, 在X方向上的條紋數與Y方向上的條紋數量有幾個,這個量在光學工廠中是最常使用的, 當我們要求師父磨一個鏡片時, 就可以告知我們對表面平整性的需求, 在X方向與Y方向上的誤差圍容忍度是多少.從圖上來看, X方向上有1個條紋, Y方向上則有3個條紋, 也就是說, 這個待測的組件, 在X方向與Y方向上的變化程度不一樣, 這個變化程度就定義為表面平整性Surface irregularity同時差異

10、量最大的地方我們定義為: POWER, 也就是Y方向的3, 而irregularity是看X方向與Y方向上的差異量, 也就是2, 所以從上圖的干涉條紋我們可以知道待測物的Power為3、irregularity 為2 那到底什么是POWER, 什么是irregularity ? 假設我們看的組件是眼鏡的鏡片, 從側面看, 當有光打過來時鏡片會聚焦, 不同的彎曲量聚焦的程度就會不一樣, 我們稱為放大率, , 而面的彎曲程度就定義為POWER. 而在鏡片上的X方向與Y方向的彎曲程度會可能不同, 也就是說POWER不一樣, 我們就稱為Surface irregularity, 現在我們已經知道這個干

11、涉圖條紋的表示為3/2, 那么這個數字是代表多少? 他的單位就是波長, 一般的雷射為632.8( )波長, 3/2 的3是指3個波長, 2是指2個波長, 在光學組件的計算之常是以波長來表示的.2-2-2-2 干涉條紋判斷應用實例一在前面提到在干涉儀量測中多用波長作為單位所以我們還要注意到使用的干涉儀波長是多少假設同一鏡片, 由A廠商使用=500的干涉儀, 判讀數據為3/2, B廠商使用=600的干涉儀, 判讀數據也是3/2,那么使用500干涉儀的A廠商所判讀的數據必定是較好的, 因為波長愈短的, 轉換為數據時也會相對較小, 所以除了判讀干涉圖的數據之外, 還要注意干涉所使用的波長是否和要求相符

12、才能得到最正確的結果.2-2-2-3 干涉條紋判斷應用實例一接下來的例子, 我們要看的一樣是POWER和irregularity我們可以從圖A來判讀POWER和irregularity 是多少?加上十字坐標之后, X方向上有2.5個條紋, Y方向上則有1.5個條紋, 所以這個鏡片的最大彎曲量是2.5, X與Y的差距量是1, 但是這個干涉圖的結果卻不是 2.5/1當X方向與Y方向待測面的彎曲方向一樣時, irregularity為2者相減, 但X方向與Y方向待測面的彎曲方向不同時, irregularity則為兩者相加.當X方向與Y方向待測面的彎曲方向一樣時, POWER取最大值, 但X方向與Y

13、方向待測面的彎曲方向不同時,POWER相減.所以從這個圖來判讀的irregularity為1.5+2.5=4, X方向與Y方向可以視為同一個面, 所以POWER是2.5-1.5=1, 因此, 我們必須先知道所量測的是什么物體, 否則所求得的數據也有可能是錯誤的. 2-2-2-4 干涉條紋判斷應用實例一接下來我們來看看幾種常見的干涉條紋：我們要注意的一件事是, 在這些圖中的干涉條紋都是由待測物和一個標準平面比較所造成的, 一旦比較條紋變了, 所造成的條紋也會全部改變, 而且相對應的狀況也會完全不同.左側Without tilt為: 當沒有傾斜效應進來的時候, 不同的待測面所產生的條紋變化右側Wi

14、th tilt則是: 當傾斜效應進來的時候, 不同的待測面所產生的條紋變化當待測面為為平面時1或是2, Without tilt 會看不到條紋當待測面為彎曲面3時, Without tilt 會呈現邊緣較密, 間距不等的同心圓條紋當待測面是球面4時, Without tilt 則會呈現間距較為相等的同心圓條紋假設標準面為平面, 3的待測物形狀可能為雙曲線或橢球, 所以厚度變化較為劇烈, 4的待測物則可能為球面或接近球面的形狀, 所以在做干涉儀量測, 想判斷干涉條紋的形狀時, 必須先了解待測物體的形狀, 或者是由干涉條紋的形狀, 來判斷待測物體2-2-2-5 干涉條紋判斷應用實例二因為干涉條紋會

15、隨著參考面的不同而不同, 所以當我想知道待測面的形狀時, 就必須先知道標準面的形狀是什么?現在我們以同一形狀的待測物-凸透鏡為例當待測物為一個球面, 而參考面為一標準平面時,其干涉條紋可能為一同心圓分布, 但若參考面改為標準曲率之球面時,其干涉條紋則可能成為直線分布 ,發生同一待側面卻有不同干涉條紋分布的原因, 在于干涉條紋所看到的是待側面與參考面之間的差異,因此, 如果要判斷哪一個干涉條紋的待測物是球面, 就必須先了解, 量測時所參考的參考是什么?才能正確藉由干涉條紋判斷出待測之面形.第三章：干涉儀種類3-1 Newton Interferometer干涉儀的種類非常的多, 在這里所介紹的是

16、五種最常見的干涉儀.第1個是Newton Interferometer牛頓干涉儀左邊的Quasimonochromatic point source是一個幾近單波長的點光源, Quasimonochromatic為單波長的意思, point source是點光源.點光源經過透鏡變成平行光后, 打到下方橢圓形待測物上, 這個待測物可能為透鏡之類的物體, 待測物下方的平面Optical flat 則是參考面, 通常做為參考面的平整度, 也就是Surface irregularity, 必須要1/10以上, 分母愈大就表示其平整度愈好. 3-2 Michelson Interferomet

17、er第2個是麥克森干涉儀Michelson Interferometer.當麥克森干涉儀和牛頓干涉儀做比較時, 會發現它并不是一個點光源, 光源有些散開, 光線在經過第一塊鏡片之后透過中間的分光鏡O, 使得一部份的光反射到反射鏡M2再反射回分光鏡O, 而一部份的光則穿透補償片C, 到達反射鏡M1之后才反射回分光鏡O合成同一道光, 并且將結果打到D(Detector)上, 因此我們就可以在Detector上看到一圈一圈的條紋, 也就是干涉圖A了. 所以麥克森干涉儀通常用來量測距離的變化當我們要量測距離時, 只要先量測出原來的干涉條紋A之后, 再將反射鏡M2往后移, 量測出干涉條紋B, 然后就可以

18、從條紋AB的變化算出距離了.3-3 Fizeau Interferometer (一)第3個是斐洛干涉儀Fizeau Interferometer是目前一般最常見的干涉儀, 也是架構最簡單, 量測最方便的一種.左上方的laser becm 雷射光源, 雷射光源是非常好的單波長光源, 經過中間的幾道程序之后, 在經過Reference flat 參考面時, 部份光被反射, 部份光則穿透至flat under fest待測面上后再反射回去, 因此我們看到的結果是參考面與待測面的差異, 當參考面不同時, 所測出的待測面條紋也會不同.這種干涉儀的缺點是: 容易受風向、震動、與空氣變化等的外力影響, 必

19、須放在密閉室的防震桌上, 才能清楚看到干涉條紋, 所以又稱為非共路徑干涉儀. 3-3 Fizeau Interferometer (二)Fizeau Interferometer這2種是由2家有名的儀器公司制造的斐洛干涉儀左圖是ZYGO公司所制造的斐洛干涉儀,而右圖則是VEECO公司的斐洛干涉儀,一般光學公司在采購較好的干涉儀設備時, 通常是以這2家公司的儀器為采購標準.3-4 Mach-Zehnder Interferometer第4個是Mach-Zehnder 干涉儀左下方的光源Extended source, 為一與麥克森干涉儀相似的擴展光源, 光源經過第一個 Beam-spl

20、itter之后分為二道, 各別經過一片Mirror反射鏡, 再經過第二個Beam-splitter合成一道光之后, 將結果打到Detector上.因為中間分為二道光源的關系, 在空間與距離上可以做較大的調整, 所以比較適合量測體積大或穿透性大的物體, 例如: 我們可以用來量測大面積的玻璃.將待測物放在路徑上的第一個 Beam-splitter與Mirror反射鏡之間, 我們就可以看到路徑A、路徑B與待測物之間的差異.這也是一個非共路徑干涉儀, 它的缺點是: 容易受空氣變化等的外力影響,優點是: 可以量測體積或面積較大的物體.3-6 Twyman-Green Interferometer第5個是

21、Twyman-Green 干涉儀Twyman-Green 干涉儀和麥克森干涉儀很相似.當一道光源進來, 經過BEAM EXPANDER將光源變得比較大束后, 經由中間的BEAMSPLITTER 分為二道光, 反射回來之后再回到偵測器,上每種干涉儀都有各自不同的應用圍、方向和限制.第四章：實際檢測方法4-1可應用圍干涉儀可以應用的圍:1. 是表面的形狀2. 是曲率測試3. 是表面平整度或表粗糙度4. 可以量測玻璃二側的面是否夠平整5. 角度測試, 有些光學組件是有角度的, 可藉此量測其準度6. 應力測試, 例如眼鏡或相機鏡頭, 當必須以其它對象夾住玻璃時, 可以測試該玻璃的變形量.4-2 干涉儀

22、應用于液晶投影機組件檢驗那么干涉儀到底應用在那些液晶投影機組件的檢驗:例如: X-cube是液晶投影機中把RGB三個色光合在一起的重要組件, 我們有幾種檢測它的方式:第1 是量測表面平整性:我們使用的是WYKO 6000的斐洛干涉儀, 儀器的前面標準參考面, 光源由參考面打到待測物的第一個面時會反射, 我們看到的是它的差異度, 也因此可以量測出待測面的表面平整度.并由計算機直接判讀出正確的數據結果.如果我們拿一不透光的白紙遮住其中一邊的光, 那么被遮住的部份就不會再有光從下方出現, 而只顯示出一部份的反射條紋.第2 是量測反射面的平整度:光源由參考面打到待測物的第一個面時會反射,但是也可以打進

23、待測物里面, 經由反射的過程再反射回參考面,也就是就, 使用同一個架構可以量測到物體的二面, 那么要知道我們量測的到底是哪一個面? 如果我們拿一不透光的白紙遮住其中一邊的光, 那么被遮住的部份就不會再有光從下方出現, 但會顯示出沒被遮住的部份反射條紋, 那么所測得的就是表面平整度. 而反射的光源是由上方打入待測物中, 再經由反射從下方出來, 所以如果我們拿一不透光的白紙遮住上方的光, 那么就不會再有光從下方出現, 這樣就能得知目前所量測的是反射面平整度了.第3 是量測反射面的角度誤差:這是X-cube的側面圖, 理論上都會盡量要求達到接近90度, 所以我們也可以用干涉儀來量測反射面的角度誤差第

24、4 量測穿透波面的平整度:光在投影機中必須是穿透的, 如果X-cube有一些瑕疵的話, 顯示出來的影像就會不漂亮, 所以就必須量測其穿透波的平整度.當光源從上方打出來, 透過待測物打到標準反射鏡片時, 再反射回去, 如果待測物的放置位置是平整的, 那么每一道光都會循原來的途徑反射回去, 可能會分不清楚到底是哪一個面所產生的干涉條紋. 這時可以調整待測物平臺的傾斜度, 使部份光不會進到干涉儀中, 那么就可以很清楚的看到干涉條紋了. Aperture:In television optics, it is the effective diameter of the lens that c

25、ontrols the amount of light reaching the photoconductive or photo emitting image pickup sensorANSI Lumens:ANSI stands for American National Standards Institute. It is a standard for measuring light output. Different lamps play a role on light output. Halogen lamps appear dimmer than another metal-ha

26、lide, even if the two units have the same ANSI lumen rating. Type of LCD technology (active matrix TFT, Poly-Si, passive), type of overall technology (LCD vs. DLP vs. CRT), contrast ratios, among other factors can also affect the end result.ASAP原名為Advanced System Analysis Program，為美國BRO (Breault Res

27、earch Organization) 公司研發的一套專業光學仿真軟件，它可以幫助使用者仿真真實之光學系統，以達到最實際之光學分析結果Dichroic: A mirror or lens that reflects or refracts selective wavelengths of light. Typically used in projector light engines to separate the lamps "white" light into red, green, and blue lightDigital Light Processing

28、 (DLP): The commercial name for this technology from Texas Instruments (TI):F-number (f/#) f/# is the ratio of the effictive focal length of an optical system to its clear aperture. For example, a 50mm effictive focal length lens system with a clear aperture of 25mm is f/2.Focal Length (FL)Rega

29、rding optical elements and systems: effective focal length (EFL) - Distance from the principle plane to the focal point; front focal length (FFL) - Distance from the vertex of the first lens to the front (left) focal point; back focal length (BFL) - Distance from the vertex of the last lens to the b

30、ack (right) focal point.LCD: LCD stands for liquid crystal display and comes in many forms, sizes, and resolutions. Its primary purpose is to present a digital image for viewing. A common use of LCDs is as a display on a notebook computerPanel: Also known as a projection panel, LCD project