一种基于光场信息融合的超薄多层图形微纳结构三维重构方法技术

本发明专利技术公开了一种基于光场信息融合的超薄多层图形微纳结构三维重构方法。本发明专利技术采用DMD对窄带宽R、G、B照明光场进行振幅调制并投影到待测多层结构表面，测量过程中，通过压电陶瓷纵向扫描待测物体，经结构调制的反射光由彩色相机采集。计算过程中，从采集图像中解析出不同扫描位置处的调制度分布，同时从彩色图像中反演出初始厚度信息，最终根据成像颜色以及调制度信息，建立信息融合迭代测量模型，从而实现薄层图形微纳结构的三维重构。本发明专利技术与现有单一调制度信息测量方法相比，具有更高的测量精度、厚度分辨率和抗噪能力，与干涉测量相比，避免了相位模糊等问题，具有更高的测量适应性。适应性。适应性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于光场信息融合的超薄多层图形微纳结构三维重构方法


[0001]本专利技术属于光学测量仪器
，具体涉及一种基于光场信息融合的超薄图形微纳结构三维重构方法。

技术介绍

[0002]具有多层图形结构特征的微纳结构在微机电系统(MEMS)、新能源、柔性显示等领域应用广泛。微纳结构表面形貌特征及其厚度分布直接决定了器件的各种性能如力学性能、光学性能、电磁性能等，是器件设计和工艺制造的关键参数之一，为了保障器件加工质量、探究结构性能，需要对每层结构形貌特征及厚度信息进行检测。
[0003]光学检测方法具有高精度、非接触等优点，是目前透明介质多层图形结构主要检测手段。现有的方法主要包括白光干涉法、共聚焦测量方法。其中，白光干涉法通过纵向扫描待测结构，提取每一层结构表面反射光与参考面之间形成的干涉条纹相位信息实现多层结构同步三维重构。然而，结构层之间的干涉会影响有效干涉信号，在薄层结构检测中存在诸多局限。激光共聚焦测量方法通过提取每一层结构相对应的光强极值点，然后进行逐点多次横向拼接来实现多层结构重构，测量效率较低。
[0004]基于结构光照明显微调制度分析的多层结构测量方法由于其高适应性、高精度在多层膜结构检测中得到了应用。例如：中国专利202010655627.6公布了一种基于结构照明显微系统的超薄膜器件三维形貌检测方法。该方法首先利用相移算法结合轴向扫描得到调制度曲线，然后利用峰值算法提取初始厚度值。最后根据重叠高斯模型拟合调制度曲线，从而确定结构层形貌信息。然而，一方面，当该方法用于图形微纳结构检测时，成像噪声带来的调制度曲线噪声以及曲线形状的随机不对称性将不可避免的带来较大的拟合误差，导致测量精度较低。另一方面，当多层调制度曲线完全重叠时，采用峰值法获得的初始厚度值与初始值和实际值具有较大偏离，导致拟合速度慢，测量效率低，且容易陷入局部最优解。
[0005]针对上述检测方法缺陷，本专利技术提出一种基于光场信息融合的超薄多层图形微纳结构三维重构方法。本方法在调制度分析方法基础上，引入由不同波长的光在不同厚度层表面反射、干涉引起的反射光谱的变化，即成像上的色彩变化，进而根据调制度信息和颜色信息建立融合迭代测量模型，从而实现高精度超薄多层结构测量。

技术实现思路

[0006]本专利技术设计了一种基于光场信息融合的超薄多层图形微纳结构三维重构方法，该方法可以实现薄层图形微纳结构的高精度三维测量，测量精度最高可达纳米量级。为了达成上述目的，本专利技术提供的技术方案为：测量之前，采用窄带宽R、G、B光源作为照明光源，然后根据光谱分布、待测结构介质材料信息结合光谱干涉基本原理，建立结构层成像颜色与厚度之间理论关系。测量过程中，采用压电陶瓷位移台驱动待测结构进行轴向扫描，每扫描一步，利用空间光调制度投影预先设计的多帧条纹图像至待测结构表面，同时采用彩色相
机采集图像。计算时，利用相移算法从采集的彩色图像中解析得到调制度分布，进而获得每个像素点调制度值随扫描位置变化的调制度曲线，最后根据调制度曲线和预先建立的颜色
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厚度模型，建立信息融合迭代测量模型，实现结构层形貌和厚度的高精度解析。
[0007]本专利技术提供的基于光场信息融合的超薄多层图形微纳结构三维重构方法包括以下步骤：
[0008]步骤S1：本专利技术采用窄带宽R、G、B光源作为测量系统的照明光源，测量之前，根据光源光谱分布和干涉原理，建立反射颜色信息与结构层厚度信息理论关系；
[0009]步骤S2：采用压电陶瓷微位移台带动待测结构进行轴向扫描,每扫描一步,采用DMD依次投影四幅具有π/2相位差的正弦光栅图形至待测结构表面,最终由彩色相机采集并保存至计算机；
[0010]步骤S3：每完成一次扫描，分别利用四步相移算法解析出每个扫描位置所对应的调制度信息分布，轴向扫描N次，使待测结构经历成像模糊
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清晰
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模糊过程，从而获得调制度随扫描位置变化得调制度曲线；
[0011]步骤S4：提取调制度曲线峰值所在位置图像的R、G、B颜色信息，并根据建立的颜色
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厚度测量模型，解析得到结构层初始厚度信息；
[0012]步骤S5：根据解析得到的颜色信息和调制度信息建立融合迭代测量模型，实现多层微纳结构的高精度三维重构。
[0013]其中，现有的结构光调制度分析方法通过投影结构光，然后利用相移算法结合轴向扫描得到调制度曲线，进而采用高斯模型迭代拟合算法实现峰值分离，最终实现多层结构的三维测量。然而，实验过程中，调制度曲线容易受噪声以及结构的影响，导致曲线形状与高斯模型存在差异性，因此测量精度和厚度测量分辨率较低。本专利技术融合了薄层结构成像色彩信息对厚度变化的信息，一方面，增加了测量信息的冗余度，改变了孤立调制度信息分析方式，降低了调制度曲线形状差异对测量精度的影响，提高了抗噪能力和测量精度。另一方面，由于增加了颜色
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厚度信息，可更为精确的提供调制度拟合初始厚度信息，大幅提高测量效率和厚度测量分辨率；本方法与基于单一调制度的优化拟合测量方法相比，具有极高的测量精度、测量效率和抗噪能力。
[0014]本专利技术的基本原理为：一种基于光场信息融合的超薄多层图形微纳结构三维重构方法，首先根据光源光谱分布和干涉原理，建立反射颜色信息与结构层厚度信息理论关系。然后，采用微移动台驱动待测结构进行轴向扫描,每扫描一步,采用DMD依次投影四幅具有π/2相位差的正弦光栅图形至待测结构表面,并由彩色相机采集图像信息。每完成一次扫描，利用相移算法解析出每个扫描位置所对应的调制度信息分布，从而获得调制度随扫描位置变化得调制度曲线，进一步提取调制度曲线峰值所在位置图像的R、G、B颜色信息，并根据建立的颜色
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厚度测量模型，解析得到结构层初始厚度信息。最后，根据解析得到的颜色信息和调制度信息建立融合迭代测量模型，实现多层微纳结构的高精度三维重构。
[0015]本专利技术的特点和优势：
[0016](1)本专利技术与现有结构光调制度分析测量方法相比，增加了测量信息冗余度，改变了孤立调制度信息分析方式，降低了调制度曲线形状差异对测量精度的影响，从而具有更高的抗噪能力、测量适应性和测量精度。
[0017](2)本专利技术与现有结构光调制度分析测量方法相比，由于增加了颜色
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厚度信息，
可更为精确的提供调制度拟合初始厚度信息，大幅提高测量效率和厚度测量分辨率。
[0018](3)现有的白光干涉直接测量方法相比，不需要解析相位信息，因此不存在相位模糊等问题，具有极高的测量适应性，同时具有非接触、全视场、高精度等优点。
附图说明
[0019]图1为测量步骤流程图。
[0020]图2为调制度随扫描距离变化的调制度响应曲线。
[0021]图3为实验过程中焦面附近采集的彩色结构光图像及其R、G、B分布。
[0022]图4为融合迭代测量过程示意图。
[0023]图5为双层结构形貌恢复结果本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于光场信息融合的超薄多层图形微纳结构三维重构方法，其特征是：所述方法包括以下步骤：步骤S1：本发明采用窄带宽R、G、B光源作为测量系统的照明光源，测量之前，根据光源光谱分布和干涉原理，建立反射颜色信息与结构层厚度信息理论关系；步骤S2：采用压电陶瓷微位移台带动待测结构进行轴向扫描,每扫描一步,采用DMD依次投影四幅具有π/2相位差的正弦光栅图形至待测结构表面,最终由彩色相机采集并保存至计算机；步骤S3：每完成一次扫描，分别利用四步相移算法解析出每个扫描位置所对应的调制度信息分布，轴向扫描N次，使待测结构经历成像模糊
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清晰
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模糊过程，从而获得调制度随扫描位置变化得调制度曲线；步骤S4：提取调制度曲线峰值所在位置图像的R、G、B颜色信息，并根据建立的颜色
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厚度测量模型，解析得到结构层初始厚度信息；步骤S5：根据解析得到的颜色信息和调制度信息建立融合迭代测量模型，实现多层微纳结构的高精度三维重构。2.根据权利要求1所述的基于光场信息融合的超薄多层图形微纳结构三维重构方法，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢仲业，李楠，丁文霞，武淼，周亚飞，
申请(专利权)人：东莞理工学院，
类型：发明
国别省市：