Mirau和Michelson干涉显微镜

这里的图来自蔡司的《Handbook of Optical Systems》，比我们在很多教科书上看到的图要详细一些，这里把照明光路、光阑都画出来了——这两个对干涉成像很重要。

干涉显微镜（或光学显微轮廓仪）基本上是一个配备CCD相机和压电元件的标准显微镜，可以提供相移。干涉显微镜需要一个特殊的物镜，它提供了产生干涉的参考表面。下图显示了它的工作原理——一个使用Mirau干涉物镜的干涉显微镜。

低或高相干光源通过聚光系统、管透镜和分束器成像到显微镜物镜的光瞳上。瞳孔位置的可调光圈可用于选择不同的光圈设置。这些因素会影响相机图像的横向分辨率、焦深和辐照度。在样品反射后，光穿过分束器，然后通过第二个管透镜成像到相机上。聚光单元和第一管透镜之间的视场光阑环绕样品的共轭图像。

图片

为了获得从10倍到100倍的更高放大倍数（数值孔径从0.3到0.7），我们使用了所谓的Mirau物镜。在这些物镜中，光束穿过分束器，分束器将光引导到样品表面和内置参考镜上。（下图）

图片

对于2.5至5的较低放大倍数（数值孔径为0.07至0.13），所谓的迈克尔逊物镜提供了相对较长的工作距离、更宽的视场和更大的焦深。由于其数值孔径较低，其横向分辨率低于Mirau物镜。（下图）

图片

从这些表面反射的光重新组合，形成条纹干涉图案。

在迈克尔逊物镜中，分束器放置在物镜的工作距离内，将光分为参考光束和测试光束。测试光束透射分束器，而参考光束被反射到刚性安装的参考表面。在样品和参考表面反射后，光束结合产生干涉图。参考表面的反射率应与典型样品的反射率相似。在样品表面明显弯曲的情况下，参考表面也应具有类似的曲率，以减少干涉图中的干涉环数量，这样相机就可以很容易地分辨出条纹。

下表给出了可用于标准显微镜的Mirau和Michelson物镜的一些示例。

图片

Mirau和Michelson物镜都需要足够大的工作距离，以便插入分束器和参考表面。自然地，具有高数值孔径的物镜提供非常小的工作距离，这不足以用作干涉物镜。对于数值孔径大于0.9的高横向分辨率，所谓的Linnik干涉显微镜是一种解决方案。Linnik干涉仪与迈克尔逊干涉仪基本相同。不同之处在于参考臂中光学元件的使用，它基本上复制了测试臂中的显微镜物镜。除了使用高孔径物镜外，其优点是能够补偿色散和单色光学像差。因此，Linnik配置可用于低相干光源。在这种情况下，除非使用分束器立方体，否则需要使用适当的补偿板和分束器板。为了实现移相，参考臂中的物镜由压电转换器与刚性连接的参考表面一起移动。（下图）

图片

Linnik干涉显微镜的缺点是需要在参考臂中使用第二个显微镜物镜，这通常与商用显微镜不兼容。在测试高质量抛光样品时，重要的是参考表面的质量最好，否则校准后参考表面的小偏差将限制测量的准确性。Linnik概念的改进是无参考干涉显微镜，其中参考物镜和参考表面被角隅棱镜取代。光源被成像到角隅立方体的尖端，而其图像被反转。在这个位置，它取代了物镜和样品的功能，同时也充当了后向反射器。

对于通用应用，使用激光光源是不可避免的，因为测试臂和参考臂中的光路和色散非常不同。使用低相干光源将要求两臂中的光路平衡。

角立方体的压电驱动支撑环可以提供相移。（下图）

图片

参考：Handbook of Optical Systems, Volume 5，Metrology of Optical Components and Systems