垂直扫描白光干涉测量关键技术的研究及应用

摘要

垂直扫描白光干涉光学轮廓仪是表面形貌和结构精密测量的重要仪器。本文以实验室自主研发的垂直扫描白光干涉表面形貌测量系统为基础,对其光源优化、扩大垂直测量范围及形貌恢复算法等若干关键技术进行研究,有效改进了其性能。
　　系统采用白光LED作为光源,Mirau干涉显微镜为干涉器件,借助衍射光栅干涉计量系统进行实时位移检测,通过压电陶瓷进行微位移垂直扫描获取干涉图像并进行形貌恢复和分析评定。
　　针对光源优化,本文考虑到数值孔径和照明光源等因素的影响,提出白光干涉信号的快速模拟算法,通过与实验结果比较,验证了算法的准确性;提出了干涉信号对比度的特征表示,并基于模拟算法和对比度描述,对白光LED、红光LED、蓝光LED及双光源组合等光源照明方式进行干涉信号的模拟和实测干涉信号比较,给出了光源选择优化方案。
　　针对垂直测量范围扩大需要,以衍射光栅干涉计量系统进行实时位移检测为基础,研究了结合步进电机和压电陶瓷,实现大范围粗精两级精密扫描,克服了压电陶瓷行程小的缺点。通过双频激光干涉仪的比对实验证明了该方案的可行性。
　　针对白光干涉形貌恢复算法,通过仿真测试比较了现有几种恢复算法的精度,并根据白光LED干涉信号特性研究了改进的包络曲线拟合算法。通过对单刻线的等精度测试实验验证了改进后包络曲线拟合法的精度和重复性。

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中文摘要

Abstract

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1 绪论

1.1 课题来源

1.2 课题的目的和意义

1.3 表面形貌测量的发展概况

1.4国内外研究现状

1.5 本文的主要研究内容

2 系统原理及总体设计

2.1 白光干涉测量原理

2.2 仪器总体结构设计

2.3 本章小结

3 光源干涉特性分析与优化

3.1 白光干涉信号的仿真分析

3.2 光源干涉特性比较与选择

3.3 本章小结

4 粗精两级驱动控制系统

4.1衍射光栅干涉位移计量

4.2粗精两级驱动控制

4.3实验测试

4.4本章小结

5 三维形貌恢复算法

5.1 三维形貌恢复算法

5.2 部分算法仿真

5.3 改进型包络曲线拟合法

5.4 本章小结

6 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 展望及今后工作建议

致谢

参考文献

附录 攻读学位期间取得的研究成果