基于相移干涉法的三维表面微观轮廓测量技术的研究

论文摘要

相移干涉术(PSI)作为一种光电型干涉测试技术,具有结构简单、调制方便、实时快速、高精度以及全场自动测量等优点,并且己经广泛应用于光学零件、光学系统、精密表面的检测以及其它与光程差参数相关的物理量的测量(如温度场、密度场等)。本论文对三维微观表面轮廓相移干涉测试技术展开了较为全面的理论与实验研究工作。针对相移干涉术的核心问题——相位提取技术进行深入研究,分析了相移误差及CCD量化非线性误差对各种相位提取算法造成的误差,选取了适合本课题的相位提取算法,提高了系统测量精度。针对相移干涉法中对相移装置要求比较苛刻,必须获得精确的相移步长这一特点,本课题采用压电陶瓷作为相移器件,选定了其线性特性较好的区域,并根据这一区域设计出了相应的驱动电源,完成了精密移相系统的设计,减小了相移误差。在本论文中,还系统详细地分析了干涉图像的各种处理方法,并提出了改进算法,运用Matlab软件做了大量实验,实验结果表明上述算法能有效地改善干涉图像的质量,从而提高干涉测量的精度。最后,对实验室原有的干涉仪进行改进设计,采用激光为干涉光源,CCD为图像传感器,压电陶瓷提供微小位移,通过图像采集卡将干涉条纹采集到计算机内存。采用上述系统得到了标准样块的三维微观表面轮廓图,并提出下一步研究工作的设想。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 表面三维轮廓的测量方法
• 1.2.1 机械探针式测量方法
• 1.2.2 光学探针式测量方法
• 1.2.3 扫描探针显微镜
• 1.2.4 扫描电子显微镜
• 1.2.5 位相干涉测量方法PMI
• 1.2.6 各种测量方法比较
• 1.3 相移干涉术的研究现状和发展趋势
• 1.3.1 相位提取算法
• 1.3.2 相位解包裹算法
• 1.4 本课题的主要内容
• 第2章 相移干涉术的理论基础
• 2.1 干涉显微镜
• 2.2 相移干涉术的基本测量原理
• 2.2.1 步进相移干涉术原理
• 2.2.2 线性连续相移干涉术原理
• 2.3 最佳采样方式
• 2.4 移相方法
• 2.4.1 偏振移相
• 2.4.2 光栅衍射移相
• 2.4.3 倾斜玻璃板移相
• 2.4.4 压电陶瓷移相
• 2.5 表面轮廓相位计算
• 2.5.1 相位提取算法
• 2.5.2 相位去包裹算法
• 2.6 影响测量误差的主要因素
• 2.7 本章小结
• 第3章 微位移系统的研究与整体设计
• 3.1 微位移驱动器
• 3.1.1 电热式微位移机构
• 3.1.2 磁致伸缩微位移机构
• 3.1.3 电磁铁驱动的微位移机构
• 3.1.4 压电陶瓷微位移机构
• 3.2 压电陶瓷误差分析
• 3.2.1 迟滞现象
• 3.2.2 蠕变现象
• 3.2.3 外界因素影响
• 3.3 压电陶瓷线性区域测试及选定
• 3.4 微位移活动平台
• 3.5 压电陶瓷驱动电源
• 3.6 系统的整体设计
• 3.6.1 系统的实验原理图
• 3.6.2 CCD 摄像机与图像采集卡
• 3.6.3 系统软件设计
• 3.7 本章小结
• 第4章 干涉图像数据的处理
• 4.1 引言
• 4.2 频域处理方法
• 4.2.1 频域处理的原理和分类
• 4.2.2 低通滤波
• 4.2.3 高通滤波
• 4.3 空域处理方法
• 4.3.1 空域处理的原理和分类
• 4.3.2 均值滤波
• 4.3.3 中值滤波
• 4.4 本章小结
• 第5章 实验结果及分析
• 5.1 评定参数的理论基础
• 5.2 实验结果
• 5.3 实验结果分析
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢