移相衍射干涉法微球型靶丸全表面形貌檢測技術(shù)研究.pdf

1、微小球體是微光學、微機械等領(lǐng)域中最常見的元器件形態(tài)之一，其表面微觀形貌對于其多方面應(yīng)用特性有著重要的影響。例如，直徑介于幾百微米至幾毫米的微球型靶丸是慣性約束聚變(Inertial Confinement Fusion,ICF)實驗的核心部件之一。靶丸表面任何微小缺陷都有可能引發(fā)不對稱壓縮，導(dǎo)致實驗效率降低，甚至打靶失敗的嚴重后果。
　　傳統(tǒng)的球面檢測手段，如用輪廓儀、圓度儀、原子力顯微鏡進行檢測，存在著檢測效率低、容易劃傷工件表

2、面、孤立缺陷容易遺漏等問題。光學干涉測量法具有非接觸、采樣密度高、效率高、精度高等優(yōu)點，是較為理想的表面形貌檢測方法。但目前僅有美國和法國的相關(guān)科研機構(gòu)開展了靶丸表面形貌光學方法檢測的研究工作，分別采用移相衍射干涉和數(shù)字全息顯微的技術(shù)路線，實現(xiàn)了靶丸全表面的無遺漏檢測。而我國目前仍沿用著原子力顯微鏡旋轉(zhuǎn)掃描的傳統(tǒng)檢測方法。
　　本文主要針對基于移相衍射干涉測量原理的靶丸全表面形貌檢測方法及關(guān)鍵技術(shù)進行研究，主要研究內(nèi)容如下：

3、>　　針對移相衍射干涉測量方法進行研究，并對光機結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，提出了基于偏振控制的移相衍射干涉靶丸全表面形貌檢測方法。通過對光的傳輸過程以及干涉光路中各類光束的偏振態(tài)約束進行干涉場內(nèi)雜散光成份的選擇性濾除，實現(xiàn)移相干涉的同時大幅提高干涉信號的對比度。解決了傳統(tǒng)光路分光式移相衍射干涉測量方法中必須使用短相干長度光源以及干涉信號對比度差的問題，使該方法適用于低反射率的靶丸表面形貌檢測。并針對多個光學器件引入的系統(tǒng)誤差，采用點衍射檢測光波面畸

4、變標定方法，提高檢測精度。
　　針對機械式移相中普遍存在的線性移相誤差抑制方法進行研究，提出了基于誤差互補修正的移相干涉測量相位提取方法。通過構(gòu)造的五幀算法與經(jīng)典Hariharan算法在同一相位處對于等量線性移相誤差產(chǎn)生的解相誤差大小接近，符號相反的特點，將兩種算法進行誤差互補，大幅提高定步長解相算法的線性誤差抑制能力，同時避免產(chǎn)生錯誤的虛數(shù)相位解。并針對最小二乘迭代算法不適用于圓形域相位解包裹的問題，采用多二值化掩膜邊界限定條件

5、對算法進行改進，使其能夠在圓形域內(nèi)進行有效的相位擴展還原。
　　針對傳統(tǒng)偏心誤差修正方法殘余誤差過大的問題，提出了適用于微球檢測的偏心誤差修正方法。通過引入光程差數(shù)學模型的分析和高階近似，實現(xiàn)偏心誤差與Zernike誤差項間的準確映射，提高偏心誤差修正精度。并對波面擬合中歸一化極徑近似誤差的影響進行了分析，給出了相應(yīng)的修正方法。
　　針對靶丸全表面形貌檢測子孔徑拼接數(shù)據(jù)量大的問題進行了研究，確定了二維匹配與三維匹配結(jié)合的拼接

6、方案。在對各子孔徑的空間位置進行排布設(shè)計的基礎(chǔ)上，采用基于映射圖像匹配的環(huán)內(nèi)子孔徑數(shù)據(jù)拼接方法，提高拼接效率；采用迭代最近點點云匹配方法，提高數(shù)據(jù)環(huán)帶之間拼接的容錯能力。并針對迭代最近點算法存在的局限性，采用虛擬極小半徑橫向壓縮的處理方法，提高微觀形貌點云數(shù)據(jù)匹配的準確性。
　　依據(jù)靶丸檢測原理，設(shè)計搭建了用于靶丸全表面形貌檢測的移相衍射干涉儀實驗裝置，并分別以低反射率的紅寶石探頭和GDP靶丸為檢測對象進行了實際測量。單孔徑檢測中