CN104634272A - 一种基于单幅白光干涉图样的等高线与三维形貌再现的方法 - Google Patents

Abstract

一种基于白光干涉图样的等高线与三维形貌再现的方法，基于迈克尔孙干涉仪显微装置摄取的物体表面白光干涉条纹，在Multimedia ToolBook多媒体著作系统界面中输入白光干涉图样，设置一个用户可以拖曳的特征点、若干条折线，与每一条折线设置相应一个按钮，对每个按钮与特征点编制程序，用户拖曳特征点，点击相应等高线按钮，在按钮下方显示出折线的点个数，同时再现等高线；当用户选择完某一干涉条纹上的重要特征位置后，折线显示完毕，当所有干涉条纹上的重要特征位置后，所有折线显示完毕。利用相邻两条纹相应的高度差为半波长，当用户单击三维形貌按钮即可显现物体表面的三维形貌。

Description

一种基于单幅白光干涉图样的等高线与三维形貌再现的方法

技术领域

本发明属于一种三维形貌再现技术领域，更确切地说是一种基于白光干涉条纹，等高线与三维形貌再现的方法。

背景技术

随着精加工技术与表面测量技术的不断提高，三维表面再现显得越来越重要，本专利基于白光干涉条纹，编制计算机软件，再现某种颜色的干涉条纹，由此再现表面的三维形貌。

发明内容

本发明提供一种简易的直观的再现表面等高线与三维形貌的方法。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：基于迈克尔孙干涉仪显微装置摄取的物体表面白光干涉条纹，通过编制程序，只要拖曳红色的特征点，点击相应的等高线按钮，在按钮下方显示折线的点个数，同时再现等高线；在获得一系列等高线后，只要单击三维形貌按钮可获得物体表面的三维形貌。

上述方案中所述的等高线指的是基于迈克尔孙干涉仪显微装置获得零光程差附近的等厚干涉条纹，同一条纹对应于空气膜的厚度相同，故将同一条条纹上各特征点连成一折线称为等高线。

所述三维形貌就是指上述相应两等高线相对应的空气膜厚度为光波长的一半，通过平面上的等高线，再现物体表面的三维形貌。

所述光波长为可见光波长400～760nm。

所述迈克尔孙干涉仪指一束光通过与入射方向成45角的玻璃板后，在玻璃板后表面涂有半透射半反射薄膜，这束光在遇到半透射半反射薄膜后分为相互垂直的两束光，第一束光在半透射半反射薄膜处反射后再与第一个平面镜相遇反射，又到达半透射半反射薄膜处透射；第二束光在半透射半反射薄膜处透射后再与所测物体表面相遇而反射，又到达半透射半反射薄膜处反射。两束光都经历了两次反射后相遇，所测物体表面关于半透射半反射薄膜为镜面的像与第一个反射镜形成各处不同的微小角度，因此通过CCD获取等厚干涉条纹。

所述显微装置就是将干涉条纹本身与间距放大了数十倍，例如40倍。

本发明的发明人提出一种基于单幅白光干涉图样的等高线与三维形貌再现的方法，包括以下步骤：

步骤1：将由迈克尔孙干涉仪显微装置(如图1所示)摄取的物体表面白光干涉条纹输入至Multimedia ToolBook多媒体著作系统界面中，设置一个红色的特征点，对这个红色特征点编制程序后，在输入的图尺寸范围内可以拖曳，如果用户拖出图像范围则强制性地落在所输入图像尺寸范围内；

步骤2：设置若干条折线，分别取名为angledline1,angledline2,……，允许折线点有数十个点，用于显示等厚干涉条纹上有代表性的特征点位置，形成等高线；

步骤3：设置若干个按钮，每条等高线相应于一个按钮，在按钮的表面上写有“等高线1”,“等高线2”,……，每按一次按钮记录一下等厚干涉条纹上各代表性的特征点位置，并显示等高线；

步骤4：在每个等高线按钮下方设置显示域，目的在于显示折线点的个数，同时也增加人机交互性，用户可以清楚地知道选择了多少个有代表性的特征点位置；

步骤5：在做完等高线按钮与相应的显示域后，再设置“清除”按钮和“三维形貌”按钮。其中“清除”按钮目的在于将系统复位，将若干个等高线按钮下方的显示域显示为“0”，表示没有选择有代表性的特征点位置，同时将用于显示等高线的若干条折线隐藏起来；“三维形貌”按钮目的在于根据所显示的平面等高线，按照相邻两干涉条纹相应的空气薄膜厚度为光波长的一半原则，在二维平面内进行三维显示，从而清楚地再现物体表面三维形貌。

本发明的有益效果是：

基于单幅白光等厚干涉图样，可以方便地再现某种单色光形成的等厚干涉的等高线位置；基于等高线的位置，再现物体表面的三维形貌。操作简单，使用方便，经济价值可观。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明。

图1是本发明迈克尔孙干涉仪显微装置；

图2是本发明软件界面图；

图3是本发明三维形貌图；

在图1中，1.白光源，2.玻璃板(与入射光线成45度角)，3.半透射半反射薄膜，4.CCD，5.计算机，6.物体表面，7.补偿板，8.物体表面关于半透射半反射像，9.第一平面，10.白光干涉图样，11.特征点，12.等高线，13.等高线按钮，14.显示相应折线点个数的显示域，15.三维形貌按钮，16.信息提示按钮，17.清除按钮，18.三维形貌图。

具体实施方式

一种基于单幅白光干涉图样的等高线与三维形貌再现的方法，如图1所示，白光源(1)以45度角入射到玻璃板(2)上，分为两束光，这两束光的传播方向相互垂直，光线一经半透射半反射薄膜(3)后经第一平面镜(9)反射后折回，从半透射半反射薄膜(3)透过到达CCD(4)；光线二透过透射半反射薄膜(3)后经补偿板(7)和物体表面(6)反射后折回，再经过补偿板(7)，经半透射半反射薄膜(3)反射后到达CCD(4)，这两束光形成一定的光程差，形成图2中所示的白光干涉图样(10)。对于某一波长(λ)的光，在形成的干涉条纹中，相邻两条相应于空气膜的厚度为在Multimedia ToolBook多媒体著作工具界面中，插入白光干涉图样(10)，本发明的发明人提出一种基于单幅白光干涉图样的等高线与三维形貌再现的方法，包括以下步骤：

步骤1：设置一个红色的特征点(11)，对这个红色特征点编制程序，实现在读者状态在白光干涉图样区域范围内可以拖曳，如果用户将红色特征点拖出白光干涉图样区域，则回到白光干涉图样区域范围内；

步骤2：设置10条折线，分别取名为angledline1,angledline2,……angledline10，每条折线允许点数为20个(也可以是50个)，用于显示某一条等厚干涉条纹上有代表性的特征点位置，再现等高线(12)，折线的点越多再现的等高线越光滑；

步骤3：设置10个等高线按钮(13)，每条等高线(12)相应于一个按钮，在按钮的表面上写有“等高线1”,“等高线2”,……“等高线10”，单击等高线(12)按钮记录一下白光等厚干涉条纹上各代表性的特征点位置，并显示相应点的等高线(12)；其方法是，在Multimedia ToolBook坐标系统中，水平向右为x轴正方向，竖直方向向下为y轴正方向，每个像素长度和宽度均为15，第i条白光干涉条纹的第j个代表性的特征点坐标记为x[i][j]和y[i][j]，显示的折线各点坐标为x0+k*x[i][j]和y0+k*y[i][j]，式中x0和y0是坐标平移量，k为缩放倍数。如图2所示，从图2中不难估计出物体表面显现的缺陷，对于最下方第2条，凹陷 $\frac{623}{2}\×\frac{1}{3}=104\mathrm{nm}.$

步骤4：在每个等高线按钮(13)下方设置显示相应折线点个数的显示域(14)，目的在于增加人机交互性，用户可以清楚地知道选择了多少个有代表性的特征点位置；

步骤5：在做完等高线按钮(13)与相应的显示域(14)后，再设置“清除”按钮(17)、“三维形貌”按钮(15)和提示显示域(16)。其中“清除”按钮(17)目的在于将系统复位，将若干个等高线按钮下方的显示域(16)显示为“0”，表示没有选择有代表性的特征点位置，同时将用于显示等高线(12)的10条折射隐藏起来；“三维形貌”按钮(15)目的在于根据所显示的平面等高线(12)，按照相邻两干涉条纹相应的空气薄膜厚度为光波长的一半原则，在二维平面内进行三维显示，从而清楚地再现物体表面三维形貌。其方法是，读出各等高线(12)上各点的坐标，以二维平面显示物体表面的三维形貌，各折线上每个点坐标都相应地修改为x0+k*x[i][j]-k1*0.707*y[i][j]和y0+k1*0.707*y[i][j]-(10-i)*Lambda/2，式中k1取黄金分割法的0.618或者其他比例系系数，Lambda取62，与红色光波长成正比。如图3所示，将图2中二维等高线变成三维等高线。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案，做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (7)

1.一种基于白光干涉图样的等高线与三维形貌再现的方法。其特征是：基于迈克尔孙干涉仪显微装置摄取的物体表面白光干涉条纹，通过编制程序，只要拖曳红色的特征点，点击相应的等高线按钮，在按钮下方显示折线的点个数，同时再现等高线；在获得一系列等高线后，只要单击三维形貌按钮可获得物体表面的三维形貌。

2.根据权利要求1所述的等高线指的是基于迈克尔孙干涉仪显微装置获得零光程差附近的等厚干涉条纹，同一条纹对应于空气膜的厚度相同，故将同一条条纹上各特征点连成一折线称为等高线。

3.根据权利要求1所述的三维形貌就是指上述相应两等高线相对应的空气膜厚度为光波长的一半，通过平面上的等高线，再现物体表面的三维形貌。

4.根据权利要求1所述的迈克尔孙干涉仪指一束光通过与入射方向成45角的玻璃板后，在玻璃板后表面涂有半透射半反射薄膜，这束光在遇到半透射半反射薄膜后分为相互垂直的两束光，第一束光在半透射半反射薄膜处反射后再与第一个平面镜相遇反射，又到达半透射半反射薄膜处透射；第二束光在半透射半反射薄膜处透射后再与所测物体表面相遇而反射，又到达半透射半反射薄膜处反射。两束光都经历了两次反射后相遇，所测物体表面关于半透射半反射薄膜为镜面的像与第一个反射镜形成各处不同的微小角度，通过CCD获取等厚干涉条纹。

5.根据权利要求1所述的将由迈克尔孙干涉仪显微装置摄取的物体表面白光干涉条纹，输入至Multimedia ToolBook多媒体著作系统界面中，设置一个可以拖曳的特征点，这个特征点可以在输入的图尺寸范围内拖曳，如果用户拖出所输入的图像范围则强制性地落在所输入图像尺寸范围内。

6.根据权利要求1所述的等高线具体是若干条折线，每一条折线相应于一条等高线，每一条折线包括数十个点，数十个点连线形成等高线，点的个数可以任意，点数越多则折线越光滑；每条等高线相应一个按钮，每按一次按钮记录一下等厚干涉条纹上各重要的特征点位置，并显示各重要的特征点位置形成等高线；在每个等高线按钮下方设置显示域，显示相应折线点的个数，提示用户已选择了多少个重要的特征点位置。

7.根据权利要求1所述的再现三维形貌具体是在做完等高线按钮与相应的显示域后，包括设置“清除”按钮和“三维形貌”按钮。其中“清除”按钮将系统复位，将若干个等高线按钮下方的显示域显示为“0”，同时将用于显示等高线的若干条折线隐藏起来；“三维形貌”按钮就是根据所显示的平面等高线，按照相邻两干涉条纹相应的空气薄膜厚度为光波长的一半原则，在二维平面内进行三维显示，再现物体表面三维形貌。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。利用二维干涉图样再现三维物体表面形貌，均属于本发明技术方案保护的范围内。