基于白光干涉的金属极薄带测厚理论与系统研究

论文摘要

机械精密细微加工和检测技术是国家中长期科技发展规划纲要和十一五规划中鼓励发展的先进制造技术。目前经过精密加工的1μm-100μm厚度的金属箔带的一个重要应用场合是在我国的惯性约束聚变（ICF）靶材料制备研究中,同时作为高附加值产品,在许多工业生产也有广泛应用。本文以国家“863计划”项目的子课题为背景,对超薄金属箔带厚度测试技术进行了研究。在激光聚变相关基础研究中,如高温高压下的状态方程研究中,对所使用的几微米至几十微米金属材料在厚度一致性和表面质量等各方面有极高要求,国内外主要采用的接触法测厚仪无法避免损伤被测样品表面或产生附加误差,致使测量精度大大降低,目前尚且没有可实用的非接触、高精度测量微米级金属箔带厚度的测量系统。因此,研究精密、快速、安全、非接触的测厚技术,研制开发配套的测厚仪器设备显得尤为关键,有着重要的现实意义。 本论文从理论研究和实用角度出发,深入研究了白光谱域干涉的原理和特性,提出了分析白光干涉光谱进行超薄金属箔带厚度测试的方法。主要研究串联差分白光干涉测厚系统和双路差分白光干涉测厚系统,利用两个白光Michelson干涉组成差分干涉系统,USB2000光纤光谱仪接收与厚度相关的干涉光谱信号。详细论述了两种系统的测量原理、设计方案、数据处理及实验验证。在本论文研究的系统里,采用差分光路,由被测箔带的两个表面作为两个Michelson干涉仪的测量反射面,这种干涉系统的最后输出信号只与箔带的厚度有关,而与其在测量光路的位置无关,因此,有效地提高了系统的抗振能力;同时,利用频谱域白光干涉原理提高了测量范围和抗干扰能力。本文研究了串联差分及双路差分的白光干涉谱数据的基本处理技术。结合具体测试环境的需要,提出了基于小波变换的串联差分白光干涉谱处理方法,基于LRMS、动态均值滤波二次曲线拟合的双路差分白光干涉谱数据处理方法。在滤除噪声、平滑曲线的同时,提高了极值点的定位精度。其中基于动态均值滤波二次曲线拟合的白光干涉谱数据处理方法简单实用、计算速度快、计算精度高,依据该方法编写了测试系统的数据控制和数据分析软件。 本文研制完成了基于双路差分干涉基础的超薄金属箔带测厚仪,并详细研究了仪器的组成部件、系统标定、测试结果、性能指标及影响因素。测试系统具有较高的测量分辨率,测试范围约为1μm～80μm,静态时系统稳定性控制在±10nm内,单次测量时间小于50ms,横向分辨率和所使用的传光光纤芯径等因素有关,约为0.3mm。当箔带厚度≤20μm时,精

论文目录

• 第一章 绪论
• §1.1 选题背景
• 1.1.1 测量技术概况
• 1.1.2 主要测厚仪器及其技术
• §1.2 论文的立论依据
• §1.3 论文的研究内容
• §1.4 论文的总体结构
• 参考文献
• 第二章 白光干涉测量术
• §2.1 引言
• §2.2 部分相干光干涉理论
• 2.2.1 部分相干光的复数表示
• 2.2.2 光强与功率谱密度
• 2.2.3 相干函数与相干度
• 2.2.4 相干长度与可见度
• §2.3 白光干涉分析方法
• 2.3.1 白光Michelson干涉仪
• 2.3.2 时间域白光干涉分析
• 2.3.2 频谱域白光干涉分析
• §2.4 白光光源的光学特征及其干涉特性
• 2.4.1 白光光源的光学特性
• 2.4.2 白光干涉的特征
• §2.5 本章小结
• 参考文献
• 第三章 串联差分白光干涉测厚系统
• §3.1 引言
• §3.2 系统方案
• 3.2.1 系统模块
• 3.2.2 串联差分白光干涉测厚系统的典型结构
• §3.3 测厚原理分析
• 3.3.1 光程差和光强度分布
• 3.3.2 串联差分干涉模型的简化
• 3.3.3 厚度计算的极值法原理
• §3.4 串联差分白光干涉测厚实验系统及实验结果验证
• 3.4.1 串联差分白光干涉测厚实验系统
• 3.4.2 串联差分白光干涉测厚系统实验结果验证
• §3.5 串联差分白光干涉谱数据处理及分析方法
• 3.5.1 串联差分白光干涉谱数据的特点
• 3.5.2 基于小波变换的串联差分白光干涉谱数据处理方法
• §3.6 本章小结
• 参考文献
• 第四章 双路差分白光干涉测厚系统
• §4.1 引言
• §4.2 系统方案及测量原理
• 4.2.1 双路差分白光干涉测厚系统的典型结构
• 4.2.2 双路差分白光干涉测厚系统的工作原理
• 4.2.3 箔带绝对厚度计算
• §4.3 基于最小均方差（LRMS）的双路差分干涉谱处理方法
• 4.3.1 光谱数据归一化处理
• 4.3.2 基于LRMS意义下的白光干涉谱数据处理方法
• 4.3.3 实验结果验证
• §4.4 基于动态均值滤波的白光干涉谱数据处理方法
• 4.4.1 理论基础
• 4.4.2 数据处理方法与实验验证
• §4.5 本章小结
• 参考文献
• 第五章 白光干涉金属箔带测厚仪的整体设计
• §5.1 引言
• §5.2 白光干涉测厚仪主要部件
• 5.2.1 白光光源及光纤系统
• 5.2.2 双路差分白光干涉系统
• 5.2.3 光谱接收系统特性分析
• 5.2.4 机械结构设计
• 5.2.5 白光干涉箔带测厚仪样机及测试系统演示
• §5.3 白光干涉箔带测厚仪软件的编写
• 5.3.1 白光干涉箔带测厚仪软件的结构组成
• 5.3.2 数据操作软件
• 5.3.3 数据分析软件
• §5.4 系统标定
• 5.4.1 标定方案
• 5.4.2 标定结果
• §5.5 本章小结
• 参考文献
• 第六章 白光干涉金属箔带测厚仪的系统性能分析
• §6.1 引言
• §6.2 仪器性能参数
• 6.2.1 分辨率
• 6.2.2 动态范围
• 6.2.3 稳定性
• 6.2.4 重复性
• §6.3 性能影响因素分析
• 6.3.1 白光光源对测试的影响
• 6.3.2 箔带厚度不均匀及表面起伏的影响
• 6.3.3 光谱仪谱宽对测量精度的影响
• 6.3.4 反射面不平行对测量精度的影响
• 6.3.5 反射面反射率不同的影响
• 6.3.6 影响因素总结
• §6.4 本章小结
• 参考文献
• 第七章 总结与展望
• 附录 已发表或录用的学术论文
• 致谢