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基于双波长干涉的微表面形貌测量的算法和实验研究

作　者: 石凤
导　师: 贾大功
学　校: 天津大学
专　业: 光学工程
关键词: 双波长干涉 相位提取算法 表面形貌 相移干涉
分类号: O436.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


随着微细加工技术的不断发展进步和微电路、微光学元件、微机械等微表面的不断出现,对微表面三维形貌测量技术也提出了更高的要求,迫切需要微表面三维形貌测量的技术。在众多微表面形貌测量方法中,相移干涉法以其高精度和非接触的优点,得到了广泛的应用。本文在相移干涉法基础上,提出了一种双波长干涉测量方法,该方法可以直接得到真实相位分布,不需要解包裹的过程。用双波长干涉测量重建微表面形貌的算法和实验是本文研究的关键。围绕这一主要内容,所做的主要工作如下：1.从干涉的基本原理出发,对相移干涉的基本理论进行了研究,在此基础上提出了一种利用双波长干涉的微表面形貌检测方法。研究了双波长干涉的相位提取算法,其关键是初始点的相位计算和判别。该方法不需要解包裹的过程,同时也避免了由相移器引入的附加误差。2.用软件模拟了基于双波长干涉进行微表面检测的过程。首先建立理想三维物体模型,基于双波长干涉理论制作干涉图,利用本文提出的相位提取算法获取相位的真实值,获得了表面形貌。并且在干涉图上加入不同程度的高斯噪声和椒盐噪声,来评估相位提取算法的可行性和鲁棒性。3.设计了基于双波长干涉重建物体表面形貌的系统。根据系统的要求,分别给出了针孔滤波系统,扩束准直系统,干涉系统和数据接收系统的参数。4.搭建了基于双波长干涉重建物体表面形貌的实验系统,分别以平面反射镜和凹面反射镜为被测物,利用两个不同波长的激光器获得了双波长干涉图,利用本文提出的相位提取算法,提取了被测物的真实相位,获得了微表面的三维形貌。从而从实验上证明了双波长干涉方法的可行性。

全文目录


摘要  3-4
ABSTRACT  4-7
第一章 绪论  7-17
  1.1 微表面形貌检测的意义  7
  1.2 微表面形貌检测的方法  7-9
    1.2.1 微表面三维形貌检测的非光学测量方法  8
    1.2.2 微表面三维形貌检测的光学测量方法  8-9
  1.3 干涉测量中的相位测量方法  9-12
    1.3.1 时间相移法  10
    1.3.2 空间相移法  10-11
    1.3.3 空间载波相移法  11-12
    1.3.4 Fourier变换法  12
  1.4 微表面形貌检测发展的状况  12-15
    1.4.1 国外形貌检测仪的发展状况  12-14
    1.4.2 国内形貌检测仪的发展状况  14-15
  1.5 本文的主要工作与各章的主要内容  15-17
第二章 双波长干涉原理和算法研究  17-35
  2.1 相移干涉理论  17-21
    2.1.1 光学干涉基本理论  17-18
    2.1.2 相移干涉法的基本原理  18-20
    2.1.3 相位解包裹原理  20-21
  2.2 常用的相位提取算法分类及原理介绍  21-27
    2.2.1 定步长相位提取算法  22-23
    2.2.2 等步长相位提取算法  23-24
    2.2.3 未知相移量相位提取算法  24-27
  2.3 双波长干涉原理及相位提取算法  27-34
    2.3.1 双波长干涉原理  29-30
    2.3.2 基于双波长干涉的相位提取算法  30-34
  2.4 本章小结  34-35
第三章 基于双波长干涉算法的物体重建  35-51
  3.1 计算模拟作干涉图  35-38
  3.2 在理想情况下重建物体表面形貌的过程  38-42
  3.3 噪声在表面形貌重建中的影响  42-50
    3.3.1 高斯噪声对表面形貌重建的影响  42-46
    3.3.2 椒盐噪声对表面形貌重建的影响  46-50
  3.4 本章小结  50-51
第四章 基于双波长干涉微表面形貌测量的实验系统设计及研究  51-60
  4.1 实验系统设计  51-57
    4.1.1 光源部分  52-53
    4.1.2 针孔滤波和扩束准直系统  53-55
    4.1.3 迈克尔逊干涉  55-56
    4.1.4 数据采集系统  56-57
  4.2 微表面形貌测量的实验研究  57-59
    4.2.1 双波长干涉系统的搭建  57-58
    4.2.2 实验系统的调节方法  58-59
  4.3 本章小结  59-60
第五章 基于双波长干涉的微表面形貌测量实验结果分析  60-71
  5.1 干涉图的校正  60-63
  5.2 平面反射镜的测量结果及分析  63-67
    5.2.1 曲线拟合的基本原理  63-64
    5.2.2 测量结果及分析  64-67
  5.3 凹面反射镜的测量结果及分析  67-70
  5.4 本章小结  70-71
第六章 总结与展望  71-72
参考文献  72-75
发表论文和参加科研情况说明  75-76
致谢  76

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中图分类: > 数理科学和化学 > 物理学 > 光学 > 物理光学（波动光学） > 干涉与衍射
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