干涉显微镜

采用通过样品内和样品外的相干光束产生干涉的方法，把相位差(或光程差)转换为振幅（光强度）变化的显微镜，根据干涉图形可分辨出样品中的结构，并可测定样品中一定区域内的相位差或光程差。由于分开光束的方法不同，有不同类型的干涉显微镜，以及用于测定非均匀样品的积分显微镜干涉仪。干涉显微镜主要用于测定活的或未固定的相互分散的细胞或组织的厚度或折射率。

1、简介

干涉显微镜分为双光束和多光束两类，采用通过样品内和样品外的相干光束产生干涉的方法，把相位差（或光程差）转换为振幅（光强度）变化的显微镜，根据干涉图形可分辨出样品中的结构，并可测定样品中一定区域内的相位差或光程差，通常测定工件加工光洁度及高度差约为1/10波长的显微组织可采用双光束干涉显微镜，林尼克干涉显微镜即属这一类。而多光束干涉显微镜能显示试样表面相邻两点为l/1000波长的高度差，因此在金相组织的分析中有重要意义。

2、原理

干涉显微镜是利用光波的干涉原理精确测量试样表面高度微小差别的计量仪器。按其原理可以分为多束干涉显微镜和双光束干涉显微镜两类。这里仅就基于双光束干涉的显微镜进行论述。

干涉显微镜是根据光波干涉原理设计制造出来的。图1（a）为其光学系统示意图。由光源1发出的光线经聚光镜2、滤色片3、光阑4及透镜5后成平行光束，射向半反半透的分光镜7后分成两束：一束光线通过补偿镜8、物镜9到平面反射镜10，被10反射又回到分光镜7，再由7经聚光镜11到反射镜16，由16进入目镜12；另一束光线向上通过物镜6，投射到被测零件表面，由被测零件表面反射回来，通过分光镜7、聚光镜11到反射镜16，由16反射也进入目镜12。这样，在目镜12的视场内可以观察到这两柬光线因光程差而形成的干涉带图形。若被测试样表面粗糙不平，则干涉带将如图1（b）所示的弯曲状；图1（c）为干涉显微镜的外形示意图。

3、典型仪器结构

现以国产6JA型干涉显微镜为例介绍该类仪器的结构

1）仪器的主要技术参数

6JA型干涉显微镜的主要技术参数如下：

物镜的数值孔径：0.65。

物镜的工作距离：0.5mm。

仪器的视场：

目镜系统：φ25mm。

照相系统：0.21mmX0.15mm。

仪器的放大倍数：

目视系统：500X。

照相系统：168X。

测微目镜放大倍数：12.5X。

绿色干涉滤色片波长：530nm。

绿色干涉滤色片半宽度：10nm。

4、仪器的光学系统分析

图2所示为6JA型干涉显微镜的光学系统。由光源S发出的光线经聚光镜o。和06投射到孔径光阑Q：上，照明位于照明物镜07前面的视场光阑Q……通过照明物镜的光线投射到分光镜丁上，把光束分成两部分：一部分反射，另一部分透射。

从分光镜T反射的光线经物镜O1。射向标准反射镜P1。，再重新通过物镜O1，、分光镜T，射向目镜O3。；从分光镜透射的光线，通过补偿板T1、物镜O2射向工件P2表面，反射后重新经过物镜O2、补偿板T1。、分光镜T，射向目镜O3。在目镜焦平面上两束光相遇，产生干涉，形成条纹。

使用单色光，测量精度可以更精确一些。为此，仪器备有绿色滤光片F，可以移入或移除光路。由于单色光相干性能较好。便于寻找干涉条纹，所以使用仪器时应先将滤光片移入光路中。反射镜S3。亦可移入光路，以便通过照相镜头O4记录干涉条纹。目镜O8在分划板上有一狭缝，即只截取工件表面细长的一部分，然后经直视棱镜色散形成所谓的等色级条纹，以便对加工粗糙的或者呈粒状的工件表面产生规则的干涉条纹，便于测定。

如果挡住射向标准反射镜的一光路，则工件P2表面经物镜o2成像在B处，即在视场中能看到试样表面的像。它与工件表面的微观平面度形成的干涉条纹一一对应。此即为干涉显微镜用于试样微小高度差测量的原理。

5、干涉显微镜的应用

什么时候需要用到（干涉）相差显微镜呢？相差显微镜具有两个其他显微镜所不具有的功能：

将直射的光（视野中背景光）与经物体衍射的光分开；将大约一半的波长从相位中除去，使之不能发生相互作用，从而引起强度的变化。

因此可以应用于：

1.观察未经染色的标本和活细胞。

2.试样表面粗糙度的测定

如图1所示。若被测试样表面粗糙不平，干涉带即成弯曲状。由测微目镜读出相邻量干涉带距离口及干涉带弯曲度b。因光程差每增加半个波长，即形成一条干涉带，故被测试样表面微观的不平度的实际高度为

式中，τ为光波的波长。

3.材料塑性变形和相变浮凸的测量

因材料塑性变形和相变浮凸都相对于原来的表面产生很小的高度差，故干涉显微镜能够很容易把这些高度差检测出来，可检测到数十纳米的差异。