基于强度-高度映射的相干扫描干涉振动不敏感增强方法

《Optics & Laser Technology》：Enhanced vibration insensitivity using intensity-height mapping in coherence scanning interferometry

本文针对相干扫描干涉测量(CSI)技术在外界振动和扫描器非线性影响下测量精度下降的问题，提出了一种基于强度-高度映射的被动振动补偿方法。研究人员通过希尔伯特变换获取粗糙表面高度，在频域分析相邻干涉图间的相位差来提取实际扫描增量，成功重建了精确表面形貌。实验证明该方法对纳米级台阶、正弦标准和碳化硅样品均能有效抑制振动伪影，测量结果与隔振条件下高度一致，为CSI技术在非实验室环境下的高精度测量提供了新方案。

　　

在微纳尺度表面形貌测量领域，相干扫描干涉测量(CSI)技术因其高精度特性被广泛应用于航空工程、结构检测和光学制造等领域。然而，这种高精度测量技术对环境振动极为敏感，外界振动和扫描器非线性运动都会导致扫描增量偏离预设值，使采集的干涉图产生空间非均匀采样，最终在重建表面形貌时引入伪影误差。传统解决方案往往需要依赖隔振平台或复杂的光学配置改进，严重限制了CSI技术在工业现场环境中的应用。

为突破这一技术瓶颈，中国民航大学中欧航空工程师学院的研究团队在《Optics》上发表了一项创新研究，提出了一种无需改造光学系统的被动振动补偿方法。该方法通过分析相邻干涉图间强度-高度映射的相位关系，精准提取受振动干扰的实际扫描位置，从而有效补偿振动引起的测量误差。

研究人员采用的核心技术方法包括：首先利用希尔伯特变换处理干涉信号获取包络信息，建立每个扫描位置上的强度-高度映射关系；然后通过非均匀傅里叶变换分析相邻干涉图间的相位差异，反演实际扫描增量；最后结合提取的扫描位置信息重构表面相位，实现振动误差补偿。实验验证环节采用了纳米级台阶高度标准件(9.5±1 nm)、正弦标准件(1 μm振幅)和碳化硅样品等多类标本，在可控振动条件下进行对比测量。

研究方法章节详细阐述了技术原理。典型的白光干涉信号可建模为高斯包络调制的正弦信号，如公式(1)所示。通过希尔伯特变换得到的包络信号Gn(zn)用于计算粗糙表面高度hc，如公式(5)-(6)所示。关键创新在于利用相邻扫描位置获得的强度-高度映射sn(hc)之间的相位差来反演实际扫描增量δzn，如公式(7)-(10)所示。该方法巧妙地将振动引起的扫描位置偏差转化为可量化的相位信息，为后续补偿提供数据基础。

仿真研究部分通过8 nm台阶结构的模拟验证了方法的有效性。在引入50 nm振幅谐波振动和60 nm振幅随机振动的条件下，补偿后的表面形貌与无振动条件高度吻合，标准偏差分别为0.36 nm和0.34 nm。交叉截面分析显示，未补偿时高度变化超过±5 nm，而补偿后控制在±1 nm以内，充分证明了方法的振动抑制能力。

实验验证环节在自建的Linnik型干涉仪平台上展开。对纳米级台阶高度标准的测量结果显示，振动条件下未补偿的表面形貌出现明显波纹伪影，高度变化达±3 nm，而补偿后降至±1.2 nm，测量值为8.9 nm，符合标准件公差范围。正弦标准件的测量进一步验证了方法对斜坡样本的有效性，补偿后的峰谷振幅测量值0.996 μm与标称值高度一致。碳化硅样品的测试表明，补偿后的表面高度变化控制在±1.2 nm内，与隔振条件下的偏差仅0.74 nm。

讨论部分指出，该方法目前对非均匀反射率表面和粗糙样本的适用性仍需进一步研究。同时，基于强度-高度映射的相位提取要求扫描增量小于2π/k0，这些限制为未来研究指明了方向。

该研究的重要意义在于首次实现了不改变光学配置的CSI振动补偿，通过纯后处理方式将测量精度提升至实验室隔振环境水平。这不仅显著降低了CSI技术对工作环境的要求，更为其在工业现场、航空航天等复杂环境下的应用开辟了新途径。研究方法创新性地将振动传递机制与干涉图特征相关联，为光学计量领域的振动抑制提供了新思路。