基于白光扫描轮廓仪的算法研究

　　1引言

　　用传统的移相干涉法测量会出现相位不确定性问题。为了避免出现相位的不确定性，一般要求被测物表面形貌的深度限定在 λ/4范围内。为了能够测量深度较大的表面，可以采用白光扫描干涉法。它是在传统双光束的基础上，基于白光的典型特性，通过定位表面各点的相对高度，从而 重构表面三维轮廓。该方法适用于大范围、高精度、不连续表面(尤其是阶梯面)的测量。

　　本文对国际上通用的求解算法进行研究和分类，并且比较各种算法的优缺点，从而为实际的测量提供了理论基础。

　　2常用算法

　　2. 1条纹调制度算法[1]

　　根据白光的典型特征，如果考虑使干涉条纹移动，并使其扫描整个被测表面，那么对于被测表面上的任意一个采样点，其光强将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，这样零级条纹很容易与其它级条纹相区别。由于该特征非常明显，因此就可以利用它来定位零光程差位置。在一次扫描后记录峰 值强度位置，从而映射出被测物的表面相对高度。

　　具体方法为:对于每个像素采用两个变量，分别记录扫描过程中最大强度值和对应的帧数。这样在一次扫描过程后，每个像素的峰值数据就被记录下来。 再通过所记录的帧数来确定被测物的高度值。此方法对于参考镜的移动要求很高，因为它要求移动值足够小以确保最大的强度值被保存下来。而且由于计算结果是基 于移相器的移动距离，所以对于PZT的精度就要求很高。这种算法适用于较光滑的表面测量。

　　对于粗糙的表面，分散可能引起峰值强度发生在干涉域之外。在这种情况下，可使用另一种方法先检测出扫描过程中的干涉域。具体方法:先设置一极限 值，在扫描过程中像素的强度值被记录下来并和前一值进行比较。如果差值大于事先设置的极限值，调制值就记录下来。如果调制值连续记录四次，那么此像素的第 四帧数据也记录下来，并以此数据确定被测物的高度值。

　　此算法的缺点是分辨率较低。步长的大小必须保证在干涉域中采集到四帧。然而也不能太小，否则连续的帧值就不会大于极限值。

　　除此之外还可以先假定条纹包络为某种特殊的函数，通过采样的原始数据来拟合包络曲线，再求出它的极值位置。从而用此位置求对应高度值。

　　条纹调制度算法计算简单，求解方便，因此被大量运用，但同时也存在一定的缺陷。首先此方法可能对随机噪声十分敏感。另一个问题是大部分的调制度 依赖于波长的大小。所以由于环境情况的变化或照明强度的校正会带来平均波长或波源光谱特性的变化，从而导致计算的误差。另外条纹调制度的包络通常必须先假 定为某种特殊的函数。