基于波长移相的台阶测量技术

摘要

移相技术是当前光学件波面检测的重要技术方法，按移相方式可分为硬件移相技术和波长移相技术，其中以压电陶瓷实现移相为代表的硬件移相技术和干涉仪，实际生产应用最为广泛。而利用光源波长的改变来实现移相的波长移相技术，是近几年发展起来的技术方法。相对于传统的硬件移相技术，有其独特的特点，表现在：激光器既是光源又是移相器；移相值与被测轮廓相关；移相值与波长是非线性关系等。这些特点决定了波长移相与硬件移相的不同，表现在装置、实现算法和可实现的测量功能上。在国内尚未开展此方面的研究工作，因此本论文以波长移相技术为研究内容，是有其理论和实际应用意义的。 本文对波长移相技术的发展状况进行了概述，分析了波长移相技术的优缺点，指出了算法中需要解决的重点问题。提出了改进的轮廓测量算法，阐述了算法的设计过程和特点，对算法参数的确定进行了分析。总结了在波长移相干涉测量中的主要误差因素和处理方法。 详细概括基于波长移相的台阶测量技术，文中对这些算法进行了系统的归纳和分析。本文针对Takeda算法特点，提出了改进的Takeda算法，适用于较大台阶的测量(20μm以上)，测量中无需标准参考件和基准平板，是实用性较强的算法。对于20μm以下的台阶，采用了双波长组合算法，在波长移相干涉仪中，它简单易行。模拟分析与实验结果证明这两算法的正确性和可行性。 本文提出了一种新的基于小波变换的加窗傅立叶相位求解算法，详细介绍了算法基本原理。该算法只要两幅干涉图，有比较好的消除噪声的能力，不需要载波等优点，并通过模拟和实验验证了该算法的可行性和适用性。 构建了一台波长移相干涉仪，对平晶表面、相位板表面和台阶件进行了测量，验证了文中理论和所设计算法的正确性。 最后，本文根据课题研究工作和实际测试经验，指出了下一步需要开展的工作和设想。

目录

文摘

英文文摘

原创性声明及本论文使用授权说明

第一章前言

1.1课题来源及研究的意义

1.2研究现状

1.3本文的主要内容

第二章基于波长移相的轮廓测量算法

2.1波长移相的基本原理

2.2波长移相表面轮廓测量算法

2.2.1传统的算法-Cárre算法

2.2.2加权多步波长移相算法

2.2.3改进的加权多步移相算法原理

2.2.4改进的加权多步移相算法的设计

2.3加权波长移相算法的参数分析

2.4计算机模拟

2.5实验结果

2.5.1课题实验装置

2.5.2干涉系统

2.5.3可调谐激光器的工作原理

2.5.4实测数据处理

2.6本章小结

第三章波长移相干涉测量中的误差因素及处理方法

3.1波长移相中的主要误差

3.2本章小结

第四章基于波长移相的台阶测量算法

4.1波长移相测量台阶的主要算法

4.1.1时域处理算法

4.1.2频域处理算法

4.2台阶测量算法应用技术

4.2.1Cárre算法

4.2.2波长组合算法

4.2.3基于时域傅立叶变换找基频算法

4.2.4 Takeda算法

4.3本文提出的改进算法

4.3.1算法分析

4.3.2本算法测量范围讨论

4.3.3算法计算机模拟

4.4实验结果

4.4.1双波长算法的实验结果

4.4.2改进算法的实验结果

4.5本章小结

第五章基于小波变换的加窗傅立叶相位求解算法

5.1小波变换分解和重构消除背景光强的原理

5.2加窗傅立叶变换求解相位

5.2.1加窗傅立叶变换(windowed Fourier transform WFT)的简介

5.2.2 WFT求解干涉图相位的方法

5.3模拟结果

5.3.1算法处理精度

5.3.2相移误差和背景误差对算法影响

5.4实验结果

5.5本章小结

第六章总结

参考文献

攻读学位期间发表的论文

致谢