一種白光掃描干涉測量方法與系統的制作方法
【專利摘要】本發明涉及一種白光掃描干涉測量方法與系統，所述系統包括白光掃描模塊、定標模塊、固定平板、以及壓電陶瓷微位移平臺。所述白光掃描模塊包括白光光源；柯勒照明系統；第一分束鏡、第二分束鏡；第一顯微物鏡和第二顯微物鏡；成像透鏡及第一、第二、第三、第四、第五平面反射鏡，以及第一單色黑白圖像傳感器。所述定標模塊包括激光器；第二單色黑白圖像傳感器。所述系統及方法無需標定光源的中心波長，且計算精度不受干涉信號的包絡形狀影響，抗噪性能強，可以廣泛應用于白光掃描干涉測量的信號處理中。
【專利說明】
一種白光掃描干涉測量方法與系統
技術領域
[0001] 本發明涉及白光掃描干涉三維形貌測量領域，具體涉及一種基于廣義相關時延估 計的白光掃描干涉測量方法和系統。
【背景技術】
[0002] 白光掃描干涉作為一種三維形貌測量方法被廣泛應用于顯微物體的三維形貌測 量和物體表面粗糙度測量。隨著精密制造業的發展，需要對一些表面高度跳變從幾百納米 至|J幾百微米的MEMS器件、半導體芯片等物體進行三維形貌測量。目前使用的探針型測量方 法例如原子力顯微鏡和臺階儀均存在一定的局限性，不適用于此類物體的三維形貌測量。
[0003] 并且，白光掃描干涉測量技術彌補了單波長干涉測量相鄰點之間相位跳變大于測 量波長一半時不能得到正確結果的缺點，擴大了單波長干涉測量的量程。白光掃描干涉測 量技術不僅具有單波長干涉測量中對被測物體非接觸、無損傷、高分辨率、高精度等優點， 還能夠準確地對表面本身有間斷、梯度變化較大(大于記錄光波的波長）的物體進行測量， 如具有臺階、缺陷孔結構的物體。白光掃描干涉測量在三維形貌檢測、自動加工、工業檢測、 產品質量控制等領域具有重要意義及廣闊的應用前景。
[0004] 白光掃描干涉使用寬光譜光源進行照明，相比單色光而言具有更短的相干長度， 從而使干涉條紋只能出現在很小的空間范圍內。當測量光與參考光的光程差為零時，干涉 信號出現最大值，也被稱為零光程差位置。這個零光程差位置就代表被測表面對應數據點 的相對高度信息，所有數據點的相對高度組合成了測試表面的整體形貌。在白光掃描干涉 術中，零光程差位置定位的方法是一個研究熱點，已經有很多方法相繼被提出。目前經常使 用的方法有如下幾種，即：重心方法，傅里葉變換方法，希爾伯特變換方法，傅里葉頻域分析 方法，連續小波變換方法及白光相移干涉法。重心方法通過計算白光干涉信號重心的方法 定位零光程差位置，其計算速度較快，但是它只能應用在對稱型信號上，而且計算精度受噪 聲影響較大。傅里葉變換方法及希爾伯特變換方法通過傅里葉變換或者希爾伯特變換求取 白光干涉信號包絡，通過定位包絡極值的方式定位零光程差位置。雖然這兩類方法可以得 到包絡峰值，但是他們的抗噪性能較弱。傅里葉頻域分析方法通過對白光干涉信號進行傅 里葉變換提取相位的方式從而求取零光程差位置，這種算法計算精度較高，但是需要標定 光源的中心波長，且計算過程復雜。連續小波變換的方法計算精度高，抗噪能力較強，但是 對干涉信號的包絡形狀有一定要求。白光相移干涉法參照了單波長相移術的操作方法，這 種方法適用于處理表面較平滑物體，并且在相移間隔選取不準確時會帶來較大的誤差。
[0005] 上述諸多的白光掃描干涉零光程差定位方法都存在著各自的局限性，都有一定的 適用范圍。因此，設計一種更精確，更簡單，更快速的提取白光干涉零光程差的位置的方法， 搭建一種光路系統簡捷、干涉圖采集操作過程簡便的系統，對于降低測量系統的復雜性、減 少測量和計算時間、提高測量精度、加快測量速度是非常有意義的。

【發明內容】

[0006] 有鑒于此，有必要提出一種基于廣義相關時延估計的白光掃描干涉測量方法和系 統。
[0007] 一種白光掃描干涉測量系統，包括白光掃描模塊、定標模塊、固定平板、以及壓電 陶瓷微位移平臺，所述白光掃描模塊包括一個白光光源;一個柯勒照明系統;一個第一分束 鏡及一個第二分束鏡，所述光源發出的光經過柯勒照明系統后進入第一分束鏡并被分為物 光和參考光;一個第一顯微物鏡和一個第二顯微物鏡;第一分束鏡位于所述柯勒照明系統 與第二顯微物鏡之間；成像透鏡及第一、第二、第三、第四、第五平面反射鏡;一個第一單色 黑白圖像傳感器，所述參考光通過第一顯微物鏡入射在第一平面反射鏡上，所述物光通過 第二顯微物鏡入射在待測物體，物光和參考光反射后再各自通過第一、第二顯微物鏡，進而 匯聚在第一分束鏡后發生干涉，干涉圖像經由成像透鏡為第一單色黑白圖像傳感器所采 集。所述定標模塊包括一個激光器;一個第二單色黑白圖像傳感器。所述激光器發出的激光 經由第五、第四平面反射鏡后入射到第二分束鏡，由第二分束鏡出射的激光經由第二平面 反射鏡、第三平面反射鏡后發生干涉，其產生的干涉條紋由第二單色黑白圖像傳感器所采 集;所述固定平板用于固定待測物件;所述壓電陶瓷微位移平臺用于帶動待測物體發生位 移。
[0008] -種白光掃描干涉測量方法，其采用上述白光掃描干涉測量系統，所述方法包括： 采集一系列待測物體產生的白光干涉圖和激光干涉圖，使用激光干涉圖計算出壓電陶瓷微 位移平臺的步進，標定白光掃描干涉的掃描步進;選取白光干涉圖上的一點，對該點光強信 號進行傅里葉變換處理;設置濾波窗口對所述傅里葉頻譜進行頻譜濾波;依次計算所有像 素點的光強信號與選定像素點光強信號的零光程差位置相對位移;計算待測物體表面高 度。
[0009] 相對于現有技術，所述方法及系統在求取信號時延的過程中，將白光光源可以看 作一個信號源，對應不同像素點干涉強度信號可以看作空間中不同接收器接收到的同源帶 噪信號，通過計算像素點之間干涉強度信號時延的過程來替代每個像素點干涉強度信號單 獨進行變換處理求取零光程差位置的過程，從而無需標定光源的中心波長，且計算精度不 受干涉信號的包絡形狀影響，抗噪性能強，可以廣泛應用于白光掃描干涉測量的信號處理 中。
【附圖說明】
[0010] 為了更清楚地說明本發明的技術方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖作簡 單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本領域普通技 術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
[0011]圖1為本發明第一實施例提供的基于廣義相關時延估計的白光掃描干涉測量系統 的結構示意圖。
[0012] 圖2為本發明第二實施例提供的白光掃描干涉測量方法的流程示意圖。
【具體實施方式】
[0013] 下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完 整地描述。
[0014] 第一實施例
[0015] 如圖1所示，本發明第一實施例提供的白光掃描干涉測量系統500包括白光掃描模 塊100、定標模塊200、用于固定待測物件30的固定平板40、壓電陶瓷微位移平臺50、以及壓 電陶瓷控制器60。
[0016] 其中所述白光掃描模塊100包括:一個白光光源101、一個柯勒照明系統102、一個 第一分束鏡103及一個第二分束鏡104、一個第一顯微物鏡105和一個第二顯微物鏡106、成 像透鏡107、第一單色黑白圖像傳感器108。
[0017] 其中所述定標模塊200包括一個激光器201;第一平面反射鏡202、第二平面反射鏡 203、第三平面反射鏡204、第四平面反射鏡205、第五平面反射鏡206、第二單色黑白圖像傳 感器208。
[0018] 在Z軸方向（第一方向）上，所述第一分束鏡103位于所述柯勒照明系統102與第二 顯微物鏡106之間；在Y軸方向（第二方向，Y軸垂直于Z軸)上，所述第一分束鏡103位于所述 成像透鏡107與第一顯微物鏡105之間。
[0019] 另外，在Z軸方向上，所述第二顯微物鏡106、第三平面反射鏡204、固定平板40(及 待測物件30)、以及壓電陶瓷微位移平臺50位于第一分束鏡103及第二分束鏡104之間。
[0020] 在本實施例中，所述白光光源101為一臺鹵鎢燈白光光源。所述激光器201為一臺 波長為632 · 8nm的He-Ne激光器。
[0021 ]工作時，所述鹵鎢燈白光光源101發出的光經柯勒照明系統102準直后入射至第一 分束鏡103,分成參考光L1和物光L2。
[0022]所述參考光L1通過第一顯微物鏡105入射在第一平面反射鏡202上，所述物光L2通 過第二顯微物鏡106入射在待測物體30，物光L2和參考光L1反射后再各自通過第一、第二顯 微物鏡105、106,進而聚在第一分束鏡103后發生干涉，干涉圖像經由成像透鏡107為第一單 色黑白圖像傳感器108所采集。
[0023]在本實施例中，所述待測物體30與第二平面反射鏡203通過固定平板40固定，具體 是待測物體30與第二平面反射鏡203分別位于所述固定平板40的兩側。使用時，調整待測物 體30與第二平面反射鏡203使其具有相同的垂直掃描位移。
[0024]在本實施例中，除第二平面反射鏡203位于第二分束鏡104的一側外，在第二分束 鏡104的另外兩側，分別設置了第三平面反射鏡204、第四平面反射鏡205。
[0025] He-Ne激光器201發出的激光經由第五、第四平面反射鏡206、205后入射到第二分 束鏡104,由第二分束鏡104出射的激光經由第二平面反射鏡203、第三平面反射鏡204后發 生干涉，其產生的干涉條紋由第二單色黑白圖像傳感器208所采集。
[0026]在本實施例中，第一、第二分束鏡103、104是兩個參數一樣的分束鏡;第一顯微物 鏡105和第二顯微物鏡106的放大倍率為10，數值孔徑為0.25。
[0027]第一單色黑白圖像傳感器108和第二單色黑白圖像傳感器208為兩個規格相同的 圖像傳感器。
[0028] 另外，在本實施例中待測物體14具體采用MEMSCAP公司生產的0A MEM103型MEMS器 件。
[0029]使用時，在白光掃描干涉光路中，由壓電陶瓷微位移平臺50帶動待測物體30,實現 測量待測物體30垂直方向的掃描。從測量物體30表面不同高度的點反射的光在不同時刻與 參考光達到干涉零光程差位置。
[0030] 由此，測量待測物體30表面高度通過提取零光程差位置確定，如果要實現對待測 物體30高度的精確測量，就需要對壓電陶瓷微位移平臺50的位移量進行精確標定，本發明 中采用激光干涉標定的方法，將第二平面反射鏡203與待測物體30通過固定平板40固定，在 壓電陶瓷微位移平臺50的驅動下，待測物體30和第二平面反射鏡203具有相同的垂直掃描 位移，只需測量第二平面反射鏡203的垂直掃描位移，相對應的就可得到待測物體30的垂直 掃描位移。
[0031] 在實際測量過程中，壓電陶瓷微位移平臺50(由壓電陶瓷微位移控制器60所控制） 每移動一次，第一黑白圖像傳感器108和第二黑白圖像傳感器208會各采到一幅圖像，第一 黑白圖像傳感器108采集到包含待測物體30信息的白光干涉條紋，第二黑白圖像傳感器208 采集到激光干涉條紋。通過相移量提取算法，對第二黑白圖像傳感器208采集到的干涉條紋 進行計算可以得到微位移掃描臺每移動一次產生的干涉條紋相移量，從而計算出對應的位 移量。使用這種方法可以實現對壓電陶瓷微位移掃描臺位移量的精確標定。
[0032] 而對于第一黑白圖像傳感器108采集到的白光干涉圖像，選取干涉圖中的一個像 素點，提取該像素點的光強函數，依次將干涉圖上的所有像素點的光強函數均與選取像素 點的光強函數通過廣義相關時延估計算法計算出位移差，可以求出每個像素點和選定像素 點零光程差位置之間相對位移，從而求出待測物體的高度，具體實現將在第二實施例中進 行詳述。
[0033] 第二實施例
[0034]請一起參閱圖2,將結合本實施例將結合附圖和實施例對基于廣義相關時延估計 的白光掃描干涉測量方法作進一步說明，在本方法中其采用第一實施例所述的白光掃描干 涉測量系統500進行測量，包含以下步驟S101-S106。
[0035]步驟S101、采集一系列待測物體產生的白光干涉圖和激光干涉圖，使用激光干涉 圖計算出壓電陶瓷微位移平臺50的步進，標定白光掃描干涉的掃描步進：
[0036] 具體測量時，采用電腦驅動第一單色黑白圖像傳感器108和第二單色黑白圖像傳 感器208同時采集一系列包含待測物體30信息的白光干涉圖和激光干涉圖。
[0037] 使用相移量提取算法（參見文獻《Two step demodulation algorithm based on the orthogonality of diamond diagonal vectors))Applied Physics B 119:387-391 (2015))，對激光干涉圖進行計算，得到待測物體30壓電陶瓷微位移平臺50每移動一次產生 的干涉條紋相移量，從而標定白光掃描干涉的掃描步進。
[0038]步驟S102、選取白光干涉圖上的一點，對該點光強信號進行傅里葉變換處理：
[0039] 例如，選取像素點(XQ，yQ)的光強信號I(XQ，yQ， Z)可以表示為：
[0040]
[0041] 其中，（XQ，yQ)表示單個像素點在干涉圖中的坐標，z是微位移器沿著光軸的掃描位 置，h(x〇，y〇)代表測量物體的表面高度分布，a(x〇，y〇)為背景強度，b(XQ，y〇)為調制幅度，g [z_h(xq，y0)]為干涉信號的包絡函數。λ〇為光源的中心波長，η為實驗中的隨機噪聲。在這里 忽略附加相位延遲的影響。
[0042]對公式(1)所表示的光強信號進行傅里葉變換得到：
[0044]式中，G(x〇，y〇，fz)為g(z)的傅里葉變換頻譜。
[0045] 步驟S103、設置濾波窗口對步驟S102中的傅里葉頻譜進行頻譜濾波。
[0046] 具體為，設置由兩個中心帶通矩形濾波窗口組合而成的濾波窗口 H(fz)，濾除（2) 式中背景項頻譜，消除部分噪聲，這個過程可以表示為：
[0047]
[0048]步驟S104、提取所有像素點的光強信號進行變換濾波處理。
[0049] 在本實施例中，所有像素點(x，y)的光強信號均可以表示為：
[0050]
[0051 ]對公式(4)所表示的光強信號進行傅里葉變換得到：
[0052]
[0053]經濾波窗口 H(fz)后的結果為：
[0055]步驟S105、依次計算所有像素點的光強信號與選定像素點光強信號的零光程差位 置相對位移：
[0056] 對(3)式和(6)式進行如下操作：
[0057]
[0058] 其中*表示復共輒。對C(f z)進行傅里葉逆變換，得到：
[0060]由廣義相關時延估計的原理可知，當取得最大值時，此時的2^即為（x，y) 像素點與(XQ，yQ)像素點的零光程差位置相對位移Ah。而(8)式取得最大值可以求出零光程 差位置相對位移△ h的原因如下：
[0061]
[0062] 式中，β表示卷積。由式⑶我們可以把及()表示為：
[0063]
[0064] 設Δ h = h(x，y)-h(XQ，y〇)為(x，y)像素點與(x〇，y〇)像素點的零光程差位置相對位 移，那么（10)式可以表示為：
[0065]
[0066] 從(11)式可以得出，當~= 0時，取得最大值。
[0067] 步驟S106、計算待測物體表面高度：
[0068]依次計算所有像素點與選取像素點的零光程差位置的相對位移，即相當于計算出 了待測物體的表面高度。
[0069]至此，通過本發明提出的方法和系統500,可以從采集到的一系列白光干涉圖中， 恢復出待測物體的三維形貌。
[0070]綜上所述，所述方法及系統500在求取信號時延的過程中，將白光光源101看作一 個信號源，對應不同像素點干涉強度信號可以看作空間中不同接收器接收到的同源帶噪信 號，通過計算像素點之間干涉強度信號時延的過程來替代每個像素點干涉強度信號單獨進 行變換處理求取零光程差位置的過程，從而無需標定白光光源101的中心波長，且計算精度 不受干涉信號的包絡形狀影響，抗噪性能強，可以廣泛應用于白光掃描干涉測量的信號處 理中。
[0071 ]與現有技術相比，本發明具有如下優點：
[0072] (1)相對于單波長測量方法而言，本發明提供的方法可以實現對梯度變化較大物 體的測量，大大增加了測量范圍，拓展了干涉測量的應用領域。
[0073] (2)相對于其他白光掃描干涉零光程差定位算法需要對單個像素點的光強信號進 行變換處理，本發明提出的方法將零光程差位置提取過程轉換為通過廣義相關時延估計方 法來求取不同像素間的干涉信號相對位移問題。另外，本發明提出的方法操作簡單，計算精 度高，抗噪聲性能強，無需標定光源的中心波長，并且對白光干涉信號的包絡形狀無要求。
[0074] (3)本發明方法使用的系統500簡單，通過單波長激光相移的方式對壓電陶瓷微位 移平臺的掃描步進進行標定，這種方式比通過電學反饋進行步進標定的方法更加精確。
[0075] 以上所述是本發明的優選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員 來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也視為 本發明的保護范圍。
【主權項】
1. 一種白光掃描干涉測量系統，其特征在于，所述系統包括白光掃描模塊、定標模塊、 固定平板、以及壓電陶瓷微位移平臺，其中所述白光掃描模塊包括： 一個白光光源； 一個柯勒照明系統； 一個第一分束鏡及一個第二分束鏡，所述光源發出的光經過柯勒照明系統后進入第一 分束鏡并被分為物光和參考光； 一個第一顯微物鏡和一個第二顯微物鏡;第一分束鏡位于所述柯勒照明系統與第二顯 微物鏡之間； 一個成像透鏡及第一、第二、第三、第四、第五平面反射鏡；以及 一個第一單色黑白圖像傳感器，所述參考光通過第一顯微物鏡入射在第一平面反射鏡 上，所述物光通過第二顯微物鏡入射在待測物體，物光和參考光反射后再各自通過第一、第 二顯微物鏡，進而匯聚在第一分束鏡后發生干涉，干涉圖像經由成像透鏡為第一單色黑白 圖像傳感器所采集； 其中所述定標模塊包括： 一個激光器； 一個第二單色黑白圖像傳感器，所述激光器發出的激光經由第五、第四平面反射鏡后 入射到第二分束鏡，由第二分束鏡出射的激光經由第二平面反射鏡、第三平面反射鏡后發 生干涉，其產生的干涉條紋由第二單色黑白圖像傳感器所采集； 其中所述固定平板用于固定待測物件;所述壓電陶瓷微位移平臺用于帶動待測物體發 生位移。2. 如權利要求1所述的一種白光掃描干涉測量系統，其特征在于，所述光源為一臺鹵鎢 燈白光光源。3. 如權利要求1所述的一種白光掃描干涉測量系統，其特征在于，所述激光器為He-Ne 激光器。4. 如權利要求1所述的一種白光掃描干涉測量系統，在第一方向上，所述第一分束鏡位 于所述柯勒照明系統與第二顯微物鏡之間。5. 如權利要求4所述的一種白光掃描干涉測量系統，其特征在于，在與第一方向相垂直 的第二方向上，所述第一分束鏡位于所述像透鏡與第一顯微物鏡之間。6. 如權利要求1所述的一種白光掃描干涉測量系統，其特征在于，第一顯微物鏡和第二 顯微物鏡的放大倍率為10，數值孔徑為〇. 25。7. -種白光掃描干涉測量方法，其采用如權利要求1-6所述的白光掃描干涉測量系統， 其特征在于，所述方法包括： 采集一系列待測物體產生的白光干涉圖和激光干涉圖，使用激光干涉圖計算出壓電陶 瓷微位移平臺的步進，標定白光掃描干涉的掃描步進； 選取白光干涉圖上的一點，對該點光強信號進行傅里葉變換處理； 設置濾波窗口對所述傅里葉頻譜進行頻譜濾波； 提取所有像素點的光強信號進行變換濾波處理； 依次計算所有像素點的光強信號與選定像素點光強信號的零光程差位置相對位移；以 及 計算待測物體表面高度。
【文檔編號】G01B11/24GK105865370SQ201610348492
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年5月23日
【發明人】呂曉旭, 蔡紅志, 周云飛, 劉勝德, 鐘麗云
【申請人】華南師范大學