基于伪Wigner-Ville分布的白光扫描干涉三维重建方法技术

本发明专利技术涉及一种基于伪Wigner

【技术实现步骤摘要】
基于伪Wigner
‑
Ville分布的白光扫描干涉三维重建方法


[0001]本专利技术涉及光学工程领域，具体涉及一种白光扫描干涉三维重建方法，尤其是一种基于伪Wigner
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Ville分布的白光扫描干涉三维重建方法。

技术介绍

[0002]白光干涉扫描三维面型测量技术是光学加工、微机电系统(MEMS)期间制造等超精密加工行业以及半导体制造及封装工艺检测的重要测试手段之一，其能保证在nm级垂直测量精度下解决单波长干涉测量法的相位模糊问题，因此白光干涉测量术在超精密检测技术中有着非常重要的作用。
[0003]以迈克尔逊型白光扫描干涉系统为例，其测量的基本原理为：白光光源发出的光经过半反半透镜分光到达参考平面镜和待测物体，反射分别得到携带两物体表面高度信息的参考光和测量光。两反射光束通过半反半透镜在光学探测器件处汇聚，当随着垂直扫描平台的移动导致测量点与参考点之间的光程差小于相干长度时，将发生干涉得到白光干涉信号。当光程差为零时，也即两点高度一致时，将有着最大的干涉光强。零光程差位置也就反映了待测物体与参考平面的相对高度信息，通过扫描，得到每个测量点的零光程差位置，就可以还原出待测物体的表面三维面型。但是因为实际的离散扫描以及误差噪声的影响，直接取最值位置作为零光程差位置是不对的，因此，通过寻址算法精确定位零光程差位置是白光干涉技术中的一个关键步骤。在系统相同的情况下，不同算法有着不同的重建精度与重建速度，对扫描步长(扫描速度)的需求也是不同的。
[0004]目前，白光干涉寻址算法主要可以分为：空域法、相移法以及频域法。空域法包括极值法、重心法、插值法、多项式拟合法等在空域中直接进行处理的算法，这些算法大都计算速度较快且精度和鲁棒性较差，比如极值法直接提取干涉信号的最值位置，受到相位误差和采样步长的影响很大；重心法受相干长度和强度噪声影响很大。相移法包括五步相移法、七步相移法等，其计算速度与精度居中且一般需要较长的相干长度。频域法包括傅里叶变换包络法、小波变换包络法、空间频域法等需要经过傅里叶变换等方式利用频域信息进行处理的算法，这些算法大都计算速度较慢但精度和鲁棒性较好，比如傅里叶变换包络法需要经过一次傅里叶变换滤除负频信息再进行一次逆傅里叶变换提取出包含相位信息的白光干涉信号复包络分布，接着利用相位信息或者引入高斯拟合来精确提取出最值位置，但其受相位误差影响很大；小波变换包络法与傅里叶变换包络法类似，其利用Morlet小波函数来作为变换基，能提取出降低了大部分噪声的复包络分布，在大部分情况下其重建精度都较高，但其不仅受相位噪声影响，还受到小波函数的参数设置影响，将导致测量限制条件较多，略显麻烦，且由于小波函数的引入，还将导致包络信号变宽，不利于某些场合的强度拟合计算。
[0005]因此，现有技术需要进一步改进。

技术实现思路

[0006]本专利技术解决的技术问题是：提供一种基于伪Wigner
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Ville分布的白光扫描干涉三维重建方法，方法不受相位误差和参数设置的限制，且因得到的包络信息半宽值较小故重建精度较高。
[0007]为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0008]一种基于伪Wigner
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Ville分布的白光扫描干涉三维重建方法，包括以下步骤：
[0009]S1：提取离散白光干涉信号的干涉特征位置，得到实际使用的实际干涉信号I(δz)；所述离散白光干涉信号以空间位置δz＝z
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h为自变量，其中，z为采样点位置，h为参考点和测量点的相对高度值；
[0010]S2：对所述实际干涉信号I(δz)进行Hilbert变换，得到所述实际干涉信号I(δz)的解析形式
[0011]S3：以空间位置差μ和所述空间位置δz为自变量求取解析干涉信号的瞬时自相关函数R(μ,δz)；
[0012]S4：沿着所述空间位置差μ方向对所述瞬时自相关函数R(μ,δz)进行一维傅里叶变换，得到以所述空间位置差μ和瞬时频率f为横纵轴的伪Wigner
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Ville分布结果
[0013]S5：在所述瞬时频率f方向上求取最值位置，在所述最值位置处取截面得到所述实际干涉信号的类包络信号E(δz)，提取出所述类包络信号的高度位置。
[0014]优选的，所述步骤S1包括：提取所述离散白光干涉信号，加窗得到所述离散白光干涉信号的特征区域，进而得到所述实际干涉信号I(δz)，所述实际干涉信号I(δz)的范围为[
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L,L]，所述实际干涉信号I(δz)满足：
[0015][0016]式(1)中，I
b
表示背景光强，I
rm
表示参考光和测量光的交叉项；g(δz)表示信号包络，l
c
表示相干长度表示中心波长；α表示相位误差。
[0017]优选的，以所述离散白光干涉信号的绝对最值位置为中心位置正负方向各取预设l作为所述特征区域，得到所述实际干涉信号I(δz)，所述实际干涉信号范围[
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L,L]对应为
[0018]优选的，所述预设l＝1～2μm。
[0019]优选的，在所述步骤S2中，对所述实际干涉信号I(δz)进行Hilbert变换，得到频移π/2后的信号H[I(δz)]，将H[I(δz)]和I(δz)结合得到所述实际白光干涉解析信号的解析形式其中：
[0020][0021][0022]式(2)中，I(μ)指空间位置差，j指虚数单位。
[0023]优选的，所述步骤S3包括：令[
‑
L,L]为值域D，通过添加所述空间位置差μ以及所述空间位置δz为自变量，并以空间位置差值变化将信号扫描通过所述值域D，得到信号和所述瞬时自相关函数R(μ,δz)满足：
[0024][0025]优选的，所述步骤S4包括：沿着所述空间位置差μ方向对所述瞬时自相关函数R(μ,δz)进行一维离散傅里叶变换，得到所述伪Wigner
‑
Ville分布结果满足：
[0026][0027]其中，e
‑
j2πnf
为傅里叶变换核，其中表示频域对应的离散频率值。
[0028]优选的，所述步骤S5包括：
[0029]S51、令波数所述伪Wigner
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Ville分布结果表示为：
[0030][0031]式(6)中的为中心波长对应波数；
[0032]S52：沿着所述波数方向求取式(6)的最值位置，并获取所述最值位置处截面得到类包络分布：
[0033][0034]S53：由式(7)离散包络，提取所述类包络信号的高度位置。
[0035]优选的，在所述步骤S53中，使用神经网络、非线性最小二乘拟合或插值法来精确提取信号的精确高度位置。
[0036]本专利技术基于伪Wigner
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Ville分布(PWVD)对离散白光干涉信号进行处理，即一种包络提取方法本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于伪Wigner
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Ville分布的白光扫描干涉三维重建方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：提取离散白光干涉信号的干涉特征位置，得到实际使用的实际干涉信号I(δz)；所述离散白光干涉信号以空间位置δz＝z
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h为自变量，其中，z为采样点位置，h为参考点和测量点的相对高度值；S2：对所述实际干涉信号I(δz)进行Hilbert变换，得到所述实际干涉信号I(δz)的解析形式S3：以空间位置差μ和所述空间位置δz为自变量求取解析干涉信号的瞬时自相关函数R(μ,δz)；S4：沿着所述空间位置差μ方向对所述瞬时自相关函数R(μ,δz)进行一维傅里叶变换，得到以所述空间位置差μ和离散频率f为横纵轴的伪Wigner
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Ville分布结果S5：在所述离散频率f方向上求取最值位置，在所述最值位置处取截面得到所述实际干涉信号的类包络信号E(δz)，提取出所述类包络信号的高度位置。2.根据权利要求1所述的白光扫描干涉三维重建方法，其特征在于，所述步骤S1包括：提取所述离散白光干涉信号，加窗得到所述离散白光干涉信号的特征区域，进而得到所述实际干涉信号I(δz)，所述实际干涉信号I(δz)的范围为[
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L,L]，所述实际干涉信号I(δz)满足：式(1)中，I
b
表示背景光强，I
rm
表示参考光和测量光的交叉项；g(δz)表示信号包络，l
c
表示相干长度表示中心波长；α表示相位误差。3.根据权利要求2所述的白光扫描干涉三维重建方法，其特征在于，以所述离散白光干涉信号的绝对最值位置为中心位置正负方向各取预设l作为所述特征区域，得到所述实际干涉信号I(δz)，所述实际干涉信号范围[
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【专利技术属性】
技术研发人员：姚东，梁瀚钢，
申请(专利权)人：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，
类型：发明
国别省市：