CN108759709A - 一种适用于表面形貌检测的白光干涉三维重建方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于表面形貌检测的白光干涉三维重建方法，主要包括强度信息和相位信息，强度信息的获得是通过高斯函数对干涉曲线快速生成其相应的包络曲线，对包络曲线进行函数拟合，连续函数的峰值所在的位置即为零光程差位置。相位信息基于Carré算法解算得到。综合两者结果得到高度信息，三维形貌得以重建。本发明适用于各种样品的表面形貌测量，所求的零光程差位置为连续函数的最大值，比离散采样点的最大值更为准确，并且不受至于移相器采样频率波动的影响。降低了对测试环境的要求，在有外界干扰的情况(振动，光源中心波长波动，相机噪声，被测样品表面反射系数低)下依然可以得到准确的测试结果，其鲁棒性大大提高。
Description
技术领域
本发明涉及一种适用于表面形貌检测的白光干涉三维重建方法，属于表面形貌测量技术领域。
背景技术
表面是指机械加工、表面处理等工艺形成的曲面，直接影响其功能特性和使用，如摩擦磨损、抗腐蚀性能、导电性、导热性等，同时也是评价加工工艺的重要方面。表面形貌测量是制造产品质量表征的重要环节和质量控制与功能可靠保证的前提。随着科学研究和先进制造技术的发展，产品表面形貌与结构越来越多样化，由传统工程表面，发展到越来越多科学表面，如生物表面、IC表面、MEMS表面、能源器件表面、信息存储表面、结构光学表面、功能表面等，由平滑表面发展到结构性表面，由简单几何表面发展到自由曲面，由毫米微米尺度形貌发展到纳米尺度形貌，精度要求也越来越高。表面形貌的迅速发展对其检测技术提出了新的要求。
表面形貌测量在制造领域有着举足轻重的地位，统计表明有10％的制造零部件故障源于表面形貌因素。由于光学测量法的非接触和快速测量特性，使得它在应用中得到了飞速的发展。白光干涉测量法是利用白光的低相干特性，将物体表面三维形貌信息反映到干涉信号上，通过对干涉图像的分析可以恢复出待测样品表面三维形貌。白光干涉测量法最大的优点是测量精度高、速度快，但其对测量环境的要求也较高。
在干涉测量的过程中，通过相移器来改变参考光束和测试光束之间的光程差，同时采集一系列干涉图，对干涉图进行解算得到表面各点的高度信息，三维形貌得以重现。而在实际检测中，由于机械振动，光源波长漂移，移相器的线性误差及相机散粒噪声等环境干扰会引入误差，同时被测样品的表面形貌不同，均会导致测量结果偏差，鲁棒性差。因此设计一种能够抑制干扰，对被测样品无选择性，鲁棒性好的完整重建算法是必要的。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述问题，提出一种适用于表面形貌检测的白光干涉三维重建方法，在理想环境和带有干扰的环境中均可解算出准确的结果。
本发明由强度信息p与相位信息组成高度信息以重建表面形貌，其中，带有干涉条纹的图像作为方法处理的原始数据，移相器带动参考镜作单方向等步长的移动，使得干涉条纹划过整个视野，以实现对被测物的干涉扫描；在该过程中，移相器每完成一个步距的移动，相机采集一幅图像并存储；计算机通过提取一系列干涉图像的相同位置的单个像素的像素值获得一组干涉曲线数据；所述的强度信息，通过定位零光程差的位置获得；其过程为：通过高斯函数生成干涉曲线的包络曲线，定位包络曲线的峰值位置作为零光程差的位置；所述的相位信息，由解算零光程差处的光强值得到；其过程为：基于强度信息，取零光程差处附近的四个光强值，由Carré法解算出对应的相位值；结合强度信息和相位信息获得单像素点的高度信息，遍历所有像素点获得对应的高度，从而重建整个表面的三维形貌。
具体的，本发明的一种适用于表面形貌检测的白光干涉三维重建方法，包括以下几个步骤：
步骤一：借助移相器和相机，实现原始数据采集工作。
步骤二：对原始数据进行处理，获取零光程差位置信息。
步骤三：对数据进一步处理，获取相位信息。
步骤四：获取每一点的零光程差位置和相位信息，重现三维形貌。
本发明的优点在于：
本发明能够抑制由机械振动，光源波长漂移，移相器线性误差，相机散粒噪声以及样品表面反射率低引入的误差，对被测样品无选择性，在理想情况下和带有干扰的情况下三维重现结果均准确稳定，鲁棒性好。
附图说明
图1为本发明白光干涉测量系统原理图；
图2为本发明方法流程图；
图3为本发明步骤二和步骤三方法流程图；
图4为本发明重现的三维形貌。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示的是白光干涉测量系统的原理示意图，光源经过柯勒照明系统整形后经由分光棱镜分为两束光，一束为照射在被测样品的物光，另一束为照射在参考镜的参考光。两束光由分光棱镜到达相机焦平面处合束并发生干涉。移相器单方向移动带动干涉条纹划过整个图像。相机记录并存储图像作为原始数据。经由方法解算得到每一点的高度值，从而完成整个表面的三维重建。
其方法的关键在于准确的找到零光程差的位置即光强值最大的零光程差的位置以及相应的相位信息。基于高精度和高稳定性的综合考量，本发明提供了一种适用于表面形貌检测的白光干涉三维重建方法，如图2所示。首先通过移相器和相机的配合，记录下原始数据。对原始数据进行处理，提取零光程差位置和相位校正信息。对图像中的每一点对进行上述操作，获得每一点的高度信息，从而重建样品的表面形貌。
步骤一：原始数据采集；
假设移相器步距为s，扫描范围为d。移相器带动参考镜以步距s作单方向移动，相机在每个步距s完成后采集一幅图像。保证干涉条纹划过整个视野。
步骤二：零光程差位置定位；
流程图如图3所示，包含以下两个步骤：
(1)生成包络曲线；
首先对干涉曲线进行低通滤波降噪处理。由下式(1)所示的高斯函数s(τ)调制降噪后的干涉曲线，生成包络曲线。生成的包络曲线与干涉曲线具有相同的峰值位置。
其中：τ是坐标变量，σs为标准差，两者均为实数常数。
这样生成的包络曲线对干涉曲线有一定的容错能力，当干涉曲线发生一定的变型时，依然可以生成的正确的包络曲线。对外界干扰有很强的抑制效果。
(2)获取零光程差位置；
对生成的包络曲线用(2)式所示的二次函数p(x)进行拟合，得到函数表达式，并在区间内求取函数的极值，如(3)式所示，即为零光程差的位置p。
p(x)＝A+Bx+Cx2. (2)
p＝-B/2C (3)
其中：A、B、C是二次函数的常量系数。
步骤三：相位校正；
如图3所示，基于Carré相移算法对提取到的光强极大值进行相位校正，其基本原理为取零光程差邻域内的4个条纹值进行解算，过程如下：
其中，I′为背景光强值，I1，I2，I3，I4分别为相对于所定位的零光程差领域内的条纹光强值前3帧、前1帧、后1帧、后3帧对应的光强值。α为初始相位，V是条纹对比度。φ为相位校正后的信息。
解得
步骤四：三维形貌重现；
通过对零光程差和相位的解算，获取被测物单点的相对高度：
其中，h为相对高度，N为光强极大值对应的图片帧数，p为步骤二中求解的零光程差位置，λ为光源中心波长，φ为上步解算后的相位信息。
依据步骤二、三对图像中的每一点提取相应的零光程差位置p和相位φ，从而重现样品表面的三维形貌，如图4所示。
本发明方法适用于各种样品的表面形貌测量，对被测样品无选择性。本发明方法所求的零光程差位置为连续函数的最大值，比离散采样点的最大值更为准确，并且不受至于移相器采样频率波动的影响。本发明方法降低了对测试环境的要求，在有外界干扰的情况(振动，光源中心波长波动，相机噪声，被测样品表面反射系数低)下依然可以得到准确的测试结果，其鲁棒性大大提高。
Claims (3)
1.一种适用于表面形貌检测的白光干涉三维重建方法，首先通过移相器和相机的配合，记录样品原始数据，对原始数据进行处理，提取零光程差位置和相位校正信息，对图像中的每一点对进行上述操作，获得每一点的高度信息，重建样品的表面形貌。
2.根据权利要求1所述的一种适用于表面形貌检测的白光干涉三维重建方法，具体包括：
步骤一：原始数据采集；
假设移相器步距为s，扫描范围为d，移相器带动参考镜以步距s作单方向移动，相机在每个步距s完成后采集一幅样品图像，确保干涉条纹划过整个视野；
步骤二：零光程差位置定位，包含以下两个步骤：
(1)生成包络曲线；
首先对干涉曲线进行低通滤波降噪处理，通过高斯函数s(τ)调制降噪后的干涉曲线，生成包络曲线，生成的包络曲线与干涉曲线具有相同的峰值位置：
其中：τ是坐标变量，σs为标准差；
(2)获取零光程差位置；
对生成的包络曲线采用二次函数p(x)进行拟合，得到函数表达式，并在区间内求取函数的极值，即为零光程差的位置p；
p(x)＝A+Bx+Cx2. (2)
p＝-B/2C (3)
其中：A、B、C是二次函数的常量系数；
步骤三：相位校正；
采用Carré相移算法对提取到的光强极大值进行相位校正，得到相位φ；
步骤四：三维形貌重现；
通过对零光程差和相位的解算，获取被测物单点的相对高度：
其中，h为相对高度，N为光强极大值对应的图片帧数，λ为光源中心波长；
依据步骤二、三对图像中的每一点提取相应的零光程差位置p和相位φ，最终重现样品表面的三维形貌。
3.根据权利要求2所述的一种适用于表面形貌检测的白光干涉三维重建方法，所述的步骤三中，采用Carré相移算法对提取到的光强极大值进行相位校正，其基本原理为取零光程差邻域内的4个条纹值进行解算，过程如下：
其中，I'为背景光强值，I1，I2，I3，I4分别为相对于所定位的零光程差领域内的条纹光强值前3帧、前1帧、后1帧、后3帧对应的光强值；α为初始相位，V是条纹对比度；φ为相位校正后的信息；
解得
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