CN113899320B - 一种基于空间结构光场的高精度微纳三维形貌测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于空间结构光场的高精度微纳三维形貌测量方法，通过空间光调制器在一定的纵向间隔下依次投影相移图像，投影次数和所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。在测量中，将计算机预先生成的相位图依次加载到空间光调制器中，并通过光路投影到物体表面，CCD采集到一系列成像图片，对每个像素点纵向提取出其在每幅图中的光强值并绘制出光强曲线，再对光强曲线提取包络线即为成像条纹图的调制度曲线，调制度曲线的峰值位置对应了该像素点聚焦的大致位置，对该位置附近点进行高斯曲线拟合即可得到准确的聚焦位置，从而恢复出物体的三维形貌，具有非扫描、非接触、高精度、速度快等特点。

Description

一种基于空间结构光场的高精度微纳三维形貌测量方法
技术领域
本发明属于微纳测量领域，特别涉及一种基于空间结构光场的高精度微纳三维形貌测量方法。
背景技术
微纳检测技术是当前微纳领域的一个热点研究方向，也是微纳领域进一步发展的基本保障。微纳器件由于其在微观尺度下所表现的独特性能，在航空航天、生物医药、半导体制造等众多高新技术领域有着广泛的应用。而微纳器件的设计、生产制造、测试等一系列过程都离不开微纳检测技术，三维微纳结构快速测量技术是微纳检测领域的一个重点发展趋势，在实际生产生活中发挥着十分重要的作用。
当前已有的三维微纳结构测量方法分为光学与非光学测量方法。其中，光学测量方法因其高精度、高效率、无损伤等优点得到了广泛的应用。传统的光学测量方法已经可以达到纳米级别的检测精度，如激光共聚焦法，该方法利用点探测器对物体进行逐点扫描测量，精度很高但是效率很低。此外，白光干涉测量方法利用白光的相干长度短这一原理实现微纳结构三维测量，具有高精度、高效率等特点，但是该方法对于表面形貌变化剧烈的物体无法实现测量。此外，结构光显微测量方法也是常用的微纳检测方法。基于结构光显微测量方法由于其高精度、全视场、非接触性等特点受到了广泛地关注。1997年，Neil利用相移法求解结构光显微系统中的轴向响应曲线，调制度最大值会出现在被测表面刚好处于物镜焦平面上时，于是被测表面的高度可以根据调制度最大值出现的位置与扫描步距获得，以此实现表面形貌的测量。
发明内容
本发明提出了一种基于空间结构光场的高精度微纳三维形貌测量方法，此方法具有非扫描、高精度、高效率、适用广的优点，具有广泛的应用前景。
为了实现上述目的，本发明一种基于空间结构光场的高精度微纳三维形貌测量方法，该方法的步骤如下：
步骤一：利用Gerchberg-Saxton算法生成相位全息图，并且根据纵向位置的不同叠加菲涅尔相位；
步骤二：通过上位机程序控制空间光调制器依次在具有相同纵向间距的各个平面内投影，每加载一张相位全息图，经过照明光路将一副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且在不同纵向位置聚焦的正弦光栅条纹依次被投影，CCD采集到一系列携带有物体高度信息的成像图片，并转化为数字信号存储到计算机中；
步骤三：提取出每个像素点在每幅图中的光强，绘制出每个像素点随投影位置变化的光强曲线，然后提取光强曲线的包络曲线即为该像素点的调制度曲线；
步骤四：取出调制度曲线峰值所在的投影位置，将该位置作为此像素点的粗略焦面位置，进一步通过对粗略焦面位置附近的曲线进行高斯曲线拟合可得到真实聚焦位置；
步骤五：得到各个像素点的真实聚焦位置后即可恢复物体三维形貌。
进一步地，通过在空间光调制器上依次加载预先生成的相位全息图，在不同纵向位置上投影编码的正弦相移条纹，并投影到物体表面。
进一步地，所投影的各个正弦条纹图像能清晰聚焦的纵向位置之间的间隔是相等的。
进一步地，所加载的相位全息图是通过Gerchberg-Saxton算法预先生成的。
本发明的原理在于：本发明首先通过Gerchberg-Saxton算法预先生成一系列相位全息图片，再将这些相位全息图片依次加载到空间光调制器中，在不同纵向位置上投影到由特定规律的编码光场，并经过照明光路投影到待测物体的表面，同时由CCD相机采集一系列成像图片。针对每一个像素点，提取出其在每幅图像中的光强值并绘制光强曲线，再对光强曲线取包络，将包络曲线的峰值位置作为粗略聚焦位置，随后再利用高斯曲线拟合算法得到准确聚焦位置；重复操作后得到所有像素点的准确聚焦位置的相对位置信息，从而实现物体三维形貌的测量。
本发明与现有技术相比，其优点在于：本发明通过使用空间光调制器在不同纵向位置生成编码的正弦光栅图像，取代了传统结构光测量中使用位移台进行纵向扫描的过程，避免了由于位移台的位移间隔不准确造成的误差。具有非扫描、精度高、速度快、适用广的优点，而该方法相较于传统的结构光测量的优势在于不需要进行纵向扫描，只需要控制空间光调制器依次在不同纵向位置投影具有一定相位差的正弦光栅图像，即可完成对物体的三维形貌测量。此外，该方法在投影条纹的过程中采用了飞行相移的方式，相比传统相移法需要在每个位置多次相移，该方法在每个位置仅需投影一副条纹图像，相移过程和位置变换结合在一起，极大地缩短了测量时间。
附图说明
图1为本发明一种基于空间结构光场的高精度微纳三维形貌测量方法流程图；
图2为本发明一种基于空间结构光场的高精度微纳三维形貌测量方法的光路图；其中，201为激光光源，202为第一透镜，203为第二透镜，204为空间光调制器，205为第三透镜，206为第四透镜，207为分光镜，208为显微物镜，209为待测物体，210为载物台，211为Tube透镜，212为黑白CCD相机；
图3为本发明提取光强包络的示意图；
图4为本发明模拟物体图和恢复图，其中，图4(a)为模拟的物体形貌图，图4(b)为恢复的物体形貌图。
具体实施方式
为了更好地说明本发明的具体过程，下面结合附图做进一步地详细描述。
如图1-2所示，一种基于空间结构光场的高精度微纳三维形貌测量方法，具体步骤如下：
步骤一：利用Gerchberg-Saxton算法生成相位全息图，并且根据纵向位置的不同叠加菲涅尔相位；
步骤二：通过上位机程序控制空间光调制器依次在具有相同纵向间距的各个平面内投影，每加载一张相位全息图，经过照明光路将一副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且在不同纵向位置聚焦的正弦光栅条纹依次被投影，CCD采集到一系列携带有物体高度信息的成像图片，并转化为数字信号存储到计算机中；
步骤三：提取出每个像素点在每幅图中的光强，绘制出每个像素点随投影位置变化的光强曲线，然后提取光强曲线的包络曲线即为该像素点的调制度曲线；
步骤四：取出调制度曲线峰值所在的投影位置，将该位置作为此像素点的粗略焦面位置，进一步通过对粗略焦面位置附近的曲线进行高斯曲线拟合可得到真实聚焦位置；
步骤五：得到各个像素点的真实聚焦位置后即可恢复物体三维形貌。
其中，需要预先生成待加载的相位全息图，Gerchberg-Saxton算法是常用的生成所需全息图的迭代算法。
通常，为了描述方便，将空间光调制器之后的所有透镜等效为一个傅里叶透镜，空间光调制器与再现平面分别位于该傅里叶透镜的前、后焦面，二者构成傅里叶变换关系。用Iin表示入射到SLM的均匀的光强分布，Iout表示再现平面的光强分布(Iout为期望的光强分布，为已知值)。如果能在SLM平面加载Iout的逆傅里叶变换场，很明显再现平面上就是准确的Iout分布。
迭代过程中，首先给再现光场的振幅Aout,0叠加一个随机的相位因子利用再现光场/>的逆傅里叶变换作为第一次迭代的近似值，可以极大的缩短计算时间。
经过Gerchberg-Saxton算法生成的相位全息图投影的仅能在物镜的焦平面上清晰聚焦，而本发明需要在不同纵向位置上投影一系列的正弦条纹图像。为了实现这一目的，给生成的全息图叠加一个菲涅尔透镜因子来实现。首先按相等的间隔选取一系列纵向位置，根据不同的纵向位置给该位置的相位全息图叠加一个对应的菲涅尔透镜的相位因子，最后将这一系列的全息图依次加载到空间光调制器上，即可生成一系列所需的空间结构光场。
当正弦条纹投影到被测物体表面时，CCD所采集到的光强可表示为：
I(x,y)＝I0B(x,y)[1+C(x,y)cos(2πfx+φ0)] (1)
其中，I0为背景光强，B(x,y)是表面的反射率(0≤B≤1)，C(x,y)描述了被投影的正弦条纹的调制度，f是条纹图案的空间频率，φ0是投影条纹的初始相位。
然后针对其中的每一个像素点提取出其在每幅图中的光强值并绘制光强曲线，之后对该光强曲线提取其包络线，如图3所示。其中，光强包络曲线对应了调制度曲线，该曲线的分支位置对应调制度值最大值的纵向位置，即聚焦位置。经过以上的提取包络处理得到粗聚焦位置，再利用高斯曲线拟合法得到准确聚焦位置，对所有像素点都进行以上操作，获取各自的准确聚焦位置，完成待测物体的三维重建。
本发明中，在每一个纵向位置上投影清晰的条纹图案是实现精密测量的关键。为了控制条纹图案在每一个纵向位置上都是清晰的，需要在通过传统GS算法生成的相位图中叠加菲涅尔透镜相位因子。所叠加的菲涅尔透镜的焦距根据如下公式计算：
其中，f1为菲涅尔透镜的焦距，f2为傅里叶透镜的焦距，d为空间光调制器到傅里叶透镜的距离，S为叠加了菲涅尔透镜后条纹清晰的纵向位置与傅里叶透镜之间的距离。根据此公式即可计算出相隔同样纵向间距的清晰条纹图案应当各自叠加的菲涅尔透镜的焦距，再叠加到各自的相位图中，即可完成条纹在各个纵向位置上的清晰投影。
本发明中，主要的器件包括：空间光调制器204，一个黑白CCD相机212，显微物镜208，激光光源201，四个平凸透镜(第一透镜202，第二透镜203，第三透镜205，第四透镜206)，一个分光镜207，一个Tube透镜211。其中，激光光201用于为测量系统提供光源，第一透镜202和第二透镜203组成一个扩束系统，第一透镜202和第二透镜203之间的距离为两透镜的焦距之和，使得激光光斑能够充满空间光调制器204的靶面，空间光调制器204用于产生结构光场，为保证空间光调制器204的衍射效率，激光入射到空间光调制器204的角度应小于12°，第三透镜205和第四透镜206组成一个缩束系统，第三透镜205和第四透镜206之间的距离为两透镜的焦距之和，使得激光光斑能够完全通过显微物镜208，Tube透镜211用于聚焦成像，黑白CCD相机212放置于Tube透镜211的后焦面位置，显微物镜208用于对待测物体209表面进行成像，分光镜207用于分离光束，载物台210用于粗调焦。

Claims (2)

1.一种基于空间结构光场的高精度微纳三维形貌测量方法，其特征在于：该方法利用的装置包括：空间光调制器（204），一个黑白CCD相机（212），显微物镜（208），激光光源（201），四个平凸透镜，一个分光镜（207），一个Tube透镜（211），第一透镜（202），第二透镜（203），第三透镜（205），第四透镜（206），其中，激光光源（201）用于为测量系统提供光源，第一透镜（202）和第二透镜（203）组成一个扩束系统，第一透镜（202）和第二透镜（203）之间的距离为两透镜的焦距之和，使得激光光斑能够充满空间光调制器（204）的靶面，空间光调制器（204）用于产生结构光场，为保证空间光调制器（204）的衍射效率，激光入射到空间光调制器（204）的角度应小于12°，第三透镜（205）和第四透镜（206）组成一个缩束系统，第三透镜（205）和第四透镜（206）之间的距离为两透镜的焦距之和，使得激光光斑能够完全通过显微物镜（208），Tube透镜（211）用于聚焦成像，黑白CCD相机（212）放置于Tube透镜（211）的后焦面位置，显微物镜（208）用于对待测物体（209）表面进行成像，分光镜（207）用于分离光束，载物台（210）用于粗调焦，该方法的步骤如下：
步骤一：利用Gerchberg-Saxton算法生成相位全息图，并且根据纵向位置的不同叠加菲涅尔相位；
步骤二：通过上位机程序控制空间光调制器依次在具有相同纵向间距的各个平面内投影，每加载一张相位全息图，经过照明光路将一副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且在不同纵向位置聚焦的正弦光栅条纹依次被投影，CCD采集到一系列携带有物体高度信息的成像图片，并转化为数字信号存储到计算机中；
步骤三：提取出每个像素点在每幅图中的光强，绘制出每个像素点随投影位置变化的光强曲线，然后提取光强曲线的包络曲线即为该像素点的调制度曲线；
步骤四：取出调制度曲线峰值所在的投影位置，将该位置作为此像素点的粗略焦面位置，进一步通过对粗略焦面位置附近的曲线进行高斯曲线拟合可得到真实聚焦位置；
步骤五：得到各个像素点的真实聚焦位置后即可恢复物体三维形貌；
其中，通过空间光调制器依次投影在不同纵向位置聚焦的相移条纹来改变像素点的纵向光强进而获取光强曲线，该光强曲线的包络线即可调制度曲线，采集图像的调制度反应了物体离焦的程度，且调制度最大值对应的纵向位置即为准确聚焦的位置；
通过提取调制度曲线峰值所在的投影位置和高斯曲线拟合算法，得到像素点真实调焦的位置，进而获得像素点的相对高度信息即物体三维形貌。
2.根据权利要求1所述的基于空间结构光场的高精度微纳三维形貌测量方法，其特征在于：该方法属于结构光测量，通过投影相移条纹采集到携带物体高度信息的变形条纹光强图，进而通过解调制度曲线来恢复物体三维形貌。
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