相移干涉微表面形貌检测仪的数据处理与实验研究

摘要

本文对基于相移干涉的纳米级微表面形貌检测仪进行了数据处理与实验研究。全面描述了微表面形貌检测的各种方法，分析了相移干涉的原理。对基于相移干涉图的数据处理过程，分别进行了干涉图优化、去噪，相位提取算法及解包裹算法的研究。找到了适于本系统的相位提取算法，引入了两种快速相位解包裹算法，提出一种改进算法。针对不同对象的数据处理需要，设计了界面友好的软件。通过标准粗糙度样板、光纤连接器端面及标准44nm台阶的实验研究，标定了微表面形貌检测仪的测量精度及测量范围。 论文完成的主要工作1.论述了影响干涉图像质量及相移干涉仪形貌检测精度的因素，讨论了通过照明条件的改进改善图像质量的方法。实现了多种去噪方法，对去噪效果进行对比。针对大灰尘点区域，提出自己的去噪方法。 2.实现了传统相位提取算法和改进相位提取算法。分析了各种相位提取算法对系统中不同误差的敏感性。用不同算法对实验中采集的干涉图进行处理，对比处理结果，证明了改进相位提取算法在本系统中的良好误差免疫性能。 3.引入两种路径跟踪快速解包裹算法，提出了一种去除解包裹图像缺陷的算法。利用Visual C++实现了以上3种算法，并对这3种算法对相位解包裹的效果进行比较，分析了各种算法的适用性和处理速度。 4.完成了标准粗糙度样板粗糙度值、光纤连接器端面参数及标准44nm台阶高度的实验研究和数据处理。完成了集数据采集，图像预处理，三维形貌特征及高度的恢复与显示，二维轮廓显示，倾斜面调平，多种参数测定与输出等功能的软件设计。 5.标定了仪器的精度和测量范围。与原子力显微镜，商用相移干涉测量系统的测量结果比对，本系统的高度测量精度优于3nm，高度测量范围不小于4μm，横向分辨率优于4μm。

目录

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第一章 绪论

1.1微表面形貌检测的测量方法

1.1.1微表面形貌检测的非光学测量方法

1.1.2微表面形貌检测的光学测量方法

1.2干涉法测量中的相位测量方法

1.2.1时间相移法

1.2.2空间相移法

1.3国外形貌检测仪的发展现状

1.4光学干涉法表面形貌测量的研究热点和方向

1.4.2测量对象的扩展

1.4.3深度测量范围的扩展

1.5本文的主要研究工作与各章主要内容

第二章相移干涉仪整体结构

2.1相移干涉仪的总体结构

2.2相移干涉仪的光学系统

2.2.1光学干涉成像部分

2.2.2光源及照明部分

2.3相移干涉仪的微位移控制系统

2.4相移干涉仪的图像采集系统

2.4.1图像传感器CCD

2.4.2图像采集卡

2.5本章小结

第三章干涉图像的改善与预处理

3.1在实验条件下的各种误差

3.2对干涉图像质量的实验改善

3.2.1光路均衡性的改善

3.2.2光源的选择

3.3对干涉图的去噪处理

3.3.1图像去噪的方法

3.3.2去噪结果对比

3.3.3本文提出的去除大灰尘点的方法

3.4本章小结

第四章相位提取算法研究

4.1相移干涉法的基本原理

4.2传统相位提取算法

4.3传统相位提取算法精度分析

4.3.1相移器线性误差

4.3.2探测器二次非线性相应

4.3.3光强信号的非正弦性

4.4改进相位提取算法

4.4.1线性相移误差不敏感四步算法

4.4.2光强信号二次谐波效应不敏感六步算法

4.5不同相位提取算法之间的比较

4.5.1对光纤连接器端面的处理结果对比

4.5.2对标准台阶面的处理结果的对比

4.6本章小结

第五章相位解包裹算法研究

5.1相位解包裹原理

5.2相位解包裹的理想算法与噪声相位解包裹

5.3路径跟踪解包裹算法

5.3.1基于相位参考阈值的相位解包裹算法

5.3.2基于一维离散余弦变换的相位解包裹算法

5.3.3基于插值拟合的去除解包裹图拉线的算法

5.4路径无关解包裹算法

5.5相位解包裹算法实验效果对比

5.6本章小结

第六章实验及测量精度分析

6.1粗糙度样板的测量

6.1.1最小二乘中线

6.1.2轮廓算数平均偏差

6.1.3取样长度

6.1.4粗糙度的测量步骤及软件流程图

6.1.5实验结果

6.2光纤连接器端面的测量

6.2.1光纤连接器的物理参数

6.2.2光纤连接器参数的测量原理

6.2.3测量流程及软件界面

6.2.4实验结果

6.3标准台阶的测量

6.3.1被测面倾斜的软件调平

6.3.2台阶高度测量的软件界面

6.3.3实验结果

6.4对比实验

6.5本章小结

第七章总结与展望

参考文献

攻读硕士学位期间的科研成果与发表的学术论文

致谢