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白光扫描干涉测量方法与系统的研究

马龙  
【摘要】:超精密加工技术的发展对检测技术提出了更高的要求,超精密检测技术应运而生。白光扫描干涉术作为一种重要的测量方法具有非接触、测量速度快等优点,被广泛应用于超精密检测领域。目前,对该技术的研究主要集中在提高测量精度、测量效率与扩展测量范围等方面。本课题围绕这一主题展开工作,在对白光扫描干涉术的测量机理与测量过程进行深入研究的基础上,基于纳米测量机(NMM)构建了白光显微干涉测试系统。本文涉及的主要工作包括: 1、系统论述了白光扫描干涉术的发展现状和发展趋势。对目前广泛使用的白光干涉信号相干峰感知算法按照空域方法、频域方法和白光相移干涉法三大类给出了详细的理论推导与实验分析,得出了各类具体方法的适用特点。 2、以纳米测量机(NMM)为定位平台构建白光显微干涉测试系统。该系统不但可以进行垂直扫描,也能够实现倾斜扫描、变速扫描并具有薄膜结构测试功能。利用NMM的大范围定位能力,将测量范围扩展到25 mm×25 mm×5 mm。所有运动及定位过程均由激光干涉仪实时标定,减少了扫描步长误差。 3、提出了一种基于Carré相移法的白光相移干涉法。该方法相比空域算法在提高计算精度的同时保证了较高的计算效率。在信号处理中,首先定位干涉信号的重心位置,将相位提取限制在零级条纹。本方法无需相位解包裹过程,减少了干涉条纹可见度变化带来的高度测量误差。 4、提出了针对大尺度台阶结构的变速扫描策略。基于本套系统开发了两种具体的实现方式:基于预定义模式的变速扫描和基于自动对焦模式的变速扫描。扫描过程中,该方法能够控制系统仅在有干涉条纹存在的空间区域采集图像,而在其它区域加速运行,提高了这类台阶结构的测试效率。 5、提出了基于双角度配置的白光倾斜扫描干涉法。该方法在保证垂直方向测量范围的同时,扩展了白光扫描干涉术的水平测量范围,且无需拼接过程。毫米量级的水平范围测试仅需一次扫描即可完成。同时,由于本方法使用双角度配置的扫描方式,简化了实验调整过程。 6、提出了基于图像分割技术的薄膜结构测试方法。该方法利用图像分割技术设定分离阈值,能够对薄膜上下表面反射形成的双峰干涉信号进行自适应处理。一次测试即可同时得到薄膜上下表面形貌、厚度、粗糙度及均匀性等信息。通过提出干涉信号辨识方法,将该方法扩展到覆盖薄膜结构器件的测试中。


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