一種多波長(zhǎng)干涉測(cè)量起點(diǎn)位置對(duì)齊方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及多波長(zhǎng)干涉測(cè)量領(lǐng)域，尤其涉及在多波長(zhǎng)輪換的相移干涉測(cè)量中，PZT 相移驅(qū)動(dòng)與對(duì)齊的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 顯微干涉測(cè)量法是表面微形貌測(cè)量的重要方法之一，將多波長(zhǎng)干涉技術(shù)引入到干 涉測(cè)量中能有效彌補(bǔ)單波長(zhǎng)干涉測(cè)量范圍小的不足。多波長(zhǎng)測(cè)量方法的實(shí)質(zhì)就是利用多波 長(zhǎng)測(cè)量結(jié)果的差異求出干涉級(jí)次，從而得到被測(cè)點(diǎn)的真實(shí)深度，達(dá)到擴(kuò)展深度測(cè)量范圍的 目的。多波長(zhǎng)干涉測(cè)量不但能擴(kuò)大深度測(cè)量范圍，而且利用多波長(zhǎng)測(cè)量結(jié)果校正單波長(zhǎng)的 測(cè)量結(jié)果可以減小由于測(cè)量范圍擴(kuò)大導(dǎo)致的放大測(cè)量誤差。
[0003] 多波長(zhǎng)干涉法常需要利用相移法使干涉條紋產(chǎn)生相對(duì)變形，然后通過(guò)測(cè)量干涉條 紋的相對(duì)變形來(lái)間接完成表面輪廓的測(cè)量。相移法通過(guò)在參考或測(cè)量光中引進(jìn)已知相移 量，人為改變兩相干光束的相對(duì)相位，從干涉場(chǎng)中任一點(diǎn)在不同相移量下的光強(qiáng)值來(lái)求解 該點(diǎn)相位。PZT因具有良好的微位移特性，常用作干涉測(cè)量中產(chǎn)生相移的驅(qū)動(dòng)方式。但由于 PZT驅(qū)動(dòng)線性差、慣性大等不足，導(dǎo)致往返運(yùn)動(dòng)時(shí)很難保證起始和終止位置保持不變。因此 在多波長(zhǎng)干涉測(cè)量中，當(dāng)不同波長(zhǎng)之間切換時(shí)，由于PZT驅(qū)動(dòng)的起始位置不一致，將導(dǎo)致測(cè) 量結(jié)果存在較大的誤差，從而不能保證測(cè)量精度。
[0004] 為了減小PZT開(kāi)環(huán)驅(qū)動(dòng)的位置誤差，有些驅(qū)動(dòng)裝置利用帶計(jì)量系統(tǒng)進(jìn)行反饋，這 類(lèi)裝置雖然一定程度上能保證回復(fù)到起點(diǎn)位置的精度，但由于在高精度的測(cè)量過(guò)程中，即 使很小的振動(dòng)，對(duì)于干涉量級(jí)而言，也會(huì)產(chǎn)生較大的誤差，而且位置計(jì)量系統(tǒng)自身的測(cè)量精 度很難達(dá)到納米級(jí)。因此，在高精密干涉測(cè)量中，反饋裝置也不能保證起點(diǎn)位置的對(duì)齊。同 時(shí)，由于帶計(jì)量系統(tǒng)的閉環(huán)裝置，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使系統(tǒng)安裝十分困難。另外，閉環(huán)系統(tǒng)價(jià)格高， 導(dǎo)致最終測(cè)量系統(tǒng)的成本大大提高。
[0005] 針對(duì)現(xiàn)有基于多波長(zhǎng)的顯微干涉測(cè)量系統(tǒng)中存在波長(zhǎng)切換時(shí)PZT驅(qū)動(dòng)初始位置 不一致的問(wèn)題，本領(lǐng)域亟待出現(xiàn)相應(yīng)解決方案。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是提供一種多波長(zhǎng)干涉測(cè)量相移驅(qū)動(dòng)對(duì)齊的方法，該方法在分析 PZT驅(qū)動(dòng)遲滯特性的基礎(chǔ)上，采用"弓"字型路徑的驅(qū)動(dòng)PZT，通過(guò)對(duì)PZT施加小步距的反向 驅(qū)動(dòng)電壓，以克服PZT向前驅(qū)動(dòng)的慣性，并在不同波長(zhǎng)之間輪換時(shí)，使上一種波長(zhǎng)的驅(qū)動(dòng)終 止位置為下一種波長(zhǎng)驅(qū)動(dòng)的起始位置，保證波長(zhǎng)輪換時(shí)銜接點(diǎn)位置重合，再計(jì)算出每種波 長(zhǎng)的總驅(qū)動(dòng)相移量和初相位，然后根據(jù)多波長(zhǎng)的相移驅(qū)動(dòng)起始和終止位置關(guān)系，將其它波 長(zhǎng)的起點(diǎn)位置的移到與第一種波長(zhǎng)的起始位置一致，實(shí)現(xiàn)多波長(zhǎng)起始位置的對(duì)齊。
[0007] 本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種適于多波長(zhǎng)干涉測(cè)量中起點(diǎn)位置對(duì)齊方法，包括以下 步驟；
[0008] 步驟1，選定第一種波長(zhǎng)，對(duì)PZT施加驅(qū)動(dòng)電壓進(jìn)行相移調(diào)制，設(shè)起始驅(qū)動(dòng)電壓為 Vc，電壓每增加AV。，采集一副干涉圖，直到PZT驅(qū)動(dòng)電壓達(dá)到設(shè)定上限Vi后，共采集N。幅 圖；使驅(qū)動(dòng)電壓遞減進(jìn)行反向驅(qū)動(dòng)，電壓每減小A%采集一幅干涉圖隔，所述的AVi小于 AV。，直到達(dá)到反向停止電壓V2，共采集&幅圖，所述的V2小于Vρ&小于N。，然后切換至第 二種波長(zhǎng)，使得第二種波長(zhǎng)的驅(qū)動(dòng)起始位置與上一種波長(zhǎng)的驅(qū)動(dòng)結(jié)束位置重合，對(duì)第二種 波長(zhǎng)電壓進(jìn)行變換，從V2以步距AV。衰減到下限V3，且滿足V2_V3，然后從^以步 距AVl增至V。，在此期間，圖像采集間隔和數(shù)量與第一種波長(zhǎng)一致；當(dāng)切換第三種波長(zhǎng)時(shí)， 重復(fù)以上第一種波長(zhǎng)的操作，選擇第四種波長(zhǎng)時(shí)重復(fù)第二種波長(zhǎng)的操作，根據(jù)以上重復(fù)原 貝1J，直到最后一個(gè)波長(zhǎng)，對(duì)任意波長(zhǎng)的任一幅圖像的光強(qiáng)可表示為：
[0009]
[0010] 其中，（X，y)為干涉圖中像素點(diǎn)坐標(biāo)，λk為第k種波長(zhǎng)，k= 1，2,…M，i為波長(zhǎng) λk時(shí)干涉圖的序列數(shù)，i= 1，2,…N，且N=N。+&，所述的Μ和N為自然數(shù)；\ (U)為直流 光強(qiáng)，為交流光強(qiáng)幅值，為初始相位，為相移驅(qū)動(dòng)量。
[0011] 步驟2,對(duì)步驟1得到的所有干涉圖分別計(jì)算出每種波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的初始相位 和總相移驅(qū)動(dòng)量(k= 1，2,…Μ);
[0012] 步驟3,利用獲得的波長(zhǎng)Ak中每個(gè)像素點(diǎn)的初始相位和總相移驅(qū)動(dòng)量 &義，計(jì)算出不同波長(zhǎng)下起點(diǎn)位置對(duì)齊后的初始相位量··
[0013] 對(duì)于波長(zhǎng)1而言，
[0014] 對(duì)于波長(zhǎng)2而言， ·《.
：厶 /
[0015] 對(duì)于波長(zhǎng)k而言，
其中，mod函數(shù)表示前一項(xiàng)相對(duì)于后一項(xiàng)取余運(yùn)算；
[0016] 利用對(duì)齊后的初始相位以'(U)，計(jì)算出該點(diǎn)的表面形貌高度，能夠測(cè)量精度。
[0017] 優(yōu)選的，所述的步驟1中，為保證輪換波長(zhǎng)時(shí)銜接點(diǎn)位置的一致性，PZT的驅(qū)動(dòng)采 用弓字型驅(qū)動(dòng)方式，并在波長(zhǎng)切換之前，通過(guò)小步距的反向驅(qū)動(dòng)克服向前驅(qū)動(dòng)的慣性。
[0018] 優(yōu)選的，所述的步驟2中，對(duì)任一種波長(zhǎng)的每個(gè)像素點(diǎn)初始相位和總相移量的計(jì) 算包括以下子步驟：
[0019] 步驟2. 1，在同一波長(zhǎng)的N幅干涉序列圖像中，尋找兩幅相位差近似為 k3i+ 3i/2+A的兩幅圖In，In^N幅干涉圖的每一幅圖中，選取包含中心位置、占總面積十 分之一的區(qū)域，將該區(qū)域內(nèi)所有像素點(diǎn)的光強(qiáng)值求取均值，得到N個(gè)光強(qiáng)值，再在這N個(gè)光 強(qiáng)值中尋找極大值和極小值，利用極大值和極小值求出中間值，選取極大值和最接近中間 值分別對(duì)應(yīng)的圖像作為1"，In;
[0020] 步驟2. 2,在找到的兩幅干涉圖1"，1"中，根據(jù)每個(gè)像素點(diǎn)的光強(qiáng)值在不同干涉 圖中的變化規(guī)律，尋找滿足規(guī)律的坐標(biāo)值；對(duì)于圖像1"中的任意一點(diǎn)的光強(qiáng)Ux，y)滿足 Im(x，y) <Iml(x，y)時(shí)，將此點(diǎn)的坐標(biāo)值存入坐標(biāo)數(shù)組ArrayPj]中；對(duì)于圖像:^中的任意 一點(diǎn)的光強(qiáng)In (X，y)滿足In (X，y) <In:(X，y)時(shí)，將此點(diǎn)的坐標(biāo)值存入坐標(biāo)數(shù)組ArrayP2 [] 中，假設(shè)兩坐標(biāo)個(gè)數(shù)分別為h，n2;
[0021] 步驟2. 3,為了消除單點(diǎn)隨機(jī)誤差的影響，對(duì)同一波長(zhǎng)采集的N幅圖進(jìn)行灰度值平 均運(yùn)算，并得到兩個(gè)新的灰度值序列g(shù)l(i)，g2(i):
[0022]
[0023] 其中，如叫分別為坐標(biāo)數(shù)組ArrayPi□和ArrayP2□中坐標(biāo)值個(gè)數(shù)，ArrayPjl]·X、 ArrayPjl]·y分別為數(shù)組ArrayPi□中第 1 個(gè)點(diǎn)的x、y坐標(biāo)值，ArrayP2[l]·x、ArrayP2[l]· y分別為數(shù)組ArrayP2□中第p個(gè)點(diǎn)的x、y坐標(biāo)值，i為干涉圖序列數(shù)；
[0024]步驟2. 3,根據(jù)兩灰度序列g(shù)ji)，g2(i)計(jì)算出第i幅干涉圖對(duì)應(yīng)的總相位值
[0025] 步驟2. 4,進(jìn)行解包裹運(yùn)算，得到每幅干涉圖的相移驅(qū)動(dòng)量因初始位置 七,.=〇未丨丨田下式·]井桿i+宣.i+宣時(shí)從i= 2開(kāi)始.
[0026]
[0027] 當(dāng)i=N時(shí)，可計(jì)算出總相位驅(qū)動(dòng)量為。
[0028] 步驟2. 5,根據(jù)每個(gè)像素點(diǎn)的光強(qiáng)序列和相移驅(qū)動(dòng)量％?求出每個(gè)像素點(diǎn) 初始相位
[0029] 根據(jù)以上的步驟求出波長(zhǎng)λ,對(duì)應(yīng)的初始相位^ (.μ，)和總相移驅(qū)動(dòng)量％#。
[0030] 優(yōu)選的，所述的步驟2. 3中，根據(jù)兩灰度序列g(shù)l (i)，g2(i)結(jié)合橢圓擬合算法計(jì)算 出第i幅干涉圖對(duì)應(yīng)的總相位值~;+ 。
[0031] 優(yōu)選的，所述的步驟2. 5中，根據(jù)每個(gè)像素點(diǎn)的光強(qiáng)序列和相移驅(qū)動(dòng)量 馬心，利用正弦信號(hào)最小二乘法求出每個(gè)像素點(diǎn)初始相位?％.(^34。
[0032] 本發(fā)明的技術(shù)效果是：一種適于多波長(zhǎng)干涉測(cè)量中起點(diǎn)位置對(duì)齊方法，提供的 PZT驅(qū)"弓"字路徑驅(qū)動(dòng)方法結(jié)合算法實(shí)現(xiàn)了不同波長(zhǎng)起始位置的對(duì)齊，彌補(bǔ)實(shí)際PZT驅(qū)動(dòng) 慣性造成的起始相移誤差，提高了多波長(zhǎng)干涉測(cè)量精度，提高了測(cè)量重復(fù)精度和可靠性；本 發(fā)明所采用的技術(shù)方案特別適用于利用PZT驅(qū)動(dòng)的干涉測(cè)量，能更好的解決多波長(zhǎng)切換后 起始位置一致性問(wèn)題，極大提升了多波長(zhǎng)干涉測(cè)量的實(shí)用價(jià)值。
【附圖說(shuō)明】
[0033]圖1為本發(fā)明實(shí)施例的多波長(zhǎng)干涉測(cè)量起始位置對(duì)齊方法流程；
[0034] 圖2為本發(fā)明實(shí)施例的PZT驅(qū)動(dòng)電壓示意圖；
[0035] 圖3為本發(fā)明實(shí)施例中不同波長(zhǎng)起始位置對(duì)齊示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0036] 為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本 發(fā)明的裝置的結(jié)構(gòu)與測(cè)量原理作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。
[0037] 本發(fā)明提供了一種多波長(zhǎng)干涉測(cè)量中起始位置對(duì)齊的方法，利用波長(zhǎng)切換首尾重 合方法和克服PZT驅(qū)動(dòng)慣性的反向驅(qū)動(dòng)方法，再結(jié)合設(shè)計(jì)合適的算法，實(shí)現(xiàn)了多波長(zhǎng)輪換 時(shí)起始位置的對(duì)齊。本發(fā)明能實(shí)現(xiàn)不同波長(zhǎng)切換的起始位置對(duì)齊精度在幾納米以內(nèi)。
[0038] 請(qǐng)見(jiàn)圖1，一種多波長(zhǎng)干涉測(cè)量起始位置對(duì)齊方法，包括以下步驟，
[0039] 步驟1，采集三種波長(zhǎng)的干涉圖像。PZT驅(qū)動(dòng)電壓的選取請(qǐng)見(jiàn)圖2,驅(qū)動(dòng)路徑采用 "弓"字型，請(qǐng)見(jiàn)圖3。選定第一種波長(zhǎng)，對(duì)PZT施加驅(qū)動(dòng)電壓進(jìn)行相移調(diào)制，起始驅(qū)動(dòng)電壓 取乂。= 3V，電壓每增加八￥。= 0.2V，采集一副干涉圖，直到PZT驅(qū)動(dòng)電壓達(dá)到設(shè)定上限Vi =9V后，共采集NQ= 30幅干涉圖；此時(shí)，為了克服PZT前向驅(qū)動(dòng)的慣性，驅(qū)動(dòng)電壓遞減進(jìn) 行反向驅(qū)動(dòng)，電壓每減小0. 15V采集一幅干涉圖隔，直到反向停止電壓V2= 8. 25V，共采集 N1= 5幅圖（Ni小于N。，約為1/6)，所走路徑見(jiàn)圖3中①；然后切換至第二種波長(zhǎng)，使得第 二種波長(zhǎng)的驅(qū)動(dòng)起始位置與上一種波長(zhǎng)的驅(qū)動(dòng)結(jié)束位置重合，對(duì)第二種波長(zhǎng)電壓的變化規(guī) 律與第一種波長(zhǎng)的類(lèi)似，從