一種多波長干涉測量起點位置對齊方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及多波長干涉測量領域，尤其涉及在多波長輪換的相移干涉測量中，PZT 相移驅動與對齊的方法。
【背景技術】
[0002] 顯微干涉測量法是表面微形貌測量的重要方法之一，將多波長干涉技術引入到干 涉測量中能有效彌補單波長干涉測量范圍小的不足。多波長測量方法的實質就是利用多波 長測量結果的差異求出干涉級次，從而得到被測點的真實深度，達到擴展深度測量范圍的 目的。多波長干涉測量不但能擴大深度測量范圍，而且利用多波長測量結果校正單波長的 測量結果可以減小由于測量范圍擴大導致的放大測量誤差。
[0003] 多波長干涉法常需要利用相移法使干涉條紋產生相對變形，然后通過測量干涉條 紋的相對變形來間接完成表面輪廓的測量。相移法通過在參考或測量光中引進已知相移 量，人為改變兩相干光束的相對相位，從干涉場中任一點在不同相移量下的光強值來求解 該點相位。PZT因具有良好的微位移特性，常用作干涉測量中產生相移的驅動方式。但由于 PZT驅動線性差、慣性大等不足，導致往返運動時很難保證起始和終止位置保持不變。因此 在多波長干涉測量中，當不同波長之間切換時，由于PZT驅動的起始位置不一致，將導致測 量結果存在較大的誤差，從而不能保證測量精度。
[0004] 為了減小PZT開環驅動的位置誤差，有些驅動裝置利用帶計量系統進行反饋，這 類裝置雖然一定程度上能保證回復到起點位置的精度，但由于在高精度的測量過程中，即 使很小的振動，對于干涉量級而言，也會產生較大的誤差，而且位置計量系統自身的測量精 度很難達到納米級。因此，在高精密干涉測量中，反饋裝置也不能保證起點位置的對齊。同 時，由于帶計量系統的閉環裝置，結構復雜，使系統安裝十分困難。另外，閉環系統價格高， 導致最終測量系統的成本大大提高。
[0005] 針對現有基于多波長的顯微干涉測量系統中存在波長切換時PZT驅動初始位置 不一致的問題，本領域亟待出現相應解決方案。
【發明內容】
[0006] 本發明的目的是提供一種多波長干涉測量相移驅動對齊的方法，該方法在分析 PZT驅動遲滯特性的基礎上，采用"弓"字型路徑的驅動PZT，通過對PZT施加小步距的反向 驅動電壓，以克服PZT向前驅動的慣性，并在不同波長之間輪換時，使上一種波長的驅動終 止位置為下一種波長驅動的起始位置，保證波長輪換時銜接點位置重合，再計算出每種波 長的總驅動相移量和初相位，然后根據多波長的相移驅動起始和終止位置關系，將其它波 長的起點位置的移到與第一種波長的起始位置一致，實現多波長起始位置的對齊。
[0007] 本發明的技術方案是：一種適于多波長干涉測量中起點位置對齊方法，包括以下 步驟；
[0008] 步驟1，選定第一種波長，對PZT施加驅動電壓進行相移調制，設起始驅動電壓為 Vc，電壓每增加AV。，采集一副干涉圖，直到PZT驅動電壓達到設定上限Vi后，共采集N。幅 圖；使驅動電壓遞減進行反向驅動，電壓每減小A%采集一幅干涉圖隔，所述的AVi小于 AV。，直到達到反向停止電壓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，使得第二種波長的驅動起始位置與上一種波長的驅動結束位置重合，對第二種 波長電壓進行變換，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，圖像采集間隔和數量與第一種波長一致；當切換第三種波長時， 重復以上第一種波長的操作，選擇第四種波長時重復第二種波長的操作，根據以上重復原 貝1J，直到最后一個波長，對任意波長的任一幅圖像的光強可表示為：
[0009]
[0010] 其中，（X，y)為干涉圖中像素點坐標，λk為第k種波長，k= 1，2,…M，i為波長 λk時干涉圖的序列數，i= 1，2,…N，且N=N。+&，所述的Μ和N為自然數；\ (U)為直流 光強，為交流光強幅值，為初始相位，為相移驅動量。
[0011] 步驟2,對步驟1得到的所有干涉圖分別計算出每種波長對應的初始相位 和總相移驅動量(k= 1，2,…Μ);
[0012] 步驟3,利用獲得的波長Ak中每個像素點的初始相位和總相移驅動量 &義，計算出不同波長下起點位置對齊后的初始相位量··
[0013] 對于波長1而言，
[0014] 對于波長2而言， ·《.
：厶 /
[0015] 對于波長k而言，
其中，mod函數表示前一項相對于后一項取余運算；
[0016] 利用對齊后的初始相位以'(U)，計算出該點的表面形貌高度，能夠測量精度。
[0017] 優選的，所述的步驟1中，為保證輪換波長時銜接點位置的一致性，PZT的驅動采 用弓字型驅動方式，并在波長切換之前，通過小步距的反向驅動克服向前驅動的慣性。
[0018] 優選的，所述的步驟2中，對任一種波長的每個像素點初始相位和總相移量的計 算包括以下子步驟：
[0019] 步驟2. 1，在同一波長的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 分之一的區域，將該區域內所有像素點的光強值求取均值，得到N個光強值，再在這N個光 強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 值分別對應的圖像作為1"，In;
[0020] 步驟2. 2,在找到的兩幅干涉圖1"，1"中，根據每個像素點的光強值在不同干涉 圖中的變化規律，尋找滿足規律的坐標值；對于圖像1"中的任意一點的光強Ux，y)滿足 Im(x，y) <Iml(x，y)時，將此點的坐標值存入坐標數組ArrayPj]中；對于圖像:^中的任意 一點的光強In (X，y)滿足In (X，y) <In:(X，y)時，將此點的坐標值存入坐標數組ArrayP2 [] 中，假設兩坐標個數分別為h，n2;
[0021] 步驟2. 3,為了消除單點隨機誤差的影響，對同一波長采集的N幅圖進行灰度值平 均運算，并得到兩個新的灰度值序列gl(i)，g2(i):
[0022]
[0023] 其中，如叫分別為坐標數組ArrayPi□和ArrayP2□中坐標值個數，ArrayPjl]·X、 ArrayPjl]·y分別為數組ArrayPi□中第 1 個點的x、y坐標值，ArrayP2[l]·x、ArrayP2[l]· y分別為數組ArrayP2□中第p個點的x、y坐標值，i為干涉圖序列數；
[0024]步驟2. 3,根據兩灰度序列gji)，g2(i)計算出第i幅干涉圖對應的總相位值
[0025] 步驟2. 4,進行解包裹運算，得到每幅干涉圖的相移驅動量因初始位置 七,.=〇未丨丨田下式·]井桿i+宣.i+宣時從i= 2開始.
[0026]
[0027] 當i=N時，可計算出總相位驅動量為。
[0028] 步驟2. 5,根據每個像素點的光強序列和相移驅動量％?求出每個像素點 初始相位
[0029] 根據以上的步驟求出波長λ,對應的初始相位^ (.μ，)和總相移驅動量％#。
[0030] 優選的，所述的步驟2. 3中，根據兩灰度序列gl (i)，g2(i)結合橢圓擬合算法計算 出第i幅干涉圖對應的總相位值~;+ 。
[0031] 優選的，所述的步驟2. 5中，根據每個像素點的光強序列和相移驅動量 馬心，利用正弦信號最小二乘法求出每個像素點初始相位?％.(^34。
[0032] 本發明的技術效果是：一種適于多波長干涉測量中起點位置對齊方法，提供的 PZT驅"弓"字路徑驅動方法結合算法實現了不同波長起始位置的對齊，彌補實際PZT驅動 慣性造成的起始相移誤差，提高了多波長干涉測量精度，提高了測量重復精度和可靠性；本 發明所采用的技術方案特別適用于利用PZT驅動的干涉測量，能更好的解決多波長切換后 起始位置一致性問題，極大提升了多波長干涉測量的實用價值。
【附圖說明】
[0033]圖1為本發明實施例的多波長干涉測量起始位置對齊方法流程；
[0034] 圖2為本發明實施例的PZT驅動電壓示意圖；
[0035] 圖3為本發明實施例中不同波長起始位置對齊示意圖。
【具體實施方式】
[0036] 為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面結合附圖和具體實施例對本 發明的裝置的結構與測量原理作進一步詳細的說明。
[0037] 本發明提供了一種多波長干涉測量中起始位置對齊的方法，利用波長切換首尾重 合方法和克服PZT驅動慣性的反向驅動方法，再結合設計合適的算法，實現了多波長輪換 時起始位置的對齊。本發明能實現不同波長切換的起始位置對齊精度在幾納米以內。
[0038] 請見圖1，一種多波長干涉測量起始位置對齊方法，包括以下步驟，
[0039] 步驟1，采集三種波長的干涉圖像。PZT驅動電壓的選取請見圖2,驅動路徑采用 "弓"字型，請見圖3。選定第一種波長，對PZT施加驅動電壓進行相移調制，起始驅動電壓 取乂。= 3V，電壓每增加八￥。= 0.2V，采集一副干涉圖，直到PZT驅動電壓達到設定上限Vi =9V后，共采集NQ= 30幅干涉圖；此時，為了克服PZT前向驅動的慣性，驅動電壓遞減進 行反向驅動，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)，所走路徑見圖3中①；然后切換至第二種波長，使得第 二種波長的驅動起始位置與上一種波長的驅動結束位置重合，對第二種波長電壓的變化規 律與第一種波長的類似，從