干涉儀之基本原理

 

菲索干涉儀

  菲索干涉儀(圖1)又可稱為光學平板,通常用來檢驗經過研磨或拋光加工的工件,例如測微器砧座、精測塊規、卡規、精密研磨平面、光學玻璃皆可使用菲索干涉儀來檢驗。其加工狀況。利用菲索干涉儀作檢驗的工件,表面須經過研磨或拋光加工,以求工件表面之反射光線有足夠強度,以便與菲索干涉儀的作用面所反射光線相干涉而形成色帶,因此一般加工表面,因為表面不光滑或太粗糙,工件表面之反射光線太弱,與菲索干涉儀的作用面所反射光線相干涉而形成色帶也太弱而無法分辨,另外,工件表面太粗糙時,空氣楔間隔也太大,造成條紋太密,以致肉眼無法觀察。

圖 1 菲索干涉儀

  菲索干涉儀利用光波干涉原理而形成明暗相間的色帶,很多場合都只把菲索干涉儀當作定性分析的工具,但事實上,以此色帶的數目及形狀便可以作微小尺寸,菲索干涉儀的原理可由光的干涉原理來解釋,菲索干涉儀部份反射鏡與反射面的空氣楔間隔為 d,則菲索干涉儀部份反射鏡的作用面與工件表面分別會反射光線,因為工件反射面所反射的光比菲索干涉儀部份反射鏡的作用面所反射光線多走了 2d 的光程差,因此造成兩道光干涉所需之相位差,因而形成干涉條紋,干涉條紋可以肉眼觀察,亦可以CCD 照相取得, 由干涉條紋數可以推算出空氣楔間隔的大小,考慮光波從疏介質進入密介質波前相位改變 180 度,其明亮條紋之公式如下:

    2d = (n +1/2 ) l

    n :為條紋數

    d :空氣間距

    l :空氣間光波的波長

  在作干涉條紋之定量分析時,並不須刻意去找尋接觸點或基準點,若光學平板與工件被測面呈一微小角度相交,其上所產生出的條紋分別表示菲索干涉儀與被測面相對點的空氣楔高度。我們可以任意令工件表面某點為基準點,依此向前後左右推得工件表面整體的空氣楔高度,最後將光學平板之傾斜高度扣掉,即得工件被測面之表面起伏情形。初次使用菲索干涉儀的人可能會迷惑於干涉條紋數常因空氣楔高度的改變而改變,亦即將菲索干涉儀之光學平鏡下壓時,干涉條紋數目通常變少,干涉條紋間隔加大,但如扣掉菲索干涉儀之光學平鏡傾斜高度,則工件被測面之表面起伏情形結果應一致。

  菲索干涉儀之光源可使用發出單一波長的氣體放電燈,例如氦氣和鈉燈,若使用普通光,則無法看到條紋,因為普通光具有各種波長,導致各種條紋互相疊合無法辨識。使用單色光即可避免上述情形,唯須在其同調長度內測量。像氦氖燈這種單色光,其同調長度很短,如果不在這個很短的距離量測的話,就得不到干涉條紋,所以光學平鏡必須與待測物貼緊來量測,這樣的量測有一缺點:即是會磨損光學平鏡與待測物。其解決之道,就是採用同調長度較長的雷射光來量測,可將光學平鏡和待測物分開一段距離。氦氖燈價格7萬元至15萬,氦氣雷射價格1萬至5 萬元,但使用雷射時須加上光束擴散架設裝置。

  至於菲索干涉儀之條紋之分析可直接將光學平鏡量測所得之條紋建立一個高度對照表再利用最小平方誤差的方法將傾斜面之高度差消除掉此法又可稱為傾斜面消除法。有些人在測量時,對光學平鏡、施力不同,而得到不同的條紋,認為光學平鏡不準確,事實上,只是因為施力不同造成不同的傾斜面,此時必須將傾斜面因素扣除,仍然都能得到相同的結果。

  另外值得一提的是光學平鏡的第二種檢查方式(目前最常用),如果待測物表面很平,則檢查的條紋應該是互相平行的直線,且彼此間間隔相等。如果有斜線產生,則對此斜線作一切線:視其與相鄰的第幾條干涉條紋相交,切線與隔二條條紋的干涉條紋相交,我們可稱其偏差量為二個暗帶。最後可得實際偏差量2 ´ λ/2 (當使用氦氣燈時,λ/2=0.294μm ),這種檢查法實施簡單,因此為一般機械工廠品管人員所樂用,但只能提供初步判斷,對於一些特殊條紋,例如條紋彼此平行且為直線,但間隔不相等時,就必須用傾斜去除法來量測,或者將光學平鏡作各種傾斜方向來量測,亦可消除此類誤差。

 

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