四波长表面形貌干涉测量系统光路设计

作     者：余再新 

作者单位：湖北工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：杨练根

授予年度：2016年

学科分类：070207[理学-光学] 07[理学] 08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 0802[工学-机械工程] 0803[工学-光学工程] 0702[理学-物理学] 

主      题：表面形貌光学测量 林尼克显微干涉 四波长 光路 Zemax仿真 

摘      要：近年来,融合光学计量技术与信息处理技术的干涉显微镜法,以其快速、高精度、无损检测等优越性,在MEMS器件的表面轮廓测量中得到了普遍应用,但都难以保证高精度和大范围的测量。本文通过分析干涉显微镜原理及结构,结合相移干涉和多波长干涉的优点,设计了基于四波长轮换的表面轮廓干涉测量系统。本文的主要研究工作分下述几点进行:第一、分析比较了林尼克、米洛、迈克尔逊三种显微干涉结构,阐述了国内外基于显微干涉结构进行表面轮廓测量的白光相移干涉法、波长扫描干涉法、双波长或多波长干涉法等。第二、以相移干涉法基本原理为基础,阐述了双波长、三波长、四波长相移干涉法原理,并对其进行了比较,最后提出了四波长表面形貌干涉测量系统原理。第三、运用光学设计仿真软件Zemax,对测量系统的光路进行仿真设计与理论分析,主要分为系统准直光路仿真设计、林尼克干涉光路仿真设计,用点列图、波面质量,对设计的系统进行理论分析。第四、按照机械设计原则,采用Solidworks及Auto CAD画图软件,对测量系统的机械结构进行设计,包括总体架构设计,各组成器件之间的固定、连接、安装等结构设计。第五、论述推导了四波长干涉条纹图分析处理算法。该算法分五步进行:(1)分别获取四个波长干涉图像素点的灰度均值序列,(2)在对灰度均值序列进行椭圆拟合处理后,各像素点的初相位可通过四步相移算法计算得到,(3)定义干涉场中心为零点参考坐标,将计算得到的初相位进行归零处理,通过归零后的初相位计算远近波长相位差,(4)运用干涉理论及等效波长、数据修正思想,推导出等效波长的绝对高度计算公式,(5)用等效波长绝对高度的公式推导出对应的单波长干涉级次和绝对相位,用校正过的单波长的相位数据进行计算恢复出被测物表面形貌。第六、通过测量经由中国计量研究院校准的标准样板对测量系统进行实验验证。并将实验结果与中国计量研究院的校准数据、VR-3200型号的激光共聚焦显微镜测量的数据进行了比对,进一步验证了本文设计的测量系统。