CN109596065B - 一种基于时域相移算法的高精度微纳三维测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于时域相移算法的高精度微纳三维测量方法，根据纵向每移动一次物体相应投影一幅相移条纹，扫描次数和投影的具有一定相位差的条纹图一一对应，CCD同步采集到携带物体高度信息的条纹图，进而通过相应算法提取物体高度信息来恢复物体三维形貌。在测量中，将计算机预先编码的相移条纹图随PZT扫描台的纵向移动同步循环投影到物体表面，CCD采集到一系列成像图片，对每个像素点纵向提取其在每幅图中的光强值绘制出光强曲线，再对光强曲线提取包络即为成像条纹图调制度曲线，此调制度曲线峰值位置对应像素点聚焦的粗略位置，对该位置附近点进行高斯曲线拟合得到准确聚焦位置，进而恢复物体三维形貌，具有非接触、速度快、高精度等特点。
Description
技术领域
本发明属于光学测量工程的技术领域，具体涉及一种基于时域相移算法的高精度微纳三维测量方法。
背景技术
近年来，在新兴技术的高速发展和强力推动下，超精密加工技术不断发展和进步，以及微机电系统、微光学元件等微观结构的制造与发展，对微结构表面形貌测量的高精度和高可靠性等要求日渐提高。表面形貌不仅对接触部件的机械与物理特性产生影响，而且也会影响非接触表面的特性，如光学器件的反射等等。对结构的测量是对结构加工的先决条件和质量保证，所以表面形貌的测量在材料和工程零部件的属性和功能方面起着至关重要的作用，由此对于微纳结构的测量方法精度要求越来越高，表面形貌测量技术在技术成熟方面和应用范围方面都得到了极大的发展。
表面形貌测量广泛应用于刀具检测、精密加工、材料科学、电子工业、生物医学等相关领域，尤其是在超精密加工、微机电系统制造领域，随着超精密加工技术的发展，微结构由结构简单、形状规则的工件逐渐扩展到结构复杂、形状不规则的工件，对微结构进行高精度、高可靠性表面形貌测量越来越重要。微结构的表面三维形貌会对器件的可靠性和使用性能产生显著的影响，同时也可反映工件加工的好坏，以改善工件质量。因此，提高表面测量技术对保证产品的高性能和高稳定性具有重要意义。
当前现有的微结构测量方法可以分为非光学和光学测量方法。其中光学测量方法以精度高、效率高、无损害等优点得到广泛应用。传统的光学测量方法精度上已经达到纳米级别，例如激光共聚焦法，利用点探测器对物体进行逐点测量，精度高但效率低，又如白光干涉法利用白光相干长度短的原理对物体进行测量，精度高速度快，但对于变慢变化剧烈的物体无法测量。而本发明设计的基于时域相移算法的高精度微纳三维测量方根据纵向移动一次物体相应投影一幅相移条纹，CCD同步采集到携带物体高度信息的成像图片，然后通过相应算法提取物体高度信息来测量物体三维形貌。在测量中，将计算机预先编码的相移条纹图随PZT扫描台的纵向移动同步循环投影到物体表面，CCD采集到一系列成像图片，对每个像素点纵向提取其在每幅图中的光强值绘制出光强曲线，再对光强曲线提取包络即为成像条纹图调制度曲线，此调制度曲线峰值位置对应像素点聚焦的粗略位置，然后对该位置附近点进行高斯曲线拟合得到准确聚焦位置，进而恢复物体三维形貌。
发明内容
本发明设计了一种基于时域相移算法的高精度微纳三维测量方法，此方法具有精度高、速度快、适用广的优点，具有广泛的应用前景。
为了达成上述目的，本发明提供的技术方案为：一种基于时域相移算法的高精度微纳三维测量方法，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，每扫描一步，利用DMD将一幅编码的正弦相移条纹投影到物体表面，若干幅具有一定相位差的正弦光栅条纹随扫描次数依次循环使用。CCD采集到一系列携带物体高度信息的成像图片，转化为数字信号存储到计算机中。
步骤S2：提取每个像素点在每幅图中的光强，绘制出每个像素点随扫描位置变化的光强曲线，然后提取光强曲线的包络曲线即为图片的调制度曲线。
步骤S3：提取出调制度曲线峰值所在的扫描位置，将此作为像素点粗略焦面位置，进一步通过对粗略焦面位置进行高斯曲线拟合得到准确调焦位置。
步骤S4：得到各个像素点准确调焦位置后即可恢复物体三维形貌。
其中，通过逐步投影相移条纹来改变像素点纵向光强进而获得光强曲线，光强曲线的包络线即为调制度曲线，而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峰值所在的扫描位置和高斯曲线拟合算法，得到像素点准确调焦的位置，进而获得像素点相对高度信息即物体三维形貌。
本发明的基本原理：一种基于时域相移算法的高精度微纳三维测量方法，通过上位机程序控制压电陶瓷微步距垂直扫描待测物体，第一步扫描，利用DMD投影预先编码的具有π/4相位差的正弦光栅条纹的第一幅，随后每一步扫描依次循环投影相移条纹图，同时CCD同步采集携带物体高度信息的图片，转换为数字信号存储到计算机中；针对每一个像素点，提取出其在每幅图片中的光强值绘制光强曲线，再对光强曲线做提取包络处理，将包络曲线的峰值位置作为粗略焦面位置；随后通过高斯曲线拟合算法得到精确焦面位置；重复操作后得到每个像素点的相对位置信息即可获得物体三维形貌。
其中，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，以为为依据来寻找像素点的精确聚焦位置。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)该方法与干涉测量相比，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，可适用于更多层结构的检测。
(2)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。
(3)该方法与传统结构光测量相比，每步扫描只需投影一幅相移图片，光强图并行复用简化测量过程。
(4)该方法同时具有非接触、速度快、高精度、适用性广泛等优点。
附图说明
图1为测量系统示意图，其中：1为白光光源，2为准直扩束镜，3为数字微镜阵列(DMD)，4为tube透镜一，5为分光镜，6为tube透镜二，7为CCD采集系统，8显微透镜，9为待测物体，10为微步距压电陶瓷。
图2为本发明所公开的一种基于时域相移算法的高精度微纳三维测量方法流程图。
图3为提取光强包络示意图。
图4为模拟物体图和恢复图，其中，图4(a)为模拟物体形貌图，图4(b)为恢复物体形貌图。
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。
本发明一种基于时域相移算法的高精度微纳三维测量方法利用的测量系统光路图如图1所示，使用白光光源1经过准直扩束镜2后照明数字微镜阵列(DMD)3，光束经过tube透镜一4、分光镜5和显微镜头8照射到待测物体9表面，其中数字微镜阵列(DMD)位于tube透镜一的焦面位置，经过物体表面反射后光路经过tube透镜二6，CCD采集系统7采集到携带物体高度信息的条纹图，其中CCD位于tube透镜二的焦面位置，最后通过微步距压电陶瓷10对物体进行纵向扫描实现三维测量。
如图2所示，本发明所公开的一种基于时域相移算法的高精度微纳三维测量方法，具体实施步骤如下：
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，每扫描一步，利用DMD将一幅编码的正弦相移条纹投影到物体表面，若干幅具有一定相位差的正弦光栅条纹随扫描次数依次循环使用。CCD采集到一系列携带物体高度信息的成像图片，转化为数字信号存储到计算机中。
步骤S2：提取每个像素点在每幅图中的光强，绘制出每个像素点随扫描位置变化的光强曲线，然后提取光强曲线的包络曲线即为图片的调制度曲线。
步骤S3：提取出调制度曲线峰值所在的扫描位置，将此作为像素点粗略焦面位置，进一步通过对粗略焦面位置进行高斯曲线拟合得到准确调焦位置。
步骤S4：得到各个像素点准确调焦位置后即可恢复物体三维形貌。
其中，以8幅具有π/4相位差的正弦光栅条纹为例，投影的条纹可表示为：
其中I1,I2,I3,I4,I5,I6,I7,I8分别为8幅相移条纹光强，T为正弦光栅条纹周期，x为像素点。
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) (2)
其中，I(x,y)为光强，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为正弦光场空间频率。
然后针对每个像素点提取出在每幅图中的光强值绘制光强曲线并进行提取包络处理，如图3所示，其中，光强包络曲线对应调制度曲线，其峰值位置对应调制度值最大值位置即为聚焦位置。经过上述提取包络处理得到粗略聚焦位置，进一步结合高斯曲线拟合得到精确聚焦位置，最后完成物体三维重建。
Claims (1)
1.一种基于时域相移算法的高精度微纳三维测量方法，其特征在于：实施步骤如下：
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，每扫描一步，利用数字微镜阵列将一幅编码的正弦相移条纹投影到物体表面，若干幅具有一定相位差的正弦光栅条纹随扫描次数依次循环使用，CCD采集到一系列携带物体高度信息的成像图片，转化为数字信号存储到计算机中，其中，使用白光光源经过准直扩束镜后照明数字微镜阵列，光束经过tube透镜一、分光镜和显微镜头照射到待测物体表面，其中数字微镜阵列位于tube透镜一的焦面位置，经过物体表面反射后光路经过tube透镜二，CCD采集系统采集到携带物体高度信息的条纹图，其中CCD位于tube透镜二的焦面位置，最后通过微步距压电陶瓷对物体进行纵向扫描实现三维测量；
步骤S2：提取每个像素点在每幅图中的光强，绘制出每个像素点随扫描位置变化的光强曲线，然后提取光强曲线的包络曲线即为图片的调制度曲线；
步骤S3：提取出调制度曲线峰值所在的扫描位置，将此作为像素点粗略焦面位置，进一步通过对粗略焦面位置进行高斯曲线拟合得到准确调焦位置；
步骤S4：得到各个像素点准确调焦位置后即可恢复物体三维形貌；
其中，对于8幅具有π/4相位差的正弦光栅条纹，投影的条纹可表示为：
其中I1,I2,I3,I4,I5,I6,I7,I8分别为8幅相移条纹光强，T为正弦光栅条纹周期，x为像素点；
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) (2)
其中，I(x,y)为光强，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为正弦光场空间频率；
然后针对每个像素点提取出在每幅图中的光强值绘制光强曲线并进行提取包络处理，其中，光强包络曲线对应调制度曲线，其峰值位置对应调制度值最大值位置即为聚焦位置，经过上述提取包络处理得到粗略聚焦位置，进一步结合高斯曲线拟合得到精确聚焦位置，最后完成物体三维重建。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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