光学法表面形貌测量技术

随着纳米科技和信息技术的不断发展,表面形貌测量技术也在向着精度更高,速度更快,稳定性更好的方向发展。传统的接触式方法已经不能满足某些特定场合的测量需要,因此非接触光学方法的表面形貌测量技术已成为研究的热点。主要针对国内外表面形貌测量的光学法进行研究和讨论,并预测了未来发展的方向。     

激光剪切干涉三维形貌测量

针对物体表面的三维形貌测量问题,提出了一种基于激光剪切干涉条纹的三维形貌测量方法。该方法利用激光剪切干涉原理产生密集的干涉条纹,将干涉条纹阵列照射到待测表面。利用四步相移法和解包裹算法求解被测物体表面的连续相位,进而获取曲面表面高度信息,最后建立被测物体三维形貌。本文对楔形薄片和木块进行了测试,初步实验结果证明了该方法原理的可行性。该方法可以与显微镜相配合,进一步发展可用来测量微结构3D形貌,在微测量领域具有很大的应用前景。     

光学剪切电子散斑技术的改进与应用

介绍了一种新型光学测量技术——剪切电子散斑技术的改进与应用,它是一种有效的基于激光技术,测量三维物体表面变形和形貌的非接触测量方法。与传统方法相比,改进后的方法光路结构和采用的算法更加简单,可广泛应用于表面应变、张力、材料特性的测量,残余应力的估计,表面泄露的监测以及物体表面三维形貌测量等领域。     

高反光表面三维形貌测量技术

陶瓷、古文物以及金属工件等高反光物体表面的三维形貌测量在各个领域有大量的需求和应用。由于表面反射率变化范围较大以及相机灰度范围有限等问题,传统的条纹投影方法不能正确地测量高反光表面的三维形貌。综述了高反光表面三维形貌测量技术的国内外研究现状、应用领域和未来发展方向。首先,根据所采用原理和测量方法的不同,将现有的高动态范围三维形貌测量技术分为下述六类进行详细的介绍:多重曝光法、投影图案强度法、偏振滤光片法、颜色不变量法、光度立体技术以及其他技术。然后,详细的比较了各种技术的优缺点并归纳其适应性分析。最后,总结了高反光表面三维形貌测量技术的应用领域并展望了该技术的未来研究方向。基于文中综述的内容,使用者可根据不同的应用需求和测量条件选择相应的最佳三维测量方法,进而更精确的重建高反光表面的三维形貌。     

三维成像技术的光学元件表面粗糙度智能测量方法

光学元件在多个领域起着至关重要的作用，其应用性能的优劣主要由表面粗糙度决定，对此，提出三维成像技术的光学元件表面粗糙度智能测量方法。采集光学元件表面图像，并进行预处理，然后采用重构算法获取到光学元件表面三维图像，并使用最小二乘中线提取元件表面三维形貌的中面，最后在表面三维形貌中面计算出三维粗糙度评价参数，实现光学元件表面粗糙度智能测量。实验数据显示：设计方法测量的表面粗糙度因子平均误差最小值达到了0.5%,测量精度高达100%,证明本方法的光学元件表面粗糙度测量性能较佳。     

三维表面形貌测量中的共聚焦显微成像技术研究进展

随着精密仪器制造和半导体加工产业的蓬勃发展，对微小结构表面形貌的观察和测量是现代科学研究的一个重要方向。激光扫描共聚焦显微成像技术因高分辨率、高信噪比和优秀的层切能力在三维表面形貌测量领域备受青睐。介绍共聚焦显微成像技术的基本原理，并对适用于三维表面形貌测量领域的共聚焦显微成像方法进行综述，包括共聚焦成像的不同扫描方法、不同探测手段及基于光谱的共聚焦成像技术。最后，对共聚焦显微成像技术未来的发展趋势进行展望。     

基于多频相移的相位偏折测量透明物体表面三维形貌

光学三维测量中的相位偏折测量术以其快速、高精度、稳定抗干扰的优点,在光学表面测量、快速检测等领域得到广泛应用。透明物体因其上下表面的折射和反射,导致相机采集到不同表面反射叠加的混合条纹,传统的相位偏折测量术难以对其进行有效的三维测量。为解决该问题,文中提出一种基于多频相移的相位偏折法测量透明物体的表面三维形貌。首先,显示屏显示多种不同频率与多步相移结合的正弦条纹,从另外一个角度相机采集物体表面反射的混合条纹。然后,利用最小二乘法迭代将混合条纹进行分离,得到上下表面折叠相位并展开。接着,通过梯度标定确定相位与梯度的关系,根据梯度积分恢复透明物体表面的三维形貌。最后,实验证明所提方法能够有效实现混合条纹的分离,实测透明玻璃板上表面的平均误差从32.4μm减少到5.1μm,结果验证了混合条纹分离方法的有效性,提升了透明物体表面三维形貌测量精度。与已有方法相比,文中方法可以有效避免初始相位值偏差较大带来的影响,缩短计算时间,适用于不同形状透明物体表面三维形貌的测量。     

基于结构光的镜面/漫反射复合表面形貌测量

光学三维测量技术以其非接触、无损及快速测量的优势被广泛应用于不同领域。已有的条纹投影和条纹反射测量术分别适用于漫反射表面和镜面表面。然而,航空航天和先进制造中存在许多漫反射和镜面反射表面同时存在的复合反射表面。提出一种基于结构光投影和反射的方法来实现复合表面形貌的快速测量。首先,投影仪投射蓝色正弦条纹图于被测物体表面,同时显示屏显示的红色条纹被镜面部分反射。其次,彩色相机采集经被测表面调制的变形条纹图。然后,从相机不同颜色通道中提取对应不同类型反射表面的变形条纹,并计算变形条纹图的绝对相位。最后,通过系统标定建立相位信息与深度之间的直接关系,得到被测复合表面的三维形貌。实验结果表明:该方法不仅能够有效地实现非连续复合表面物体的测量,还能够同时测量独立的漫反射和镜面反射表面的三维形貌。     

基于白光干涉频域分析的高精度表面形貌测量

提出了一种基于空间频域分析的白光干涉测量算法,该算法通过消除相位信息中的2π模糊来实现高精度的表面形貌测量。在频域分析中可以同时提取样品的相干形貌和相位形貌。相干形貌虽然不受2π模糊的影响,但是包含测量误差,精度较低。相位形貌虽然能够实现较高精度的表面形貌测量,但存在2π模糊问题。因此采用相干信息与相位信息相结合的方式来消除相位信息中的2π模糊。此外,针对由背景噪声和光源扰动所引起的局部相位突变,提出了相邻像素点差分分析方法,有效消除了局部相位突变,从而提高了测量的稳定性。该方法不需要复杂的计算,工作效率较高。分别从理论和实验两个方面进行分析,以验证提出方法的有效性。     

基于投影栅相位法的透明体表面微观形貌测量

投影栅线相位法通常用于宏观三维形貌的测量,本文提出将其应用于透明体微观形貌领域的测量,从而拓展了测量方法的测量领域,实际测量了准分子激光近视治疗仪加工的有机玻璃试样,给出了表面的微观形貌。系统的向分辨率小于1μm。根据微观形貌计算了描述表面光洁度的参数,为计算激光束能量分布及治疗仪的校准提供了依据。     

自由曲面光学的超精密加工技术及其应用

突破传统光学成像系统设计理论和方法,将自由曲面引入光学成像系统中,极大地提高了系统的成像质量和能量的传输效率;采用先进数控超精密制造技术加工自由曲面光学元件,解决了自由曲面光学元件加工的技术瓶颈.开发了自由曲面控制网格的节点矢量的精确计算方法,以及多轴超精密数控加工光学自由曲面的自动编程及其刀具轨迹仿真系统,建立了自由曲面三维拓扑预测模型与优化系统,研发了多个自由曲面测量及评估方法,并搭建了自由曲面光学设计、加工、测试一体化的集成平台.上述核心技术有助解决国际上对复杂自由曲面光学元件在超精密加工及纳米级表面测量中的关键技术难题.研究成果推动了超精密加工及纳米测量领域内的技术进步.     

用白光干涉测量法描述化学机械抛光面

化学机械抛光(CMP)在半导体工业内获得了广泛的赞同,对控制形貌起伏的硅片表面当作首选方法。一种可供选择的基于白光测量原理之上的非接触光学形貌测量法被推出。和大多数商业化只能以纳米精度测量不透明表面的白光干涉测量仪不同,新推出的方法是通过单频相位干涉测量仪(PMI)能够以相似的精度测量透明的可变化反射像的表面结构,这个可变化的反射相也许是由于单层或多层薄膜堆叠在一个底层上的多层表面材料特性所引起的,或者是硅片上其它微结构所引起的。因而,在化学机械抛光加工处理过程中的某些不合格项,例如,碟形腐蚀,可以直接用光学形貌测量法在几秒内做出定量的检测结果。此外,这一方法也能评价附加的,例如特种专用薄膜堆叠层厚的表面特性。由于高精度和高生产能力的结合特征使得这一被提议的方法可能确定为可行的化学机械抛光加工研发和生产的监测方法。     

往复冲击条件下磨痕三维形貌的测量

提出一种采用傅里叶变换轮廓术(FTP,fourier transform profilometry)对磨痕三维形貌进行测量的方法,具有只需采集一帧条纹图、数据处理少、简单易行和测量速度快等优点,适于自动化测量。采用一种新的产生正弦光强方法,将正弦光强投影到试件表面产生包含三维形貌信息的光栅条纹,利用FTP重建磨痕的三维形貌。实验对不加润滑油状态下往复105次冲击后的磨痕形貌进行测量,并将实验结果与四步相移所测结果进行对比,验证了本文方法用于测量往复冲击条件下磨痕形貌的可行性,并为进一步研究往复冲击时接触润滑效应提供了新的实验依据。     

带Smith预估器的预测PID控制器的设计

设计了一种基于广义预测的思想的PID参数整定的改进算法。利用阶梯式控制策略,有效地减小参数整定中的计算复杂性,并能更方便地通过阶梯因子对所得PID控制器的控制性能进行调节。另外,文中对大延时系统的参数整定误差进行了分析,并通过引入Smith预估器改善了这类系统的参数整定效果。仿真实例说明了上述算法的有效性。     

Topographic mapping using a multibeam radar altimeter

An airborne radar altimeter operating at 36 GHz is uniquely capable of measuring the topography of water, land, and ice surfaces. The Multimode Airborne Radar Altimeter (MARA) was designed to combine a narrow transmitted pulsewidth, a high transmitted power level, and a narrow antenna beam to produce a high-precision ranging capability at the nadir of the aircraft platform and at four fixed off-nadir angles out to 12° in the multibeam mode described in this paper, or a single beam scanning between ±22° in the scanning radar altimeter mode. Data collected over water and land surfaces are presented to demonstrate the potential of MARA for topographic mapping with accuracies and precisions of value in dynamic oceanography, geodesy, geology, hydrology, biogeochemistry, biogeography, and glaciology     

Topography Optimization for Sustainable Dropwise Condensation: The Critical Role of Correlation Length

An effective pathway to enhance the heat transfer process is to induce the formation of highly mobile condensate droplets, employing micro-nanoengineered superhydrophobic surfaces. However, the design of the topography of these surfaces for sustained high performance constitutes a significant scientific and technological challenge. Herein, the critical role of the correlation length of topography is demonstrated as an important factor when designing superhydrophobic surfaces for heat transfer applications. Specifically, it is shown that a) a high correlation length value corresponds to increased space between surface structures and higher lateral distances between nucleating droplets, which results in lower droplet departure diameter and significantly delayed flooding of the surface and b) correlation length has to surpass a critical value for dropwise condensation (DWC) to be sustained in hierarchical structured surfaces, when the droplets are growing in a partial Cassie state. Following this rationale, droplets are categorized in three different energy and wetting states (Wenzel droplets, Cassie droplets of low kinetic energy and high energy jumping droplets), depending on the correlation length of the topography. Heat transfer experiments demonstrate an increase of 126% in the heat transfer coefficient (HTC) of surfaces exhibiting the maximum correlation length when compared to the flat hydrophobic surface.     

Surface-Defect Imaging in Optical Topography

The grayscale imaging of topographical defects in the inspection of highly polished surfaces by optical topography is studied theoretically. It is ascertained how image quality varies with imaging conditions and the characteristics of the light source. Recommendations are made concerning the use of optical topography in the inspection of wafer surfaces.     

补偿式光纤双法布里－珀罗微位移测量系统

本文提出一种能补偿环境影响的，插入光纤传光介质的新型微位移测量系统和灵敏度阈的实验结果。由于采用平行双通道的结构，系统具有高精度、抗干扰的补偿法特点。该系统适合于微位移（纳米级）测量，可用于检定其它高精度位移传感器，几何量计量中定位，微细加工表面轮廓测量以及可以转换成微位移量或光程差的其它物理量测量中。     

补偿式光纤双法布里－珀罗微位移测量系统

本文提出一种能补偿环境影响的,插入光纤传光介质的新型微位移测量系统和灵敏度阈的实验结果.由于采用平行双通道的结构,系统具有高精度、抗干扰的补偿法特点.该系统适合于微位移(纳米级)测量,可用于检定其它高精度位移传感器,几何量计量中定位,微细加工表面轮廓测量以及可以转换成微位移量或光程差的其它物理量测量中.     

飞机表面划痕的非接触测量

介绍飞机表面划痕非接触测量的激光三角扫描法。在分析被测表面散、反射特性的基础上给出了激光三角测头正确放置方式和提出改善测量精度的测头姿态调整法和表面喷涂法。实验证明了上述方法的可行性。测量系统具有非接触测量、工作距离大、测量范围宽、精度高、结构简单、成本较低的特点。