PZT驱动多波长显微干涉起始位置对齐方法研究

发布时间：2020-06-26 00:40

【摘要】：多波长显微干涉测量技术广泛应用于科研和工业中微纳零件的表面形貌测量。但在PZT开环驱动产生相移的多波长干涉测量中,由于PZT的迟滞、蠕变特性和环境振动的影响,不同波长轮换时很难保证起始位置相同,起始位置不对齐将导致测量结果存在较大的误差,从而不能保证测量精度。为此,本文提出一种PZT驱动的多波长显微干涉起始位置对齐的方法,论文的主要研究内容包括:首先,分析多波长干涉基本原理和PZT驱动特性,提出一种Z字形加微小电压回退的PZT驱动方法。设计了多波长干涉系统的结构,并分析了双波长、多波长干涉测量原理及形貌高度的计算方法。在介绍PZT的迟滞、蠕变特性和开环、闭环控制特征的基础上,分析了三种不同的相移驱动方式,并提出了一种Z字形加微小电压回退的PZT驱动方法,该方法不但能克服PZT的蠕变滞后特性对测量精度的影响,还能提高相移效率。其次,提出一种多波长起始位置对齐方法。设计了一种高精度相位提取算法,在一系列干涉图中选取相移相差近似为kπ+(π/2)+Δ的两组像素点,再运用椭圆拟合和相位解包裹算法,得到每种波长的总驱动相移量和初相位。然后根据多波长的相移驱动起始和终止位置关系,将其它波长的起点位置移到与第一种波长的起始位置一致,实现多波长起始位置粗对齐。在粗对齐的基础上,利用已经对齐的初相位获取0级干涉条纹并设计算法对起始位置的初相位进行精对齐。然后,单波长相移驱动实验及对齐精度分析。根据前面介绍的PZT三种相移驱动方式,设计不同的驱动电压,将平面镜作为被测对象进行干涉测量实验,采集干涉图并根据前面的理论公式计算出三种驱动方式的测量精度,实验结果表明Z字形加微小电压回退驱动的方式,能够缩短相移时间,提高对齐精度。最后,多波长干涉测量实验及对齐精度分析。在分析白光源光谱特性的基础上,选择了三种不同带宽的滤光片,并编写了基于VC++的多波长相移驱动软件,实现多波长的自动轮换并同步采集对应的干涉图像。实验结果表明Z字形加微小电压回退驱动的方式,能够克服PZT驱动惯性,提出的对齐算法能够保证不同波长起始位置的对齐误差小于3.44nm。
【学位授予单位】：湖北工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TH74
【图文】：

原理图,轮廓仪,原理图,垂直扫描

针接触法由于触针与表面接触容易划伤表面，且逐点扫描使得测量三维表面需花费较长时间，使得这种方法难以应用于表面质量要求较高的样品[1]。光学非接法应用最多的是基于光学干涉原理，主要有单色光相移干涉法、白光垂直扫描涉和多波长干涉等几种。单色光相移法利用激光作为单色光源，对于微观形貌，常用显微镜将被测表的轮廓起伏转换为放大了的平面干涉条纹，再利用相移法使干涉条纹产生相对形，然后通过测量干涉条纹的相对变形来间接完成表面轮廓的测量[2,3]。总之，色光相移干涉法测量精度高，但能准确测量范围不超过半波长。白光垂直扫描干涉法和多波长干涉法是扩展表面形貌测量范围典型代表[4]。白垂直扫描干涉法以白光为光源，白光光源相干长度极短，只有在光程差(OPD)近于零时才会产生高对比度条纹[5-7]。与单波长移相干涉法相比，白光干涉法速较慢，因为需要记录和计算的帧数较大。形貌高度方向的测量范围理论上取决垂直扫描的驱动范围，精度取决于零级条纹位置点的识别精度。文献[8]基于nnik 型干涉显微镜研制了一种带计量系统粗精两级执行机构垂直扫描系统达到大驱动范围目的。其原理图如图 1.1 所示：

系统原理图,显微干涉,白光,光源

的光强分布不相同，造成光源上各点对周围的强度影响不相同，导致测的每个波长的环境条件不一致，影响实验的测量结果。U. Paul Kumar 等光作为光源进行显微干涉测量，用彩色 CCD 相机来记录干涉图，并将 C RGB 三个通道的数据作为三个波长的光源[16]。其原理图如图 1.4 所示：

【参考文献】