基于相移干涉法的微表面轮廓仪的研究

在本论文中,系统的分析了相移干涉法的原理,基于相移干涉理论设计并实 现了微表面三维形貌测试系统。讨论了目前常用的相位提取算法,分析了相移误 差及 CCD 量化非线性误差相位提取算法造成的误差,对系统进行了相应的改善, 提高了系统测量精度;对相位解包裹算法进行了研究,分析干涉图中残差点对相 位解包裹的影响,提出了一种基于残差点预处理的区域划分相位解包裹算法,进 一步提高了微表面轮廓测量的精度和可靠性。 采用压电陶瓷闭环微位移系统实现高精度的相移运动,减小了相移误差,提 高了测量精度;改善 Mirau 了干涉物镜结构,降低了参考镜背面反射光强,提高 了干涉条纹对比度;编写了测量软件系统,提高了系统测量效率。 在此仪器基础上,完成了大量的试验工作,对各种相位提取算法的实际效果 进行了验证,并在实测数据基础上对解包裹算法进行了改善。系统垂直测量范围 为 5 微米,横向测量范围 5 毫米矩形区域。对光纤连接器端面光纤芯径高度进行 多次测量,平均高度为 33.8 纳米,最大偏差值 1.7 纳米。 论文的主要创新点有: 1.基于相移干涉理论,设计并实现了微平面三维形貌测量仪器原型,建立了测 试系统的理论计算模型;干涉系统采用卧式布局,高度低,简化了系统结构, 便于被测量物体的安装调整,不受被测对象尺寸(如光纤连接器端面)限制, 增加了系统测量对象的范围。改善了系统光路结构,将干涉滤光片与 CCD 直 接相连,过滤的环境光噪声,获得高对比度干涉条纹。 2.通过对目前相位解包裹算法的分析,提出了一种基于残差点预处理的区域划 分相位解包裹算法,该算法能够避免传统解包裹算法中误差传递的缺点,与 最小二乘法比较计算速度有明显提高,在实验中证明了该算法的可靠性。 3.根据系统结构改进了 Mirau 干涉物镜,降低了参考镜背面反射光的强度,减 弱了干涉场中背景光噪声,提高了干涉条纹对比度,在测量中获得了很好的 干涉效果。 4.分析了测量系统中相移误差及CCD非线性量化误差对不同相位提取算法的影 响,对系统进行了相应的改进。采用压电陶瓷闭环控制系统降低了相移误差; 合理的调整了光源照明强度,降低了 CCD 非线性误差,提高了系统精度,并 通过实验进行了验证。