（光学工程专业论文）相移干涉微表面形貌检测仪的数据处理与实验研究.pdf

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、去嗓，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4 4 n m 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毒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v i s u a lc + + 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4 4 r i m 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3 r i m ，高度测量范围不小于4 p m ， 横向分辨率优于4 朋。 关键词：微表面检测，干涉图，相位提取，相位解包裹，数据处理，精度 a bs t r a c t t h i sw o r kc o n c e r n st h er e s e a r c h e si ne x p e r i m e n t sa n dd a t ap r o c e s s i n gb a s e do n t h en a n o m e t e rp h a s e s h i f t i n gi n t e r f e r o m e t e rf o rm i c r o s u r f a c ep r o f i l em e a s u r e m e n t t h ep r e t r e a t m e n to ft h ec o l l e c t e di m a g e a n a l y s i si nv a r i o u so h a s e s h i f t i n ga l g o r i t h m s a n dp h a s e - u n w r a p p i n ga l g o r i t h m sw e r er e a l i z e d p h a s e - s h i f t i n ga l g o r i t h m sa d a p tt o t h i ss y s t e mw e r ef o u n d t w oq u i c kp h a s e - u n w r a p p i n ga l g o r i t h m sw e r ei n t r o d u c e da n d a ni m p r o v e dm e t h o dt or e m o v et h ea b n o r m a la r e ao nt h ep h a s eu n w r a p p e di m a g ew a s p r o p o s e d t h es o f t w a r ef o rt h em e a s u r e m e n tw a sd e v e l o p e d t h r o u g he x p e r i m e n t so n r o u g h n e s ss a m p l e s ，f i b e rc o n n e c t o r sa n dt h e4 4 n ms t a n d a r ds t e p ，t h ep r e c i s i o na n d r a n g eo fm e a s u r e m e n tf o rt h i ss y s t e mw e r ec a l i b r a t e d m a j o rw o r ko ft h i sd i s s e r t a t i o n ： 2 ， 3 4 5 f a c t o r sa f f e c t i n gt h eq u a l i t yo fi n t e r f e r e n c ep a r e ma n dt h ep r e c i s i o no f t h es y s t e mw e r ea n a l y z e d m e t h o d st oi m p r o v et h eq u a l i t yo fc o l l e c t e d i m a g e sw e r ea d o p t e d m e t h o d so fr e m o v i n gn o i s ew e r er e a l i z e da n d c o m p a r e d b a s e do nt h i si n t e r f e r o m e t e r , t h eo w na l g o r i t h mo fr e m o v i n g n o i s e sw a s p r o p o s e d t r a d i t i o n a la n di m p r o v e dp h a s e s h i f t i n ga l g o r i t h m sw e r er e a l i z e di nt h e s o f t w a r e s e n s i t i v i t yo fk i n d so fp h a s e s h i f t i n ga l g o r i t h m st od i f f e r e n t e r r o r si nt h es y s t e mh a sb e e na n a l y z e d t h eg o o dc h a r a c t e ri ne r r o r i m m u n i t yo ft h ei m p r o v e dp h a s e - s h i f t i n ga l g o r i t h m sw a sp r o v e d b e s i d e st h e l e a s t - s q u a r ea l g o r i t h m , t w oq u i c kp h a s e - u n w r a p p i n g a l g o r i t h m sw e r ei n t r o d u c e da n da ni m p r o v e dm e t h o dt or e m o v et h e a b n o r m a la r e ao nt h ep h a s eu n w r a p p e di m a g ew a sp r o p o s e d t h ea b o v e p h a s e - u n w r a p p i n ga l g o r i t h m sw e r ec o m p l e t e di nv i s u a lc + + a n dw e r e v a l i d a t e d 。髓ea p p l i c a b l er a n g ea n dp r o c e s s i n gs p e e dw e r ed i s c u s s e d e x p e r i m e n t so n 也er o u g h n e s ss a m p l e s f i b e rc o n n e c t o r sa n d 也e4 4 r i m s t a n d a r ds t e ph a v eb e e nc a r r i e do u t t h ef u n c t i o n si n c l u d i n gd a t a c o l l e c t i o n ，i m a g ep r e 圩e a t m e n k3 一da n d2 一dm i c r o - s u r f a c ed i s p l a y , a d i u s t i n gi n c l i n a t i o na n dm e n s u r a t i o no fk i n d so fp a r a m e t e r sw e r e r e a l i z e di nt h es o f t w a r e t h ep r e c i s i o na n dr a n g eo fm e a s u r e m e n tf o rt h i ss y s t e mw e r ec a l i b l r a t e d b yc o m p a r e dw i t ht h er e s u l t so ft h ea t o m i cf o r c em i c r o s c o p ea n da c o m m e r c i a li n s t r u m e n t ，t h ep r e c i s i o no fh e i g h tm e a s u r e m e n ti sb e r e r t h a n3 n ma n dt h er a n g ei sl a r g e rt h a n4 u n ，t h er e s o l u t i o ni n 也eh o r i z o n i sb e t t c r t h a n4 a m k e yw o r d s ：m i c r o - s u r f a c em e a s u r e m e n t ，i n t e r f e r e n c ep a r e r n ，p h a s e s h i f t i n g a l g o r i t h m ，p h a s e u n w r a p p i n g ，d a t ap r o c e s s i n g ，p r e c i s i o n i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁盗盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 撇一躲身嘶 签字日期：力叼年j 月砺日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨盗盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨盗盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：啻 签字日期：勿四年月肖日 导师虢粘彳 签字日期：- 7 年厂月澎日 第一章绪论 第一章绪论弟一早瑁了匕 随着微细加工技术的不断进步和微电路、微光学元件、微机械以及其它各种 微表面的不断出现，迫切需要微表面三维形貌测量的相关技术i l l 。表面形貌主要是 由机械加工、化学加工、喷镀涂层等工艺过程形成的，主要体现表面的外在特征； 同时它与表面的内在特性，如硬度、残余应力、接触刚度、化学成分以及它的微 观物理机械特性等也密切相关【2 】。由于微表面结构是由微观结构单元组成的三维 复杂结构，其测量一般都需要借助直接的或间接的显微放大【3 】，要求有较高的横 向分辨率和纵向分辨率。同时与平滑表面的测量不同，微表面形貌的测量不仅要 测量表面的粗糙度或瑕疵，还要测量表面的轮廓、形状偏差和位置偏差。因此微 表面形貌的测量相对而言是比较困难的，这也对我们形貌检测的手段和方法提出 了更高的要求。 本章从微表面形貌的检测方法出发，介绍了微表面形貌检测技术的发展，重 点介绍了干涉法测量微表面形貌的方法和结构。研究了干涉中光学相位的测量方 法。分析了国内外的光学形貌仪发展的现状，最后分析了当前微表面形貌检测的 研究热点和方向，最后提出了本文的研究目标和主要内容。 1 1 微表面形貌检测的测量方法 表面形貌检测技术的研究由早期的定性测量发展到定量测量，直至发展到与 现代科学技术相结合的高精度定量测量。尤其是近年来，基于各种原理的非接触 表面形貌测量方法的不断出现，在测量精度及测量速度上均有了较大的提高。测 量微表面形貌的方法可分为光学方法和非光学方法。 1 1 1 微表面形貌检测的非光学测量方法 表1 1 是微表面三维形貌测量的四种非光学测量方法，机械探针式，扫描电 子显微镜( s e ms c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e ) ，扫描隧道显微镜( s t ms c a n n i n g t u n n e l i n gm i c r o s c o p e ) 和原子力显微镜( a r ma t o m i cf o r c em i c r o s c o p y _ ) 。其中机 械探针式虽然开发较早，研究充分，但是属于接触式测量，不能用于光学表面测 量【4 】。扫描电子显微镜适合定性测量，但要求在真空环境下操作，而且被测面要 导电，操作复杂，测量费时。扫描隧道显微镜和原子力显微镜具有极高的分辨率， 控制移动测量精度高，且涉及技术难题多，操作环境要求高。对于物体表面轮廓 测量走向实用化而言，这两种测量方法还得不到推广应用。 第一章绪论 表l l 微表面三维形貌的四种非光学测量方法【2 卅 方法主要特征纵向分横向分纵向测优缺点 辨率辨率量范围 机械探针式机械探针与被测面接0 1 n m 0 ，2 9 m 8 0 0 m m接触测量，易损伤被 触并沿表面移动，表面测面 凸凹不平转化为探针 的垂直位移 扫描电子显利用聚焦的非常细的1 0 n m2 r i m 2 9 m 适合定性测量，真空 微镜( s e m ) 电子束作为电子探针环境操作，操作复 进行测量 杂，测量费时 扫描隧道显通过被测面和探针问0 0 0 11 n l l l 7 5 1 t m 精度高，但技术难题 微镜( s t m ) 各种相互作用表现的 n i n 多，操作复杂，操作 不同特性进行测量( 基环境要求高 于量子隧道效应) 原子力显微运用纳米探针进行测o 0 l n m2 0 n m 1 0 9 m 接触测量，精度高， 镜( a f m ) 量 操作复杂，环境要求 高，难以实用 1 1 2 微表面形貌检测的光学测量方法 微表面三维形貌的光学测量方法是以光学成像的方式测量物体表面形貌【5 】， 且大多为从物体表面轮廓信息载体中提取物面轮廓资料，该信息载体可以是散斑 图，相片，全息干板，波面，条纹图等【6 】。形貌检测的传统光学方法一般分为几 何法和干涉法两大类。其中几何法包括三角法 4 1 ，条纹投影法，共焦法 7 , 8 1 等，这 些方法通常有较大的测量范围，但它们的距离和深度分辨率不高。 结构光三角测量法 图l 一1 激光照明三角法测量原理 在光学测量方法中，结构光三角测量法是一种传统的距离测量方法。其原理 2 第一章绪论 是将一光点或一条窄带光投射到被测物体表面，根据待测物上的漫反射光斑在光 电探测器上的位置变化及三角几何光学原理得到物体表面起伏信息，该法的信息 载体是散斑图。图1 1 是激光照明三角法测量原理。激光束经柱透镜扩束并准直 成一片状光束，在物面上形成一条亮线。由于物面的高低不同，每条投影线在 c c d 光敏面上的像为一曲线，计算该曲线上各像素点偏离标准像( 基准线) 位 置的距离，便可以得到物体表面一个剖面的高度分布。 三角法原理简单，易于实现，但仍存在着测量效率低和对光源要求高等缺陷。 另一个难以解决的问题是激光散斑问题。由于物面的微观起伏，在透镜平面上将 会形成具有散斑形状的波面，并通过透镜成像过程进一步在像面上形成叠加有散 斑的片光像。该散斑对三角法测量精度具有重要的影响，是误差的主要来源之一。 降低散斑效应以提高测量精度，一直是该领域国内外普遍关注的问题。 干涉法 光学干涉计量测试技术是公认的高精度测量方法。干涉仪给出的信息是干涉 图像，它以干涉条纹的变化来反映被测对象的信息。干涉条纹是干涉场上光程差 相同的点的轨迹，光程差万是干涉仪两条光路的几何路程，与相应的介质折射率 行的乘积之差，即 万= 力l 一i 2 ，2( 1 1 ) 干涉条纹的形状、间隔、以及位置的变化，均与光程差的变化有关1 9 】，因此 根据干涉条纹的上述因素的变化，不但可以直接测量长度以及折射率，而且还可 以间接的测量与，、刀有确定关系的其它几何量及物理量。例如角度、粗糙度、 平面度、直线度、气体或者液体的含量、光学元件的面形、光学系统的像差、光 学材料的内部缺陷等，都可以用干涉仪进行高精度的测量。干涉测量的最大特点 是它具有很高的灵敏度及精度，现代科技的各个领域以及所有的光学工厂都以干 涉仪器作为有力的测量工具。 干涉计量本质上是以光波波长为单位来计量的，传统的干涉测量是依靠判读 干涉条纹的变形来实现的，为了提高分辨率只有增大条纹宽度，这样的结果是丢 掉了条纹之间的微小起伏变化信息。同时由于分光结构易于受到大气扰动和环境 震动的干扰，致使以往的干涉检测测量精度长期停留在2 2 0 以内【l o 】。在高精度 的表面形貌测量中，传统的干涉测量方法已经不能满足要求。 现代的干涉计量方法已经能够实现到一个光波波长的百分之一的精度。相移 干涉测量法就是传统的干涉测量与计算机数据处理结合而实现的，它的基本思路 是人为的引入已知的相位调制量，改变任意一个产生干涉条纹光束的相位，比较 干涉场中某一点在不同相位下的光强变化来求得被测物体的相位分布【1 1 1 4 1 ，这样 一次测量就能直接得到整个被测量表面的相位信息分布，极大的提高了测量效 第一章绪论 率。相移干涉测量系统横向分辨率取决于显微镜数值孔径，一般在微米或亚微米 量级；垂直分辨率取决于干涉测量方法，通过计算机对干涉图像的处理及优化可 达纳米量级。 光学干涉法测量微表面形貌可以分为共光路干涉和分光路干涉。共光路指产 生干涉的参考光和测量光走过同样的光程，都从被测面上返回，因此抗干扰较好。 主要有n o m a r s k i 微分干涉显微镜1 4 , 刀和双焦干涉显微镜【8 1 。清华大学研制了基于 n o m a r s k i 微分干涉相称显微镜的表面显微测量系统。分光路干涉一般可以分为 m i c h e l s o n ，m i r a u ，l i n n i k 三种形式。 1 2 干涉法测量中的相位测量方法 光学干涉法是测量物体表面三维形貌的重要和常用的手段。由于通常记录的 是干涉场的光强，而直接和表面形貌直接相关的是条纹中隐含的光学相位，所以 从干涉光强中提取出相位信息，即相位测量是形貌测量中的重要问题。其实相位 测量方法也就是干涉条纹处理方法【1 5 】。 最早的干涉条纹处理方法是条纹中心法，主要是探测条纹最强和最弱的位置， 它的测量精度在z , 2 0 以内。随着数字阵列探测器的出现和计算机技术的发展使得 相位测量技术得到了很大的发展。相位测量方法是2 0 世纪8 0 年代得到发展和应 用的提高条纹测量精度的技术。最常用的相位测量方法有时间测量法和空间测量 法。 通常被处理的干涉信号常常是数字图像，可以表示成 g ( m ，z ) = a ( m ，疗) + b ( m ，刀) c o s ( 矽( 力l ，”) ，、 m ：o ，1 ，m i ；行：0 ，1 ，一i 1 1 i 纠 式中( m ，n ) 表示图像中的像素位置，g ( m ，n ) 为干涉条纹强度，a ( m ，n ) 为背景光强， b ( m ，n ) 为条纹幅值，b ( m ，n ) a ( m ，n ) 称为对比度或调制度，巾( m ，n ) 为要提取的相位。 一般来说，g ( r n ，n ) 已知，但a ( m ，n ) ，b ( m ，n ) 和牵( m ，n ) 均未知。如果只有一幅干涉条 纹图，难以确定相位分布。从g ( m ，n ) 中精确提取出巾( m ，n ) 的信息是相位测量方法 的目的和任务。 目前己有若干种有效的位相测量方法。几种主要方法的大致分类如图1 2 所 不。 时间位相测量方法是指对被测物体的每一状态，需一定时间间隔采集足够信 息以获取位相。这对动态过程的位相测量有所限制。时间位相测量方法包括外差 法和时间相移法。外差法精度最高( 约1 1 0 0 0 波长) ，但测量过程复杂。时间相移 法也有很高的精度( 约1 1 0 1 1 0 0 波长) 。 空间位相测量方法在空间上获取更多信息以提取位相，可实现对动态过程的 4 第一章绪论 位相测量。它可通过光路中的分光系统实现，即空间相移方法，光路相对较复杂， 而精度较时间相移法低。通过载波方法也可实现空间位相测量，它包括频域处理 和空域处理两种方法。频域处理方法精度与时间相移法相当，但它是一种全局的 处理方法，处理过程复杂，有时需人工干预，较难实现条纹处理的自动化。 1 2 1 时间相移法 图l 一2 几种主要的相位测量方法 在时间相移法中，各相移干涉图是探测器在同一空间位置不同时刻探测到 的，因此时间相移法局限于对静态或准静态相位的测量，不能进行动态相位测量。 早在1 9 6 6 年c a r r e 就提出了时间相移法的思想，并给出了相位计算公式 g ( 职，露) = 口( m ，刀) + 联册，刀) c 0 8 【( 烈鹏，刀) + 2 n f l o k ( 1 - 2 ) m = 0 ，1 ，m 一1 ；拧= 0 ，l ，n - 1 ；k = 0 ，1 ，k l 其中，类似于频率，2 7 c 懈为称为相移量，2 7 c 称为相移步长，七可表示 为： k = 七( 时间)( 1 - 3 ) 即k 随时间变化，也就是说不同相移量是在不同时刻引入的，k 为相移步数， 则求解相位 矽( ，”，疗) = f g ( m ，刀) 】m = 0 ，1 ，m 一1 ；以= 0 ，l ，n 一1 ；k = 0 ，l ，k 一1( 1 - 4 ) 其顿) 表示相位计算公式，或称算法。如果是已知的确定值，则需k 3 ， 称定步长相移，如果是未知的确定值，则需k 4 ，称等步长相移。 引入相移的方法有压电陶瓷法( p i e z o e l e c t r i ct r a n s d u c e r , p z t ) 【1 6 1 8 1 ，偏振相 移法【19 1 ，双折射晶体【2 0 1 ，倾斜玻璃法( 通过倾斜玻璃改变它的光程) ，光栅相移 第一章绪论 法，拉伸光纤法，液晶相移法，改变半导体激光器波长和空气相移法等。其中最 常用的是压电陶瓷法，使用简单，已商品化。偏振相移法在物光波和参考光波共 光路的系统中使用最多，相移方法对应的设备称为相移器，为了得到高的相位测 量精度，需对相移器做标定。 由于相移步数和相移量可以自由选择，因此相移算法理论上有无穷多种，常 用的定步长的相移算法中的相移步长一般为9 0 。，常用的等步长相移算法的步长 虽然可以任意选择，但是为了提高相位计算精度，相移步长也一般选在9 0 0 左右。 现在已经出现许多相移算法的设计方法，可主动设计出一些具有事先需要的 良好性能的算法，对算法设计方法的讨论是希望设计出能有效抑制各种误差源的 算法 2 1 - 2 3 】，如相移器误差，光强的高次谐波，随机噪声，环境振动和光源波动等 【2 4 2 9 1 。 1 2 2 空间相移法 在时间相移法中，各相移干涉图是探测器在同一空间位置不同时刻探测到 的，因此时间相移法局限于对静态或准静态相位的测量，不能进行动态相位测量。 空间相移法则相反，其多幅相移干涉图是在同一时刻不同空间位置获得的。因此 可进行动态相位测量。 一个简单的空间摆移法的系统见图1 - 3 ，可以看出空问相移系统的关键是如 何分光和如何引入相移，根据这两方面的不同，空间相移系统可分为“普通分光 镜分光+ 偏振相移”，“光栅分光+ 偏振相移”和“光栅分光+ 光栅相移”三类。为 使系统结构简单，几乎所有的系统都采用三步和四步相移，误差分析表明，为保 证空间相移法的相位测量精度，要求不同探测器( 若采用多个探测器接收不同相 移干涉图) 或探测器不同部分( 若采用单个探测器的不同部分接收不同相移干涉 图) 的光电性能一致，且不同空间位置的干涉图之间需进行良好的位置匹配。 拐苌坝j j 暑娶3 图1 - 3 空间相移法示意图 6 探攫0 器2 探攫8 器1 表卜2 相位测量方法比较1 3 0 。3 1 i 相位测量方法优点缺点 外差法精度高需产生频差应用复杂 时间相移法 精度高，实现方便一般不能测量动态相位 空间相移法 测量动态相位光路系统复杂，对探测器要求 高，干涉图之间需进行位置匹配 空问载波相移法测量动态相位对探溯器要求高，且要求待测相 位缓变 f o u r i e r 变换法测量动态相位，精度高图中不能有空洞计算相对复 杂，有时需人工干预 表1 - 2 是几种相位测量方法的比较。 1 3 国外形貌检测仪的发展现状 国外z y g o 公司生产的精密，高速，非接触3 d 表面轮廓仪n e w v i e w6 2 0 0 如图l - 4 所示，它建立在白光扫描干涉基础上。干涉仅中的光束分为两束，一束 直接到内部的参考面，另一束到达被测面，反射后这两束光再次在干涉仪里相遇 发生干涉。精密的垂直扫描传感器直接和干涉显微物镜相连。干涉条纹直接用摄 像机获得并且送入到计算机中进行频率域分析，因此可以直接得到被测物的三 维图像。 表1 - 3 是n e w v i e w6 2 0 0 的性能参数列出了它的纵向扫描范围，纵向扫描 速度，横向分辨率和横向分辨率范围，视场范围，台阶测量精度和重复精度。图 i - 4 至图1 - 6 是n e w v i e w6 2 0 0 系统图。 国1 = 4 n e w v i e w6 2 0 0 的结构图 图1 - 5 n e w v i e w6 2 0 0 的测量系统 另一个作轮廓仪比较好的公司就是v e e c o 公司，它有d e k t a k 系列的探针式 轮廓仪和n t 系列的光学轮廓仪。 图1 - 6 n c w v i o w6 2 0 0 的软件界面 表1 - 3n e w v i e w6 2 0 0 的性能 纵向扫描范围1 5 m m 纵向扫描速度s 2 0 u m 居e c 纵向分辨率 - 0 1 m 横向分辨率范围04 5 一1 1 8 ) u l n 视场范围0 0 4 - 1 75 m m 。更大的视场可通过祝场拼接实现 台阶测量精度s 07 5 台阶测量重复性 - m i r a u 干涉成像光路 m i r a u 干涉成像光路形成被测面和参考面的干涉条纹，并且p z t 带动干涉物 镜移动时，仍应该产生清晰的，对比度好的干涉条纹，即干涉物镜的移动应该对 光学系统的成像位置关系和像差没有影响，这也就决定了干涉成像系统的光学结 构，从干涉物镜出射的光束应该是平行光束，采用无限筒长显微成像的设计思想 设计了m i r a u 干涉成像光路。 图2 - 3 是m i r a u 干涉成像系统的结构图。干涉成像系统由m i r a u 干涉物镜， 镜筒透镜和c c d 组成。为了和照明光路相连，干涉物镜和镜筒透镜间会有分束 镜，在图中没有画出。干涉物镜和p z t 相连，在电压的驱动下，p z t 带动干涉 物镜沿着光轴移动。m i r a u 干涉物镜产生干涉条纹，镜筒透镜把干涉条纹成像在 c c d 上，干涉物镜和镜筒透镜之间为平行光束。 从照明系统过来的光束被分束板分为两束，测量光束和参考光束。测量光束 通过分束板到达被测面，返回的光束再次通过分束板。被分束板反射的参考光束 1 3 第二章相移干涉仪整体结构 被参考面反射后，也再次回到了分束板上，这两支光路在分束板上再次会合产生 干涉，经过物镜，分束镜和镜筒透镜成像在c c d 上。 物镜 m i r a u 干涉 涉物镜 图2 3m i r a u 干涉成像系统的结构图 干涉物镜由m i r a u 干涉头和物镜组成。m i r a u 干涉头包括前面的分束板，参 考板等。虽然p z t 带动干涉物镜移动，但是分束板和参考板的相对位置以及它 们和物镜的相对位置没有改变，而是分束板相对于被测面发生了移动，所以干涉 系统的实质是被测面发生移动，测量光路的光程发生变化。 干涉成像系统像差 实际光学系统以一定宽度的光束对一定大小的物体都不能成完善像，即像不 能严格地表现出原物形状，这就是像差。 在不考虑衍射现象的影响时，光学系统的成像质量主要与系统的像差大小有 关，因此设计任何光学系统时都必须考虑像差的校正，但任何光学系统都不可能 把所有的像差都校正为零，必然还残存有剩余像差，且剩余像差的大小直接与系 统的成像质量好坏有关。 干涉成像系统属于小视场大孔径系统，主要考虑与孔径有关的像差：球差， 正弦差和位置色差 3 5 】。对干涉物镜，场曲，像散和垂轴色差也会影响整个视场 的成像清晰度【3 6 ，3 7 】。此外，由于m i r a u 干涉头中参考板的中心遮拦，也间接引入 一定的像差。 2 2 2 光源及照明部分 对照明系统的要求 本系统的测量对象为高精度平面，在测量过程中，需要人工照明。为了保证 1 4 第二章相移干涉仪整体结构 系统的干涉成像效果，对照明系统有如下要求f 3 8 1 ： 1 ) 被照明物面要有足够的照度，在干涉系统中，被测量面反射的光强应该与 参考面光强保持一致，这样才能获得很好的条纹对比度。 2 ) 照明视场足够大而且均匀。 3 ) 被测零件上被照明各点发出的光束应该能充满成像光学系统的全部孑l 径，即照明系统的孔径角应大于或等于成像系统的物方孔径角。 4 ) 尽可能减少杂光，因在光电接收系统中，杂光造成背景噪声，会影响系 统测量精度。 5 ) 满足结构布局及尺寸的要求，尽量减小光源温度变化对仪器的影响。 照明方式及结构的选择 常用的照明方式有三种【3 9 】： 1 1 直接照明方式，就是直接用光源照射被测量物体； 2 l 临界照明，利用聚光镜将光源成象于被照明物体平面或者其附近的照明 方式： 3 ) 柯勒( k e h l e r ) 照明； 其中第一种直接照明利用毛玻璃散射使照光均匀，光能利用率低，还伴有杂 光，不能用于本干涉系统；第二种临界照明虽然可以获得比较大的孔径角，但是 在视场内可以看到灯丝的像，使像面杂乱，照明不均匀；柯勒照明不但可以获得 均匀照明，而且能够充分利用照明光能量，是一种比较完善的方式，在本系统中 采用此种方式。 照明光路结构 ， n ，1 k ：一 ： 。 卜上 o j o u u o _ - t _ l v _ 。uv 2 t e l1fl t o t l ， l ：- ， 一 图2 - 4 照明系统结构图 照明光路采用反射式照明，如图2 - 4 所示，照明系统由光源，聚光镜l l ，l 2 ， l 3 和干涉物镜组成。聚光镜l 1 ，l 2 构成柯勒照明结构，使光源发出的光均匀地 照到待测面上。可以利用卤钨灯和干涉滤光片或单色光l e d 实现相移干涉，而 仅用卤钨灯或白光l e d 实现白光干涉，而用多个l e d 可以实现组合光源。因为 第二章相移干涉仪整体结构 干涉物镜既在照明光路中同时也在成像光路中，实现了光路的自准直原则，这就 使得照明的数值孔径只能和成像的数值孔径相当。在照明光路中增加了孔径光阑 和视场光阑，通过改变孔径光阑的大小控制被测面的照明孔径的大小，而改变视 场光阑的大小则控制了被测面照明区域的大小。 对照明系统的像差要求没有干涉成像系统的要求高，只需要校正球差和色 差，聚光镜为本身已校正了色差的双胶合透镜。 干涉中的光强平衡 干涉系统中有两支光路，参考光路和测量光路。为了保证条纹有好的对比度 和照度 3 9 , 4 0 ，要进行平衡设计。平衡设计主要是指干涉仪两支光路的光强，光程 和媒介层厚度三方面的平衡。m i r a u 干涉系统中，分束板和补偿板的材料，厚度， 精度完全一致，不会引起测量光路和被测光路的不平衡。而且在相移前，被测面 和参考面完全对称于析光膜，光程差为零。平衡问题就是被测面的反射率和参考 面的反射率不一致所引起的两支光路的光强不平衡。 图2 5 是系统采用的m i r a u 干涉头【4 1 】的结构。 图2 - 5 本系统采用的m i r a u 干涉头 由元件1 和2 构成参考板，元件2 是支撑板，1 是在支撑板上镀的铝反射膜， 反射率能达到8 5 以上，3 是补偿板，5 是分柬板，4 是被测面。从照明系统过 来的光束被分束板以不同的分束比分为两束，测量光束和参考光束。测量光束通 过分束板到达被测面，返回的光束再次通过分束板。被分束板反射的参考光束被 参考面反射后，也再次回到了分束板上，这两支光路在分束板上再次会合产生干 涉。但如果两支光路的光强比 4 ，就会导致图像的对比度下降，从而使得干涉 条纹模糊，所以需要平衡光强。根据被测表面的发射率的不同，可选择不同分束 比的分束板，以实现两路相干光的光强的最佳匹配。 有两种解决措施：采用不同反射率的参考面和采用不同分束比的分束板。本 文系统采用的是第二种方法，设计了三种不同的干涉物镜，分别采用分束比为 5 0 5 0 ，6 0 4 0 和7 0 3 0 的分束板。对于不同反射率的被测面用不同分束比的分柬 1 6 第二章相移干涉仪整体结构 板【4 2 】。 光源的选择 根据计算，本系统中当光源提供给照明系统的光通量大于o 1 2 6 1 m 时，可使 c c d 光敏面的照度比c c d 的最小照度高一个数量级，避免干涉信号被噪声淹没。 因此，l e d 照明的光能量要大于干涉系统的能量要求。l e d 的功率为电流和电 压的乘积。普通的l e d 的驱动电流只要2 0 m a ，功率为m w 量级，这样的功率 太小，不能满足仪器照明的需要。因此，要选择大功率的l e d 以满足照明的要 求。 本仪器中照明的l e d 选择美国流明公司生产的l u x e o ni i is t a r 型大功率 l e d 。l e d 的驱动电流为7 0 0 m a ，其前置电压电性值为3 7 0 v ，功率为3 w 。l e d 的前置电压和电流的关系见图2 6 所示。 图2 6l u x e o n l i is t a r 型l e d 的驱动电流与前置电压的关系 因为l e d 需要经过照明光路提供给被测面均匀又充分的照明，如果l e d 向 整个空间发射能量，则照明只利用了l e d 发出的部分角度的光束，利用率太低。 所以选择l e d 应尽量选择发散角比较小的l e d 。为此选用将光线会聚到约1 0 。内的透镜与其组合。图2 - 7 是l u x e o n i i is t a r 型l e d 及其前端透镜。 2 3 相移干涉仪的微位移控制系统 本系统采用的移相干涉法的基本原理是让两干涉光束之间的位像差可以按 照已知方式进行变化。由于光的波长已经是纳米量级，在相移过程中，步长应该 是几分之一波长，相移运动的精度较高。以压电陶瓷堆为材料制作的微位移驱动 器具有很多优点，能实现高精度的位移运动。在仪器设计时，使压电陶瓷微位移 平台垂直于二维电动位移台放置，并与物镜紧密相连，带动物镜上下移动，形成 一个三维一体的扫描系统。实际操作时，先上下手动调节干涉物镜，产生干涉条 纹，然后用微位移调整系统进行相移步长的微调。 1 7 黪图 ( 幻( b ) l m l j d “