移相衍射干涉法微球型靶丸全表面形貌檢測(cè)技術(shù)研究.pdf

1、微小球體是微光學(xué)、微機(jī)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(duì)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(shí)驗(yàn)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(duì)稱壓縮，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)效率降低，甚至打靶失敗的嚴(yán)重后果。
　　傳統(tǒng)的球面檢測(cè)手段，如用輪廓儀、圓度儀、原子力顯微鏡進(jìn)行檢測(cè)，存在著檢測(cè)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(xué)干涉測(cè)量法具有非接觸、采樣密度高、效率高、精度高等優(yōu)點(diǎn)，是較為理想的表面形貌檢測(cè)方法。但目前僅有美國(guó)和法國(guó)的相關(guān)科研機(jī)構(gòu)開展了靶丸表面形貌光學(xué)方法檢測(cè)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(shí)現(xiàn)了靶丸全表面的無遺漏檢測(cè)。而我國(guó)目前仍沿用著原子力顯微鏡旋轉(zhuǎn)掃描的傳統(tǒng)檢測(cè)方法。
　　本文主要針對(duì)基于移相衍射干涉測(cè)量原理的靶丸全表面形貌檢測(cè)方法及關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，主要研究?jī)?nèi)容如下：

3、>　　針對(duì)移相衍射干涉測(cè)量方法進(jìn)行研究，并對(duì)光機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，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(cè)方法。通過對(duì)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(jìn)行干涉場(chǎng)內(nèi)雜散光成份的選擇性濾除，實(shí)現(xiàn)移相干涉的同時(shí)大幅提高干涉信號(hào)的對(duì)比度。解決了傳統(tǒng)光路分光式移相衍射干涉測(cè)量方法中必須使用短相干長(zhǎng)度光源以及干涉信號(hào)對(duì)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(cè)。并針對(duì)多個(gè)光學(xué)器件引入的系統(tǒng)誤差，采用點(diǎn)衍射檢測(cè)光波面畸

4、變標(biāo)定方法，提高檢測(cè)精度。
　　針對(duì)機(jī)械式移相中普遍存在的線性移相誤差抑制方法進(jìn)行研究，提出了基于誤差互補(bǔ)修正的移相干涉測(cè)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(duì)于等量線性移相誤差產(chǎn)生的解相誤差大小接近，符號(hào)相反的特點(diǎn)，將兩種算法進(jìn)行誤差互補(bǔ)，大幅提高定步長(zhǎng)解相算法的線性誤差抑制能力，同時(shí)避免產(chǎn)生錯(cuò)誤的虛數(shù)相位解。并針對(duì)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(duì)算法進(jìn)行改進(jìn)，使其能夠在圓形域內(nèi)進(jìn)行有效的相位擴(kuò)展還原。
　　針對(duì)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(cè)的偏心誤差修正方法。通過引入光程差數(shù)學(xué)模型的分析和高階近似，實(shí)現(xiàn)偏心誤差與Zernike誤差項(xiàng)間的準(zhǔn)確映射，提高偏心誤差修正精度。并對(duì)波面擬合中歸一化極徑近似誤差的影響進(jìn)行了分析，給出了相應(yīng)的修正方法。
　　針對(duì)靶丸全表面形貌檢測(cè)子孔徑拼接數(shù)據(jù)量大的問題進(jìn)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(duì)各子孔徑的空間位置進(jìn)行排布設(shè)計(jì)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(diǎn)點(diǎn)云匹配方法，提高數(shù)據(jù)環(huán)帶之間拼接的容錯(cuò)能力。并針對(duì)迭代最近點(diǎn)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(diǎn)云數(shù)據(jù)匹配的準(zhǔn)確性。
　　依據(jù)靶丸檢測(cè)原理，設(shè)計(jì)搭建了用于靶丸全表面形貌檢測(cè)的移相衍射干涉儀實(shí)驗(yàn)裝置，并分別以低反射率的紅寶石探頭和GDP靶丸為檢測(cè)對(duì)象進(jìn)行了實(shí)際測(cè)量。單孔徑檢測(cè)中