维普资讯 http://www.cqvip.com ２１１００年弟３别 文章编号：１００５—３３８７（２００６）０３－ＯＯＯ７一ｏ９ 多光束移相干涉在镀膜平面形貌测量的应用研究 朱小平杜华高思田杨自本 １０００１３） （中国计量科学研究院，北京摘要：本文以光干涉原理为基础，分析多光束干涉原理特点及其在平面形貌（平面度）测量中应用可能，提出应用移相 方法对被测镀高反膜表面进行调制，得到一系列被调制的干涉图样，经计算机对干涉图样进行自动采集和图像解包裹，获得 被测表面的三维形貌数据，并通过实际测试验证了该方法的可行性和科学性。 关键词：多光束干涉；移相；解包裹；三维形貌 中图分类号：ＴＢ９６ 文献标识码：Ａ ．Ｏ 引言 平面的测量原理，及其应用实现方法。 光学平晶是长度计量中常用的平面度实物标准 １ 多光束干涉原理及系统构成 器，按形状分为圆平晶和长平晶两种，对平面度的测 多光束干涉是相对于双光束干涉而言的。双光 量，常规方法有两种：一是等厚干涉的方法，二是等 束干涉是指产生干涉的光束由参考光束和测量光束 倾干涉的方法。 互相叠加形成的干涉，其干涉条纹的光强具有近似正 等厚干涉方法是以被测和标准平晶工作面组成一 弦曲线的分布，见图１所示，双光束干涉的应用很普 光楔，在光的照明下产生等厚干涉条纹，因干涉条纹形 遍，如商品化的激光干涉仪；而多光束干涉则不同，参 状取决于光楔的厚度变化，光楔中具有相同厚度的将 与叠加干涉的光束是多个相干光束，干涉条纹宽度比 产生同一级次的干涉条纹即等厚条纹，通过目测评估 起双光束要细很多，干涉表面的反射率越高，干涉条 条纹的弯曲程度来估测被测表面的平面度。一组等厚 纹越细，典型的多光束干涉应用是Ｆ—Ｐ干涉仪（法 干涉条纹只能评估一个方向的条纹弯曲量或平面度， 布里一珀涉仪）。多光束干涉条纹的特点是：光 该测量结果的误差大小与操作者的技术经验有关。 强不再具有近似正弦分布，见图２所示，条纹半强度 等倾干涉方法较等厚干涉法则前进了一步，被测 的宽度相对于条纹间距比值很小，条纹细、而条纹间 和标准平晶工作面组成一光学平行平板，在点发散光 距宽的特点，正是本文中多光束干涉移相法测量平面 的照明下，对光源有相同倾角的点将有相同的光程 形貌的关键所在，应用特点主要表现在： 差，这些等倾点将产生环形干涉条纹即牛顿环，通过 测量平面工作面上不同位置的牛顿环直径变化量换 算到某一截面上直线度，再测量９０度方向的截面上 的直线度，取两者中较大的作为平面度结果。该方法 能比较精确地测量平面度数值，但仍停留在某一截面 上的有限个测量点，测量结果仍存在片面性。 无论是等厚干涉法还是等倾干涉法，被测的都是非 图１双光束干涉条纹光强分布图 镀膜的光学平面，缺点是：人为因素影响大，测量具有以 线代面的片面性，测量精度低，等厚干涉尤其明显。 随着科技和工业技术的发展，这种传统的测量 方法已不能适应、更不能满足现代计量的要求，应用 最新的光学、电子和计算机技术，实现高精度、高效 率的测量，是计量的发展方向。笔者将在文章中将 提出并阐述采用多光束干涉移相方法实现镀膜光学 图２多光束干涉条纹光强分布图 一７一 维普资讯 http://www.cqvip.com １）条纹是等光程差路径或是等高线的表现，条 纹越细，在二维平面上的分辨力越高，也就是越能精 确地反映出光学平面的凹凸位置所在； ２）条纹间距越大，为在一个条纹间距内插细分 科学全面、真实可靠。本文中采用在一个条纹间距 内进行十移相细分的方法，即通过移相驱动在一个 条纹周期内采集到等相移的１０幅图像，分别解包裹 后将得到十组测量结果，最后再加权处理获得被测 表面的形貌数据。从理论上而言，移相步数越多，测 量结果的数据越能反映被测平面，但移相步数的大 提供先决条件，为提高求解两条纹之间各点的相位 精度提供可能。 多光束干涉原理为：单色光源（本文中采用汞 灯）经过一位于准直透镜焦面上的小孔光阑和准直 小取决于系统的多光束干涉条纹宽度与条纹间距的 比值，本项目组建的多光束干涉系统为近似１／１８。 透镜后形成平行单色光，经分光镜后部分反射至参 考面和被测面组成的空气平行平板，由于相对的两 内表面均镀有高反射膜，因而，入射的相干光中大部 分在第一个参考镀膜面反射，剩下的一小部分则透 过第一参考镀膜面后在第一、第二镀膜面之间产生 多次反射，并多次通过第一镀膜面与在该面上的首 次反射光在分光镜相遇叠加后，产生多光束干涉。 其干涉条纹经会聚透镜会聚在其焦平面上，并由安 装在焦面上的ＣＣＤ采集传送至计算机，按一定的算 法处理后得到被测表面的形貌变化，如图３所示。 图３多光束干涉、移相测量原理图 移相器是由均匀分布的三个压电陶瓷及相关的 驱动电路组成，它的作用是驱动被测面按预定的量值 进行前后平移。系统构成及工作流程如图４所示。 单色光源 高压驱动 Ｈ Ｄ／Ａ转换卡 多光束干涉系统卜＿—一移臁（田电陶瓷）Ｉ ｌ计算机处理系统 干涉条纹图样卜＿＿— ＣＣＤ图像探测器Ｈ 图像采集卡 图４系统构成及工作流程图 ２算法原理 因条纹的间距总是有一定的大小，当对采集到 的一幅干涉图样进行解包裹分析处理时，仅得到条 纹所在的位置走向，而条纹之间是空白区无测量数 据，此时一般是采用内插细分的方法来填充空白区 的测量数据。如果条纹间距较大时，以这种数学内 插方法得到的数据与实际表面的失真将很大。要解 决该问题，必须在一个条纹间距内进行若干次的移 相，相当于对一个条纹间距再细分，使测量结果更加 一８一 图５为移相细分图。 图５移相细分图 其中，每一幅图像的处理过程为：采集图像一滤 波处理一分析表面各条纹位置一滤除条纹噪声点一 解条纹包裹一内插细分一转换成三维平面上高低差。 在解条纹包裹时，根据先中心后四周的原则，再根据 条纹的方向来决定是按水平方向还是垂直方向去包 裹，一般应沿与条纹方向相垂直的方向进行处理。 在实际测量时，为了提高测量准确度，采用三个 或四个尺寸一样的平面进行互检，这样可避免了对 参考平面的高要求。 ３应用实例 本系统的目标是测量尺寸为１５０ｍｍ×１５０ｍｍ ×３０ｒａｍ石英材料的四方块三个镀膜外表面的平面 新貌，因此，系统的主要技术构成有： 最大工作口径为￣１５０ｍｍ；采用汞灯为光源，成 本较低；采用１６位Ｄ／Ａ数据转换卡驱动０—３００Ｖ 的高压输出；采用７６８×５７６点阵的二维面阵黑白 ＣＣＤ。系统测试软件开发平台为Ｗｉｎｄｏｗｓ９８＆Ｖｉｓｕａｌ Ｃ＋＋＆ＭａｔＬａｂ７．０。 本例中，以大工作面的中心位置５０ｍｍ×５０ｒａｍ 面积上为例进行测量分析。５０ｍｍ对应１５０像素， 则每０．３ｍｍ将对应一测量点，５０ｍｍ×５０ｍｍ面积上 有２２５００个测量数据，能全面的反映整个测量面的 形貌数据。 图像处理过程为：采集到足够的干涉图像数据， 经过滤波，按一定阈值搜寻条纹位置，得到包裹条纹 数据，再应用合适算法解包裹后，得到解包裹后初始 形貌，再次变换解包裹后的数据，即可获得被测表面 的三维形貌。见图６一ｌ１图所示。 维普资讯 http://www.cqvip.com 图６原始多光束干涉图像 图７自动搜寻后初始条纹位置 图８包裹条纹 图９解包裹后形貌 从移相细分前后的三维形貌图可以明显看出： 移相细分前整个曲面上起伏变化较大，平滑性差，移 相细分后，整个曲面高低变化缓慢，平滑度明显变 好。这正好体现了移相细分后，测量分辨率提高，测 量结果与实际表面差异更小，更加真实、可靠。 图１０移相细分前三维形貌 图ｌｌ 移相细分后三维形貌 ４ 总结 应用多光束干涉及移相方法测量光学平面的平 面度，具有传统方法无法比拟的优点：测量快速、数 据准确、方法科学和测量结果可视化，较小的测量不 确定度，是现代计量技术的发展方向，克服了常规激 光平面干涉仪对镀膜平面测量的不足。 值得改进的是：因光学系统组件不理想，导致多 光束干涉条纹质量较差，条纹细度不够（仅达１／ １８），影响了系统测量分辨力。 本系统是应用反射光的多光束干涉系统，如果 需要，还可应用透射光组成多光束干涉，同时根据被 测平面安装姿态的不同，可组建成水平和垂直方向， 满足不同使用特性的要求。 通过本系统对实物平面的实际测量，从测量结 果数据验证了理论的正确性和科学性，也为进一步 深化和完善本系统，积累了有益的经验和技术基础。 参考文献： ［１］殷纯永编著．现代干涉测量技术．天津：天津大学出版 社． ［２］Ｄａｖｉｄ Ｊ．ｋ￣ｇｌｉｍｋｉ著（美）．ＶＣ＋＋技术内幕．北京：清 华大学出版社． ［３］ 罗军辉等编著．Ｍａｔｌａｂ ７．０在图像处理中应用．北京： 机械工业出版社． （下转第ｌ８页） 一９一 维普资讯 http://www.cqvip.com 化。此外，卢值应根据具体对象及要求而定，若 过 统可以有效解决以上问题，并且保持高精度和稳定 大，则达不到积分分离的目的；若 过小，则会导致 的输出功率。 无法进入积分区。如果只进行ＰＤ控制，会使控制 参考文献： 出现余差。 ［１］ 单成玉．温度对半导体激光器温度参数的影响［Ａ］．吉 林师范大学学报，２００３，１１（４）：９５—９７． ４结论 ［２］ 关继宇．光电对抗装备技术现状及发展趋势［Ａ］．２００３ 在普通的ＰＩＤ控制中，引入积分环节的目的主 年全国光电技术学术交流会论文集［Ｃ］．Ｐ２９２—２９４． 要是为了消除静差，提高控制精度。但在过程的启 ［３］ 汤定元．光电器件概论［Ｍ］．上海：上海科学技术出版 动、结束或大幅度增减设定时，短时间内系统输出有 社，１９８９． ［４］ 姚和军，吕正，林延东．低温辐射计浸Ｉ量系统中的光路 很大的偏差，会造成ＰＩＤ运算的积分积累，致使控制 调整［Ｊ］．光学技术，２０００，６（４）：３３４—３３６． 量超过执行机构可能允许的最大动作范围对应的极 ［５］ 刘金琨．先进ＰＩＤ控制ＭＡＴＬＡＢ仿真（第２版）［Ｍ］． 限控制量，从而引起系统较大的超调，甚至引起系统 电子工业出版社，２００４． 较大的震荡，这在实际应用中是绝对不允许的。当 ［６］ 张毅，张宝芬．自动监测技术及仪表控制系统（第２ 半导体激光器应用积分分离式ＰＩＤ控制时，控温系 版）［Ｍ］．北京：化学工业出版社，２００４． Ｔｈｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ｍｇｈ Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｌａｓｅｒ ＬＩ Ｊｉａｎｗｅｉ ，ＹＡＯ Ｈｅｊｕｎ２，ＨＡＮ Ｊｉａｎｇｕｏ ，ＺＨＡＮＧ Ｚｈｉｘｉｎ２，ＬＩ Ｊｉａｎ２ （Ｌ Ｓｅｉｊｉｒ￣ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｊ， ｏｆ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＢｅｉｊｉＩ】ｇ脚２ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｓｉｔｔｕｔｅ ｆｏ Ｍｅｔｒｏｌｏｇｙ，ＢｅｉｊｉＩ】ｇ １０００１３） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｇｒｅａｔｌｙ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓ ｔｈｅ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｌａｓｅｒ．Ｗｉｈｔ ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｕｐｒｉｓ— ｉｎｇ，ｃｕｒｒｅｎｔ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ａｓ ｅｘｐｏｎｅｎｔ，ｐｏｗｅｒ ａｎｄ ｓｌｏｐｅ ｄｅｓｃｅｎｄｅｄ ａｓ ｐａｒａｂｏｌａ ａｎｄ ｅｘｐｏｎｅｎｔ，ｃｈａｒａｃｔｅｒ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｄｅｓｃｅｎｄｅｄ ｔｏｏ，ｔｈｅ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｏｆ ｅｘｃｕｒｓｉｏｎ ｗｉｈｔ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｉｓ ０．２４ ｎｍＰＣ．Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｍａｋｅ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ａｎｄ ｐｏｗｅｒ ｓｔａｂｉｈｚａｔｉｏｎ，ｉｔ ｉｓ ｎｅｃｅｓｓａｒｙ ｔｏ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｓ ｈｉ ｓｈ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ．Ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｕｓｔ ｂｅ ｖｅｒｙ ｉｒｇｏｒｏｕｓ ８０ ｔｈａｔ ｓｔｅａｄｙ ｐｏｗｅｒ ｏｆ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｌａｓｅｒ ｉｓ ｇｏｔ．Ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｔｈａｔ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｉｎｔｅｇｒａｌ ｓｅｐａｒａｔｅ ＰＩＤ ｃｏｎｔｏｒｌ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ．Ｔｈｅ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｏｆ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｉｓ ＯＣ，ｈｔｅ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｏｆ ｈｔｅ ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｈｔ ＰＩＤ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｂｅｔｔｅｒ ｔｈａｎ ｔｈａｔ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｈｔｏｕｔ ＰＩＤ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ． ‘ Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｌａｓｅｒ；ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｎｔｒｏｌ；ＰＩＤ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ；ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒ （上接第９页） Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｍｕｌｔｉ—・ｗａｖｅ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ ｂｙ Ｐｈａｓｅ—・ｓｈｉｆｔｉｎｇ Ｍｅｔｈｏｄ ｏｎ Ｃｏａｔｅｄ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｆｌａｔｎｅｓｓ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ＺＨＵ Ｘｉａｏｐｉｎｇ，ＤＵ Ｈｕａ，ＧＡＯ Ｓｉｔｉａｎ，ＹＡＮＧ Ｚｉｂｅｎ （Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｍｅｔｒｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００１３） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｌａｓｅｒ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ ｈｔｅｏｒｙ，Ｍｕｌｔｉ—ｗａｖｅ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ ｂｙ ｐｈａｓｅ—ｓｈｉｆｔｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ａｐｐｌｉｅｄ ｏｎ ｓｈ—ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｅ ｃｏａｔｅｄ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｌａｔｎｅｓｓ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ．Ｔｈｅ ｍｕｌｔｉ—ｗａｖｅ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｐａｔｔｅｒｎｓ ａｌｅ ｃａｐｔｕｒｅｄ ａｎｄ ｎｉｌ— ｗｒａｐｅｄ ｂｙ ｉｍａｇｅ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｃｏｍｐｕｔｅｒ，３Ｄ ｓｕｒｆａｃｅ ｇｒａｐｈ ｏｆ ｓａｍｐｌｅ ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ ａｎｄ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｉｎｄｉｃａｔｅ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｐｒａｃｔｉｃａｂｌｅ ａｎｄ ｓｃｉｅｎｔｉｉｆｃ ｆｏｒ ｈｉｓｈ—ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｅ ｃｏａｔｅｄ ｏｐｔｉｃａｌ ｌｆａｔｎｅｓｓ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｍｕｌｔｉ——ｗａｖｅ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ；ｐｈａｓｅ——ｓｈｉｆｔ；ｐｈａｓｅ ｕｎｗｒａｐｐｉｎｇ；３Ｄ ｓｕｒｆａｃｅ 一１８—
