设计了一种适用于光滑表面的调制度显微测量系统, 系统包括两个远心镜头、一个半透半反镜、一个显微物镜、一个 CCD相机和一个DMD数字投影仪。由远心镜头和显微物镜结合将数字投影仪产生的条纹图像成像到显微物镜物面, 得到虚拟的 标准条纹图, 待测表面对该虚拟条纹图的反射像将沿显微物镜光路返回进入CCD像平面, 待测物体在高精度一维平移台的控制 下沿光轴移动, 根据相移算法可以从获取的条纹图中计算出每个位置的图像调制度, 通过查找调制度最大值对应的位置, 即 可完成待测物点的三维形貌测量。实验结果表明该显微调制度测量方法能获得高精度面形, 特别适用于微小形貌剧烈变化物 体面形测量。

光学显微三维测量耦合效应是指沟槽或台阶样品高度测量准确性受横向周期影响产生原理误差的现象。采用卷积不相关原则和有限能量损失原则, 分别建立了薄样品和深沟槽样品光学显微三维测量的解耦合模型, 揭示了被测样品特征参数与光学仪器表征能力之间的关联关系。与现有W/3准则相比, 光学显微三维测量解耦合准则能够客观反映光学仪器表征能力受样品结构差异变化的影响, 指示高度测量解耦合评定的示值区域, 预见高度测量原理误差产生, 为沟槽或台阶样品三维结构表征提供了一种新的计量评定准则。

将条纹投影轮廓测量术和体视显微镜相结合, 搭建了一套能够对微小器件的表面三维形貌进行测量的系统。该系统由一台Greenough型的体视显微镜, 一台DMD投影仪, 一个CCD相机和一个机械平移台组成。在利用相移算法和降级去包裹算法得到被表面形貌调制过的无歧义相位后, 通过相位和高度的映射关系, 得到高度值, 从而能够对微小器件的表面形貌进行重建。在标定时, 通过精密的机械平移台将陶瓷标定板置于不同的高度, 对其进行相位测量, 得到多组相对应的相位和高度值, 再对每个像素点进行多项式拟合来确定相位和高度的映射关系。实验测量了标定的最后一个平面以及微型的球栅阵列, 平面测量结果显示测量误差在10 μm以内, 从微型球栅阵列的三维重建结果可以清晰地看到排列的球形结构。实验结果证明了该系统对于平面和复杂的三维结构都能够进行精确的测量。

为提高圆孔的光学显微测量准确性,研究了基于超分辨图像复原的显微圆孔孔径测量方法。该方法通过超分辨图像复原处理圆孔显微图像,提高了传统光学显微系统对圆孔成像的分辨率,确定了以超分辨复原图像灰度值为0.399作为圆孔物理边缘判据,实现对圆孔边缘的准确探测。理论分析表明该方法可准确测量微米级及以上直径圆孔。核孔膜孔径测量实验中,由二值化图像得到孔径测量结果为6.35 μm(测量不确定度为0.08 μm),与扫描电镜测量结果6.268 μm(测量不确定度为0.083 μm)相符,测量误差仅0.08 μm。该技术有助于实现对圆孔形状的快速、准确在线测量。

提出了一种用于数字全息显微术的可靠度导向快速相位展开算法。对可靠度参数进行非线性量化，结合查表法实现数字全息再现像的相位可靠快速展开。在截断相位图中找出残差点，以残差点的物光强度最大值为阈值，将测量区域分为可信区域和非可信区域。将可信区域的可靠度设为最大，非可信区域的光强进行量化，作为其可靠度。这样制作了一张非线性质量图。利用该质量图，结合查表洪水算法进行相位展开。实验中，采用非线性查找表的相位展开算法比传统洪水算法快68倍以上，比枝切法快近3倍。结果表明，该算法在保持高质量相位展开的情况下大大提高了速度。