CN109341574A - 一种基于结构光的微纳结构三维形貌高速检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种基于结构光的微纳结构三维形貌高速检测方法。采用结构光投影装置投射出的正弦光栅条纹与光轴成一定角度θ，然后投影到待测物体表面上，通过CCD相机采集图像。对采集的图像通过傅里叶变换滤波算法计算得到正弦光栅在物体表面的调制度分布,进而可得到每一个像素点在不同水平扫描位置的调制度曲线，最后提取出调制度最大值所在位置即可实现形貌恢复。本发明不仅可以实现对非周期性的微纳结构的连续性测量，同时还保留了垂直测量的优点，具有很高的检测精度和效率。
Description
技术领域
本发明属于光学显微成像以及精密测量技术领域，具体涉及一种基于结构光的微纳结构三维形貌高速检测方法。
背景技术
近年来微纳结构在微电子、生物技术、航空航天、超材料等技术领域的应用发展迅速，对社会发展，经济水平都有很大的影响力，精密的微纳结构将是下一时期内科技发展的热点。微纳器件的三维形貌与产品的性能特征、可靠程度以及功能分析直接相关，高精度快速的微纳检测方法与技术是获取微纳结构的三维形貌的重要手段，也是高精度光学加工等先进微纳制造技术的核心基础。因此，三维微纳结构高速测量作为三维微纳检测方法与技术的进一步发展，能快速获得微纳结构的三维形貌信息，极大的提高产品的生产和检测效率。
目前，针对微纳结构的三维形貌检测技术可分为接触式和非接触式两大类，基于光学原理的检测技术，具有量程大、非接触、全视场、高精度、灵敏度高、适用性广泛等优点在微纳结构的形貌检测中得到了广泛的应用。例如，2010年国外科学家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。基于结构光的三维形貌检测技术均采用相移结合垂直扫描的方式来获得图像调制度曲线，不仅检测效率低、信号处理复杂，而且误差较大，不利于检测。
应用本发明所提及的结构光的微纳结构三维形貌高速检测方法，利用结构光投影装置投射出的正弦光栅条纹与光轴成一定角度θ，CCD相机通过半透半反镜从共轭光路中同步获取条纹图像，采用傅里叶变化滤波求取条纹图像调制度，水平扫描即可获得图像调制度分布，并可实现水平方向的连续扫描成像。系统方法通过水平扫描标准平面物体，通过高斯拟合确定调制度曲线最大值位置，结合扫描距离进行系统的标定；同时还需对CCD像素位置进行标定。在系统完成标定之后，采用CCD系统采集被测物体高度调制的条纹图像，进一步利用傅里叶变换滤波算法求取图像调制度值，通过提取调制度最大值所在位置实现对微纳结构的三维形貌进行精确的检测，水平连续扫描待测物体，即可得到大视场的物体三维形貌信息。本测量方法水平扫描即可实现三维微纳结构形貌恢复，可实现水平方向的连续扫描，大大提高了扫描的效率，对于表面三维形貌复杂、连续非周期性的微纳结构可实现连续性大范围测量。
发明内容
针对现有结构光维纳结构三维形貌检测方法存在的不足，本发明设计了所述的一种基于结构光的微纳结构三维形貌高速检测方法，该方法可以实现微纳结构连续性测量，测量范围大，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：一种基于结构光的微纳结构三维形貌高速检测方法，所述方法步骤包括：
步骤S1：通过上位机程序控制精密压电陶瓷微步距水平扫描标准平面物体，利用结构光投影装置投射出的正弦光栅条纹与光轴成一定角度θ，CCD通过半透半反镜从共轭光路中同步获取调制条纹图像，然后转换为数字信号后存储到计算机中进行保存。
步骤S2：进一步利用傅里叶变换滤波算法对图像进行处理求取调制度值，由于水平扫描N次采集到了N帧调制图像，每个像素点通过傅里叶变换滤波算法得到N帧调制度值，进而得到每个像素点的调制度曲线。
步骤S3：对于任一同位置的像素点都能找到其调制度值最大值，通过高斯拟合确定调制度曲线最大值，结合扫描距离和调制度最大值位置重建标准平面的形貌；同时还需对CCD像素位置进行标定，进而完成对系统的标定。
步骤S4：然后对待测物体进行水平扫描，并采集物体高度调制的条纹图像，采用傅里叶变换滤波算法获得调制度值，通过提取调制度最大值所在位置实现对微纳结构的三维形貌进行精确的检测，即可实现物体的三维结构的连续性测量以及精确重建三维形貌。
其中，系统的结构光投影装置投射出的正弦光栅条纹与光轴成一定角度θ，产生正弦光栅条纹的结构光投影装置可以为数字微镜阵列(DMD)、空间光调制器以及物理光栅等。
其中，利用傅里叶变换滤波算法，以单个像素点为单位计算不同水平扫描位置的图像调制度值，进而得到每个像素点在不同扫描位置的调制度曲线，通过提取调制度最大值所在位置实现对微纳结构的三维形貌进行精确的检测。
本发明与现有技术相比有如下优点：
(1)本发明提出基于结构光的微纳结构三维形貌高速检测方法实现高速的高精度三维形貌检测，其特征在于采用的结构光投影装置投射出的正弦光栅条纹与光轴成一定角度θ。该方法可实现水平扫描采集N帧图像即可通过傅里叶变换滤波算法，计算得到调制度值的分布，进而重建三维形貌。
(2)本发明不仅保留了结构光垂直测量方法的高精度，表面形貌复杂的成像等优点，而且利用精密压电陶瓷微步距进行水平扫描，可实现对非周期性的微纳结构的连续性测量，在结构光三维显微测量技术方面具有良好的应用前景。
附图说明
图1为本发明一种基于结构光的微纳结构三维形貌高速检测方法利用的检测系统示意图，其中，1为白光光源，2为tube透镜一，3为结构光投影装置，4为tube透镜二，5为黑白CCD相机，6为tube透镜三，7为半透半反镜，8为显微物镜，9为待测物体，10为PZT扫描台。
具体实施方式
下面结合附图和工作原理对本发明做进一步的详细说明。
本发明一种基于结构光的微纳结构三维形貌高速检测方法，如图1所示，白光光源1发射550nm的白光，经过tube透镜一2进行准直后照射到结构光投影装置3上；投影光线经过tube透镜二4以及半透半反镜7被反射到显微物镜8中照射到待测物体9表面；待测物体9在PZT扫描台10作用下进行水平扫描，其中，待测物体9的反射光线经过半透半反镜7和tube透镜三6后被黑白CCD相机5采集。采用结构光投影装置3投射出的正弦光栅条纹与光轴成一定角度θ，然后投影到待测物体9表面上，黑白CCD相机5通过半透半反镜7从共轭光路中同步获取物体高度调制的条纹图像。对采集的图像通过傅里叶变换滤波算法计算每一个像素点在不同水平扫描位置的调制度值，通过高斯拟合确定调制度曲线最大值位置，结合扫描距离进行系统的标定；同时还对CCD像素位置进行标定。利用事先标定所得的调制度值和高度的对应关系，进而实现对微纳结构的三维形貌进行精确的还原，可以实现对非周期性的微纳结构的连续性测量，具有很高的检测精度和效率。
首先采用中心波长为550nm的白光照明光，通过tube透镜一2，照射结构光投影装置投射出的投影出与光轴夹角为θ的正弦光栅条纹，光束经过tube透镜二4以及半透半反镜后经过显微物镜照射到待测物体表面，反射光束经过半透半反镜后，由tube透镜三6汇聚到黑白CCD进行采集，并转换为数字信号存储到计算机中进行保存。
系统在扫描工作前，需要利用标准平面物体对系统进行标定，利用结构光投影装置投射出的正弦光栅条纹，通过上位机程序控制精密压电陶瓷微步距水平扫描标准平面物体，利用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。测量装置控制标准平面在水平方向上扫描N次，对CCD系统采集到的条纹图，每个像素点得到N帧调制度值，采用傅里叶变换滤波算法，通过将获取的一帧条纹图进行傅里叶变换，然后选择适当的滤波器窗进行滤波操作，保留傅里叶频谱的基频分量并进行傅里叶逆变换和取模操作，最后可以计算得到每个像素点的调制度值。对于任一同位置的像素点都能找到其调制度值最大值，通过高斯拟合确定调制度曲线最大值位置，结合扫描距离进行系统的标定；同时还对系统的CCD像素位置进行标定。
利用压电陶瓷控制待测物体在水平方向上移动，CCD相机通过半透半反镜从共轭光路中同步获取待测物体高度调制的条纹图像，对采集的图像采用傅里叶变换滤波算法获得调制度值。利用事先标定所得的调制度值和高度的对应关系，即可实现物体的三维结构的连续性测量以及精确重建三维形貌。
本发明中，基于结构光的微纳结构三维形貌高速检测方法，采用结构光投影装置投射出的正弦光栅条纹与光轴成一定角度θ。一方面能保证实现很高的垂直测量精度、复杂面型的成像测量和测量效率，另一方面能够对待测物体进行水平扫描，可实现对非周期性的微纳结构的连续性测量。
Claims (3)
1.一种基于结构光的微纳结构三维形貌高速检测方法，其特征在于：所述方法步骤包括：
步骤S1：通过上位机程序控制精密压电陶瓷微步距水平扫描标准平面物体，利用结构光投影装置投射出的正弦光栅条纹与光轴成一定角度θ，CCD通过半透半反镜从共轭光路中同步获取调制条纹图像，然后转换为数字信号后存储到计算机中进行保存；
步骤S2：进一步利用傅里叶变换滤波算法对图像进行处理求取调制度值，由于水平扫描N次采集到了N帧调制图像，每个像素点通过傅里叶变换滤波算法得到N帧调制度值，进而得到每个像素点的调制度曲线；
步骤S3：对于任一同位置的像素点都能找到其调制度值最大值，通过高斯拟合确定调制度曲线最大值，结合扫描距离和调制度最大值位置重建标准平面的形貌；同时还需对CCD像素位置进行标定，进而完成对系统的标定；
步骤S4：然后对待测物体进行水平扫描，并采集物体高度调制的条纹图像，采用傅里叶变换滤波算法获得调制度值，通过提取调制度最大值所在位置实现对微纳结构的三维形貌进行精确的检测，即可实现物体的三维结构的连续性测量以及精确重建三维形貌。
2.如权利要求1所述基于结构光的微纳结构三维形貌高速检测方法，其特征在于：采用结构光投影装置投射出的正弦光栅条纹与光轴成一定角度θ，产生正弦光栅条纹的结构光投影装置可以为数字微镜阵列(DMD)、空间光调制器以及物理光栅等。
3.如权利要求1所述基于结构光的微纳结构三维形貌高速检测方法，其特征在于：利用傅里叶变换滤波算法，以单个像素点为单位计算不同水平扫描位置的图像调制度值，进而得到每个像素点在不同扫描位置的调制度曲线，通过提取调制度最大值所在位置实现对微纳结构的三维形貌进行精确的检测。
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