[发明专利]一种线聚焦彩色共焦三维表面高度测量装置及方法

说明书

本发明公开了一种线聚焦彩色共焦三维表面高度测量装置及方法，涉及物体成像领域，包括线聚焦彩色共焦照明结构和线聚焦彩色共焦成像结构；线聚焦彩色共焦照明结构按照光传播方向的顺序排列的部件包括复色光源、聚焦透镜组、半反半透镜、狭缝、准直透镜组、色散成像透镜组；线聚焦彩色共焦成像光路包括与照明结构共用的色散成像透镜组、准直透镜组、狭缝、半反半透镜，以及光谱相机、图像处理单元。该线聚焦彩色共焦测量装置结构简单，照明与成像光路共用狭缝，因而工程造价低；辅以扫描运动装置能够连续不停的对被测量物体不同表面位置的高度进行测量，快速完成大尺寸三维表面形貌测量。

技术领域

本发明涉及光学成像领域，具体为一种线聚焦彩色共焦三维表面高度测量装置及方法。

背景技术

超精密三维测量技术是现代精密制造、先进加工制造技术的核心基础与关键技术，广泛地运用于航空航天、国防工业、生物医学、通信工程及微电子等领域中，现代制造业对表面形貌测量提出了高精度、大测量范围以及快速的要求。光学测量方法不需要提前制备测量样品且无需接触样品，因此不会对被测样品表面造成破坏；相比于接触式及扫描探针显微镜的三维测量方法，光学测量方法不需要物理探针，因此在样品测量准备及测量时更灵活，速度的提升可以通过无扫描测量的方式实现，可以实现实时三维形貌测量甚至高速三维形貌测量；光学测量方法不需要使用探针物理接触或尽可能接触样品表面，因此不会对样品表面造成永久破坏。目前已开发了各种光学三维表面测量方法：

第一种，光学测量的干涉式三维表面测量方法利用光的干涉对位置敏感的特性，能够实现快速表面形貌成像，对光滑表面进行三维表面形貌测量。如徕卡（Leica）的DCM9可支持白光干涉与移相干涉两种干涉式测量方法，白光干涉下的高度测量误差为3nm，高度测量范围为10mm；而移相干涉下的高度测量误差为0.16nm，高度测量范围为20μm。但通常干涉式的测量方法难以测量粗糙表面样品且难以测量表面亮度差异大的样品；另外因为需要参考面移动扫描，因此测量效率较低。

第二种，光学测量的激光共聚焦技术采用了光学切片获得被测样品表面形貌，共聚焦显微镜成像时只有聚焦的信号能够大幅进入探测器，利用这一特性可以在光轴方向上移动物体，通过寻找移动过程中的光强峰值即可确定被测量样品三维高度。针对光轴方向上移动物体的测量方式缓慢且精度受限于扫描运动装置移动精度，因此一种差动共聚焦显微技术被提出，由焦前焦后两个探测器的光强差异还原物体光轴方向高度，可以实现纳米级纵向测量，且避免对待测物进行轴向扫描，但该方法的尚不能解决光轴方向高度测量范围延展的问题，且无法实现透明样品多层表面高度测量。

在现有的公开专利文献中，中国发明专利201811141205.6公开了一种彩色共焦三维形貌测量方法与系统，利用彩色相机代替传统单点光谱探测器，根据相机采集到的RGB信息转化为HIS颜色模型，再转化为物体在光轴方向的高度，可以实现面三维形貌测量，但该方法使用子孔径扫描方式进行大视场测量，为了图像拼接需要扫描运动装置移动存在明显的停顿，测量传输过程的速度不连续影响测量的准确性与实时性，且彩色相机各个通道的带宽较大，影响测量结果的准确性。

Focalspec公司的LCI系列产品使用线聚焦彩色共焦系统，能够保证传输过程中速度连续，其LCI1600测量精度为0.98μm，每秒测量1500线对，但该系统的探测器与光源非同轴安置，探测光路与成像光路的分离，导致该仪器的两个狭缝的对准难度较大。

美国专利US10082655 B2公开了一种差动滤波彩色共焦显微镜系统，利用不同狭缝产生不同宽度线光源，其中不同光源光偏振态不同，利用分光镜与检偏器使得不同探测器探测不同宽度聚焦线光束，两探测器在光学系统中处于相同聚焦位置处，根据两个探测器获取光强的差值计算被测样品沿光轴方向高度，该测量方法能够在保证彩色共焦测量技术精度的同时实现快速线扫描成像。但该系统所需组成结构较复杂，需要多个狭缝空间对准，工程难度高，造价因此高。

发明内容