留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

基于主成分分析的白光干涉微观形貌测量算法

陈浩博,张力伟,孙文卿,陈宝华,曹召良,吴泉英

downloadPDF
陈浩博, 张力伟, 孙文卿, 陈宝华, 曹召良, 吴泉英. 基于主成分分析的白光干涉微观形貌测量算法[J]. , 2023, 16(3): 637-644. doi: 10.37188/CO.2022-0172
引用本文: 陈浩博, 张力伟, 孙文卿, 陈宝华, 曹召良, 吴泉英. 基于主成分分析的白光干涉微观形貌测量算法[J]. , 2023, 16(3): 637-644.doi:10.37188/CO.2022-0172
CHEN Hao-bo, ZHANG Li-wei, SUN Wen-qing, CHEN Bao-hua, CAO Zhao-liang, WU Quan-ying. White light interferometry micro measurement algorithm based on principal component analysis[J]. Chinese Optics, 2023, 16(3): 637-644. doi: 10.37188/CO.2022-0172
Citation: CHEN Hao-bo, ZHANG Li-wei, SUN Wen-qing, CHEN Bao-hua, CAO Zhao-liang, WU Quan-ying. White light interferometry micro measurement algorithm based on principal component analysis[J].Chinese Optics, 2023, 16(3): 637-644.doi:10.37188/CO.2022-0172

基于主成分分析的白光干涉微观形貌测量算法

doi:10.37188/CO.2022-0172
基金项目:国家自然科学基金(No. 61875145,No. 11804243);“十四五”江苏省重点学科资助(No. 2021135);苏州市科技计划前瞻性应用研究项目(No. SYG202013)
详细信息
    作者简介:

    陈浩博(1997—),男,江苏启东人,硕士研究生,2019年于金陵科技学院获得学士学位,主要从事光学干涉计量与测试方面的研究。E-mail:1103321006@qq.com

    张力伟(1997—),男,江苏苏州人,硕士研究生,主要从事光学干涉计量与测试方面的研究。E-mail:20865288@qq.com

    孙文卿(1984—),男,江苏南京人,博士,副教授,硕士生导师,主要从事光学计量测试与图像处理方面的研究。E-mail:sunwenqing@mail.usts.edu.cn

    陈宝华(1990—),男,江苏泰州人,实验师,主要从事光学仪器加工与检测方面的研究。E-mail:1192166284@qq.com

    曹召良(1974—),男,博士,教授,硕士生导师,主要从事光电仪器设备及其应用研究。E-mail:caozl@usts.edu.cn

    吴泉英(1965—),女,江苏苏州人,博士,教授,博士生导师,主要从事光学仪器设计与信息处理方面的研究工作。E-mail:wqycyh@mail.usts.edu.cn

  • 中图分类号:P164

White light interferometry micro measurement algorithm based on principal component analysis

Funds:Supported by National Natural Science Foundation of China (No. 61875145, No. 11804243); China Jiangsu Key Disciplines of the fourteenth Five-Year Plan (No. 2021135); the Prospective Application Research Project of Suzhou Science and Technology Plan (No. SYG202013)
More Information
  • 摘要:

    为了解决白光干涉相位求解问题,实现微观形貌的高度测量,提出了基于主成分分析(Principal Component Analysis,PCA)的白光干涉(White Light Interferometry,WLI)微观形貌测量算法。通过搭建的白光干涉显微系统采集多幅干涉图,将其重构成向量形式。在一组干涉图中,用时间平均值来估计背景照明,消除背景光成分。然后,通过矩阵运算得到代表原始数据的特征值及其特征向量。最后,通过反正切函数计算物体的包裹相位分布。实验结果表明,本文所提方法对于标定高度为956.05 nm的台阶测量结果为953.66 nm,且可以获得与迭代算法近似的解,而本文所提方法与迭代算法相比,处理速度提高了2个数量级。利用本文方法分析了表面粗糙度为0.025 µm样块的干涉条纹。结果显示:计算得到的表面粗糙度均值为24.83 nm,标准差为0.3831 nm。本文提出的方法解决了单色光干涉测量中的不足,还具有计算简单、速度快及精度高等优势。

  • 图 1白光显微干涉测量系统示意图

    Figure 1.Schematic diagram of white light microscopic interferometry

    图 2白光干涉光强与光程差的关系

    Figure 2.Relationship between white light interference intensity and optical path difference

    图 3(a)第一帧和(b)第二帧白光干涉图

    Figure 3.(a) The first and (b) the second white light phase shifting interferograms

    图 4理想台阶高度与真实台阶高度计算结果比较

    Figure 4.Comparison of calculation results of ideal height of step and real height of step

    图 5台阶白光相移干涉图(红线代表的长度为0.2 mm)

    Figure 5.White light phase-shifting interferogram of step (The red line represents an actual physical length of 0.2 mm)

    图 6(a)PCA-WLI和(b)AIA的台阶高度计算结果

    Figure 6.The heights of step caculated by (a) PCA-WLI algorithm and (b) AIA algorithm

    图 7不同方法轮廓线对比结果

    Figure 7.The results of contour comparison by different methods

    图 8表面粗糙度样块及白光干涉图

    Figure 8.Surface roughness specimen and white light interferogram

    表 1PCA-WLI和AIA算法结果对比

    Table 1.Comparison of PCA-WLI and AIA algorithms

    算法 PV误差(%) RMS误差(%) 计算时间(s)
    PCA-WLI算法 0.452 0.035 0.026
    AIA算法 0.443 0.034 5.2465
    下载: 导出CSV

    表 2不同算法的台阶测量结果

    Table 2.Measurement results of step by different algorithms

    Algorithm Times PCA-WLI AIA
    1 958.35 955.09
    2 949.59 948.38
    3 947.80 960.16
    4 955.29 959.11
    5 957.46 960.65
    6 949.70 958.31
    7 951.09 944.28
    8 954.79 956.26
    9 956.99 949.77
    10 955.56 956.58
    Mean value/nm 953.66 954.87
    下载: 导出CSV

    表 3表面粗糙度测量结果

    Table 3.Measurement results of surface roughness specimen

    Times Ra
    1 24.9
    2 25.3
    3 24.7
    4 24.6
    5 25.1
    6 24.8
    7 24.2
    8 24.6
    9 25.5
    10 24.6
    Mean value/nm 24.83
    Standard deviation/nm 0.3831
    下载: 导出CSV

    表 4两种算法对不同分辨率干涉图序列所用时间对比

    Table 4.Comparison of consuming times of interferogram sequence with different resolutions processed by the two algorithms         (s)

    算法 分辨率
    200×200 400×400 800×800
    PCA-WLI算法 0.0168 0.0358 0.1226
    AIA算法 2.8852 10.0738 38.8263
    下载: 导出CSV
  • [1] SAFRANI A, ABDULHALIM I. Real-time phase shift interference microscopy[J].Optics Letters, 2014, 39(17): 5220-5223.doi:10.1364/OL.39.005220
    [2] LEACH R.Optical Measurement of Surface Topography[M]. Berlin: Springer, 2011.
    [3] 张磊, 吴金灵, 刘仁虎, 等. 光学自由曲面自适应干涉检测研究新进展[J]. 中国光学,2021,14(2):227-244.doi:10.37188/CO.2020-0126

    ZHANG L, WU J L, LIU R H,et al. Research advances in adaptive interferometry for optical freeform surfaces[J].Chinese Optics, 2021, 14(2): 227-244. (in Chinese)doi:10.37188/CO.2020-0126
    [4] 梁子健, 杨甬英, 赵宏洋, 等. 非球面光学元件面型检测技术研究进展与最新应用[J]. 中国光学,2022,15(2):161-186.

    LIANG Z J, YANG Y Y, ZHAO H Y,et al. Advances in research and applications of optical aspheric surface metrology[J].Chinese Opticals, 2022, 15(2): 161-186. (in Chinese)
    [5] VARGAS J, QUIROGA J A, BELENGUER T. Phase-shifting interferometry based on principal component analysis[J].Optics Letters, 2011, 36(8): 1326-1328.doi:10.1364/OL.36.001326
    [6] WYANT J C. White light interferometry[J].Proceedings of SPIE, 2002, 4737: 98-107.doi:10.1117/12.474947
    [7] SCHMIT J, CREATH K, WYANT J C.Surface Profilers, Multiple Wavelength, and White Light Intereferometry[M]//MALACARA D. Optical Shop Testing. 3rd ed. Hoboken: John Wiley & Sons, Inc. , 2006: 667-755.
    [8] 马龙. 白光扫描干涉测量方法与系统的研究[D]. 天津: 天津大学, 2011.

    MA L. Study on white light scanning interferometry: measurement method and system[D]. Tianjin: Tianjin University, 2011. (in Chinese)
    [9] SANDOZ P. An algorithm for profilometry by white-light phase-shifting interferometry[J].Journal of Modern Optics, 1996, 43(8): 1545-1554.
    [10] LARKIN K G. Efficient nonlinear algorithm for envelope detection in white light interferometry[J].Journal of the Optical Society of America A, 1996, 13(4): 832-843.doi:10.1364/JOSAA.13.000832
    [11] HARASAKI A, SCHMIT J, WYANT J C. Improved vertical-scanning interferometry[J].Applied Optics, 2000, 39(13): 2107-2115.doi:10.1364/AO.39.002107
    [12] 韩志刚, 陈磊. 对包络变化及移相误差不敏感的宽带光八步移相算法[J]. 红外与 工程,2015,44(4):1236-1242.doi:10.3969/j.issn.1007-2276.2015.04.022

    HAN ZH G, CHEN L. Eight-step phase shifting algorithm for broadband light interferometry insensitive to envelop variation and phase shifting error[J].Infrared and Laser Engineering, 2015, 44(4): 1236-1242. (in Chinese)doi:10.3969/j.issn.1007-2276.2015.04.022
    [13] 李慧鹏, 谭朦曦, 朱伟伟, 等. 基于白光干涉测试技术的改进Carré相移算法[J]. 光子学报,2016,45(6):0612001.doi:10.3788/gzxb20164506.0612001

    LI H P, TAN M X, ZHU W W,et al. Improved Carré phase shifting algorithm based on white light interferometry[J].Acta Photonica Sinica, 2016, 45(6): 0612001. (in Chinese)doi:10.3788/gzxb20164506.0612001
    [14] 贾竣. 应用于白光轮廓仪的白光相移干涉算法研究[D]. 天津: 中国民航大学, 2020.

    JIA J. Research on white light phase-shifting algorithm for white light profiler[D]. Tianjin: Civil Aviation University of China, 2020. (in Chinese)
    [15] 陆冬筱, 房文汇, 李玉瑶, 等. 光学相干层析成像技术原理及研究进展[J]. 中国光学,2020,13(5):919-935.doi:10.37188/CO.2020-0037

    LU D X, FANG W H, LI Y Y,et al. Optical coherence tomography: principles and recent developments[J].Chinese Optics, 2020, 13(5): 919-935. (in Chinese)doi:10.37188/CO.2020-0037
    [16] XIN L, LIU X, YANG ZH M,et al. Three-dimensional reconstruction of super-resolved white-light interferograms based on deep learning[J].Optics and Lasers in Engineering, 2021, 145: 106663.doi:10.1016/j.optlaseng.2021.106663
    [17] 张超, 袁群, 张佳乐, 等. 白光显微干涉三维形貌测量中的移相误差校正方法[J]. 红外与 工程,2022,51(7):20220050.

    ZHANG CH, YUAN Q, ZHANG J L,et al. Calibration method of the phase-shifting error for the topography measurement utilizing white light interferometric microscopy[J].Infrared and Laser Engineering, 2022, 51(7): 20220050. (in Chinese)
    [18] WANG ZH Y, HAN B. Advanced iterative algorithm for phase extraction of randomly phase-shifted interferograms[J].Optics Letters, 2004, 29(14): 1671-1673.doi:10.1364/OL.29.001671
    [19] LEI Z L, LIU X J, CHEN L ZH,et al. A novel surface recovery algorithm in white light interferometry[J].Measurement, 2016, 80: 1-11.doi:10.1016/j.measurement.2015.11.019
  • 加载中
图(8)/ 表(4)
计量
  • 文章访问数:380
  • HTML全文浏览量:258
  • PDF下载量:316
  • 被引次数:0
出版历程
  • 收稿日期:2022-07-26
  • 录用日期:2022-09-09
  • 修回日期:2022-08-18
  • 网络出版日期:2022-09-28

目录

    /

      返回文章
      返回
        Baidu
        map