高精度短相干光三维形貌快速测量算法制造技术

本发明专利技术公开了一种高精度短相干光三维形貌快速测量算法，首先驱动压电陶瓷按照π/2的相位步进量在一定扫描长度内进行时序垂直扫描，对应每个步进量存储1幅干涉图；将干涉图计算处理融入到时序垂直扫描存储干涉图的过程中，实现快速测量；在时序垂直扫描并记录干涉图完成的同时，完成空域上各像素点移相扫描精相位以及多幅干涉图的对比度求解。对多幅干涉图的对比度进行处理，得到垂直扫描粗相位；再将移相扫描精相位与垂直扫描粗相位融合得到三维形貌测量结果；最后，采用二维离散差分算法判断及消除待测样品中在阶跃形貌的边缘处产生的蝙蝠翼误差，得到高精度三维形貌测量结果。本发明专利技术算法简单，速度快，精度及可信度高，抗环境噪声能力强。

A Fast Three-Dimensional Profile Measurement Method with High Precision and Short Coherent Light

The invention discloses a high-precision fast measurement algorithm for three-dimensional topography of short coherent light. Firstly, piezoelectric ceramics are driven to scan vertically in a certain scanning length according to the phase step of pi/2, and one interferogram is stored for each step; the calculation and processing of the interferogram are integrated into the process of storing the interferogram in the time-series vertical scanning to realize fast measurement; secondly, the time-series vertical scanning is realized. At the same time, the precise phase of each pixel in the spatial domain and the contrast of multiple interferograms are solved. The contrast of multiple interferograms is processed to obtain the vertical scanning coarse phase, and then the precise phase of phase shift scanning and the coarse phase of vertical scanning are fused to obtain the three-dimensional morphology measurement results. Finally, the bat wing error generated at the edge of step morphology in the sample to be measured is judged and eliminated by two-dimensional discrete difference algorithm, and high-precision three-dimensional morphology measurement results are obtained. The invention has the advantages of simple algorithm, fast speed, high accuracy and reliability, and strong anti-environmental noise ability.

【技术实现步骤摘要】
高精度短相干光三维形貌快速测量算法
本专利技术涉及精密光学测量工程
，更具体地，涉及一种高精度短相干光三维形貌快速测量算法。
技术介绍
随着加工工艺的逐步提高，精密元件的使用日益广泛，在航空航天、车载系统、成像照明等领域中有着不可替代的作用，通过测量元件的形貌特征可以定量地评估元件的质量，评价其在系统中的功能是否受到影响，对于元件的质量监测有着重要意义。短相干光干涉测量技术是一种适用性强、精度高、时效性优良的非接触式表面微观形貌光学测量技术，不仅可以在不损伤待测元件的基础上进行大范围测量，还可以得到直观的元件表面轮廓三维形貌。单色光干涉测量虽然可以实现高精度测量，但是在测量被测表面存在高度跃变超过四分之一波长的情况下会出现相位模糊问题导致不能准确的复原出待测形貌，而短相干光干涉测量技术由于可以精确判断待测视场内每一点的零光程差位置从而可以实现对存在阶跃形貌的待测元件进行高精度的测量。传统的短相干光干涉测量技术依靠压电陶瓷等扫描器件，按照预先设定的扫描步长在一定深度的范围内对待测元件进行扫描，扫描的过程中记录每个步长下待测视场内所有点的干涉光强值，待扫描结束后计算视场内每个点在整个扫描过程中对比度的变化情况，将对比度为最大情况下对应的扫描步数定位为零光程差位置，之后与预先设定的步长值相乘得到视场内每个点对应的高度值，最终得到待测元件的三维形貌。在此过程中从对比度变化曲线中提取零光程差位置时常采用极值法、重心法、最小二乘法拟合等算法，但在对扫描采集的干涉图处理的过程中，由于对比度信号的提取以及对比度最大位置的确定都存在算法原理性的误差，导致传统的短相干光干涉测量技术在精度方面不及单色光干涉测量技术。因此，将短相干光干涉测量技术和单色光相干测量技术相结合是一种理想的测量手段。在已有的提升垂直扫描相干测量算法中，首先使用短相干光干涉测量求解视场中一点对应零光程差的扫描帧数结果，接着以该帧数为基础，利用其在前后几帧干涉图像的对应光强值采用五步法、七步法等移相算法求解相位高度结果，将两者结合最终得到克服相位模糊的高精度三维形貌。但这种方法在计算的过程中必须首先确定零光程差对应的扫描步数，然后才可以求解相位高度结果，因此明显提高算法的计算量，降低算法的运行效率。此外，当待测元件存在阶跃形式的台阶结构时，若阶跃量小于光源的相干长度的四分之一时，在阶跃处会产生明显的蝙蝠翼效应，影响测量结果的可靠性。中国专利《一种结合相移干涉与垂直扫描干涉的3D形貌恢复方法》(CN106767496A)，将移相干涉和垂直扫描干涉结合的过程中，将全部干涉图像采集后，首先采用极值法计算每个像素点零光程差然后记录对应的帧数，再根据帧数信息使用五步法计算每个像素点的相位信息，最后将二者结合得到三维形貌。该专利所述方法需要采集全部干涉图像后才能进行垂直扫描干涉的计算，接下来再进行移相干涉结果的计算，使得算法运行时间长。中国专利《一种适用于表面形貌检测的白光干涉三维重建方法》(CN108759709A)，将强度信息和相位信息结合的过程中，也需要先采集全部的干涉图像，之后采用高斯函数对每个像素点的干涉信号进行包络曲线的拟合，确定零光程差以及对应的帧数，再根据帧数信息使用Carré算法计算每个像素点的相位信息，最后结合强度信息与相位信息得到三维形貌。该专利所述方法同样需要采集全部干涉图像后才能进行强度信息的计算，然后再进行移相信息的求解，最后融合两者结果得到三维形貌，该方法也存在算法运行时间长的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种高精度短相干光三维形貌快速测量算法，融合了短相干光干涉测量以及单色光干涉测量的优点并克服了阶跃形貌处由于蝙蝠翼效应带来的测量误差，实现了高精度三维形貌快速测量，使得精度可达0.03nm。实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种高精度短相干光三维形貌快速测量算法，方法步骤如下：步骤1、在干涉图像采集的过程中，在指定总行程内进行相位步进量为π/2的时序垂直扫描，且每进行一次扫描由CCD记录一幅干涉图像；转入步骤2和步骤3；步骤2、在时序垂直扫描记录干涉图像的同时对采集得到的干涉图像进行对比度的计算，得到视场中每一个像素点关于所有干涉图像的对比度变化信号；再对所有像素点的对比度变化信号进行重心法处理，得到视场中所有像素点对比度最大位置，即对应扫描步数的垂直扫描粗相位fv(x，y)，转入步骤4；步骤3、在时序垂直扫描记录干涉图的同时对采集得到的干涉图像进行正交解调算法处理，得到视场中所有像素点的相位信号；接下来将相位信号除以相位步进量得到视场中所有像素点的高精度零光程差位置即对应扫描步数的移相扫描精相位fp(x，y)，转入步骤4；步骤4、将对应扫描步数的垂直扫描粗相位与对应扫描步数的移相扫描精相位做差，即fv(x，y)-fp(x，y)，得到中间变量，对其进行4的倍数取整计算得到形貌中间变量fr(x，y)，将形貌中间变量与对应扫描步数的移相扫描精相位fp(x，y)相加得到对应扫描步数的三维形貌fh(x，y)，转入步骤5；步骤5、将对应扫描步数的三维形貌fh(x，y)进行阶跃形貌处蝙蝠翼效应存在与否的判断，若判断存在蝙蝠翼效应则采用蝙蝠翼校正算法进行阶跃形貌处蝙蝠翼效应的校正，得到去除蝙蝠翼效应的对应扫描步数的三维形貌，转入步骤6；若判断不存在蝙蝠翼效应，对应扫描步数的三维形貌fh(x，y)即为高精度大量程三维形貌；步骤6、将去除蝙蝠翼效应的对应扫描步数的三维形貌乘以对应相位步进量的步长距离得到高精度大量程三维形貌。本专利技术与现有技术相比，其显著优点在于：(1)在求解视场内所有像素点的对比度变化信号时可以在时序垂直扫描的过程中完成，所有干涉图像采集完毕后可以通过重心法快速确定所有像素点对比度最大时对应的扫描位置，大大缩短了算法的耗时。(2)在求解视场内所有像素点的相位信号时可以在时序垂直扫描的过程中完成，每采集4幅干涉图便进行一次4幅法求解相位，在所有干涉图像采集完毕时将所有的相位取平均便可以得到视场中所有像素点的精确相位结果，同时减少了算法的总体运行时间。(3)将相位与精相位结合的过程中解决了必须先得到前者才可以求解后者缺点，实现了精相位与粗相位的同时求取，将两者结果融合可以实现对存在阶跃形貌待测物体的高精度快速测量。(4)解决了在阶跃形貌处由于蝙蝠翼效应的影响使得测量结果不准确的问题，提高了对待测物体形貌测量的精度与可信度。附图说明图1为本专利技术高精度短相干光三维形貌快速测量算法的流程图。图2为高精度短相干光三维形貌快速测量算法对应光路结构示意图。图3为对应扫描步数的精相位与粗相位解果图。图4为中间变量及其取整后形貌中间变量示意图。图5为形貌中间变量的计算过程图，其中(a)为形貌中间变量1求解示意图，(b)为形貌中间变量2求解示意图。图6为对应扫描步数的三维形貌求解示意图。图7为本专利技术中采用高精度短相干光三维形貌快速测量算法实测存在阶跃形貌样品效果图。图8为采用垂直扫描相干测量算法实测存在阶跃形貌样品效果图。具体实施方式为使本专利技术的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本专利技术的具体实施方式做详细的说明。结合图1，一种高精度短相干光三维形貌快速测量算法，步骤如下：步骤1、在干涉图像采集的过程中，由控制及本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高精度短相干光三维形貌快速测量算法，其特征在于，方法步骤如下：步骤1、在干涉图像采集的过程中，在指定总行程内进行相位步进量为π/2的时序垂直扫描，且每进行一次扫描由CCD记录一幅干涉图像；转入步骤2和步骤3；步骤2、在时序垂直扫描记录干涉图像的同时对采集得到的干涉图像进行对比度的计算，得到视场中每一个像素点关于所有干涉图像的对比度变化信号；再对所有像素点的对比度变化信号进行重心法处理，得到视场中所有像素点对比度最大位置，即对应扫描步数的垂直扫描粗相位fv(x，y)，转入步骤4；步骤3、在时序垂直扫描记录干涉图的同时对采集得到的干涉图像进行正交解调算法处理，得到视场中所有像素点的相位信号；接下来将相位信号除以相位步进量得到视场中所有像素点的高精度零光程差位置即对应扫描步数的移相扫描精相位fp(x，y)，转入步骤4；步骤4、将对应扫描步数的垂直扫描粗相位与对应扫描步数的移相扫描精相位做差，即fv(x，y)‑fp(x，y)，得到中间变量，对其进行4的倍数取整计算得到形貌中间变量fr(x，y)，将形貌中间变量与对应扫描步数的移相扫描精相位fp(x，y)相加得到对应扫描步数的三维形貌fh(x，y)，转入步骤5；步骤5、将对应扫描步数的三维形貌fh(x，y)进行阶跃形貌处蝙蝠翼效应存在与否的判断，若判断存在蝙蝠翼效应则采用蝙蝠翼校正算法进行阶跃形貌处蝙蝠翼效应的校正，得到去除蝙蝠翼效应的对应扫描步数的三维形貌，转入步骤6；若判断不存在蝙蝠翼效应，对应扫描步数的三维形貌fh(x，y)即为高精度大量程三维形貌；步骤6、将去除蝙蝠翼效应的对应扫描步数的三维形貌乘以对应相位步进量的步长距离得到高精度大量程三维形貌。...

【技术特征摘要】
1.一种高精度短相干光三维形貌快速测量算法，其特征在于，方法步骤如下：步骤1、在干涉图像采集的过程中，在指定总行程内进行相位步进量为π/2的时序垂直扫描，且每进行一次扫描由CCD记录一幅干涉图像；转入步骤2和步骤3；步骤2、在时序垂直扫描记录干涉图像的同时对采集得到的干涉图像进行对比度的计算，得到视场中每一个像素点关于所有干涉图像的对比度变化信号；再对所有像素点的对比度变化信号进行重心法处理，得到视场中所有像素点对比度最大位置，即对应扫描步数的垂直扫描粗相位fv(x，y)，转入步骤4；步骤3、在时序垂直扫描记录干涉图的同时对采集得到的干涉图像进行正交解调算法处理，得到视场中所有像素点的相位信号；接下来将相位信号除以相位步进量得到视场中所有像素点的高精度零光程差位置即对应扫描步数的移相扫描精相位fp(x，y)，转入步骤4；步骤4、将对应扫描步数的垂直扫描粗相位与对应扫描步数的移相扫描精相位做差，即fv(x，y)-fp(x，y)，得到中间变量，对其进行4的倍数取整计算得到形貌中间变量fr(x，y)，将形貌中间变量与对应扫描步数的移相扫描精相位fp(x，y)相加得到对应扫描步数的三维形貌fh(x，y)，转入步骤5；步骤5、将对应扫描步数的三维形貌fh(x，y)进行阶跃形貌处蝙蝠翼效应存在与否的判断，若判断存在蝙蝠翼效应则采用蝙蝠翼校正算法进行阶跃形貌处蝙蝠翼效应的校正，得到去除蝙蝠翼效应的对应扫描步数的三维形貌，转入步骤6；若判断不存在蝙蝠翼效应，对应扫描步数的三维形貌fh(x，y)即为高精度大量程三维形貌；步骤6、将去除蝙蝠翼效应的对应扫描步数的三维形貌乘以对应相位步进量的步长距离得到高精度大量程三维形貌。2.根据权利要求1所述的高精度短相干光三维形貌快速测量算法，其特征在于：所述步骤1中，指定总行程根据所需干涉图像的数量与相位步进量为π/2时对应的步长距离的乘积进行设定。3.根据权利要求1所述的高精度短相干光三维形貌快速测量算法，其特征在于：所述步骤2中，在时序垂直扫描并记录干涉图的过程中，当存储至第7幅图干涉图时，由第1幅图至第7幅图形成7幅干涉图序列，利用对比度算法计算第4幅干涉图的对比度，当存储至第8幅图干涉图时，由第2幅图至第8幅图形成7幅干涉图序列，利用对比度算法计算第5幅干涉图的对比度，以后每多存储一幅干涉图，即形成新的一组7幅干涉图序列，据此计算对应的该幅干涉图的对比度，在时序垂直扫描的过程中以此类推计算所有干涉图的对比度；视场中某像素点对应一幅干涉图的对比度M(i)计算表达式如下：其中，i为干涉图像的序号，Ii为该像素点在第i幅干涉图像的光强，算法共选取视场中某一像素点对应第i幅干涉图像及其前后对称的共计7幅干涉图像进行该像素点在第i幅干涉图像中对比度的计算，接下来根据同样的方法对视场中所有像素点进行对比度的计算；由于在采集干涉图并进行计算的过程中，前三幅和后三幅干涉图的对比度未进行计算，所以对这些图像中所有像素点的对比度全部置为0，对所有干涉图像采集完成的同时可以得到视场中每个像素点的对比度变化信号。4.根据权利要求1所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁群，孙一峰，高志山，于颢彪，黄旭，胡乔伟，徐伟，施帅飞，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32