一种四波长轮换的表面形貌干涉测量系统

针对相移干涉法测量表面三维形貌时深度测量范围受波长限制这一问题,提出一种四波长表面形貌干涉测量系统。通过滤波片的轮换,将白光LED光源的光切换出4个不同波长的光源,并依次进行单波长干涉。为解决多波长干涉图像数据处理,采用基于椭圆拟合的算法,在逐帧逐点的相位计算条件下,运用大小尺度相结合的算法实现高精度宽范围的表面形貌测量。实验结果表明:在深度测量范围扩大到约41倍的条件下,测量经中国计量科学研究院采用粗糙度国家基准校准的方波多刻线样板,得到的表面粗糙度数据与校准数据相比,相对误差为4.09%。说明在一定的深度范围内,该系统能够实现表面形貌的高精度测量。     

基于多波长干涉的瞬态轮廓检测Mirau显微镜

针对单波长Mirau干涉显微镜存在测量范围小和2π模糊等问题,提出了多波长Mirau偏振干涉显微镜,以实现微观轮廓的大动态范围测量的和表面粗糙度等显微结构的瞬态检测。系统利用R、G、B三个单色LED光源实现多波长干涉;利用彩色偏振相机获取瞬态相移干涉条纹图,降低实时瞬态检测中复杂的环境扰动影响;利用线栅偏振片调节条纹对比度,满足不同被测对象的反射率检测要求。为验证系统方案的可行性,经过系统误差补偿校准后测量标称值为1.993 9μm的标准微米台阶,结果与标称值的偏差约为5.4 nm。利用该方法与Wyko干涉仪对金刚石车削凸面反射镜表面微观轮廓和表面粗糙度进行测量,表面粗糙度测量结果均方根值偏差为3.7 nm,验证了该系统可实现高精度的大动态范围测量。     

基于白光干涉测试技术的改进Carré相移算法

为了减小白光相移干涉法测量物体微观形貌时产生的误差,对极值法的搜索路径进行优化后与Carré相移算法相结合,提出一种基于白光干涉测试技术的改进Carré相移算法.该算法减小了光源扰动及电荷耦合元件散粒噪声带来的影响,且对相移器的线性误差不敏感,免去了相位解包裹过程,提高了运算效率.采用单刻线样块对扫描步距进行校准实现了光源中心波长的在线修正,减小了由于光源特性及环境扰动误差带来的影响.采用不同算法对标准粗糙度样块进行三维形貌恢复以及表面粗糙度的重复性测量实验,结果表明:该算法对表面粗糙度的测量结果较传统白光干涉算法准确度提高,测量重复性优于1%.     

基于波长移相剪切干涉的准直波前重构技术

为了实现干涉仪出射准直波前的重构,提出了基于波长调谐移相的横向剪切干涉技术。干涉仪出射波前分别经楔板的前后表面反射,通过角锥棱镜返回后在干涉仪CCD上形成剪切干涉条纹。采用波长移相方法提取剪切干涉条纹的相位信息从而实现准直波前重构。分析相对剪切比对波面重构精度的影响,推导相对剪切比和其影响因素间的关系公式,给出波长移相中光程差常数分量的估算方法。测量干涉仪的三组出射波前,波前的峰谷值分别为3.22λ、2.10λ、0.83λ。该方法简化了传统测量干涉仪准直波前的横向剪切干涉装置,提高了测量精度,特别适合于测量波长移相干涉仪的出射波前。     

相移干涉法测量ICF微球内表面粗糙度

 通过分析光线通过微球壳层后各界面的相位分布,讨论了相移干涉法测量微球内表面粗糙度的基本原理,研究了微球上部壳层对内表面粗糙度测量的影响,得到了聚苯乙烯,聚a甲基苯乙烯微球的内表面形貌特征图像,测量数据与原子力显微镜测量数据在同一量级。以微球壳层对超光滑碳化硅及单晶硅片表面形貌的调制作用为研究对象,讨论了微球的外表面粗糙度以及微球壁厚对内表面粗糙度测量结果的影响,确定了相移干涉法测量微球内表面粗糙度的不确定度,实验结果表明：对于表面粗糙度小于30 nm、厚度小于9 mm的微球,测量不确定度小于0.4 nm。     

光针扫描法检测光滑表面粗糙度

提出了一种用于光滑表面粗糙度测量的方法，利用两个标准参考面和两个偏振片实现对表面粗糙度的测量，通过两1／4波片克服光路可逆性的缺陷，给出了测量系统光路图，导出了该方法工作原理的数学表达式，并对该方法产生的测量不确定度进行了理论计算与计算机仿真，最后通过对一标准粗糙度样块进行测量，证明了该方案的可行性。结果表明实测值与样块厂家提供的标称值相符，并可实现0．2nm的测量精度。     

基于单幅干涉图的波前重构技术研究

条纹中心法是干涉测量技术中分析单幅干涉图的一种重要处理方法,该方法主要包括图像预处理、波前重构和样品表面形貌及参数的测量等三个部分。研究了条纹中心法的关键技术,特别是应用协方差矩阵法求解泽尼克多项式以进行波前重构的过程。提出了基于单幅干涉图自动波前重构的流程方法。最后应用该流程方法处理由泰曼-格林干涉系统采集的精密抛光铝制盘基片表面形成的一幅干涉图像。实验结果表明,该方法可以实现单幅干涉图的自动波前重构,干涉波前重构的拟合精度可达1．4686×10^-6nm,还可以自动获得精密抛光铝制盘基片表面的形貌及参数。     

基于光纤三波长激光自混合干涉的绝对距离测量系统

研究了一种基于光纤三波长激光自混合干涉的绝对距离测量系统.系统中的光纤激光器包含三个独立的激光谐振腔,每个激光谐振腔都有作为增益介质的掺铒光纤,三个激光谐振腔利用光纤光栅作为反射镜及波长选择元件,光纤激光器能同时发出无模竞争的频率和功率都稳定的三波长激光.利用三波长激光的自混合干涉,以及干涉信号的相位小数重合方法,实现绝对距离测量.为实现绝对距离测量,三个波长中两相邻波长间距应为相等.实验中,两相邻波长间距约为10nm.系统对公称高度为11mm修正值不大于2.7μm的台阶高度进行测量,测量结果为11.000 059mm.对13.000 090mm绝对距离重复测量20次的标准差为4.4nm.     

垂直扫描白光干涉表面三维形貌测量系统

依据白光干涉理论,研制了垂直扫描白光干涉表面三维形貌测量仪。重点对实现垂直扫描运动的工作台进行了分析。所研制的测量系统具有1nm的垂直分辨力,可用于表面粗糙度、台阶、膜厚、球面等三维形貌测量。     

光滑表面粗糙度Rz参数的一种干涉测量法

介绍了一种光滑表面粗糙度Rz 参数的干涉测量法.该方法用空气膜层上表面与样本表面的基准面平 行的方式来观察等厚干涉条纹, 用干涉条纹间的相对运动来判断样本表面的峰谷, 同时也给出了新的Rz 计算公 式.该方法测量过程较简单、 对仪器要求较低且有助于样本的表面微观形貌分析     

干涉显微镜中相移误差分析

相移误差是影响干涉显微镜测量表面形貌精度的主要因素之一。介绍了四帧算法、五帧算法、四帧免疫算法、五帧免疫算法的原理和计算公式 ,并对其特点进行了分析比较。利用自行研制的带旋转检偏器的干涉显微测量系统 ,分别用四种算法对Ra=0 35μm和Ra=0 .0 9μm粗糙度样块进行了实测。结果表明 ,五帧算法的重复测量精度优于0 5nm ,五帧免疫算法的重复测量精度优于 0 3nm。同时对在普通干涉显微镜上进一步提高其测量精度做了初步探讨     

一种提高干涉相位识别精度的方法

针对开环相移驱动下的单色光干涉测量,提出一种满足四步法的高精度相位识别的方法。首先选取干涉场中存在适当相位差的两像素点,建立相移驱动单周期内两像素点灰度序列值之间的干涉方程组。运用椭圆拟合获取相应干涉方程组参数,然后通过反算序列相位确定逐点驱动步长或序列相位信息。结合序列相位信息,运用Lagrange抛物插值算法,设计计算满足四步法的4幅干涉图,并计算各像素点的初相位。最后,运用多波长算法计算表面形貌并进行误差分析。实验表明:计算得到的方波多刻线样板的Ra值为0.439 0 m,测量误差为0.23%,此方法降低了对测量条件的硬件与环境要求,满足表面形貌高精度测量的要求。     

非平行光干涉照明显微镜三维形貌检测研究

为实现表面微观形貌快速而较简单的检测, 一种使用非平行光干涉照明的光学显微三维形貌检测方法被提出。该方法使用空间光调制器对激光光束进行衍射, 选取光强相近的2个衍射级通过显微物镜, 双光束干涉可得到周期接近图像分辨率、相位可精确调节的照明条纹, 被测样本的三维形貌可通过拍摄4帧等相位差的条纹照明图像来计算得到。该方法不需借助干涉物镜产生条纹, 不需要轴向扫描装置记录条纹变化, 相位调节精确, 成像直观。此外, 该方法所产生干涉条纹的相位随坐标线性变化, 不需对条纹周期进行修正。因为照明条纹参数调节光路独立于显微成像光路, 系统装置具有光路简洁、易于调节的优点。为验证所提出三维检测精度, 以粗糙度100 nm的粗糙度对比模块和硅片为被测样品进行了三维轮廓重建实验, 实验结果显示, 所提出方法轴向重复性测量精度为8.6 nm(2σ)。     

表面粗糙度干涉图像处理中的阈值优选

提出用于表面粗糙度自动干涉法测量过程中的一种有效的白光干涉图像阈值分割方法，分割后的二值图像经过干涉条纹边界线萃取后得到的被测表面输廓波形和表面粗糙度参数的计算结果与高精度ＴＡＬＹＳＵＲＦ６型表面粗糙度测量仪的测量结果十分吻合，此种图像分割方法同样也适用于粗糙表面激光干涉图像的二值化分割。     

基于共光路干涉原理的精细表面粗糙度测量方法

提出了一种利用光的干涉原理测量光滑物体表面粗糙度的方法.该方法采用两光束共光路、同心聚焦扫描可实现表面粗糙度的绝对测量.使用一个半波片改变一路光束的偏振态,避免了传统测量系统中光路具有可逆性的问题,保证了系统的稳定性.使用一个l/4波片使接收端的光束偏振态方向一致,使干涉信号可见度最大.该系统光路结构简单,容易实现.对一标准量块进行了测量,并对光功率计分辨率对测量结果的影响进行了分析,结果表明本系统在实验室现有条件下可以测量轮廓算术平均偏差Ra为0.012μm的粗糙度量块.     

基于谱域相位分辨光学相干层析的纳米级表面形貌成像

提出了一种基于谱域相位分辨光学相干层析的纳米级表面形貌成像方法,由干涉光谱计算样品相邻两点的相位差,得到样品表面相位差分图,经过积分,重建样品表面形貌的定量分布.当相邻两点相位差的绝对值小于π,不产生相位包裹,避免了目前的干涉法相位解包裹存在的问题,将干涉法相邻两点相位差绝对值的限制条件由目前的π扩大到2π,提高了干涉法表面形貌成像的适用范围.参考面和样品置于同一平台之上,消除环境干扰及系统振动的影响,噪声幅度小于0.3 nm.通过对光学分辨率片及表面粗糙度标准样板的表面形貌成像,对本方法进行了验证,系统的轴向分辨率优于1 nm.     

物体表面形貌的正弦相位调制实时干涉测量技术研究

表面形貌干涉测量技术是一种高精度的非接触式测量技术,在工业生产和科学研究中具有广泛的应用。提出一种实时测量表面形貌的正弦相位调制干涉测量新技术。该技术用激光二极管作光源,用自制的高速图像传感器探测干涉信号,通过信号处理电路实时解相得到被测表面所对应的相位分布,实时分析相位获得物体表面形貌。该技术消除了光强和部分外界干扰的影响,提高了系统的测量精度。楔形光学平板表面形貌的测量结果表明,测量点为60×60个的情况下,测量时间小于8.2 ms,重复测量精度(RMS)为4.3 nm。     

多波长相移干涉测量法

本文叙述了一种提高双波长相移干涉测量性能的方法。通过引入第三种波长的相位数据,就能测量某种异常陡峭的波前的相位。实验是利用一个线性探测器阵列测量一个离轴抛物面的表面度来完成高的。对于被测的波前,探测器两相邻象素(pixels)之间的光程差达3.3个波。求出五组数据的瞬时平均值之后,测量的可重复性均优于25A°(均方值λ=6328°)。     

双波长拍波干涉测长中拍波干涉条纹尾数的测量方法

描述在拍波干涉测长中使用的几种拍波干涉条纹尾数测量方法,提出一种拍波锁相型对准原理,介绍和比较拍波干涉仪的三个原理方案,讨论测量方法和测量精度等问题.     

基于机器视觉的表面粗糙度测量与三维评定

表面粗糙度的测量与评定一直是机械行业的重要课题。提出了一种基于机器视觉检测工件表面粗糙度的方法。首先利用显微镜获取端铣、刨、车不同等级下工件表面的序列图像,采用方差聚焦测度算子对序列图像中的每一个点进行高度计算;然后再利用高斯插值法计算出微观物体表面的准确高度,重构其表面微观形貌;最后计算出各个工件表面的三维粗糙度。通过对实验数据的分析和讨论,可以确定出表面均方根偏差Sq、表面偏斜度Ssk和表面峰密度Sds这三个参数,它们是常用地对工件表面粗糙度进行评价的可靠参数,可为以后三维粗糙度体系的科学建立提供依据。