光线扫描超分辨率精密表面干涉在线测量系统研究

摘要

随着先进制造、航空航天、光学、生物医学、材料、微电子、微机电系统等领域的发展，出现了很多精密和超精密表面。这些精密和超精密表面在很大程度上决定了产品的使用性能，对这些表面进行高精度测量对产品的设计、制造及使用具有重要意义。各领域的发展需要对这些精密和超精密表面进行非接触、高精度、快速、在线测量。现有测量方法难以满足这些测量需求。针对这一现状，本论文提出并研究了光线扫描超分辨率精密表面干涉在线测量系统，可以对精密及超精密表面进行非接触、高精度、快速、在线测量。
　　研究的测量系统包括光线扫描精密表面干涉测量系统、反馈稳定系统和超横向分辨率测量系统三个部分。首先，提出并研究了光线扫描精密表面干涉测量系统，将宽带光源发出的光色散成波长在垂直于光波传播方向连续分布的平行光片，将此光片聚焦成光线扫描被测表面，实现了对被测表面的非接触、高精度、快速测量。第二，为了使研制的干涉测量系统适合在线测量，研究了反馈稳定系统，对环境干扰对干涉测量系统的影响进行修正补偿，提高干涉测量系统的抗干扰能力，使之适合在线测量。第三，为了提高测量系统的横向分辨率，研究了一维振幅型光瞳滤波器，利用一维振幅型光瞳滤波器使测量系统的横向分辨率突破了光波的衍射极限，实现了超横向分辨率测量。最后，研究了光线扫描超分辨率精密表面干涉在线测量系统，实现了对精密表面的非接触、高精度、快速、超分辨、在线测量，满足各领域的发展对精密和超精密表面提出的测量要求。
　　本论文的主要创新如下:
　　1.提出了光线扫描精密表面三维干涉测量系统，只需一维扫描即可完成精密表面三维测量。
　　与点扫描测量方式相比，光线扫描测量方式极大地提高了测量速度，扫描机构简单，简化了测量系统，降低了成本;测量系统结构的简化还减少了误差源，为高精度测量打下了坚实的基础。
　　2.光线扫描被测表面时，入射到被测表面不同被测点的光波波长不同且固定不变，测量结果能准确溯源到波长基准。
　　利用闪耀光栅对宽带光源发出的光进行色散，形成波长在垂直于光波传播方向连续分布的平行光片，此平行光片经聚焦后对被测表面进行线扫描测量，只要各光学元件的空间位置固定，被测表面不同被测点接收到的波长就固定不变，不受光源光谱漂移的影响，因此，测量结果能准确溯源到波长基准。
　　3.设计了反馈稳定系统以补偿环境干扰的影响，实现对于涉仪的稳定，使测量系统适合在线测量。
　　4.设计了一维振幅型光瞳滤波器，对聚焦后扫描光线的宽度进行压缩，使光线宽度方向的横向分辨率突破了光波衍射极限的限制，实现超横向分辨率测量。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 精密、超精密表面形貌测量的意义

1．2 精密、超精密表面形貌测量的研究现状

1．2．1 触针表面轮廓测量仪

1．2．2 光学干涉表面形貌测量仪

1．2．3 光学共焦表面形貌测量仪

1．2．4 非光学显微镜

1．3 课题的提出及主要研究内容

1．3．1 课题的提出

1．3．2 本论文的主要研究内容

2 光线扫描精密表面干涉测量系统

2．1 测量系统基本原理

2．2 实际测量系统的分析

2．2．1 入射光平行度

2．2．2 入射角

2．2．3 入射光斑尺寸

2．3 准直缩束系统

2．3．1 光纤自准直透镜准直

2．3．2 透镜组准直

2．4 压缩光斑

2．4．1 不同压缩倍数的光路模拟

2．4．2 入射角和光栅的确定

2．4．3 实验结果

2．5 表面测量结果

2．5．1 系统光路

2．5．2 标定波长

2．5．3 测量结果

2．6 本章小结

3 反馈稳定系统

3．1 环境干扰对光学干涉仪的影响

3．2 稳定干涉仪的方法

3．2．1 算法

3．2．2 共路干涉仪

3．2．3 同步移相

3．2．4 自适应稳定技术

3．3 反馈稳定系统的设计与分析

3．3．1 反馈稳定原理

3．3．2 反馈电路原理

3．3．3 反馈回路分析

3．4 反馈稳定系统的实验结果

3．4．1 PZT的频率响应

3．4．2 反馈系统补偿效果

3．4．3 干涉测量系统的稳定实验

3．5 本章小结

4 超横向分辨率测量

4．1 光的衍射极限

4．2 突破衍射极限的方法

4．2．1 基于传统衍射理论的方法

4．2．2 光源照明超分辨技术

4．2．3 光瞳滤波超分辨技术

4．3 线扫描测量系统的横向分辨率

4．3．1 宽度方向横向分辨率的提高

4．3．2 长度方向横向分辨率的提高

4．4 本章小结

5 光线扫描超分辨率精密表面干涉在线测量系统

5．1 测量系统原理

5．1．1 测量部分光路结构

5．1．2 反馈稳定部分光路结构

5．2 测量结果

5．2．1 标定波长

5．2．2 测量系统稳定性

5．2．3 重复测量精度

5．2．4 表面测量结果

5．3 测量分辨率和精度分析

5．3．1 测量分辨率和量程

5．3．2 测量精度分析

5．4 本章小结

6 总结与展望

6．1 完成的主要工作

6．2 论文主要创新点

6．3 下一步工作展望

参考文献

作者简历及攻读博士学位期间取得的研究成果

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