CN105865370B - 一种白光扫描干涉测量方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种白光扫描干涉测量方法与系统，所述系统包括白光扫描模块、定标模块、固定平板、以及压电陶瓷微位移平台。所述白光扫描模块包括白光光源；柯勒照明系统；第一分束镜、第二分束镜；第一显微物镜和第二显微物镜；成像透镜及第一、第二、第三、第四、第五平面反射镜，以及第一单色黑白图像传感器。所述定标模块包括激光器、第二单色黑白图像传感器。所述系统及方法无需标定光源的中心波长，且计算精度不受干涉信号的包络形状影响，抗噪性能强，可以广泛应用于白光扫描干涉测量的信号处理中。

Description

一种白光扫描干涉测量方法与系统

技术领域

本发明涉及白光扫描干涉三维形貌测量领域，具体涉及一种基于广义相关时延估计的白光扫描干涉测量方法和系统。

背景技术

白光扫描干涉作为一种三维形貌测量方法被广泛应用于显微物体的三维形貌测量和物体表面粗糙度测量。随着精密制造业的发展，需要对一些表面高度跳变从几百纳米到几百微米的MEMS器件、半导体芯片等物体进行三维形貌测量。目前使用的探针型测量方法例如原子力显微镜和台阶仪均存在一定的局限性，不适用于此类物体的三维形貌测量。

并且，白光扫描干涉测量技术弥补了单波长干涉测量相邻点之间相位跳变大于测量波长一半时不能得到正确结果的缺点，扩大了单波长干涉测量的量程。白光扫描干涉测量技术不仅具有单波长干涉测量中对被测物体非接触、无损伤、高分辨率、高精度等优点，还能够准确地对表面本身有间断、梯度变化较大(大于记录光波的波长)的物体进行测量，如具有台阶、缺陷孔结构的物体。白光扫描干涉测量在三维形貌检测、自动加工、工业检测、产品质量控制等领域具有重要意义及广阔的应用前景。

白光扫描干涉使用宽光谱光源进行照明，相比单色光而言具有更短的相干长度，从而使干涉条纹只能出现在很小的空间范围内。当测量光与参考光的光程差为零时，干涉信号出现最大值，也被称为零光程差位置。这个零光程差位置就代表被测表面对应数据点的相对高度信息，所有数据点的相对高度组合成了测试表面的整体形貌。在白光扫描干涉术中，零光程差位置定位的方法是一个研究热点，已经有很多方法相继被提出。目前经常使用的方法有如下几种，即：重心方法，傅里叶变换方法，希尔伯特变换方法，傅里叶频域分析方法，连续小波变换方法及白光相移干涉法。重心方法通过计算白光干涉信号重心的方法定位零光程差位置，其计算速度较快，但是它只能应用在对称型信号上，而且计算精度受噪声影响较大。傅里叶变换方法及希尔伯特变换方法通过傅里叶变换或者希尔伯特变换求取白光干涉信号包络，通过定位包络极值的方式定位零光程差位置。虽然这两类方法可以得到包络峰值，但是他们的抗噪性能较弱。傅里叶频域分析方法通过对白光干涉信号进行傅里叶变换提取相位的方式从而求取零光程差位置，这种算法计算精度较高，但是需要标定光源的中心波长，且计算过程复杂。连续小波变换的方法计算精度高，抗噪能力较强，但是对干涉信号的包络形状有一定要求。白光相移干涉法参照了单波长相移术的操作方法，这种方法适用于处理表面较平滑物体，并且在相移间隔选取不准确时会带来较大的误差。

上述诸多的白光扫描干涉零光程差定位方法都存在着各自的局限性，都有一定的适用范围。因此，设计一种更精确，更简单，更快速的提取白光干涉零光程差的位置的方法，搭建一种光路系统简捷、干涉图采集操作过程简便的系统，对于降低测量系统的复杂性、减少测量和计算时间、提高测量精度、加快测量速度是非常有意义的。

发明内容

有鉴于此，有必要提出一种基于广义相关时延估计的白光扫描干涉测量方法和系统。

一种白光扫描干涉测量系统，包括白光扫描模块、定标模块、固定平板、以及压电陶瓷微位移平台，所述白光扫描模块包括一个白光光源；一个柯勒照明系统；一个第一分束镜及一个第二分束镜，所述光源发出的光经过柯勒照明系统后进入第一分束镜并被分为物光和参考光；一个第一显微物镜和一个第二显微物镜；第一分束镜位于所述柯勒照明系统与第二显微物镜之间；成像透镜及第一、第二、第三、第四、第五平面反射镜；一个第一单色黑白图像传感器，所述参考光通过第一显微物镜入射在第一平面反射镜上，所述物光通过第二显微物镜入射在待测物体，物光和参考光反射后再各自通过第一、第二显微物镜，进而汇聚在第一分束镜后发生干涉，干涉图像经由成像透镜为第一单色黑白图像传感器所采集。所述定标模块包括一个激光器；一个第二单色黑白图像传感器。所述激光器发出的激光经由第五、第四平面反射镜后入射到第二分束镜，由第二分束镜出射的激光经由第二平面反射镜、第三平面反射镜后发生干涉，其产生的干涉条纹由第二单色黑白图像传感器所采集；所述固定平板用于固定待测物件；所述压电陶瓷微位移平台用于带动待测物体发生位移。

一种白光扫描干涉测量方法，其采用上述白光扫描干涉测量系统，所述方法包括：采集一系列待测物体产生的白光干涉图和激光干涉图，使用激光干涉图计算出压电陶瓷微位移平台的步进，标定白光扫描干涉的扫描步进；选取白光干涉图上的一点，对该点光强信号进行傅里叶变换处理；设置滤波窗口对所述傅里叶频谱进行频谱滤波；依次计算所有像素点的光强信号与选定像素点光强信号的零光程差位置相对位移；计算待测物体表面高度。

相对于现有技术，所述方法及系统在求取信号时延的过程中，将白光光源可以看作一个信号源，对应不同像素点干涉强度信号可以看作空间中不同接收器接收到的同源带噪信号，通过计算像素点之间干涉强度信号时延的过程来替代每个像素点干涉强度信号单独进行变换处理求取零光程差位置的过程，从而无需标定光源的中心波长，且计算精度不受干涉信号的包络形状影响，抗噪性能强，可以广泛应用于白光扫描干涉测量的信号处理中。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明第一实施例提供的基于广义相关时延估计的白光扫描干涉测量系统的结构示意图。

图2为本发明第二实施例提供的白光扫描干涉测量方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

第一实施例

如图1所示，本发明第一实施例提供的白光扫描干涉测量系统500包括白光扫描模块100、定标模块200、用于固定待测物件30的固定平板40、压电陶瓷微位移平台50、以及压电陶瓷控制器60。

其中所述白光扫描模块100包括：一个白光光源101、一个柯勒照明系统102、一个第一分束镜103及一个第二分束镜104、一个第一显微物镜105和一个第二显微物镜106、成像透镜107、第一单色黑白图像传感器108。

其中所述定标模块200包括一个激光器201；第一平面反射镜202、第二平面反射镜203、第三平面反射镜204、第四平面反射镜205、第五平面反射镜206、第二单色黑白图像传感器208。

在Z轴方向(第一方向)上，所述第一分束镜103位于所述柯勒照明系统102与第二显微物镜106之间；在Y轴方向(第二方向，Y轴垂直于Z轴)上，所述第一分束镜103位于所述成像透镜107与第一显微物镜105之间。

另外，在Z轴方向上，所述第二显微物镜106、第三平面反射镜204、固定平板40(及待测物件30)、以及压电陶瓷微位移平台50位于第一分束镜103及第二分束镜104之间。

在本实施例中，所述白光光源101为一台卤钨灯白光光源。所述激光器201为一台波长为632.8nm的He-Ne激光器。

工作时，所述卤钨灯白光光源101发出的光经柯勒照明系统102准直后入射至第一分束镜103，分成参考光L1和物光L2。

所述参考光L1通过第一显微物镜105入射在第一平面反射镜202上，所述物光L2通过第二显微物镜106入射在待测物体30，物光L2和参考光L1反射后再各自通过第一、第二显微物镜105、106，进而聚在第一分束镜103后发生干涉，干涉图像经由成像透镜107为第一单色黑白图像传感器108所采集。

在本实施例中，所述待测物体30与第二平面反射镜203通过固定平板40固定，具体是待测物体30与第二平面反射镜203分别位于所述固定平板40的两侧。使用时，调整待测物体30与第二平面反射镜203使其具有相同的垂直扫描位移。

在本实施例中，除第二平面反射镜203位于第二分束镜104的一侧外，在第二分束镜104的另外两侧，分别设置了第三平面反射镜204、第四平面反射镜205。

He-Ne激光器201发出的激光经由第五、第四平面反射镜206、205后入射到第二分束镜104，由第二分束镜104出射的激光经由第二平面反射镜203、第三平面反射镜204后发生干涉，其产生的干涉条纹由第二单色黑白图像传感器208所采集。

在本实施例中，第一、第二分束镜103、104是两个参数一样的分束镜；第一显微物镜105和第二显微物镜106的放大倍率为10，数值孔径为0.25。

第一单色黑白图像传感器108和第二单色黑白图像传感器208为两个规格相同的图像传感器。

另外，在本实施例中待测物体14具体采用MEMSCAP公司生产的OA MEM103型MEMS器件。

使用时，在白光扫描干涉光路中，由压电陶瓷微位移平台50带动待测物体30，实现测量待测物体30垂直方向的扫描。从测量物体30表面不同高度的点反射的光在不同时刻与参考光达到干涉零光程差位置。

由此，测量待测物体30表面高度通过提取零光程差位置确定，如果要实现对待测物体30高度的精确测量，就需要对压电陶瓷微位移平台50的位移量进行精确标定，本发明中采用激光干涉标定的方法，将第二平面反射镜203与待测物体30通过固定平板40固定，在压电陶瓷微位移平台50的驱动下，待测物体30和第二平面反射镜203具有相同的垂直扫描位移，只需测量第二平面反射镜203的垂直扫描位移，相对应的就可得到待测物体30的垂直扫描位移。

在实际测量过程中，压电陶瓷微位移平台50(由压电陶瓷微位移控制器60所控制)每移动一次，第一黑白图像传感器108和第二黑白图像传感器208会各采到一幅图像，第一黑白图像传感器108采集到包含待测物体30信息的白光干涉条纹，第二黑白图像传感器208采集到激光干涉条纹。通过相移量提取算法，对第二黑白图像传感器208采集到的干涉条纹进行计算可以得到微位移扫描台每移动一次产生的干涉条纹相移量，从而计算出对应的位移量。使用这种方法可以实现对压电陶瓷微位移扫描台位移量的精确标定。

而对于第一黑白图像传感器108采集到的白光干涉图像，选取干涉图中的一个像素点，提取该像素点的光强函数，依次将干涉图上的所有像素点的光强函数均与选取像素点的光强函数通过广义相关时延估计算法计算出位移差，可以求出每个像素点和选定像素点零光程差位置之间相对位移，从而求出待测物体的高度，具体实现将在第二实施例中进行详述。

第二实施例

请一起参阅图2，将结合本实施例将结合附图和实施例对基于广义相关时延估计的白光扫描干涉测量方法作进一步说明，在本方法中其采用第一实施例所述的白光扫描干涉测量系统500进行测量，包含以下步骤S101–S106。

步骤S101、采集一系列待测物体产生的白光干涉图和激光干涉图，使用激光干涉图计算出压电陶瓷微位移平台50的步进，标定白光扫描干涉的扫描步进：

具体测量时，采用电脑驱动第一单色黑白图像传感器108和第二单色黑白图像传感器208同时采集一系列包含待测物体30信息的白光干涉图和激光干涉图。

使用相移量提取算法(参见文献《Two step demodulation algorithm based onthe orthogonality of diamond diagonal vectors》Applied Physics B 119:387–391(2015))，对激光干涉图进行计算，得到待测物体30压电陶瓷微位移平台50每移动一次产生的干涉条纹相移量，从而标定白光扫描干涉的扫描步进。

步骤S102、选取白光干涉图上的一点，对该点光强信号进行傅里叶变换处理：

例如，选取像素点(x₀,y₀)的光强信号I(x₀,y₀,z)可以表示为：

其中，(x₀,y₀)表示单个像素点在干涉图中的坐标，z是微位移器沿着光轴的扫描位置，h(x₀,y₀)代表测量物体的表面高度分布，a(x₀,y₀)为背景强度，b(x₀,y₀)为调制幅度，g[z-h(x₀,y₀)]为干涉信号的包络函数。λ₀为光源的中心波长,η为实验中的随机噪声。在这里忽略附加相位延迟的影响。

对公式(1)所表示的光强信号进行傅里叶变换得到：

式中，G(x₀,y₀,f_z)为g(z)的傅里叶变换频谱。

步骤S103、设置滤波窗口对步骤S102中的傅里叶频谱进行频谱滤波。

具体为，设置由两个中心带通矩形滤波窗口组合而成的滤波窗口H(f_z)，滤除(2)式中背景项频谱，消除部分噪声，这个过程可以表示为：

步骤S104、提取所有像素点的光强信号进行变换滤波处理。

在本实施例中，所有像素点(x,y)的光强信号均可以表示为：

对公式(4)所表示的光强信号进行傅里叶变换得到：

经滤波窗口H(f_z)后的结果为：

步骤S105、依次计算所有像素点的光强信号与选定像素点光强信号的零光程差位置相对位移：

对(3)式和(6)式进行如下操作：

其中*表示复共轭。对C(f_z)进行傅里叶逆变换，得到：

由广义相关时延估计的原理可知，当取得最大值时，此时的即为(x,y)像素点与(x₀,y₀)像素点的零光程差位置相对位移Δh。而(8)式取得最大值可以求出零光程差位置相对位移Δh的原因如下：

式中，表示卷积。由式(8)我们可以把表示为：

设Δh＝h(x,y)-h(x₀,y₀)为(x,y)像素点与(x₀,y₀)像素点的零光程差位置相对位移，那么(10)式可以表示为：

从(11)式可以得出，当时，取得最大值。

步骤S106、计算待测物体表面高度：

依次计算所有像素点与选取像素点的零光程差位置的相对位移，即相当于计算出了待测物体的表面高度。

至此，通过本发明提出的方法和系统500，可以从采集到的一系列白光干涉图中，恢复出待测物体的三维形貌。

综上所述，所述方法及系统500在求取信号时延的过程中，将白光光源101看作一个信号源，对应不同像素点干涉强度信号可以看作空间中不同接收器接收到的同源带噪信号，通过计算像素点之间干涉强度信号时延的过程来替代每个像素点干涉强度信号单独进行变换处理求取零光程差位置的过程，从而无需标定白光光源101的中心波长，且计算精度不受干涉信号的包络形状影响，抗噪性能强，可以广泛应用于白光扫描干涉测量的信号处理中。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)相对于单波长测量方法而言，本发明提供的方法可以实现对梯度变化较大物体的测量，大大增加了测量范围，拓展了干涉测量的应用领域。

(2)相对于其他白光扫描干涉零光程差定位算法需要对单个像素点的光强信号进行变换处理，本发明提出的方法将零光程差位置提取过程转换为通过广义相关时延估计方法来求取不同像素间的干涉信号相对位移问题。另外，本发明提出的方法操作简单，计算精度高，抗噪声性能强，无需标定光源的中心波长，并且对白光干涉信号的包络形状无要求。

(3)本发明方法使用的系统500简单，通过单波长激光相移的方式对压电陶瓷微位移平台的扫描步进进行标定，这种方式比通过电学反馈进行步进标定的方法更加精确。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种白光扫描干涉测量系统，其特征在于，所述系统包括白光扫描模块、定标模块、固定平板、以及压电陶瓷微位移平台，其中所述白光扫描模块包括：

一个白光光源；

一个柯勒照明系统；

一个第一分束镜及一个第二分束镜，所述光源发出的光经过柯勒照明系统后进入第一分束镜并被分为物光和参考光；

一个第一显微物镜和一个第二显微物镜；第一分束镜位于所述柯勒照明系统与第二显微物镜之间；

一个成像透镜及第一、第二、第三、第四、第五平面反射镜；以及

一个第一单色黑白图像传感器，所述参考光通过第一显微物镜入射在第一平面反射镜上，所述物光通过第二显微物镜入射在待测物体，物光和参考光反射后再各自通过第一、第二显微物镜，进而汇聚在第一分束镜后发生干涉，干涉图像经由成像透镜为第一单色黑白图像传感器所采集；

其中所述定标模块包括：

一个激光器；

一个第二单色黑白图像传感器，所述激光器发出的激光经由第五、第四平面反射镜后入射到第二分束镜，由第二分束镜出射的激光经由第二平面反射镜、第三平面反射镜后发生干涉，其产生的干涉条纹由第二单色黑白图像传感器所采集；

其中所述第二平面反射镜与待测物体通过所述固定平板用于固定待测物件；所述压电陶瓷微位移平台用于带动待测物体发生位移。

2.如权利要求1所述的一种白光扫描干涉测量系统，其特征在于，所述光源为一台卤钨灯白光光源。

3.如权利要求1所述的一种白光扫描干涉测量系统，其特征在于，所述激光器为He-Ne激光器。

4.如权利要求1所述的一种白光扫描干涉测量系统，在第一方向上，所述第一分束镜位于所述柯勒照明系统与第二显微物镜之间。

5.如权利要求4所述的一种白光扫描干涉测量系统，其特征在于，在与第一方向相垂直的第二方向上，所述第一分束镜位于所述像透镜与第一显微物镜之间。

6.如权利要求1所述的一种白光扫描干涉测量系统，其特征在于，第一显微物镜和第二显微物镜的放大倍率为10，数值孔径为0.25。

7.一种白光扫描干涉测量方法，其采用如权利要求1-6所述的白光扫描干涉测量系统，其特征在于，所述方法包括：

采集一系列待测物体产生的白光干涉图和激光干涉图，使用激光干涉图计算出压电陶瓷微位移平台的步进，标定白光扫描干涉的扫描步进；

选取白光干涉图上的一点作为选定像素点，所述选定像素点的光强信号I(x₀,y₀,z)表示为：

其中，(x₀,y₀)表示所述选定像素点在干涉图中的坐标，z是微位移器沿着光轴的扫描位置，h(x₀,y₀)代表测量物体的表面高度分布，a(x₀,y₀)为背景强度，b(x₀,y₀)为调制幅度，g[z-h(x₀,y₀)]为干涉信号的包络函数，λ₀为光源的中心波长,η为实验中的随机噪声；同时忽略附加相位延迟的影响；对所述光强信号I(x₀,y₀,z)进行傅里叶变换处理得到傅里叶频谱：

其中，G(x₀,y₀,f_z)为g(z)的傅里叶变换频谱；

设置滤波窗口对所述傅里叶频谱进行频谱滤波：

其中，H(f_z)是由两个中心带通矩形滤波窗口组合而成的滤波窗口；

提取所有像素点的光强信号进行傅里叶变换处理和频谱滤波处理：

其中，每个像素点(x,y)的光强信号表示为：

对所述像素点(x,y)的光强信号进行傅里叶变换得到：

经所述滤波窗口H(f_z)后的结果为：

依次计算所述所有像素点的光强信号与所述选定像素点光强信号的零光程差位置相对位移Δh，当取得最大值时，为所述像素点(x,y)与所述选定像素点(x₀,y₀)的零光程差位置相对位移Δh，其中，

以及

计算待测物体表面高度。