（光学专业论文）数字刀口检测技术的研究.pdf

型竖些燮生羔1 黼4 数字刀口检测技术的研究 光学专业 研究生：张艳指导教师：蔡邦维教授 刀口检测具有设备简单、成本低、检验精度高、非接触性测量无损伤， 速度快等优点，但由于传统的刀口检测只能定性，不能定量的缺点，多年来一 直没有得到突破性发展。随着计算机技术、图像处理技术的发展，使刀口检测 数字化成为可能，给刀口仪配上c c d 作实时图像采集、图像处理，运用计算机 对检测图像进行分析处理，可以快速得到定量的检测结果，大大拓展了刀口检 测的应用领域。 论文阐述了国内外在光学元件面形检测的研究现状，介绍了各种光学元件 面形的常用检测方法，明确了数字刀口检测技术这一研究课题的现实意义和实 际应用价值，详细介绍了数字刀口检测的关键技术并利用数字刀口检测技术 对大口径光学元件和微光学元件进行了实验验证。所取得的主要研究成果包括： 、根据刀口检测的原理，比较分析了刀口切割理想像点和实际像点的图像差 异，明确提出了刀口检测中暗场闽值的概念，首次给出了相应的数学表达 式。 二、结合具体的象素灰度随刀口位置变化的关系曲线，经过分析比较，首次选 用了b o l t z m a n 模型进行曲线拟合，并给出了相应的数值计算方法。选择 b o l t z m a n 模型有以下优点：不仅模型中各参数的物理意义明确，而且能简 化计算过程，减小了计算量。 三、针对大口径光学元件的特点，结合数字刀口检测技术的实验思想，抓住实 际面元相对于理想面元的相对倾斜角这一核心参量，首次建立了大口径光 学元件面形的数字刀口检测的几何模型，该模型具有形式简单，适用性广 的优点。 四川大学硕士学位论文 四、针对在微光学元件的刀e l 检测中，阴影图不易识别的难题，根据反复实验 和深入思考提出了微光学元件阴影图的动态识别法。 五、根据建立的几何模型，确定了实验方案的选择，完成了实验装置设计，建 立了数字刀口检测的实验装置。通过实验测量证实能够恢复出完整的被检 测面形的三维图像，进而可求出被检面形质量评价的有关参数，真_ i f 实现 了定量，高速、精确的数字化检测，使刀口检测取得了突破性的技术进步。 六、自行编制了一套进行数字刀口检测处理分析的程序，使得对大口径光学元 件，微光元件的数字刀口检测具有兼容性，具有去离焦处理、面形重构的 功能，能计算得到各项面形检测的评价参数：p v 值，r m s 值。 关键词：刀口检测数字化检测大口径光学元件微光学元件面形检测 婴查主婴圭兰垡堡壅 s t u d i e so n d i g i t a lk n i f e e d g et e s t i n gt e c h n o l o g y m a j o r ：o p t i c s b y ：z h a n g y a h t u t o r ：p r o f e s s o rc a ib a n g w e i k n i f e e d g et e s t i n gt e c h n o l o g y h a s m a n ya d v a n t a g e s ，f o re x a m p l es i m p l e e q u i p m e n t s ，l o wc o s t ，w i t hl i t t l ed a m n i f i c a t i o nb yn o n c o n t a c tt e s t i n g ，f a s t a n dh i 曲 p r e c i s i o n f o ral o n gt i m e ，t h e r eh a sb e e nr i ob r e a k t h r o u 【g ao nk n i f e - e d g et e s t i n g t e c h n o l o g yb e c a u s eo f i t ss h o r t c o m i n gi nq u a l i t a t i v et e s t i n g w i t ht h ed e v e l o p m e n to f c o m p u t e rt e c h n o l o g y a n d i m a g ep r o c e s s i n gt e c h n i c ，d i g i t a lk n i f e e d g et e s t i n g t e c h n o l o g y h a sb e e n p u tf o r w a r d t h ec o m p u t e r c a l lb eu s e dt od i s p o s a lt h ei m a g e s r e c o r d e db yt h ec c dd e t e c t o ra n dt h eq u a n t i f i c a t i o n a lr e s u l t sw i l lb eo b t a i n e ds o o n t h e r e f o r e ，t h ea p p l i e df i e l do fk n i f e e d g et e s t i n gt e c h n o l o g yh a sb e e nb r o a d e n e d t h i sp a p e re x p a t i a t e st h es t a t u sq u oo fs u r f a c ec h a r a c t e r i z a t i o nt e s to f o p t i c a l c o m p o n e n t sd o m e s t i ca n do v e r s e a s ，a n di n t r o d u c e st h ec o m n l o nm e a n su s e dt ot e s t s u r f a c ec h a r a c t e r i z a t i o no f o p t i c a lc o m p o n e n t s ，s e q u e n t i a l l yp u t s f o r w a r dt h e p r a c t i c a ls i g n i f i c a n c ea n da p p l i e dv a l u eo ft h i s s t u d i e s a f t e ri n t r o d u c i n gt h ek e y s t e p so fd i g i t a lk n i f e - e d g et e s t i n gt e c h n o l o g yi nd e t a i l ，w ev a l i d a t et h et e s t i n go n b o t hl a r g e a p e r t u r eo p t i c a lc o m p o n e n ta n dm i c r o - m i r r o ra r r a y t h em a i nr e s u l t s o b t a i n e df r o mt h ee x p e r i m e n t sh a v eb e e ns u m m a r i z e da sf o l l o w s ： 1 a c c o r d i n gt o t h ep r i n c i p l eo fk n i f e - e d g e t e s t i n g ，w ec o m p a r et h ep e r f e c t f o c u sw i t ha c t u a lf o c u st of i n dt h e i m a g e d i f f e r e n c eb e t w e e nt h e mw h e nt h e k n i f e e d g ei sm o v i n g ，a n dp u tf o r w a r dt h ec o n c e p to f t h ed a r k e n i n gt h r e s h o l do f e a c h p i x e lw i t hc o r r e s p o n d i n g m a t h e m a t i c e x p r e s s i o n 2 a f t e r a n a l y s et h e c u r v eo fi l l u m i n a t i o n r e s p o n s e o fo n e p i x e lw h i l et h e k n i f e e d g ei sm o v i n gt h r o u g ht h ei m a g e ，w ef i tt h em e a s u r e di l l u m i n a t i o nd a t aw i t h 四川大学硕士学位论文 b o l t z m a nm o d e l ，a n dt h e np r e s e n tt h en u m e r i cc a l c u l a t i n gm e t h o d t h eb o l t z m a n m o d e li sc h o s e nn o to n l yb e c a u s et h ep h y s i c a lm e a n i n go fe a c hp a r a m e t e ri n s i d ei s d e f i n i t eb u ta l s ot h em o d e lc a n s i m p l i f y t h ec a l c u l a t i n gp r o c e s s 3 a i m i n ga tt h ec h a r a c t e r i s t i c so fl a r g ea p e r t u r eo p t i c a lc o m p o n e n t ，c o m b i n i n g w i t ht h ee x p e r i m e n t a lt h o u g h t so ft h ed i g i t a lk n i f e e d g et e s t i n gt e c h n o l o g ya n d t i g h t l yh o l d i n gt h er e l a t i v es l o p eo fe a c hs u r f a c eu n i t ，w ee s t a b l i s ht h eg e o m e t r y m o d e lo fl a r g ea p e r t u r eo p t i c a lc o m p o n e n tf o rt h ed i g i t a lk n i f e - e d g et e s t i n gf o rt h e f i r s tt i m e ，w h i c hm o d e lh a st h es i m p l ef o r ma n dc a nb ea p p l i e de x t e n s i v e l y 4 t h eg r e a td i f f i c u l t yi st oi d e n t i f yt h es h a d o wi m a g ei nm i c r o - m i r r o ra r r a y t e s t i n g w ee x p e r i m e n ta g a i na n da g a i n w i t h d e e pc o n s i d e r a t i o na n dp u tf o r w a r dt h e d y n a m i ci d e n t i f y i n gm e t h o d i nt h ec o u r s eo fm i c r o m i r r o ra r r a yt e s t i n g 5 b a s e do nt h eg e o m e t r ym o d e lw h i c hh a db e e ne s t a b l i s h e d ，w em a k es u r et h e c h o i c eo ft h ee x p e r i m e n tp r o j e c ta n dc o m p l e t et h ee x p e r i m e n t a le q u i p m e n td e s i g no f t h e d i g i t a lk n i f e e d g et e s t i n g w ev a l i d a t et h er e c o n s t r u c t i o no ft h ef u l l s u r f a c ei n t h r e ed i m e n s i o n a l i t i e sa n dc a l c u l a t et h er e l e v a n tp a r a m e t e r so ft h et e s t e ds u r f a c e c h a r a c t e r i z a t i o n ，a n dt h e nm a k e ab r e a k t h r o u g hi nk n i f e e d g et e s t i n gf o rr e a l i z et h e q u a n t i t a t i v e ，h i g hs p e e d a n d p r e c i s et e s t i n g 6 t h es o f t w a r eu s e dt op r o c e s se x p e r i m e n t a ld a t ah a sb e e np r o g r a m m e d ，w h i c h i n c l u d e ss e v e r a lk i n d so ff u n c t i o n s ，s u c ha sp - va n dr m sv a l u ec a l c u l a t i o na n d r e c o n s t r u c t i o no ft h ea c t u a lt h r e e d i m e n s i o ns u r f a c e w h a t sm o s ti m p o r t a n ti st h e s o f t w a r ec a nb ea p p l i e dt ob o t hl a r g ea p e r t u r eo p t i c a lc o m p o n e n ta n dm i c r o m i r r o r a l t a y k e yw o r d s ：k n i f e e d g et e s t i n g ，d i g i t a lt e s t i n g ，l a r g ea p e r t u r eo p t i c a lc o m p o n e n t ， m i c r o m i r r o ra r r a y , s u r f a c ec h a r a c t e r i z a t i o nt e s t 四川大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 国内外研究现状 1 ，1 1 大口径光学元件的面形检测 光学系统口径尺寸的增大既可提高空间分辨率又能增大信号能量，使得大 口径光学镜面在地面天文、空间天文以及其它监测系统中应用曰益，。泛。在激 光约束核聚变( i c f ) 驱动系统中，就大量使用了各种大孔径、长焦距的光学元 件。大口径光学元件对光波波前的影响主要有以下因素：一是光学元件材料的 均匀性( 如杂质含量、气泡等) ，另一方面是光学元件表面加工质量( 如面形 的平整情况、粗糙度等) 。对大口径的光学元件进行高精度的检测成为光学系 统正常有效运转的前提。 对大口径光学元件的检测主要分为面形检测和轮廓检测。光学元件的面形 检测一般采用干涉仪进行检测，检测主要针对元件加工中产生的低频、中频误 差。而轮廓检测多采用表面轮廓仪，该检测主要针对元件加工中产生的高频误 差。 通常检测大口径光学元件的面形质量是使用大口径相移干涉仪，这就需要 有一块与被检测元件大小相同或更大尺寸的标准面形，而加工高精度的标准表 面，难度极大，制造周期长，生产成本高；而且，大口径相移干涉仪本身成本 昂贵，检测环境要求苛刻，只适用于高精度的元件终检，对于加工中的工序检 测和现场检测来说成本太高“。 此外，大口径干涉仪为了满足检测口径的需要牺牲了分辨率。使检测结果 丢失了中、高频信息，在此前进行的分析研究中发现能得到的最高空间频率只 有i 线m m 左右，远远不能满足评价工作的需要。 为了解决这个问题各国都提出了使用予孔径拼接干涉检测的方法，并取得 了一些初步的测量结果。此项技术的基本原理就是分别测量大口径面形的一部 分( 孔径扫描) ，然后利用孑l 径重叠的数据得到各子孔径的安装向量，消除子孔径 测量时带来的不同倾斜、旋转、离焦，从而恢复出全孔径波面。法国c i l a s 的 m i c h a e lb r a y 成功研制了用于大口径光学元件的子口径拼接干涉仪0 1 。该装置 的检测仪器原型是口径为l o o m m 的相移干涉仪，干涉仪的空间分辨率达0 2 r a m 四川大学硕士学位论文 测量时移动承载光学元件的工作台，对口径为5 4 0 r a m 6 0 0 m m 的被检测元件进 行数十次的子口径测量，总体重复性p v 值约为l o n m ，r m s 值约为2 n m 。 国内也利用子口径拼接方法开展了一些相关工作。针对我国i c f 驱动系 统光学元件中、高频段的高精度检测，四川大学自行设计并建成了一套实用化 的子孔径拼接干涉检测装置”1 ，利用数理统计分析方法分析了子口径拼接检测系 统的精度，推导出了准确的拼接检测系统精度和误差分布结果，通过实验得到 了该子口径检测平台的精度为2 1 5 ，能够满足我国i c f 驱动系统光学元件检测 的实际需要。 利用子口径拼接装置检测大口径光学元件，不仅成本降低，而且可以获得 大口径干涉仪所截去的波面高频信息。随着大口径光学元件应用的不断发展，要 求孔径放大系数更大，测量精度更高。为此需要不断提高位相探测的灵敏度，采 用更好的拟合方案。现有的多孔径拼接技术是两孔径拼接的不断重复，这样往往 会造成误差传递和求解的不稳定性。而通过建立目标函数，寻求使目标函数达到 最优时的解，可实现多个子孔径的拼接，减少传递误差的积累。目前，子孔径拼 接技术的主要问题是检测过程较长，操作复杂，而且测量精度需要进一步提高。 1 1 2 微光学元件的面形检测 借助于光学技术、激光技术、微电子技术及微加工技术而实现的微列阵具 有丰富的机械、电子和光学特性。在许多宏观光学领域有着广泛的应用，如对 相干光和非相干光束的扫描，实现对自由空间光的调制，实现对激光束波前相 位的控制或成像系统相位的修正等。微镜列阵不仅在军事上有着重要的应用， 而且在民用技术领域也有着很大的发展潜力，如微镜列阵扫描器可用于新型高 精度、小型化的激光雷达，现代化的智能武器；还可用于自由空间的保密通信， 实现空地、空空作战的飞行器间的通信：也可用于红外热成像仪，工业机器人 视觉以及激光全景投影显示系统和医疗设备等。 鉴于微镜阵列的广泛应用及其精密的微加工制作工艺，要对直径为几微米， 几何尺寸精度小于1 o n 的微镜和微镜阵列进行精确的面形质量检测尤为重要。 在二元微光学元件的制作过程中主要存在三种误差“1 ，即线宽误差，对准误 差和相位深度误差。线宽误差和对准误差是横向误差，相位深度误差是纵向误 四川大学硕士学位论文 差。由于误差的存在，使得微光学元件的实际微观轮廓偏离其量化后的理想结 构。 检测光学元件面形质量最常用的方法是干涉测量法“5 。”，但是在微米尺寸 的规则微透镜阵列上有不连续凹陷，使得干涉图案显著受到衍射效应的影响， 从而利用干涉仪不能对微透镜阵列进行精确的面形检测。 用常用的接触式表面轮廓仪进行测量，其空间分辨率受限于微探针的外形 尺寸，测量精度一般为m 量级，并且金刚石探针划过被检测表面时容易造成损 伤，故用作微透镜阵列的面形测量也有不足之处。 还可以利用扫描隧道显微镜( s t m ) 、原子力显微镜( a f m ) 等先进检测仪 器来进行微光学元件面形的检测。虽然扫描隧道显微镜和原子力显微镜具有 极高的分辨率与测量精度的优点，但它们的工作范围都较小，一般为数平方微 米到几十平方微米左右，而且设备成本高，不能满足制造加工检测中的实际需 要。 1 9 9 9 年，法国f r e d e r i cz a m k o s i a n 等人提出用傅科刀口检测的方法“”3 对反射式微镜阵列的面形质量进行了准确的测试，在实验中已沿一个方向对由 1 6 p m 1 6 删的方形微镜单元构成的阵列进行了局部表面倾斜的测量，检测出单 元微镜的最大形变小于2 n m ，这一检测精度与原子力显微镜的检测精度相当”“。 i 2 论文主要研究内容 通过阐述国内外在光学元件面形检测的研究现状，介绍了各种光学元件面 形的常用检测方法的优缺点，从而明确了数字刀口检测技术这一研究课题的现 实意义和实际应用价值。传统的刀口检测具有设备简单，成本低、检验精度高 ，非接触性测量无损伤、速度快等优点，但是只能定性，不能进行定量检测， 不能满足现代高精度检测技术的要求。而刀口检测数字化是给刀口仪配上c c d 作实时图像采集、图像处理，运用计算机对检测图像进行分析处理，可以快速 得到定量的检测结果，大大拓展了刀口检测的应用领域。 本论文主要进行了以下几方面的研究工作： 一、阐述了国内外在光学元件面形检测的研究现状，介绍了各种光学元件 面形的常用检测方法，分析讨论了各种方法在大口径光学元件和微光学元件的 四j i l 大学硕士学位论文 面形检测中各自的优点及其局限，进而明确了数字刀1 3 检测技术这一研究课题 的现实意义和实际应用价值。 二、根据刀1 3 检测的原理，建立和完善了大1 3 径光学元件和微光学元件面 形检测的几何模型，引入了暗场闽值这一概念及其相应的数值计算方法并进行 了理论论证。 三、根据建立的几何模型，确定了实验方案的选择，完成了实验装置设计， 建立了数字刀口检测的实验装置。通过实验测量证实能够恢复出完整的被检测 面形的三维图象，进而可求出被检面形质量评价的有关参数，真正实现了定量 、高速、精确的数字化检测，使刀口检测取得了突破性的技术进步。 四、具体分析了大口径光学元件和微光学元件面形检测中影响实验误差的 主要因素，进行了测量误差分析，提出了各自的实验改进方案。 五、编制出一套刀口检测阴影图的图像处理和数据分析软件，实现了被检 光学元件面形的三维重构，并计算出有关的面形质量评价参数； 六、结合具体的实验测试分析，指出了整个光学检测系统丞需改进和完善 的地方，以及进行进一步深入研究工作的方向。 四川大学硕士学位论文 参考文献 1 杨力，先进光学制造技术，科学出版社，北京，2 0 0 1 ： 2 m i c h a e lb r a y ，s t i t c h i n gi n t e r f e r o m e t e rf o rl a r g ep l a n eo p t i c su s i n gas t a n d a r d i n t e r f e r o m e t e r s p i e 1 9 7 7 ( 3 1 3 4 ) 3 9 5 0 ； 3 许乔，顾元元，柴林等，大口径光学元件波前功率谱密度检测，光学学报，2 0 0 1 v 0 1 2l ( 3 ) ： 4 自剑，程上彝，杨国光，大口径镜面的多孔径拼接技术，光学学报，1 9 9 7v 0 1 1 7 ( 7 ) 5 刘军，舒晓武，白剑，刘承，大口径数字波面检测技术的研究，光学仪器，2 0 0 3 v 0 1 2 5 ( 6 ) ： 6 张蓉竹，杨春林，许乔，蔡邦维，使用子孔径拼接法检测人口径光学元件，光学技术 2 0 0 1v 0 1 2 5 ( 6 ) ： 7 张蓉竹博士学位论文 i c f 系统光学元件高精度波前检测技术研究2 0 0 3 4 ； 8 杨国光，先进光学测试技术，浙江大学出版杜，杭州，2 0 0 1 ； 9 张亦奕，贺节，商广义等，原子力显微镜，光学学报，1 9 9 5 ，1 5 ( 1 ) ：1 1 2 1 1 6 ： 1 0 许乔，叶钧，包正康等，热熔微透镜列阵的综合性能测试，仪器仪表学报，1 9 9 6 ，1 7 ( 1 ) ：1 2 5 1 2 8 ； ( 1 1 z a m k o t s i a nf ，d o h l e nk ，l a n z o n n ip ，e ta l c h a r a c t e r i z a t ，i o no f s u b n a n o m e t e rd e f o r m a t i o n s s p i e ，1 9 9 9 ，v 0 1 3 7 8 2 ：3 2 8 - - 3 3 6 ； k n i f e e d g et e s tf o r i nm i c r o o p t i c a ls u r f a c e s 1 2 f r e d e r i cz a m o k o t s i a n ，k j e t i ld o h l e n ，v e r o n i q u eb u a t ，d e n i sb u r g a r e l l a ， m i c r o m i r r o ra r r a yu n i t m a g n i f i c a t i o nm u l t i o b j e c ts p e c t r o g r a p hf o rn g s t s p i e ，2 0 0 0 ，v 0 1 4 0 1 3 ；5 8 0 5 8 6 1 3 g m p o p o v ，p o s s i b l es p a c et e l e c o p eo p t i c st e s t i n gi n t h es p a c e ，s p i e v 0 1 3 3 5 6 ：9 3 4 9 3 7 ； 1 4 a r t h u rh o ，k l a u se h r m a n n ，ak n i f e e d g es y s t e mf o re v a l u a t i n gc o n t a c t l e n s e s ，s p i e ，v 0 1 3 9 0 8 ：1 0 2 1 0 7 ； 1 5 w a i t e rd f u r l a n ，l a u r am u n o z e s c r i v a ，a m p a r op e n s h n a l y s i so f l e n sa b e r r a t i o n su s i n ga r e t i n o s c o p ea s s p i e 2 0 0 0 ，v 0 1 3 8 3 1 ：4 0 8 4 1 1 ； 5 m a n u e lm a r t i n e z c o r r a l af o u c a u l tt e s t ， 四川i 大学硕士学位论文 1 6 r e i n h a r dv o e l k e l ，p h i l i p p en u s s b a u m ，j e a nc h r i s t o p h er o u l e t 。d e s i g n f a b r i c a t i o n ，a n dt e s t i n go fm i c r o o p t i c a lc o m p o n e n t sf o rs e n s o r sa n d m i c r o s y s t e m s ts p i e v 0 1 3 0 9 9 ：1 9 6 2 1 1 ； 1 7 w e i jj a nt i a n ，j i a n w e ny a n g ，z h e n g k a n gb a o ，n e wm e t h o df o rm e a s u r i n gt h e p r o p e r t i e so fo p t i c a ls y s t e m sw i t hm i c r o o p t i cc o m p o n e n t s ，s p i e ，2 0 0 0 ，v o l 2 8 9 9 ：2 6 3 2 6 8 ； 1 8 k e i t h0m e r s e r e a u ，r a n d a l ljc r i s c i ，c a s i m i rrn i j a n d e r ，t e s t i n ga n d m e a s u r e m e n to fm i c r o l e n s e s ，s p i e v o l ，1 9 9 2 ：2 1 0 2 1 5 1 9 l i n d l e i n ，n o r b e r t ，s c h w i d e r ，j o h a n n e s ，o p t i c a lm e a s u r e m e n tm e t h o d sf o r r e f r a c t i v em i c r o l e n s e sa n da r r a y s ，s p i e ，2 0 0 1 ，v 0 1 4 4 5 5 ：2 6 4 2 7 1 ： 2 0 】h a l e ，l e o n a r dg ，m o t a m e d i ，m e ：g u n n i n g ，w i i i i a mj o p t i c a lt e s t i n ga n d c h a r a c t e r i z a t i o no fm i r o l e n sa r r a y s ，p r o c e e d i n g so fs p i e t h ei n t e r n a t i o n a l s o c i e t yf o r 印t i c a le n g i n e e r i n g , v1 7 5 1 ，1 9 9 3 ，p4 7 5 1 。 6 - 四i i 大学硕士学位论文 第二章光学元件表面检测的常用方法 随着微电子技术、光通信技术、航空航天，天文事业、国防科技的全面发 展，对当代光学元件的制造加工提出了更高的要求，光学元件也从成像元件扩 展到功能元件，从被动元件延伸到主动元件。同时也促进了光学检测手段的迅 速发展，产生了光学工艺检测的一些新方法和新技术。 2 1 干涉术 在光的干涉理论提出以后，利用光的干涉现象进行光学元件加工质量的检 测方式便已广泛使用了，最早和最简单的例子就是牛顿环的应用“3 。经过多年的 发展，尤其是在计算机技术的飞速发展和广泛应用下，仅凭经验、非定量的干 涉仪已经过渡到了通过干涉仪条纹信息的定量提取和分析的数字化干涉仪。所 谓数字干涉技术就是要利用图象处理技术与计算机技术相结合，从干涉仪得到 的干涉条纹出发，根据在空间上呈正弦分布的光强信息恢复出波面的相位信息。 i ( x ，y ) = a ( x ，y ) + b ( x ，y ) c o s # ( x ，j ，) ( 2 1 ) 式中i ( x ，y ) 是干涉条纹产生的呈正弦分布的光强，( t y ) 与b ( x ，y ) 分别表示 亮条纹与背景光的强度，a ( x ，y ) b ( x ，y ) 则是条纹对比度，( z ，y ) 是干涉仪测得 的波面位相分布函数。利用式( 2 1 ) 即可由干涉条纹的光强度分布反推计算波 前的相位分布，但是由于a ( x ，y ) 、b ( x ，_ y ) 以及矿( x ，y ) 的具体表示是未知的，同 时存在关系：c o s # = c o s ( 一) 和c o s # = c o s ( # + 2 丌) ，因此在求解时还必须采用一 些特殊的方法解决这些问题。1 。 根据条纹图象处理而产生的具有定量分析功能的数字干涉仪可以分为两大 类。1 ：利用强度分析方法的静态条纹判读干涉仪和利用相位分析方法的相移干涉 仪。图2 1 - 1 简要显示了这两种干涉仪的分析方法和过程“1 。 强度方法利用了传统的图象处理算法对干涉条纹采用极值定位技术来求解 相位分布，相位方法则是主动改变了干涉条纹的相位，使条纹的强度分布表示 为： l ( x ，y ；t ) = a ( x ，y ) + b ( x ，y ) c o s # ( x ，力+ 2 j r ( f o ，x + f o ，y ) + v o f + o o ) 】 ( 2 2 ) 式中 ；，厶。分别是x 和y 方向上的初始空间频率，是初始的时间频率， 口( f ) 是相位的偏移量。通过改变位相函数则为求解波前位相分布提供了附加的 条件。因此相移算法可以提供更高的检测精度。 四川大学硕士学位论文 静态条纹判读干涉仪和相移干涉仪从结构上说，它们之间的区别主要在于 是否在干涉仪的标准参考平面上加入了精密移动功能。一般说来，强度方法技 术较为简单，设备投资较小，其精度稍低( 一般在a 1 0 左右) ，通常用于光学 加工的工序检验。而相移方法能够达到很高的精度( 可达到五1 0 0 ) ，技术较 为复杂，设备投资大，通常用于光学元件的最终成品检验。 干涉原理在测试技术中应用广泛，干涉仪种类也很多，但在现代光学加：【 图2 1 - 1 干涉仪检测过程及分析方法示意图 检测中，常用的有泰曼一格林( t w y m a n g r e e n ) 型干涉仪、斐索( f i z e a u ) 型干涉仪以及马赫一泽德( m a c h z e h n d e r ) 型干涉仪。图2 3 - 2 2 3 - 4 显示了 这几种常用干涉仪的基本光路结构”。 从图2 卜2 可以看出，泰曼一格林干涉仪实际上是迈克耳逊干涉仪的改型， 用于光学零件( 或光学系统) 的综合质量的检测。检测原理是通过研究光波波 面经光学零件后的变形来确定零件的质量。这种干涉仪结构的特点是不需要大 口径的准直物镜和分光镜，但被测元件与标准参考面不在同一个光路上，这样 对系统防震的要求很高。 8 四川大学硕士学位论文 r e f c r f l c c 图2 1 2 泰曼一格林干涉仪光路结构示 图2 卜3 所示的斐索干涉仪，常用于光学零件表面质量的检测，按照测量 对象的不同可分为平面干涉仪和球面干涉仪。在这种结构中则需要一个大口径 的准直系统，不过这种结构对干涉仪的防震要求不是太高，因为被检测元件与 标准参考平面在同一条光路上。 图2 1 - 3 斐索干涉仪光路结构示意图 t e s t i n gc o m p o n n e n t 图2 卜4 所示的马赫一曾德干涉仪实际上是横向错位干涉仪的一种，常用来 测量相位物体引起的相位改变，如大型风洞中气流引起的空气密度变化、微小 物体的相位变化等。它的特点是整个系统对防震要求不高，但系统中分离元件 数量较多，且在检测过程中需要进行调整，使得操作较为复杂。 四川大学硕士学位论文 用干涉仪检测高精度的表面面形时，要求有一块与被检元件尺寸相同或更 t h c t e s t i n g c o r n p o n n 曲tc c d b e a md i v i d e r m t n _ 0 r 图2 卜4 马赫一曾德干涉仪光路结构示意图 大尺寸的标准面形，这在大口径光学元件的面形检测中，往往是办不到的。加 工高精度的标准表面，不仅难度大，而且制造周期长。因此，采用大口径干涉 仪作为大尺寸、高精度光学元件的检测手段，无疑会使元件的制造成本大幅度 增加。 另外，现代光学系统往往要求得到被检测光学元件的波前微细结构，即空 间波长在毫米及亚毫米量级的波前信息。而干涉仪的空间分辨率由测试孔径、 c c d 探测器的空间分辨率和干涉系统的传递函数所决定的。对于大口径的干涉 仪，其空间分辨率一般仅限于探测空间波长大于数毫米的波前信息，而更高频 的信息被系统截止了。 子口径 大孔径元件 图2 1 - 5 大口径光学元件子孔径拼接方法测量示意图 四川大学硕士学位论文 子孔径拼接就是实现高空间分辨率的波前检测方法。1 “。其基本原理是使用 小1 1 1 径的高精度干涉仪，每次仅检测光学元件整个孑l 径的一部分( 称为子孔径) ， 通过移动被检测元件或干涉仪孔径，使得子口径的测量范围覆盖整个元件，并 使子孔径间略有重叠，然后采用拼接技术得到全孔径的检测结果。图2 卜5 为 子孔径拼接的示意图“，。 利用子孔径拼接技术检测大口径光学元件，不仅成本大大降低，而且可以 获得大口径干涉仪所截去的波面高频信息。但在反复利用两个子孔径的拼接原 理实现多个子孔径的拼按过程中，往往造成误差传递，加上算法本身存在一定 的误差，使得子孔径拼接技术在提高检测精度方面仍存在很大困难“。 2 2 表面轮廓测量术 光学元件的表面微观不平整度是光学元件加工检测中非常重要的一个参 数，通常将其称为表面粗糙度，检测工具为表面轮廓仪。表面粗糙度的检测方 法一般分为接触式和非接触式两种* ，。 接触式检测是利用一个很小的金刚石探针在被测表面划过从而得知表面的 平整度情况，这种方法的精度不高，分辨率仅为0 0 1um ，测量范围为4 m m ( 或 8 m m ) 。接触式表面轮廓仪的测量精度不高，而且由于金刚石划过被检测表面时 容易造成损伤，故不易用作高精度的表面检测。 图2 2 - 1 表面轮廓仪光路结构示意图 四j 1 1 大学硕士学位论文 非接触式表面轮廓仪采用光学干涉的方法提取光学表面的粗糙度信息，常 用的方法有相移干涉方法、外差干涉方法、调制探测方法等。非接触式表面轮 廓仪具有以下主要优点： 1 ) 测量过程中不接触被检测面，不会对元件表面造成损伤； 2 ) 空间分辨率高，其分辨率由显微镜系统的光学分辨率决定，可以测量高 频的表面缺陷； 3 ) 测量精度高，可以达到五1 0 0 。 非接触式表面轮廓仪的基本光路结构如图2 2 一l 所示。其间使用了相移干 涉技术和垂直扫描的方法，既保持了相移干涉测量的高精度特点，又大幅度的 拓宽了测量范围，而且测量方式不会损伤元件表面，因此广泛使用于超光滑表 面的检测。 然而很多实验表明“，在对超光滑表面租糙度进行测量时，对于同一个表面 不同类型的表面轮廓仪通常会给出不同的结果，这使得测量结果之间的可比性 成为问题，表面轮廓仪的带宽对表面粗糙度测量有着重要影响，轮廓仪的带宽越 宽，则给出的测量值越大，也越接近真实值。因此对两种不同类型的轮廓仪测得 的结果一般不能直接进行比较，除非两者具有相同的带宽。 2 3 显微术 近十几年来，加工技术有了很大的进步，加工精度已突破亚微米级开始进 入纳米级的技术领域。这对于计量的要求已远远超过了最初对加工工件型体尺 寸表面形态的测量，需要新的测量手段和新的测量方法能进行纳米量级的测量。 具有纳米级分辨率的测量仪器有【4 】： a 1 场离子束显微镜测场散射： b ) 扫描电子显微镜测次级电子； c ) 扫描隧道显微镜测电荷密度； d ) 原子力显微镜测原子及离子力： e ) 扫描电容显微镜测表面电容； f ) 差分干涉显微镜光学反射； g 1 纳米探针装置绘拓扑图。 这些测量仪器根据不同的物理原理来确定测头和被测元件的相互关系。传 统的探针仪由于与样品表面接触易使样品受损。光学方法虽没有这个缺点，却 四川大学硕士学位论文 存在以下问题：易受表面相交的影响，对晃动敏感，分辨率限定在纳米范围且 不易校正，而电容法测量易受导电率的影响。 2 3 1 扫描隧道显微镜( s t m ) 扫描隧道显微镜( s t m ) 的基本原理是利用量子理论中的隧道效应，将原子尺 度的极细探针和被研究物质的表面作为两个电极，当样品与针尖的距离非常接 近时( 通常小于1 n m ) ，在外加电场的作用下，电子会穿过两个电极之间的势垒 流向另一电极。利用电子反馈线路控制隧道电流的恒定，并用压电陶瓷材料控 制针尖在样品表面扫描，则探针在垂直于样品方向上高低的变化就反映出样品 表面的起伏，如图2 3 1 所示。将针尖在样品表面扫描时运动的轨迹直接记录显 示出来，就得到了样品表面态密度的分布或原子排列的图像。 v l ( l n ) 一2 ( x 。，) 图2 | 3 1 扫描隧道显微镜的工作示意图 扫描隧道显微镜( s t m ) 有如下优点：具有原子尺度的高分辨率，可观察单个 原子的结构：可实时得到表面的三维结构：可在真空、大气等不同环境下工作， 不需要特殊的样品制作技术，特别适用在不同实验条件下对样品表面的检测。 扫描隧道显微镜( s t m ) 的不足在于它只能观察导体和半导体的表面结构。但 许多被检测样品是不导电的，对于非导电材料，必须在其表面覆盖一层导电膜， 导电膜的存在往往掩盖了表面的结构细节，此时，s t m 得到的不是真实的表面 形貌。 四川大学硕士学位论文 2 3 2 原子力显微镜( a f m ) a f m 的工作原理如图2 3 2 所示。将一个对微弱力敏感的微悬臂一端固定， 另一端有一微小的针尖，检测样品相对针尖运动，当针尖接近样品时，起初针 尖得到一个很小的微弱拉力，然后由针尖上最后一个原子和样品表面相对的那 个原子之间的原子力而产生一个排斥力( 1 0 一1 0 “n ) 。由于这个力使弹性微 悬臂弯曲。这个弯曲运动由s t m 或用光学方法检测出来。令样品作x 、y 方向扫 描，在扫描过程中，样品z 方向的高度变化由压电陶