CN108955572A - 一种用于微纳结构三维动态实时测量的差分式结构光照明显微测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于微纳结构三维动态实时测量的差分式结构光照明显微测量方法。通过DMD对空间光场进行调控产生编码光场投射到待测物体表面上，采用双CCD差动探测方法，在单路CCD共轭成像探测的基础上，引入具有微小差距的CCD成像探测支路，同步采集编码光场的光强信息。采用小波变换算法分别求解出双CCD系统采集编码光场的调制度分布，将近远离焦双路探测调制度分布相减得到差动调制度分布，利用相关理论建立调制度分布与物体高度的理论关联模型，通过计算出调制度与高度信息的线性响应函数来实现三维微纳结构动态测量。本发明无需机械扫描，只需一幅图即可实现三维形貌恢复，同时具有非接触、高精度、测量系统简单等优点。

Description

一种用于微纳结构三维动态实时测量的差分式结构光照明显 微测量方法

技术领域

本发明属于光学测量工程的技术领域，具体涉及本发明公开了一种用于微纳结构三维动态实时测量的差分式结构光照明显微测量方法。

背景技术

微纳检测方法与技术是获取物质微观信息的重要手段。同时，高精度微纳检测技能够快速术也是高精度光学加工等先进微纳制造技术的核心基础保障。因此，发展三维微纳检测方法与技术对现代三维微纳结构实时动态测量作为三维检测的进一步发展，不仅获得微结构的形貌信息，极大的提高生产和检测效率。更为重要的是通过分析微纳结构的动态信息，可以获得许多微纳器件的基本性能。目前，基于动态结构的微器件在航空航天、军事、生物医学、半导体等领域有着巨大的应用前景，其广泛使用极大的推动了相关科学的发展，而动态微器件的设计、制造及测试等都离不开动态测量技术。三维微纳结构动态测量作为三维检测技术的发展趋势之一，许多国内外专家将实时三维动态测量誉为具有时间维度的四维形貌检测。

针对非周期运动的三维微结构动态测量方法主要包括数字全息测量方法和电子散斑干涉技术。数字全息测量是利用光的干涉原理和衍射原理将从物体发出的光波以干涉条纹的形式记录下来，并在一定的条件下使物光波再现，形成与原物体逼真的立体像。目前，数字全息已经广泛于干涉计量、微小粒子检测、器件形貌分析、微小形变与缺陷探测、显微成像以及细胞动态检测等诸多领域。然而，对于表面粗糙以及高深宽比微结构，由于在其表面难以形成连续的干涉条纹，无法获得振幅和相位信息，该方法难以对其进行检测。为了实现对粗糙表面微结构的三维动态测量，科学家提出了电子散斑干涉测量方法。电子散斑干涉测量方法使用相关光照射表面粗糙的物体，就会在像平面出现散斑图，实际上散斑就是来自粗糙表面不同面积元的光波之间的自身干涉现象，因而它携带了粗糙表面的形貌信息。电子散斑干涉能同时获得物体离面和面内运动信息，是一种简单易行的方法，目前该测量精度能达到纳米级，但是为了产生散斑干涉，被测表面必须是粗糙的，并且粗糙表面的微观结构必须等于或大于所应用的波长，这是其固有的缺陷。

基于光场显微测量方法由于其非接触、全视场、高精度、适用性广泛等优点而得到了广泛的应用。例如，2010，国外科学家M.Vogel通过PZT压电陶瓷垂直扫描待测物体，利用单CCD系统采集图像，采用四步相移算法求取图像调制度，进而利用高斯曲线拟合调制度曲线来实现对微纳三维形貌恢复。2015年中科院西安光机所姚保利团队通过使用彩色CMOS相机记录光场编码信息，对传统光场调控技术采用的均方根层析算法进行改进，提出了基于HSV彩色空间的彩色解码算法，获得了物体高分辨率彩色三维图像。目前，基于结构光照明显微测量方法均采用相移结合垂直扫描的方式来获得图像调制度曲线，不仅效率低、信号处理复杂，而且误差较大，不利于实时动态检测。

本测量方法采用小波变换求取图像调制度，无需相移，采用一幅图即可获得图像调制度分布。此外，本方法通过DMD产生正弦光场，采用差动双CCD系统采集图像，进一步通过扫描标准平面物体得到差动调制度曲线与高度信息的线性响应函数。在获得响应函数之后，采用双CCD采集被测物体光场编码图像，进一步利用小波变换算法求取图像调制度值，调制度值相减之后得到差动调制度值，进一步根据响应函数可得到物体高度形貌信息。本测量方法仅需一幅图即可实现三维微纳结构形貌恢复，可实现表面形貌复杂、非周期运动微纳结构动态实时测量。

发明内容

本发明设计了一种用于微纳结构三维动态测量的差分式结构光照明显微测量方法，该方法可以实现微纳结构实时动态测量，测量精度可达到纳米量级。

为了达成上述目的，本发明提供的技术方案为：一种用于微纳结构三维动态实时测量的差分式结构光照明显微测量方法，所述方法包括步骤：

步骤S1：通过上位机程序控制压电陶瓷微步距垂直扫描标准平面物体，每一步扫描，利用DMD投影正弦光栅条纹，利用差动双CCD系统采集变形条纹图，然后转换为数字信号后存储到计算机；

步骤S2：每扫描一次，对CCD1与CCD2采集到的条纹图，采用小波变换算法，计算得到每个像素点的调制度值，扫描N次，每个像素点得到N帧调制度值；

步骤S3：将CCD1采集的条纹的调制度与CCD2采集的条纹的调制度相减，得到每个像素点的差动调制度曲线；

步骤S4：计算得到计算出调制度与高度的线性响应函数；

步骤S5：实验采集一幅待测物体图像，根据线性响应函数可精确恢复表面形貌。

其中，由结构光照明显微测量方法可知，采集图像调制度反应了物体离焦的程度，且调制度最大值所在位置为准确调焦的位置。

其中，通过PZT压电陶瓷驱动标准平面物体，采用差动双CCD系统采集图像，每扫描一步，通过小波变换算法求取图像调制度，双CCD系统采集图像的调制度相减可得到差动调制度值与高度的线性响应关系。

其中，在建立差动调制度值与高度的线性响应关系后，对待测物体采集一幅图像，利用小波变换算法得到图像调制度值，进一步相减可获得差动调制度值，通过所建立响应函数，即可获得待测物体形貌，该方法仅需一幅图像即可恢复物体形貌，无需机械扫描，适用于表面形貌复杂、非周期运动的三维微纳结构动态实时测量。

本发明的基本原理：提供一种三维微纳结构动态实时测量方法。通过DMD对空间光场进行调控产生编码光场投射到待测物体表面上，采用双CCD差动探测方法，在单路CCD共轭成像探测的基础上，引入具有微小差距的CCD成像探测支路，同步采集编码光场的光强信息。进一步，采用小波变换算法分别求解出双CCD系统采集编码光场的调制度分布，将近远离焦双路探测调制度分布相减得到差动调制度分布，利用相关理论建立调制度分布与物体高度的理论关联模型，通过计算出差动调制度与高度信息的线性响应函数来实现三维微纳结构动态实时测量。

本发明的特点和优势：

(1)、在单路CCD共轭成像探测的基础上，引入具有微小差距的CCD成像探测支路，同步采集编码光场的光强信息。

(2)、本发明采用小波变换求取图像调制度，无需相移，仅需一幅图像即可获得差动调制度值。

(3)、本发明具有非接触、全视场、高精度、适用性广泛等优点，可用于表面形貌复杂、非周期运动微纳结构的动态实时测量。

附图说明

图1为本发明方法流程图；

图2为测量系统获取反映差动调制度曲线与高度信息关系的线性响应函数示意图；其中，101为第一CCD，102为DMD数字微镜阵列，103为LED白光光源，104为第一Tube透镜，105为第二CCD，106为第一分光镜，107为第二Tube透镜，108为第二分光镜，109为显微物镜，110为待测样品，111为PZT压电陶瓷。

图3为实验过程中待测物体采集图像；

图4为待测物体形貌恢复结构。

具体实施方式

为使本发明的目的，技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体事例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

如图1-2所示，一种用于微纳结构三维动态测量的差分式结构光照明显微测量方法，所述方法步骤包括：

步骤S1：通过上位机程序控制压电陶瓷微步距垂直扫描标准平面物体，每一步扫描，利用DMD投影正弦光栅条纹，利用差动双CCD系统采集变形条纹图，然后转换为数字信号后存储到计算机。

步骤S2：每扫描一次，对第一CCD 101与第二CCD 105采集到的条纹图，采用小波变换算法，计算得到每个像素点的调制度值。扫描N次，每个像素点得到N帧调制度值。

步骤S3：将第一CCD 101采集的条纹的调制度与第二CCD 105采集的条纹的调制度相减，得到每个像素点的差动调制度曲线。

步骤S4：计算得到计算出调制度与高度的线性响应函数。

步骤S5：实验采集一幅待测物体图像，采用小波变换获得差动调制度值，根据线性响应函数可精确恢复表面形貌。

其中，CCD采集图像光强分布可以表示为：

I(x,y)＝a(x,y)+b(x,y)cos(2πfx) (1)

其中，a(x,y)为背景光强，b(x,y)表征了为由物体高度引起的x，y方向上的调制度分布，f为正弦光场周期。

其中，为了满足测量系统实时检测以及复杂形貌检测的需要，将采用基于morlet复小波的二维小波变换算法来获得x，y两个方向上的调制度分布。光强信号I(x,y)的二维小波变换定义如下：

二维小波变换系数W(a,b_x,b_y,θ)是关于伸缩因子a，x，y两个方向的平移因子b_x,b_y，和旋转因子θ的四维函数。复morlet小波在空域和频域具有良好的局域特性，其表达式为：

二维复morlet小波函数带入(2)式，可推导出调制度和小波“脊”处的小波系数之间的关系，表示为：

其中，θ_r为“小波脊”处的旋转量。

当调制度变化缓慢时，B_x'＝B_y'≈0，小波“脊”处对应的系数模值为：

W(a_r,b_x,b_y,θ_r)＝πB(b_x,b_y) (5)

当调制度存在突变时，B_x'＝B_y'≠0，小波“脊”处对应的系数模值为：

因此基于二维复morlet小波变换的调制度模值可定义为：

进一步的，根据成像理论，成像面前后调制度分布满足高斯函数关系：

M_d(x,y)＝M_maxexp[c(d-d₀)²] (8)

式中M_max为清晰成像处调制度值，d₀为清晰成像面的位置，c是与系统相关的常数。假设待测物体形貌为z，则差动调制度曲线可表示为：

M_tf＝ln{M_maxexp[c(z+d₁-d₀)²]}-ln{M_maxexp[c(z+d₂-d₀)²]}＝c₁z+c₂ (9)

式中d₁，d₂分别为第一CCD 101和第二CCD 105到成像面的距离，c₁，c₂为与系统相关的常数。

其中，通过PZT压电陶瓷驱动标准平面物体即线性改变z的值，可解析出c₁，c₂，从而获得差动调制度值与高度信息线性响应关系。

其中，通过差动双CCD系统采集被测物体的一幅图像，利用小波变换算法求取图像调制度值，进而相减得到差动调制度值，根据上述计算得到的差动调制度值与高度信息的线性响应关系即可实现待测物体的三维形貌恢复。

在对待测物体前，首先必须获取反映差动调制度曲线与高度信息关系的线性响应函数，测量步骤如图2所示。具体实施方法：首先通过上位机程序控制压电陶瓷微步距垂直扫描标准平面物体，每一步扫描，通过DMD投影正弦光栅条纹，采用差动双CCD系统采集变形条纹图，然后转换为数字信号后存储到计算机。每扫描一次，对第一CCD 101与第二CCD 105采集到的条纹图，采用小波变换算法，计算得到每个像素点的调制度值。扫描N次，每个像素点得到N帧调制度值。将第一CCD 101采集的条纹的调制度与第二CCD 105采集的条纹的调制度相减，得到每个像素点的差动调制度曲线，进一步可计算得到差动调制度值与高度信息的对应关系。

图3为实验过程中，台阶结构的实验采集图像。为了确保两幅图像像素点对应同一个物点，在测量前需要对双CCD系统进行标定。通过小波变换算法计算得到实验采集图像调制度分布，进而通过相减得到差动调制度值分布，进一步根据图2所得到的差动调制度值与高度信息的对应关系，实现对待测物体的精确形貌恢复，形貌恢复结构如图4所示。

本发明中，主要的器件包括:DMD数字微镜阵列102，两个黑白CCD相机，显微物镜109，LED白光光源103，两个Tube透镜，两个分光镜。其中，LED白光光源103用于为测量系统提供光源，第一CCD 101与第二CCD 105分别位于第二Tube透镜107的焦面与离焦位置，用于采集图像，DMD数字微镜阵列102位于第一Tube透镜104的焦面位置，用于产生光栅图像，第一Tube透镜104用于与第二Tube透镜107用于聚焦成像，显微物镜109用于对待测物体成像，第一分光镜106与第二分光镜108用于分离光束，PZT压电陶瓷111用于驱动物体进行扫描，待测样品位于显微物镜109的焦面。

一种用于微纳结构三维动态实时测量的差分式结构光照明显微测量方法，可实现表面形貌复杂、非周期运动三维微纳结构动态实时测量，精度最高可达纳米量级。当然，在本例中，对于差动双CCD系统匹配精度要求严格，对测量环境也需不断提升，才能不断提高最终测量精度。

Claims (4)

1.一种用于微纳结构三维动态实时测量的差分式结构光照明显微测量方法，其特征是：所述方法包括步骤：

步骤S1：通过上位机程序控制压电陶瓷微步距垂直扫描标准平面物体，每一步扫描，利用DMD投影正弦光栅条纹，利用差动双CCD系统采集变形条纹图，然后转换为数字信号后存储到计算机；

步骤S2：每扫描一次，对CCD1与CCD2采集到的条纹图，采用小波变换算法，计算得到每个像素点的调制度值，扫描N次，每个像素点得到N帧调制度值；

步骤S3：将CCD1采集的条纹的调制度与CCD2采集的条纹的调制度相减，得到每个像素点的差动调制度曲线；

步骤S4：计算得到计算出调制度与高度的线性响应函数；

步骤S5：实验采集一幅待测物体图像，根据线性响应函数可精确恢复表面形貌。

2.根据权利要求1所述的用于微纳结构三维动态实时测量的差分式结构光照明显微测量方法，其特征是：由结构光照明显微测量方法可知，采集图像调制度反应了物体离焦的程度，且调制度最大值所在位置为准确调焦的位置。

3.根据权利要求1所述的用于微纳结构三维动态实时测量的差分式结构光照明显微测量方法，其特征是：通过PZT压电陶瓷驱动标准平面物体，采用差动双CCD系统采集图像，每扫描一步，通过小波变换算法求取图像调制度，双CCD系统采集图像的调制度相减可得到差动调制度值与高度的线性响应关系。

4.根据权利要求1或2或3所述的用于微纳结构三维动态实时测量的差分式结构光照明显微测量方法，其特征是：在建立差动调制度值与高度的线性响应关系后，对待测物体采集一幅图像，利用小波变换算法得到图像调制度值，进一步相减可获得差动调制度值，通过所建立响应函数，即可获得待测物体形貌，该方法仅需一幅图像即可恢复物体形貌，无需机械扫描，适用于表面形貌复杂、非周期运动的三维微纳结构动态实时测量。