CN111220090A - 一种线聚焦差动彩色共焦三维表面形貌测量系统及方法 - Google Patents

一种线聚焦差动彩色共焦三维表面形貌测量系统及方法 Download PDF

Info

Publication number
CN111220090A
CN111220090A CN202010220510.5A CN202010220510A CN111220090A CN 111220090 A CN111220090 A CN 111220090A CN 202010220510 A CN202010220510 A CN 202010220510A CN 111220090 A CN111220090 A CN 111220090A
Authority
CN
China
Prior art keywords
dimensional
spectrum
optical axis
height
measurement
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202010220510.5A
Other languages
English (en)
Inventor
易定容
蒋威
孔令华
叶一青
朱星星
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ningbo 5 D Inspection Technology Co ltd
Original Assignee
Ningbo 5 D Inspection Technology Co ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ningbo 5 D Inspection Technology Co ltd filed Critical Ningbo 5 D Inspection Technology Co ltd
Priority to CN202010220510.5A priority Critical patent/CN111220090A/zh
Publication of CN111220090A publication Critical patent/CN111220090A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/24—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/02—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness
    • G01B11/06—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness for measuring thickness ; e.g. of sheet material
    • G01B11/0616—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness for measuring thickness ; e.g. of sheet material of coating
    • G01B11/0625—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness for measuring thickness ; e.g. of sheet material of coating with measurement of absorption or reflection
    • G01B11/0633—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness for measuring thickness ; e.g. of sheet material of coating with measurement of absorption or reflection using one or more discrete wavelengths

Abstract

本发明涉及一种线聚焦差动彩色共焦三维表面形貌测量方法，将不同波长的光聚焦于被测物表面，通过两个光谱相机接收被测物表面的反射光，得到两个同视场下沿狭窄照明线方向即X方向上每一点Xn光谱响应强度随高度Z变化的曲线；然后基于彩色共焦理论与差动三维检测原理融合得到被测物点在光轴方向高度Z，综合光轴方向高度Z与垂直光轴方向二维坐标信息重构被测物表面的三维形貌。本发明仅需一次成像即可完成对被测量物被照线区域内的高度信息提取，高度信息通过任意两光谱探测器光强差异计算获得，保证其超精密纳米精度测量；实现透明样品膜厚测量及普通样品三维形貌测量。

Description

一种线聚焦差动彩色共焦三维表面形貌测量系统及方法
技术领域
本发明属于光学微纳测量技术领域，具体涉及一种线聚焦差动彩色共焦三维表面形貌测量系统及方法。
背景技术
超精密三维测量技术是现代精密制造、先进加工制造技术的核心基础与关键技术，广泛地运用于航空航天、国防工业、生物医学、通信工程及微电子等领域中，现代制造业对表面形貌测量提出了高精度、大测量范围以及快速的要求。光学测量方法不需要提前制备测量样品且无需接触样品，因此不会对被测样品表面造成破坏；相比于接触式及扫描探针显微镜的三维测量方法，光学测量方法不需要物理探针，因此在样品测量准备及测量时更灵活，速度的提升可以通过无扫描测量的方式实现，可以实现实时三维形貌测量甚至高速三维形貌测量；光学测量方法不需要使用探针物理接触或尽可能接触样品表面，因此不会对样品表面造成永久破坏。目前已开发了各种光学三维表面测量方法。
已有用于光学测量的干涉式三维表面测量方法利用光的干涉对位置敏感的特性，能够实现快速表面形貌成像，对光滑表面进行三维表面形貌测量，徕卡(Leica)的DCM9可支持白光干涉与移相干涉两种干涉式测量方法，白光干涉下的高度测量误差为3nm，高度测量范围为10mm，而移相干涉下的高度测量误差为0.16nm，高度测量范围为20μm。但通常干涉式的测量方法需要在一个视场位置纵向调节参考光路光程，需要在单个视场位置静态停止，该方法难以避免走走停停的问题；该方法难以测量粗糙表面样品及测量表面亮度差异大的样品；该方法无法实现透明样品膜厚测量。
已有用于光学测量的激光共聚焦技术采用了光学切片获得被测样品表面形貌，共聚焦显微镜成像时只有聚焦的信号能够大幅进入探测器，利用这一特性可以在光轴方向上移动物体，通过寻找移动过程中的光强峰值即可确定被测量样品三维高度。针对光轴方向上移动物体的测量方式缓慢且精度受限于载物台移动精度的问题，中国专利201410790677.X公开了一种差动共聚焦显微技术，利用焦前焦后两个探测器的光强差异还原物体光轴方向高度，可以实现纳米级且纵向无扫描测量，但该方法需要在静态单个视场范围内进行逐点扫描，才能完成单个视场的形貌测量，仍然不能避免一个视场到另外一个视场测量间走走停停的问题。同时该方法无法实现透明样品膜厚测量。
中国发明专利201811141205.6公开了一种彩色共焦三维形貌测量方法与系统，利用彩色相机代替传统单点光谱探测器，根据相机采集到的RGB信息转化为HIS颜色模型，再转化为物体在光轴方向的高度，可以实现面三维形貌测量，但该方法使用子孔径扫描方式进行大视场测量，为了图像拼接需要载物台移动存在明显的停顿，测量传输过程的速度不连续影响测量的准确性与实时性，且彩色相机各个通道的带宽较大，影响测量结果的准确性。
美国专利US10082655B2公开了一种差动滤波彩色共焦显微镜系统，利用不同狭缝产生不同宽度线光源，其中不同光源光偏振态不同，利用分光镜与检偏器使得不同探测器探测不同宽度聚焦线光束，两探测器在光学系统中处于相同聚焦位置处，根据两个探测器获取光强的差值计算被测样品沿光轴方向高度，该测量方法能够在保证彩色共焦测量技术精度的同时实现快速线扫描成像。但该系统所需组成结构较复杂，利用狭缝宽度不同造成探测端光强差异对样品光轴方向高度变化敏感的方式完成测量，其测量灵敏度不及差动原理的测量灵敏度，且无法实现透明样品膜厚测量。
本发明提供一种线聚焦差动彩色共焦三维表面形貌测量系统及方法来克服上述缺陷。
发明内容
本发明目的在于提供一种线聚焦差动彩色共焦三维表面形貌测量系统及方法，用于解决上述现有技术中存在的技术问题之一，如：需要在静态单个视场范围内进行逐点扫描，才能完成单个视场的形貌测量，仍然不能避免一个视场到另外一个视场测量间走走停停的问题；无法实现透明样品膜厚测量；测量灵敏度不及差动原理的测量灵敏度。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种线聚焦差动彩色共焦三维表面形貌测量系统，包括：
照明单元，所述照明单元包含一个复色光源，该复色光源产生复色光，复色光包括多个波长；所述照明单元通过光源线整形元件将复色光源配置成一维线阵光束；所述照明单元还通过色散元件将光源配置成不同波长光束具有不同焦深的色散光束；所述照明单元将光源配置得到一维线阵色散光束，一维线阵色散光束照射于被测物表面，任意光轴轴向高度Z处存在唯一波长值λ的线光束处于聚焦状态；
测量空间，所述测量空间为可容纳被测样品的空间，被测样品被设置于一个可移动的载物台上并可以自由的在测量空间中移动；
成像单元，该成像单元包含用于对从被测样品表面的反射光束进行聚焦的成像透镜组，还包含将聚集反射光等能量分成两束光的分光片，两个误差范围内完全等同的狭缝；所述的两个狭缝等距离放置在所述成像透镜组(对应于主波段的)焦面前后，一个在焦面前，一个在焦面后；从样品表面反射的反射光先继通过所述聚焦成像透镜组、分光片分为两路，每路各自相继经过狭缝，之后分别进入所述的探测器成像；来自样品表面的反射光束为包含一个或若干个波长值λm的光束，其波长值λ与被测样品表面沿光轴轴向高度Z相关其中m∈1，2，…，M；
探测器，所述探测器包含误差许可范围内两个完全等同的光谱相机，分别放置于所述成像单元两个成像光路的狭缝之后，每个所述光谱相机包含面阵黑白相机和一个色散原件；每个所述光谱相机接收成像单元收集的被测物返回线光束，该线光束与所述光谱相机的图像传感器第一维度X维度像素对齐，该X维度上坐标值与被测物表面一维坐标值一一对应；所述光谱相机通过横向色散元件将任意坐标Xn处光束配置为横向色散光束，所述横向色散光束的光谱波长值λ与光谱相机的图像传感器第二维度Y维度像素对齐，该Y维度坐标Ym与被测物返回光束光谱波长值λm一一对应，其中n∈1，2，…，N；
处理单元，该处理单元与所述探测器相连，所述处理单元为任意具备图像信息处理能力的处理器，所述处理器用于处理所述探测器得到的图像，将推扫测量范围拼接成测量条带，将测量条带拼接成整个测量表面，得到被测样品表面三维信息。
通过上述方案，照明单元输出一维线阵纵向色散光束，该光束投射到处在测量空间中的样品表面上，不同波长λ的光束聚焦于不同光轴轴向高度Z上；对于透明膜厚测量，相对于与介质内部照明线光束直接透射，不同介质表面Z处对应的照明线光束还能反射回到成像系统中；成像单元将返回光束收集到放置于两个不同焦面上的探测器上，两探测器的焦面位置相对于某一中心波长λ聚焦的焦面对称，且放置距离调整将影响差动理论高精度表面形貌还原的测量精度与范围；探测器被配置成能够识别线阵光束上每一点的光谱波长值λ，根据探测器检测到的光谱波长值λ，可以完成每个透明膜表面高度Z的测量；由于两个探测器放置在相对于某一中心波长λ聚焦焦面对称的两个不同焦面上，同一物点光线被两探测器同时收集，其各自的光强因透明膜表面高度Z变化而存在差异，根据像方差动共焦理论，处理单元通过标定好的光强与透明膜表面高度Z之间的关系计算得到透明膜高精度表面高度。并且，在水平方向上(横向上)：本系统采用线聚焦光束扫描的方式，可以对大尺寸样品进行不间断、快速地线扫描完成成像。相比于面成像的子孔径扫描，线扫描可以匀速不停顿地动态扫描成像；而一般的面成像采用子孔径扫描完成大尺寸样品成像，需要对视场内样品成像之后，反馈给控制系统采集完成的信号后，才能移动样品到下一个位置，再次停顿成像测量。高度方向上(纵向上)：本系统采用彩色共焦技术与差动共焦技术结合的方法测量表面形貌高度，两种方法在高度测量上都无需移动被测样品扫描测量。例如：彩色共焦技术，建立波长值λ与高度Z的关系，本系统采用了线阵光谱相机，建立像素一维坐标Ym(m∈1，2，…，M)与波长值λm(m∈1，2，…，M)的关系，因此水平上扫描一次成像后，处理系统根据一帧图像中每一点的像素二维坐标，可以同时得到物点的一维坐标信息Xn(n∈1，2，…，N)及一维光谱/高度信息λm(m∈1，2，…，M)，结合水平方向上的线扫描，根据时间与速度匹配得到物点另一维坐标信息Y’k(k∈1，2，…，K)。另一方面，差动共焦技术在纵向上通过光强信息I解析高度Z，同样不需要系统在高度方向上对样品进行扫描。综合线扫描+彩色共焦、差动共焦技术，可以在XYZ三维坐标实现不间断扫描测量。
优选的，不同波长λm(m∈1，2，…，M)的单色光由复合光源发出经色散单元后获得，不同波长λm(m∈1，2，…，M)单色光沿光轴方向聚焦于物方不同光轴轴向高度Z上。
通过上述方案，对于透明膜厚测量，相对于与介质内部照明线光束直接透射，不同介质表面处对应的照明线光束还能反射回到成像系统中，根据探测器检测到的光谱波长值λ，可以快速完成每个透明膜表面高度Z的测量。
优选的，光源线整形元件可以使用狭缝、柱面透镜、特殊线阵光源及其它任何可以将光源配置成线光束的方式调制得到一维线阵光束。
通过上述方案，可以实现后续一维扫描的快速大尺寸测量的需求，此点旨在说明我们可以采用任何能得到一维线阵光束的装置作为照明单元的一部分。
优选的，色散元件可以使用折射式色散透镜、衍射式色散透镜、反射式色散镜及其它任何可以将光源配置成不同波长光束具有不同焦深的方式调制得到色散光束。
通过上述方案，对于透明膜厚测量，相对于与介质内部照明线光束直接透射，不同介质表面处对应的照明线光束还能反射回到成像系统中，根据探测器检测到的光谱波长值λ，可以快速完成每个透明膜表面高度Z的测量。此点旨在说明我们可以采用任何能得到色散光束的元件作为照明单元的一部分。
优选的，可以通过任意方式组合或结合色散元件与光源线整形元件调制得到一维线阵色散光束。
通过上述方案，旨在补充说明上述两点，任何可以得到一维线阵色散光束的装置都可作为本系统的照明单元。
优选的，载物台可为一维运动载物台，带动被测物进行一维运动。
通过上述方案，能够扩展测量尺度，使本系统能快速测量大尺寸样品。
优选的，载物台也可是任何形式的移动载物台，带动被测物在二维平面移动或三维空间姿态调整与移动。
通过上述方案，任何可以实现位移的载物台都可以作为本系统的测量空间的一部分。
所述载物台为三维运动载物台，用于带动被测物先沿第一方向即Y方向进行一维运动，形成一长条覆盖样品沿Y方向的测量条带；之后沿第二方向即X方向移动测量条带宽度范围，之后沿着负Y方向移动，形成第二条覆盖样品Y方向的测量条带，重复操作，获得整个样品表面的形貌测量
优选的，载物台可向处理器返回即时的位置信息，根据即时位置信息记录响应被测样品光轴方向轴向高度，遍历被测物表面完成三维表面测量。
通过上述方案，带有位置信息的载物台可以提供被测样品表面点的一维坐标Y’ k(k∈1，2，…，K)。
优选的，所述照明单元采用的色散元件可以是光栅反射镜、色散棱镜及其它任何可以将光源配置成不同波长光束具有不同成像高度的方式调制得到横向色散光束。所述探测器采用的色散元件为：光栅反射镜、色散棱镜或其它可将光源配置成不同波长光束具有不同成像高度的方式调制得到横向色散光束。
通过上述方案，旨在说明任何能够得到横向色散光束的器件均可作为探测器的一部分。
一种线聚焦差动彩色共焦三维表面形貌测量方法，将不同波长的光聚焦于被测物表面，通过两个光谱相机接收物体反射光，得到两个同视场下沿狭窄照明线方向即X方向上每一点Xn(n∈1，2，…，N)光谱响应强度随高度Z变化的曲线IF(λ)和IB(λ)。对于透明膜厚测量，相对于与介质内部照明线光束直接透射，不同介质表面Z处对应的照明线光束λ还能反射回到成像系统中，根据探测器检测到的光谱波长值λ，可以完成每个透明膜表面高度Z的测量；根据像方差动理论，所述曲线IF(λ)和IB(λ)能够完成高精度表面高度测量。
优选的，涉及线聚焦差动彩色共焦三维形貌测量方法，该方法基于彩色共焦理论与差动三维检测原理融合得到被测物点在光轴方向高度Z，根据几何线聚焦一维坐标信息Xn(n∈1，2，…，N)与运动位置精准记录坐标信息Y’ k(k∈1，2，…，K)重构被测物表面垂直光轴方向二维坐标信息，综合光轴方向高度Z与垂直光轴方向二维坐标信息重构被测物表面的三维形貌。彩色共焦理论能够实现透明膜厚测量，差动三维检测原理能够对彩色共焦检测到的膜层表面进行高精度形貌还原。
涉及彩色共焦理论，所述彩色共焦理论得到物体三维表面形貌大量程初步估计。对于任意一个光谱相机，标定光谱波长λ与被测物表面光轴方向高度Z关系曲线，根据光谱相机接收图像，根据光谱波长方向的峰值初步定位被测物表面光轴方向高度Z；结合图像对应垂直载物台扫描方向且垂直光轴方向一维线坐标信息Xn(n∈1，2，…，N)，载物台扫描位置一维坐标信息Y’ k(k∈1，2，…，K)，重构被测样品表面三维形貌。对于透明膜厚测量，相对于与介质内部照明线光束直接透射，不同介质表面Z处对应的照明线光束λ还能反射回到成像系统中，根据探测器检测到的光谱波长值λ，可以快速完成每个透明膜表面高度Z的测量。
光谱相机接收的光谱光强信号I，根据光谱光强响应峰值坐标λmax确定被测物表面在光轴方向上高度，光谱相机的光谱探测范围与光谱相机放置位置有关，不同光谱相机放置于沿光轴方向距聚焦透镜不同距离处，需要光谱相机具备不同的光谱探测范围。能够拓展“线聚焦彩色差动共焦三维表面形貌测量方法”的测量范围。
对于每一台光谱相机，相机垂直成像线的一维方向坐标值Ym(m∈1，2，…，M)与光谱波长值λm(m∈1，2，…，M)相关，光谱波长值λ包含像素点对应被测物点的沿光轴方向的轴向高度信息Z。
建立相机一维坐标值Ym(m∈1，2，…，M)与光谱波长值λm(m∈1，2，…，M)的映射关系，建立光波长值λm(m∈1，2，…，M)与光轴轴向高度Z的映射关系，拟合出标定曲线；根据标定曲线，测量被测物表面每个位置的高度信息Z，实现被测物表面形貌微米精度测量。可以根据像素坐标Ym直接确定光谱波长λ，对于透明膜厚测量，相对于与介质内部照明线光束直接透射，不同介质表面Z处对应的照明线光束λ还能反射回到成像系统中，根据探测器检测到的光谱波长值λ，可以快速完成每个透明膜表面高度Z的测量。
优选的，涉及差动三维检测原理，所述差动三维检测原理得到物体三维表面形貌小量程精确估计。两台相机分别设置于沿光轴方向距光束聚焦位置的前后相同距离处。对于任意一个光谱波长λm(m∈1，2，…，M)，标定两光谱相机相同光谱波长的光强值差值IF(Xn,λm)-IB(Xn,λm)(n∈1，2，…，N，m∈1，2，…，M)与被测物表面光轴方向高度Z关系曲线，根据光谱相机接收图像，计算两台光谱相机的光谱光强峰值坐标λmax处对应垂直扫描方向与光轴方向一维坐标处的亮度差值IF(Xn,λm)-IB(Xn,λm)(n∈1，2，…，N，m∈1，2，…，M)，精确计算被测物表面光轴方向高度Z；结合图像对应垂直载物台扫描方向且垂直光轴方向一维线坐标信息Xn(n∈1，2，…，N)，载物台扫描位置一维坐标信息Y’ k(k∈1，2，…，K)，重构被测样品表面三维形貌。该原理根据不同探测器光谱探测范围的重叠区域进行物体三维表面形貌精确估计。重叠区域内能够实现物方差动高精度表面形貌测量，非重叠区域可以通过彩色共焦技术实现快速膜高度测量，可用于快速聚焦使用。
探测器得到的单幅光谱图像中的每一像素点包含对应物点一维坐标信息Xn(n∈1，2，…，N)、对应聚焦光束波长值λm(m∈1，2，…，M)及其光强值I(Xn,λm)(n∈1，2，…，N，m∈1，2，…，M)。探测器每一点包含被测透明样品膜层表面对应的一维空间坐标值Xn(n∈1，2，…，N)；探测器每一点包含被测透明样品膜层表面高度信息Z的对应聚焦光束波长值λm(m∈1，2，…，M)，可用于快速快速完成每个透明膜表面高度Z的测量；探测器每一点包含被测透明样品膜层表面高度信息Z的光强值I(Xn,λm)(n∈1，2，…，N，m∈1，2，…，M)，可基于物方差动共焦理论进行高精度表面高度还原。
探测器的光谱探测范围可通过调整色散元件进行改变，探测器数量不限，探测器数量增加且光谱探测范围不同，叠加光谱检测范围，同时以此叠加彩色共焦理论与差动理论结合的光轴方向高度测量范围。
同时采集的两幅或多幅光谱图像中的每一点对应光谱光强信息相互之间存在差异，该差异由光谱相机放置于沿光轴方向距光束聚焦位置的前后相同距离处产生，光强值随被测物表面每个位置的高度信息Z变化，即差异是由相机放置于不同位置造成的，相机位置固定时，光谱强度值(光强值I)随被测物表面每个位置的高度信息Z变化，其差值IF(Xn,λm)-IB(Xn,λm)(n∈1，2，…，N，m∈1，2，…，M)包含像素点对应被测物点的沿光轴方向的轴向高度信息Z。
建立IF(Xn,λm)-IB(Xn,λm)(n∈1，2，…，N，m∈1，2，…，M)与光轴轴向高度Z的映射关系，拟合出标定曲线；根据标定曲线，测量被测物表面每个位置的高度信息Z，实现被测物表面形貌纳米精度测量。
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：仅需一次成像即可完成对被测量物被照线区域内的高度信息提取，高度信息通过任意两光谱探测器光强差异计算获得，保证其超精密纳米精度测量；对被测样品进行匀速线扫描快速完成大尺寸三维表面形貌测量；使用光谱相机探测光谱响应曲线的多峰值(即两个探测器的测量光谱响应曲线差)随高度变化，实现透明样品膜厚测量及普通样品三维形貌测量。
附图说明
图1是实施例3的线聚焦差动彩色共焦三维形貌测量系统结构框图。
图2是实施例3的光谱相机结构示意图。
图3是实施例3的透明多层物体光谱相机探测光谱响应曲线及光谱峰值处光强分布。
图4是实施例3的差动三维检测理论测量曲线。
其中，虚线为焦前探测器任意光谱波长值λ处光强随被测物表面高度Z变化归一化曲线，点划线为焦后探测器任意光谱波长值λ处光强随被测表面高度Z变化归一化曲线，实线为上述两归一化曲线做差结果，即差动曲线。
图5是实施例3的线聚焦差动彩色共焦三维形貌测量曲线示意图。
图6是实施例4的线聚焦差动彩色共焦三维形貌测量系统结构框图。
图7是实施例4的透明多层物体短波光谱相机探测光谱响应曲线结果。
图8是实施例4的透明多层物体长波光谱相机探测光谱响应曲线结果。
图9是实施例4的线聚焦差动彩色共焦三维形貌测量曲线示意图。
其中1是复色光源，2是汇聚透镜，3是狭缝，4是准直透镜，5是分光镜，6是色散透镜组，7是聚焦透镜，8是被测样品，9是载物台，10是分光镜，11是汇聚透镜，12是成像线狭缝，13是黑白相机，14是汇聚透镜，15是成像线狭缝，16是黑白相机，17是处理器，18是准直透镜，19是横向色散元件，20为黑白相机的图像传感器。
具体实施方式
下面结合本发明的附图1-9，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
一种线聚焦差动彩色共焦三维表面形貌测量系统，包括：
照明单元，所述照明单元包含一个复色光源，该复色光源产生复色光，复色光包括多个波长；所述照明单元通过光源线整形元件将复色光源配置成一维线阵光束；所述照明单元还通过色散元件将光源配置成不同波长光束具有不同焦深的色散光束；所述照明单元将光源配置得到一维线阵色散光束，一维线阵色散光束照射于被测物表面，任意光轴轴向高度Z处存在唯一波长值λ的线光束处于聚焦状态；
测量空间，所述测量空间为可容纳被测样品的空间，被测样品被设置于一个可移动的载物台上并可以自由的在测量空间中移动；
成像单元，所述成像单元用于捕获被测样品表面的聚焦光束，该聚焦光束为包含一个或若干个波长值λm(m∈1，2，…，M)的线光束，其波长值λ与被测样品表面沿光轴轴向高度Z相关；所述成像单元还将采集到的线光束传输至探测器进行成像；收集到的不同波长值λm(m∈1，2，…，M)可以被调制成聚焦于同一成像面，也可以被调制成聚焦于不同成像面；
探测器，所述探测器包含两个光谱相机，所述光谱相机包含面阵黑白相机与色散元件；所述光谱相机接收成像单元收集的被测物返回线光束，该线光束与所述光谱相机的图像传感器第一维度X维度像素对齐，该X维度上坐标值与被测物表面一维坐标值一一对应；所述光谱相机通过横向色散元件将任意坐标Xn(n∈1，2，…，N)处光束配置为横向色散光束，所述横向色散光束的光谱波长值λ与光谱相机的图像传感器第二维度Y维度像素对齐，该Y维度坐标Ym(m∈1，2，…，M)与被测物返回光束光谱波长值λm(m∈1，2，…，M)一一对应；
处理单元，该处理单元与所述探测器相连，所述处理单元为任意具备处理信息能力的处理器，所述处理器用于处理所述探测器得到的图像，计算得到被测样品表面三维信息。
本实施例1的工作原理简述：照明单元输出一维线阵纵向色散光束，该光束投射到处在测量空间中的样品表面上，不同波长λ的光束聚焦于不同光轴轴向高度Z上；对于透明膜厚测量，相对于与介质内部照明线光束直接透射，不同介质表面Z处对应的照明线光束还能反射回到成像系统中；成像单元将返回光束收集到放置于两个不同焦面上的探测器上，两探测器的焦面位置相对于某一中心波长λ聚焦的焦面对称，且放置距离调整将影响差动理论高精度表面形貌还原的测量精度与范围；探测器被配置成能够识别线阵光束上每一点的光谱波长值λ，根据探测器检测到的光谱波长值λ，可以完成每个透明膜表面高度Z的测量；由于两个探测器放置在相对于某一中心波长λ聚焦焦面对称的两个不同焦面上，同一物点光线被两探测器同时收集，其各自的光强因透明膜表面高度Z变化而存在差异，根据像方差动共焦理论，处理单元通过标定好的光强与透明膜表面高度Z之间的关系计算得到透明膜高精度表面高度。并且，在水平方向上(横向上)：本系统采用线聚焦光束扫描的方式，可以对大尺寸样品进行不间断、快速地线扫描完成成像。相比于面成像的子孔径扫描，线扫描可以匀速不停顿地动态扫描成像；而一般的面成像采用子孔径扫描完成大尺寸样品成像，需要对视场内样品成像之后，反馈给控制系统采集完成的信号后，才能移动样品到下一个位置，再次停顿成像测量。高度方向上(纵向上)：本系统采用彩色共焦技术与差动共焦技术结合的方法测量表面形貌高度，两种方法在高度测量上都无需移动被测样品扫描测量。例如：彩色共焦技术，建立波长值λ与高度Z的关系，本系统采用了线阵光谱相机，建立像素一维坐标Ym(m∈1，2，…，M)与波长值λm(m∈1，2，…，M)的关系，因此水平上扫描一次成像后，处理系统根据一帧图像中每一点的像素二维坐标，可以同时得到物点的一维坐标信息Xn(n∈1，2，…，N)及一维光谱/高度信息λm(m∈1，2，…，M)，结合水平方向上的线扫描，根据时间与速度匹配得到物点另一维坐标信息Y’k(k∈1，2，…，K)。另一方面，差动共焦技术在纵向上通过光强信息I解析高度Z，同样不需要系统在高度方向上对样品进行扫描。综合线扫描+彩色共焦、差动共焦技术，可以在XYZ三维坐标实现不间断扫描测量。
优选的，不同波长λm(m∈1，2，…，M)的单色光由复合光源发出经色散单元后获得，不同波长λm(m∈1，2，…，M)单色光沿光轴方向聚焦于物方不同光轴轴向高度Z上。
通过上述方案，对于透明膜厚测量，相对于与介质内部照明线光束直接透射，不同介质表面处对应的照明线光束还能反射回到成像系统中，根据探测器检测到的光谱波长值λ，可以快速完成每个透明膜表面高度Z的测量。
优选的，光源线整形元件可以使用狭缝、柱面透镜、特殊线阵光源及其它任何可以将光源配置成线光束的方式调制得到一维线阵光束。
通过上述方案，可以实现后续一维扫描的快速大尺寸测量的需求，此点旨在说明我们可以采用任何能得到一维线阵光束的装置作为照明单元的一部分。
优选的，色散元件可以使用折射式色散透镜、衍射式色散透镜、反射式色散镜及其它任何可以将光源配置成不同波长光束具有不同焦深的方式调制得到色散光束。
通过上述方案，对于透明膜厚测量，相对于与介质内部照明线光束直接透射，不同介质表面处对应的照明线光束还能反射回到成像系统中，根据探测器检测到的光谱波长值λ，可以快速完成每个透明膜表面高度Z的测量。此点旨在说明我们可以采用任何能得到色散光束的元件作为照明单元的一部分。
优选的，可以通过任意方式组合或结合色散元件与光源线整形元件调制得到一维线阵色散光束。
通过上述方案，旨在补充说明上述两点，任何可以得到一维线阵色散光束的装置都可作为本系统的照明单元。
优选的，载物台可为一维运动载物台，带动被测物进行一维运动。
通过上述方案，能够扩展测量尺度，使本系统能快速测量大尺寸样品。
优选的，载物台也可是任何形式的移动载物台，带动被测物在二维平面移动或三维空间姿态调整与移动。
通过上述方案，任何可以实现位移的载物台都可以作为本系统的测量空间的一部分。
所述载物台可为三维运动载物台，用于带动被测物先沿第一方向即Y方向进行一维运动，形成一长条覆盖样品沿Y方向的测量条带；之后沿第二方向即X方向移动测量条带宽度范围，之后沿着负Y方向移动，形成第二条覆盖样品Y方向的测量条带，重复操作，获得整个样品表面的形貌测量。
优选的，载物台可向处理器返回即时的位置信息，根据即时位置信息记录响应被测样品光轴方向轴向高度，遍历被测物表面完成三维表面测量。
通过上述方案，带有时间信息的载物台可以提供被测样品表面点的一维坐标Y’ k(k∈1，2，…，K)。
优选的，色散元件可以使用光栅反射镜、色散棱镜及其它任何可以将光源配置成不同波长光束具有不同成像高度的方式调制得到横向色散光束。
通过上述方案，旨在说明任何能够得到横向色散光束的器件均可作为探测器的一部分。
实施例2：
一种线聚焦差动彩色共焦三维表面形貌测量方法，将不同波长的光聚焦于被测物表面，通过两个光谱相机接收物体反射光，得到两个同视场下沿狭窄照明线方向即X方向上每一点Xn(n∈1，2，…，N)光谱响应强度随高度Z变化的曲线IF(λ)和IB(λ)。对于透明膜厚测量，相对于与介质内部照明线光束直接透射，不同介质表面Z处对应的照明线光束λ还能反射回到成像系统中，根据探测器检测到的光谱波长值λ，可以完成每个透明膜表面高度Z的测量；根据像方差动理论，所述曲线IF(λ)和IB(λ)能够完成高精度表面高度测量。
优选的，涉及线聚焦差动彩色共焦三维形貌测量方法，该方法基于彩色共焦理论与差动三维检测原理融合得到被测物点在光轴方向高度Z，根据几何线聚焦一维坐标信息Xn(n∈1，2，…，N)与运动位置精准记录坐标信息Y’ k(k∈1，2，…，K)重构被测物表面垂直光轴方向二维坐标信息，综合光轴方向高度Z与垂直光轴方向二维坐标信息重构被测物表面的三维形貌。彩色共焦理论能够实现透明膜厚测量，差动三维检测原理能够对彩色共焦检测到的膜层表面进行高精度形貌还原。
涉及彩色共焦理论，所述彩色共焦理论得到物体三维表面形貌大量程初步估计。对于任意一个光谱相机，标定光谱波长λ与被测物表面光轴方向高度Z关系曲线，根据光谱相机接收图像，根据光谱波长方向的峰值初步定位被测物表面光轴方向高度Z；结合图像对应垂直载物台扫描方向且垂直光轴方向一维线坐标信息Xn(n∈1，2，…，N)，载物台扫描位置一维坐标信息Y’ k(k∈1，2，…，K)，重构被测样品表面三维形貌。对于透明膜厚测量，相对于与介质内部照明线光束直接透射，不同介质表面Z处对应的照明线光束λ还能反射回到成像系统中，根据探测器检测到的光谱波长值λ，可以快速完成每个透明膜表面高度Z的测量。
光谱相机接收的光谱光强信号I，根据光谱光强响应峰值坐标λmax确定被测物表面在光轴方向上高度，光谱相机的光谱探测范围与光谱相机放置位置有关，不同光谱相机放置于沿光轴方向距聚焦透镜不同距离处，需要光谱相机具备不同的光谱探测范围。能够拓展“线聚焦彩色差动共焦三维表面形貌测量方法”的测量范围。
对于每一台光谱相机，相机垂直成像线的一维方向坐标值Ym(m∈1，2，…，M)与光谱波长值λm(m∈1，2，…，M)相关，光谱波长值λ包含像素点对应被测物点的沿光轴方向的轴向高度信息Z。
建立相机一维坐标值Ym(m∈1，2，…，M)与光谱波长值λm(m∈1，2，…，M)的映射关系，建立光波长值λm(m∈1，2，…，M)与光轴轴向高度Z的映射关系，拟合出标定曲线；根据标定曲线，测量被测物表面每个位置的高度信息Z，实现被测物表面形貌微米精度测量。可以根据像素坐标Ym直接确定光谱波长λ，对于透明膜厚测量，相对于与介质内部照明线光束直接透射，不同介质表面Z处对应的照明线光束λ还能反射回到成像系统中，根据探测器检测到的光谱波长值λ，可以快速完成每个透明膜表面高度Z的测量。
优选的，涉及差动三维检测原理，所述差动三维检测原理得到物体三维表面形貌小量程精确估计。两台相机分别设置于沿光轴方向距光束聚焦位置的前后相同距离处。对于任意一个光谱波长λm(m∈1，2，…，M)，标定两光谱相机相同光谱波长的光强值差值IF(Xn,λm)-IB(Xn,λm)(n∈1，2，…，N，m∈1，2，…，M)与被测物表面光轴方向高度Z关系曲线，根据光谱相机接收图像，计算两台光谱相机的光谱光强峰值坐标λmax处对应垂直扫描方向与光轴方向一维坐标处的亮度差值IF(Xn,λm)-IB(Xn,λm)(n∈1，2，…，N，m∈1，2，…，M)，精确计算被测物表面光轴方向高度Z；结合图像对应垂直载物台扫描方向且垂直光轴方向一维线坐标信息Xn(n∈1，2，…，N)，载物台扫描位置一维坐标信息Y’ k(k∈1，2，…，K)，重构被测样品表面三维形貌。该原理根据不同探测器光谱探测范围的重叠区域进行物体三维表面形貌精确估计。重叠区域内能够实现物方差动高精度表面形貌测量，非重叠区域可以通过彩色共焦技术实现快速膜高度测量，可用于快速聚焦使用。
探测器得到的单幅光谱图像中的每一像素点包含对应物点一维坐标信息Xn(n∈1，2，…，N)、对应聚焦光束波长值λm(m∈1，2，…，M)及其光强值I(Xn,λm)(n∈1，2，…，N，m∈1，2，…，M)。探测器每一点包含被测透明样品膜层表面对应的一维空间坐标值Xn(n∈1，2，…，N)；探测器每一点包含被测透明样品膜层表面高度信息Z的对应聚焦光束波长值λm(m∈1，2，…，M)，可用于快速快速完成每个透明膜表面高度Z的测量；探测器每一点包含被测透明样品膜层表面高度信息Z的光强值I(Xn,λm)(n∈1，2，…，N，m∈1，2，…，M)，可基于物方差动共焦理论进行高精度表面高度还原。
探测器的光谱探测范围可通过调整色散元件进行改变，探测器数量不限，探测器数量增加且光谱探测范围不同，叠加光谱检测范围，同时以此叠加彩色共焦理论与差动理论结合的光轴方向高度测量范围。
同时采集的两幅或多幅光谱图像中的每一点对应光谱光强信息相互之间存在差异，该差异由相机放置于狭缝位置产生，光强值随被测物表面每个位置的高度信息Z变化，其差值IF(Xn,λm)-IB(Xn,λm)(n∈1，2，…，N，m∈1，2，…，M)包含像素点对应被测物点的沿光轴方向的轴向高度信息Z。
建立IF(Xn,λm)-IB(Xn,λm)(n∈1，2，…，N，m∈1，2，…，M)与光轴轴向高度Z的映射关系，拟合出标定曲线；根据标定曲线，测量被测物表面每个位置的高度信息Z，实现被测物表面形貌纳米精度测量。
实施例3：
如图1所示，复色光源(1)产生复色光，复色光包括多个波长，复色光经过汇聚透镜(2)与狭缝(3)被配置输出一维线阵光束，一维线阵光束经过汇聚透镜(4)与分光镜(5)反射，一维线阵光束通过色散透镜组(6)被配置成不同波长光束具有不同焦深的一维线阵色散光束，一维线阵色散光束通过聚焦透镜(7)照射于被测样品(8)表面，被测样品(8)被放置于载物台(9)上，其中所述载物台为三维运动载物台，用于带动被测物先沿第一方向即Y方向进行一维运动，形成一长条覆盖样品沿Y方向的测量条带；之后沿第二方向即X方向移动测量条带宽度范围，之后沿着负Y方向移动，形成第二条覆盖样品Y方向的测量条带，重复操作，获得整个样品表面的形貌测量，被测样品(8)每一层表面都存在与其光轴方向高度Z对应波长λ的聚焦光束，聚焦光束在被测样品表面反射并经过聚焦透镜(7)，反射聚焦光束继续透过色散透镜组(6)与分光镜(5)并在分光镜(10)处被分为两路，一路反射光束经过汇聚透镜(11)与狭缝(12)最终进入光谱相机(13)进行光谱成像，狭缝(12)放置于光束聚焦位置之后，光线光强因离焦而衰减，另一路经过汇聚透镜(14)与狭缝(15)最终进入光谱相机(16)进行光谱成像，狭缝(15)放置于光束聚焦位置之前，光线光强因离焦而衰减。该方案可以实现大尺度样品的高精度三维表面形貌测量。
其中，照明单元输出一维线阵纵向色散光束，该光束投射到处在测量空间中的样品表面上，不同波长λ聚焦于不同光轴轴向高度Z上；对于透明膜厚测量，相对于与介质内部照明线光束直接透射，不同介质表面Z处对应的照明线光束λ还能反射回到成像系统中；成像单元将返回光束汇聚于同一焦面高度上，两探测器分别放置于焦面对称的前后两处离焦位置处；探测器根据线阵光束上每一点的光谱波长值λ(如图3)，完成每个透明膜表面高度Z的测量；由于两探测器放置于焦面对称的前后两处离焦位置处，其各自的光强因透明膜表面高度Z变化而存在差异，可以根据像方差动共焦理论，处理单元通过标定好的光强与透明膜表面高度Z之间的关系(如图4)计算得到透明膜高精度表面高度，解决图3展示的光谱波峰位置难以分辨的问题，实现大尺度样品透明膜表面高精度三维表面形貌测量。根据图4，该方案的核心思想是根据光谱峰值确定大致Z(λ)，对于Z(λ)与Z(λ-1)或Z(λ+1)之间的不可分辨区域，利用差动理论进行高精度Z值测量，细化Z值，提高系统测量分辨率与精度。具体计算原理如下：
如图3所示，横坐标为光谱波长λ，波长λ值对应被测样品表面的唯一的高度Z值；纵坐标为光强响应值I，光强响应值I包含了被测样品表面的高度Z信息及被测样品表面灰度信息；图3还展示了光谱峰值处的光强分布，光谱的在峰值处的定位分辨率不足以进行纳米级精度测量，故需要从光强响应值I中解析出高精度样品表面高度Z。两个光谱相机的光强响应值I与被测样品表面的高度Z之间的关系曲线如图4所示，光谱相机(13)的光强响应值IF(Xn,λm)(n∈1，2，…，N，m∈1，2，…，M)与被测样品表面高度Z之间的关系曲线为图4中点划线部分，光谱相机(16)的光强响应值IB(Xn,λm)(n∈1，2，…，N，m∈1，2，…，M)与被测样品表面高度Z之间的关系曲线为图4中的虚线部分，两相机对应点的光强响应值之差IF(Xn,λm)-IB(Xn,λm)(n∈1，2，…，N，m∈1，2，…，M)为图4中实线部分，在零点附近可视为光强响应值之差IF(Xn,λm)-IB(Xn,λm)(n∈1，2，…，N，m∈1，2，…，M)与被测样品表面高度Z呈线性关系，通过计算分析光强响应值之差IF(Xn,λm)-IB(Xn,λm)(n∈1，2，…，N，m∈1，2，…，M)可以得到纳米精度样品表面高度Z。如图5所示，光谱响应曲线可以通过λm(m∈1，2，…，M)初步得到一个样品表面高度Z(λm)(m∈1，2，…，M)，由于图3中所示的峰值定位分辨率不足问题，分析计算IF(λm)-IB(λm)(m∈1，2，…，M)得到高精度样品表面高度偏差△Z(λm)，根据Z(λm)+△Z(λm)确定被测样品表面高度。该方案的核心思想是根据光谱峰值确定大致Z(λ)，对于Z(λ)与Z(λ-1)或Z(λ+1)之间的不可分辨区域，利用差动理论进行高精度Z值测量，细化Z值，提高系统测量分辨率与精度。
实施例4：
如图6所示，本实施例与实施例3的区别在于色散元件(6)被设置在准直透镜(4)与分光镜(5)之间，反射聚焦光束在分光镜(10)处被分为两路，一路反射光束经过汇聚透镜(11)与狭缝(12)最终进入光谱相机(13)进行光谱成像，狭缝(12)放置于短波光线聚焦位置处，另一路经过汇聚透镜(14)与狭缝(15)最终进入光谱相机(16)进行光谱成像，狭缝(15)放置于长波光线聚焦位置处，非聚焦光线光强因离焦而衰减。该方案可以实现小尺度样品轴向高度快速定位的高精度三维表面形貌测量。
其中，照明单元输出一维线阵纵向色散光束，该光束投射到处在测量空间中的样品表面上，不同波长λ聚焦于不同光轴轴向高度Z上；对于透明膜厚测量，相对于与介质内部照明线光束直接透射，不同介质表面Z处对应的照明线光束λ还能反射回到成像系统中；成像单元将返回光束汇聚于同一焦面高度上，两探测器分别放置于某一中心波长λ聚焦焦面对称的前后两处离焦位置处，并调整各自色散元件使其光谱检测范围能最大化接收所处位置处的全部光谱光线，如图7和图8中的虚线框，超过虚线框的部分，即使光谱相机能探测，但它也接收不到任何光强(非聚焦光线光强因离焦而衰减)；探测器根据线阵光束上每一点的光谱波长值λ(如图7和图8)，完成每个透明膜表面高度Z的测量；由于两探测器放置于某一中心波长λ聚焦焦面对称的前后两处离焦位置处，光谱响应曲线强度与差动共焦理论的光强响应曲线一致，如图7&8所示，对于两台探测器的光谱响应重叠区域，其各自的光强因透明膜表面高度Z变化而存在差异，根据像方差动共焦理论，处理单元通过标定好的光强与透明膜表面高度Z之间的关系(图9)计算得到透明膜高精度表面高度，实现小尺度样品轴向高度快速定位的高精度三维表面形貌测量。根据图9，该方案的核心思想是，被测透明膜样品表面高度处于非重叠区域时，可以根据短波光谱相机或长波光谱相机探测到的光谱值λ得到被测透明膜样品表面高度Z，根据实时反馈Z值移动载物台直至被测透明膜样品所有膜表面处于图9所示的重叠区域中，利用差动理论进行高精度Z值测量，细化Z值，提高系统测量分辨率与精度。具体计算原理如下：
图7和图8分别展示了图6系统中光谱相机(13)与光谱相机(16)光谱响应曲线，聚焦光线对应波长λ的的光强响应最强，随着波长λ变化(即光轴轴向高度变化)光强响应曲线如图7和图8中虚曲线与点划曲线部分，图7和图8中的虚线框为各自光谱相机的光谱探测范围。图9展示了图6系统的小尺度样品轴向高度快速定位的高精度三维表面形貌测量原理，对于光谱相机(13)&(16)的光谱重叠区域内，可以对任意λ处的IF(λm)-IB(λm)(m∈1，2，…，M)可以依据如图4的测量方法得到得到高精度样品表面高度偏差△Z(λm)，与图1所示方案不同处在于，此偏差的相对参考面为固定值，△Z(λm)即为样品表面高度，根据光谱响应曲线得到的被测样品表面高度Z(λm)，在理想条件下，存在一个常数C使得△Z(λm)＝Z(λm)+C，融合△Z(λm)与Z(λm)得到被测样品表面高度；对于光谱相机(13)&(16)各自光谱范围区域，可初步得到被测样品表面高度Z(λm)，根据Z(λm)移动载物台(9)带动被测样品沿光轴线移动进入光谱相机(13)&(16)的光谱重叠区域内，完成小尺度样品轴向高度快速定位的高精度三维表面形貌测量。该方案的核心思想是，被测透明膜样品表面高度处于非重叠区域时，可以根据短波光谱相机或长波光谱相机探测到的光谱值λ得到被测透明膜样品表面高度Z，根据实时反馈Z值移动载物台直至被测透明膜样品所有膜表面处于图9所示的重叠区域中，利用差动理论进行高精度Z值测量，细化Z值，提高系统测量分辨率与精度
以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种线聚焦差动彩色共焦三维表面形貌测量系统，其特征在于，包括：
照明单元，所述照明单元包含一个复色光源，该复色光源产生复色光，复色光包括多个波长；所述照明单元通过光源线整形元件将复色光源配置成一维线阵光束；所述照明单元还通过色散元件将光源配置成不同波长光束具有不同焦深的色散光束；所述照明单元将光源配置得到一维线阵色散光束，一维线阵色散光束照射于被测物表面，任意光轴轴向高度Z处存在唯一波长值λ的线光束处于聚焦状态；
测量空间，所述测量空间为可容纳被测样品的空间，被测样品被设置于一个可移动的载物台上并可以自由的在测量空间中移动；
成像单元，该成像单元包含用于对从被测样品表面的反射光束进行聚焦的成像透镜组，还包含将聚集反射光等能量分成两束光的分光片，两个误差范围内完全等同的狭缝；所述的两个狭缝等距离放置在所述成像透镜组焦面前后，一个在焦面前，一个在焦面后；从样品表面反射的反射光先继通过所述聚焦成像透镜组、分光片分为两路，每路各自相继经过狭缝，之后分别进入所述的探测器成像；来自样品表面的反射光束为包含一个或若干个波长值λm的光束，其波长值λ与被测样品表面沿光轴轴向高度Z相关，其中m∈1，2，…，M；
探测器，所述探测器包含误差许可范围内两个完全等同的光谱相机，分别放置于所述成像单元两个成像光路的狭缝之后，每个所述光谱相机包含面阵黑白相机和一个色散原件；每个所述光谱相机接收成像单元收集的被测物返回线光束，该线光束与所述光谱相机的图像传感器第一维度X维度像素对齐，该X维度上坐标值与被测物表面一维坐标值一一对应；所述光谱相机通过横向色散元件将任意坐标Xn处光束配置为横向色散光束，所述横向色散光束的光谱波长值λ与光谱相机的图像传感器第二维度Y维度像素对齐，该Y维度坐标Ym与被测物返回光束光谱波长值λm一一对应，其中n∈1，2，…，N；
处理单元，该处理单元与所述探测器相连，所述处理单元为任意具备图像信息处理能力的处理器，所述处理器用于处理所述探测器得到的图像，将推扫测量范围拼接成测量条带，将测量条带拼接成整个测量表面，得到被测样品表面三维信息。
2.根据权利要求1所述的一种线聚焦差动彩色共焦三维表面形貌测量系统，其特征在于，所述照明单元将光源配置得到一维线阵色散光束可采用狭缝、柱面透镜或特殊线阵光源。
3.根据权利要求1所述的一种线聚焦差动彩色共焦三维表面形貌测量系统，其特征在于，所述照明单元采用的色散元件为：折射式色散透镜、衍射式色散透镜、反射式色散镜、或它们的组合、或其它可将复色光源配置成不同波长光束具有不同焦深的方式调制得到色散光束。
4.根据权利要求1所述的一种线聚焦差动彩色共焦三维表面形貌测量系统，其特征在于，所述载物台为三维运动载物台，用于带动被测物先沿第一方向即Y方向进行一维运动，形成一长条覆盖样品沿Y方向的测量条带；之后沿第二方向即X方向移动测量条带宽度范围，之后沿着负Y方向移动，形成第二条覆盖样品Y方向的测量条带，重复操作，获得整个样品表面的形貌测量。
5.根据权利要求1所述的一种线聚焦差动彩色共焦三维表面形貌测量系统，其特征在于，所述载物台也可是任何形式的带有位置反馈信息的多轴移动载物台，用于带动被测物在二维平面移动或三维空间姿态调整与移动。
6.根据权利要求1所述的一种线聚焦差动彩色共焦三维表面形貌测量系统，其特征在于，所述载物台可向处理器返回即时的水平位置信息，根据即时水平位置信息记录相应被测样品光轴方向轴向高度，遍历被测物表面完成三维表面测量。
7.根据权利要求1所述的一种线聚焦差动彩色共焦三维表面形貌测量系统，其特征在于，所述探测器采用的色散元件为：光栅反射镜、色散棱镜、或它们的任意形式的组合、或其它可配置不同波长光束具有不同成像高度的方式调制得到横向色散光束。
8.一种线聚焦差动彩色共焦三维表面形貌测量方法，其特征在于，将不同波长的光聚焦于被测物表面，通过两个光谱相机接收被测物表面的反射光，得到两个同视场下沿狭窄照明线方向即X方向上每一点Xn光谱响应强度随高度Z变化的曲线IF(λ)和IB(λ)；然后基于彩色共焦理论与差动三维检测原理融合得到被测物点在光轴方向高度Z，根据几何线聚焦一维坐标信息Xn与运动位置精准记录坐标信息Y’ k重构被测物表面垂直光轴方向二维坐标信息，综合光轴方向高度Z与垂直光轴方向二维坐标信息重构被测物表面的三维形貌，其中n∈1，2，…，N，k∈1，2，…，K。
9.根据权利要求8所述的一种线聚焦差动彩色共焦三维表面形貌测量方法，其特征在于，所述彩色共焦理论得到物体三维表面形貌大量程初步测量；对于任意一个光谱相机，标定光谱波长λ与被测物表面光轴方向高度Z关系曲线，根据光谱相机接收图像，根据光谱波长方向的峰值初步定位被测物表面光轴方向高度Z；结合图像对应垂直载物台扫描方向且垂直光轴方向一维线坐标信息Xn，载物台扫描位置一维坐标信息Y’ k，重构被测样品表面三维形貌；
其中，光谱相机接收的光谱光强信号I，根据光谱光强响应峰值坐标λmax确定被测物表面在光轴方向上高度，光谱相机的光谱探测范围与光谱相机放置位置有关，不同光谱相机放置于沿光轴方向距聚焦透镜不同距离处，需要光谱相机具备不同的光谱探测范围；光谱探测器的光谱探测范围可通过调整光谱相机内的色散元件进行改变，光谱探测器数量不限，光谱探测器数量增加且光谱探测范围不同，叠加光谱检测范围，同时以此叠加彩色共焦理论与差动理论结合的光轴方向高度测量范围；
对于每一台光谱相机，相机垂直成像线的一维方向坐标值Ym与光谱波长值λm相关，光谱波长值λ包含像素点对应被测物点的沿光轴方向的轴向高度信息Z；
建立相机一维坐标值Ym与光谱波长值λm的映射关系，建立光波长值λm与光轴轴向高度Z的映射关系，拟合出标定曲线；根据标定曲线，测量被测物表面每个位置的高度信息Z，实现被测物表面形貌微米精度测量。
10.根据权利要求9所述的一种线聚焦差动彩色共焦三维表面形貌测量方法，其特征在于，所述差动三维检测原理得到物体三维表面形貌小量程精确测量；两台光谱相机分别设置于沿光轴方向距光束聚焦位置的前后相同距离处，对于任意一个光谱波长λm，标定两光谱相机相同光谱波长的光强值差值IF(Xn,λm)-IB(Xn,λm)与被测物表面光轴方向高度Z关系曲线，根据光谱相机接收图像，计算两台光谱相机的光谱光强峰值坐标λmax处对应垂直扫描方向与光轴方向一维坐标处的亮度差值IF(Xn,λm)-IB(Xn,λm)，精确计算被测物表面光轴方向高度Z；结合图像对应垂直载物台扫描方向且垂直光轴方向一维线坐标信息Xn，载物台扫描位置一维坐标信息Y’ k，重构被测样品表面三维形貌；
其中，同时采集的两幅或多幅光谱图像中的每一点对应光谱光强信息相互之间存在差异，该差异由光谱相机放置于沿光轴方向距光束聚焦位置的前后相同距离处产生，光谱强度值随被测物表面每个位置的高度信息Z变化，其差值IF(Xn,λm)-IB(Xn,λm)包含像素点对应被测物点的沿光轴方向的轴向高度信息Z；
建立IF(Xn,λm)-IB(Xn,λm)与光轴轴向高度Z的映射关系，拟合出标定曲线；根据标定曲线，测量被测物表面每个位置的高度信息Z，实现被测物表面形貌纳米精度测量。
CN202010220510.5A 2020-03-25 2020-03-25 一种线聚焦差动彩色共焦三维表面形貌测量系统及方法 Pending CN111220090A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010220510.5A CN111220090A (zh) 2020-03-25 2020-03-25 一种线聚焦差动彩色共焦三维表面形貌测量系统及方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010220510.5A CN111220090A (zh) 2020-03-25 2020-03-25 一种线聚焦差动彩色共焦三维表面形貌测量系统及方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN111220090A true CN111220090A (zh) 2020-06-02

Family

ID=70807871

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010220510.5A Pending CN111220090A (zh) 2020-03-25 2020-03-25 一种线聚焦差动彩色共焦三维表面形貌测量系统及方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111220090A (zh)

Cited By (25)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111879782A (zh) * 2020-06-30 2020-11-03 深圳中科飞测科技有限公司 检测装置及检测方法
CN112014845A (zh) * 2020-08-28 2020-12-01 安徽江淮汽车集团股份有限公司 一种车辆障碍物定位方法、装置、设备及存储介质
CN112147622A (zh) * 2020-09-02 2020-12-29 Oppo（重庆）智能科技有限公司 测距装置、测距方法、摄像头及电子设备
CN112197714A (zh) * 2020-09-28 2021-01-08 东北电力大学 基于差动彩色共焦技术的自由曲面测量装置及检测方法
CN112648926A (zh) * 2021-01-13 2021-04-13 宁波五维检测科技有限公司 一种线聚焦彩色共焦三维表面高度测量装置及方法
CN112734916A (zh) * 2021-01-25 2021-04-30 华侨大学 基于图像处理的彩色共聚焦并行测量三维形貌还原算法
CN112762820A (zh) * 2020-12-11 2021-05-07 深圳市菲森科技有限公司 一种共聚焦三维测量系统的标定装置及标定方法
CN113108697A (zh) * 2021-04-06 2021-07-13 合肥埃科光电科技有限公司 一种差动光谱共焦传感器
CN113358060A (zh) * 2021-08-09 2021-09-07 武汉精测电子集团股份有限公司 基于共焦光路的三维测量系统和方法
CN113358030A (zh) * 2021-07-15 2021-09-07 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 色散共焦测量系统及其误差修正方法
CN113418470A (zh) * 2021-07-08 2021-09-21 西安工业大学 光谱扫描共焦单次曝光数字全息测量系统及测量方法
CN113587843A (zh) * 2021-07-27 2021-11-02 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 干涉共聚焦测量系统及测量方法
CN113639663A (zh) * 2021-10-15 2021-11-12 高视科技(苏州)有限公司 一种基于反射激光空间分布的物体三维形貌测量方法
CN113790674A (zh) * 2021-08-06 2021-12-14 河北光兴半导体技术有限公司 用于玻璃制品的测量方法、处理器和测量装置
CN114001645A (zh) * 2021-10-28 2022-02-01 山西大学 三波长光纤点差分共焦显微探测方法与装置
CN114486912A (zh) * 2022-01-17 2022-05-13 合肥知常光电科技有限公司 一种基于线光谱共焦技术的光学元件缺陷检测装置及方法
CN114688993A (zh) * 2022-06-01 2022-07-01 江苏匠岭半导体有限公司 一种基于晶圆承载台三维形貌快速聚焦的方法
CN115014242A (zh) * 2022-05-26 2022-09-06 华中科技大学 基于并行多狭缝结构照明的微观表面形貌测量方法及装置
CN115127676A (zh) * 2022-08-30 2022-09-30 杭州灵西机器人智能科技有限公司 一种线光谱共焦系统
TWI782828B (zh) * 2021-02-25 2022-11-01 日商Ｃｋｄ股份有限公司 三維測量裝置
CN116878418A (zh) * 2022-12-27 2023-10-13 深圳市中图仪器股份有限公司 用于过曝现象的重建方法、重建装置和重建系统
CN116989693A (zh) * 2022-11-23 2023-11-03 深圳市中图仪器股份有限公司 聚焦曲线的评价算法
CN117059512A (zh) * 2023-10-13 2023-11-14 苏州瑞霏光电科技有限公司 一种晶圆的三维表面微观测量方法及系统
WO2024031758A1 (en) * 2022-08-12 2024-02-15 Hong Kong Applied Science And Technology Research Institute Co., Ltd Line-Scanning Three-Dimensional Sensing System
CN117419650B (zh) * 2023-12-18 2024-02-27 湖南西欧新材料有限公司 基于视觉分析的氧化铝陶瓷表面釉层厚度测量方法

Cited By (38)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111879782A (zh) * 2020-06-30 2020-11-03 深圳中科飞测科技有限公司 检测装置及检测方法
CN111879782B (zh) * 2020-06-30 2023-10-03 深圳中科飞测科技股份有限公司 检测装置及检测方法
CN112014845A (zh) * 2020-08-28 2020-12-01 安徽江淮汽车集团股份有限公司 一种车辆障碍物定位方法、装置、设备及存储介质
CN112014845B (zh) * 2020-08-28 2024-01-30 安徽江淮汽车集团股份有限公司 一种车辆障碍物定位方法、装置、设备及存储介质
CN112147622A (zh) * 2020-09-02 2020-12-29 Oppo（重庆）智能科技有限公司 测距装置、测距方法、摄像头及电子设备
CN112147622B (zh) * 2020-09-02 2024-02-06 Oppo广东移动通信有限公司 测距装置、测距方法、摄像头及电子设备
CN112197714A (zh) * 2020-09-28 2021-01-08 东北电力大学 基于差动彩色共焦技术的自由曲面测量装置及检测方法
CN112762820A (zh) * 2020-12-11 2021-05-07 深圳市菲森科技有限公司 一种共聚焦三维测量系统的标定装置及标定方法
CN112648926A (zh) * 2021-01-13 2021-04-13 宁波五维检测科技有限公司 一种线聚焦彩色共焦三维表面高度测量装置及方法
CN112734916B (zh) * 2021-01-25 2022-08-05 华侨大学 基于图像处理的彩色共聚焦并行测量三维形貌还原方法
CN112734916A (zh) * 2021-01-25 2021-04-30 华侨大学 基于图像处理的彩色共聚焦并行测量三维形貌还原算法
TWI782828B (zh) * 2021-02-25 2022-11-01 日商Ｃｋｄ股份有限公司 三維測量裝置
CN113108697A (zh) * 2021-04-06 2021-07-13 合肥埃科光电科技有限公司 一种差动光谱共焦传感器
CN113418470A (zh) * 2021-07-08 2021-09-21 西安工业大学 光谱扫描共焦单次曝光数字全息测量系统及测量方法
CN113418470B (zh) * 2021-07-08 2023-01-31 西安工业大学 光谱扫描共焦单次曝光数字全息测量系统及测量方法
CN113358030A (zh) * 2021-07-15 2021-09-07 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 色散共焦测量系统及其误差修正方法
CN113587843A (zh) * 2021-07-27 2021-11-02 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 干涉共聚焦测量系统及测量方法
CN113587843B (zh) * 2021-07-27 2022-05-27 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 干涉共聚焦测量系统及测量方法
CN113790674A (zh) * 2021-08-06 2021-12-14 河北光兴半导体技术有限公司 用于玻璃制品的测量方法、处理器和测量装置
CN113358060A (zh) * 2021-08-09 2021-09-07 武汉精测电子集团股份有限公司 基于共焦光路的三维测量系统和方法
CN113639663B (zh) * 2021-10-15 2021-12-28 高视科技(苏州)有限公司 一种基于反射激光空间分布的物体三维形貌测量方法
CN113639663A (zh) * 2021-10-15 2021-11-12 高视科技(苏州)有限公司 一种基于反射激光空间分布的物体三维形貌测量方法
CN114001645A (zh) * 2021-10-28 2022-02-01 山西大学 三波长光纤点差分共焦显微探测方法与装置
CN114001645B (zh) * 2021-10-28 2024-04-12 山西大学 三波长光纤点差分共焦显微探测方法与装置
CN114486912A (zh) * 2022-01-17 2022-05-13 合肥知常光电科技有限公司 一种基于线光谱共焦技术的光学元件缺陷检测装置及方法
CN115014242B (zh) * 2022-05-26 2023-03-10 华中科技大学 基于并行多狭缝结构照明的微观表面形貌测量方法及装置
CN115014242A (zh) * 2022-05-26 2022-09-06 华中科技大学 基于并行多狭缝结构照明的微观表面形貌测量方法及装置
CN114688993A (zh) * 2022-06-01 2022-07-01 江苏匠岭半导体有限公司 一种基于晶圆承载台三维形貌快速聚焦的方法
WO2024031758A1 (en) * 2022-08-12 2024-02-15 Hong Kong Applied Science And Technology Research Institute Co., Ltd Line-Scanning Three-Dimensional Sensing System
CN115127676A (zh) * 2022-08-30 2022-09-30 杭州灵西机器人智能科技有限公司 一种线光谱共焦系统
CN116989693A (zh) * 2022-11-23 2023-11-03 深圳市中图仪器股份有限公司 聚焦曲线的评价算法
CN116972769A (zh) * 2022-12-27 2023-10-31 深圳市中图仪器股份有限公司 具有补偿测量的重建方法、重建装置和重建系统
CN116878418A (zh) * 2022-12-27 2023-10-13 深圳市中图仪器股份有限公司 用于过曝现象的重建方法、重建装置和重建系统
CN116878418B (zh) * 2022-12-27 2024-04-02 深圳市中图仪器股份有限公司 用于过曝现象的重建方法、重建装置和重建系统
CN116972769B (zh) * 2022-12-27 2024-04-05 深圳市中图仪器股份有限公司 具有补偿测量的重建方法、重建装置和重建系统
CN117059512A (zh) * 2023-10-13 2023-11-14 苏州瑞霏光电科技有限公司 一种晶圆的三维表面微观测量方法及系统
CN117059512B (zh) * 2023-10-13 2024-01-26 苏州瑞霏光电科技有限公司 一种晶圆的三维表面微观测量方法及系统
CN117419650B (zh) * 2023-12-18 2024-02-27 湖南西欧新材料有限公司 基于视觉分析的氧化铝陶瓷表面釉层厚度测量方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN111220090A (zh) 一种线聚焦差动彩色共焦三维表面形貌测量系统及方法
US7728961B2 (en) Surface height and focus sensor
CN211876977U (zh) 一种线聚焦差动彩色共焦三维表面形貌测量系统
CN109975820B (zh) 基于Linnik型干涉显微镜的同步偏振相移检焦系统
US6909509B2 (en) Optical surface profiling systems
CN102494623B (zh) 镜头中光学表面中心间距的非接触式测量装置的测量方法
US20080100850A1 (en) Surface height and focus sensor
JPH09503065A (ja) 表面形状を測定する干渉計測方法及び装置
CN103115580B (zh) 基于光学相干层析扫描的三维孔形检测方法及系统
TW201407128A (zh) 彩色共焦掃描裝置
Ishihara et al. High-speed surface measurement using a non-scanning multiple-beam confocal microscope
CN114047203B (zh) 一种基于光谱共焦的内同轴式自动对焦装置、方法及系统
CN106767545A (zh) 一种高精度高空间分辨角度测量仪及角度测量方法
CN110849289A (zh) 一种双摄像头并行共焦差动显微3d形貌测量装置及方法
CN109186477B (zh) 后置分光瞳激光差动共焦透镜中心厚度测量方法与装置
CA2334225C (en) Method and device for opto-electrical acquisition of shapes by axial illumination
CN115371587A (zh) 表面形貌测量装置及方法、物体表面高度计算方法
KR101987402B1 (ko) 편광픽셀어레이를 이용한 박막과 후막의 두께 및 삼차원 표면 형상 측정 광학 장치
CN109974603B (zh) 双边错位差动共焦透镜中心厚度测量方法
JP2016148569A (ja) 画像測定方法、及び画像測定装置
CN214173285U (zh) 一种面型检测系统
CN114660023A (zh) 基于全反射共光程偏振干涉技术的折射率测量系统及测量
CN110243760B (zh) 线域频域光学相干层析系统及其纵向坐标标定方法
CN109883342B (zh) 横向相减差动共焦镜组间隙测量方法
US10761398B2 (en) Imaging ellipsometer system utilizing a tunable acoustic gradient lens

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination