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显微干涉术在测量微小表面几何参数中的关键技术研究

作　者: 徐永祥
导　师: 陈进榜；朱日宏
学　校: 南京理工大学
专　业: 光学工程
关键词: 微小表面光学测试干涉显微镜移相干涉术显微干涉术曲率半径顶点偏移光纤高度
分类号: O436
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
下　载: 232次
引　用: 4次
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内容摘要

微小表面的几何参数对光学零部件成像质量起着决定性作用。微小表面的特点是口径小,采用常规干涉仪对其表面的几何参数无法实施精确测量。论文采用显微干涉术,以表面面形、球面曲率半径、光纤连接器端面顶点偏移和光纤高度为研究对象,分别从三个方面就测量方法及其中关键技术进行了系统研究:条纹法、移相法和虚光栅移相莫尔条纹法。对于条纹法,在单幅干涉图自动识别与处理基础上,着重研究了由全部细化条纹信息测量曲率半径的非线性迭代算法,较好地克服了单幅干涉图分析法受噪声影响较大的不足。对于移相法,研究了由多幅干涉图通过相位复原测量表面面形和曲率半径的方法。针对传统解包算法受噪声影响不能正确解包的问题,给出了基于路径优先搜索的相位解包改进算法,通过对由实际干涉图得到的包裹相位的展开运用,结果表明,该算法在含有噪声和大块无效区域情况下,均能得到正确的相位展开结果。针对移相误差对曲率半径测量的影响,论文将常用算法对移相误差的敏感性作了比较,得出重叠四步平均算法对移相误差更不敏感、曲率半径测量误差更小的结论,同时通过实验验证了该算法测量曲率半径的可行性,为测量曲率半径时移相算法的选取提供了有价值的依据。对于虚光栅移相莫尔条纹法,研究了利用一幅干涉图通过相位分析测量微小表面面形和曲率半径的方法及有关关键技术,并进行了实验研究。基于移相干涉方式,论文研究了光纤连接器端面顶点偏移和光纤高度的测量方法。对于顶点偏移,在结合移相干涉和显微图像处理的测量方式基础上,针对普通的顶点一纤芯测量法需要配备精密轴线倾斜调整装置以保证测量精度的苛刻条件,提出了用旋转π法辅以普通五维调整架进行测量的方法,通过对两种方法下误差规律的比较和测试结果比对,验证了旋转π法同样可实现精确测量的可行性,大大降低了测量顶点偏移时要求的测量装置的高成本。论文基于Linnik型干涉显微镜,改进设计了一套PZT移相数字式显微干涉系统;对产生移相误差的关键部件-PZT移相器进行了非线性测量和校正技术研究;采用载频移相干涉术测量了显微移相系统的误差,得到误差波面的峰谷值为λ/10.37。运用显徽移相系统,论文对所有理论算法进行了实验研究,并给出了测量(或比对)结果。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-10
1 绪论  10-25
  1.1 本文的研究背景  10-11
  1.2 国内外研究现状  11-22
  1.3 本文研究采取的方案  22
  1.4 本文主要研究工作和内容安排  22-25
2 显微移相干涉术  25-43
  2.1 移相干涉术基本原理  25-28
  2.2 相移实现模式  28-32
  2.3 相位提取算法  32-35
    2.3.1 常见相位提取算法  32-33
    2.3.2 OAF相位提取算法  33-35
  2.4 相位解包  35-42
    2.4.1 相位解包的基本原理  36-37
    2.4.2 基于路径优先搜索的相位解包算法  37-42
  2.5 本章小结  42-43
3 显微移相干涉系统的设计  43-63
  3.1 系统工作原理  43-44
  3.2 干涉显微镜光学系统  44-46
  3.3 相移控制驱动系统  46-57
    3.3.1 压电陶瓷移相器  46-48
    3.3.2 单组PZT微位移的非线性校正  48-52
    3.3.3 移相器的标定  52-54
    3.3.4 移相器非线性测量与校正实例  54-57
  3.4 图像采集与处理系统  57
  3.5 系统误差的分析与测试  57-61
    3.5.1 系统各部分误差因素的影响  57-60
    3.5.2 系统误差的测定  60-61
  3.6 本章小结  61-63
4 微小表面面形和球面曲率半径的测量研究  63-88
  4.1 曲率半径的测量概述  63
  4.2 条纹法  63-70
    4.2.1 条纹的识别与处理  63-65
    4.2.2 采样数据的处理算法  65-68
    4.2.3 测量实例  68-69
    4.2.4 误差分析  69-70
  4.3 移相干涉法  70-81
    4.3.1 测量原理  71-74
    4.3.2 移相误差影响的分析与比较  74-79
    4.3.3 测量实例  79-81
    4.3.4 结论  81
  4.4 虚光栅移相莫尔条纹法  81-87
    4.4.1 测量原理  82-84
    4.4.2 测量实例  84-87
  4.5 本章小结  87-88
5 光纤连接器端面顶点偏移和光纤高度的测量研究  88-102
  5.1 概述  88-89
  5.2 顶点偏移的测量方法  89-99
    5.2.1 顶点-纤芯法测量原理  89-93
    5.2.2 旋转π法测量原理  93-99
    5.2.3 结论  99
  5.3 光纤高度的测量方法  99-101
  5.4 本章小结  101-102
6 全文总结  102-106
  6.1 本文所做的工作及创新点  102-105
  6.2 有待研究和解决的问题  105-106
致谢  106-107
参考文献  107-118
博士在读期间发表论文  118
博士在读期间科研和获奖  118-119
  科研项目  118-119
  有关获奖  119

显微干涉术在测量微小表面几何参数中的关键技术研究

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