（光学工程专业论文）数字全息术在微结构测量中的应用研究.pdf

西 北 工 业 大 学 硕 士 学 位 论 文 数字全息术在微结构测量中的应用研究 摘要 微型化是各种电子、 机械、 信息系统的发展趋势，改进传统检测方法， 研究新的测 试技术是微系统工程发展的迫切要求。 数字全息术作为一种新型的全息成像技术， 将光 学全息术、 固体摄像器件与数字图像处理技术相结合， 在微结构测量领域有着广阔的应 用前景。数字无透镜傅里叶变换全息术因其对 c c d的空间分辨率要求低、能充分利用 c c d有限的靶面尺寸，在微结构形貌、形变以及材料特性参数的测量方面具有独特的 优势。 本文从理论和实验两方面详细探讨了数字无透镜傅里叶变换全息术在微结构测量 方面的应用。其主要内容包括; ( 功从处理衍射问 题的菲 涅耳变换法出发， 根据菲涅耳衍射积分的快速数值解法， 讨论了 数字无透镜傅里叶变换全息图数值再现的相关过程和理论， 以及再现像平面的空 间分辨率和横向分辨率问题。分析了c c d参数对记录条件的限制、不同参考光的记录 对c c d空间带宽的影响以 及普通离轴全息系统与无透镜傅里叶变换全息系统中信息量 的 空 间 带 宽 积问 题 指出 无透 镜 傅 里叶 变换 全 息光 路能 充 分 利用c c d有限 的 靶 面 尺寸， 从而降低对c c d空间分辨率的要求，因此适用于对微小物体进行测量研究。 ( 2 )实验上研究了利用数字无透镜傅立叶变换全息术对小物体的测量。分别针对 反射型小物体， 透射型小物体进行了数字记录和再现， 结合数字图像处理取得到了较好 的再现结果， 并进一步对逐层再现透明三维物场和由 此涉及到的景深问题进行了分析和 讨论。 将数字无透镜傅里叶变换全息术应用到全息干涉计量中， 分别测量了钢悬臂梁的 离面位移以及小电阻在加载不同电压下的形变程度， 分析了由光路几何结构决定的灵敏 度矢量对形变测量结果的影响。最后对双源点法测微小物体三维形貌进行了实验研究， 并讨论了影响测量精度的主要因素、存在的主要问题及解决途径。 ( 3 ) 将自 聚焦透镜与光纤数字全息术相结合， 利用自 聚焦透镜对物光复振幅进行中 继传输， 并结合光纤细小柔韧、抗电磁干扰、耐腐蚀等特点， 设计出了一种基于无透镜 傅立叶变换光路的，灵巧的光纤数字全息测量系统， 对小物体进行了记录和再现，同时 对加载铝板的形变进行了定性测量， 获得了较为满意的结果。 实验结果表明， 该系统不 仅结构紧凑， 还可以利用多截距的长自 聚焦透镜棒对一些光线难以到达的隐藏区域进行 中继成像， 从而实现对各种复杂环境、 一般测量手段难以进行直接测量的封闭结构实现 相关量的有效测量。 关键词:数字全息 术， 无透镜傅里叶 变换全息术， 数值再 现， 全息干涉术，自 聚焦 透 镜，光纤数字全息系统 。 航 空 基 础 科 学 基 金 资 助 项 目( 项 目 编 号 : 0 2 1 5 3 0 7 5 ) 和 西 北 工 业 大 学 研 究 生 创 业 种 子 基 金 痴 项日 ( 项目 编号:z 2 0 0 4 0 0 6 5 ) 西 北 工 业 大 学 硕 士 学 位 论 文 a p p l i c a t i o n s o f d i g i t a l h o l o g r a p h y f o r m i c r o s t r u c t u r e m e a s u r e m e n t s ab s t r a c t r e c e n t t e c h n o l o g ic a l t r e n d s b a s e d o n m i n i a t u r i z a t i o n o f m e c h a n i c a l d e v i c e s t o t h e m i c r o s c o p i c s c a l e , h a v e l e a d t o t h e d e v e l o p m e n t o f e l e c t r o n i c e n g i n e e r i n g , m e c h a n i s m a n d c o m m u n i c a t i o n s y s t e m . i n t u r n , t h e d e m a n d o f r e s e a r c h i n g n e w m e a s u r e m e n t m e t h o d o l o g i e s i s o f e x t r e m e i m p o r t a n c e . d i g i t a l h o l o g r a p h y i s a n e w h o l o g r a p h i c i m a g i n g t e c h n i q u e a n d c a n b e u s e d a s a f as t , s i m p l e a n d r o b u s t m e t h o d , s h o w i n g i m p o rt a n t a d v a n t a g e s a n d p r o m i s i n g p r o s p e c t i n m i c r o s t r u c t u r e t e s t i n g . d i g i t a l l e n s l e s s f o u r i e r t r a n s f o r m h o l o g r a p h y , p e r m i t t i n g s u f f i c i e n t u t i l i z a t i o n o f t h e l i m i t e d s e n s o r a r e a o f c c d , h a s m o r e p r e d o m i n a n c e i n d e f o r m a t io n a n a l y s i s a n d s h a p e m e as u r e m e n t , t h e n a l l o w i n g t o c a l c u l a t e a v a r ie t y o f m a t e r i a l p a r a m e t e r s o f m i c r o c o m p o n e n t s . t h i s t h e s i s f o c u s e s o n d i g it a l l e n s l e s s f o u r i e r t r a n s f o r m h o l o g r a p h y a n d i t s a p p l ic a t i o n s i n m i c r o s c o p i c o b j e c t s m e as u r e m e n t . t h e m a i n c o n t e n t s a r e a s f o l l o ws : ( 1 ) b a s e d o n f r e s n e l t r a n s f o r m a t i o n a n d i t s f a s t a l g o r it h m b y f f t , t h e p r i n c i p l e o f n u m e r i c a l r e c o n s t r u c t i o n o f d i g i t a l l e n s l e s s f o u r i e r t r a n s f o r m h o l o g r a m a n d t h e s p a t i a l r e s o lu t io n , a s w e l l a s t h e la t e r a l r e s o lu t i o n o f t h e r e c o n s t r u c t e d i m a g e s p l a n e a r e e l a b o r a t e d t h e s e r i o u s r e c o r d i n g l i m i t a t i o n s d u e t o t h e f i n i t e s i z e o f c c d a n d t h e s p a c e - b a n d w i t h p r o d u c t s o f a n o f f - a x i s s y s t e m a n d a l e n s l e s s f o u r i e r t r a n s f o r m s y s t e m a r e d i s c u s s e d . a s i n o p t i c a l h o lo g r a p h y , l e n s l e s s f o u r i e r t r a n s f o rm a r r a n g e m e n t a p p l i e s l e s s c o n s t r a i n t t o t h e l a t e r a l s i z e o f a n o b j e c t a n d h e lp s t o r e l a x t h e r e q u i r e m e n t o n s p a t i a l r e s o l u t io n o f c c d s e n s o r , wh i c h i s f a v o r a b l e f o r mi c r o me a s u r e me n t . ( 2 ) t h e n u m e r i c a l r e c o n s t r u c t i o n o f d i g i t a l l e n s l e s s f o u r ie r t r a n s f o r m h o l o g r a p h y f o r m i c r o s t r u c t u r e s m e as u r e m e n t i s e x p e r im e n t a l ly s h o w n . t h e n b as e d o n h o lo g r a p h i c i n t e r f e r o m e t ry , t h e o u t - o f - p l a n e d i s p l a c e m e n t o f a d e f o r m e d s t e e l c a n t i l e v e r a n d d e f o r m e d fi e l d o f a h e a t e d r e s i s t o r u n d e r d i f f e r e n t v o l t a g e s a r e m e a s u r e d . t h e i n fl u e n c e t o t h e r e s u lt b y s e n s i t i v i t y v e c t o r , w h i c h d e p e n d s o n t h e g e o m e t ry o f t h e s e t u p , i s d e t a i l e d d is c u s s e d . t h e t h e o ry o f t w o - s o u r c e m e t h o d f o r s h a p e r e g i s t r a t i o n i s p r e s e n t e d . i n e x p e r i m e n t , t h e m a i n i n fl u e n c i n g f a c t o r s f o r e x p e r i m e n t a l r e s u l t s a n d t h e s e tt l e m e n t a p p r o a c h a r e f u r t h e r a n a l y z e d ( 3 ) a s m a rt f i b e r d i g i t a l h o l o g r a p h i c s y s t e m b as e d o n s e l f - f o c u s i n g l e n s i s i n t r o d u c e d . i t i s s h o w n b y t h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t s t h a t w i t h t h e u s e o f a s e l f - f o c u s i n g le n s b y it s s p e c i a l i m a g i n a ry p r o p e rt y , t h e f i b e r s y s t e m p r e s e n t e d h e r e c a n b e u s e d f o r m e a s u r e m e n t o f s m a l l a r e as o f a n o b j e c t o r o b j e c t s d i f f i c u lt t o a c c e s s , w h i l e t h e w h o le s e t u p i s c o m p a c t a n d m o r e fl e x i b l e . k e y w o r d s : d i g i t a l h o l o g r a p h y , l e n s l e s s f o u r i e r t r a n s f o r m h o l o g r a p h y , n u m e r i c a l e c o n s t r u c t i o n , h o l o g r a p h i c i n t e r f e r o m e t r y , s e l f - f o c u s i n g l e n s , f ib e r d i g i t a l h o l o g r a p h i c s y s t e m 1 1 ， s u p p o r te d b y t h e s c i e n c e f o u n d a t i o n o f a e r o n a u t i c s o f c h i n a ( g r a n t n o . 0 2 1 5 3 0 7 5 ) a n d p o s t g r a d u a t e s e e d s f o u n d a t i o n o f n p u ( g r a n t n o .z 2 0 0 4 0 0 6 5 ) 西 北 工 业 大 学 硕 士 学 位 论 文 第 1 章绪 论 1 . 1 微系统工程概述 一 3 1 微型化是当前技术发展的重要方向之一，随着微电子技术的发展， 近年来该技术又 扩展到微电子机械系统 ( me ms ) . me ms是指采用微机械加工技术、可以批量制作的 和集微型传感器、微型机构、微型执行器以及信号处理和控制电路、接口、通讯等于一 体的微型器件或微型系统。它以 微电子机械加工技术为依托，研究范围涉及微电子学、 机械学、光学、力学、自 动控制学、材料科学等多种工程技术和学科。通过微型化和集 成化来构筑微观机械系统新的工作原理、 新的功能、 新的材料、 新的结构以及新的工艺。 目 前国内外对 me ms的研究取得了一定的进展， me ms己经在各种产业领域， 如 信息工程、分析化学、航天航空、科学仪器、生物医学、汽车，尤其是在国防军事领域 得到了广泛的应用。己开发的 me ms产品包括微型马达、微型压力传感器、微型加速 度计、 微型机械陀螺仪、微型光学电子机械系统、光开关、生物化学芯片等，有些成熟 的产品己 经产业化。 m e ms 器件以 其微型化、 集成化、 低成本等优势， 在许多领域代替 了传统的传感器、 执行器以及系统， 使传统产业更新换代，促使许多新产品的诞生。 新 型m e m s 器件的应用促进了高新技术的发展 1 -5 1 随着对 me ms设备性能越来越多地认识，人们己不再仅仅满足于这些系统的功能 的实现，而更多的注意到 me ms结构工作的稳定性、可靠性和优化设计等问题。由于 me ms 结构不同于常规结构，科研人员也越来越多的意识到阻碍 me ms应用发展的一 个主要障碍就是测试技术， 即用有效的定量测试技术来测试me ms 静态或动态的特性， 确定其性能、 可靠性和完善性。 me ms 测试的主要目的是在工程发展中对设计和仿真过 程提供反馈， 包括装置行为、 系统参数和材料特性等，并且从设计到封装的各个环节都 要贯彻测试的要求。由于 me ms的尺寸小、质量小、易受环境影响等特点，对测试提 出了新的要求。目前已开发出许多 me ms的实验室样品，但为了能把这些样品进行工 业化批量生产还存在着许多问题。为了解决这些问题， 对测试方法和工具提出了更高的 要求。目 前m e ms 的测试技术和方法已经成为了m e ms 设计、 仿真、 制造及质量控制 和评价的关键环节之一， 而它所具有的结构尺寸小、 集成度高等特点， 使得传统的检测 技术与方法己不能完全满足需要， 研制精度高、 简单便捷、 成本低的新的检测手段己 经 成为m e m s 发展的 迫切需要6 -9 1 因为m e ms 结构在微观领域里的运行情况与在宏观尺寸下的性质存在很大差异， 所 以需要一种适合于微观的测量方法来检测这些性能以及能够提供微结构精确几何量的 信息。与此同时由于微结构器件制作的精密微型化和和高度集成化，使得非侵入、高分 辨率的测试方法成为必要。数字全息术作为一种快速而方便的测量方法可以很好地对 西 北 工 业 大 学 硕 士 学 位 论 文 第 1 章绪 论 1 . 1 微系统工程概述 一 3 1 微型化是当前技术发展的重要方向之一，随着微电子技术的发展， 近年来该技术又 扩展到微电子机械系统 ( me ms ) . me ms是指采用微机械加工技术、可以批量制作的 和集微型传感器、微型机构、微型执行器以及信号处理和控制电路、接口、通讯等于一 体的微型器件或微型系统。它以 微电子机械加工技术为依托，研究范围涉及微电子学、 机械学、光学、力学、自 动控制学、材料科学等多种工程技术和学科。通过微型化和集 成化来构筑微观机械系统新的工作原理、 新的功能、 新的材料、 新的结构以及新的工艺。 目 前国内外对 me ms的研究取得了一定的进展， me ms己经在各种产业领域， 如 信息工程、分析化学、航天航空、科学仪器、生物医学、汽车，尤其是在国防军事领域 得到了广泛的应用。己开发的 me ms产品包括微型马达、微型压力传感器、微型加速 度计、 微型机械陀螺仪、微型光学电子机械系统、光开关、生物化学芯片等，有些成熟 的产品己 经产业化。 m e ms 器件以 其微型化、 集成化、 低成本等优势， 在许多领域代替 了传统的传感器、 执行器以及系统， 使传统产业更新换代，促使许多新产品的诞生。 新 型m e m s 器件的应用促进了高新技术的发展 1 -5 1 随着对 me ms设备性能越来越多地认识，人们己不再仅仅满足于这些系统的功能 的实现，而更多的注意到 me ms结构工作的稳定性、可靠性和优化设计等问题。由于 me ms 结构不同于常规结构，科研人员也越来越多的意识到阻碍 me ms应用发展的一 个主要障碍就是测试技术， 即用有效的定量测试技术来测试me ms 静态或动态的特性， 确定其性能、 可靠性和完善性。 me ms 测试的主要目的是在工程发展中对设计和仿真过 程提供反馈， 包括装置行为、 系统参数和材料特性等，并且从设计到封装的各个环节都 要贯彻测试的要求。由于 me ms的尺寸小、质量小、易受环境影响等特点，对测试提 出了新的要求。目前已开发出许多 me ms的实验室样品，但为了能把这些样品进行工 业化批量生产还存在着许多问题。为了解决这些问题， 对测试方法和工具提出了更高的 要求。目 前m e ms 的测试技术和方法已经成为了m e ms 设计、 仿真、 制造及质量控制 和评价的关键环节之一， 而它所具有的结构尺寸小、 集成度高等特点， 使得传统的检测 技术与方法己不能完全满足需要， 研制精度高、 简单便捷、 成本低的新的检测手段己 经 成为m e m s 发展的 迫切需要6 -9 1 因为m e ms 结构在微观领域里的运行情况与在宏观尺寸下的性质存在很大差异， 所 以需要一种适合于微观的测量方法来检测这些性能以及能够提供微结构精确几何量的 信息。与此同时由于微结构器件制作的精密微型化和和高度集成化，使得非侵入、高分 辨率的测试方法成为必要。数字全息术作为一种快速而方便的测量方法可以很好地对 西 北 工 业 大 学 硕 士 学 位 论 文 m e m s 结 构 进行 监 测和 定 标 ( 10 - 13 1 ， 并 可 有效 的 应 用于 评 估微结 构的 制 造过 程， 检 测 在 运 行状态下的性能以及对微机械结构产品的可靠性进行测试。 1 .2 数字全息术概述 数字全息技术是将传统的全息原理与现代图像获取与图像处理技术以 及计算机技 术相结合的产物。它利用 c c d等光电探测器件代替传统的记录介质记录全息图，再用 数值方法在计算机上再现全息图。数字全息图的记录和再现过程可用图1 . 1 来表示，主 要 分 为 三 个 部 分 14 1 . ( 功数字全息图的获取。 用c c d记录参考光和物光的干涉图样， 经图像采集卡模数转 换后获取全息图的数字图像，将其存储在计算机中。 ( 2 ) 数字全息图的数值再现。 此过程完全在计算机上进行， 包括三个步骤。首先，从 c c d获得的数字全息图都会受到光电探测器转换的非线性、 随机噪声等各种因素 的影响，因此在全息图的数值再现之前，须对上述因素引起的图像畸变进行补偿 消除， 即为数字全息图的预处理过程。 其次， 对预处理后的全息图进行数值再现。 其实质是模拟物光在物平面与全息图平面之间的传播过程， 这是数字全息术最关 键的部分。 最后对数值再现所得图像施加各种数字图 像处理操作来改善数值再现 图像的质量，以便于人眼观察和满足各种测量的需要。 ( 3 )再现图像的输出。 巨巫子一 c c d一 - - do- 模一 数转换 图 1 . 1 数字全息术的全过程 近年来，高分辨率 c c d 、高速计算机及先进数字图像处理技术的发展使得对全息 图的高 速及高分辨率数字化处理成为可能， 数字全息术得到了快速发展， 并得到了实际 应用。 数字全息术的主要研究领域己深入到许多方面: 实 验 技 术 和再 现 算 法 的 提 高 1 5 .2 3 1 . 数字全息术在形貌测量、形变分析和材料特性参数测定方面的应用2 4 -3 2 1 . 相 移 数 字 全 息 术 33-3 61. 数 字 全 息 显 微 术 3 7-40 1, 西 北 工 业 大 学 硕 士 学 位 论 文 m e m s 结 构 进行 监 测和 定 标 ( 10 - 13 1 ， 并 可 有效 的 应 用于 评 估微结 构的 制 造过 程， 检 测 在 运 行状态下的性能以及对微机械结构产品的可靠性进行测试。 1 .2 数字全息术概述 数字全息技术是将传统的全息原理与现代图像获取与图像处理技术以 及计算机技 术相结合的产物。它利用 c c d等光电探测器件代替传统的记录介质记录全息图，再用 数值方法在计算机上再现全息图。数字全息图的记录和再现过程可用图1 . 1 来表示，主 要 分 为 三 个 部 分 14 1 . ( 功数字全息图的获取。 用c c d记录参考光和物光的干涉图样， 经图像采集卡模数转 换后获取全息图的数字图像，将其存储在计算机中。 ( 2 ) 数字全息图的数值再现。 此过程完全在计算机上进行， 包括三个步骤。首先，从 c c d获得的数字全息图都会受到光电探测器转换的非线性、 随机噪声等各种因素 的影响，因此在全息图的数值再现之前，须对上述因素引起的图像畸变进行补偿 消除， 即为数字全息图的预处理过程。 其次， 对预处理后的全息图进行数值再现。 其实质是模拟物光在物平面与全息图平面之间的传播过程， 这是数字全息术最关 键的部分。 最后对数值再现所得图像施加各种数字图 像处理操作来改善数值再现 图像的质量，以便于人眼观察和满足各种测量的需要。 ( 3 )再现图像的输出。 巨巫子一 c c d一 - - do- 模一 数转换 图 1 . 1 数字全息术的全过程 近年来，高分辨率 c c d 、高速计算机及先进数字图像处理技术的发展使得对全息 图的高 速及高分辨率数字化处理成为可能， 数字全息术得到了快速发展， 并得到了实际 应用。 数字全息术的主要研究领域己深入到许多方面: 实 验 技 术 和再 现 算 法 的 提 高 1 5 .2 3 1 . 数字全息术在形貌测量、形变分析和材料特性参数测定方面的应用2 4 -3 2 1 . 相 移 数 字 全 息 术 33-3 61. 数 字 全 息 显 微 术 3 7-40 1, 西 北 工 业 大 学 硕 士 学 位 论 文 三 维 物 场 的 再 现4 1 ,4 2 1 . 测 量 透 射 体 折 射 率 分 布 “ 3 -4 5 1 . 数 字 全 息 加 密 技 术 4 6,4 7 1 数字 全息 术 在 光飞 行 测量 中 的 应用 4 8 1 . 脉冲数字全息术在振动分析， 动态测量和无损检测中的应用4 9 - 5 1 1 数 字 全 息 图 的 光 学 再 现 5 2 1 0 随着图像采集系统的进一步完善， 数字全息的研究领域还会扩展。与传统的光学全 息术相比 较， 数字全息术具有如下优点 1 4 ,5 3 1 , 利用 c c d代替传统的记录介质拍摄全息图并进行数值再现，省去了光学全息术中 必须的曝光、显影、漂白等物理化学处理过程， 脱离了对原光路的依附，使再现过程简 化， 再现周期得以缩短，可望实现测量过程的实时化和现场化;由于引入计算机技术和 数字图像处理技术， 使全息图的记 录数字化，再现过程完全在计算机上进行，因此可以 很方便地运用各种算法和图像处理方法， 消除畸变、 噪声以 及记录介质感光特性曲线的 非线性等因素带来的不利影响， 提高全息图的质量。 数值重建的再现像可以直接在计算 机上观察; 数值再现全息图得到的是物场的复振幅分布， 可同时得到物体的振幅和相位 信息， 从而方便地实现真正意义上的各种复振幅运算和操作。 这些在光学全息术中很难 做到， 而数字全息术则可以 在很短的时间内 完成; 由 于可直接计算出物场的相位分布， 通过相位的改变就可获得物场变化的信息， 基于此特性提出地数字全息干涉术得到了广 泛的应用; 由于全息图是以 数字形式存储于计算机中，这使得全息图和物场再现信息更 加便于存储和传输， 甚至可以 通过互连网实现全息图的实时传输和异地显示; 数字全息 术不仅可用于可见光， 也可用于x射线、 红外、 微波等其他电磁波段，以及声波和电子 波等的全息记录和再现，为全息技术的进一步实用化提供了广阔的研究空间。 基于数字全息的光学测量方法具有以 下几个重要的优势2 8 ,3 1 1 . ( 1 ) 无损性、测试范围广; ( 2 ) 高灵敏度、 高精度 ( 典型的测量位移的分辨率可达几纳米; 测量形貌的分辨率可 达亚毫米; 在不需要任何光放大器件的情况下， 横向 分辨率可达亚毫米数量级。 ) ( 3 ) 数据点的分辨率高 ( 在亚毫米视场范围内可采集2 0 4 8 x 2 0 4 8 个点) ; ( 4 ) 对获取的数据利用计算机进行数值评估，自 动分析结果，并可进行相应的数据处 理，以便满足基本的数字 ( f e m)模型或解析模型的需要; ( 5 ) 对全息图的存储有很大的灵活机动性; ( 6 ) 直接可得到物场在不同状态下的相位差信息，无须再计算干涉条纹强度; ( 7 ) 对相位差信息的分析可得到被测物场各种物理量的变化; ( 8 ) 只需分析3 幅全息图就可对物体进行全场的形貌、形变定量测量。 西 北 工 业 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 .3 光纤数字全息术及其发展 随着低损耗、高质量光纤及光纤器件的出现，光纤全息术在上个世纪 7 0年代应运 而生， 不仅在结构上取代了 传统全息中 必不可少的各种反射镜、 扩束镜等分立光学元件， 使系统更加紧凑， 便于应用于工业现场和医学临床。而且由于光纤传输损耗低， 本身的 可绕曲性， 使得光纤全息的光路更加灵活，调节更加方便。光纤全息系统对环境稳定性 的要求也没有传统全息术那样严格。 而且光纤具有细小柔韧、抗电磁干扰、耐腐蚀等特 点， 可以适合于各种复杂环境、 封闭结构、远距离、强电磁干扰及危险、具有腐蚀性等 恶劣环境中的全息探测。其中全光纤全息系统体积小、结构简单、光路稳定抗震，有望 成为仪器化的实用全息系统，在工业和医学领域有很大的应用前景。 利用光纤传光拍摄全息图，己 经有不少研究者做了 这方面的工作， 而基于光纤全息 术的光纤数字全息术更是得到了国内外科研人员的关注， 并投入了大量的研究。 李明娟 等使用光纤传光拍摄物体图 像， 并作了 二次曝光实验， 得到了 清晰的干涉条纹5 4 1 。 张守 娟等应用光纤全息术， 使用不同的加载方式对焊缝和复合材料进行无损检测， 获得了较 好的 全息 干涉图 样5 5 1 。 王国 志等 分析了 不同 类型的 光纤 散斑全息干 涉系统， 进 行了 相 应 的 实 验研究， 得到了 纪念币 在加 热前后的 形 变图 样 5 6 1 。 周效东等人采用全光纤全息系 统 拍摄全息图， 并根据实验结果证实了光纤全息系统在把全息技术用于现场实用方面的巨 大潜力5 7 1 。 向 强 应用光纤数字 全息干涉 术分别 对金属板 在受点作用力下的 形变、 材料的 泊 松比以 及电 烙铁头周围 温度场的 变化进行了 测量 5 s 1 . g . p e d r i n i 等 利用单 模光纤传输 参 考光和物体照明光， 建立了一套数字无透镜傅里叶变换全息测量系统， 成功地拍摄了 针 尖的 三 维 形 状 2 7 1 。 之 后， 与 s .s c h e d in 等 建 立了 基 于 光 纤 数字 全息的内 窥 式 测 量 系 统， 可 用于生 物医 药领 域的 测试研究 5 9 1 . s . s e e b a c h e r , w.o s t e n 等也 采用光纤传光， 利 用无 透 镜傅里叶变换全息系统测量了 手表机芯和小电阻的形貌，以及电阻在受热情况下的形 变。 在此基础上他们提出了一套紧凑的数字全息干涉仪， 通过采用四束不同方向的激光 照 明 物 体， 测 量了 材 料的 泊 松比 、 杨 氏 模 量 及 热 膨 胀 系 数 f2 9 1 v w .j u p t n e r 利 用 光 纤 建 立 了 一 套 小 型 、 灵 巧 的内 窥 式数 字 全息 千 涉 系 统， 用于 形 貌 和 形 变的 测量 2 4 ,5 4 1 . s . l a i 和 e . k o le n o v i 。 等 人， 在w .j u p t n e r 工 作的 基 础之 上， 利 用 相 移数 字 全息 术， 采 用 单 模 光 纤 分 别传输物体照明光和参考光， 测量了 瓶盖的形貌和金属片的形变3 5 1 光纤应用于全息术既可以用来传光， 也可以 用来传像。 使用光纤传像可以拍摄光线 难以 直接到达的区域中 物场的全息图，因而在很多情况下有其特殊应用。 s . s c h e d i n 和 g . p e d r in i 等 人 利 用芯 径为 5 1r m 的 单 模 光纤 传 输 参 考 光， 用芯 径为 。 .6 m m 的 多 模 光 纤 传输 物体照明光，用包含1 0 0 0 0 根像元的光纤传像束来传递物体的像，采用脉冲数字全息拍 摄了 物体在动态和静止状态下的 形变6 0 1 . g . p e d r i n i 和m . g u s e v 等人利 用全息 干 涉术， 采 用柔软的光纤内窥镜研制成一套系统， 用来检测机械和生物材料表面的形变。由 于采用 了 传像光纤， 还可以检测到隐蔽结构的 物体6 1 1 西北工业大学硕士学位论文 1 4 数字全息术在微结构测量中的应用 2 4 。l 】 微型化是各种电子、机械、信息系统的发展趋势，微系统技术的发展给工业和研究 带来了许多新的应用，而其结构复杂性又要求有更灵敏、更有效的测试技术相配套。由 于测试物体是微小结构因而会产生很多问题，尤其是在测量形变时加载的器件必须施加 非常小的力( “n 或者更小) ，整个测量过程也绝对不能影响被测器件的运行功能，而且 必须有足够大的分辨率来精确得到物体的微小变化。这些因素导致传统的手段包括压力 测量、机械探测、接触性形貌测量不再适用，因为这些方法在本质上是有破坏性的，影 响了被测物体本身的性能。数字全息术是一种全场、非接触、无损、高灵敏度、高精度 的测试方法，尤其适用于微小型元件，基于该方法的数字全息显微系统将对各种微结构 的微机械量、微几何量、微材料特性以及系统综合参数与性能的测试技术提供快捷有效 的技术支持。 目前，国外在这方面作了很多实质性的工作。在采用拥有四个照明方向的一种最优 化的实验装置中( 已经研制出了整套实用化设备) 见图1 2 【2 4 ，2 ，科研人员所做的许多 实验都证明了数字全息术在微结构测量方面的优势。这项技术被应用到了横向尺寸从 ( 4 ) 结构不意图( b ) 干涉仪 图1 2 拥有4 个照明方向的数字全息干涉装置 0 1 m m 到o 0 0 1 m m 范围内的元件测试上【2 引，他们详细分析了元件的形貌和在给定加载 下的三维全场形变，测量了材料的有关特性参数，并把得到的结果与用有限元方法 ( f e m ) 在计算机上模拟得到的结果相比较。只得注意的是，有限元模拟相对于实验结 果来说不能作为一个绝对的参考标准，尤其是在微系统结构技术中，一个很大的原因是 由于在微观尺度范围内，由于缺乏精确的材料特性数据和相应的边界条件，从而导致用 有限元计算得到错误的预计 3 2 】。除此之外，产品的工艺技术，特别是在制造时由于蚀刻 引起的结构上的几何不规则性对微结构材料特性的影响也特别大，所以在微结构领域不 能单纯依靠理论上的模拟仿真轻易断定材料的属性。 西北工业大学硕士学位论文 1 4 1 微小物体形貌测量 微几何量测量主要是针对微小构件的三维尺寸、三维形貌的精密测量。微几何量测 量具有以下特点：测量力引起的误差较大，定位误差往往较大，温度引起的误差小，被 测件轮廓易受异物的影响，衍射效应的影响大。因此对微几何量的测试具有测量范围小、 精度要求高的特点。数字全息术测量形貌所采用的方法大致有两种，多波长法和多源点 法。这里以双波长法和双源点法为例，介绍数字全息术测量形貌的基本原理。 造型指的是通过干涉条纹对三维物体的像进行解调，这些条纹相对于参考平面，与 物体表面等高度位置的点相对应，并由灵敏度矢量的变化、波长的变化或折射率的变化 产生。 用双波长造型法测量物体的形貌可以避免在数值重建过程中复杂的空间解包裹步 骤，其实验装置见图1 3 。用平面波照明物体，这样造型表面几乎是垂直于灵敏度矢量 的平面， 图1 3 双波长法测形貌光路图 同时用球面波作为参考光波。基于全息干涉术的理论，分别用a l 和a 2 两个波长记录两 幅全息图，再用相应的波长对每幅全息图进行数值重建，提取各自的相位进行相减运算， 得到两次曝光后的相位差为： a 5 ：2 兀盟( 1 + c o s 北 ( 1 - 1 ) 兄2 如果a 2 = 2 2 一旯l l ，2 2 ，则上式可简化为： a 8 ：堡( 1 + c o s 北 ( 1 - 2 ) a 、 其中人= 2 2 a a ，为合成波长，硝照明方向与观察方向( 即垂直于c c d 靶面的方向) 的 夹角，z 表示沿观察方向的纵向距离。由( 1 - 1 ) 可得到表征物体形貌信息的高度z 与相 位差跎间的关系为 z ：f 擎l _ 1 丝：缸。一a 8 ( 1 3 ) 一再i 雨矗砑。瓦一石 “。 西北工业大学硕士学位论文 其中缸表示造型的三维等高线图中等高面间的距离，反映了纵向灵敏度： 缸。再 m 4 ) 缸。丙i 翩 “。4 在实际重建中，从干涉图样解调出的相位信息是包裹在呱到兀之间的，通过简单的 解包裹算法就可得到反映物体形貌的连续相位分布，最终把相位图转变成等高线图，得 到物体表面的形貌特征。 双源点法的测试对象主要是针对微小物体，物体的尺寸一般在亚毫米范围内，这种 方法较易实现，因为它不需要改变相干光源的工作波长，只需要改变照明光的方向，这 可以通过反射镜的倾斜、变动透镜或光纤的位置来实现。在两次记录之间照明光束发生 微小偏转，并假设照明光束的偏转对于再现结果中复振幅光波的强度没有影响，仅仅是 导致其相位改变，最终光束偏转前后记录的两幅全息图再现结果相减，就可得到表征物 场形貌的等高条纹，等高条纹间距为 a z = 蠹 s ， 式中a 为入射激光束的波长，口为照明光束的入射角，劝照明光束的倾斜角度。由此可 看出纵向灵敏度依赖于以上因素，在测量中可通过改变以上参数来调整灵敏度的大小， 第三章中对双源点法测微结构物体形貌的理论进行了详细地分析和讨论。 1 4 2 微小物体形变测量 数字全息术测量物体的形变是基于全息干涉的理论，全息干涉术对于散射物体的高 灵敏度的形变测量是一种广泛使用的方法。微结构系统制造业技术的迅速发展，需要有 一种随之相应的快速、实用、非接触性，且横向测量范围能够在l m m 1 0 r a m 之间的优 良的测试方法。数字全息术作为一种多功能的技术满足了这些需要。 运用数字全息干涉术测量形变包括以下几个步骤： ( 1 ) 在物体没有负载的状态下，记录并存储从物体表面反射的光波或透过物体的光波 波前( 该物光波携带了物体的所有振幅信息和相位信息) ； ( 2 ) 通过机械的、电场的、磁场的或温度场的热效应，对物体施加负载使其发生形变； ( 3 ) 记录并存储在加载状态下发生形变的物光波前： ( 4 ) 在两种状态下比较两个物光波前的相位并得到位相差信息，最后在考虑灵敏度矢 量的情况下计算表征形变的位移量。因为由实验光路的几何结构所决定的灵敏度 矢量会对位移产生影响，而物体的形貌对灵敏度矢量也会产生影响，所以必须先 明确物体的形貌后才能进行精确的形变分析。 1 4 3 微结构元件材料特性表征 构成微结构器件的材料特性是影响整个元件可靠性、稳定性的重要因素，由于加工 工艺、结构尺寸不同，即使是同样的材料也会表现出不同的物理特性，因此有必要对其 进行表征和分析。 西 北 工 业 大 学 硕 士 学 位 论 文 其中o z ， 表示造型的三维等高线图中等高面间的距离，反映了纵向灵敏度: . i , a , 山二 ( ,i : 一i , 又 i + c o s ) ( 1 - 4 ) 在实际重建中，从干涉图样解调出的相位信息是包裹在一 二 到兀 之间的，通过简单的 解包裹算法就可得到反映物体形貌的连续相位分布， 最终把相位图转变成等高线图， 得 到物体表面的形貌特征。 双源点法的测试对象主要是针对微小物体， 物体的尺寸一般在亚毫米范围内， 这种 方法较易实现，因为它不需要改变相干光源的工作波长， 只需要改变照明光的方向， 这 可以通过反射镜的倾斜、变动透镜或光纤的位置来实现。在两次记录之间照明光束发生 微小偏转， 并假设照明光束的偏转对于再现结果中复振幅光波的强度没有影响， 仅仅是 导致其相位改变， 最终光束偏转前后记录的两幅全息图再现结果相减， 就可得到表征物 场形貌的等高条纹，等高条纹间距为 山,. = 又 2 9 s i n a ( 1 - 5 ) 式中几 为入射激光束的波长，a 为照明光束的入射角，b 为照明光束的倾斜角度。由此可 看出纵向灵敏度依赖于以上因素，在测量中可通过改变以上参数来调整灵敏度的大小， 第三章中对双源点法测微结构物体形貌的理论进行了详细地分析和讨论。 1 .4 .2 微小物体形变测量 数字全息术测量物体的形变是基于全息干涉的理论，全息干涉术对于散射物体的高 灵敏度的形变测量是一种广泛使用的方法。 微结构系统制造业技术的迅速发展， 需要有 一种随之相应的快速、实用、非接触性，且横向 测量范围能够在 l m m - l o m m之间的优 良的测试方法。数字全息术作为一种多功能的技术满足了这些需要。 运用数字全息干涉术测量形变包括以下几个步骤: ( 1 )在物体没有负载的状态下， 记录并存储从物体表面反射的光波或透过物体的光波 波前 ( 该物光波携带了物体的所有振幅信息和相位信息) ; ( 2 )通过机械的、 电场的、 磁场的或温度场的热效应， 对物体施加负载使其发生形变; ( 3 ) 记录并存储在加载状态下发生形变的物光波前; ( 4 )在两种状态下比 较两个物光波前的相位并得到位相差信息， 最后在考虑灵敏度矢 量的情况下计算表征形变的位移量。 因为由实验光路的几何结构所决定的灵敏度 矢量会对位移产生影响， 而物体的形貌对灵敏度矢量也会产生影响， 所以必须先 明确物体的形貌后才能进行精确的形变分析。 1 .4 .3 微结构元件材料特性表征 构成微结构器件的材料特性是影响整个元件可靠性、 稳定性的重要因素，由于加工 工艺、结构尺寸不同，即使是同样的材料也会表现出不同的物理特性，因此有必要对其 进行表征和分析。 西 北 工 业 大 学 硕 士 学 位 论 文 其中o