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表面微观形貌测量中相移干涉术的算法与实验研究

惠梅  
【摘要】: 本文对表面微观形貌相移干涉测量技术开展了全面、系统的理论与实验研 究工作。重点对相移干涉术算法,即相位提取算法和相位去包裹算法的理论进 行了深入研究,在此基础上,提出和发展了6种相位提取算法和5种相位去包 裹算法。在普通干涉显微镜的基础上,应用新提出和发展的算法编制的软件, 进行了被测物体的相位计算以及截断位相的整体恢复,进一步提高了微观表面 形貌的测量精度和测量可靠性、提高了测量系统的整体性能指标。 在相位提取算法方面,本文提出和改进了以下六个对扰动和误差不敏感的 相位提取算法,并给出了这些算法的理论推导和分析过程: (1)线性相移随机误差免疫四帧算法; (2)线性相移随机误差及光强信号二次谐波不敏感六帧算法; (3)对光强信号二次、三次、四次谐波不敏感算式; (4)对背景调制不敏感算法; (5)存在线性相移差时高次谐波不敏感算法; (6)基于Lissajous图的最小二乘拟合算法。 经过实验验证,上述算法具有对误差源不敏感的特性,其中算法(3)对Ra 的重复测量精度小于0.3nm。与传统相位提取算法相比,新算法将重复测量精 度提高了5倍以上。 针对实际干涉图中噪声点、低调制度点、误差点所引起的相位去包裹的结 果错误,本文发展了五个相位去包裹算法,来尽可能减少和避免这些情况的发 生。文中对这些算法进行了详细的理论推导和分析: (1)基于参考位相阈值的相位去包裹算法; (2)基于一维离散余弦变换的相位去包裹算法; (3)基于相位跳变线估测的相位去包裹算法; (4)运用Zernike多项式的相位去包裹算法; (5)基于理想平面拟合的相位去包裹算法; 在论文的实验工作中,对测量过程中出现的相位截断现象,应用算法(2) 和算法(3)解决了噪声包裹导致的相位突跳,恢复了物体表面形貌的连续性和 真实性,并对算法(1)、算法算法(4)和算法(5)进行了计算机模拟验证,证明了它 们对现实物体图象所存在噪声的处理是十分有效的。 在论文的实验研究工作中,建立了微分相衬干涉显微测量系统;编写了一 套测试软件、多个算法软件及多组数据处理软件;分析并解决了微观表面形貌 测量中存在的一些技术难题;对测量系统进行了详细的误差和精度分析。 测量结果表明,粗糙度测量精度为0.3nm;形貌高度测量精度为3.3lun;垂 直分辨率为4.6nm;系统稳定性为3.Slun。 关键词:相移干涉术,相位提取算法,相位去包裹算法,微分相衬干涉


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