CN116625275A

CN116625275A - 一种基于光场信息融合的超薄多层图形微纳结构三维重构方法

Info

Publication number: CN116625275A
Application number: CN202310344545.3A
Authority: CN
Inventors: 谢仲业; 李楠; 丁文霞; 武淼; 周亚飞
Original assignee: Dongguan University of Technology
Current assignee: Dongguan University of Technology
Priority date: 2023-03-31
Filing date: 2023-03-31
Publication date: 2023-08-22
Anticipated expiration: 2043-03-31
Also published as: NL2037345A; CN116625275B

Abstract

本发明公开了一种基于光场信息融合的超薄多层图形微纳结构三维重构方法。本发明采用DMD对窄带宽R、G、B照明光场进行振幅调制并投影到待测多层结构表面，测量过程中，通过压电陶瓷纵向扫描待测物体，经结构调制的反射光由彩色相机采集。计算过程中，从采集图像中解析出不同扫描位置处的调制度分布，同时从彩色图像中反演出初始厚度信息，最终根据成像颜色以及调制度信息，建立信息融合迭代测量模型，从而实现薄层图形微纳结构的三维重构。本发明与现有单一调制度信息测量方法相比，具有更高的测量精度、厚度分辨率和抗噪能力，与干涉测量相比，避免了相位模糊等问题，具有更高的测量适应性。

Description

一种基于光场信息融合的超薄多层图形微纳结构三维重构方法

技术领域

本发明属于光学测量仪器技术领域，具体涉及一种基于光场信息融合的超薄图形微纳结构三维重构方法。

背景技术

具有多层图形结构特征的微纳结构在微机电系统(MEMS)、新能源、柔性显示等领域应用广泛。微纳结构表面形貌特征及其厚度分布直接决定了器件的各种性能如力学性能、光学性能、电磁性能等，是器件设计和工艺制造的关键参数之一，为了保障器件加工质量、探究结构性能，需要对每层结构形貌特征及厚度信息进行检测。

光学检测方法具有高精度、非接触等优点，是目前透明介质多层图形结构主要检测手段。现有的方法主要包括白光干涉法、共聚焦测量方法。其中，白光干涉法通过纵向扫描待测结构，提取每一层结构表面反射光与参考面之间形成的干涉条纹相位信息实现多层结构同步三维重构。然而，结构层之间的干涉会影响有效干涉信号，在薄层结构检测中存在诸多局限。激光共聚焦测量方法通过提取每一层结构相对应的光强极值点，然后进行逐点多次横向拼接来实现多层结构重构，测量效率较低。

基于结构光照明显微调制度分析的多层结构测量方法由于其高适应性、高精度在多层膜结构检测中得到了应用。例如：中国专利202010655627.6公布了一种基于结构照明显微系统的超薄膜器件三维形貌检测方法。该方法首先利用相移算法结合轴向扫描得到调制度曲线，然后利用峰值算法提取初始厚度值。最后根据重叠高斯模型拟合调制度曲线，从而确定结构层形貌信息。然而，一方面，当该方法用于图形微纳结构检测时，成像噪声带来的调制度曲线噪声以及曲线形状的随机不对称性将不可避免的带来较大的拟合误差，导致测量精度较低。另一方面，当多层调制度曲线完全重叠时，采用峰值法获得的初始厚度值与初始值和实际值具有较大偏离，导致拟合速度慢，测量效率低，且容易陷入局部最优解。

针对上述检测方法缺陷，本发明提出一种基于光场信息融合的超薄多层图形微纳结构三维重构方法。本方法在调制度分析方法基础上，引入由不同波长的光在不同厚度层表面反射、干涉引起的反射光谱的变化，即成像上的色彩变化，进而根据调制度信息和颜色信息建立融合迭代测量模型，从而实现高精度超薄多层结构测量。

发明内容

本发明设计了一种基于光场信息融合的超薄多层图形微纳结构三维重构方法，该方法可以实现薄层图形微纳结构的高精度三维测量，测量精度最高可达纳米量级。为了达成上述目的，本发明提供的技术方案为：测量之前，采用窄带宽R、G、B光源作为照明光源，然后根据光谱分布、待测结构介质材料信息结合光谱干涉基本原理，建立结构层成像颜色与厚度之间理论关系。测量过程中，采用压电陶瓷位移台驱动待测结构进行轴向扫描，每扫描一步，利用空间光调制度投影预先设计的多帧条纹图像至待测结构表面，同时采用彩色相机采集图像。计算时，利用相移算法从采集的彩色图像中解析得到调制度分布，进而获得每个像素点调制度值随扫描位置变化的调制度曲线，最后根据调制度曲线和预先建立的颜色-厚度模型，建立信息融合迭代测量模型，实现结构层形貌和厚度的高精度解析。

本发明提供的基于光场信息融合的超薄多层图形微纳结构三维重构方法包括以下步骤：

步骤S1：本发明采用窄带宽R、G、B光源作为测量系统的照明光源，测量之前，根据光源光谱分布和干涉原理，建立反射颜色信息与结构层厚度信息理论关系；

步骤S2：采用压电陶瓷微位移台带动待测结构进行轴向扫描,每扫描一步,采用DMD依次投影四幅具有π/2相位差的正弦光栅图形至待测结构表面,最终由彩色相机采集并保存至计算机；

步骤S3：每完成一次扫描，分别利用四步相移算法解析出每个扫描位置所对应的调制度信息分布，轴向扫描N次，使待测结构经历成像模糊-清晰-模糊过程，从而获得调制度随扫描位置变化得调制度曲线；

步骤S4：提取调制度曲线峰值所在位置图像的R、G、B颜色信息，并根据建立的颜色-厚度测量模型，解析得到结构层初始厚度信息；

步骤S5：根据解析得到的颜色信息和调制度信息建立融合迭代测量模型，实现多层微纳结构的高精度三维重构。

其中，现有的结构光调制度分析方法通过投影结构光，然后利用相移算法结合轴向扫描得到调制度曲线，进而采用高斯模型迭代拟合算法实现峰值分离，最终实现多层结构的三维测量。然而，实验过程中，调制度曲线容易受噪声以及结构的影响，导致曲线形状与高斯模型存在差异性，因此测量精度和厚度测量分辨率较低。本发明融合了薄层结构成像色彩信息对厚度变化的信息，一方面，增加了测量信息的冗余度，改变了孤立调制度信息分析方式，降低了调制度曲线形状差异对测量精度的影响，提高了抗噪能力和测量精度。另一方面，由于增加了颜色-厚度信息，可更为精确的提供调制度拟合初始厚度信息，大幅提高测量效率和厚度测量分辨率；本方法与基于单一调制度的优化拟合测量方法相比，具有极高的测量精度、测量效率和抗噪能力。

本发明的基本原理为：一种基于光场信息融合的超薄多层图形微纳结构三维重构方法，首先根据光源光谱分布和干涉原理，建立反射颜色信息与结构层厚度信息理论关系。然后，采用微移动台驱动待测结构进行轴向扫描,每扫描一步,采用DMD依次投影四幅具有π/2相位差的正弦光栅图形至待测结构表面,并由彩色相机采集图像信息。每完成一次扫描，利用相移算法解析出每个扫描位置所对应的调制度信息分布，从而获得调制度随扫描位置变化得调制度曲线，进一步提取调制度曲线峰值所在位置图像的R、G、B颜色信息，并根据建立的颜色-厚度测量模型，解析得到结构层初始厚度信息。最后，根据解析得到的颜色信息和调制度信息建立融合迭代测量模型，实现多层微纳结构的高精度三维重构。

本发明的特点和优势：

(1)本发明与现有结构光调制度分析测量方法相比，增加了测量信息冗余度，改变了孤立调制度信息分析方式，降低了调制度曲线形状差异对测量精度的影响，从而具有更高的抗噪能力、测量适应性和测量精度。

(2)本发明与现有结构光调制度分析测量方法相比，由于增加了颜色-厚度信息，可更为精确的提供调制度拟合初始厚度信息，大幅提高测量效率和厚度测量分辨率。

(3)现有的白光干涉直接测量方法相比，不需要解析相位信息，因此不存在相位模糊等问题，具有极高的测量适应性，同时具有非接触、全视场、高精度等优点。

附图说明

图1为测量步骤流程图。

图2为调制度随扫描距离变化的调制度响应曲线。

图3为实验过程中焦面附近采集的彩色结构光图像及其R、G、B分布。

图4为融合迭代测量过程示意图。

图5为双层结构形貌恢复结果，厚度测量分辨率优于500nm。

具体实施方式

本发明附图仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制。为了更好说明以下实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明提供了一种基于光场信息融合的超薄多层图形微纳结构三维重构方法，该发明的测量步骤流程图如图1所示，所述方法步骤包括：

步骤S1：本发明采用窄带宽R、G、B光源作为测量系统的照明光源，测量之前，根据光源光谱分布和干涉原理，建立反射颜色信息与结构层厚度信息理论关系。

步骤S2：采用压电陶瓷微位移台带动待测结构进行轴向扫描,每扫描一步,采用DMD依次投影四幅具有π/2相位差的正弦光栅图形至待测结构表面,最终由彩色相机采集并保存至计算机。

步骤S3：每完成一次扫描，分别利用四步相移算法解析出每个扫描位置所对应的调制度信息分布，轴向扫描N次，使待测结构经历成像模糊-清晰-模糊过程，从而获得调制度随扫描位置变化得调制度曲线。

步骤S4：提取调制度曲线峰值所在位置图像的R、G、B颜色信息，并根据建立的颜色-厚度测量模型，解析得到结构层初始厚度信息。

对于步骤S1反射颜色信息和结构层厚度理论关系的建立，根据光谱干涉基本原理可知，多束光相干叠加得到反射光幅值为

I(x,y)＝R(d,λ)×I_in (1)

其中，I_in为入射光光强分布，R(d,λ)为分层介质反射比系数，表达式为：

式中，为光线通过结构层后的相位变化，其表达式为：

其中,n_c为介质层的复折射率,n_c＝n+ik,k为消光系数其值表示材料对光谱的吸收，θ为入射光角度，当垂直入射时，θ＝0。d为结构层厚度，λ为波长，r₁和r₂分别为结构层表层和底层反射率，且有如下关系：

混合色的三刺激值等于各波长色光的三刺激值之和，对于连续可见光谱的混色，其三刺激值可积分得到：

式中I(λ)为光源的光谱功率分布，为探测器光谱响应函数，k为归一化系数。从上式可知，不同厚度结构层在成像上具有不同的R、G、B颜色分量，进一步可根据色度学原理，将其转化为CIE lab坐标，表达式如下：

其中X_n,Y_n,Z_n为CIE基准白点的三刺激值，XYZ为CIE XYZ空间坐标，计算表达式为：

对于步骤S2-S3，当采用空间光调制器对光场进行振幅调制时，入射光强可以表示为：

I_in(x,y)＝I₀(x,y)+M(x,y)cos(2πfx+φ₀) (13)

式中，I₀(x,y)为背景光强，M(x,y)为调制度分布，f为振幅调制空间频率，φ₀为初始相位。考虑到在多层介质上成像，I_in(x,y)可表示为：

其中,m表示介质层的层数，R_j为对应介质层的反射率。将公式(14)代入公式(1)可得探测器采集光强分布：

根据调制度测量原理可知，当纵向扫描待测结构时，调制度随扫描位置的变化可以近似表示为高斯分布，表达式为：

式中，z为形貌高度信息，z_a表示成像焦面位置，即调制度曲线峰值所在位置，FWHM为高斯曲线半高宽，其值的大小与系统参数相关。当待测结构为多层结构时，每层结构均会进行成像，因此每个结构层均存在相对应的调制度峰值位置，此时调制度曲线表达式为：

对于步骤S4，根据成像颜色与厚度理论关系，建立不同厚度的CIE L^*a^*b^*坐标库，将实际成像色彩CIE Lab坐标值与不同厚度理论色彩进行对比，取色差取得最小值时的厚度信息d作为厚度初始值，其中，色差模型表达式为：

ΔE_C＝(L^*-L)²+(a^*-a)²+(b^*-b)² (18)

对于步骤S5，本发明建立的融合迭代测量过程如附图1所示，首先根据成像颜色信息和调制度曲线确定迭代初始峰值位置Z_a1、Z_a2，厚度d，幅值A₁、A₂。然后，分别计算基于高斯模型的拟合调制度均方根误差ΔE_M和CIE XYZ色彩坐标均方根误差ΔE_C，进而根据加权融合误差模型计算ΔE融合误差，最终通过梯度下降原理不断更新参数值，取融合误差值最小时的峰值信息z，从而重构出结构层的三维形貌和厚度信息。

其中，初始厚度值d为步骤S4获得的厚度值，假设采集得到调制度曲线最大值位置为Z_max,则Z_a1，Z_a2的初始值可设为Z_a1＝Z_max+d/2,Z_a2＝Z_max-d/2。由于厚度信息的引入，初始峰值位置更加准确，具有更高的拟合效率和精度，其幅值信息A₁ A₂可根据公式(2)进行初步设置。

进一步的，本发明构造的融合迭代误差模型如下式所示：

式中，min(ΔE_M)和min(ΔE_C)分别表示拟合调制度最小值和色差最小值，W₁和W₂分别表示调制度信息和颜色信息的权重因子，W值的大小反映了对该测量信息的置信度，例如：W₁值越大表示最终测量值越取决于调制度信息。

进一步的，为了确定加权因子W₁和W₂，假设多参量优化拟合调制度测量方法测量值为d₁，其误差随厚度变化的表达式为σ₁(d)，颜色-厚度反演方法测量值d₂，测量误差随厚度变化的表达式为σ₂(d)，两种测量模型相互独立，则融合后的测量值d和加权因子满足如下关系：

此时，总均方根误差为：

从上式可知，总均方根误差是关于各加权因子的多元二次函数，因此σ²存在最小值。根据多元函数求极值理论，可求出总均方根误差最小时所对应的加权因子：

其中，基于调制度和颜色模型的误差分布，可根据实验实际测量结果进行确定。

下面以具体的测量案例说明本发明的测量过程，本案例通过在硅片上镀一层二氧化硅薄膜作为待测样本。测量时，首先根据材料特性和步骤S1建立不同厚度的CIE L^*a^*b^*坐标库。然后轴向扫描待测结构，采集一系列不同扫描的结构光图像，对于不同扫描位置，采用DMD依次投影四幅具有π/2相位差的正弦光栅图形，进一步利用相移调制度解析算法获得不同扫描位置的调制度分布，从而得到每个像素点调制度值随扫描位置变化的调制度曲线，图3表示像素点(200，200)位置处的调制度曲线。进一步，取调制度最大值所在扫描位置处的结构光图像，并分离出图像的R、G、B分布，如图4所示，最后根据步骤S1转换为CIE L^*a^*b^*坐标。进一步，根据图1所示的融合迭代测量模型，得到不同层调制度峰值点Z_a1和Z_a2，最后重构出三维形貌，如图5所示。

显然，本发明的上述实施方式仅仅是为清楚地说明本发明技术方案所作的举例，而并非是对本发明的具体实施方式的限定。凡在本发明权利要求书的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims

1.一种基于光场信息融合的超薄多层图形微纳结构三维重构方法，其特征是：所述方法包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于光场信息融合的超薄多层图形微纳结构三维重构方法，其特征是：由结构光照明调制度解析测量原理可知，结构光图像的调制度信息包含了结构层厚度和形貌信息；本发明在调制度分析方法基础上，引入由不同波长的光在不同厚度层表面反射、干涉引起的反射光谱的变化，即成像上的色彩变化，进而根据调制度信息和颜色信息建立融合迭代测量模型，从而实现高精度超薄多层结构测量。

3.根据权利要求1所述的基于光场信息融合的超薄多层图形微纳结构三维重构方法，其特征是：从颜色空间角度引入厚度初始值，加快迭代拟合速度，提高测量效率。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的基于光场信息融合的超薄多层图形微纳结构三维重构方法，其特征是：本发明融合了薄层结构成像色彩信息对厚度变化的信息，一方面，增加了测量信息的冗余度，改变了孤立调制度信息分析方式，降低了调制度曲线形状差异对测量精度的影响，提高了抗噪能力和测量精度；另一方面，由于增加了颜色-厚度信息，可更为精确的提供调制度拟合初始厚度信息，大幅提高测量效率和厚度测量分辨率；本方法与基于单一调制度的优化拟合测量方法相比，具有极高的测量精度、测量效率和抗噪能力。