CN109269438A - 一种用于多层复杂微纳结构检测的结构光照明显微测量方法 - Google Patents

一种用于多层复杂微纳结构检测的结构光照明显微测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于多层微纳结构检测的结构光照明显微测量方法。该方法采用数字微镜阵列(DMD)产生编码光场投影到待测物体表面，利用CCD采集每一层结构的反射光强信息，通过相移算法结合二维傅里叶变换算法解析出采集图像调制度分布，采用压电陶瓷(PZT)垂直扫描待测物体得到每个像素点对应的调制度曲线,进而提取出调制度曲线的峰值可实现多层微纳结构的形貌检测。该方法既能有效的抑制噪声对峰值提取的影响，也能保留完整的待测物体形貌信息，同时具有测量系统简单、测量范围广、多层信号之间干扰小等优点。

Description

一种用于多层复杂微纳结构检测的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，具体涉及一种用于多层微纳结构检测的结构光照明显微测量方法。
背景技术
基于多层微纳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，而多层微纳结构的设计、制造以及性能测试等都离不开相应的三维检测技术。
光学测量方法是微结构无损检测中最主要的方法，在微结构检测中占有重要地位。目前已经得到广泛应用的光学检测方法以白光干涉和共聚焦为典型。干涉测量方法通过解析出参考面与待测面所形成的干涉条纹相位信息来重构出待测物体的形貌分布，同时该方法可通过分离不同结构层与参考光的干涉相位信息来实现薄膜形貌检测，目前该方法具有极高的测量精度，分辨率最高可优于1nm。然而，在干涉条纹的记录过程中，对待测对象表面材质具有一定要求，表面粗糙以及大曲率结构将无法形成干涉条纹进行测量，其次，在记录的条纹中，由于条纹具有周期性，将可能出现相位模糊，无法判断前后两个时刻的高度绝对变化，因此要求两次采样时间前后高度变化不能超过一个波长。此外，在多层结构检测过程中，层与层之间的干涉信息也将严重扰乱相位分布，因此该方法也局限在双层结构的检测。
共聚焦显微技术通过高精密扫描台对待测物体做纵向扫描，并在运动过程中寻找不同结构层反射光强最大点实现单层以及多层微结构形貌检测。该方法是目前表面粗糙微结构检测的主要手段，然而该方法属于逐点测量方法，对于面测量，需要不断进行横向图像拼接和纵向扫描，数据处理量大，检测效率较低。
为了解决上述检测方法缺陷，首次提出一种基于多层微纳结构检测的结构光照明显微测量方法，该方法从现有光学系统中通过光场调制，利用光场自身特性直接获取待测结构三维信息。同时采用傅里叶变换结合相移算法精确提取调制度曲线峰值位置，该方法对被测对象无特殊要求，能够实现表面形貌复杂、表面粗糙以及多层微结构的检测，做到只要能够进行成像，即能进行测量，具有极高的适应性，同时具有效率高、测量系统简单的优点。
发明内容
本发明设计了一种用于多层复杂微纳结构检测的结构光照明显微测量方法，该方法可以实现多层微纳结构的检测，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：通过上位机程序控制压电陶瓷微步距垂直扫描待测物体，每一步扫描，利用DMD依次投影八幅具有π/4相位差的正弦光栅条纹，采用CCD采集每一层结构的反射图像，然后转换为数字信号后存储到计算机；每扫描一次，分别采用二维傅里叶变换以及相移算法解析出采集图像的调制度分布，扫描N次，得到每个像素点的调制度值随扫描位置变化的相移调制度曲线(PMDR)以及傅里叶变换调制度曲线(FMDR)。通过提取FMDR的峰值所在的扫描位置得到每个像素点粗略焦面位置，进一步结合所得到的粗略焦面位置，采用高斯曲线拟合PMDR得到每一层结构的精确焦面位置。进而根据相关公式精确恢复每一层结构的三维形貌。
一种用于多层微纳结构检测的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待测物体，每一步扫描，利用DMD依次投影八幅具有π/4相位差的正弦光栅条纹，采用CCD采集每一层结构的反射图像，然后转换为数字信号后存储到计算机；
步骤S2：每扫描一次，分别采用二维傅里叶变换以及相移算法解析出采集图像的调制度分布，扫描N次，得到每个像素点的调制度值随扫描位置变化的相移调制度曲线(PMDR)以及傅里叶变换调制度曲线(FMDR)；
步骤S3：提取FMDR的峰值所在的扫描位置得到每个像素点粗略焦面位置，进一步结合所得到的粗略焦面位置，采用高斯曲线拟合PMDR得到每一层结构的精确焦面位置；
步骤S4：根据相关公式精确恢复每一层结构的三维形貌；
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，通过提取调制度曲线的峰值所在位置，结合扫描步距可重构出每一层结构的三维形貌信息。
其中，采用基于傅里叶变换结构光照明显微测量方法可有效的抑制噪声的影响，但该方法仅适用于光滑结构的检测，而采用相移算法进行多层微纳结构检测时，容易受到噪声的影响，从而导致峰值检测不准，误差较大；通过结合两种算法，首先采用傅里叶变换算法对峰值位置进行初步定位，进而根据该初步峰值位置，利用相移算法结合高斯曲线拟合实现对焦面位置进行精确定位，从而实现高精度形貌恢复。该方法既能够有效抑制噪声的影响，同时适用于具有复杂形貌的多层微纳结构三维形貌恢复。
本发明的基本原理：一种用于多层复杂微纳结构检测的结构光照明显微测量方法，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投影依次投影具有一定相位差正弦光栅条纹，同时通过CCD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，分别采用二维傅里叶变换和相移算法解析出图像调制度值，扫描N次，得到每个像素点调制度随扫描位置改变的相移调制度曲线(PMDR)与傅里叶变换调制度曲线(FMDR)。进而根据PMDR得到粗略的调制度峰值，根据该粗略结果，利用FMDR结合高斯曲线拟合可得到精确峰值位置，从而可得到每一层的形貌结果。通过DMD对空间光场进行调控产生正弦结构光场投射到待测物体表面上，理论表明在物体在焦面位置时，采集图像调制度值为最大值。对于多层结构，结构光场能够在每一层结构的分界面上成像，因此通过分离出对应每一层结构的调制度峰值即可实现多层结构检测。同时，由于介质的影响，采集图像噪声相对增大，采用传统的相移算法容易导致峰值提取不准，为此，我们进一步提出采用傅里叶变换的方法结合相移算法来进行峰值提取，噪声得到有效的抑制。
本发明的特点和优势：
(1)、与干涉测量相比，由于本方法为非干涉测量方法，因此层与层之间的影响较少，可适用于三层甚至更多层结构的检测。
(2)、本方法能够有效抑制噪声的影响，有效的提高峰值检测的准确性。
(3)、本发明同时具有非接触、全视场、高精度、适用性广泛等优点。
(4)、该方法与共聚焦测量方法相比，采用面测量方式，效率更高且系统结构更为简单。
附图说明
图1为测量系统结构示意图，其中，101为白光光源，102为数字微镜阵列DMD，103为Tube透镜一，104为黑白CCD相机，105为Tube透镜二，106为分光镜，107为显微物镜，108为PZT压电陶瓷。
图2为实验过程中待测物体采集图像；
图3为多层结构恢复结果；
图4为本发明一种用于多层复杂微纳结构检测的结构光照明显微测量方法流程图。
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4所示，一种用于多层复杂微纳结构检测的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待测物体，每一步扫描，利用DMD依次投影八幅具有π/4相位差的正弦光栅条纹，采用CCD采集每一层结构的反射图像，然后转换为数字信号后存储到计算机；
步骤S2：每扫描一次，分别采用二维傅里叶变换以及相移算法解析出采集图像的调制度分布，扫描N次，得到每个像素点的调制度值随扫描位置变化的相移调制度曲线(PMDR)以及傅里叶变换调制度曲线(FMDR)。
步骤S3：提取FMDR的峰值所在的扫描位置得到每个像素点粗略焦面位置，进一步结合所得到的粗略焦面位置，采用高斯曲线拟合PMDR得到每一层结构的精确焦面位置。
步骤S4：根据相关公式精确恢复每一层结构的三维形貌；
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。
首先采用二维傅里叶变换来解析x，y两个方向上的调制度分布。对光强信号I(x,y)进行二维傅里叶变换可得到其频谱分布：
I(fx,fy)＝I0(fx,fy)+I1(fx,fy)+I-1(fx,fy) (2)
式中为零频，I0(fx,fy)对应为背景光强，I1(fx,fy)与I-1(fx,fy)为基频，对应着反映物体形貌信息的调制度分布。通过滤波窗口滤出基频，再进行二维逆傅里叶变换，取其模值即可得到图像调制度分布。
进一步采用相移算法解析图像调制度，为了利用相移算法获得条纹的调制度，对条纹实现L(L>＝3)步相移，总移动量为一个周期，即可得到L帧条纹图。调制度计算公式为：
进一步提取FMDR的峰值所在的扫描位置得到每个像素点粗略焦面位置，进一步结合所得到的粗略焦面位置，采用高斯曲线拟合PMDR得到每一层结构的精确焦面位置。
如图1所示，本发明中，测量系统主要的器件包括:白光光源101，DMD数字微镜阵列102，Tube透镜一103，黑白CCD相机104，Tube透镜二105，分光镜106，显微物镜107，PZT压电陶瓷108。其中，白光光源101用于为测量系统提供光源，黑白CCD相机104位于Tube透镜二105的焦面位置，用于采集图像，DMD数字微镜阵列102位于Tube透镜一103的焦面位置，用于产生光栅图像，显微物镜107用于对待测物体成像，分光镜106用于分离光束，PZT压电陶瓷108用于驱动物体进行扫描。
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，可实现多层微纳结构检测，精度最高可达纳米量级。当然，在本例中，要求能够对多层微结构的每一层成像，因此要求材质透明才能不断提高最终测量精度。

Claims (4)

1.一种用于多层微纳结构检测的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待测物体，每一步扫描，利用DMD依次投影八幅具有π/4相位差的正弦光栅条纹，采用CCD采集每一层结构的反射图像，然后转换为数字信号后存储到计算机；
步骤S2：每扫描一次，分别采用二维傅里叶变换以及相移算法解析出采集图像的调制度分布，扫描N次，得到每个像素点的调制度值随扫描位置变化的相移调制度曲线(PMDR)以及傅里叶变换调制度曲线(FMDR)；
步骤S3：提取FMDR的峰值所在的扫描位置得到每个像素点粗略焦面位置，进一步结合所得到的粗略焦面位置，采用高斯曲线拟合PMDR得到每一层结构的精确焦面位置；
步骤S4：根据相关公式精确恢复每一层结构的三维形貌。
2.根据权利要求1所述的用于多层微纳结构检测的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所述的用于多层微纳结构检测的结构光照明显微测量方法，其特征是：通过提取调制度曲线的峰值所在位置，结合扫描步距可重构出每一层结构的三维形貌信息。
4.根据权利要求1、2或3所述的多层微纳结构检测的结构光照明显微测量方法，其特征是：采用基于傅里叶变换结构光照明显微测量方法可有效的抑制噪声的影响，但该方法仅适用于光滑结构的检测，而采用相移算法进行多层微纳结构检测时，容易受到噪声的影响，从而导致峰值检测不准，误差较大；通过结合两种算法，首先采用傅里叶变换算法对峰值位置进行初步定位，进而根据该初步峰值位置，利用相移算法结合高斯曲线拟合实现对焦面位置进行精确定位，从而实现高精度形貌恢复；该方法既能够有效抑制噪声的影响，同时适用于具有复杂形貌的多层微纳结构三维形貌恢复。
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