短相干雷射干涉微球全表面形貌高精度檢測方法研究

《短相干雷射干涉微球全表面形貌高精度檢測方法研究》是依託哈爾濱工業大學，由劉國棟擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：短相干雷射干涉微球全表面形貌高精度檢測方法研究
• 依託單位：哈爾濱工業大學
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：劉國棟

項目摘要

微球在慣性約束聚變、微光學和精密機械等領域有著重要的套用，其表面微觀形貌對其功能和特性有著重要的影響，而微球尤其是透明微球全表面形貌無遺漏檢測是表面檢測領域的難點。本文提出了一種新的干涉測量方法實現微球全表面高精度測量。採用短相干雷射干涉消除雜散光對干涉場的影響；採用移相干涉技術，減小系統噪聲的影響，提高信號處理精度；設計了一種新型針孔反射鏡實現分波面干涉，減少了雷射在光學元件中的傳播環節，並採用單模光纖濾除雷射雜模，提高了干涉光束質量；採用球冠掃描拼接實現微球全表面測量。重點研究短相干移相衍射干涉系統的結構、理論建模、高精度信號處理方法、掃描運動機構反饋控制方法、誤差分析與補償方法。檢測指標：微球直徑400μm-2000μm，垂直解析度5nm，水平解析度1μm。

結題摘要

微小球體是微光學、微機械等領域中最常見的元器件形態之一，其表面微觀形貌對於其多方面特性有著重要的影響。傳統檢測手段存在著效率低、易損傷、易遺漏等問題。光學干涉測量法是較為理想的微球表面形貌檢測方法，而目前僅有美國和法國的部分科研機構開展了相關的研究工作。本項目在對點衍射干涉測量理論進行深入分析的基礎上，提出了基於偏振控制的移相衍射干涉微球全表面形貌檢測方法，解決了傳統光路分光式移相衍射干涉測量方法中必須使用短相干長度光源以及干涉信號對比度差的問題，使該方法適用於低反射率的微球表面形貌檢測，並採用點衍射檢測光波面畸變標定方法，提高檢測精度。此外，針對機械式移相中普遍存在的線性移相誤差，提出了基於誤差互補修正的移相干涉測量相位提取方法，通過構造的五幀算法與經典Hariharan算法進行誤差互補，大幅提高定步長解相算法的線性誤差抑制能力，同時能夠避免產生錯誤的虛數相位解，並對最小二乘相位解包裹算法進行了改進，使其適用於圓形域的相位解包裹。本項目還針對傳統偏心誤差修正方法殘餘誤差過大的問題進行了研究，通過引入光程差數學模型的分析和高階近似，實現偏心誤差與Zernike誤差項間的準確映射，提高偏心誤差修正精度，提出了適用於微球檢測的偏心誤差修正方法。設計並搭建了用於微球全表面形貌檢測的移相衍射干涉儀實驗裝置，並分別以低反射率的紅寶石探頭和GDP微球為檢測對象進行了實際測量。實驗結果表明：對比區域內形貌誤差PV值和RMS值分別為66.17nm和16.89nm，與Wyko掃描白光干涉儀檢測結果一致；測得紅寶石表面粗糙度為0.0149μm，與廠家給定的標稱值一致。GDP微球半球拼接後的赤道截面輪廓與原子力顯微鏡掃描結果基本一致。從而驗證本項目提出方法的可行性和有效性。