垂直扫描白光干涉测量数据的各种处理算法及其分析

　　随着科学技术和工业技术的迅速发展,对微观表面形貌的测量变得越来越重要,而传统的触针式轮廓仪在测量超精加工表面时,往往会划伤被测表面,测 量的同时也破坏了表面的质量。在众多的非接触式测量方法当中,相移干涉法虽然测量精度与效率较高,但是在被测台阶的高度小于光源的相干长度时,会发生衍射 效应引起相干图的相干包络发生扭曲,条纹的峰值发生偏移,从而只能测量平滑表面的形貌[1]。为满足现代工业和科学技术提出的高准确度、高效率和自动化的 测试要求,要求有一种测量精度高、同时对被测对象要求较低的测量方法。

　　文中的垂直扫描白光干涉测量方法以白光干涉理论为基础,对所获取的干涉条纹图像进行灰度分析和数据处理,可精确地获得被测工件的表面三维轮廓。 对于粗糙表面的形貌和相邻像素点的高度有很大起伏的台阶的表面均可测量,且由于采用垂直扫描的方式,较之接触式测量的点扫描方式,大大提高了测量的效率。

　　1　垂直扫描白光干涉测量原理

　　白光的相干长度很短,只有光程差很小(约3μm)时,两束白光才能发生干涉。当光程差为0时,白光光谱内各个谱线双光束干涉的零级条纹完全重 合,各种波长的光重叠,形成对比度最大的白色零级条纹,即为最佳干涉位置。零级条纹很容易与其他级次条纹区分开来,且干涉范围很小,因此,可以利用白光的 零级条纹来指示零光程差的位置。

　　如图1所示,白光经过分束器分为两束,其中一部分光由被测表面发射形成测量光束,另一部分光由参考镜反射形成参考光束。测量光束与参考光束在物 镜处相交形成干涉条纹,干涉信号由CCD接收。利用PZT (压电陶瓷)的微位移引起两束光的光程差的变化,根据白光的特性,仅仅在光程差很小的范围内才会出现干涉条纹,对于被测表面上任意一个采样点,用CCD检 测到的光强的变化曲线都如图2所示。在光程差接近相等时,条纹对比度变化剧烈且呈现非周期性;在光程差为零的位置,检测的输出光强有一个最大值,这个光强 最大值位置也就是白光干涉零级条纹的位置。

　　根据图1,用CCD记录下每次垂直移动时干涉条纹的图像并叠加,叠加图像中像素点的白光干涉光强的垂直分布图如图2所示,光强的最大值位置对应 零光程差的位置。测量时,通过计算机控制压电陶瓷在充足的扫描范围内垂直光轴方向移动,使参考镜发生微量移动,使被测工件表面整个高度范围内不同高度的点 与参考镜的光程差相继为0,都通过最佳干涉位置,产生干涉。由CCD采集随垂直方向位移变化的干涉条纹图像,视频信号通过图像采集卡转化为数字信号并存贮 于计算机中。利用与被测表面对应的各像素点相关的干涉数据,基于白光干涉的典型特征,通过采用某种最佳干涉位置识别算法对干涉图样数据进行分析处理,提取 每个像素点采集到的特征点位置(最佳干涉位置),进而得到各个被测表面不同高度的点的相对高度,实现对三维表面形貌的测量。