CN106247980A - 基于白光干涉彩色条纹处理的多波长相移干涉测量方法 - Google Patents

Abstract

一种基于白光干涉彩色条纹处理的多波长相移干涉测量方法：对白光干涉测试系统初始化，选择硅片作为被测物体；调节被测物体在可视范围内的光路上的位置，在扫描范围内对被测物体进行垂直扫描，保存图像；利用MATLAB软件对图像进行Bayer反变换，得到真实的彩色图像信息；求解彩色图像三通道R、G、B的中心波长；重新调节被测物体在光路上的位置，使被测物体置于聚焦点处，采集并保存七幅不同相位处的白光干涉彩色图像，利用7步相移法准确求解相位信息；利用等效波长法得到物体高度的初步估计，再用条纹级次法精确求解物体的高度信息，得到物体表面三维形貌。本发明一次测量实现多波长相移干涉，减小测量过程受外界环境影响的程度，提高测量精度。

Description

基于白光干涉彩色条纹处理的多波长相移干涉测量方法

技术领域

本发明涉及一种多波长相移干涉测量方法。特别是涉及一种基于白光干涉彩色条纹处理的多波长相移干涉测量方法。

背景技术

白光干涉测量技术是一种重要的测量方法，具有非接触、测量速度快、范围大、精度高等优点，在超精密加工器件、MEMS元器件、生物细胞组织等微结构形貌测量领域得到广泛应用。白光干涉选用具有宽光谱的白光作为照明装置，所有波长的光进行干涉的非相干叠加，视场出现彩色条纹。利用CCD彩色相机获得图像的三维信息，即可得到三个通道R、G、B的信息。

基于白光干涉测量技术的广泛应用性，提高该方法的测量精度成为研究的重点。Pawlowski等利用3-CCD彩色相机获取的白光干涉图像中的R、G通道的信息得到物体表面形貌；Ma等利用加窗傅里叶变换的方法，对彩色相机采集得到的三通道R、B、G图像进行分析，得到MEMS元器件表面形貌；相较于利用棱镜分光实现彩色图像获取的3-CCD彩色相机，单CCD彩色相机通过Bayer滤波得到彩色图像的方法具有更低廉的成本，Buchta等验证了利用单CCD彩色相机采集白光干涉图像获得物体三维形貌的可行性。

虽然单色光相移干涉法具有较高的测量精度，但其具有要求被测物体表面高度变化不超过四分之一波长的局限性。为了扩大相移干涉法的测量范围，需采用多波长的相移干涉法。但传统的多波长相移干涉法需用多个单色光光源进行照明，加大了系统的复杂性，且成本昂贵。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够提高测量效率，降低测量成本，减小测量过程中受外界影响程度的基于白光干涉彩色条纹处理的多波长相移干涉测量方法。

本发明所采用的技术方案是：一种基于白光干涉彩色条纹处理的多波长相移干涉测量方法，包括如下步骤：

1)对白光干涉测试系统初始化，设置图像尺寸、扫描范围、步距，选择硅片作为被测物体；

2)调节被测物体在可视范围内的光路上的位置，在扫描范围内对被测物体进行垂直扫描，采集并保存图像；

3)利用MATLAB软件对图像进行Bayer反变换，得到真实的彩色图像信息；

4)分别求解所述彩色图像三通道R、G、B的中心波长；

5)重新调节被测物体在光路上的位置，使被测物体置于聚焦点处，这时测量视场充满干涉条纹，采集并保存相移间距为λ_G/7的七幅不同相位处的白光干涉彩色图像，利用7步相移法准确求解相位信息φ_R，φ_G，φ_B；

6)利用等效波长法得到物体高度的初步估计，再用条纹级次法精确求解物体的高度信息，得到物体表面三维形貌。

步骤4)包括：

(1)分别提取三通道R、G、B的平均光强变化曲线；

(2)对所述平均光强变化曲线进行连续小波变换；

(3)设置评价步长，分别对三通道R、G、B数据搜索最大相关时的尺度因子；

(4)通过评价步长和尺度因子计算三通道R、G、B的中心波长。

步骤5)所述的7步相移法的公式为：

${\mathrm{\φ}}_m=arctan\left(\frac{3I_{m3}+I_{m7}-I_{m1}-3I_{m5}}{4I_{m4}-2I_{m2}-2I_{m6}}\right)$

其中，m表示三通道R、G、B的任一通道，I_m1，I_m2，…，I_m7为采集的七幅白光干涉彩色图像在同一像素点处的通道R或G或B的光强值。

步骤6)包括：

(1)确定等效波长λ_eq，

λ_eq＝λ_eq1λ_eq2/(λ_eq1-λ_eq2)，其中，λ_eq1＝λ_Rλ_G/(λ_R-λ_G)；λ_eq2＝λ_Gλ_B/(λ_G-λ_B)，

其中，λ_R、λ_G和λ_B分别为三通道R、G、B的中心波长；

(2)确定相位差△φ，

△φ＝△φ₁–△φ₂，其中，△φ₁＝φ_R–φ_G；△φ₂＝φ_G–φ_B，

其中φ_R、φ_G和φ_B分别为三通道R、G、B的相位；

(3)根据等效波长λ_eq和相位差△φ得到物体高度的初步估计h_co_arse：

$h_{coarse}=\frac{{\mathrm{\λ}}_{eq}}{2}\·\frac{\mathrm{\Δ}\mathrm{\φ}}{2\mathrm{\π}};$

(4)进而确定相位φ_G所包裹的条纹周期数N_G：

$N_G=round\left(\frac{2h_{coarse}}{{\mathrm{\λ}}_G}\right);$

(5)得到物体精确的高度信息h_fine：

$h_{fine}=(N_G+f_G)\·\frac{{\mathrm{\λ}}_G}{2}$

其中，f_G由下述公式求得：

$f_G=\frac{{\mathrm{\φ}}_G}{2\mathrm{\π}}.$

本发明的基于白光干涉彩色条纹处理的多波长相移干涉测量方法，利用CCD彩色相机采集白光干涉彩色图像，相对于传统的多波长相移干涉方法，一次测量即可实现多波长相移干涉，既简化了测试系统，又缩短了采集数据的时间，提高测量效率，通过一次测量即可实现多波长相移干涉，减小了测量过程受外界环境影响的程度，提高测量精度。

附图说明

图1是本发明基于白光干涉彩色条纹处理的多波长相移干涉测量方法的流程图；

图2是利用连续小波变换法提取三通道R、G、B的中心波长的流程图；

图3是图像中任一像素点的三通道R、G、B的光强分布曲线；

图4是白光干涉测试系统的结构示意图。

图中

1：卤素灯 2：Zeiss光学显微镜

3：干涉物镜 4：物镜纳米定位器

5：压电控制器 6：CCD彩色相机

7：图像采集卡 8：计算机

9：样品 10：实验台

11：白平衡滤光片

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的基于白光干涉彩色条纹处理的多波长相移干涉测量方法做出详细说明。

本发明的基于白光干涉彩色条纹处理的多波长相移干涉测量方法，可实现微结构表面形貌的测量。本发明的方法是采用如图4所示的白光干涉测试系统进行的，包括成像模块、扫描模块、图像采集模块和程序模块。成像模块是基于Zeiss光学显微镜搭建，物镜采用日本Nikon公司的Michelson型或Mirau型显微干涉物镜，物镜内部集成干涉仪；照明光源选用具有宽光谱特性的卤素灯，其光谱具有近似呈高斯分布的特点；在光源处加入白平衡滤光片，提高CCD采集信号的利用率。扫描模块利用德国PI公司的压电控制器(E-509.C1A)和纳米定位器(PIP-721.CL)实现定位扫描。图像采集模块包括CCD彩色相机(avA1600-65kc)和NI公司的PCI-1428图像采集卡。

本发明利用CCD彩色相机采集白光干涉彩色图像，得到图像的三维信息，即可得到R、G、B三个通道的信息。利用三通道R、G、B的信息，通过一次测量即可实现多波长相移干涉。本发明的方法可以有效提高测量效率，降低测量成本，减小测量过程中受外界影响的程度。

本发明的基于白光干涉彩色条纹处理的多波长相移干涉测量方法，如图1所示，包括如下步骤：

1)对白光干涉测试系统初始化，使系统工作在白光垂直扫描干涉模式下，设置图像尺寸、扫描范围、步距等参数，选择硅片作为被测物体；

2)调节被测物体在可视范围内的光路上的位置，在扫描范围内对被测物体进行垂直扫描，采集并保存图像；

3)利用MATLAB软件对图像进行Bayer反变换，得到真实的彩色图像信息，所述的真实的彩色图像信息包含三通道R、G、B的信息；

4)分别求解所述彩色图像三通道R、G、B的中心波长，如图3所示，包括：

(1)分别提取三通道R、G、B的平均光强变化曲线；

(2)对所述平均光强变化曲线进行连续小波变换；

(3)设置评价步长，本实施例设评价步长为0.1nm，分别对三通道R、G、B数据搜索最大相关时的尺度因子；

(4)通过评价步长和尺度因子计算三通道R、G、B的中心波长。

5)重新调节被测物体在光路上的位置，使被测物体置于聚焦点处，这时测量视场充满干涉条纹，采集并保存相移间距为λ_G/7的七幅不同相位处的白光干涉彩色图像，利用7步相移法准确求解相位信息φ_R，φ_G，φ_B。其中，所述7步相移法的公式为：

${\mathrm{\φ}}_m=arctan\left(\frac{3I_{m3}+I_{m7}-I_{m1}-3I_{m5}}{4I_{m4}-2I_{m2}-2I_{m6}}\right)$

其中，m表示三通道R、G、B的任一通道，I_m1，I_m2，…，I_m7为采集的七幅白光干涉彩色图像在同一像素点处的通道R或G或B的光强值。

6)利用等效波长法得到物体高度的初步估计，再用条纹级次法精确求解物体的高度信息，得到物体表面三维形貌。步骤6)包括：

(1)确定等效波长λ_eq，

λ_eq＝λ_eq1λ_eq2/(λ_eq1-λ_eq2)，其中，λ_eq1＝λ_Rλ_G/(λ_R-λ_G)；λ_eq2＝λ_Gλ_B/(λ_G-λ_B)，

其中，λ_R、λ_G和λ_B分别为三通道R、G、B的中心波长；

(2)确定相位差△φ，

△φ＝△φ₁–△φ₂，其中，△φ₁＝φ_R–φ_G；△φ₂＝φ_G–φ_B，

其中φ_R、φ_G和φ_B分别为三通道R、G、B的相位；

(3)根据等效波长λ_eq和相位差△φ得到物体高度的初步估计h_coarse：

$h_{coarse}=\frac{{\mathrm{\λ}}_{eq}}{2}\·\frac{\mathrm{\Δ}\mathrm{\φ}}{2\mathrm{\π}};$

(4)进而确定相位φ_G所包裹的条纹周期数N_G：

$N_G=round\left(\frac{2h_{coarse}}{{\mathrm{\λ}}_G}\right);$

(5)得到物体精确的高度信息h_fine：

$h_{fine}=(N_G+f_G)\·\frac{{\mathrm{\λ}}_G}{2}$

其中，f_G由下述公式求得：

$f_G=\frac{{\mathrm{\φ}}_G}{2\mathrm{\π}}.$

Claims (4)

1.一种基于白光干涉彩色条纹处理的多波长相移干涉测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)对白光干涉测试系统初始化，设置图像尺寸、扫描范围、步距，选择硅片作为被测物体；

2)调节被测物体在可视范围内的光路上的位置，在扫描范围内对被测物体进行垂直扫描，采集并保存图像；

3)利用MATLAB软件对图像进行Bayer反变换，得到真实的彩色图像信息；

4)分别求解所述彩色图像三通道R、G、B的中心波长；

5)重新调节被测物体在光路上的位置，使被测物体置于聚焦点处，这时测量视场充满干涉条纹，采集并保存相移间距为λ_G/7的七幅不同相位处的白光干涉彩色图像，利用7步相移法准确求解相位信息φ_R，φ_G，φ_B；

6)利用等效波长法得到物体高度的初步估计，再用条纹级次法精确求解物体的高度信息，得到物体表面三维形貌。

2.根据权利要求1所述的基于白光干涉彩色条纹处理的多波长相移干涉测量方法，其特征在于，步骤4)包括：

(1)分别提取三通道R、G、B的平均光强变化曲线；

(2)对所述平均光强变化曲线进行连续小波变换；

(3)设置评价步长，分别对三通道R、G、B数据搜索最大相关时的尺度因子；

(4)通过评价步长和尺度因子计算三通道R、G、B的中心波长。

3.根据权利要求1所述的基于白光干涉彩色条纹处理的多波长相移干涉测量方法，其特征在于，步骤5)所述的7步相移法的公式为：

${\mathrm{\φ}}_m=\arctan \left(\frac{3I_{m3}+I_{m7}-I_{m1}-3I_{m5}}{4I_{m4}-2I_{m2}-2I_{m6}}\right)$

其中，m表示三通道R、G、B的任一通道，I_m1，I_m2，…，I_m7为采集的七幅白光干涉彩色图像在同一像素点处的通道R或G或B的光强值。

4.根据权利要求1所述的基于白光干涉彩色条纹处理的多波长相移干涉测量方法，其特征在于，步骤6)包括：

(1)确定等效波长λ_eq，

λ_eq＝λ_eq1λ_eq2/(λ_eq1-λ_eq2)，其中，λ_eq1＝λ_Rλ_G/(λ_R-λ_G)；λ_eq2＝λ_Gλ_B/(λ_G-λ_B)，

其中，λ_R、λ_G和λ_B分别为三通道R、G、B的中心波长；

(2)确定相位差Δφ，

Δφ＝Δφ₁–Δφ₂，其中，Δφ₁＝φ_R–φ_G；Δφ₂＝φ_G–φ_B，

其中φ_R、φ_G和φ_B分别为三通道R、G、B的相位；

(3)根据等效波长λ_eq和相位差Δφ得到物体高度的初步估计h_coarse：

$h_{coarse}=\frac{{\mathrm{\λ}}_{eq}}{2}\·\frac{\mathrm{\Δ}\mathrm{\φ}}{2\mathrm{\π}};$

(4)进而确定相位φ_G所包裹的条纹周期数N_G：

$N_G=round\left(\frac{2h_{coarse}}{{\mathrm{\λ}}_G}\right);$

(5)得到物体精确的高度信息h_fine：

$h_{fine}=(N_G+f_G)\·\frac{{\mathrm{\λ}}_G}{2}$

其中，f_G由下述公式求得：

$f_G=\frac{{\mathrm{\φ}}_G}{2\mathrm{\π}}.$