CN114440788A - 一种基于相干扫描干涉系统的变焦显微表面重构方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于相干扫描干涉系统的变焦显微表面重构方法，包括如下步骤：1：获取表面扫描干涉三维信号；2：对三维信号进行三维傅立叶变换获取其三维频谱；3：从三维频谱中提取变焦显微成像信号频谱；4：对变焦显微成像信号频谱做三维傅立叶逆变换获取三维变焦显微图像；5：通过变焦显微表面重构算法获取表面形貌。本发明利用相干扫描干涉图中的干涉信号与变焦显微成像信号在三维频谱中的可分离性，获取相干扫描干涉成像中的三维变焦显微信号，最终通过变焦显微表面重构算法获取表面形貌，提高了相干扫描干涉仪对极粗糙表面、大倾角和垂直表面的形貌测量能力。
Description
技术领域
本发明涉及精密光学测量工程技术领域，特别是涉及一种适用于相干扫描干涉仪的变焦显微表面重构方法。
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。然而单一测量方式通常难以满足各类功能性表面的测量需要，例如包含不同材料成分和复杂几何形貌的表面。在测量极粗糙表面时，相干扫描干涉仪产生的干涉信号信噪比较低，条纹密度大，对比度差，因此可能导致测量精度大幅降低。变焦显微镜依赖光强信息(而非相位信息)进行测量，其对测量极粗糙表面以及大倾角表面有更高的鲁棒性。所以，在一套系统中结合这两种测量方法能够有效提高测量复杂表面的精度和鲁棒性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于相干扫描干涉仪的变焦显微表面重构方法，使用一套相干扫描干涉仪，实现相干扫描和变焦显微两种表面测量方法，提高了相干扫描干涉仪对极粗糙表面、大倾角和垂直表面的形貌测量能力。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种基于相干扫描干涉仪的变焦显微表面重构方法，其步骤如下：
(1)：使用宽光谱光源作为相干扫描干涉成像系统的照明光源。
(2)：使用扫描位移台将物镜前焦面延光轴方向扫描通过待测表面。扫描位移台每移动一步，相机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；
(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频谱；
(5)利用仿真或者实验标定获取的变焦显微系统三维传递函数的带宽，从三维频谱中分离变焦显微成像信号频谱；
(6)对步骤(4)中获取的变焦显微成像信号频谱进行三维傅立叶逆变换获取扫描过程中的变焦显微成像信号；
(7)通过变焦显微表面重构算法获取表面形貌。
所述步骤(4)中分离变焦显微成像信号的步骤如下：
(a)通过理论模型仿真变焦显微系统的三维传递函数，其表达式为：
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，
其中
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，
为纵向的单位向量，AN为系统数值孔径。
(b)根据上述计算的三维传递函数确定变焦显微成像信号带宽，对三维干涉信号的三维频谱进行过滤，仅带宽内的频谱成分与变焦显微成像信号有关，对带宽外信号频谱做置零处理，可用如下公式表示
其中，O(K)为变焦显微成像信号的三维频谱，I(K)为获取的三维干涉图的三维频谱。所述的步骤(6)中通过变焦显微表面重构算法获取表面形貌的步骤如下：
(Ⅰ)计算变焦显微成像信号在各像素点沿Z方向的聚焦程度，聚焦程度通过聚焦算子计算；
(Ⅱ)把聚焦算子计算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。
(Ⅲ)通过逐像素计算的结果获取表面面型。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明利用相干扫描干涉图中的干涉信号与变焦显微成像信号在三维频谱中的可分离性，获取相干扫描干涉成像中的三维变焦显微信号，实现了使用一套相干扫描干涉仪完成相干扫描和变焦显微俩种表面测量方法，提高了相干扫描干涉仪对极粗糙表面、大倾角和垂直表面的形貌测量能力。
附图说明
图1：本发明所述相干扫描干涉仪以及变焦显微方法流程图
图2：采集的三维干涉信号的中心X-Z剖面图
图3：干涉信号三维频谱的中心X-Z剖面图
图4：分离的变焦显微信号三维频谱的中心X-Z剖面图
图5：从相干扫描干涉图像中分离出来的变焦显微图像
图6：通过变焦显微信号获取的待测物表面形貌图
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所示的一种基于相干扫描干涉仪的装置以及变焦显微表面重构方法，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，变焦显微表面重构方法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1的照明光源。
(2)：使用压电陶瓷位移台5将物镜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，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，采集的三维干涉信号的中心X-Z剖面图如图二所示；
(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频谱，干涉信号三维频谱的中心X-Z剖面图如图三所示；
(4)利用仿真或者实验标定获取的变焦显微系统三维传递函数的带宽，从三维频谱中分离变焦显微成像信号频谱，分离的变焦显微信号三维频谱的中心X-Z剖面图如图四所示；
(5)对步骤(4)中获取的变焦显微成像信号频谱进行三维傅立叶逆变换获取扫描过程中的变焦显微成像信号，从相干扫描干涉图像中分离出来的变焦显微图像如图五所示；
(6)通过变焦显微表面重构算法获取表面形貌，通过变焦显微信号获取的待测物表面形貌图如图六所示。
所述步骤(4)中分离变焦显微成像信号的步骤如下：
(a)通过理论模型仿真变焦显微系统的三维传递函数，其表达式为：：
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，
其中
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，
为纵向的单位向量，AN为系统数值孔径。
(b)根据上述计算的三维传递函数确定变焦显微成像信号带宽，对三维干涉信号的三维频谱进行过滤，仅带宽内的频谱成分与变焦显微成像信号有关，对带宽外信号频谱做置零处理，可用如下公式表示：
其中，O(K)为变焦显微成像信号的三维频谱，I(K)为获取的三维干涉图的三维频谱。所述的步骤(6)中通过变焦显微表面重构算法获取表面形貌的步骤如下：
(Ⅰ)通过拉普拉斯算子(聚焦算子)计算变焦显微成像信号在各像素点沿Z方向的聚焦程度；
(Ⅱ)把聚焦算子计算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。
(Ⅲ)通过逐像素计算的结果获取表面面型。
Claims (5)
1.一种基于相干扫描干涉系统的变焦显微表面重构方法，其特征在于，使用一套相干扫描干涉仪，实现相干扫描干涉和变焦显微俩种表面测量方法，变焦显微表面重构方法包括如下步骤：
(1.1)使用扫描位移台获取三维干涉信号；
(1.2)对所述的三维干涉图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；
(1.3)对所述的预处理好的干涉图进行三维傅立叶变换获取三维干涉图三维频谱；
(1.4)从三维频谱中分离变焦显微成像信号频谱；
(1.5)对所述的变焦显微成像信号频谱进行三维傅立叶逆变换获取扫描过程中的变焦显微成像信号；
(1.6)通过变焦显微表面重构算法获取表面形貌。
2.根据权利要求1中所述的一种基于相干扫描干涉系统的变焦显微表面重构方法，其特征在于，步骤(1.1)中扫描位移台可以为压电陶瓷纳米位移台，也可以是机械位移台。
3.根据权利要求1中所述的一种基于相干扫描干涉系统的变焦显微表面重构方法，其特征在于，步骤(1.4)中从三维频谱分离变焦显微成像信号频谱的步骤如下：
(4.1)通过理论模型仿真变焦显微系统的三维传递函数，其表达式为：
其中K为空间频率矢量，k0为波数(即2/，λ为波长)，S(k0)为光谱功率密度，
其中
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，
为纵向的单位向量，AN为系统数值孔径；
(4.2)根据所述的三维传递函数确定变焦显微成像信号带宽，对所述的三维干涉图三维频谱进行过滤，仅带宽内的频谱成分与变焦显微成像信号有关，对带宽外信号频谱做置零处理，用如下公式表示：
其中，O(K)为变焦显微成像信号的三维频谱，I(K)为获取的原始三维干涉图的三维频谱。
4.根据权利要求3中所述的一种基于相干扫描干涉系统的变焦显微表面重构方法，其特征在于，步骤(4.1)中所述的三维传递函数可以通过理论模型仿真获取。
5.根据权利要求3中所述的一种基于相干扫描干涉系统的变焦显微表面重构方法，其特征在于，步骤(1.6)中通过变焦显微表面重构算法获取表面形貌的步骤如下：
(6.1)计算变焦显微成像信号在各像素点沿纵向的聚焦程度，聚焦程度通过聚焦算子计算得到；
(6.2)把聚焦算子计算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。
(6.3)通过逐像素计算的结果获取表面形貌。
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