微观形貌测量技术中的主要误差影响因素

由各种算法的原理分析可知，理论上不管是分步进相移算法还是线性连续相移算法，求解得出的空间点的相位信息都是准确并且是唯一的。而实际上，由于移相器的移相误差（线性误差和非线性误差）、探测器的非线性、多光束干涉效应、光源稳定性、环境扰动和探测器量化误差等影响，使用不同算法得到的结果是不同的，精度也不一样。一般情况，采样帧数N 增加，用多组数据优化求解的方式可减少系统误差。但是帧数越多，测量和处理时间也越长，不利于在线检测，有些误差（随机噪声、振动等）会随着步数的增加而累积，影响最后的测试精度。因此，应该从算法精度、速度和难度上找出一个合理的折中。

相移干涉测量有两种主要的测量误差——移相误差和探测器非线性响应误差。另外，还有环境稳定性和频率漂移等缓变过程造成的测量误差，如电噪声、光噪声、移相误差、探测器非线性响应及探测信号量化误差等引起的测量误差。

移相误差分为标定误差和非线性误差，也就是移相器的一阶和二阶移相误差。无论是压电陶瓷移相器还是光电晶体移相器，都会存在这种误差。一阶误差的影响会随着测量次数的增加而减小。一阶和二阶移相误差引起的测量误差的频率都是干涉条纹频率的2 倍，而测量误差的相位和幅度则取决于所用的相位提取算法。

相移干涉一般应用CCD 摄像机作为探测器记录干涉条纹的强度。其输入光强与输出电压之间的非线性就是探测器非线性响应误差。虽然大多数CCD 记录装置都有增益调节以选择增益曲线的线性最好的部分工作，但这种误差还是不可避免地存在并导致系统的测量误差，并且是相移干涉仪的主要误差源之一。

环境稳定性的影响是空气扰动和振动引起的两路信号之间的相对相位变化（对分光路干涉系统），它直接影响测量精度和准确性。为降低这项误差，应将测量系统置于隔振台上，并使测量环境尽可能稳定，在系统设计上应使环境造成的影响在整个波面上均匀。为降低频率漂移所引起的相位变化，应使波面上各点处的相对光程差尽可能小，并对光源采取稳频措施。

光强度的探测误差由测量系统的电噪声引起。电噪声是指在CCD 摄像机、A/D 转换器和采集系统电路中存在大量的电阻性器件，这些电阻性器件的热电子起伏产生的热电子噪声，即白噪声，是一种加性噪声。光噪声主要是指照明视场噪声，该噪声一是由电源波动及光源本身的不稳定而产生，它是随时间而变化的随机起伏噪声；二是由照明光学系统的不完善（相差或调整不好）而引起，它是随空间的起伏而变化的。由电噪声和光噪声引起的测量误差与采样次数成反比，还与探测器饱和强度与噪声强度的比值成反比。为了提高精度，两束光的参物比应接近单位值，探测器动态范围利用率也尽可能接近单位值。针对移相误差，可对测量系统实行预校准并选择恰当的相位提取算法。由参考面不准确性及干涉系统光学像差所产生的测量误差可用绝对测量法减除。然而，有些误差诸如移相器非线性或探测器非线性误差将限制测量结果的最后准确性。

若干涉场中有固定噪声n（x，y），CCD 面阵探测器的灵敏度分布为s（x，y），则式（2−1）改写为(www.xing528.com)

由于相位提取算式中含有减法和除法运算，因此上述干涉场中的固定噪声和CCD 面阵探测器的不一致性影响均自动消除，这是相移干涉术的一大优点。

从以上分析可以看出，相移帧数的增加能够降低第二类误差的影响，但会增加采样时间，该过程将会受到第一类误差的影响。可见，相移帧数的选择应充分考虑到两个方面的影响。

关于各项主要误差的具体分析计算，将在后续章节中详细给出。

基于光学干涉成像原理的相移干涉法PMI 是一种相对优越的非接触表面形貌测量方法。对实验需求、分辨率和精度、固有噪声抑制、像增强等方面与PMI 中的相位提取方法进行比较，结果显示：将干涉术和相移技术相结合的相移干涉术具有较高的空间分辨率和较低的成本，具有数字化、定量化、测量精度高和重复性好的特点。

由于采用了干涉法，相移干涉法PMI 在提高测量精度的同时，对外界环境的要求也比较苛刻，微小的干扰信号将对测量结果造成较大的影响。目前的研究热点是以物体表面微观形貌测量作为基准目标，针对相移干涉术存在的关键技术开展研究。研究内容包括：① 高精度相位提取算法。寻求一种对线性移相误差、非线性移相误差、空间非均匀性误差以及干涉信号的非正弦性不敏感的相位提取算法。② 有效的相位解包裹算法。在传统相位解包裹算法的基础上，寻求更加有效的、实用的相位解包裹算法。针对被测物表面不连续、台阶引起的相位断点，设计相位提取算式及相应的相位解包裹算法。③ 立足于干涉显微镜这个成熟条件，研究基于相移干涉术、对误差不敏感的、测量精度达到纳米数量级的数字光学微观表面形貌测量系统。