CN107144237A - 基于三维拼接的大口径干涉测量系统和算法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于三维拼接的大口径干涉测量系统，采用迈克尔逊干涉系统并搭配超长工作距离的物镜和相机，其特征在于：利用步进电机实现干涉信号自动查找，压电陶瓷实现信号扫描，计算机对采集到的图像进行分析并实现测量，单个视场测量完成后，系统控制X轴和Y轴工作台移动，测量下一个视场，多个视场的测量结果用三维拼接算法拼接，得到大口径范围的测量结果。在原先常规干涉仪系统中，采用单色光和白光切换的方式实现单色光干涉和白光干涉，利用其各自的优缺点来合理的选择测量方案。同时，在检测样品部位添加两维自动移动平台，实现被测区域的自由切换和实时拼接等。

Description

基于三维拼接的大口径干涉测量系统和算法

技术领域

本发明属于高精密三维形貌测量领域，更具体地，涉及一种适用于大尺寸表面形貌测量的干涉系统。

背景技术

表面三维微观形貌测量方法可分为两类：接触式和非接触式。接触式测量方法的代表产品是触针式轮廓仪。当前，国内外广泛应用的触针式粗糙度测量仪器是用一个尖端半径很小的触针压在被测表面上作横移扫描，触针跟随表面微观轮廓的形状作垂直位移，可以说是最大可能地再现了工件的表面状况。然而这种测量方法有很大的缺陷，测量精度较低、容易划伤被测表面，测量速度慢、实现在线检测困难。近年来，国内外对具有快速、非破坏性、可在线测量特征的非接触式检测技术的研究十分活跃，主要依靠光学、电磁波和图像处理等技术手段实现表面微观轮廓的非接触测量,非接触式的表面三维微观轮廓检测技术有采用微波技术、超声技术及电场技术的尝试，但绝大部分是采用光学测量技术, 其最显著的特点是将传统光学计量技术与信息光学和信息处理技术相结合。目前，已经研究出的表面三维微观轮廓的光学测量技术主要有：光学外差干涉法、正弦相位调制干涉法、共焦显微法、相移干涉法，白光扫描法等。

与其他方法相比，光学测量方法有许多其它方法无法比拟的优点：精度高，达到几纳米；测量速度相对较快；测量范围大，从 10nm 到 100μm；可同时获得成像面内的所有数据；几乎可用于所有材料的表面测量。

光学测量方法也有一些内在的缺点。对所有的光学方法来说，纵向分率较高，但由于存在衍射受限和系统的横向分辨率由物镜孔径决定的限制，横向分辨率只能达到微米级，其评定出的表面参数常常和其它类型仪器的测量结果有一定差别。其次，现有的干涉显微仪器测量表面形貌时受光学系统和相机靶面的视场限制，水平测量范围很小，无法满足大口径尺寸表面形貌的测量。另外，高精度三维形貌测量系统操作相对复杂，自动化程度不高，需要操作人员有良好的专业技能。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种适用于大范围表面形貌测量的自动干涉仪测量系统和算法。在原先常规干涉仪系统中，采用单色光和白光切换的方式实现单色光干涉和白光干涉，利用其各自的优缺点来合理的选择测量方案。同时，在检测样品部位添加两维自动移动平台，实现被测区域的自由切换和实时拼接等。本发明提出的自动对焦，信号扫描和三维拼接等过程通过软件控制，克服现有技术缺陷的同时还大大提高了测试效率和测试的便捷性，同时也具备结构紧凑、高精度和低成本等优点。

为实现上述目的，本发明，提供了一种适用于大口径表面形貌测量的双光源干涉仪，其特征在于，该干涉仪采用迈克尔逊干涉系统并搭配超长工作距离的物镜和相机。利用步进电机实现干涉信号自动查找，压电陶瓷实现信号扫描，计算机对采集到的图像进行分析并实现测量。单个视场测量完成后，系统控制X轴和Y轴工作台移动，测量下一个视场，多个视场的测量结果用三维拼接算法拼接，得到大口径范围的测量结果，其中：

所述双光源干涉仪系统主要包括四大部分：1. 自动对焦干涉成像模块部分，2.光源切换合成与其控制部分，3.信号扫描和视场切换等机械系统部分，4.图像数据处理部分。其中干涉成像模块部分通过参考平面镜，分光棱镜，长工作距离物镜和相机等部件的性能和参数决定各自的机械位置并实现成像功能。其中干涉成像模块和光源切换模块组成一个整体放置在滑台上，通过滑台前后移动来实现干涉信号查找，利用两维滑台实现被测件的X和Y方向的平移。被测样品通过机械件固定在精密扫描器件上，利用计算机控制器件的精密位移实现信号扫面并实时记录图像，还原三维数据结果。

所述的干涉系统中，参考镜，分光棱镜，长工作距离物镜，相机之间的距离都保持固定，无论是被测件扫描过程，对焦过程，被测物移动过程中，参考镜这一光路相互位置都保持固定不动，参考镜始终处于清晰成像状态。

所述的自动对焦部分，通过精密滑台，驱动器，电路控制器和软件算法实现功能。滑台采用五相步进电机和滚珠丝杠结构，可实现微米量级的精密移动。软件通过实时采集当前样品的成像状况，并分析当前位置是否存在干涉信号来实现对焦功能。

所述的光源切换合成部分，包含分光棱镜，单色LED光源，白光LED光源及其电路驱动和控制部分。LED驱动采用电流驱动方式，利用精密的恒流设计和LED的良好散热来保证LED的亮度稳定。控制电路可实现每个光源的单独亮灭，在同一套光学系统中实现单色光干涉和白光干涉功能。针对连续变化的表面，可采用单色光干涉系统，对于台阶状变化的表面，采用白光干涉系统。

所述的信号扫描系统采用闭环控制的压电陶瓷位移台，该器件可实现100um以上的扫描范围，扫描精度可达1nm，压电陶瓷的精密控制是保证计算精度的首要前提。通过电压的控制，推动被测件在成像方向的连续移动实现信号扫描。根据不同使用环境，采用不同的扫描方式。在单色光干涉系统中，采用相移干涉法；在白光干涉系统中，采用连续扫描干涉法。

所述的三维形貌还原算法包含两个部分，在单色光干涉中控制压电陶瓷移相并由相机记录当前的信号图像，通过采集到的若干幅干涉信号图来计算被测物体各个像素的相位值，然后利用相位解缠还原得到三维图像。在白光干涉系统中，采用压电陶瓷扫描方式，连续采集上百幅图像，通过空间频域算法计算出三维形貌。在三维计算过程中，需要保证采集到的图像包含有效的干涉信号，可通过图像直接计算出各像素点的信号强度值，并控制有效像素在整个视场的比例是否满足计算需求。

所述的三维拼接算法，包含了两个过程。首先选取需要拼接的图像可能重叠部分，通过相似度算法计算出拼接点的每一行每一列坐标值，并在平面方向完成拼接。然后提取出真正重叠区域的三维数据，计算重叠部分各个点的高度差值，通过最小二乘法计算两组三维数据的“最佳”高度落差，并将这个差值补偿到其中一组三维数据中。为使得该算法顺利实施，需要控制两维移动平台每次的移动量，保证移动前后采集到的图像有一定的重叠部分，重叠量可通过相机的实际视场和滑台的移动量来控制，误差可控制在几个微米。

所述的三维拼接中，高度差值计算过程中，应该剔除信号强度小于设定阈值的像素点。在单色光干涉或白光干涉三维形貌还原算法中，信号强度较小或无信号点被视为“坏点”。往往“坏点”的高度信息值是错误的，因此在三维高度差计算中，不应该考虑在内。

所述的白光干涉三维还原算法中，因为每个像素点的信号是完全独立的，因此可采用并行运算算法。目前可选OpenCL或CUDA利用计算机的独立显卡来实现并行运算加速。该算法可大大提到计算速度，从原本的几十秒减少到1秒左右。

作为进一步优选，整个系统放置在光学隔震平台上，可以杜绝外接震动对整个光路系统的影响。系统内部的各个连接处，都用合理的机械结构紧密固定，保证这个系统的稳定性和刚性。

作为进一步优选，所述的长工作距离物镜，需适用于单色光干涉和白光干涉系统，应选复消色差物镜。物镜前方需放置分光棱镜，为避免安装零件的冲突，此物镜的工作距离因保证在20mm以上。根据测量面型的需求，市面上可选的物镜有2X，5X，10X，20X等。分光棱镜采用50%:50%均分，四个表面镀波长为400nm-700nm介质增透膜，以通用白光和单色光。

作为进一步优选，所述单色光干涉系统中的单色光源，可采用波长为635nm的红光光源，白光干涉光学系统中，采用中心波长为560nm的暖白光源。为减小曝光时间，选用功率为3W的LED灯珠，并将灯珠固定在铝基板上加装散热片。在灯珠的前方，安装聚光透镜，减小光源的发散性，使其出现平行光效果。

作为进一步优选，所述扫描方式，移相扫描采用五步移相方式，该方式既兼顾测量精度又提高了测量的效率；在白光扫描中，采用步长为70nm（八分之一波长）进行扫描。

作为进一步优选，选用的相机可采用USB3.0或千兆网接口，提高图像的采集帧率。图像采集模式采用软触发模式，确保采集到的图像是当前状态的实时图像，而不存在任何的延时。

附图说明

图1为本发明装置的实物示意图；

图2为本发明的光源部分的局部放大图；

图3为本发明的干涉成像部分的局部图；

图4为本发明的软件操控流程框架图；

图5为三维拼接流程图；

图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中，1-光学抗震平台、2-左右移动滑台、3-扫描平台、4-竖直移动平台、5-样品固定座、6-被测样品、7-单色光源、8-白光光源、9-分光棱镜A、10-分光棱镜B、11-控制器、12-物镜、13-参考平面镜、14-三维镜架、15-镜座、16-相机、17-载物板、18-对焦滑台。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明的实例涉及大范围表面形貌测量的自动干涉仪测量系统和算法，尤其涉及可实现大范围、高速测量、精密表面形貌恢复的双光源干涉仪。图1为按照本发明优选实施例的大口径表面形貌测量干涉系统的结构三维线框图。如图1所示，该干涉仪系统整体安放在光学抗震平台1之上，仪器的机械结构部分主要包括自动对焦干涉成像模块部分，光源切换合成与其控制部分，信号扫描和视场切换等机械系统部分，图像数据处理部分。

具体而言，所述自动对焦干涉成像模块和光源切换合成模块所有零件放置在载物板17上，载物板17固定在对焦滑台18上实现前后移动。如图3所示，干涉成像模块包括三维调整镜架14，参考平面镜13，物镜12，镜座15和相机16等。其中参考平面镜13通过胶水黏贴在三维镜架14上，物镜12和相机16通过其各自的螺纹连接在镜座15的前后。为保证参考平面镜13能够清晰成像，参考平面镜13到物镜12的距离应恰好等于其工作距离。参考平面镜13到物镜12的距离和倾斜角度可以通过三维镜架14实现精密调整，调整完之后，干涉成像模块内的零件通过螺丝固定，各自的相对位置不在发生改变，只随载物板17整体前后移动。因此，对焦滑台18工作时，参考平面镜13始终在相机16上清晰成像。

所述的光源切换合成模块包含单色光源7，白光光源8，分光棱镜A 9和分光棱镜B10。如图2所示，其中分光镜A 9用于光源的合成，无论是单色光7点亮还是白光8点亮，都能将光照射到分光棱镜B 10的左侧表面上。虽然该光源合成模块损失了一半的光强，但是是最经济、最简单的方式。分光棱镜B 10中出射的光一半照射到被测样品6上，一半照射到参考平面镜13上。当被测样品6和参考平面镜13到物镜12的光程小于光源的相干长度后，两表面的反光就会形成干涉信号成像在相机16靶面上。

所述的视场切换部分和扫描器件组成整体通过连接板固定在光学平台上。该模块包含竖直移动滑台4，左右移动滑台2，扫描平台3，样品固定座5和被测样品6。被测样品6通过螺母压紧在样品固定座5上，样品固定座5放置在扫描平台3上方。扫描平台3选用压电驱动平台，可实现分辨率为1nm的精密移动。竖直移动滑台4和左右移动滑台2用于控制被测物品的上下和左右移动。两处的滑台均采用五相步进电机和滚珠丝杠结构，可实现精度1um以下的移动。当检测完一个表面后，启动竖直移动滑台4和左右移动滑台2，将被测表面移动到下一个检测区域。

图4是按照本发明优选实施例的大口径干涉系统的软件控制框架图。使用常规的计算机搭配专业软件，并利用相应的控制器11就能完成所有的功能。本发明基于拼接的干涉检测系统和算法，系统正常安装好后，样品测试包括以下步骤 ：

步骤 1、系统初始化：被测样品6安装到样品固定座5上后，用三侧的螺钉夹紧被测样品6。根据当前光学系统的放大倍率和分辨率，设置相机图像的长度和宽度尺寸，计算左右方向和竖直方向需要移动的次数。然后将通过左右移动滑台2和竖直移动滑台4将样品移动到起始位置，扫描平台3移动到扫描起始位置。

步骤 2、信号查找：启动对焦平台18，开始前后移动，并用软件触发取图。本系统的光路结构中，当被测样品6表面清晰成像时刚好出现干涉信号，所以可以利用图像梯度值来判断对焦滑台移动的方向。当图像梯度逐渐变大时，说明移动方向正确，当图像梯度变小时，说明移动方向相反。在单色光干涉系统中，可以利用捕捉到图像的灰度均方差值来判断干涉信号的有无。当图像无干涉信号时，该均方差值基本不变；当图像出现干涉信号时，均方差值明显变大。图像均方差最大的位置，即干涉信号最强的位置。在白光干涉系统中，可以利用移动前后的两幅图各个像素点偏差值来分析当前是否存在干涉信号。若当前无干涉信号，在对焦滑台移动前后，图像不会有明显变化；若当前存在干涉信号，则对焦滑台移动时，干涉信号出现的区域就会有变化，两幅图就出现了明显的不同。

步骤3、干涉扫描：查找到干涉信号后，启动扫描平台开始扫描。在单色光干涉系统中，使用五步移相，每次步进八分之一波长，然后软触发取图。在白光干涉中，使用连续扫描方式，直至无干涉信号为止。

步骤4、三维还原：在单色光干涉系统中，利用采集到的五幅图像，计算出每一个点的相位值。然后使用相位解缠还原出三维形貌。在白光干涉系统中，利用空间频域算法处理采集到的一系列图像，计算出每个像素点的高度信息值。在计算过程中，因为每个像素点是独立的，在软件计算过程中可以使用并行处理，采用目前新兴的CUDA或OpenCL基于显卡的并行加速方式，可以很快的得到计算结果。在三维还原时，我们还应该记录每个像素点的干涉信号强度值，该值有利于判断三维还原的准确性，对后续的三维拼接也有重要作用。

步骤5、判断是否需要拼接：如果初始化时左右滑台移动或竖直滑台移动次数大于1，则需要进行拼接处理。按照实际需求，控制滑台移动，然后重复步骤2、3、4。直到所有表面计算完成。

步骤6、三维拼接：利用计算得到的测量表面的独立三维形貌数据，进行三维拼接，具体步骤如图5所示。先选取待拼接的两幅图，并提取出可能重叠区域。在单色光干涉系统中，为防止干涉信号影响拼接准确性，可以使用信号振幅的归一化图作为待拼接图像进行拼接。利用相似度算法，查找出最佳匹配坐标。然后根据最佳匹配坐标提取出待拼接三维数据真正重叠区域，并对重叠区域各个点进行高度差计算，将高度差用最小二乘法拟合成平面并计算出归一化高度差，然后将这个最佳差值补偿到其中一组三维原始数据中，完成三维融合。

步骤7、完成测试：将拼接得到的三维数据以三维彩图的形式显示在软件中，用户还可以导出原始数据，便于后续的分析。

所述的三维形貌还原算法，通过光源切换合成模块，自动对焦干涉成像模块和扫描器件配合完成。当被测样品表面是连续变化的表面时，为了提高测试效率，我们可以选用单色光干涉模式进行测量。将光源切换到单色光源点亮，查找到干涉信号后使用五步移相法进行扫描。利用采集到的五幅连续干涉图，计算出每个像素点的相位，并利用相位解缠还原三维表面。当被测表面是非连续变化表面或台阶表面时，应选用白光干涉模式进行测量。将光源切换到白光光源点亮，查找到干涉信号并自动调整到扫描起始位置后，开始控制扫描平台开始扫描。扫描完成后，使用空间频域算法进行三维表面还原。

所述的三维拼接算法，具体流程分以下两步:(1)首先选取需要拼接的图像可能重叠部分，通过相似度算法计算出拼接点的每一行每一列坐标值，并在平面方向完成拼接。为使得该算法顺利实施，需要控制两维移动平台每次的移动量，保证移动前后采集到的图像有一定的重叠部分，重叠量可通过相机的实际视场和滑台的移动量来控制，误差可控制在几个微米。（2）提取出真正重叠区域的三维数据，计算重叠各个点的高度差值，通过最小二乘法计算两组三维数据的“最佳”高度落差，并将这个差值补偿到其中一组三维数据中。高度差值计算过程中，应该剔除信号强度小于设定阈值的像素点。在单色光干涉或白光干涉三维形貌还原算法中，干涉信号强度较小或无信号点被视为“坏点”。往往“坏点”的高度信息值是错误的，因此在三维高度差计算中，不应该考虑在内。

综上，按照本发明的大口径表面干涉系统能够高效的测量样品表面的三维形貌，并利用得到的三维数据进行多项参数的评定。该干涉系统兼具激光干涉和白光干涉的优势，具有精度高、范围大、效率高、自动化程度高等特点。该系统横向分辨率最高可达0.5um，垂直测量范围可达到10mm，垂直分辨率0.1nm，垂直测量效率大约10um/s。测试表明其满足大范围高速的表面形貌测量要求，使得毫米级样件的测量时间在几分钟以内，精度达到纳米级。

Claims (10)

1.一种基于三维拼接的大口径干涉测量系统，采用迈克尔逊干涉系统并搭配超长工作距离的物镜和相机，其特征在于：利用步进电机实现干涉信号自动查找，压电陶瓷实现信号扫描，计算机对采集到的图像进行分析并实现测量，单个视场测量完成后，系统控制X轴和Y轴工作台移动，测量下一个视场，多个视场的测量结果用三维拼接算法拼接，得到大口径范围的测量结果。

2.如权利要求1所述的基于三维拼接的大口径干涉测量系统，其特征在于：包括四个部分：自动对焦干涉成像模块部分，光源切换合成与其控制部分，信号扫描和视场切换等机械系统部分，图像数据处理部分，其中自动对焦干涉成像模块部分通过参考平面镜，分光棱镜，长工作距离物镜和相机等部件的性能和参数决定各自的机械位置并实现成像功能，自动对焦干涉成像模块部分和光源切换合成与其控制部分组成一个整体放置在滑台上，通过滑台前后移动来实现干涉信号查找，利用二维滑台实现被测件的X和Y方向的平移，被测样品通过机械件固定在精密扫描器件上，利用计算机控制器件的精密位移实现信号扫面并实时记录图像，还原三维数据结果。

3.如权利要求1所述的基于三维拼接的大口径干涉测量系统，其特征在于：所述的自动对焦干涉成像模块部中，参考镜，分光棱镜，长工作距离物镜，相机之间的距离都保持固定，在被测件扫描过程、对焦过程、被测物移动过程中，各部件相互位置保持固定不动，参考镜始终处于清晰成像状态。

4.如权利要求1所述的基于三维拼接的大口径干涉测量系统，其特征在于：所述的光源切换合成与其控制部分，包含分光棱镜，单色LED光源，白光LED光源及其电路驱动和控制部分，针对连续变化的表面，可采用单色光干涉系统，对于台阶状变化的表面，采用白光干涉系统。

5.如权利要求1所述的基于三维拼接的大口径干涉测量系统，其特征在于：所述超长工作距离物镜，适用于单色光干涉和白光干涉系统的复消色差物镜。

6.如权利要求4所述的基于三维拼接的大口径干涉测量系统，其特征在于：所述单色LED光源采用波长为635nm的红光光源，白光LED光源采用中心波长为560nm的暖白光源。

7.一种基于三维拼接的大口径干涉测量方法，包括如下步骤：

步骤 1、系统初始化：被测样品（6）安装到样品固定座（5）上，用三侧的螺钉夹紧被测样品（6），根据当前光学系统的放大倍率和分辨率，设置相机图像的长度和宽度尺寸，计算左右方向和竖直方向需要移动的次数；然后将通过左右移动滑台（2）和竖直移动滑台（4）将样品移动到起始位置，扫描平台3移动到扫描起始位置；

步骤 2、信号查找：启动对焦平台（18），开始前后移动，并用软件触发取图；本系统的光路结构中，当被测样品（6）表面清晰成像时刚好出现干涉信号，利用图像梯度值来判断对焦滑台移动的方向；当图像梯度逐渐变大时，说明移动方向正确，当图像梯度变小时，说明移动方向相反；

步骤3、干涉扫描：查找到干涉信号后，启动扫描平台开始扫描：在单色光干涉系统中，使用五步移相，每次步进八分之一波长，然后软触发取图；在白光干涉中，使用连续扫描方式，直至无干涉信号为止；

步骤4、三维形貌还原：在单色光干涉系统中，利用采集到的五幅图像，计算出每一个点的相位值，然后使用相位解缠还原出三维形貌；在白光干涉系统中，利用空间频域算法处理采集到的一系列图像，计算出每个像素点的高度信息值；

步骤5、判断是否需要拼接：如果初始化时左右滑台移动或竖直滑台移动次数大于1，则需要进行拼接处理；按照实际需求，控制滑台移动，然后重复步骤2、3、4，直到所有表面计算完成；

步骤6、三维拼接：利用计算得到的测量表面的独立三维形貌数据，进行三维拼接：先选取待拼接的两幅图，并提取出可能重叠区域；在单色光干涉系统中，使用信号振幅的归一化图作为待拼接图像进行拼接；利用相似度算法，查找出最佳匹配坐标，然后根据最佳匹配坐标提取出待拼接三维数据真正重叠区域，并对重叠区域各个点进行高度差计算，将高度差用最小二乘法拟合成平面并计算出归一化高度差，然后将这个最佳差值补偿到其中一组三维原始数据中，完成三维融合；

步骤7、完成测试：将拼接得到的三维数据以三维彩图的形式显示在软件中，用户还可以导出原始数据，便于后续的分析。

8.如权利要求7所述的基于三维拼接的大口径干涉测量方法，其特征在于：步骤2中，在单色光干涉系统中，利用捕捉到图像的灰度均方差值来判断干涉信号的有无；当图像无干涉信号时，该均方差值基本不变，当图像出现干涉信号时，均方差值明显变大，图像均方差最大的位置，即干涉信号最强的位置；在白光干涉系统中，利用移动前后的两幅图各个像素点偏差值来分析当前是否存在干涉信号；

若当前无干涉信号，在对焦滑台移动前后，图像不会有明显变化；若当前存在干涉信号，则对焦滑台移动时，干涉信号出现的区域就会有变化，两幅图就出现明显不同。

9.如权利要求7所述的基于三维拼接的大口径干涉测量方法，其特征在于：步骤4中所述的三维形貌还原包含两个部分，在单色光干涉中控制压电陶瓷移相并由相机记录当前的信号图像，通过采集到的若干幅干涉信号图来计算被测物体各个像素的相位值，然后利用相位解缠还原得到三维图像；在白光干涉系统中，采用压电陶瓷扫描方式，连续采集上百幅图像，通过空间频域算法计算出三维形貌；在三维计算过程中，需要保证采集到的图像包含有效的干涉信号，可通过图像直接计算出各像素点的信号强度值，并控制有效像素在整个视场的比例是否满足计算需求。

10.如权利要求7所述的基于三维拼接的大口径干涉测量方法，其特征在于：步骤6中所述的三维拼接，包含两个过程：首先选取需要拼接的图像可能重叠部分，通过相似度算法计算出拼接点的每一行每一列坐标值，并在平面方向完成拼接；然后提取出真正重叠区域的三维数据，计算重叠部分各个点的高度差值，通过最小二乘法计算两组三维数据的最佳高度落差，并将这个差值补偿到其中一组三维数据中。