基于光谱分布特性的三维形貌干涉测量快速垂直扫描方法技术

本发明专利技术公开了一种基于光谱分布特性的三维形貌干涉测量快速垂直扫描方法，用以解决现有垂直扫描白光干涉测量技术难以快速测量高度达微米量级的样品的问题。本发明专利技术基于光谱分布特性选取的时序垂直粗扫描步长，能保证不论图像采集的起点在何处，都能使时序垂直粗扫描采集的系列图像中有且仅有两帧干涉图像各自分别对应于样品上、下表面发生干涉的范围内，这不仅增加了寻找样品上、下表面位置的准确率，还缩短了寻找时间。在定位到样品上、下表面位置后，本发明专利技术可以直接计算得到发生干涉的区域，然后采用时序垂直精扫描采集图像，最后通过形貌复原算法复原样品的三维形貌，避免了现有方法采用精扫描步长寻找干涉区域的步骤，极大提升了测量速率。大提升了测量速率。大提升了测量速率。

【技术实现步骤摘要】
基于光谱分布特性的三维形貌干涉测量快速垂直扫描方法


[0001]本专利技术涉及精密光学测量工程
，更具体地，涉及一种基于光谱分布特性的三维形貌干涉测量快速垂直扫描方法。

技术介绍

[0002]垂直扫描白光干涉测量技术克服了单色光移相测量的相位模糊问题，是一种非接触式表面微观形貌测量技术，通常情况下，按照等步长扫描方式，垂直扫描步长取值为光源中心波长的1/8。以一个中心波长为532nm、相干长度为1μm的白光光源为例，用其测量一个高度为8μm的标准台阶板。能产生干涉条纹的范围为以台阶上表面为中心的2μm区域以及以台阶下表面为中心的2μm区域，共4μm的长度，而垂直扫描干涉测量技术却需要以66.5nm的步长扫描2μm+(8
‑1‑
1)μm+2μm，即10μm的长度。
[0003]而真正对形貌复原算法起作用的只有出现干涉条纹的图像，即上例中在4μm的长度区域采集的干涉图像为有效数据，在中间6μm的长度区域采集的干涉图像没有干涉条纹属于无用数据。
[0004]定义数据利用率为出现干涉条纹的区域长度比上实际采图的区本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于光谱分布特性的三维形貌干涉测量快速垂直扫描方法，其方法步骤如下：步骤1、使用光谱仪测量光源经过白光显微干涉系统在其CCD位置处的光谱分布，得到光谱分布图，通过重心法求得CCD位置处光源的中心波长λ0，进而求出CCD位置处光源的相干长度ΔL，转入步骤2；步骤2、将样品放置入白光显微干涉系统，并将干涉物镜移至其工作距离之外，控制压电陶瓷使干涉物镜朝着样品方向按照每步step1的步进量运动进行时序垂直粗扫描，控制CCD记录对应的图像，转入步骤3；步骤3、对CCD记录的每幅图像进行灰度方差评价函数计算，得到其灰度方差值，并将记录的图像删除，比较灰度方差值，找到并记录样品上表面“最佳”干涉位置a，转入步骤4；步骤4、控制压电陶瓷使干涉物镜继续朝着样品方向按照每步step1的步进量运动进行时序垂直粗扫描，控制CCD记录对应的图像，对CCD记录的每幅图像进行灰度方差评价函数计算，得到其灰度方差值，并将记录的图像删除，比较灰度方差值，找到并记录样品下表面“最佳”干涉位置b，记录样品上表面“最佳”干涉位置a到样品下表面“最佳”干涉位置b的扫描步数N1，转入步骤5；步骤5、根据样品上表面“最佳”干涉位置a前后两帧图像的灰度方差值与阈值的比较，做出相应的移动策略，得到样品上表面条纹开始出现和结束的位置a
up
和a
down
；控制压电陶瓷按照每步step2的步进量，从a
up
到a
down
进行时序垂直精扫描，并存储相应的上表面干涉图像；根据样品下表面“最佳”干涉位置b前后两帧图像的灰度方差值与阈值的比较，做出相应的移动策略，得出样品下表面条纹开始出现和结束的位置b
up
和b
down
，转入步骤6；步骤6、根据形貌复原算法的条件，对位置b
up
和b
down
分别进行修正，得到对应的修正后的位置b
up
‑
R
和b
down
‑
R
，控制压电陶瓷按照每步step2的步进量，从b
up
‑
R
到b
down
‑
R
进行时序垂直精扫描，并存储相应的下表面干涉图像，计算出位置a
down
到修正后的位置b
up
‑
R
之间跳过的距离，并将其换算成对应于步长step2的精扫描步数n，转入步骤7；步骤7、根据存储的样品上、下表面干涉图像以及样品上、下表面之间跳过的精扫描步数n，通过形貌复原算法复原样品的三维形貌。2.根据权利要求1所述的基于光谱分布特性的三维形貌干涉测量快速垂直扫描方法，其特征在于：所述步骤1中，根据光谱分布图，通过重心法求得CCD位置处光源的中心波长λ0的表达式如下：式中，λ
max
为光谱分布图中的最大截止波长，λ
min
为光谱分布图中的最小截止波长，I(λ)是光谱分布图中波长λ对应的光强值；CCD位置处光源的相干长度ΔL的表达式如下：能发生干涉的范围为相干长度的两倍，即干涉条纹出现的范围长度length为：
3.根据权利要求1所述的基于光谱分布特性的三维形貌干涉测量快速垂直扫描方法，其特征在于：所述步骤2中，样品为高度达微米量级的物体。4.根据权利要求2所述的基于光谱分布特性的三维形貌干涉测量快速垂直扫描方法，其特征在于：所述步骤2中，step1的选取应保证不论图像采集的起点在何处，都能使时序垂直粗扫描采集的系列图像中有且仅有两帧干涉图像各自分别对应于样品上、下表面发生干涉的范围内，使得计算得到的灰度方差值只出现两个峰值，一个位于样品上表面干涉条纹出现的范围内，另一个位于样品下表面干涉条纹出现的范围内，step1选取的表达式如下：step1＝ceil(length/2step2)
×
step2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)式中，ceil函数的作用是进行向上取整操作，step2是时序垂直精扫描的步长，其值为光谱中心波长λ0的八分之一。5.根据权利要求4所述的基于光谱分布特性的三维形貌干涉测量快速垂直扫描方法，其特征在于：所述步骤3中，对CCD记录的每幅图像进行灰度方差评价函数计算，得到其灰度方差值，并将记录的图像删除，比较灰度方差值，找到并记录样品上表面“最佳”干涉位...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁群，周俊涛，孙一峰，马剑秋，郭珍艳，谢澎飞，周行，第五蔻蔻，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：