基於三維拼接的大口徑幹涉測量系統和算法的製作方法
2023-07-04 02:58:01
本發明屬於高精密三維形貌測量領域，更具體地，涉及一種適用於大尺寸表面形貌測量的幹涉系統。
背景技術：
表面三維微觀形貌測量方法可分為兩類：接觸式和非接觸式。接觸式測量方法的代表產品是觸針式輪廓儀。當前，國內外廣泛應用的觸針式粗糙度測量儀器是用一個尖端半徑很小的觸針壓在被測表面上作橫移掃描，觸針跟隨表面微觀輪廓的形狀作垂直位移，可以說是最大可能地再現了工件的表面狀況。然而這種測量方法有很大的缺陷，測量精度較低、容易劃傷被測表面，測量速度慢、實現在線檢測困難。近年來，國內外對具有快速、非破壞性、可在線測量特徵的非接觸式檢測技術的研究十分活躍，主要依靠光學、電磁波和圖像處理等技術手段實現表面微觀輪廓的非接觸測量,非接觸式的表面三維微觀輪廓檢測技術有採用微波技術、超聲技術及電場技術的嘗試，但絕大部分是採用光學測量技術,其最顯著的特點是將傳統光學計量技術與信息光學和信息處理技術相結合。目前，已經研究出的表面三維微觀輪廓的光學測量技術主要有：光學外差幹涉法、正弦相位調製幹涉法、共焦顯微法、相移幹涉法，白光掃描法等。
與其他方法相比，光學測量方法有許多其它方法無法比擬的優點：精度高，達到幾納米；測量速度相對較快；測量範圍大，從10nm到100μm；可同時獲得成像面內的所有數據；幾乎可用於所有材料的表面測量。
光學測量方法也有一些內在的缺點。對所有的光學方法來說，縱向分率較高，但由於存在衍射受限和系統的橫向解析度由物鏡孔徑決定的限制，橫向解析度只能達到微米級，其評定出的表面參數常常和其它類型儀器的測量結果有一定差別。其次，現有的幹涉顯微儀器測量表面形貌時受光學系統和相機靶面的視場限制，水平測量範圍很小，無法滿足大口徑尺寸表面形貌的測量。另外，高精度三維形貌測量系統操作相對複雜，自動化程度不高，需要操作人員有良好的專業技能。
技術實現要素：
針對現有技術存在的缺陷，本發明的目的在於提供一種適用於大範圍表面形貌測量的自動幹涉儀測量系統和算法。在原先常規幹涉儀系統中，採用單色光和白光切換的方式實現單色光幹涉和白光幹涉，利用其各自的優缺點來合理的選擇測量方案。同時，在檢測樣品部位添加兩維自動移動平臺，實現被測區域的自由切換和實時拼接等。本發明提出的自動對焦，信號掃描和三維拼接等過程通過軟體控制，克服現有技術缺陷的同時還大大提高了測試效率和測試的便捷性，同時也具備結構緊湊、高精度和低成本等優點。
為實現上述目的，本發明，提供了一種適用於大口徑表面形貌測量的雙光源幹涉儀，其特徵在於，該幹涉儀採用麥可遜幹涉系統並搭配超長工作距離的物鏡和相機。利用步進電機實現幹涉信號自動查找，壓電陶瓷實現信號掃描，計算機對採集到的圖像進行分析並實現測量。單個視場測量完成後，系統控制x軸和y軸工作檯移動，測量下一個視場，多個視場的測量結果用三維拼接算法拼接，得到大口徑範圍的測量結果，其中：
所述雙光源幹涉儀系統主要包括四大部分：1.自動對焦幹涉成像模塊部分，2.光源切換合成與其控制部分，3.信號掃描和視場切換等機械系統部分，4.圖像數據處理部分。其中幹涉成像模塊部分通過參考平面鏡，分光稜鏡，長工作距離物鏡和相機等部件的性能和參數決定各自的機械位置並實現成像功能。其中幹涉成像模塊和光源切換模塊組成一個整體放置在滑臺上，通過滑臺前後移動來實現幹涉信號查找，利用兩維滑臺實現被測件的x和y方向的平移。被測樣品通過機械件固定在精密掃描器件上，利用計算機控制器件的精密位移實現信號掃面並實時記錄圖像，還原三維數據結果。
所述的幹涉系統中，參考鏡，分光稜鏡，長工作距離物鏡，相機之間的距離都保持固定，無論是被測件掃描過程，對焦過程，被測物移動過程中，參考鏡這一光路相互位置都保持固定不動，參考鏡始終處於清晰成像狀態。
所述的自動對焦部分，通過精密滑臺，驅動器，電路控制器和軟體算法實現功能。滑臺採用五相步進電機和滾珠絲槓結構，可實現微米量級的精密移動。軟體通過實時採集當前樣品的成像狀況，並分析當前位置是否存在幹涉信號來實現對焦功能。
所述的光源切換合成部分，包含分光稜鏡，單色led光源，白光led光源及其電路驅動和控制部分。led驅動採用電流驅動方式，利用精密的恆流設計和led的良好散熱來保證led的亮度穩定。控制電路可實現每個光源的單獨亮滅，在同一套光學系統中實現單色光幹涉和白光幹涉功能。針對連續變化的表面，可採用單色光幹涉系統，對於臺階狀變化的表面，採用白光幹涉系統。
所述的信號掃描系統採用閉環控制的壓電陶瓷位移臺，該器件可實現100um以上的掃描範圍，掃描精度可達1nm，壓電陶瓷的精密控制是保證計算精度的首要前提。通過電壓的控制，推動被測件在成像方向的連續移動實現信號掃描。根據不同使用環境，採用不同的掃描方式。在單色光幹涉系統中，採用相移幹涉法；在白光幹涉系統中，採用連續掃描幹涉法。
所述的三維形貌還原算法包含兩個部分，在單色光幹涉中控制壓電陶瓷移相併由相機記錄當前的信號圖像，通過採集到的若干幅幹涉信號圖來計算被測物體各個像素的相位值，然後利用相位解纏還原得到三維圖像。在白光幹涉系統中，採用壓電陶瓷掃描方式，連續採集上百幅圖像，通過空間頻域算法計算出三維形貌。在三維計算過程中，需要保證採集到的圖像包含有效的幹涉信號，可通過圖像直接計算出各像素點的信號強度值，並控制有效像素在整個視場的比例是否滿足計算需求。
所述的三維拼接算法，包含了兩個過程。首先選取需要拼接的圖像可能重疊部分，通過相似度算法計算出拼接點的每一行每一列坐標值，並在平面方向完成拼接。然後提取出真正重疊區域的三維數據，計算重疊部分各個點的高度差值，通過最小二乘法計算兩組三維數據的「最佳」高度落差，並將這個差值補償到其中一組三維數據中。為使得該算法順利實施，需要控制兩維移動平臺每次的移動量，保證移動前後採集到的圖像有一定的重疊部分，重疊量可通過相機的實際視場和滑臺的移動量來控制，誤差可控制在幾個微米。
所述的三維拼接中，高度差值計算過程中，應該剔除信號強度小於設定閾值的像素點。在單色光幹涉或白光幹涉三維形貌還原算法中，信號強度較小或無信號點被視為「壞點」。往往「壞點」的高度信息值是錯誤的，因此在三維高度差計算中，不應該考慮在內。
所述的白光幹涉三維還原算法中，因為每個像素點的信號是完全獨立的，因此可採用並行運算算法。目前可選opencl或cuda利用計算機的獨立顯卡來實現並行運算加速。該算法可大大提到計算速度，從原本的幾十秒減少到1秒左右。
作為進一步優選，整個系統放置在光學隔震平臺上，可以杜絕外接震動對整個光路系統的影響。系統內部的各個連接處，都用合理的機械結構緊密固定，保證這個系統的穩定性和剛性。
作為進一步優選，所述的長工作距離物鏡，需適用於單色光幹涉和白光幹涉系統，應選復消色差物鏡。物鏡前方需放置分光稜鏡，為避免安裝零件的衝突，此物鏡的工作距離因保證在20mm以上。根據測量面型的需求，市面上可選的物鏡有2x，5x，10x，20x等。分光稜鏡採用50%:50%均分，四個表面鍍波長為400nm-700nm介質增透膜，以通用白光和單色光。
作為進一步優選，所述單色光幹涉系統中的單色光源，可採用波長為635nm的紅光光源，白光幹涉光學系統中，採用中心波長為560nm的暖白光源。為減小曝光時間，選用功率為3w的led燈珠，並將燈珠固定在鋁基板上加裝散熱片。在燈珠的前方，安裝聚光透鏡，減小光源的發散性，使其出現平行光效果。
作為進一步優選，所述掃描方式，移相掃描採用五步移相方式，該方式既兼顧測量精度又提高了測量的效率；在白光掃描中，採用步長為70nm（八分之一波長）進行掃描。
作為進一步優選，選用的相機可採用usb3.0或千兆網接口，提高圖像的採集幀率。圖像採集模式採用軟觸發模式，確保採集到的圖像是當前狀態的實時圖像，而不存在任何的延時。
附圖說明
圖1為本發明裝置的實物示意圖；
圖2為本發明的光源部分的局部放大圖；
圖3為本發明的幹涉成像部分的局部圖；
圖4為本發明的軟體操控流程框架圖；
圖5為三維拼接流程圖；
圖中，相同的附圖標記用來表示相同的元件或結構，其中，1-光學抗震平臺、2-左右移動滑臺、3-掃描平臺、4-豎直移動平臺、5-樣品固定座、6-被測樣品、7-單色光源、8-白光光源、9-分光稜鏡a、10-分光稜鏡b、11-控制器、12-物鏡、13-參考平面鏡、14-三維鏡架、15-鏡座、16-相機、17-載物板、18-對焦滑臺。
具體實施方式
為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。此外，下面所描述的本發明各個實施方式中所涉及到的技術特徵只要彼此之間未構成衝突就可以相互組合。
本發明的實例涉及大範圍表面形貌測量的自動幹涉儀測量系統和算法，尤其涉及可實現大範圍、高速測量、精密表面形貌恢復的雙光源幹涉儀。圖1為按照本發明優選實施例的大口徑表面形貌測量幹涉系統的結構三維線框圖。如圖1所示，該幹涉儀系統整體安放在光學抗震平臺1之上，儀器的機械結構部分主要包括自動對焦幹涉成像模塊部分，光源切換合成與其控制部分，信號掃描和視場切換等機械系統部分，圖像數據處理部分。
具體而言，所述自動對焦幹涉成像模塊和光源切換合成模塊所有零件放置在載物板17上，載物板17固定在對焦滑臺18上實現前後移動。如圖3所示，幹涉成像模塊包括三維調整鏡架14，參考平面鏡13，物鏡12，鏡座15和相機16等。其中參考平面鏡13通過膠水黏貼在三維鏡架14上，物鏡12和相機16通過其各自的螺紋連接在鏡座15的前後。為保證參考平面鏡13能夠清晰成像，參考平面鏡13到物鏡12的距離應恰好等於其工作距離。參考平面鏡13到物鏡12的距離和傾斜角度可以通過三維鏡架14實現精密調整，調整完之後，幹涉成像模塊內的零件通過螺絲固定，各自的相對位置不在發生改變，只隨載物板17整體前後移動。因此，對焦滑臺18工作時，參考平面鏡13始終在相機16上清晰成像。
所述的光源切換合成模塊包含單色光源7，白光光源8，分光稜鏡a9和分光稜鏡b10。如圖2所示，其中分光鏡a9用於光源的合成，無論是單色光7點亮還是白光8點亮，都能將光照射到分光稜鏡b10的左側表面上。雖然該光源合成模塊損失了一半的光強，但是是最經濟、最簡單的方式。分光稜鏡b10中出射的光一半照射到被測樣品6上，一半照射到參考平面鏡13上。當被測樣品6和參考平面鏡13到物鏡12的光程小於光源的相干長度後，兩表面的反光就會形成幹涉信號成像在相機16靶面上。
所述的視場切換部分和掃描器件組成整體通過連接板固定在光學平臺上。該模塊包含豎直移動滑臺4，左右移動滑臺2，掃描平臺3，樣品固定座5和被測樣品6。被測樣品6通過螺母壓緊在樣品固定座5上，樣品固定座5放置在掃描平臺3上方。掃描平臺3選用壓電驅動平臺，可實現解析度為1nm的精密移動。豎直移動滑臺4和左右移動滑臺2用於控制被測物品的上下和左右移動。兩處的滑臺均採用五相步進電機和滾珠絲槓結構，可實現精度1um以下的移動。當檢測完一個表面後，啟動豎直移動滑臺4和左右移動滑臺2，將被測表面移動到下一個檢測區域。
圖4是按照本發明優選實施例的大口徑幹涉系統的軟體控制框架圖。使用常規的計算機搭配專業軟體，並利用相應的控制器11就能完成所有的功能。本發明基於拼接的幹涉檢測系統和算法，系統正常安裝好後，樣品測試包括以下步驟：
步驟1、系統初始化：被測樣品6安裝到樣品固定座5上後，用三側的螺釘夾緊被測樣品6。根據當前光學系統的放大倍率和解析度，設置相機圖像的長度和寬度尺寸，計算左右方向和豎直方向需要移動的次數。然後將通過左右移動滑臺2和豎直移動滑臺4將樣品移動到起始位置，掃描平臺3移動到掃描起始位置。
步驟2、信號查找：啟動對焦平臺18，開始前後移動，並用軟體觸發取圖。本系統的光路結構中，當被測樣品6表面清晰成像時剛好出現幹涉信號，所以可以利用圖像梯度值來判斷對焦滑臺移動的方向。當圖像梯度逐漸變大時，說明移動方向正確，當圖像梯度變小時，說明移動方向相反。在單色光幹涉系統中，可以利用捕捉到圖像的灰度均方差值來判斷幹涉信號的有無。當圖像無幹涉信號時，該均方差值基本不變；當圖像出現幹涉信號時，均方差值明顯變大。圖像均方差最大的位置，即幹涉信號最強的位置。在白光幹涉系統中，可以利用移動前後的兩幅圖各個像素點偏差值來分析當前是否存在幹涉信號。若當前無幹涉信號，在對焦滑臺移動前後，圖像不會有明顯變化；若當前存在幹涉信號，則對焦滑臺移動時，幹涉信號出現的區域就會有變化，兩幅圖就出現了明顯的不同。
步驟3、幹涉掃描：查找到幹涉信號後，啟動掃描平臺開始掃描。在單色光幹涉系統中，使用五步移相，每次步進八分之一波長，然後軟觸發取圖。在白光幹涉中，使用連續掃描方式，直至無幹涉信號為止。
步驟4、三維還原：在單色光幹涉系統中，利用採集到的五幅圖像，計算出每一個點的相位值。然後使用相位解纏還原出三維形貌。在白光幹涉系統中，利用空間頻域算法處理採集到的一系列圖像，計算出每個像素點的高度信息值。在計算過程中，因為每個像素點是獨立的，在軟體計算過程中可以使用並行處理，採用目前新興的cuda或opencl基於顯卡的並行加速方式，可以很快的得到計算結果。在三維還原時，我們還應該記錄每個像素點的幹涉信號強度值，該值有利於判斷三維還原的準確性，對後續的三維拼接也有重要作用。
步驟5、判斷是否需要拼接：如果初始化時左右滑臺移動或豎直滑臺移動次數大於1，則需要進行拼接處理。按照實際需求，控制滑臺移動，然後重複步驟2、3、4。直到所有表面計算完成。
步驟6、三維拼接：利用計算得到的測量表面的獨立三維形貌數據，進行三維拼接，具體步驟如圖5所示。先選取待拼接的兩幅圖，並提取出可能重疊區域。在單色光幹涉系統中，為防止幹涉信號影響拼接準確性，可以使用信號振幅的歸一化圖作為待拼接圖像進行拼接。利用相似度算法，查找出最佳匹配坐標。然後根據最佳匹配坐標提取出待拼接三維數據真正重疊區域，並對重疊區域各個點進行高度差計算，將高度差用最小二乘法擬合成平面並計算出歸一化高度差，然後將這個最佳差值補償到其中一組三維原始數據中，完成三維融合。
步驟7、完成測試：將拼接得到的三維數據以三維彩圖的形式顯示在軟體中，用戶還可以導出原始數據，便於後續的分析。
所述的三維形貌還原算法，通過光源切換合成模塊，自動對焦幹涉成像模塊和掃描器件配合完成。當被測樣品表面是連續變化的表面時，為了提高測試效率，我們可以選用單色光幹涉模式進行測量。將光源切換到單色光源點亮，查找到幹涉信號後使用五步移相法進行掃描。利用採集到的五幅連續幹涉圖，計算出每個像素點的相位，並利用相位解纏還原三維表面。當被測表面是非連續變化表面或臺階表面時，應選用白光幹涉模式進行測量。將光源切換到白光光源點亮，查找到幹涉信號並自動調整到掃描起始位置後，開始控制掃描平臺開始掃描。掃描完成後，使用空間頻域算法進行三維表面還原。
所述的三維拼接算法，具體流程分以下兩步:(1)首先選取需要拼接的圖像可能重疊部分，通過相似度算法計算出拼接點的每一行每一列坐標值，並在平面方向完成拼接。為使得該算法順利實施，需要控制兩維移動平臺每次的移動量，保證移動前後採集到的圖像有一定的重疊部分，重疊量可通過相機的實際視場和滑臺的移動量來控制，誤差可控制在幾個微米。（2）提取出真正重疊區域的三維數據，計算重疊各個點的高度差值，通過最小二乘法計算兩組三維數據的「最佳」高度落差，並將這個差值補償到其中一組三維數據中。高度差值計算過程中，應該剔除信號強度小於設定閾值的像素點。在單色光幹涉或白光幹涉三維形貌還原算法中，幹涉信號強度較小或無信號點被視為「壞點」。往往「壞點」的高度信息值是錯誤的，因此在三維高度差計算中，不應該考慮在內。
綜上，按照本發明的大口徑表面幹涉系統能夠高效的測量樣品表面的三維形貌，並利用得到的三維數據進行多項參數的評定。該幹涉系統兼具雷射幹涉和白光幹涉的優勢，具有精度高、範圍大、效率高、自動化程度高等特點。該系統橫向解析度最高可達0.5um，垂直測量範圍可達到10mm，垂直解析度0.1nm，垂直測量效率大約10um/s。測試表明其滿足大範圍高速的表面形貌測量要求，使得毫米級樣件的測量時間在幾分鐘以內，精度達到納米級。