[发明专利]基于三维拼接的大口径干涉测量系统和算法

说明书

本发明公开了一种基于三维拼接的大口径干涉测量系统，采用迈克尔逊干涉系统并搭配超长工作距离的物镜和相机，其特征在于：利用步进电机实现干涉信号自动查找，压电陶瓷实现信号扫描，计算机对采集到的图像进行分析并实现测量，单个视场测量完成后，系统控制X轴和Y轴工作台移动，测量下一个视场，多个视场的测量结果用三维拼接算法拼接，得到大口径范围的测量结果。在原先常规干涉仪系统中，采用单色光和白光切换的方式实现单色光干涉和白光干涉，利用其各自的优缺点来合理的选择测量方案。同时，在检测样品部位添加两维自动移动平台，实现被测区域的自由切换和实时拼接等。

技术领域

本发明属于高精密三维形貌测量领域，更具体地，涉及一种适用于大尺寸表面形貌测量的干涉系统。

背景技术

表面三维微观形貌测量方法可分为两类：接触式和非接触式。接触式测量方法的代表产品是触针式轮廓仪。当前，国内外广泛应用的触针式粗糙度测量仪器是用一个尖端半径很小的触针压在被测表面上作横移扫描，触针跟随表面微观轮廓的形状作垂直位移，可以说是最大可能地再现了工件的表面状况。然而这种测量方法有很大的缺陷，测量精度较低、容易划伤被测表面，测量速度慢、实现在线检测困难。近年来，国内外对具有快速、非破坏性、可在线测量特征的非接触式检测技术的研究十分活跃，主要依靠光学、电磁波和图像处理等技术手段实现表面微观轮廓的非接触测量,非接触式的表面三维微观轮廓检测技术有采用微波技术、超声技术及电场技术的尝试，但绝大部分是采用光学测量技术, 其最显著的特点是将传统光学计量技术与信息光学和信息处理技术相结合。目前，已经研究出的表面三维微观轮廓的光学测量技术主要有：光学外差干涉法、正弦相位调制干涉法、共焦显微法、相移干涉法，白光扫描法等。

与其他方法相比，光学测量方法有许多其它方法无法比拟的优点：精度高，达到几纳米；测量速度相对较快；测量范围大，从 10nm 到 100μm；可同时获得成像面内的所有数据；几乎可用于所有材料的表面测量。

光学测量方法也有一些内在的缺点。对所有的光学方法来说，纵向分率较高，但由于存在衍射受限和系统的横向分辨率由物镜孔径决定的限制，横向分辨率只能达到微米级，其评定出的表面参数常常和其它类型仪器的测量结果有一定差别。其次，现有的干涉显微仪器测量表面形貌时受光学系统和相机靶面的视场限制，水平测量范围很小，无法满足大口径尺寸表面形貌的测量。另外，高精度三维形貌测量系统操作相对复杂，自动化程度不高，需要操作人员有良好的专业技能。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种适用于大范围表面形貌测量的自动干涉仪测量系统和算法。在原先常规干涉仪系统中，采用单色光和白光切换的方式实现单色光干涉和白光干涉，利用其各自的优缺点来合理的选择测量方案。同时，在检测样品部位添加两维自动移动平台，实现被测区域的自由切换和实时拼接等。本发明提出的自动对焦，信号扫描和三维拼接等过程通过软件控制，克服现有技术缺陷的同时还大大提高了测试效率和测试的便捷性，同时也具备结构紧凑、高精度和低成本等优点。

为实现上述目的，本发明，提供了一种适用于大口径表面形貌测量的双光源干涉仪，其特征在于，该干涉仪采用迈克尔逊干涉系统并搭配超长工作距离的物镜和相机。利用步进电机实现干涉信号自动查找，压电陶瓷实现信号扫描，计算机对采集到的图像进行分析并实现测量。单个视场测量完成后，系统控制X轴和Y轴工作台移动，测量下一个视场，多个视场的测量结果用三维拼接算法拼接，得到大口径范围的测量结果，其中：

所述双光源干涉仪系统主要包括四大部分：1. 自动对焦干涉成像模块部分，2.光源切换合成与其控制部分，3.信号扫描和视场切换等机械系统部分，4.图像数据处理部分。其中干涉成像模块部分通过参考平面镜，分光棱镜，长工作距离物镜和相机等部件的性能和参数决定各自的机械位置并实现成像功能。其中干涉成像模块和光源切换模块组成一个整体放置在滑台上，通过滑台前后移动来实现干涉信号查找，利用两维滑台实现被测件的X和Y方向的平移。被测样品通过机械件固定在精密扫描器件上，利用计算机控制器件的精密位移实现信号扫面并实时记录图像，还原三维数据结果。