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微结构表面形貌测量的双波长数字全息成像方法研究

王羽佳  
【摘要】:数字全息是一种能定量获取待测物体强度与相位信息的新型成像技术。随着计算机和图像传感器技术的高速发展,数字全息正在引起人们的广泛关注。同时微结构物体的广泛应用,需要高精度、无损快捷的测量手段对其表面形貌信息进行测量。数字全息技术具有对微结构物体无损伤、非接触、高分辨率、处理迅速的特点,通过记录全息图,获取相位图,准确快速的重构物体的表面三维形貌。这些独特优点,正适合于微结构物体的形貌测量领域。 在数字全息图的数值重现过程中,当光经过物体后产生的最大光程差大于所用的记录波长时,所得的相位分布将是包裹相位。传统方法去除相位包裹是通过数值相位解包裹算法,而这些算法有的需要人为干预,有的需要在已知物体结构的条件下才能完成,且数值相位解包裹算法很难实现对结构复杂或表面梯度很大的物体的测量。为了避免数值相位解包裹,可采用双波长数字全息方法。 本论文对微结构表面形貌测量的双波长数字全息成像方法进行了深入研究。双波长数字全息与单波长数字全息的区别在于双波长数字全息应用双波长相位解包裹方法获取连续的相位分布。首先对双波长相位解包裹方法做了理论分析,其方法是使用两个不同的波长记录数字全息图,分别由数值再现得到每个波长对应的包裹相位图,再求得两者的相位差得到等效波长的相位图,通过选择合适的两个波长便可使等效波长的相位图消除包裹。然后,运用MATLAB分别对斜面和阶梯型结构做了双波长数字全息三维成像的数值模拟,并对数值相位解包裹和双波长相位解包裹做了对比分析,展示了后者的优势。数值模拟的结果验证了双波长数字全息方法的可行性。并且,我们搭建了双波长数字全息三维成像实验系统,对双波长相位解包裹方法进行实验验证。对具有不同深度的相位型凹槽分别进行双波长数字全息成像测量,实验结果与表面轮廓测量仪和共聚焦显微镜获得的三维形貌和凹槽深度都具有较好的一致性,验证了双波长数字全息三维成像结果的有效性。由此可见,基于双波长相位解包裹的数字全息相衬成像方法在微结构表面形貌检测领域具有广阔的应用前景,是一种快速高效的三维形貌重构成像方法。


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