使用过菲索激光干涉仪的小伙伴们,对这样的场景一定不陌生。没错,下图就是传说中,让人头疼的“振动波纹”。这些测试结果中奇怪的波纹,来自于环境中的振动。
机械移相式菲索激光干涉仪在移相采样过程中;压电陶瓷会推动标准镜,在光轴方向上作纳米级的精确移动。这时,对于标准镜参考面和样品表面组成的干涉腔,参考光和测试光的相位差会改变,这一过程就是“移相”。摄像头对于不同相位的条纹光强图进行采样,通过算法从多帧灰度图中,计算得出三维高度(相位)分布图。
理想状态下,机械移相是推动标准镜垂直于光轴作等距移动。在实际采样过程中,振动可能会使样品倾斜姿态改变,沿光轴位置也可能发生变化,正如下图所示。经典PSI移相算法,无法处理这些“相移误差”,所以在最终测试结果的“相位地图”中,出现了“振动波纹”。
QPIS方案可以解决这些问题。硬件上QPSI首先需要高帧频的摄像头,以缩短整个采样时间,尽量降低振动在整个采样过程中的影响。同时对于每一帧采样,快门开启的时间,将从毫秒减小到微秒量级;降低每帧采样快门开启过程中振动的影响,靠微秒级的快门“凝固”住每帧干涉条纹。
随着快门开启时间的大幅降低,摄像头探测到的光强会减弱;这样对干涉光源的功率提出了更高的要求。因此QPSI方案还基于功率更大,光强更强的稳频激光光源。
算法上,QPSI基于干涉条纹计算相位的时候,所用的数据模型,会考虑每帧振动带来干涉腔的变化,以此拟合计算,去除振动带来的影响。如图所示,理想的QPSI采样后的分析计算结果,可以良好地去除“振动波纹”。
下图比较了经典PSI模式,和QPSI模式,对于1-100Hz不同频率的振动,两种模式分别能够容忍的的最大振幅。
图上可以看到,在1-100Hz频率范围内,QPSI模式的抗振能力是经典PSI模式至少十倍。
QPSI抗振移相模式,并不是用来替代瞬态采样模式。极端振动或者有很强空气扰动的环境,并不适合QPSI模式采样。QPSI可以大幅降低环境振动的影响;同时它又保留了菲索式激光干涉仪最大的优势和特点,共光路干涉; 这使QPSI具有抗振能力的同时, 和经典PSI模式相比, 测试精度,横向分辨率,几乎没有损失。
ZYGO激光干涉仪全系列标准产品,都具备ZYGO独有的QPSI抗振采样模式,配合DynaPhase 动态采样,ZYGO系列标准激光干涉仪可以应对各种环境,从良好控制的实验室;振动明显的光学生产加工车间;直到极端振动和空气扰动的室外;达到测试精度,分辨率和测试环境的完美平衡。
QPSI模式现在还可以与波长调制采样模式结合,使波长调制主机同样也具有抗振调制能力。定制波长激光干涉仪,1um,1.5um,3.39um波长,也已经成功整合QPSI技术。