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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

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]. 中国光学(中英文). 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]. 中国光学(中英文). 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. 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. 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,在读硕士研究生,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 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)
  • 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。从一组干涉图中,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压包相位分布。实验结果表明,本文所提方法对标定高度为956.05 nm台阶的测量结果为953.66 nm,且可以获得与迭代算法近似一致的解,而本文所提方法与迭代算法相比,平均时长快2个数量级。分析了表面粗糙度为0.025 µm样块的干涉条纹,本文所提方法计算得到表面粗糙度均值为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  测量系统原理

    Figure 1.  Measuring system

    图 2  模拟白光信号

    Figure 2.  Simulation of white light interference signal

    图 3  前两帧白光干涉图

    Figure 3.  The first and the second white light phase shifting interferogram

    图 4  理想台阶高度与真实台阶高度计算结果

    Figure 4.  Calculation results of ideal height of step and real height of step

    图 5  台阶白光干涉图(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  PCA-WLA和AIA的台阶计算结果

    Figure 6.  The results of step determined by PCA-WLI algorithm and 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

    Figure 8.  surface roughness specimens

    表  1  PCA-WLI和AIA算法结果对比

    Table  1.   The result of PCA-WLI is compared with AIA algorithm

    算法PV误差(%)RMS误差(%)计算时间(s)
    PCA-WLI算法0.4520.0350.026
    AIA算法0.4430.0345.2465
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    表  2  不同算法对台阶的测量

    Table  2.   The measurement of step based on different algorithms

    Algorithm
    Times
    PCA-WLIAIA
    1958.35955.09
    2949.59948.38
    3947.80960.16
    4955.29959.11
    5957.46960.65
    6949.70958.31
    7951.09944.28
    8954.79956.26
    9956.99949.77
    10955.56956.58
    Mean value/nm953.66954.87
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    表  3  表面粗糙度测量结果

    Table  3.   Measurement results of surface roughness pieces

    Roughness/nm
    Times
    Ra
    124.9
    225.3
    324.7
    424.6
    525.1
    624.8
    724.2
    824.6
    925.5
    1024.6
    Mean value/nm24.83
    Standard deviation/nm0.3831
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    表  4  对干涉图序列分辨率不同的算法所用时间的结果对比

    Table  4.   Comparison of the results of the algorithms with different resolution of interferogram sequence

    分辨率
    算法
    200*200400*400800*800
    PCA-WLI算法0.0168 s0.0358 s0.1226 s
    AIA算法2.8852 s10.0738 s38.8263 s
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-07-26
  • 录用日期:  2022-09-09
  • 网络出版日期:  2022-09-28

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