一种多波长干涉测量起点位置对齐方法技术

本发明专利技术提供一种适于多波长干涉测量中起点位置对齐方法，提供的PZT驱“弓”字路径驱动方法结合算法实现了不同波长起始位置的对齐，弥补实际PZT驱动惯性造成的起始相移误差，提高了多波长干涉测量精度，提高了测量重复精度和可靠性；本发明专利技术所采用的技术方案特别适用于利用PZT驱动的干涉测量，能更好的解决多波长切换后起始位置一致性问题，极大提升了多波长干涉测量的实用价值。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及多波长干涉测量领域，尤其涉及在多波长轮换的相移干涉测量中，PZT 相移驱动与对齐的方法。
技术介绍
显微干涉测量法是表面微形貌测量的重要方法之一，将多波长干涉技术引入到干 涉测量中能有效弥补单波长干涉测量范围小的不足。多波长测量方法的实质就是利用多波 长测量结果的差异求出干涉级次，从而得到被测点的真实深度，达到扩展深度测量范围的 目的。多波长干涉测量不但能扩大深度测量范围，而且利用多波长测量结果校正单波长的 测量结果可以减小由于测量范围扩大导致的放大测量误差。 多波长干涉法常需要利用相移法使干涉条纹产生相对变形，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。相移法通过在参考或测量光中引进已知相移 量，人为改变两相干光束的相对相位，从干涉场中任一点在不同相移量下的光强值来求解 该点相位。PZT因具有良好的微位移特性，常用作干涉测量中产生相移的驱动方式。但由于 PZT驱动线性差、惯性大等不足，导致往返运动时很难保证起始和终止位置保持不变。因此 在多波长干涉测量中，当不同波长之间切换时，由于PZT驱动的起始位置不一致，将导致测 量结果存在较大的误差，从而不能保证测量精度。 为了减小PZT开环驱动的位置误差，有些驱动装置利用带计量系统进行反馈，这 类装置虽然一定程度上能保证回复到起点位置的精度，但由于在高精度的测量过程中，即 使很小的振动，对于干涉量级而言，也会产生较大的误差，而且位置计量系统自身的测量精 度很难达到纳米级。因此，在高精密干涉测量中，反馈装置也不能保证起点位置的对齐。同 时，由于带计量系统的闭环装置，结构复杂，使系统安装十分困难。另外，闭环系统价格高， 导致最终测量系统的成本大大提高。 针对现有基于多波长的显微干涉测量系统中存在波长切换时PZT驱动初始位置 不一致的问题，本领域亟待出现相应解决方案。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种多波长干涉测量相移驱动对齐的方法，该方法在分析 PZT驱动迟滞特性的基础上，采用"弓"字型路径的驱动PZT，通过对PZT施加小步距的反向 驱动电压，以克服PZT向前驱动的惯性，并在不同波长之间轮换时，使上一种波长的驱动终 止位置为下一种波长驱动的起始位置，保证波长轮换时衔接点位置重合，再计算出每种波 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 长的起点位置的移到与第一种波长的起始位置一致，实现多波长起始位置的对齐。 本专利技术的技术方案是：一种适于多波长干涉测量中起点位置对齐方法，包括以下 步骤； 步骤1，选定第一种波长，对PZT施加驱动电压进行相移调制，设起始驱动电压为 Vc，电压每增加AV。，采集一副干涉图，直到PZT驱动电压达到设定上限Vi后，共采集N。幅 图；使驱动电压递减进行反向驱动，电压每减小A%采集一幅干涉图隔，所述的AVi小于 AV。，直到达到反向停止电压V2，共采集&幅图，所述的V2小于Vρ&小于N。，然后切换至第 二种波长，使得第二种波长的驱动起始位置与上一种波长的驱动结束位置重合，对第二种 波长电压进行变换，从V2以步距AV。衰减到下限V3，且满足V2_V3，然后从^以步 距AVl增至V。，在此期间，图像采集间隔和数量与第一种波长一致；当切换第三种波长时， 重复以上第一种波长的操作，选择第四种波长时重复第二种波长的操作，根据以上重复原 贝1J，直到最后一个波长，对任意波长的任一幅图像的光强可表示为： 其中，（X，y)为干涉图中像素点坐标，λk为第k种波长，k= 1，2,…M，i为波长 λk时干涉图的序列数，i= 1，2,…N，且N=N。+&，所述的Μ和N为自然数；\ (U)为直流 光强，为交流光强幅值，为初始相位，为相移驱动量。 步骤2,对步骤1得到的所有干涉图分别计算出每种波长对应的初始相位 和总相移驱动量(k= 1，2,…Μ); 步骤3,利用获得的波长Ak中每个像素点的初始相位和总相移驱动量 &义，计算出不同波长下起点位置对齐后的初始相位量·· 对于波长1而言， 对于波长2而言， ·《.：厶 / 对于波长k而言，其中，mod函数表示前一项相对于后一项取余运算； 利用对齐后的初始相位以'(U)，计算出该点的表面形貌高度，能够测量精度。 优选的，所述的步骤1中，为保证轮换波长时衔接点位置的一致性，PZT的驱动采 用弓字型驱动方式，并在波长切换之前，通过小步距的反向驱动克服向前驱动的惯性。 优选的，所述的步骤2中，对任一种波长的每个像素点初始相位和总相移量的计 算包括以下子步骤： 步骤2. 1，在同一波长的N幅干涉序列图像中，寻找两幅相位差近似为 k3i+ 3i/2+A的两幅图In，In^N幅干涉图的每一幅图中，选取包含中心位置、占总面积十 分之一的区域，将该区域内所有像素点的光强值求取均值，得到N个光强值，再在这N个光 强值中寻找极大值和极小值，利用极大值和极小值求出中间值，选取极大值和最接近中间 值分别对应的图像作为1"，In; 步骤2. 2,在找到的两幅干涉图1"，1"中，根据每个像素点的光强值在不同干涉 图中的变化规律，寻找满足规律的坐标值；对于图像1"中的任意一点的光强Ux，y)满足 Im(x，y) <Iml(x，y)时，将此点的坐标值存入坐标数组ArrayPj]中；对于图像:^中的任意 一点的光强In (X，y)满足In (X，y) <In:(X，y)时，将此点的坐标值存入坐标数组ArrayP2 [] 中，假设两坐标个数分别为h，n2; 步骤2. 3,为了消除单点随机误差的影响，对同一波长采集的N幅图进行灰度值平 均运算，并得到两个新的灰度值序列gl(i)，g2(i): 其中，如叫分别为坐标数组ArrayPi□和ArrayP2□中坐标值个数，ArrayPjl]·X、 ArrayPjl]·y分别为数组ArrayPi□中第 1 个点的x、y坐标值，ArrayP2·x、ArrayP2· y分别为数组ArrayP2□中第p个点的x、y坐标值，i为干涉图序列数；步骤2. 3,根据两灰度序列gji)，g2(i)计算出第i幅干涉图对应的总相位值 步骤2. 4,进行解包裹运算，得到每幅干涉图的相移驱动量因初始位置 七,.=〇未丨丨田下式·]井杆i+宣.i+宣时从i= 2开始. 当i=N时，可计算出总相位驱动量为。 步骤2. 5,根据每个像素点的光强序列和相移驱动量％?求出每个像素点 初始相位 根据以上的步骤求出波长λ,对应的初始相位^ (.μ，)和总相移驱动量％#。 优选的，所述的步骤2. 3中，根据两灰度序列gl (i)，g2(i)结合椭圆拟合算法计算 出第i幅干涉图对应的总相位值~;+ 。 优选的，所述的步骤2. 5中，根据每个像素点的光强序列和相移驱动量 馬心，利用正弦信号最小二乘法求出每个像素点初始相位?％.(^34。 本专利技术的技术效果是：一种适于多波长干涉测量中起点位置对齐方法，提供的 PZT驱"弓"字路径驱动方法结合算法实现了不同波长起始位置的对齐，弥补实际PZT驱动 惯性造成的起始相移误差，提高了多波长干涉测量精度，提高了测量重复精度和可靠性；本 专利技术所采用的技术方案特别适用于利用PZT驱动的干涉测量，能更本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种适于多波长干涉测量中起点位置对齐方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，选定第一种波长，对PZT施加驱动电压进行相移调制，设起始驱动电压为V0，电压每增加ΔV0，采集一副干涉图，直到PZT驱动电压达到设定上限V1后，共采集N0幅图；使驱动电压递减进行反向驱动，电压每减小ΔV1采集一幅干涉图隔，所述的ΔV1小于ΔV0，直到达到反向停止电压V2，共采集N1幅图，所述的V2小于V1，N1小于N0，然后切换至第二种波长，使得第二种波长的驱动起始位置与上一种波长的驱动结束位置重合，对第二种波长电压进行变换，从V2以步距ΔV0衰减到下限V3，且满足：V1‑V0＝V2‑V3，然后从V3以步距ΔV1增至V0，在此期间，图像采集间隔和数量与第一种波长一致；当切换第三种波长时，重复以上第一种波长的操作，选择第四种波长时重复第二种波长的操作，根据以上重复原则，直到最后一个波长，对任意波长的任一幅图像的光强可表示为：其中，(x，y)为干涉图中像素点坐标，λk为第k种波长，k＝1,2,…M，i为波长λk时干涉图的序列数，i＝1,2,…N,且N＝N0+N1，所述的M和N为自然数；为直流光强，为交流光强幅值，为初始相位，为相移驱动量；步骤2，对步骤1得到的所有干涉图分别计算出每种波长对应的初始相位和总相移驱动量步骤3，利用获得的波长λk中每个像素点的初始相位和总相移驱动量计算出不同波长下起点位置对齐后的初始相位量对于波长1而言，对于波长2而言，对于波长k而言，其中，mod函数表示前一项相对于后一项取余运算；利用对齐后的初始相位计算出该点的表面形貌高度，能够测量精度。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：翟中生，王选择，杨练根，吕清花，丁善婷，许忠保，周立，
申请(专利权)人：湖北工业大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42