基于白光的双波长相移干涉的误差分析

概略介绍了基于白光的双波长相移干涉表面形貌测量系统的原理,具体分析了影响测量精度的各种误差因素,给出了相应的误差计算公式和计算结果,并用模拟测量结果和实际测量结果进行了验证和比较。     

超光滑表面粗糙度检测系统的研究

超精加工技术的不断发展,对光滑表面粗糙度检测精度要求越来越高.采用显微相移干涉技术,设计软件算法实现超光滑表面任意横向或纵向截面线粗糙度以及面粗糙度在线检测与三维动态显示,初步实验表明,该系统测量精度达纳米量级,满足超光滑表面粗糙度检测性能要求.     

基于白光扫描干涉的振动补偿方法

研制了一种基于白光波长扫描干涉法的表面形貌抗振反馈测量系统,介绍了白光扫描干涉法的相位提取算法和相位去包裹算法,对声光可调滤光器低速率扫频时产生的非线性误差进行了算法修正,设计了用于振动补偿的DSP硬件控制模块,并搭建了抗振反馈测量系统。在不同振动环境下,对研磨12级的标准样块进行了三维表面形貌测量以及粗糙度参数评定。结果表明,施加低频振源后的粗糙度评定参数大小为未施加任何振源的粗糙度评定参数大小的2倍左右,开启系统振动反馈后,粗糙度评定参数接近最大允许值,说明本测量方法能在一定程度上消除振动噪声的影响,保证测量的顺利进行。二维、三维表面评定结果对比表明,三维表面评定能更全面地表现被测表面的形貌特征。     

钢球表面粗糙度的白光干涉非接触测量法

介绍了一种利用垂直位移台来实现钢球表面粗糙度高精度测量的垂直扫描白光干涉仪。该仪器是在6JA型干涉显微镜基础上加以改造,采用白光干涉,通过检测干涉信号的光强峰值,实现高精度的钢球表面三维形貌测量。通过试验验证该系统可对精度等级为3级的钢球进行精确的表面形貌测量。     

一种便携式光学表面轮廓仪

研究了一种基于短相干光相移干涉法的便携式光学表面轮廓仪,分析了短相干光干涉显微镜相移干涉技术,实现了基于该项技术的光干涉显微系统。采用光路集成化的设计方法,实现了一体化轮廓仪光路集成,优化了机械三维调整测量台,实现了可用于大、小口径元件表面测量的正置、倒置两种测量模式。测试结果表明,仪器的粗糙度测量精度为0.1nm,重复性误差优于0.01nm,横向分辨率优于1μm。     

旋转检偏器移相的微分干涉显微镜

提出了一种干涉相位差与检偏器方位角成线性关系的新型微分干涉显微镜,利用相移干涉技术,可定量测量样品的表面形貌及粗糙度参数,系统的垂直和横向分辨率分别为1nm和0.5μm。     

金刚石砂轮表面形貌测量系统

为了实现对金刚石砂轮表面形貌的非接触精密测量,开发了基于干涉原理的金刚石砂轮表面形貌专用测量系统,研究了该系统的测量原理和关键技术。根据垂直扫描白光干涉显微测量原理以及被测对象的特征,提出了适用于砂轮测量的方法,研究了系统的自动扫描范围、垂直方向的扫描方法、单次测量三维表面的恢复算法和磨粒的识别算法。结合自行设计的夹具搭建了砂轮测量系统,并对多次测量拼接算法进行了实验分析。实验结果表明:基于区域重合大小(重合度为30%~50%)的拼接算法获得的拼接前后重合区域的相关系数均大于0.8,拼接后重合区域的高度差均小于0.4μm。得到的结果显示所搭建的系统可以恢复砂轮的形貌,其测量范围和精度满足砂轮磨粒评定和分析的要求。     

干涉法表面形貌测量使用的扩展深度测量范围的方法

系统归纳了在干涉法表面形貌测量中使用的用来扩展深度测量范围的各种方法,分析了这些方法的原理、特性及性能指标,比较了这些方法的优越性。     

一种基于白光扫描干涉法表面形貌测量仪的研究

本文介绍了一种利用白光扫描干涉法测量表面三维形貌的仪器原理及其整体结构,分析了影响测量精度的主要因素,给出了最佳干涉位置的识别算法,并用实际测量结果加以论证。     

合金韧窝断口微观形貌的扫描白光干涉三维检测重构及Motif表征

针对30CrMnSiA合金韧窝断口复杂的表面特征,运用扫描白光干涉法检测微观形貌.系统采用Linnik结构,并通过空间频域分析算法重建断口表面三维形貌,试验中扫描行程达120μm,纵向检测精度优于5 nm,频域分析表现出很强的位相提取和噪声抑制能力.研究韧窝断口的三维Motif表征方法,提出包含深度、长度、宽度、面积、方向角和各向异性率等6参数的定义,以及基于面积和深度阈值的合并算法.考虑到韧窝三维形态的各向异性,对基于纵横比的表面微观粗糙度定义进行修正.采用3D-Motif法对试验获得的断口三维形貌进行表面纹理分割,提取韧窝个体特征参数和统计数据,其中测得断口表面微观粗糙度为0.15～0.70,从而为定量化研究材料的断裂机理提供客观依据.     

互补格雷码双 N 步相移的彩色编码光栅投影轮廓术

在三维轮廓测量领域,互补格雷码相移法能够得到连续的展开相位,然而,单组相移条纹导致其测量精度极易受到周围环境变化的影响,且传统投影方式增加了干扰的引入。针对此问题,本文提出了一种基于彩色编码光栅投影的互补格雷码双N步相移法。首先将双N步相移条纹和互补格雷码条纹混合编码成彩色条纹,然后依次投射到目标表面,最后从采集的彩色条纹中提取相位信息分别进行相位解算、融合后求得表面三维形貌。为了验证本文所提方法,将该方法与传统互补格雷码N步相移法以及三频外差法进行了对比实验。实验结果证明,本文方法能够获得高精度表面形貌信息,有效降低测量误差,同时检测效率提高50%。     

基于微分干涉相衬的相位分析法研究

通过对微分干涉相衬显微定量测量方法进行研究,提出了一种更有效的相位分析法。即在不对双光束干涉光路进行改造或处理的前提下,通过对光学成像进行处理而得到理想的结果。即把图像中的光强信号转变成相位信号,并通过维纳滤波对噪声进行了消除,最后获得表面微观形貌定量参数。     

基于dbN小波变换和自适应高斯滤波的齿面干涉图像相位滤波方法

齿轮齿面形貌的激光干涉测量中，由于齿面高度差较大，采集到的干涉图像中难以避免存在条纹密集区域，容易出现局部条纹粘连、错切等现象，增加了相位噪声和解包裹难度。分析了包裹相位图中条纹密度分布规律，提出了一种基于dbN小波变换和自适应高斯滤波的齿面干涉图像相位去噪方法。首先，利用小波变换分解出包裹相位图中常表现为高频信号的噪声，采用软阈值去噪滤除部分高频噪声；其次，根据包裹相位图频域特征，结合自适应高斯滤波进一步对高频噪声进行迭代滤波处理；最后，设计了相关实验，通过与经典的滤波方法进行对比，所提方法不仅能够有效滤除条纹较为密集的包裹相位图中的相位噪声，而且更大限度地保留了图像细节信息，证明了所提方法的有效性和正确性。     

Development of surface reconstruction algorithms for optical interferometric measurement

Optical interferometry is a powerful tool for measuring and characterizing areal surface topography in precision manufacturing. A variety of instruments based on optical interferometry have been developed to meet the measurement needs in various applications, but the existing techniques are simply not enough to meet the ever-increasing requirements in terms of accuracy, speed, robustness, and dynamic range, especially in on-line or on-machine conditions. This paper provides an in-depth perspective of surface topography reconstruction for optical interferometric measurements. Principles, configurations, and applications of typical optical interferometers with different capabilities and limitations are presented. Theoretical background and recent advances of fringe analysis algorithms, including coherence peak sensing and phase-shifting algorithm, are summarized. The new developments in measurement accuracy and repeatability, noise resistance, self-calibration ability, and computational efficiency are discussed. This paper also presents the new challenges that optical interferometry techniques are facing in surface topography measurement. To address these challenges, advanced techniques in image stitching, on-machine measurement, intelligent sampling, parallel computing, and deep learning are explored to improve the functional performance of optical interferometry in future manufacturing metrology.     

基于相移和颜色分光的电子散斑干涉瞬态三维变形测量方法

提出了一种基于相移和颜色分光的电子散斑干涉(ESPI)瞬态三维变形测量方法,该方法包括一个彩色CCD和红绿蓝三种不同波长的激光器,可同时采集来自三路的散斑干涉图像。物体面内水平方向、竖直方向以及离面方向的散斑干涉图像信息通过颜色分光实现分离,并利用相移算法对散斑干涉条纹图进行分析处理,分别解调出水平、竖直及离面方向的变形场相位,实现三维变形场的测量。模拟及实验分析表明,此方法能同时实现物体面内水平方向、竖直方向以及离面方向的变形测量,可用于物体表面的三维瞬态变形测量,也可单独完成面内或离面的二维变形测量。     

多传感器数据融合技术在动态称重系统中的应用

利用多传感器数据融合技术,通过对超声波传感器、测速传感器、电容传感器以及称重传感器测得的物料质量数据进行数据融合,大大提高了称重系统的测量精度,得到受环境干扰因素更小、精度更高的有关物料的测量数据。仿真结果表明,该方法在数据处理的精确性和稳定性方面都得到改善,可以有效地减小噪声、振动、电磁干扰等环境因素对动态称重系统测量的影响。     

被测件随机移相干涉面形测量方法

针对光学元件的面形测量,提出了一种被测件随机移相干涉面形测量法,用于降低移相干涉仪的成本,避免移相器老化产生的移相误差对面形检测精度的影响。该方法利用微位移驱动器驱动被测件在摩擦气浮复合导轨上移动进行随机移相并用相机采集若干幅干涉图;然后利用最小二乘迭代算法处理干涉图数据进而迭代出被测表面相位分布;最后进行一系列数据处理求解出被测件的面形结果。为了验证该方法的可行性,在实验室搭建了改进的斐索移相干涉系统,并选用一个凹面镜和一个平面镜作为被测件在搭建的系统上进行了实验测试,同时与同台仪器上的传统移相方法得到的测量结果进行了比对。结果表明:在激光光源波长λ为632.8nm的情况下,凹球面镜面形PV值和RMS值与传统移相方式测量结果相差0.001λ,和0.002λ;平面镜面形PV值和RMS值与传统移相方式的测量结果相差0.002λ和0.003λ,面形数据基本一致。该方法避免了移相器老化引入移相误差,降低了仪器成本,测量精度高。     

应用复Morlet小波变换分析条纹图相位

针对在使用干涉、Moiré偏折等方法进行流场高速动态测量时条纹图中大量无效数据对计算结果的影响,提出了一种基于连续小波变换的条纹图相位分析方法.利用小波变换的瞬时条纹频率分析能力,选用复Morlet小波及合适的小波参数,使得条纹图的小波变换模极大值与其调制度系数成正比,将其作为加权最小二乘法相位展开算法的权值,保证了相位有效展开.使用曲线拟合进行小波变换脊定位,缩短了定位时间并消除了噪声干扰.仿真实验显示,使用该方法得到的分析结果与实际相位值的相对误差小于0.01％;内波流场测量实验显示,使用该方法进行条纹图分析,密度梯度测量精度达到了5×10-6g/cm4.结果表明,用该方法进行条纹图相位分析可以有效消除无效数据对结果的不利影响,相位展开有效可靠,分析结果精度高.     

纳米级微间距的多波长干涉测量方法

多波长干涉测量法适用于纳米级微间距的实时动态非接触测量.纳米级间隙之间的空气形成一层具有光学特性的空气薄膜.该空气薄膜的光强反射率是关于入射光波长和薄膜厚度的函数.在多波长干涉法中,以包含多种波长的复合入射光照射薄膜,入射光被空气薄膜分成2部分,一部分穿过薄膜,另一部分则被反射回来.利用一种特殊的方法测得该薄膜的光强反射率,进而根据薄膜厚度与入射光波长和相应的光强反射率之间的函数关系建立方程组.通过对方程组求解,计算出薄膜的厚度.多波长干涉测量法能够避免移相干涉法中移相器所带来的误差,并且可根据不同波长的光波测出的结果相互校正,提高了测量精度.通过实验对多波长干涉测量法进行了验证,实验结果充分证明了系统设计及理论依据的正确性.