[发明专利]大尺寸工件的三维表面形貌测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种大尺寸工件的三维表面形貌测量方法。

技术背景

随着科学技术的发展，高精度的平面测量要求尺寸越来越大。在光学干涉测量中，横向分辨率取决于显微镜数值孔径，一般在微米或亚微米量级；横向测量范围取决于测量视场，大小在毫米量级。而事实上，在显微干涉仪中要想得到高横向分辨率，往往要牺牲横向测量范围，而想要获得大的横向测量范围，则需要牺牲横向分辨率。因此，既能获得完整的三维表面形貌信息，又使子表面图像具有高横向分辨率信息，是近年来大家都渴望解决的技术问题。

发明内容

本发明提供了一种既能获得大尺寸工件的完整的三维表面形貌信息，又使图像具有高横向分辨率信息的测量方法。

大尺寸工件的三维表面形貌图像测量方法，包括以下步骤：

1）、使用白光波长扫描干涉测量法扫描工件表面，白光波长扫描干涉测量法获取一系列子表面图像，扫描过程中被测工件沿蛇形运动，相邻的子表面图像之间有区域重叠，子表面图像组成序列表面形貌；

2）、寻找序列表面形貌之间的坐标位置和灰度级上的双重映射变换，使序列表面形貌在拓扑上和几何上对齐；用基于变换域的配准方法实现子表面图像的坐标精确配准，利用基于全局优化即最小化所有序列子表面图像重叠部分残差平方和的方法进行灰度配准；

3）、对相邻两个子表面图像中重叠区域的多组图像子表面图像数据采用小波变换的方法进行融合，将所有子表面图像融合成一张形貌图像。

进一步，步骤1）中，相邻子表面图像的重叠区域至少占子表面图像大小的40%。

进一步，步骤2）中，坐标精确配准包括以下步骤：

（2.1）通过对互相重叠的序列表面形貌求解它们再基准平面的相对平移量，使序列表面形貌的坐标统一；

利用傅里叶变换的平移特性，设                                                和分别为相邻的子表面图像和子表面图像，，表示两幅子表面图像间的平移量，则有：

                            （1）

根据傅里叶变换特性，他们的傅里叶变换和满足下列关系：

                   （2）

定义两幅子表面图像的互能量谱为：

                          （3）

其中，是和的互能量谱，是的共轭；

由式（2）和式（3）可以知道，如果两子表面图像之间只有平移的话，则：

                         （4）

对式（4）实行傅里叶反变换得到脉冲函数，该脉冲函数在其他位置为零，只有一个位置会出现非零脉冲信号，这个相对位置就是两幅子表面图像的平移量；当得到的不是一个严格的脉冲信号时，以去脉冲信号最大的位置作为两子表面图像的平移量；

（2.2）实现序列表面形貌的坐标变换：

（2.2.1）通过平移变换实现坐标系的统一：设为平移前子表面图像上某一点，已知平移量为，平移后该点坐标为，则和的关系可以表示为

                                     （5）

在齐次坐标系中，式(5)可以表示为：

                     （6）；

（2.2.2）确定坐标系的原点：假设所有子表面图像都在的象限中，则子表面图像和子表面图像相对平移的情况分为以下几种：

当时：

                              

当时：

                              

当时：

                              

当时：

                             

其中，和分别为子表面图像和子表面图像的平移量。

步骤2）中，采用使所有子表面图像的重叠部分残差平方和最小的方法实现序列表面形貌的灰度配准：

假设测量得到的子表面图像数量共有个，子表面图像的面形数据可以表示为，其消除倾斜和平移因素影响后的面形数据可以表示为，那么有

其中，，，分别为在空间坐标系中每个子表面图像形貌在、方向上的倾斜量以及方向的平移量。