用白光相移干涉增大表面形貌可测范围的研究

分析研究了我相移干涉应用于表面形貌测量时表面形貌与干涉图像之间的关系,比较了两种不同光谱分布的光束的白光相移干涉特性。依据白光相移干涉中与干涉光强有关的一些特定参量与表面形貌之间的一一对应关系,提出了一种不直接测量相位、避开相位测量不确定性的新方法。所提方法扩大了可测深度范围,可用于测量面形较陡的连续表面或不连续深结构表面。     

基于自调谐相移干涉算法的相移误差分析

相移干涉技术由于其测量精度高的特点被广泛应用于波面检测干涉仪中。相移误差为测量过程中主要误差来源。基于一种自调谐相移干涉算法,研究在标定误差和随机相移误差下,算法的波前相位还原精度。对于标定误差,算法能精确地求解出实际相移步长,从而极大地提高了相位还原精度。与经典五步Hariharan算法对比,仿真结果表明,该算法的相位还原PV(峰谷)、RMS(均方根)误差响应更低,其PV误差响应远低于10^-3λ(λ为光源中心波长),而Hariharan算法在10^-3λ量级。基于自调谐算法在标定误差时的相位求解过程,扩展该算法以更适用于随机相移误差。在相同20%随机相移误差范围内,与Hariharan算法计算结果偏差的绝对值接近10^-9λ,能达到较高还原精度。将该自调谐算法运用在干涉仪测量光学元件表面形貌实验中,实验结果表明,与Hariharan算法相比,自调谐算法在仅存在标定误差时,能较明显地抑制纹波误差,两者计算面形PV存在偏差。在较小振动环境下,两种算法计算得到的相位面形分布高度一致。     

基于SVMD-HD去噪的白光干涉解调算法

垂直扫描白光干涉法（VSWLI）是一种非接触式三维表面轮廓测量方法。蝙蝠翼作为VSWLI当中一种固有的缺陷,尤其在被测样品的台阶高度小于光源的相干长度时,台阶边缘处的蝙蝠翼尤为显著。相移干涉法不存在这种缺陷,但是存在相位模糊的问题。提出一种将Carré等步长相移算法与快速傅里叶变换（FFT）相干峰值检测技术相结合的白光干涉解调算法。该算法基于逐次变分模态分解（SVMD）与Hausdorff距离（HD）联合去噪。分别以高度为500 nm和1 200 nm的连续台阶器件和高度为10μm的标准台阶作为测试样品,进行实验测量验证。所提出的算法能够有效地抑制台阶高度跳变处的蝙蝠翼,克服相位模糊问题。     

一种变频相移干涉测量的相位提取算法

相位提取的精度直接影响相移干涉测量的精度。在变频相移干涉测量中,相移量由干涉腔长和波长变化量决定,必须对测试系统进行相位标定,但常因相位标定不精确而引入相移误差,影响相位提取的精度。运用一种基于迭代的相位求解算法,该算法无需对测试系统进行相位标定,可以在被测相位和相移量均未知的情况下,通过交替迭代法求解出被测相位。通过仿真比较了传统四步相移和基于迭代的相位求解算法的相位提取精度,结果表明,基于迭代的相位求解算法的相位提取精度优于传统四步相移算法的精度。     

相移技术中五步等步长Stoilov算法的性能分析

Stoilov算法是近几年提出的一种五步等步长相移算法。有关文献中的误差分析表明 ,该算法的性能优于四步等步长Carr啨算法闹懈隽耍樱簦铮椋欤铮鏊惴ǖ恼繁泶锸?,采用线性误差理论详细分析了算法的性能 ,尤其是算法性能对相移步长的依赖关系。分析表明 ,可以选择一个最佳的相移步长以有效减少位相测量误差 :相移步长为 5 2°时可有效抑制二次相移量误差的影响 ;相移步长为 90°时可极大地减少光强误差的影响。最后给出了Stoilov算法与Carr啨算法和Hariharan算法的比较。     

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     

基于迭代优化的两帧随机相移干涉术

提出了一种由粗及精的无需预滤波的两帧先进迭代随机相移技术。基于最小化残差背景,首先利用采集条纹图的相关运算,在近似正交条件下估计相移和相位;然后利用这些求解过程中的中间参数在空域由条纹图数据估计相移和背景;最后,迭代上述过程直至收敛到预定义的精度,从而实现相位的精确求解。针对条纹图空域背景和振幅变化问题,利用条纹图子图降低背景空域变化对背景和相移估计的影响,并减小运算量。与现有的方法相比,本文方法由于提供了正确的初值,具有收敛快、计算快的特点。本文方法简单可靠,是一种实用的两帧相移干涉方法。     

高精度全息干涉计量—相移技术的应用

本文介绍了一种精确的全息干涉相位测量系统。采用双曝光、双参考光束,并引入相移技术,能够同时获得全场256×256个点的相位变化值;相位测量的重复性优于2％,全场处理时间少于2分钟。     

基于多光束干涉原理的相移算法研究

针对多光束干涉原理的相移算法包括算法误差及步长优化等问题，以菲索干涉仪精密测长为 应用背景进行了研究.利用干涉光学的基本原理导出了在多束光干涉(经光学面多次反射、透 射)的情况下干涉光强随相位分布的精确公式；在此基础上，通过数值分析的方法得出了利 用菲索干涉仪精密测长的相移步长的优化取值范围和干涉光束最佳初相位差的范围；对余弦 依赖算法所引起的光强误差分别就四步法、五步法得出了不同的依赖关系；并对多光束干涉 算法中几种主要的误差来源进行了不确定度评估. 关键词： 相移算法 多光束干涉 精密测长 不确定度     

基于相位展开及拼接算法的一种高精度大量程宽光谱干涉显微术

宽光谱干涉显微术广泛应用于高精密检测领域,它测量样品形貌通常采用垂直扫描干涉术对亚微米至毫米级特征进行测量,以及相移干涉术对纳米级特征进行测量。其中,相移干涉术精度可达纳米级,但量程有限,高度变化对应的相位需限制在区间内。采用包裹相位展开算法可以扩展相移干涉术的量程,也仅适用于平滑表面,当高度起伏超出焦深或者光源相干长度的限定范围时,干涉条纹模糊或对比度丧失,所解算的结果将产生较大误差甚至错误。提出一种基于相位展开及拼接算法的高精度、大量程宽光谱干涉显微测量方法,以干涉条纹调制度量化条纹质量,条纹对比度高、成像清晰的区域对应调制度较高,定义当前焦面条纹调制度高于阈值的区域为理想区域,定义焦面条纹调制度低于阈值的区域为问题区域。以相位展开算法获得理想区域中的样品相位分布,问题区域的包裹相位不进行展开。使用微位移结构纵向移动物镜焦平面,选择合理的步长,使相邻焦面位置理想区域展开后的真实相位保持部分区域重合,根据重合区域的相位值均差可以实现不同焦面位置的高精度相位拼接,最终获得扩展量程的高精度真实相位结果,进而可以恢复样品完整的表面形貌分布。该算法通过对理想区域的筛选,避免了相位在问题区域展...     

基于一阶泰勒展开式的迭代最小二乘相移新算法

提出了一种新的最小二乘迭代算法 ,能有效消除因相移器存在导向误差面使相移平面倾斜从而导致的相移误差。当相移器存在的相移误差包括位移误差与倾斜误差时 ,同一幅干涉图诸像素点的相移并不同步 ,但其相移量在同一平面上。求解此平面 ,即可消除相移误差。通过求解由一阶泰勒展开式得到的线性方程组 ,避免了为求解此平面而求解非线性方程组最小二乘解的过程 ,使算法简化。利用迭代法 ,保证求解的精度。并通过数值模拟 ,验证了这种算法在消除较大的相移器倾斜及位移误差影响上具有良好的效果。     

基于一阶仄勒展开式的迭代最小二乘相移新算法

提出了一种新的最小二乘迭代算法，能有效消除因相移器存在导向误差面相移平面倾斜从而导致的相移误差。当相移器存在的相移误差包括位移误差与倾斜误差时，同一幅干涉图诸像素点的相移并不同步，但其相移量在同一平面上。求解此平面，即可消除相移误差。通过求新由一阶泰勒展开式得到的线性方程组，避免了为求解此平面而求解非线性议程组最小二乘解的过程，使算法简化，利用迭代法，保证求解的精度。并通过数值模拟，验证了这种算法在消除较大的相移器倾斜及位移误差影响上具有良好的效果。     

欠采样干涉图最小二乘相位解包裹算法改进

数字全息的再现光场相位一般具有较高的空间变化频率,而目前CCD、CMOS的空间带宽积还很有限,容易产生欠采样并导致包裹相位中有大量不可靠数据点存在,给最小二乘相位解包裹带来困难.本文将剪切干涉原理引入到数字全息再现光场的重构中,通过改变再现光场相位梯度的计算方法减少欠采样的影响,对现有的最小二乘相位解包裹算法进行了改进...     

扫描白光干涉测量技术的算法比较

干涉条纹零光程差位置的确定是扫描白光干涉测量的关键技术之一。介绍了扫描白光干涉法测量物体轮廓的原理,讨论了确定白光干涉条纹零级条纹位置的几种方法,并对随机生成的表面进行了大量的数字模拟测量和分析比较,得出了各种算法对测量准确度的影响。研究结果对白光干涉的应用研究提供了可靠的理论根据。     

基于主元分析的随机相移算法

将统计理论中的主元分析应用到干涉条纹分析中,提出一种基于主元分析的随机相移算法。该算法先将多帧条纹数据分解成不相关的主元成分,然后从主元成分中提取2维相位信息。数值模拟结果表明:该算法不需要迭代运算就能从4帧完全随机相移干涉图中有效提取相位信息,运算时间少,精度高。实验结果表明主元分析相移算法比现有迭代相移算法更适合于随机相移干涉图分析。

     

基于主元分析的随机相移算法

将统计理论中的主元分析应用到干涉条纹分析中,提出一种基于主元分析的随机相移算法。该算法先将多帧条纹数据分解成不相关的主元成分,然后从主元成分中提取2维相位信息。数值模拟结果表明:该算法不需要迭代运算就能从4帧完全随机相移干涉图中有效提取相位信息,运算时间少,精度高。实验结果表明主元分析相移算法比现有迭代相移算法更适合于随机相移干涉图分析。     

数字相移技术用于不连续复杂物体的三维面形测量

提出了一种检测不连续复杂三维物体面形的技术,即数字相移技术结合查找表双频解包裹算法,用于不连续复杂物体的面形测量。首先介绍了数字相移技术和查找表双频解包裹算法的基本原理,然后通过实验实现了对不连续复杂物体的三维面形测量。结果验证了所提出的测量方案的有效性。     

基于白光干涉的自稳定定量相位成像系统

提出和建立了基于白光干涉的自稳定定量相位成像系统.该系统以柯勒照明的白光迈克耳孙干涉计为基础,使用自稳定锁相电路以减少相位噪音,引入相移装置获得定量的相化位图像.实验分别以平面镜、标准测试图和聚苯乙烯小球为样品.获得了清晰的定量相位图像,实现了对样品的实时观测.该装置采用卤素灯照明,达到轴向分辨力5 nm,系统中的柯勒照明结构使其具有高空间相干性.实验结果表明,该装置能有效避免系统中其他光学表面(如系统中的透镜表面)干扰信号的影响.     

基于数值模拟的高准确度五步相移算法研究

传统五步算法具有很好的准确度,但必须满足测量中无法实现的等步长相移条件,这在实际测量中无法使用。为此在双光束干涉原理的基础上,提出了一种改进型的五步算法,实现了在10 nm范围内任意步长的算法高准确度。通过数值模拟,结果表明:对于1 nm的步长测量误差、0.1%的信号测量误差,改进型五步算法的算法准确度优于0.001个相位周期,而且不需要等步长相移控制。改进型五步算法不仅技术上更易于实现,其结果也更加可靠,对于指导精密测长的实验和研究工作具有十分重要的意义。     

倾斜相移闭合干涉图的非迭代相位提取方法

针对带倾斜相移误差的闭合干涉图,提出一种非迭代的高精度相位提取方法.该方法用傅里叶变换估计闭合条纹的相位,并用图像分割校正相位的符号,然后利用Zernike多项式拟合确定倾斜相移量,最后用最小二乘拟舍得到高精度相位.数值模拟结果表明:该方法的相位提取误差随着干涉图中条纹根数的增多而减小;当干涉图中条纹根数为4.5时,倾斜相移的估计误差为0.37％.实验结果表明该方法的残余误差均方根值为0.121 7rad.该方法精度高,且无需迭代计算,可应用于相移干涉测量.