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白光显微干涉多倍率形貌数据融合方法研究

光学学报 2025年

作者：徐舒成袁群范筱昕张佳乐马燚岑丁辰郭珍艳高志山南京理工大学电子工程与光电技术学院

白光显微干涉术是表面三维形貌无损测量的重要手段，测量时需针对待测结构的精细程度，计算测量分辨率的需求，选择相应倍率的干涉显微物镜。但物镜视场通常小于待测结构的宏观尺度，需在横向范围内多次扫描拼接测量，融合多组形貌数据... 详细信息

白光显微干涉术是表面三维形貌无损测量的重要手段，测量时需针对待测结构的精细程度，计算测量分辨率的需求，选择相应倍率的干涉显微物镜。但物镜视场通常小于待测结构的宏观尺度，需在横向范围内多次扫描拼接测量，融合多组形貌数据，满足宏观尺度特征的表征需要。为了提高测量效率，采集多频段的形貌数据，提出一种多倍率融合策略，在利用低倍率干涉显微物镜测量获取大范围形貌数据的基础上，对反映微观形貌特征的局部区域采用高倍率干涉显微物镜检测，继而减少测量次数。将多组数据采用多孔小波分解的方法进行融合，实现多种倍率干涉显微物镜检测数据中形貌特征的统一表征。多倍率融合方法不但提高了仪器的检测效率，而且提升了形貌数据中各频段特征参数的全面性与准确性。将所提方法应用在微透镜阵列曲面样品的形貌参数测试中，同步准确获取了透镜单元的周期和曲率半径参数，5×和20×干涉显微物镜测量融合后的形貌数据相比于5×干涉显微物镜干涉显微物镜单独的测量数据，子单元的周期与曲率半径的相对误差分别下降了1.34%和6.00%。在阶跃型超透镜形貌参数的数据融合中，以扫描电镜中的数据作为标称值，100×干涉显微物镜检测形貌数据与融合数据中周期参数d的相对误差为0.419%。

关键词：数据融合多倍率形貌检测白光干涉

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垂直扫描白光干涉轮廓测量的抗振恢复算法

工具技术 2025年第3期 154-160页

作者：李泽昊曲通肖宇刘晓军华中科技大学机械科学与工程学院

针对垂直扫描白光干涉轮廓测量精度与其垂直扫描干涉图像轴向定位精度的紧密关系，由于物镜驱动器定位精度及外界环境振动等因素的影响，实际轴向位置与其设定值存在一定偏差。本文基于白光干涉测量原理以及激光相移干涉技术，分析像素... 详细信息

针对垂直扫描白光干涉轮廓测量精度与其垂直扫描干涉图像轴向定位精度的紧密关系，由于物镜驱动器定位精度及外界环境振动等因素的影响，实际轴向位置与其设定值存在一定偏差。本文基于白光干涉测量原理以及激光相移干涉技术，分析像素点干涉信号，提出干涉质量评价模型来排除失真信号的干扰，同时提取各有效干涉信号峰值所在图像帧数作为信号峰值初矩阵，设定一定的宽松系数排除没有干涉条纹的图像或仅包含低对比度的干涉条纹图像。通过循环迭代的方法，从有效干涉图像的第一帧图像开始，将每次计算中信号峰值在该次测量范围内的像素点作为本次计算的有效计算区域，对该区域采用最小二乘法提取局部移相量，最后将局部移相量求解为整体的步长并进行三维表面重建。仿真和实验结果表明，本文所提算法在不同振动环境下步长提取误差小于0.5 nm,在振动环境下的测量精度相比传统算法高，表现出良好的抗振能力。

关键词：白光干涉轮廓测量抗振有效计算区域最小二乘迭代

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白光干涉偏振模耦合分布式光纤传感器分析

光学学报 2004年第5期24卷 605-608页

作者：周晓军龚俊杰刘永智周建华电子科技大学宽带光纤传输与通信系统技术国家重点实验室成都610054

分布式光纤传感器能够测量沿光纤长度上连续分布的外界量。用保偏光纤作为传感光纤的分布式光纤传感器 ,被测外界量引起保偏光纤中传播的两正交偏振模的相互耦合。用迈克尔逊干涉仪两臂光程差来补偿两个偏振模的光程差的方法探测传感信... 详细信息

分布式光纤传感器能够测量沿光纤长度上连续分布的外界量。用保偏光纤作为传感光纤的分布式光纤传感器 ,被测外界量引起保偏光纤中传播的两正交偏振模的相互耦合。用迈克尔逊干涉仪两臂光程差来补偿两个偏振模的光程差的方法探测传感信号。为了设计白光干涉偏振模耦合分布式传感器 ,根据统计光学原理分析了传感器的互相干特性。在此基础上分析了传感器的空间分辨力、光纤耦合点分辨力、最大传感光纤长度。波长1310nm、谱宽 36nm的超辐射发光二极管 (SLD)作光源 ,用色散参量为 6 0 0 ps/km ,拍长 3mm的保偏光纤的分布传感器空间分辨力和光纤耦合点分辨力分别为 6cm和 3mm。

关键词：光纤光学分布式光纤传感器偏振模耦合白光干涉空间分辨力

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白光干涉型光纤加速度计的误差分析

光子学报 2016年第6期45卷 41-47页

作者：王明超王学锋王钊唐才杰黄建业北京航天控制仪器研究所北京100854 北京市光纤传感系统工程技术研究中心北京100094

针对所研制的一种能够测量加速度直流信号的光纤加速度计,建立了影响该加速度计测量准确度的光学原理误差、交叉灵敏度误差以及温度引起的误差模型,并对该模型进行了仿真和实验分析.结果表明:随着信噪比增加以及光谱采样间隔减小,解调... 详细信息

针对所研制的一种能够测量加速度直流信号的光纤加速度计,建立了影响该加速度计测量准确度的光学原理误差、交叉灵敏度误差以及温度引起的误差模型,并对该模型进行了仿真和实验分析.结果表明:随着信噪比增加以及光谱采样间隔减小,解调算法的测量误差水平降低,测量准确度可达到4.5×10-5g;在1倍重力加速度下交叉灵敏度误差为1.8mg;当环境温度20℃时,温度每升高(降低)1℃,会使标度因数增加(减小)0.79‰.

关键词：光纤光学光纤加速度计白光干涉误差分析交叉灵敏度标度因数

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白光干涉型F-P光纤传感器结构参数研究

传感技术学报 2005年第2期18卷 363-366页

作者：杨要恩孙宝臣王庆敏杜彦良西安电子科技大学机电工程学院西安710071 石家庄铁道学院河北石家庄050043

在腔长的允许变化范围内,根据被测结构所承受的最大正负应变确定出白光干涉型F-P光纤传感器的初始腔长,又根据灵敏度和初始腔长与标距的关系,分别确定出温度和应变传感器的标距,并根据标距、灵敏度、测试量程三者之间的关系,得出结论:... 详细信息

在腔长的允许变化范围内,根据被测结构所承受的最大正负应变确定出白光干涉型F-P光纤传感器的初始腔长,又根据灵敏度和初始腔长与标距的关系,分别确定出温度和应变传感器的标距,并根据标距、灵敏度、测试量程三者之间的关系,得出结论:标距越大则灵敏度越高,测试量程越小,反之亦然。为了验证理论分析结果,采用标距分别为6mm、8mm、10mm的应变传感器进行实验,实验结果和理论分析基本吻合。

关键词：白光干涉 F-P光纤传感器腔长标距

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白光干涉零光程差位置的五步测量法

光电子．激光 2003年第12期14卷 1319-1323页

作者：孙杰刘铁根张以谟江俊峰天津大学现代光学仪器研究所光电子信息技术科学教育部重点实验室天津300072

给出了采用5步法测量白光干涉中零光程差位置的理论推导。提出在测量中以双光束干涉条纹间距的1/4大小作为干涉光强空间采样间隔;以被测点附近5点测量数据作为一组基本数据来确定干涉条纹的局部调制度;采用重心法确定干涉条纹调制度的... 详细信息

给出了采用5步法测量白光干涉中零光程差位置的理论推导。提出在测量中以双光束干涉条纹间距的1/4大小作为干涉光强空间采样间隔;以被测点附近5点测量数据作为一组基本数据来确定干涉条纹的局部调制度;采用重心法确定干涉条纹调制度的最大值位置,并以此作为零光程差位置。对不同干涉光强分布公式生成的模拟测量数据进行了理论分析;对光电测量系统中的机械精度与光电测量精度对测量结果的影响进行了定量计算。通过计算得到,本方法的最大零光程位置测量误差不超过1/4干涉光中心波长。

关键词：白光干涉零光程差位置五步测量法重心法光电测量系统

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白光干涉型光纤法珀腔传感器的制作工艺研究

压电与声光 2003年第2期25卷 94-97页

作者：郭明江梁大开曾捷万鹏飞南京航空航天大学智能材料与结构重点实验室南京210016

对白光干涉型光纤法布里珀罗干涉仪(WIFFPI)传感器的制作工艺进行了研究,讨论了内、外腔式两种光纤传感法珀腔的制作方法,重点论述了外腔式光纤传感法珀(EFFP)腔的制作工艺,对制作过程中的一些关键问题进行了分析,并提出了解决的方法,为... 详细信息

对白光干涉型光纤法布里珀罗干涉仪(WIFFPI)传感器的制作工艺进行了研究,讨论了内、外腔式两种光纤传感法珀腔的制作方法,重点论述了外腔式光纤传感法珀(EFFP)腔的制作工艺,对制作过程中的一些关键问题进行了分析,并提出了解决的方法,为WIFFPI传感器的制作及应用奠定了基础,也为其他类型的光纤法布里珀罗干涉仪传感器的研究及制作提供了参考。

关键词：白光干涉法布里珀罗光纤传感器

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基于相关度的白光干涉信号解调算法

光谱学与光谱分析 2023年第6期43卷 1941-1946页

作者：张振清董丽娟孙勇铁道警察学院刑事科学技术系河南郑州450053 山西大同大学微结构电磁功能材料山西省重点实验室山西大同037009 同济大学物理科学与工程学院先进微结构材料教育部重点实验室上海200092

超精密的微纳器件是制造领域的核心器件,随着超精密加工技术的迅猛发展,对相应的微纳检测技术要求越来越高。微纳检测技术是保证超精密加工技术精确稳定的重要手段,是超精密加工技术进一步发展的前提。现有的微纳器件表面轮廓检测方法... 详细信息

超精密的微纳器件是制造领域的核心器件,随着超精密加工技术的迅猛发展,对相应的微纳检测技术要求越来越高。微纳检测技术是保证超精密加工技术精确稳定的重要手段,是超精密加工技术进一步发展的前提。现有的微纳器件表面轮廓检测方法按是否使用光学原理可以分为光学类和非光学类,非光学类检测通常为点扫描、接触检测的方式,检测效率低,容易破坏待测器件的表面形貌。光学类的检测方式多为面扫描,非接触式测量,不会划伤待测器件,检测效率高。在光学检测中,白光干涉技术由于其相干长度短的特点,可实现微纳器件三维形貌的高精度测量,受到国内外研究人员的广泛关注。在白光干涉检测技术中,信号解调算法对整个检测系统至关重要,传统的白光干涉信号解调算法只采用了干涉信号的部分信息,解调精度较低,而高精度的相移解调算法又依赖于粗定位的精度,无法直接实现高精度的三维形貌恢复。为了解决以上问题,提出以相关度为基础的信号解调算法,该算法通过三级滑动窗口计算相关度,利用了白光干涉信号的全部信息,无需粗定位,就可直接确定待测物体的表面三维形貌信息。为验证该算法的性能,对其进行了模拟仿真和实验验证。模拟仿真结果表明该方法具有可行性,可准确恢复仿真待测三维结构形貌,采用三级滑动窗的设置可有效提高运算效率。同时,搭建了白光干涉垂直扫描实验系统,并对光栅结构和微透镜结构进行了测量,将实验结果与传统的重心法和相移法进行了比较。实验结果表明该方法能准确恢复出不同物体的三维形貌,精度及鲁棒性均优于改进的重心法,接近相移法,光栅高度的恢复结果表明该方法与相移法的误差小于0.5 nm。仿真和实验结果表明,所提出的基于相关度的白光干涉信号解调方法是可行的,无需粗定位便可实现待测物体表面三维形貌的高精度恢复,具有高精度、高鲁棒性的特点。

关键词：白光干涉相关算法三维形貌

白光干涉空间频域算法累积相位误差分析及抑制

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激光与光电子学进展 2021年第7期58卷 305-315页

作者：邓钦元黄庆卿侯杰张焱熊飞陈俊华重庆邮电大学自动化学院重庆400065

空间频域算法作为白光干涉测量的重要算法之一,被广泛应用于微纳结构表面形貌测量领域。然而,传统空间频域算法中存在着由被测样品倾斜及表面形貌起伏变化引起的相位误差累积效应,并且该相位误差与干涉信号中零光程差位置的偏移程度密... 详细信息

空间频域算法作为白光干涉测量的重要算法之一,被广泛应用于微纳结构表面形貌测量领域。然而,传统空间频域算法中存在着由被测样品倾斜及表面形貌起伏变化引起的相位误差累积效应,并且该相位误差与干涉信号中零光程差位置的偏移程度密切相关。为此,对相位误差累积效应的原理进行分析,并在传统空间频域算法的基础上提出了一种基于包络信号辅助分析的方法以抑制相位误差累积。该方法首先通过包络信号分析对原始干涉信号中的零光程差位置的偏移进行对称性校正,再通过空间频域算法对校正后的对称信号进行相位分析,从而尽可能抑制零光程差位置偏移对空间频域分析的影响。为了验证本文方法的有效性,分别从仿真和实验的角度对该方法进行讨论。

关键词：显微白光干涉形貌测量包络信号空间频域算法相位误差累积效应