激光干涉表面形貌测量系统及3D-MOTIF评定研究

工程表面的测量和评定是当今计量学领域的研究热点。本文在总结当今表面形貌测量及评定方法的基础上,系统地论述了作者在工程表面形貌测量及评定方法上取得的研究成果。主要研究内容与创新如下: 在对传统的Form Talysurf光学轮廓仪进行重大改进的基础上,研制了适合工程表面形貌测量需要的大量程、高精度触针式激光干涉HST光学轮廓仪。该系统垂直测量范围10mm,垂直测量分辨率0.01μm。二维工作台行程40mm×40mm,最小步距0.5μm。其主要改进及创新如下: (1)将传统的Form Talysurf光学轮廓仪的动触针式扫描改为动工作台式扫描,解决了原系统在使用过程中的稳定性不佳的问题; (2)采用绝对零位与查找表相结合的方法消除了原系统中存在的非线性理论误差,使本文研制的HST光学轮廓仪具备大量程,高精度的特点; (3)采用共基面二维工作台,解决了原系统不具备二维测量基准面的问题; (4)研制了基于CCD的分级干涉细分装置,提出了通过傅立叶功率谱计算CCD接收干涉条纹初相位的方法,使传感器的测量分辨率从原来的λ/4提高到λ/100。 该轮廓仪可满足目前绝大多数工程表面形貌测量的要求,且结构简单,成本较低。 在传统的二维MOTIF评定基础上,提出并实现了MOTIF滤波器,与通常的中线制滤波器相比,MOTIF滤波器是一种无相移,具有鲁棒性的自适应最优滤波器。 提出了一套完整的3D-MOTIF评定体系,给出了3D-MOTIF及相关参数的定义,详细论述了3D-MOTIF的合并算法,并进行了实例演示。本文提出的3D-MOTIF评定体系克服了已有的3D-MOTIF评定体系中存在的一些问题,为三维表面的评定提供了一种新方法。