CN113566740B - 基于显微立体偏折束技术的超精密测量装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于显微立体偏折束技术的超精密测量装置和方法，包括固定架，所述固定架上设置有显微立体偏折束组件、样品台及计算机；所述计算机与所述显微立体偏折束组件连接，所述样品台位于所述显微立体偏折束组件的一侧；所述样品台用于放置所述待测镜面，所述显微立体偏折束组件用于测量所述待测镜面。本发明使用所述DMD投影仪增加了所述编码图案的光强，降低了环境光对超精密测量的影响，同时解决了高倍率物镜因传统投影屏幕光强较低无法使用的问题。

Description

基于显微立体偏折束技术的超精密测量装置和方法

技术领域

本发明涉及超精密测量技术领域，具体地，涉及一种基于显微立体偏折束的超精密测量装置和方法。

背景技术

近年来随着微纳米技术的发展，对于超精密测量设备与方法的需求在不断增长，对于测量设备的各方面性能的需求也在提高。现在超精密测量中经常出现的是白光光学干涉仪以及扫描显微镜。但是对于白光干涉仪来说，其严苛的检测环境和高昂的价格大大提高了其使用门槛。而对于常见的扫描显微镜来说，其较小的视场也大大降低了泛用性。

近年来由德国学者G

等人提出的显微相位偏折测量法不仅拥有着高达纳米级的分辨率，其价格相比传统的白光干涉仪和扫描显微镜来说也极为低廉。但是由于传统投影屏幕的亮度影响，此系统在测量精度方面的表现十分不稳定。

公开号为CN107806818A的专利文献公开了一种金刚石刀具刃口轮廓质量超精密测量装置，该装置的左右移动导轨A、上下移动导轨A、前后移动导轨用于实现原子力扫描头与金刚石刀具十微米量级的偏心调整；左右移动导轨B、前后移动导轨B用于实现光学显微镜与金刚石刀具十微米量级的偏心调整；三维精密位姿调整机构用于实现金刚石刀具与原子力扫描探针亚微米量级的偏心调整；超精密空气静压回转轴系用于实现金刚石刀具全刃口锋利度和圆弧波纹度的测量。但是该专利文献仍然存在测量精度不稳定的缺陷。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于显微立体偏折束技术的超精密测量装置和方法。

根据本发明提供的一种基于显微立体偏折束技术的超精密测量装置，包括固定架，所述固定架上设置有显微立体偏折束组件、样品台及计算机；

所述计算机与所述显微立体偏折束组件连接，所述样品台位于所述显微立体偏折束组件的一侧；

所述样品台用于放置所述待测镜面，所述显微立体偏折束组件用于测量所述待测镜面。

优选的，所述显微立体偏折束组件包括DMD投影仪、聚焦透镜、收束透镜、反射镜、毛玻璃扩散板、分光棱镜、显微物镜、成像透镜及相机；

所述显微物镜和所述样品台依次设于所述分光棱镜下方；所述成像透镜和所述相机依次设于所述分光棱镜上方；所述聚焦透镜和所述反射镜依次设于所述分光棱镜右方；所述毛玻璃扩散板、所述收束透镜及所述DMD投影仪依次设于所述反射镜上方；

所述DMD投影仪用于投影编码图案；所述计算机与所述相机相连接，所述计算机用于采集所述相机接收到的图像信息。

本发明还提供一种基于显微立体偏折束技术的超精密测量方法，基于显微立体偏折束技术的超精密测量装置，包括如下步骤：

步骤1：对所述显微立体偏折束组件中的所述相机进行标定，得到所述相机的内参和畸变参数；

步骤2：将待测镜面置于所述样品台上对所述显微立体偏折束组件进行标定，获取所述显微立体偏折束组件中的所述DMD投影仪经过所述收束透镜、所述毛玻璃扩散板、所述反射镜、所述聚焦透镜、所述分光棱镜及所述显微物镜投影至待测镜面上方的像与所述相机的位姿关系；

步骤3：将待测镜面固定于所述样品台上，通过所述显微立体偏折束组件进行测量，利用所述计算机还原待测镜面的表面形貌。

优选的，所述步骤1包括如下步骤：

步骤1.1：使用所述相机拍摄多张圆环标定板或者棋盘格标定板在不同位姿下的图像；

步骤1.2：解算每台所述相机的内参以及畸变系数。

优选的，所述步骤1.2中，用圆环圆心或者棋盘格角点作为参考点，使用张正友标定法解算每台所述相机的内参以及畸变系数。

优选的，所述步骤2包括如下步骤：

步骤2.1：将一待测镜面置于所述样品台上，调整所述样品台高度，将待测镜面置于所述显微物镜的焦平面上；

步骤2.2：求出投影图像与所述相机的位姿关系。

优选的，所述步骤2.2中，利用所述DMD投影仪投影编码图像，调整所述样品台高度直至可以通过所述相机看到清晰的编码图像，结合所述步骤2.1的所述样品台的运动信息求出投影图像与所述相机的位姿关系。

优选的，所述步骤3包括如下步骤：

步骤3.1：将待测镜面固定于所述样品台上，并将其置于所述显微物镜的焦平面上，所述DMD投影仪显示多步相移三频外差的正弦条纹，相机拍摄经待测镜面表面反射后的正弦条纹，对所述DMD投影仪中的正弦条纹和所述相机拍摄的正弦条纹的条纹信息转换为坐标信息；

步骤3.2：根据所述步骤3.1得到的坐标信息以及投影图像与所述相机的位姿关系，求解待测镜面表面的法向量；

步骤3.3：将待测镜面表面的法向量恢复至待测镜面表面的轮廓信息，完成测量。

优选的，所述步骤3.1中，对所述DMD投影仪中的正弦条纹和所述相机拍摄的正弦条纹分别用相位解算和相位展开的方法，将条纹信息转换为坐标信息。

优选的，所述步骤3.3中，通过区域积分算法将待测镜面表面的法向量恢复至待测镜面表面的轮廓信息。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明使用所述DMD投影仪增加了所述编码图案的光强，降低了环境光对超精密测量的影响，同时解决了高倍率物镜因传统投影屏幕光强较低无法使用的问题；

2、本发明利用DMD投影仪、收束透镜和毛玻璃扩散板组成的发光机构代替传统的投影屏幕作为光源，有着高亮度、高分辨率的优势；

3、本发明所使用的发光机构可以做到在不降低编码图像分辨率的基础上，极大程度的提高了光强，不仅减弱了环境光噪声的影响，还使高倍率显微物镜的使用成为可能。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本发明一种基于显微立体偏折束的测量装置实施实例的正视图；

图2是本发明一种基于显微立体偏折束的测量装置实施实例的光路图；

图3是本发明一种基于显微立体偏折束的测量装置标定实施实例的局部图；

图4是本发明一种基于显微立体偏折束的测量装置中DMD投影仪显示的编码图案的纵向条纹的示意图；

图5为本发明一种基于显微立体偏折束的测量装置中DMD投影仪显示的编码图案的横向条纹的示意图；

图6是本发明一种基于显微立体偏折束的测量装置中标定相机用的圆环标定板的立体示意图；

图7是本发明一种基于显微立体偏折束的测量装置中标定相机用的圆环标定板的俯视图。

图中示出：

显微立体偏折束组件1 显微物镜107

DMD投影仪101 成像透镜108

聚焦透镜102 相机109

收束透镜103 样品台2

反射镜104 固定架3

毛玻璃扩散板105 待测镜面4

分光棱镜106 投影图像5

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1～7所示，本发明提供的一种基于显微立体偏折束技术的超精密测量装置，包括固定架3，固定架3上设置有显微立体偏折束组件1、样品台2及计算机，计算机与显微立体偏折束组件1连接，样品台2位于显微立体偏折束组件1的一侧，样品台2用于放置待测镜面4，显微立体偏折束组件1用于测量待测镜面4。显微立体偏折束组件1包括DMD投影仪101、聚焦透镜102、收束透镜103、反射镜104、毛玻璃扩散板105、分光棱镜106、显微物镜107、成像透镜108及相机109，显微物镜107和样品台2依次设于分光棱镜106下方，成像透镜108和相机109依次设于分光棱镜106上方，聚焦透镜102和反射镜104依次设于分光棱镜106右方，毛玻璃扩散板105、收束透镜103及DMD投影仪101依次设于反射镜104上方，DMD投影仪101用于投影编码图案，计算机与相机109相连接，计算机用于采集相机109接收到的图像信息。

本发明还提供一种基于显微立体偏折束技术的超精密测量方法，基于显微立体偏折束技术的超精密测量装置，包括如下步骤：

步骤1：对显微立体偏折束组件1中的相机109进行标定，得到相机109的内参和畸变参数。步骤1包括如下步骤：步骤1.1：使用相机109拍摄多张圆环标定板或者棋盘格标定板在不同位姿下的图像；步骤1.2：解算每台相机109的内参以及畸变系数。步骤1.2中，用圆环圆心或者棋盘格角点作为参考点，使用张正友标定法解算每台相机109的内参以及畸变系数。

步骤2：将待测镜面4置于样品台2上对显微立体偏折束组件1进行标定，获取显微立体偏折束组件1中的DMD投影仪101经过收束透镜103、毛玻璃扩散板105、反射镜104、聚焦透镜102、分光棱镜106及显微物镜107投影至待测镜面4上方的像与相机109的位姿关系。步骤2包括如下步骤：步骤2.1：将一待测镜面4置于样品台2上，调整样品台2高度，将待测镜面4置于显微物镜107的焦平面上；步骤2.2：求出投影图像与相机109的位姿关系。步骤2.2中，利用DMD投影仪101投影编码图像，调整样品台2高度直至可以通过相机109看到清晰的编码图像，结合步骤2.1的样品台2的运动信息求出投影图像与相机109的位姿关系。

步骤3：将待测镜面4固定于样品台2上，通过显微立体偏折束组件1进行测量，利用计算机3还原待测镜面4的表面形貌。步骤3包括如下步骤：步骤3.1：将待测镜面4固定于样品台2上，并将其置于显微物镜107的焦平面上，DMD投影仪101显示多步相移三频外差的正弦条纹，相机109拍摄经待测镜面4表面反射后的正弦条纹，对DMD投影仪101中的正弦条纹和相机109拍摄的正弦条纹的条纹信息转换为坐标信息；步骤3.2：根据步骤3.1得到的坐标信息以及投影图像与相机109的位姿关系，求解待测镜面4表面的法向量；步骤3.3：将待测镜面4表面的法向量恢复至待测镜面4表面的轮廓信息，完成测量。步骤3.1中，对DMD投影仪101中的正弦条纹和相机109拍摄的正弦条纹分别用相位解算和相位展开的方法，将条纹信息转换为坐标信息，步骤3.3中，通过区域积分算法将待测镜面4表面的法向量恢复至待测镜面4表面的轮廓信息。

实施例1：

一种基于显微立体偏折束技术的超精密测量装置，包括显微立体偏折束系统、待测镜面、样品台及计算机。显微立体偏折束系统包括DMD投影仪、聚焦透镜、收束透镜、反射镜、毛玻璃扩散板、分光棱镜、显微物镜、成像透镜及相机。其中，显微物镜、待测样品和样品台依次设于分光棱镜下方，成像透镜和相机依次设于分光棱镜上方，聚焦透镜和反射镜依次设于分光棱镜右方，毛玻璃扩散板、收束透镜和DMD投影仪依次设于所属反射镜上方，DMD投影仪用于投影编码图案，编码图案经过收束透镜、毛玻璃扩散板、反射镜、聚焦透镜、分光棱镜和显微物镜投影至待测镜面，经过待测镜面反射至显微物镜，并经过分光棱镜和成像透镜使畸变后的编码图案被相机接收，计算机与相机相连，用于采集相机接收到的图像信息，并对图像信息进行处理得到显微立体偏折束系统的参数，并基于显微立体偏折束系统的参数计算镜面的法向量，并通过计算法向量的积分获取待测镜面的形貌。

DMD投影仪投影的编码图案经收束透镜于毛玻璃扩散板形成一缩小的高亮度高分辨率的像，以此代替传统投影屏幕。显微立体偏折束系统的参数包括相机内参以及相机与DMD投影仪经过收束透镜、毛玻璃扩散板、反射镜、聚焦透镜、分光棱镜和显微物镜投影至待测镜面上方的像(投影图像5)的位姿关系。编码图案为多步相移三频外差的正弦条纹。

一种基于显微立体偏折束技术的超精密测量方法，采用上述的基于显微立体偏折束技术的超精密测量装置，包括如下步骤：

(1)对显微立体偏折束系统中的相机进行标定，得到相机的内参和畸变参数。步骤(1)具体为：使用相机拍摄多张圆环标定板或者棋盘格标定板在不同位姿下的图像，用圆环圆心或者棋盘格角点作为参考点，使用张正友标定法解算每台相机的内参以及畸变系数。

(2)将一平整镜面置于样品台上对显微立体偏折束系统进行标定，获取显微立体偏折束系统中DMD投影仪经过收束透镜、毛玻璃扩散板、反射镜、聚焦透镜、分光棱镜和显微物镜投影至待测镜面上方的像(投影图像5)与相机的位姿关系。步骤(2)具体为：(21)将一平整镜面置于样品台上，调整样品台高度，将平整镜面置于显微物镜的焦平面上；(22)利用DMD投影仪投影编码图像，调整样品台高度直至可以通过相机看到清晰的编码图像。结合步骤(21)的样品台的运动信息求出投影图像与相机的位姿关系。

(3)将待测镜面固定于样品台上，通过显微立体偏折束系统进行测量，利用计算机还原待测镜面的表面形貌。步骤(3)具体为：(31)将待测镜面固定于样品台上，并将其置于显微物镜的焦平面上，DMD投影仪显示多步相移三频外差的正弦条纹，相机拍摄经待测镜面表面反射后的正弦条纹，对DMD投影仪中的正弦条纹和相机拍摄的正弦条纹分别用相位解算和相位展开的方法，将条纹信息转换为坐标信息；(32)根据步骤(31)得到的坐标信息以及投影图像与相机的位姿关系，求解待测镜面表面的法向量；(33)通过区域积分算法将待测镜面表面的法向量恢复至待测镜面表面的轮廓信息，完成测量。

实施例2：

一种基于显微立体偏折束技术的超精密测量装置由显微立体偏折束系统、待测镜面、样品台和计算机组成；显微立体偏折束系统包括DMD投影仪、聚焦透镜、收束透镜、反射镜、毛玻璃扩散板、一个非偏振立方体的分光棱镜、显微物镜、成像透镜和一台高精度低信噪比相机。其中，显微物镜、待测样品和样品台依次设于分光棱镜下方，成像透镜和相机依次设于分光棱镜上方，聚焦透镜和反射镜依次设于分光棱镜右方，毛玻璃扩散板、收束透镜和DMD投影仪依次设于所属反射镜上方，DMD投影仪用于投影编码图案，依次经过收束透镜、毛玻璃扩散板、反射镜、聚焦透镜、分光棱镜和显微物镜投影至待测镜面，经反射后又通过显微物镜、分光棱镜和成像透镜使畸变后的编码图案被相机接收，计算机与相机相连，用于采集相机接收到的图像信息，计算机通过显微立体偏折束系统的参数计算待测镜面的法向量，再通过计算上述法向量的积分获取待测镜面的表面形貌，其中，该参数包括相机内参以及相机与DMD投影仪经过收束透镜、毛玻璃扩散板、反射镜、聚焦透镜、分光棱镜和显微物镜投影至待测镜面上方的像(投影图像5)的位姿关系。

本实施方式中投影屏幕显示的编码图案如图4和图5所示，可以为多步相移三频外差的正弦条纹，该条纹的周期遵循最佳三条纹策略，如此可以避免离焦对测量的影响。

下面以一个具体的实施例进一步说明本实施方式在机标定以及原位测量过程：

步骤1，对的显微立体偏折束系统中的相机进行标定，获取相机的内参以及畸变参数。具体为：使用相机拍摄若干张不同位置下的圆环标定板的图片(如图6和图7)，提取图片中的圆环圆心坐标作为对应点坐标，利用得到的数据使用张正友标定法进行相机标定，以此得到相机的内参和畸变系数；

步骤2，组装好显微立体偏折束系统后，将一个平整镜面作为参考镜放在样品台上方(如图3)，按照竖直方向调节样品台，直至相机可以采集到清晰的平整镜面表面的形貌，此时此平整镜面位于显微物镜的焦平面上；此时利用DMD投影仪投影编码图像，调整样品台直至可以通过相机得到清晰的编码图像；通过样品台调整距离可以得出投影图像与相机的位姿关系；

步骤3，将待测加镜面置于样品台上，通过显微立体偏折束系统进行测量，测量过程如下：

3.1调整样品台使待测镜面位于显微物镜的焦平面上，DMD投影仪显示多步相移三频外差的正弦条纹，相机拍摄经待测镜面表面反射后的正弦条纹，对DMD投影仪中的正弦条纹和相机拍摄的正弦条纹分别用相位解算和相位展开的方法，将条纹信息转换为坐标信息；

3.2根据步骤3.1得到的坐标信息以及投影图像与相机的位姿关系，求解待测镜面表面的法向量；

3.3通过区域积分算法将待测镜面表面的法向量恢复至待测镜面表面的轮廓信息，完成测量。

通过此示例可以证明,本发明通过使用由DMD投影仪、收束透镜和毛玻璃扩散板组成的光机结构来替代传统投影屏幕，成功的完成了对于待测镜面表面的高精度测量和形貌还原。此举不仅减小了环境光带来的影响，还可以是测量装置中的显微物镜可以使用更高倍率的物镜来进行更精密的测量。

本发明利用DMD投影仪、收束透镜和毛玻璃扩散板组成的发光机构代替传统的投影屏幕作为光源，有着高亮度、高分辨率的优势。现有的显微偏折测量系统中，由于传统投影屏幕的光强较弱，其测量工作极易受到环境光的影响，只有在暗室中才能达成最好的测量效果，且如果使用较高倍率的显微物镜，由于较弱的光强其成像质量会大幅下降，反而降低了精度，而本发明所使用的发光机构可以做到在不降低编码图像分辨率的基础上，极大程度的提高了光强，不仅减弱了环境光噪声的影响，还使高倍率显微物镜的使用成为可能。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (9)

1.一种基于显微立体偏折束技术的超精密测量装置，其特征在于，包括固定架（3），所述固定架（3）上设置有显微立体偏折束组件（1）、样品台（2）及计算机；

所述计算机与所述显微立体偏折束组件（1）连接，所述样品台（2）位于所述显微立体偏折束组件（1）的一侧；

所述样品台（2）用于放置待测镜面（4），所述显微立体偏折束组件（1）用于测量所述待测镜面（4）；

所述显微立体偏折束组件（1）包括DMD投影仪（101）、聚焦透镜（102）、收束透镜（103）、反射镜（104）、毛玻璃扩散板（105）、分光棱镜（106）、显微物镜（107）、成像透镜（108）及相机（109）；

所述显微物镜（107）和所述样品台（2）依次设于所述分光棱镜（106）下方；所述成像透镜（108）和所述相机（109）依次设于所述分光棱镜（106）上方；所述聚焦透镜（102）和所述反射镜（104）依次设于所述分光棱镜（106）右方；所述毛玻璃扩散板（105）、所述收束透镜（103）及所述DMD投影仪（101）依次设于所述反射镜（104）上方；

所述DMD投影仪（101）用于投影编码图案；所述计算机与所述相机（109）相连接，所述计算机用于采集所述相机（109）接收到的图像信息。

2.一种基于显微立体偏折束技术的超精密测量方法，其特征在于，采用权利要求1所述的基于显微立体偏折束技术的超精密测量装置，包括如下步骤：

步骤1：对所述显微立体偏折束组件（1）中的所述相机（109）进行标定，得到所述相机（109）的内参和畸变参数；

步骤2：将待测镜面（4）置于所述样品台（2）上对所述显微立体偏折束组件（1）进行标定，获取所述显微立体偏折束组件（1）中的所述DMD投影仪（101）经过所述收束透镜（103）、所述毛玻璃扩散板（105）、所述反射镜（104）、所述聚焦透镜（102）、所述分光棱镜（106）及所述显微物镜（107）投影至待测镜面（4）上方的像与所述相机（109）的位姿关系；

步骤3：将待测镜面（4）固定于所述样品台（2）上，通过所述显微立体偏折束组件（1）进行测量，利用所述计算机还原待测镜面（4）的表面形貌。

3.根据权利要求2所述基于显微立体偏折束技术的超精密测量方法，其特征在于，所述步骤1包括如下步骤：

步骤1.1：使用所述相机（109）拍摄多张圆环标定板或者棋盘格标定板在不同位姿下的图像；

步骤1.2：解算每台所述相机（109）的内参以及畸变系数。

4.根据权利要求3所述基于显微立体偏折束技术的超精密测量方法，其特征在于，所述步骤1.2中，用圆环圆心或者棋盘格角点作为参考点，使用张正友标定法解算每台所述相机（109）的内参以及畸变系数。

5.根据权利要求2所述基于显微立体偏折束技术的超精密测量方法，其特征在于，所述步骤2包括如下步骤：

步骤2.1：将一待测镜面（4）置于所述样品台（2）上，调整所述样品台（2）高度，将待测镜面（4）置于所述显微物镜（107）的焦平面上；

步骤2.2：求出投影图像与所述相机（109）的位姿关系。

6.根据权利要求5所述基于显微立体偏折束技术的超精密测量方法，其特征在于，所述步骤2.2中，利用所述DMD投影仪（101）投影编码图像，调整所述样品台（2）高度直至可以通过所述相机（109）看到清晰的编码图像，结合所述步骤2.1的所述样品台（2）的运动信息求出投影图像与所述相机（109）的位姿关系。

7.根据权利要求2所述基于显微立体偏折束技术的超精密测量方法，其特征在于，所述步骤3包括如下步骤：

步骤3.1：将待测镜面（4）固定于所述样品台（2）上，并将其置于所述显微物镜（107）的焦平面上，所述DMD投影仪（101）显示多步相移三频外差的正弦条纹，相机（109）拍摄经待测镜面（4）表面反射后的正弦条纹，对所述DMD投影仪（101）中的正弦条纹和所述相机（109）拍摄的正弦条纹的条纹信息转换为坐标信息；

步骤3.2：根据所述步骤3.1得到的坐标信息以及投影图像与所述相机（109）的位姿关系，求解待测镜面（4）表面的法向量；

步骤3.3：将待测镜面（4）表面的法向量恢复至待测镜面（4）表面的轮廓信息，完成测量。

8.根据权利要求7所述基于显微立体偏折束技术的超精密测量方法，其特征在于，所述步骤3.1中，对所述DMD投影仪（101）中的正弦条纹和所述相机（109）拍摄的正弦条纹分别用相位解算和相位展开的方法，将条纹信息转换为坐标信息。

9.根据权利要求7所述基于显微立体偏折束技术的超精密测量方法，其特征在于，所述步骤3.3中，通过区域积分算法将待测镜面（4）表面的法向量恢复至待测镜面（4）表面的轮廓信息。

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