基于光学相移与多波长干涉的跨尺度微形貌测量方法研究

Measuring micro-surface topography is significant for evaluating surface functional properties of components. In order to overcome the shortcoming of measurement range limited within half wavelength by single-wavelength interferometry and phase shift error generated by PZT driving with nonlinear error, this project proposes a method of measuring the multi-scale micro-surface topography with optical phase shift and multi-wavelengths interferometry. The main idea is to use pure phase liquid crystal spatial light modulator to achieve precise optical phase shift, and a white light source with adjustable intensity and four band pass filters are combined to obtain four monochromatic beams which the intensity distribution are consistent. Then using multiple wavelength interference method to extend the measuring range with proper multi-scale connection. Following the optical phase shift realized by the LC-SLM, interference image sequences are acquired and repeat with different filters. The method of four steps optimizing phase shift is applied to calculate the phase, and all the phases of every point in each interference image for each wavelength are calculated respectively. This method can not only satisfy the requirement of the multi-scales measuring range, and can has the same nano-precision as the interference of single wavelength. It provides a new way to measuring micro-surface topography, and has important application value.

微表面形貌精密测量在评定产品表面功能特性方面具有重要意义。为了克服单波长干涉测量范围小和白光干涉中PZT非线性驱动引起相移误差的缺点，提出一种基于光学相移和多波长干涉的跨尺度表面形貌干涉测量方法。主要思想是利用纯相位调制式液晶空间光调制器实现精确的光学相移，应用光强可调的白光光源和四个带通滤光片得到四种光强分布一致的单色光，并利用多波长干涉原理，通过合理尺度衔接实现测量范围的拓展。在重复光学相移中，以轮换滤光片方式获取不同波长的干涉图像序列，并运用优化的四步相移法进行逐点逐帧相位运算，得到大尺度范围内形貌点高度。该方法既能满足跨尺度的测量范围要求，又能保持单波长干涉的纳米精度,为微表面形貌测量提供了一种新的思路，具有重要的应用价值。

本项目旨在研究一种基于光学相移与多波长干涉的跨尺度微形貌测量方法。为了克服单波长干涉测量范围小的不足，利用多波长波理论拓展测量范围。.本项目选择白光LED作为光源，经过不同窄带滤光片后，结合光强均匀性反馈控制方法形成光强一致四种单色光。研究了两种不同的相移方式：基于开环PZT的机械式相移和基于空间光调制器的光学相移。在分析PZT三种驱动路径特性的基础上，提出了一种“弓”字形驱动方式及对应的多波长起点对齐方法。在分析了空间光调制器的对不同波长的相位调制特性的基础上，设计了对应的相移驱动灰度图实现精确的光学相移。根据相移干涉图像的特性，研究了一种基于内像素的高精度相移提取算法，相移提取精度为0.0055rad，如果用520nm波长计算，对应的表面形貌识别精度达到0.46nm。针对PZT和空间光调制器这两种相移方式，分别搭建了两种不同干涉结构的光路来完成实验研究，实验结果表明多波长干涉方法能够实现高精度跨尺度的表面形貌测量。本项目的研究成果可应用于高精度、大深度范围的微观表面形貌测量中。.本项目还拓展研究了空间光调制器对光束的控制及在激光微加工的应用，如偏振态控制、光束整形、多光束等。这些研究为激光微加工提供了更多加工方法和应用领域。