基于三维拼接的大口径干涉测量系统和算法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于三维拼接的大口径干涉测量系统，采用迈克尔逊干涉系统并搭配超长工作距离的物镜和相机，其特征在于：利用步进电机实现干涉信号自动查找，压电陶瓷实现信号扫描，计算机对采集到的图像进行分析并实现测量，单个视场测量完成后，系统控制X轴和Y轴工作台移动，测量下一个视场，多个视场的测量结果用三维拼接算法拼接，得到大口径范围的测量结果。在原先常规干涉仪系统中，采用单色光和白光切换的方式实现单色光干涉和白光干涉，利用其各自的优缺点来合理的选择测量方案。同时，在检测样品部位添加两维自动移动平台，实现被测区域的自由切换和实时拼接等。

Large aperture interferometry system and algorithm based on 3D stitching

The invention discloses a three-dimensional mosaic of large aperture interferometer system based on the Michelson interference system and collocation long working distance objective lens and camera features using the stepper motor to achieve the automatic search of interference signal, piezoelectric ceramic signal scanning, image acquisition of computer to analyze and measure the individual. Field measurement is completed, the system control of mobile X and Y axis worktable, a field measurement, the measurement results of multiple view 3D mosaic mosaic algorithm, measurement of large diameter range. In the conventional interferometer system, monochromatic light and white light switching were used to realize monochromatic light interference and white light interference, and their respective advantages and disadvantages were used to select the measurement scheme reasonably. At the same time, two dimensional automatic mobile platform is added to the sample location to realize the free switching and real-time stitching of the measured area.

【技术实现步骤摘要】
基于三维拼接的大口径干涉测量系统和算法
本专利技术属于高精密三维形貌测量领域，更具体地，涉及一种适用于大尺寸表面形貌测量的干涉系统。
技术介绍
表面三维微观形貌测量方法可分为两类：接触式和非接触式。接触式测量方法的代表产品是触针式轮廓仪。当前，国内外广泛应用的触针式粗糙度测量仪器是用一个尖端半径很小的触针压在被测表面上作横移扫描，触针跟随表面微观轮廓的形状作垂直位移，可以说是最大可能地再现了工件的表面状况。然而这种测量方法有很大的缺陷，测量精度较低、容易划伤被测表面，测量速度慢、实现在线检测困难。近年来，国内外对具有快速、非破坏性、可在线测量特征的非接触式检测技术的研究十分活跃，主要依靠光学、电磁波和图像处理等技术手段实现表面微观轮廓的非接触测量,非接触式的表面三维微观轮廓检测技术有采用微波技术、超声技术及电场技术的尝试，但绝大部分是采用光学测量技术,其最显著的特点是将传统光学计量技术与信息光学和信息处理技术相结合。目前，已经研究出的表面三维微观轮廓的光学测量技术主要有：光学外差干涉法、正弦相位调制干涉法、共焦显微法、相移干涉法，白光扫描法等。与其他方法相比，光学测量方法有许多其它方法无法比拟的优点：精度高，达到几纳米；测量速度相对较快；测量范围大，从10nm到100μm；可同时获得成像面内的所有数据；几乎可用于所有材料的表面测量。光学测量方法也有一些内在的缺点。对所有的光学方法来说，纵向分率较高，但由于存在衍射受限和系统的横向分辨率由物镜孔径决定的限制，横向分辨率只能达到微米级，其评定出的表面参数常常和其它类型仪器的测量结果有一定差别。其次，现有的干涉显微仪器测量表面形貌时受光学系统和相机靶面的视场限制，水平测量范围很小，无法满足大口径尺寸表面形貌的测量。另外，高精度三维形貌测量系统操作相对复杂，自动化程度不高，需要操作人员有良好的专业技能。
技术实现思路
针对现有技术存在的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种适用于大范围表面形貌测量的自动干涉仪测量系统和算法。在原先常规干涉仪系统中，采用单色光和白光切换的方式实现单色光干涉和白光干涉，利用其各自的优缺点来合理的选择测量方案。同时，在检测样品部位添加两维自动移动平台，实现被测区域的自由切换和实时拼接等。本专利技术提出的自动对焦，信号扫描和三维拼接等过程通过软件控制，克服现有技术缺陷的同时还大大提高了测试效率和测试的便捷性，同时也具备结构紧凑、高精度和低成本等优点。为实现上述目的，本专利技术，提供了一种适用于大口径表面形貌测量的双光源干涉仪，其特征在于，该干涉仪采用迈克尔逊干涉系统并搭配超长工作距离的物镜和相机。利用步进电机实现干涉信号自动查找，压电陶瓷实现信号扫描，计算机对采集到的图像进行分析并实现测量。单个视场测量完成后，系统控制X轴和Y轴工作台移动，测量下一个视场，多个视场的测量结果用三维拼接算法拼接，得到大口径范围的测量结果，其中：所述双光源干涉仪系统主要包括四大部分：1.自动对焦干涉成像模块部分，2.光源切换合成与其控制部分，3.信号扫描和视场切换等机械系统部分，4.图像数据处理部分。其中干涉成像模块部分通过参考平面镜，分光棱镜，长工作距离物镜和相机等部件的性能和参数决定各自的机械位置并实现成像功能。其中干涉成像模块和光源切换模块组成一个整体放置在滑台上，通过滑台前后移动来实现干涉信号查找，利用两维滑台实现被测件的X和Y方向的平移。被测样品通过机械件固定在精密扫描器件上，利用计算机控制器件的精密位移实现信号扫面并实时记录图像，还原三维数据结果。所述的干涉系统中，参考镜，分光棱镜，长工作距离物镜，相机之间的距离都保持固定，无论是被测件扫描过程，对焦过程，被测物移动过程中，参考镜这一光路相互位置都保持固定不动，参考镜始终处于清晰成像状态。所述的自动对焦部分，通过精密滑台，驱动器，电路控制器和软件算法实现功能。滑台采用五相步进电机和滚珠丝杠结构，可实现微米量级的精密移动。软件通过实时采集当前样品的成像状况，并分析当前位置是否存在干涉信号来实现对焦功能。所述的光源切换合成部分，包含分光棱镜，单色LED光源，白光LED光源及其电路驱动和控制部分。LED驱动采用电流驱动方式，利用精密的恒流设计和LED的良好散热来保证LED的亮度稳定。控制电路可实现每个光源的单独亮灭，在同一套光学系统中实现单色光干涉和白光干涉功能。针对连续变化的表面，可采用单色光干涉系统，对于台阶状变化的表面，采用白光干涉系统。所述的信号扫描系统采用闭环控制的压电陶瓷位移台，该器件可实现100um以上的扫描范围，扫描精度可达1nm，压电陶瓷的精密控制是保证计算精度的首要前提。通过电压的控制，推动被测件在成像方向的连续移动实现信号扫描。根据不同使用环境，采用不同的扫描方式。在单色光干涉系统中，采用相移干涉法；在白光干涉系统中，采用连续扫描干涉法。所述的三维形貌还原算法包含两个部分，在单色光干涉中控制压电陶瓷移相并由相机记录当前的信号图像，通过采集到的若干幅干涉信号图来计算被测物体各个像素的相位值，然后利用相位解缠还原得到三维图像。在白光干涉系统中，采用压电陶瓷扫描方式，连续采集上百幅图像，通过空间频域算法计算出三维形貌。在三维计算过程中，需要保证采集到的图像包含有效的干涉信号，可通过图像直接计算出各像素点的信号强度值，并控制有效像素在整个视场的比例是否满足计算需求。所述的三维拼接算法，包含了两个过程。首先选取需要拼接的图像可能重叠部分，通过相似度算法计算出拼接点的每一行每一列坐标值，并在平面方向完成拼接。然后提取出真正重叠区域的三维数据，计算重叠部分各个点的高度差值，通过最小二乘法计算两组三维数据的“最佳”高度落差，并将这个差值补偿到其中一组三维数据中。为使得该算法顺利实施，需要控制两维移动平台每次的移动量，保证移动前后采集到的图像有一定的重叠部分，重叠量可通过相机的实际视场和滑台的移动量来控制，误差可控制在几个微米。所述的三维拼接中，高度差值计算过程中，应该剔除信号强度小于设定阈值的像素点。在单色光干涉或白光干涉三维形貌还原算法中，信号强度较小或无信号点被视为“坏点”。往往“坏点”的高度信息值是错误的，因此在三维高度差计算中，不应该考虑在内。所述的白光干涉三维还原算法中，因为每个像素点的信号是完全独立的，因此可采用并行运算算法。目前可选OpenCL或CUDA利用计算机的独立显卡来实现并行运算加速。该算法可大大提到计算速度，从原本的几十秒减少到1秒左右。作为进一步优选，整个系统放置在光学隔震平台上，可以杜绝外接震动对整个光路系统的影响。系统内部的各个连接处，都用合理的机械结构紧密固定，保证这个系统的稳定性和刚性。作为进一步优选，所述的长工作距离物镜，需适用于单色光干涉和白光干涉系统，应选复消色差物镜。物镜前方需放置分光棱镜，为避免安装零件的冲突，此物镜的工作距离因保证在20mm以上。根据测量面型的需求，市面上可选的物镜有2X，5X，10X，20X等。分光棱镜采用50%:50%均分，四个表面镀波长为400nm-700nm介质增透膜，以通用白光和单色光。作为进一步优选，所述单色光干涉系统中的单色光源，可采用波长为635nm的红光光源，白光干涉光学系统中，采用中心波长为560nm的暖白光源。为减小曝光时本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于三维拼接的大口径干涉测量系统，采用迈克尔逊干涉系统并搭配超长工作距离的物镜和相机，其特征在于：利用步进电机实现干涉信号自动查找，压电陶瓷实现信号扫描，计算机对采集到的图像进行分析并实现测量，单个视场测量完成后，系统控制X轴和Y轴工作台移动，测量下一个视场，多个视场的测量结果用三维拼接算法拼接，得到大口径范围的测量结果。

【技术特征摘要】
1.一种基于三维拼接的大口径干涉测量系统，采用迈克尔逊干涉系统并搭配超长工作距离的物镜和相机，其特征在于：利用步进电机实现干涉信号自动查找，压电陶瓷实现信号扫描，计算机对采集到的图像进行分析并实现测量，单个视场测量完成后，系统控制X轴和Y轴工作台移动，测量下一个视场，多个视场的测量结果用三维拼接算法拼接，得到大口径范围的测量结果。2.如权利要求1所述的基于三维拼接的大口径干涉测量系统，其特征在于：包括四个部分：自动对焦干涉成像模块部分，光源切换合成与其控制部分，信号扫描和视场切换等机械系统部分，图像数据处理部分，其中自动对焦干涉成像模块部分通过参考平面镜，分光棱镜，长工作距离物镜和相机等部件的性能和参数决定各自的机械位置并实现成像功能，自动对焦干涉成像模块部分和光源切换合成与其控制部分组成一个整体放置在滑台上，通过滑台前后移动来实现干涉信号查找，利用二维滑台实现被测件的X和Y方向的平移，被测样品通过机械件固定在精密扫描器件上，利用计算机控制器件的精密位移实现信号扫面并实时记录图像，还原三维数据结果。3.如权利要求1所述的基于三维拼接的大口径干涉测量系统，其特征在于：所述的自动对焦干涉成像模块部中，参考镜，分光棱镜，长工作距离物镜，相机之间的距离都保持固定，在被测件扫描过程、对焦过程、被测物移动过程中，各部件相互位置保持固定不动，参考镜始终处于清晰成像状态。4.如权利要求1所述的基于三维拼接的大口径干涉测量系统，其特征在于：所述的光源切换合成与其控制部分，包含分光棱镜，单色LED光源，白光LED光源及其电路驱动和控制部分，针对连续变化的表面，可采用单色光干涉系统，对于台阶状变化的表面，采用白光干涉系统。5.如权利要求1所述的基于三维拼接的大口径干涉测量系统，其特征在于：所述超长工作距离物镜，适用于单色光干涉和白光干涉系统的复消色差物镜。6.如权利要求4所述的基于三维拼接的大口径干涉测量系统，其特征在于：所述单色LED光源采用波长为635nm的红光光源，白光LED光源采用中心波长为560nm的暖白光源。7.一种基于三维拼接的大口径干涉测量方法，包括如下步骤：步骤1、系统初始化：被测样品（6）安装到样品固定座（5）上，用三侧的螺钉夹紧被测样品（6），根据当前光学系统的放大倍率和分辨率，设置相机图像的长度和宽度尺寸，计算左右方向和竖直方向需要移动的次数；然后将通过左右移动滑台（2）和竖直移动滑台（4）将样品移动到起始位置，扫描平台3移动到扫描起始位置；步骤2、信号查找：启动对焦平台（18），开始前后移动，并用软件触发取图；本系统的光路结构中，当被测样品（6）表面清晰成像时刚好出现干涉信号，利用图像梯度值来判断对焦滑台移动的方向；当图像梯度逐渐变大时，说明移动方向正确，当图像梯度变小时，说明移动方向相反；步骤3、干涉扫描：查找到干涉信号后，启动扫描平台开始扫描：...

【专利技术属性】
技术研发人员：裘恩明，徐华俊，
申请(专利权)人：杭州齐跃科技有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江,33