CN114413783A - 基于仪器三维传递函数的相干扫描干涉仪表面重构方法 - Google Patents

基于仪器三维传递函数的相干扫描干涉仪表面重构方法 Download PDF

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苏榕
刘嘉宇
任明俊
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Abstract

本发明涉及一种基于仪器三维传递函数的相干扫描干涉仪表面重构方法，其中装置包括照明系统、干涉显微成像系统以及物镜扫描系统；方法包括如下步骤：(1)获取相干扫描干涉仪三维干涉信号；(2)对信号进行三维傅立叶变换获取干涉信号三维频谱；(3)用三维频谱除以系统的三维传递函数获取表层膜模型的频谱；(4)对表层膜模型的频谱进行三维傅立叶逆变换得到重构的表层膜模型；(5)通过重构的表层膜模型的位置和相位计算表面高度。本发明利用相干扫描干涉仪的三维成像理论，在三维空间中恢复待测表面的表层膜模型并获取表面高度，实现比传统方法更高精度的微观表面形貌重构能力。

Description

基于仪器三维传递函数的相干扫描干涉仪表面重构方法
技术领域
本发明涉及精密光学测量工程技术领域，特别是涉及一种基于仪器三维传递函数的相干扫描干涉仪表面重构方法。
背景技术
随着光学、集成电路、航空航天、新能源汽车、医疗器械等高端制造领域的发展，对高端零部件的质量和制造精度要求不断提高，元器件不断微型化，功能性表面不断复杂化，这都对产品表面形貌的检测能力和精度提出了更高的要求。为了实现高效率测量并避免表面损伤，通常使用光学方法进行表面形貌进行测量，以相干扫描干涉仪、共焦显微镜和变焦显微镜为主。其中，相干扫描干涉仪(亦称为扫描白光干涉仪)是目前唯一可以在厘米级视场范围内实现亚纳米级纵向测量精度的非接触式表面测量技术。
现代相干扫描干涉仪技术发展了近30年，已称为一种被广泛使用的三维表面形貌测量技术。然而，由于成像分辨率受系统传递函数和固有光学像差限制，该技术的测量精度和空间分辨率在过去20年没有太大突破。三维表面重构方法是相干扫描干涉仪测量表面形貌的核心技术之一，是决定测量精度和空间分辨率的主要因素之一。目前的表面重构方法主要包括在空域中计算相干包络曲线峰值或重心位置的方法，频域中分析干涉信号级次和相位的方法，小波变换提取相干包络的方法，以及通过互相干函数判断低相干干涉信号峰值和相位的方法。为了简化方法，这些方法都只考虑了相干扫描干涉仪信号沿光轴方向单一维度的特征，而并没有对仪器三维成像的特征加以利用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于仪器三维传递函数的相干扫描干涉仪表面重构方法，实现了对待测表面微观形貌快速并精确的恢复。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种基于仪器三维传递函数的相干扫描干涉仪表面重构方法，其步骤如下：
(1.1)获取相干扫描干涉仪三维干涉信号；
(1.2)对获取的三维干涉信号进行预处理，约束其在纵向(即光轴方向)的背景光
强分布；
(1.3)对预处理好的三维干涉信号进行三维傅立叶变换，获取三维干涉信号频谱I(K)，其中K为空间频率矢量；
(1.4)通过实验标定或仿真模拟获取所述的相干扫描干涉仪的三维传递函数H(K)；
(1.5)利用所述的三维干涉信号频谱I(K)除以三维传递函数H(K)获取待测表面的表层膜模型的三维频谱O(K)，公式如下：
Figure BDA0003414659110000021
(1.6)对待测表面的表层膜模型的三维频谱O(K)进行三维傅立叶逆变换得到重构待
测表面的表层膜模型；
(1.7)利用所述重构的表层膜模型，在横向逐像素获取沿纵向的表面高度；
(1.8)通过所述逐像素获取的表面高度重构三维表面形貌。
所述步骤(1)中采用宽光谱光源作为照明光源以生成低相干干涉信号。
所述步骤(5)中通过三维干涉信号频谱和仪器三维传递函数获取表层膜模型的三维频谱的步骤如下：
(a)通过实验获取相干扫描干涉仪的三维传递函数，或通过公式(1)计算得到理论
三维传递函数
Figure BDA0003414659110000022
其中K为空间频率矢量，k0为波数(即2π/λ，λ为波长)，S(k0)为光谱功率密度，
Figure BDA0003414659110000023
其中
Figure BDA0003414659110000024
为受限于NA的光学成像系统的三维瞳函数，δ()为Dirac Delta函数，h为Heaviside台阶函数，
Figure BDA0003414659110000025
为纵向的单位向量，AN为系统数值孔径；
(b)用三维干涉信号频谱除以仪器三维传递函数，获取待测表面的表层膜模型在传
递函数带宽内的频谱，带宽外频谱为零，可以用如下公式表述：
Figure BDA0003414659110000026
其中，O(K)为待测表面的表层膜模型的三维频谱，I(K)为三维干涉信号频谱，H(K)为步骤(a)中获取的仪器三维传递函数；
所述步骤(a)中仪器三维传递函数可以通过标定获取，也可以通过仿真获取。
所述步骤(b)中对于带宽外的频谱要做置零处理。
所述步骤(7)对重构的表层膜模型逐像素沿纵向获取表面高度的步骤如下：
(Ⅰ)计算表层膜模型在各像素点沿纵向的幅值和相位信息；
(Ⅱ)判断表层膜模型在各像素点沿纵向的幅值峰值的个数；
如果峰值个数为1，把表层膜模型的幅值作为高度的函数，对幅值在峰值附近
进行拟合，获取拟合后峰值的对应的表面高度；
如果峰值个数大于1，则对每个峰值进行拟合操作，并以峰值高度作为权重，获取加权平均后的表面高度；
(Ⅲ)根据步骤(Ⅱ)获取的表面高度，获取相应高度处的相位，并计算该相位对应的高度修正值；
(Ⅳ)通过步骤(Ⅱ)获取的表面高度减去步骤(Ⅲ)获取的高度修正值，得到逐像素最终的表面高度。
所述步骤(7)中高度恢复方法为逐像素计算。
所述步骤(Ⅱ)中要对多峰值和单峰值进行区别运算。
所述步骤(Ⅴ)中补偿高度通过表层膜模型相位获取。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：利用相干扫描干涉仪的三维传递函数，在三维空间中恢复待测表面的表层膜模型并获取表面高度。与传统方法相比，具备三维传递函数修正和误差补偿功能，可提高测量三维物体表面形貌的精度，包括高度变化大的表面，以及具有大斜坡和高频表面纹理的表面。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定，在附图中：
图1为本发明所述相干扫描干涉表面重构设备以及流程图
图2为采集的三维干涉信号的中心X-Z剖面图
图3为干涉信号三维频谱的中心X-Z剖面图
图4为表层膜模型的频谱的中心X-Z剖面图
图5为表层膜模型的幅值的中心X-Z剖面图
图6为表层膜模型的幅值在纵向的分布图
图7为通过此发明获取的微球冠的表面形貌图
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1：
如图1所示的一种基于仪器三维传递函数的相干扫描干涉仪的装置以及表面重构方法，相干扫描干涉装置1包括图像采集CCD 3，管镜4，压电陶瓷扫描台5，干涉物镜6，待测件7以及照明光路8组成，压电陶瓷扫描台5可沿光轴方向移动，表面重构方法2包括如下步骤：
(1)：使用宽光谱光源8作为相干扫描干涉成像系统的照明光源，中心波长为560nm。
(2)：使用压电陶瓷位移台5将干涉物镜6前焦面延光轴方向扫描通过待测表面7。压电陶瓷位移台5每移动一步，相机3采集一幅干涉图加入图片栈中，扫描结束后形成最终的三维干涉信号，干涉信号的X-Z剖面图如图2所示；
(3)：对步骤(2)中获取的三维干涉信号进行预处理约束其在纵向(即光轴方向)的背景光强分布，避免频率混叠现象；
(4)：对步骤(3)中预处理好的三维干涉信号进行三维傅立叶变换获取三维干涉信号三维频谱，干涉信号三维频谱的中心X-Z剖面图如图3所示；
(5)：利用步骤(4)中获取的三维干涉信号频谱和已经通过实验标定或仿真模拟获取的系统三维传递函数获取表层膜模型的三维频谱，表层膜模型的频谱的中心X-Z剖面图如图4所示；
(6)：对步骤(5)表层膜模型的频谱进行三维傅立叶逆变换重构待测表层膜模型，获取的表层膜模型的中心X-Z剖面图如图5所示；
(7)：利用步骤(6)中重构的表层膜模型，在横向逐像素获取沿纵向的表面高度。
(8)：通过步骤(7)中逐像素获取的表面高度重构三维表面形貌，如图7所示为测量得到的微球冠的表面形貌。
其中步骤(5)中通过三维干涉信号频谱和仪器三维传递函数获取表层膜模型的三维频谱的步骤如下：
(a)通过实验获取相干扫描干涉仪的三维传递函数，或通过公式(1)计算得到理论三维传递函数
Figure BDA0003414659110000051
其中K为空间频率矢量，k0为波数(即2π/λ，λ为波长)，S(k0)为光谱功率密度，
Figure BDA0003414659110000052
其中
Figure BDA0003414659110000053
为受限于NA的光学成像系统的三维瞳函数，δ()为Dirac Delta函数，h为Heaviside台阶函数，
Figure BDA0003414659110000054
为纵向的单位向量，AN为系统数值孔径。
(b)用三维干涉信号频谱除以仪器三维传递函数，获取待测表面的表层膜模型在传递函数带宽内的频谱，带宽外频谱为零，可以用如下公式表述：
Figure BDA0003414659110000055
其中，O(K)为待测表面的表层膜模型的三维频谱，I(K)为三维干涉信号频谱，H(K)为(a)中获取的仪器三维传递函数，获取的表层膜模型的频谱的中心X-Z剖面图如图4所示。
对重构的表层膜模型逐像素沿纵向获取表面高度的步骤如下：
(I)计算表层膜模型在各像素点沿纵向的幅值和相位信息，幅值如图6所示；
(II)判断表层膜模型在各像素点沿纵向的幅值峰值的个数；
如果峰值个数为1，把表层膜模型的幅值作为高度的函数，对幅值在峰值附近进行拟合，获取拟合后峰值的对应的表面高度；
如果峰值个数大于1，则对每个峰值进行拟合操作，并以峰值高度作为权重，获取加权平均后的表面高度；
(Ⅲ)根据步骤(Ⅱ)获取的表面高度，获取相应高度处的相位，并计算该相位对应的高度修正值；
(VI)通过步骤(Ⅱ)获取的表面高度减去步骤(Ⅲ)获取的高度修正值，得到逐像素最终的表面高度。

Claims (5)

1.一种基于仪器三维传递函数的相干扫描干涉仪表面重构方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1.1)获取相干扫描干涉仪三维干涉信号；
(1.2)对获取的三维干涉信号进行预处理，约束其在纵向(即光轴方向)的背景光强分布；
(1.3)对预处理好的三维干涉信号进行三维傅立叶变换，获取三维干涉信号频谱I(K)，其中K为空间频率矢量；
(1.4)通过实验标定或仿真模拟获取所述的相干扫描干涉仪的三维传递函数H(K)；
(1.5)利用所述的三维干涉信号频谱I(K)除以三维传递函数H(K)获取待测表面的表层膜模型的三维频谱O(K)，公式如下：
Figure FDA0003414659100000011
(1.6)对待测表面的表层膜模型的三维频谱O(K)进行三维傅立叶逆变换得到重构待测表面的表层膜模型；
(1.7)利用所述重构的表层膜模型，在横向逐像素获取沿纵向的表面高度；
(1.8)通过所述逐像素获取的表面高度重构三维表面形貌。
2.根据权利要求1所述的一种基于仪器三维传递函数的相干扫描干涉仪表面重构方法，其特征在于，步骤(1.4)中通过仿真模拟获取所述的相干扫描干涉仪的三维传递函数H(K)，通过如下公式表述，
Figure FDA0003414659100000012
其中K为空间频率矢量，k0为波数(即2π/λ，λ为波长)，S(k0)为光谱功率密度，
Figure FDA0003414659100000013
其中
Figure FDA0003414659100000014
为受限于NA的光学成像系统的三维瞳函数，δ()为Dirac Delta函数，h为Heaviside台阶函数，
Figure FDA0003414659100000015
为纵向的单位向量，AN为系统数值孔径。
3.根据权利要求1所述的一种基于仪器三维传递函数的相干扫描干涉仪表面重构方法，其特征在于，步骤(1.7)中，对重构的表层膜模型逐像素沿纵向(即光轴方向)获取表面高度的步骤如下：
(7.1)计算表层膜模型在各像素点沿纵向的幅值和相位信息；
(7.2)判断表层膜模型在各像素点沿纵向的幅值峰值的个数：
如果峰值个数为1，把表层膜模型的幅值作为高度的函数，对幅值在峰值附近进行拟合，获取拟合后峰值的对应的表面高度；
如果峰值个数大于1，则对每个峰值进行拟合操作，并以峰值高度作为权重，获取加权平均后的表面高度；
(7.3)根据所述获取的表面高度，获取相应高度处的相位，并计算该相位对应的高度修正值；
(7.4)通过所述获取的表面高度减去所述获取的高度修正值，得到逐像素最终的表面高度。
4.根据权利要求3所述的一种基于仪器三维传递函数的相干扫描干涉仪表面重构方法，其特征在于，步骤(7.2)中要对多峰值和单峰值进行区别运算。
5.根据权利要求3所述的一种基于仪器三维传递函数的相干扫描干涉仪表面重构方法，其特征在于，步骤(7.3)中补偿高度通过表层膜模型相位获取。
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Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4035799A1 (de) * 1990-11-10 1992-05-14 Zeiss Carl Fa Optische vorrichtung mit konfokalem strahlengang zur dreidimensionalen untersuchung eines objektes
US20050073692A1 (en) * 2003-03-06 2005-04-07 De Groot Peter J. Profiling complex surface structures using scanning interferometry
US20100189372A1 (en) * 2009-01-23 2010-07-29 National Taipei University Of Technology Method for acquiring phase information and system for measuring three dimensional surface profiles
CN101865674A (zh) * 2009-04-16 2010-10-20 陈亮嘉 相位信息读取方法及其三维形貌测量系统
CN108169173A (zh) * 2017-12-29 2018-06-15 南京理工大学 一种大视场高分辨三维衍射层析显微成像方法
CN109580457A (zh) * 2018-11-01 2019-04-05 南京理工大学 基于led阵列编码照明的三维衍射层析显微成像方法
CN110779464A (zh) * 2019-11-18 2020-02-11 重庆邮电大学 一种时域频域联合分析宽光谱相干测量方法及系统
CN112797891A (zh) * 2020-12-28 2021-05-14 大连理工大学 基于传递函数的白光扫描干涉测量法高频形貌补偿方法

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4035799A1 (de) * 1990-11-10 1992-05-14 Zeiss Carl Fa Optische vorrichtung mit konfokalem strahlengang zur dreidimensionalen untersuchung eines objektes
US20050073692A1 (en) * 2003-03-06 2005-04-07 De Groot Peter J. Profiling complex surface structures using scanning interferometry
US20100189372A1 (en) * 2009-01-23 2010-07-29 National Taipei University Of Technology Method for acquiring phase information and system for measuring three dimensional surface profiles
CN101865674A (zh) * 2009-04-16 2010-10-20 陈亮嘉 相位信息读取方法及其三维形貌测量系统
CN108169173A (zh) * 2017-12-29 2018-06-15 南京理工大学 一种大视场高分辨三维衍射层析显微成像方法
CN109580457A (zh) * 2018-11-01 2019-04-05 南京理工大学 基于led阵列编码照明的三维衍射层析显微成像方法
CN110779464A (zh) * 2019-11-18 2020-02-11 重庆邮电大学 一种时域频域联合分析宽光谱相干测量方法及系统
CN112797891A (zh) * 2020-12-28 2021-05-14 大连理工大学 基于传递函数的白光扫描干涉测量法高频形貌补偿方法

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