【摘要】：多波長顯微干涉測量技術(shù)廣泛應(yīng)用于科研和工業(yè)中微納零件的表面形貌測量。但在PZT開環(huán)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生相移的多波長干涉測量中,由于PZT的遲滯、蠕變特性和環(huán)境振動(dòng)的影響,不同波長輪換時(shí)很難保證起始位置相同,起始位置不對(duì)齊將導(dǎo)致測量結(jié)果存在較大的誤差,從而不能保證測量精度。為此,本文提出一種PZT驅(qū)動(dòng)的多波長顯微干涉起始位置對(duì)齊的方法,論文的主要研究內(nèi)容包括:首先,分析多波長干涉基本原理和PZT驅(qū)動(dòng)特性,提出一種Z字形加微小電壓回退的PZT驅(qū)動(dòng)方法。設(shè)計(jì)了多波長干涉系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),并分析了雙波長、多波長干涉測量原理及形貌高度的計(jì)算方法。在介紹PZT的遲滯、蠕變特性和開環(huán)、閉環(huán)控制特征的基礎(chǔ)上,分析了三種不同的相移驅(qū)動(dòng)方式,并提出了一種Z字形加微小電壓回退的PZT驅(qū)動(dòng)方法,該方法不但能克服PZT的蠕變滯后特性對(duì)測量精度的影響,還能提高相移效率。其次,提出一種多波長起始位置對(duì)齊方法。設(shè)計(jì)了一種高精度相位提取算法,在一系列干涉圖中選取相移相差近似為kπ+(π/2)+Δ的兩組像素點(diǎn),再運(yùn)用橢圓擬合和相位解包裹算法,得到每種波長的總驅(qū)動(dòng)相移量和初相位。然后根據(jù)多波長的相移驅(qū)動(dòng)起始和終止位置關(guān)系,將其它波長的起點(diǎn)位置移到與第一種波長的起始位置一致,實(shí)現(xiàn)多波長起始位置粗對(duì)齊。在粗對(duì)齊的基礎(chǔ)上,利用已經(jīng)對(duì)齊的初相位獲取0級(jí)干涉條紋并設(shè)計(jì)算法對(duì)起始位置的初相位進(jìn)行精對(duì)齊。然后,單波長相移驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)及對(duì)齊精度分析。根據(jù)前面介紹的PZT三種相移驅(qū)動(dòng)方式,設(shè)計(jì)不同的驅(qū)動(dòng)電壓,將平面鏡作為被測對(duì)象進(jìn)行干涉測量實(shí)驗(yàn),采集干涉圖并根據(jù)前面的理論公式計(jì)算出三種驅(qū)動(dòng)方式的測量精度,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明Z字形加微小電壓回退驅(qū)動(dòng)的方式,能夠縮短相移時(shí)間,提高對(duì)齊精度。最后,多波長干涉測量實(shí)驗(yàn)及對(duì)齊精度分析。在分析白光源光譜特性的基礎(chǔ)上,選擇了三種不同帶寬的濾光片,并編寫了基于VC++的多波長相移驅(qū)動(dòng)軟件,實(shí)現(xiàn)多波長的自動(dòng)輪換并同步采集對(duì)應(yīng)的干涉圖像。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明Z字形加微小電壓回退驅(qū)動(dòng)的方式,能夠克服PZT驅(qū)動(dòng)慣性,提出的對(duì)齊算法能夠保證不同波長起始位置的對(duì)齊誤差小于3.44nm。
【學(xué)位授予單位】：湖北工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TH74
【圖文】：

針接觸法由于觸針與表面接觸容易劃傷表面，且逐點(diǎn)掃描使得測量三維表面需花費(fèi)較長時(shí)間，使得這種方法難以應(yīng)用于表面質(zhì)量要求較高的樣品[1]。光學(xué)非接法應(yīng)用最多的是基于光學(xué)干涉原理，主要有單色光相移干涉法、白光垂直掃描涉和多波長干涉等幾種。單色光相移法利用激光作為單色光源，對(duì)于微觀形貌，常用顯微鏡將被測表的輪廓起伏轉(zhuǎn)換為放大了的平面干涉條紋，再利用相移法使干涉條紋產(chǎn)生相對(duì)形，然后通過測量干涉條紋的相對(duì)變形來間接完成表面輪廓的測量[2,3]�？傊庀嘁聘缮娣y量精度高，但能準(zhǔn)確測量范圍不超過半波長。白光垂直掃描干涉法和多波長干涉法是擴(kuò)展表面形貌測量范圍典型代表[4]。白垂直掃描干涉法以白光為光源，白光光源相干長度極短，只有在光程差(OPD)近于零時(shí)才會(huì)產(chǎn)生高對(duì)比度條紋[5-7]。與單波長移相干涉法相比，白光干涉法速較慢，因?yàn)樾枰涗浐陀?jì)算的幀數(shù)較大。形貌高度方向的測量范圍理論上取決垂直掃描的驅(qū)動(dòng)范圍，精度取決于零級(jí)條紋位置點(diǎn)的識(shí)別精度。文獻(xiàn)[8]基于nnik 型干涉顯微鏡研制了一種帶計(jì)量系統(tǒng)粗精兩級(jí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)垂直掃描系統(tǒng)達(dá)到大驅(qū)動(dòng)范圍目的。其原理圖如圖 1.1 所示：

的光強(qiáng)分布不相同，造成光源上各點(diǎn)對(duì)周圍的強(qiáng)度影響不相同，導(dǎo)致測的每個(gè)波長的環(huán)境條件不一致，影響實(shí)驗(yàn)的測量結(jié)果。U. Paul Kumar 等光作為光源進(jìn)行顯微干涉測量，用彩色 CCD 相機(jī)來記錄干涉圖，并將 C RGB 三個(gè)通道的數(shù)據(jù)作為三個(gè)波長的光源[16]。其原理圖如圖 1.4 所示：

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2729563