CN113551614A - 基于光谱分布特性的三维形貌干涉测量快速垂直扫描方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光谱分布特性的三维形貌干涉测量快速垂直扫描方法，用以解决现有垂直扫描白光干涉测量技术难以快速测量高度达微米量级的样品的问题。本发明基于光谱分布特性选取的时序垂直粗扫描步长，能保证不论图像采集的起点在何处，都能使时序垂直粗扫描采集的系列图像中有且仅有两帧干涉图像各自分别对应于样品上、下表面发生干涉的范围内，这不仅增加了寻找样品上、下表面位置的准确率，还缩短了寻找时间。在定位到样品上、下表面位置后，本发明可以直接计算得到发生干涉的区域，然后采用时序垂直精扫描采集图像，最后通过形貌复原算法复原样品的三维形貌，避免了现有方法采用精扫描步长寻找干涉区域的步骤，极大提升了测量速率。

Description

基于光谱分布特性的三维形貌干涉测量快速垂直扫描方法

技术领域

本发明涉及精密光学测量工程技术领域，更具体地，涉及一种基于光谱分布特性的三维形貌干涉测量快速垂直扫描方法。

背景技术

垂直扫描白光干涉测量技术克服了单色光移相测量的相位模糊问题，是一种非接触式表面微观形貌测量技术，通常情况下，按照等步长扫描方式，垂直扫描步长取值为光源中心波长的1/8。以一个中心波长为532nm、相干长度为1μm的白光光源为例，用其测量一个高度为8μm的标准台阶板。能产生干涉条纹的范围为以台阶上表面为中心的2μm区域以及以台阶下表面为中心的2μm区域，共4μm的长度，而垂直扫描干涉测量技术却需要以66.5nm的步长扫描2μm+(8-1-1)μm+2μm，即10μm的长度。

而真正对形貌复原算法起作用的只有出现干涉条纹的图像，即上例中在4μm的长度区域采集的干涉图像为有效数据，在中间6μm的长度区域采集的干涉图像没有干涉条纹属于无用数据。

定义数据利用率为出现干涉条纹的区域长度比上实际采图的区域长度，则上例中的数据利用率为40％。如果测试的样品是高度为20μm的标准台阶板，由于光源没变，出现干涉条纹的区域长度依旧是4μm，但此时扫描的区域长度变为22μm，数据利用率将变为18.2％。低的数据利用率意味着冗余图像的采集和处理，会大大降低测量速率。因此，如何提高数据利用率，将是解决垂直扫描白光干涉测量技术测量高度达微米量级样品速率缓慢的关键。

而当白光显微干涉系统的光路结构一定时，干涉条纹出现的区域长度是不变的，所以只能通过减少实际采图的区域长度来增加数据利用率。因此，如何快速定位到出现干涉条纹的区域位置，将是提高垂直扫描白光干涉测量技术测量高度达微米量级样品速率的重点和难点。

《基于阈值判定法的白光干涉仪自动扫描技术研究》(中国机械工程，2012,23(12))一文，提出了基于图像灰度方差变化的干涉条纹识别方法。该方法首先以大步长(小步长的整数倍)运动采集图像，根据图像的灰度方差值判断出“最佳”干涉位置，进入有干涉条纹的区域，然后以小步长做远离和靠近待测物体方向上的运动，并根据选择的阈值确定干涉条纹起始和结束的位置，最后从干涉条纹起始位置开始以小步长进行时序垂直精扫描直到干涉条纹结束位置。大步长选取的过大会错过有干涉条纹的区域，大步长选取的过小则会增加采集的图像，从而降低算法的速率。该文章所述方法只是大致给出了大步长的选取方法，即小步长的整数倍，并没有给出具体的大步长选取策略。且该方法定位干涉条纹位置在很大程度上依赖于所选择的阈值，但其阈值的选取却会随着样品的不同而发生变化，这导致每次跟换样品都需要人工重新选取阈值。

《白光干涉自动测量砂轮表面时干涉区间的确定》(激光与光电子学进展，2017,54(06))一文，提出了基于帧差法的干涉条纹识别方法。该方法采用Sobel算子作为评价函数，以大步长搜索到评价函数值最大的位置，即“最佳”干涉位置，然后以此位置为中心，设定一个小的扫描范围，以小步长扫描完设定的扫描范围后，采用帧差法处理采集的图像，得到干涉条纹的起始和终止位置，最后从干涉条纹起始位置开始以小步长进行时序垂直精扫描直到干涉条纹结束位置。该文章所述方法同样没有给出具体的大步长选取策略，同时每次跟换样品时，该方法都需要人为地更改设定的扫描范围。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于光谱分布特性的三维形貌干涉测量快速垂直扫描方法，用以解决现有垂直扫描白光干涉测量技术难以快速测量高度达微米量级的样品的问题。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于光谱分布特性的三维形貌干涉测量快速垂直扫描算法，方法步骤如下：

步骤1、使用光谱仪测量光源经过白光显微干涉系统在其CCD位置处的光谱分布，得到光谱分布图，通过重心法求得CCD位置处光源的中心波长λ₀，进而求出CCD位置处光源的相干长度ΔL，转入步骤2。

步骤2、将样品放置入白光显微干涉系统，并将干涉物镜移至其工作距离之外，控制压电陶瓷使干涉物镜朝着样品方向按照每步step₁的步进量运动进行时序垂直粗扫描，控制CCD记录对应的图像，转入步骤3。

步骤3、对CCD记录的每幅图像进行灰度方差评价函数计算，得到其灰度方差值，并将记录的图像删除，比较灰度方差值，找到并记录样品上表面“最佳”干涉位置a，转入步骤4。

步骤4、控制压电陶瓷使干涉物镜继续朝着样品方向按照每步step₁的步进量运动进行时序垂直粗扫描，控制CCD记录对应的图像，对CCD记录的每幅图像进行灰度方差评价函数计算，得到其灰度方差值，并将记录的图像删除，比较灰度方差值，找到并记录样品下表面“最佳”干涉位置b，记录样品上表面“最佳”干涉位置a到样品下表面“最佳”干涉位置b的扫描步数N₁，转入步骤5；

步骤5、根据样品上表面“最佳”干涉位置a前后两帧图像的灰度方差值与阈值的比较，做出相应的移动策略，得到样品上表面条纹开始出现和结束的位置a_up和a_down；控制压电陶瓷按照每步step₂的步进量，从a_up到a_down进行时序垂直精扫描，并存储相应的上表面干涉图像。

根据样品下表面“最佳”干涉位置b前后两帧图像的灰度方差值与阈值的比较，做出相应的移动策略，得出样品下表面条纹开始出现和结束的位置b_up和b_down，转入步骤6。

步骤6、根据形貌复原算法的条件，对位置b_up和b_down分别进行修正，得到对应的修正后的位置b_up-R和b_down-R，控制压电陶瓷按照每步step₂的步进量，从b_up-R到b_down-R进行时序垂直精扫描，并存储相应的下表面干涉图像，计算出位置a_down到修正后的位置b_up-R之间跳过的距离，并将其换算成对应于步长step₂的精扫描步数n，转入步骤7。

步骤7、根据存储的样品上、下表面干涉图像以及样品上下表面之间跳过的精扫描步数n，通过形貌复原算法复原样品的三维形貌。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

(1)求解图像的评价函数值和判断样品上、下表面“最佳”干涉位置的计算都是在时序垂直粗扫描的过程中同步进行的，且在完成时序垂直粗扫描的同时，便能计算出上、下表面干涉条纹出现与结束的位置，可以立即开始采集上、下表面的干涉条纹图像，缩短了总体运行时间。

(2)基于光谱分布特性选择的时序垂直粗扫描步长step₁，能保证不论图像采集的起点在何处，都能使时序垂直粗扫描采集的系列图像中有且仅有两帧干涉图像各自分别对应于样品上、下表面发生干涉的范围内，使得计算得到的灰度方差值只出现两个峰值，一个位于样品上表面干涉条纹出现的范围内，另一个位于样品下表面干涉条纹出现的范围内。这不仅增加了本发明提出的方法寻找样品上、下表面位置的准确率，还缩短了寻找时间。

(3)在寻找到样品上、下表面“最佳”干涉位置后，根据“最佳”干涉位置处前后帧图像的灰度方差值与阈值的比较，做出相应的移动策略，以使干涉条纹区域被完全包含其中，这样做省去了繁琐而又费时的小步长搜索干涉条纹起始和终止位置这一步，极大提升了本发明提出的方法定位干涉条纹位置的速率。

附图说明

图1为本发明基于光谱分布特性的三维形貌干涉测量快速垂直扫描方法的流程图。

图2为基于光谱分布特性的三维形貌干涉测量快速垂直扫描方法对应光路结构示意图。

图3为在CCD处测得的光谱分布图。

图4为在样品上表面条纹开始出现和结束位置CCD采集的图像，其中(a)为样品上表面条纹开始出现位置的图像，(b)为样品上表面条纹结束位置的图像。

图5为修正后在样品下表面条纹开始出现和结束位置CCD采集的图像，其中(a)为修正后样品下表面条纹开始出现位置的图像，(b)为修正后样品下表面条纹结束位置的图像。

图6为采用本发明基于光谱分布特性的三维形貌干涉测量快速垂直扫描方法得到的7.8μm标准台阶板的三维形貌图。

图7为采用本发明基于光谱分布特性的三维形貌干涉测量快速垂直扫描方法得到的7.8μm标准台阶板的二维截面图。

具体实施方式

假设大步长的取值能保证不论图像采集的起点在何处，都能使时序垂直粗扫描采集的系列图像中有且仅有两帧干涉图像各自分别对应于样品上、下表面发生干涉的范围内，使得计算得到的灰度方差值只出现两个峰值，一个位于样品上表面干涉条纹出现的范围内，另一个位于样品下表面干涉条纹出现的范围内，则可以快速而准确地定位到样品上、下表面“最佳”干涉位置，进入有干涉条纹的区域。当知道发生干涉的区域长度时，便能通过分析计算得到这样的大步长选值。

通过分析可以知道发生干涉的区域长度是干涉相干长度的两倍，但直接用光源的相干长度显然不对，因为光源发射的光需要经过白光显微干涉系统的滤波以及其他一些操作，这会使得光源的发射光发生改变。

为了解决这个问题，本发明使用光谱仪测量光源经过白光显微干涉系统在其CCD位置处的光谱分布，得到光谱分布图，通过重心法求得CCD位置处光源的中心波长，进而求出CCD位置处光源的相干长度。此过程在不更换光源的情况下只需进行一次，之后的样品测量皆可使用计算得到的参数。

在得到中心波长和相干长度后，本发明经过分析计算，提出了具体的时序垂直粗扫描步长的选取策略。之后，通过时序垂直粗扫描采集图像，采用灰度方差评价函数定位到“最佳”干涉位置，进入有干涉条纹的区域，然后根据“最佳”干涉位置处前后帧图像的灰度方差函数值与阈值的比较，做出相应的移动策略，以使干涉条纹区域被完全包含其中。

本发明没有和现有方法一样在大步长扫描进入有干涉条纹的区域后改用小步长精确搜索干涉条纹起始和终止位置，而是采用了上、下移动一定距离使干涉条纹区域被完全包含其中的方法。这样做相比于其他方法，虽然损失了一些数据利用率，但一来是垂直扫描白光干涉测量技术要想准确测量样品的三维形貌必须采集到所有发生干涉区域的图像，所以为了保证测量的准确性，采图的区域长度比实际发生干涉的区域长度大一些是有必要的，且经过实验本发明提出的方法的数据利用率可达75％以上；二来是这样做可以直接在计算得到的范围内进行采图，省去了繁琐而又费时的小步长搜索干涉条纹起始和终止位置这一步，极大提升了本发明提出方法定位干涉条纹位置的速率。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

结合图1，本发明所述的基于光谱分布特性的三维形貌干涉测量快速垂直扫描方法，步骤如下：

步骤1、使用光谱仪测量光源经过白光显微干涉系统在其CCD位置处的光谱分布，得到光谱分布图，通过重心法求得CCD位置处光源的中心波长λ₀，进而求出CCD位置处光源的相干长度ΔL。其中，由光谱分布图求得中心波长λ₀的表达式如下：

式中，λ_max为光谱分布图中的最大截止波长，λ_min为光谱分布图中的最小截止波长，I(λ)是光谱分布图中波长λ对应的光强值。

CCD位置处光源的相干长度ΔL的表达式如下：

能发生干涉的范围为相干长度的两倍，即干涉条纹出现的范围长度length为：

步骤2、将样品放置入白光显微干涉系统，并将干涉物镜移至其工作距离之外，控制压电陶瓷使干涉物镜朝着样品方向按照每步step₁的步进量运动进行时序垂直粗扫描，控制CCD记录对应的图像。其中，step₁的选取应保证不论图像采集的起点在何处，都能使时序垂直粗扫描采集的系列图像中有且仅有两帧干涉图像各自分别对应于样品上、下表面发生干涉的范围内，使得计算得到的灰度方差值只出现两个峰值，一个位于样品上表面干涉条纹出现的范围内，另一个位于样品下表面干涉条纹出现的范围内，step₁选取的表达式如下：

step₁＝ceil(length/2step₂)×step₂ (4)

式中，ceil函数的作用是进行向上取整操作，step₂是时序垂直精扫描的步长，其值为光谱中心波长λ₀的八分之一。

步骤3、将CCD记录的前三帧图像的灰度方差值取平均作为背景噪声的灰度方差值，并取背景噪声的灰度方差值的1.5倍作为阈值t，以消除背景噪声起伏对判断样品上表面“最佳”干涉位置的影响。阈值t的表达式如下：

式中，var₁、var₂、var₃是从起始位置时序垂直粗扫描的3帧图像分别对应的灰度方差值。

某一帧图像的灰度方差值var_k的计算公式如下：

式中，W是图像灰度矩阵的行数，H是图像灰度矩阵的列数，I(x,y)是图像灰度矩阵(x,y)位置处的灰度值；图像帧号k＝1,2,3,……。

在时序垂直粗扫描的过程中，将第1帧至第3帧图像的灰度方差值作为计算阈值的基础，之后，当记录第4帧时，由第2帧至第4帧构成一个3帧图像序列，利用(8)式判断第3帧图像位置是否为样品上表面“最佳”干涉位置，当记录第5帧时，由第3帧至第5帧构成一个3帧图像序列，利用(8)式判断第4帧图像位置是否为样品上表面“最佳”干涉位置，以后每多记录一幅图像，即组成一组新的3帧图像序列，并判断其前一帧图像的位置是否为样品上表面“最佳”干涉位置。

当在p位置记录的图像灰度方差值var_p满足如下条件时，则认为该位置是样品上表面“最佳”干涉位置a：

var_p>t

var_p>var_p-1 (8)

var_p>var_p+1

式中var_p-1为p位置前一帧图像的灰度方差值，var_p+1为p位置后一帧图像的灰度方差值。

步骤4、控制压电陶瓷使干涉物镜继续朝着样品方向按照每步step₁的步进量运动进行时序垂直粗扫描，按照步骤3相同的方法，找到并记录样品下表面“最佳”干涉位置b。其中，阈值t不需重复计算。记录样品上表面“最佳”干涉位置a到样品下表面“最佳”干涉位置b的扫描步数N₁。其中N₁的值可由图像的灰度方差矩阵得出，进而可以得出它们的距离L₁：

L₁＝N₁×step₁ (9)

步骤5、根据位置a前后两帧图像的灰度方差值与阈值的比较，做出相应的移动策略，得到样品上表面条纹开始出现和结束的位置a_up和a_down。其中，样品上表面干涉条纹开始出现与结束的位置a_up和a_down分为以下三种情况：

式中，var_a-1为a位置前一帧图像的灰度方差值，var_a+1为a位置后一帧图像的灰度方差值；

样品上表面“最佳”干涉位置a的值由压电陶瓷起始位置p和(8)式判断的上表面“最佳”干涉位置对应的图像帧数n_a计算得到，其表达式为：

a＝p+n_a×step₁ (11)

控制压电陶瓷从样品上表面干涉条纹出现位置a_up开始以步长step₂时序垂直精扫描到样品上表面干涉条纹结束位置a_down，每扫描一次存储一帧图像，并记录存储的图像总帧数N₂。

步骤6、为了保证上、下表面存储的图像中间跳过了整数帧的图像，对位置b_up进行修正，修正后的位置b_up-R由下式确定：

式中，floor函数的作用是进行向下取整操作。

采用的形貌复原算法为《高精度短相干光三维形貌快速测量算法》(中国专利CN109751971A)提出的方法，文中的形貌复原算法要求上、下表面采集的图像总数为g(g＝4)的整数倍，因此也需要对位置b_down进行修正，修正后的位置b_down-R由下式确定：

b_down-＝(v-N₂)×step₂+b_up-R (13)

v＝ceil{N₂/g+floor[(b_down-b_up-R)/step₂]/g}×g (14)

控制压电陶瓷从样品上表面干涉条纹出现位置b_up-R开始以步长step₂时序垂直精扫描到样品上表面干涉条纹结束位置b_down-R，每扫描一次存储一帧图像；

计算出位置a_down到修正后的位置b_up-R之间跳过的距离，并将其换算成对应于步长step₂的精扫描步数n。其中，上下表面之间跳过的精扫描步数n的表达式如下：

步骤7、根据存储的样品上、下表面干涉条纹图像以及样品上、下表面之间跳过的精扫描步数n，通过形貌复原算法复原样品的三维形貌。

实施例

结合图1至图7，基于光谱分布特性的三维形貌干涉测量快速垂直扫描方法，实验过程中令白光显微干涉系统搭载放大倍率为10×的干涉物镜系统，对7.8μm标准台阶板进行测量，经过计算白光光源经过白光显微干涉系统在CCD位置处的中心波长为576nm，相干长度为1.276μm，时序垂直精扫描步长为76nm，时序垂直粗扫描步长为1.292μm。本发明所述的基于光谱分布特性的三维形貌干涉测量快速垂直扫描方法，实现步骤为：

结合图2和图3，将光源1与科勒照明系统2连接，调整科勒照明系统2与第一分光镜3的位置使科勒照明系统2出射的光由第一分光镜3承接并反射，调整干涉物镜系统7的位置，使第一分光镜3反射的光通过物镜，调整参考面与第二分光镜6的位置，使由物镜4镜透射的光一部分由第二分光镜6和参考面反射形成参考光，另一部分光由第二分光镜6透射，再通过被测物体的反射和第二分光镜6的透射形成测试光，参考光与测试光形成干涉光信号。干涉光信号通过物镜4及第一分光镜3，再通过管镜9入射到CCD的靶面上，完成一幅干涉图像的接收。

白光显微干涉系统搭建完毕后，打开白光光源1，白光经过科勒照明系统2照射到第一分光镜3上，由第一分光镜3产生的反射光向下反射到由物镜4、参考面5、第二分光镜6组成的干涉物镜系统7。由第一分光镜3产生的反射光首先透过物镜4照射到第二分光镜6的上表面，第二分光镜6将光束分成反射光与透射光，其中反射光向上反射到参考面5，参考面将其反射后再次照射到第二分光镜6的上表面，在第二分光镜6的上表面再次反射后形成参考光。由第二分光镜6产生的透射光向下传播照射到待测物体8的上表面，被反射后透过第二分光镜6形成测试光，参考光与测试光发生干涉产生干涉光信号，干涉光信号向上传播到的第一分光镜3并透射，透射的干涉光信号继续向上传播透过管镜9后由CCD 10接收，完成一幅干涉图像的接收。控制及数据处理系统11控制扫描系统12按照算法的流程进行时序垂直扫描。

步骤1、使用光谱仪测量光源经过白光显微干涉系统在其CCD位置处的光谱分布，得到光谱分布图，通过重心法求得CCD位置处光源的中心波长λ₀，进而求出CCD位置处光源的相干长度ΔL。

步骤2、将样品放置入白光显微干涉系统，并将干涉物镜移至其工作距离之外，控制压电陶瓷使干涉物镜朝着样品方向按照每步step₁的步进量运动进行时序垂直粗扫描，控制CCD记录对应的图像。

步骤3、将CCD记录的前三帧图像的灰度方差值取平均作为背景噪声的灰度方差值，并取背景噪声的灰度方差值的1.5倍作为阈值t。在时序垂直粗扫描的过程中，将第1帧至第3帧图像的灰度方差值作为计算阈值的基础，之后，当记录第4帧时，由第2帧至第4帧构成一个3帧图像序列，利用(8)式判断第3帧图像位置是否为样品上表面“最佳”干涉位置，当记录第5帧时，由第3帧至第5帧构成一个3帧图像序列，利用(8)式判断第4帧图像位置是否为样品上表面“最佳”干涉位置，以后每多记录一幅图像，即组成一组新的3帧图像序列，并判断其前一帧图像的位置是否为样品上表面“最佳”干涉位置。

步骤4、控制压电陶瓷使干涉物镜继续朝着样品方向按照每步step₁的步进量运动进行时序垂直粗扫描，按照步骤4相同的方法，找到并记录样品下表面“最佳”干涉位置b。其中，阈值t不需重复计算。记录样品上表面“最佳”干涉位置a到样品下表面“最佳”干涉位置b的扫描步数N₁。

步骤5、根据位置a前后两帧图像的灰度方差值与阈值的比较，做出相应的移动策略，得到样品上表面条纹开始出现和结束的位置a_up和a_down，如图4所示。控制压电陶瓷从样品上表面干涉条纹出现位置a_up开始以步长step₂时序垂直精扫描到样品上表面干涉条纹结束位置a_down，每扫描一次存储一帧图像，并记录存储的图像总帧数N₂。

步骤6、根据使用的形貌复原算法的条件，对样品下表面条纹开始出现和结束的位置进行修正，得到修正后大台阶下表面条纹开始出现和结束的位置b_up-R和b_down-R，如图5所示。控制压电陶瓷从样品上表面干涉条纹出现位置b_up-R开始以步长step₂时序垂直精扫描到样品上表面干涉条纹结束位置b_down-R，每扫描一次存储一帧图像。

步骤7、根据存储的样品上、下表面干涉条纹图像以及样品上、下表面之间跳过的精扫描步数n，通过形貌复原算法复原样品的三维形貌，如图6、7所示。

经过多次取点求平均，上表面的高度为9563nm，下表面的高度为1677nm，测得的台阶高度为7.886μm。本发明提出的方法从样品上、下表面一共采集了80帧图像，上、下表面之间跳过的图像帧数为81帧，即跳过了5.832μm的距离，算法的数据利用率η为：

本实施例通过一系列的措施实现了对高度达微米量级的样品测量，最终还原了样品的三维形貌，实验结果表明测量值与实际值吻合度高、算法计算时间明显短于传统的垂直扫描测量算法，表明该方法实时性好、速度快、测量精度高。

Claims (10)

1.一种基于光谱分布特性的三维形貌干涉测量快速垂直扫描方法，其方法步骤如下：

步骤1、使用光谱仪测量光源经过白光显微干涉系统在其CCD位置处的光谱分布，得到光谱分布图，通过重心法求得CCD位置处光源的中心波长λ₀，进而求出CCD位置处光源的相干长度ΔL，转入步骤2；

步骤2、将样品放置入白光显微干涉系统，并将干涉物镜移至其工作距离之外，控制压电陶瓷使干涉物镜朝着样品方向按照每步step₁的步进量运动进行时序垂直粗扫描，控制CCD记录对应的图像，转入步骤3；

步骤3、对CCD记录的每幅图像进行灰度方差评价函数计算，得到其灰度方差值，并将记录的图像删除，比较灰度方差值，找到并记录样品上表面“最佳”干涉位置a，转入步骤4；

步骤4、控制压电陶瓷使干涉物镜继续朝着样品方向按照每步step₁的步进量运动进行时序垂直粗扫描，控制CCD记录对应的图像，对CCD记录的每幅图像进行灰度方差评价函数计算，得到其灰度方差值，并将记录的图像删除，比较灰度方差值，找到并记录样品下表面“最佳”干涉位置b，记录样品上表面“最佳”干涉位置a到样品下表面“最佳”干涉位置b的扫描步数N₁，转入步骤5；

步骤5、根据样品上表面“最佳”干涉位置a前后两帧图像的灰度方差值与阈值的比较，做出相应的移动策略，得到样品上表面条纹开始出现和结束的位置a_up和a_down；控制压电陶瓷按照每步step₂的步进量，从a_up到a_down进行时序垂直精扫描，并存储相应的上表面干涉图像；

根据样品下表面“最佳”干涉位置b前后两帧图像的灰度方差值与阈值的比较，做出相应的移动策略，得出样品下表面条纹开始出现和结束的位置b_up和b_down，转入步骤6；

步骤6、根据形貌复原算法的条件，对位置b_up和b_down分别进行修正，得到对应的修正后的位置b_up-R和b_down-R，控制压电陶瓷按照每步step₂的步进量，从b_up-R到b_down-R进行时序垂直精扫描，并存储相应的下表面干涉图像，计算出位置a_down到修正后的位置b_up-R之间跳过的距离，并将其换算成对应于步长step₂的精扫描步数n，转入步骤7；

步骤7、根据存储的样品上、下表面干涉图像以及样品上、下表面之间跳过的精扫描步数n，通过形貌复原算法复原样品的三维形貌。

2.根据权利要求1所述的基于光谱分布特性的三维形貌干涉测量快速垂直扫描方法，其特征在于：所述步骤1中，根据光谱分布图，通过重心法求得CCD位置处光源的中心波长λ₀的表达式如下：

式中，λ_max为光谱分布图中的最大截止波长，λ_min为光谱分布图中的最小截止波长，I(λ)是光谱分布图中波长λ对应的光强值；

CCD位置处光源的相干长度ΔL的表达式如下：

能发生干涉的范围为相干长度的两倍，即干涉条纹出现的范围长度length为：

3.根据权利要求1所述的基于光谱分布特性的三维形貌干涉测量快速垂直扫描方法，其特征在于：所述步骤2中，样品为高度达微米量级的物体。

4.根据权利要求2所述的基于光谱分布特性的三维形貌干涉测量快速垂直扫描方法，其特征在于：所述步骤2中，step₁的选取应保证不论图像采集的起点在何处，都能使时序垂直粗扫描采集的系列图像中有且仅有两帧干涉图像各自分别对应于样品上、下表面发生干涉的范围内，使得计算得到的灰度方差值只出现两个峰值，一个位于样品上表面干涉条纹出现的范围内，另一个位于样品下表面干涉条纹出现的范围内，step₁选取的表达式如下：

step₁＝ceil(length/2step₂)×step₂ (4)式中，ceil函数的作用是进行向上取整操作，step₂是时序垂直精扫描的步长，其值为光谱中心波长λ₀的八分之一。

5.根据权利要求4所述的基于光谱分布特性的三维形貌干涉测量快速垂直扫描方法，其特征在于：所述步骤3中，对CCD记录的每幅图像进行灰度方差评价函数计算，得到其灰度方差值，并将记录的图像删除，比较灰度方差值，找到并记录样品上表面“最佳”干涉位置，具体如下：

将CCD记录的前三帧图像的灰度方差值取平均作为背景噪声的灰度方差值，并取背景噪声的灰度方差值的1.5倍作为阈值t，阈值t的表达式如下：

式中，var₁、var₂、var₃是从起始位置时序垂直粗扫描的3帧图像分别对应的灰度方差值；

某一帧图像的灰度方差值var_k的计算公式如下：

式中，W是图像灰度矩阵的行数，H是图像灰度矩阵的列数，I(x,y)是图像灰度矩阵(x,y)位置处的灰度值；图像帧号k＝1,2,3,……；

当在p位置记录的图像灰度方差值var_p满足如下条件时，则认为该位置是样品上表面“最佳”干涉位置a：

式中var_p-1为p位置前一帧图像的灰度方差值，var_p+1为p位置后一帧图像的灰度方差值。

6.根据权利要求5所述的基于光谱分布特性的三维形貌干涉测量快速垂直扫描方法，其特征在于：在时序垂直粗扫描的过程中，将第1帧至第3帧图像的灰度方差值作为计算阈值的基础，之后，当记录第4帧时，由第2帧至第4帧构成一个3帧图像序列，利用(8)式判断第3帧图像位置是否为样品上表面“最佳”干涉位置，当记录第5帧时，由第3帧至第5帧构成一个3帧图像序列，利用(8)式判断第4帧图像位置是否为样品上表面“最佳”干涉位置，以后每多记录一幅图像，即组成一组新的3帧图像序列，并判断其前一帧图像的位置是否为样品上表面“最佳”干涉位置。

7.根据权利要求5所述的基于光谱分布特性的三维形貌干涉测量快速垂直扫描方法，其特征在于：所述步骤4中，样品上表面“最佳”干涉位置a到样品下表面“最佳”干涉位置b的扫描步数N₁的值由图像的灰度方差矩阵得出，进而得出它们的距离L₁：

L₁＝N₁×step₁ (9)。

8.根据权利要求7所述的基于光谱分布特性的三维形貌干涉测量快速垂直扫描方法，其特征在于：所述步骤5中，样品上表面干涉条纹开始出现与结束的位置a_up和a_down分为以下三种情况：

式中，var_a-1为a位置前一帧图像的灰度方差值，var_a+1为a位置后一帧图像的灰度方差值；

样品上表面“最佳”干涉位置a的值由压电陶瓷起始位置p和(8)式判断的上表面“最佳”干涉位置对应的图像帧数n_a计算得到，其表达式为：

a＝p+n_a×step₁ (11)

样品下表面干涉条纹开始出现与结束的位置b_up和b_down由相同的步骤确定。

9.根据权利要求8所述的基于光谱分布特性的三维形貌干涉测量快速垂直扫描方法，其特征在于：所述步骤5中，从样品上表面干涉条纹出现位置a_up开始以步长step₂时序垂直精扫描到样品上表面干涉条纹结束位置a_down，每扫描一次存储一帧图像，并记录存储的图像总帧数N₂；设上下表面跳过的距离为步长step₂的整数倍，即保证上下表面存储的图像中间跳过了整数帧的图像，对位置b_up进行修正，修正后的位置b_up-R由下式确定：

式中，floor函数的作用是进行向下取整操作；

设形貌复原算法要求上下表面采集的图像总数为g的整数倍，因此也需要对位置b_down进行修正，修正后的位置b_down-R由下式确定：

b_down-R＝(v-N₂)×step₂+b_up-R (13)

v＝ceil{N₂/g+floor[(b_down-b_up-R)/step₂]/g}×g (14)

其中，g≠0。

10.根据权利要求9所述的基于光谱分布特性的三维形貌干涉测量快速垂直扫描方法，其特征在于：所述步骤6中，上下表面之间跳过的精扫描步数n由下式确定：

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