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三维微表面相移干涉术研究

作　者: 方吉光
导　师: 吴兰
学　校: 浙江大学
专　业: 光学工程
关键词: 相移干涉术相位提取技术相位解包裹算法三维形貌 Flynn最小断点相位解包裹算法压电控制技术
分类号: TP274
类　型: 硕士论文
年　份: 2006年
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内容摘要

相移干涉术(PSI:Phase-Shifting Interferomety)作为一种光电型干涉测试技术,具有结构简单、调制方便、实时高速、高精度以及全场自动测量等优点,且已广泛应用于光学零件、光学系统、精密表面的检测以及其它与光程差参数相关的物理量的测量(如温度场、密度场等)。本论文对三维微表面形貌相移干涉测试技术展开了较为全面、系统的理论与实验研究工作。针对相移干涉术的核心问题——相位提取技术以及相位解包裹算法进行深入研究。根据干涉系统中参考板的移相需要,设计出一套步进电机控制系统。在Mirau型干涉显微成像系统硬件实验平台上,结合各种相位提取算法来获取物体表面形貌,本课题完成了精密移相系统以及相移干涉术核心算法的设计,大大提高了测量的精度。全文共分五章,组织结构如下: 第一章绪论。说明开展本论文研究工作的背景,分析了表面形貌测量的主要技术并作了简单比较,介绍相移干涉术的研究现状和发展趋势,最后阐述本文的研究目标及主要工作。第二章相移干涉术的理论基础。本章一开始介绍了常用干涉显微机构以及位相测量方法,然后全面分析了相移干涉术的测量原理、相移技术(压电控制技术和步进电机控制技术)、采样分析以及物体表面形貌的获取,最后分析相移干涉术中的测量误差。第三章相位提取技术及相位解包裹算法。本章为全文的核心算法章节,安排如下:分三大类对相移算法进行全面剖析(包括误差分析和性能比较),提出本文的相移算法,重点介绍本课题实现的相位解包裹算法:Flynn最小断点算法,最后给出了实验数据分析。第四章实验结果及数据分析。在这一章节中,我们给出了自行设计的步进电机控制系统,然后是基于相移干涉术硬件实验平台——Mirau型干涉显微成像系统,采集实验数据,分三个层次对数据进行了详细分析和深入讨论,得出结论。第五章总结与展望。本章对全文所作的工作进行了总结,并探讨了需要进一步深入研究和完善的工作。

全文目录

摘要  2-3
ABSTRACT  3-7
第一章绪论  7-20
  §1.1 引言  7-9
  §1.2 表面微观形貌测量技术  9-14
    §1.2.1 光学测量法  10-11
    §1.2.2 探针测量法  11-12
    §1.2.3 各种测量方法的比较  12-14
  §1.3 相移干涉术的研究现状和发展趋势  14-15
    §1.3.1 相位提取算法  14
    §1.3.2 相位解包裹算法  14-15
  §1.4 本课题的主要研究目标和内容  15-16
  §1.5 本章小结  16-17
  参考文献  17-20
第二章相移干涉术的理论基础  20-43
  §2.1 常用干涉显微机构  20-23
    §2.1.1 双光路干涉显微镜  20-22
    §2.1.2 共光路干涉显微镜  22-23
  §2.2 位相测量方法综述  23-26
    §2.2.1 传统条纹中心法  23-24
    §2.2.2 外差法  24
    §2.2.3 相移法  24-25
    §2.2.4 变换法  25-26
  §2.3 相移干涉术的基本测量原理  26-29
    §2.3.1 步进式相移干涉术  27-28
    §2.3.2 连续式相移干涉术  28-29
  §2.4 相移技术  29-35
    §2.4.1 压电控制技术  29-32
    §2.4.2 步进电机控制技术  32-35
      §2.4.2.1 步进电机  33-34
      §2.4.2.2 步进电机驱动器  34
      §2.4.2.3 步进电机运动控制器  34-35
  §2.5 采样分析  35-36
  §2.6 表面形貌的获取  36-38
  §2.7 相移干涉术测量误差分析  38-39
  §2.8 本章小结  39
  参考文献  39-43
第三章相位提取技术及相位解包裹算法  43-71
  §3.1 引言  43
  §3.2 定步长相移算法  43-46
    §3.2.1 三步法  43-44
    §3.2.2 四步法  44
    §3.2.3 五步法  44-45
    §3.2.4 N帧算法  45
    §3.2.5 位相平均法  45-46
  §3.3 等步长相移算法  46-48
    §3.3.1 Carre算法  46-47
    §3.3.2 Stoilov算法  47-48
    §3.3.3 Schwider算法  48
  §3.4 非定步长相移算法  48-55
    §3.4.1 最小二乘法  48-49
    §3.4.2 Kong-Kim迭代算法  49-51
    §3.4.3 改进的最小二乘法  51-53
    §3.4.4 差分相移图法  53-55
  §3.5 各种算法的误差分析和性能比较  55-60
    §3.5.1 定步长算法  55-58
    §3.5.2 等步长算法  58-59
    §3.5.3 非定步长算法  59-60
  §3.6 相位解包裹算法  60-66
    §3.6.1 引言  60-61
    §3.6.2 Flynn最小断点算法  61-66
  §3.7 本章小结  66-67
  参考文献  67-71
第四章实验结果及数据分析  71-88
  §4.1 步进电机控制系统  71-73
  §4.2 相移干涉术硬件实验平台  73-76
  §4.3 数据采集  76-77
  §4.4 数据分析  77-87
    §4.4.1 数据初步分析  78
    §4.4.2 数据进一步分析  78-79
      §4.4.2.1 相移图差分法计算相移量  78-79
      §4.4.2.2 改进的最小二乘法计算相移量  79
    §4.4.3 数据最终分析及比较  79-87
      §4.4.3.1 按照相移图差分法计算所得的相移量进行三维重建  79-81
      §4.4.3.2 按照改进的最小二乘法计算所得的相移量进行三维重建  81-82
      §4.4.3.3 各种算法重建的三维效果图及比较  82-87
  §4.5 本章小结  87-88
第五章总结与展望  88-91
  §5.1 本文所做的工作  88-89
  §5.2 需要改进的地方  89-91
致谢  91

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