[发明专利]一种适用于白光扫描干涉的微观形貌快速测量方法

说明书

本发明公开了一种适用于白光扫描干涉的微观形貌快速测量方法，该算法通过上位机软件程序控制压电陶瓷按照微步距在一定扫描长度内进行时序垂直扫描，每移动一步采集存储1幅干涉图到计算机，对存储的时序干涉图进行自适应中值滤波处理。采用超对称搜索法找出时序干涉图中每个像素点光强最大值的位置，并记录该位置处所在的干涉图帧数，根据相关公式初步计算形貌的高度信息。利用七步相移算法提取干涉条纹的相位信息，结合初步计算的结果，并依据相关公式解包裹精确恢复被测样品微观形貌。本发明解决了相移算法中噪声奇点干扰和相邻像素点相位变化不能超过2π的问题，并有效减少扫描误差带来的影响，同时具有测量精度高、算法简单、适用性强等特点。

技术领域

本发明涉及精密光学测量工程技术领域，具体涉及一种适用于白光扫描干涉的微观形貌快速测量方法。

背景技术

随着加工工艺的逐步提高，精密元件的使用日益广泛，在航空航天、车载系统、成像照明等领域中有着不可替代的作用，通过测量元件的形貌特征可以定量地评估元件的质量，评价其在系统中的功能是否受到影响，对于元件的质量监测有着重要意义。微电子，微结构，MEMS器件的发展对物体表面质量，表面形貌的要求越来越高，因此对微纳结构检测的精度要求也越来越高，其中对各种三维形貌恢复算法的研究显得格外重要。

在表面形貌测量过程中，通常用白光相移干涉算法对获得的多幅干涉条纹进行处理，采用相应的相移算法得到相位值，进而得到被侧面的三维形貌，传统的移相算法均假定干涉图的调制度为常数，实际上白光干涉信号受相干长度的限制，其调制度随光程差增大而衰减，如三步移相法和五步移相法。而七步移相法是假定条纹的相干信号在七步移相范围内是线性变化的，因此可以减小调制度带来的误差，此方法测量精度高，测量速度快。但是，采用相移算法得出的相位包裹在三角函数的正切里，这样会导致相位的不确定性，因此要求表面形貌的深度变化不能超过λ/2，且需要采用复杂的相位解包裹算法对得到的相位进行相位解包络操作。

随着各种微光学元件等微纳结构的出现，需要解决非连续表面的测量和扩大深度测量范围的问题，出现了空间频域算法，多波长测量法，白光扫描干涉法等。白光扫描干涉法采用白光作为光源，白光光源的相干长度很短，一般只有几个微米到几十微米左右，因此两束白光只有在光程差很小的时候才能发生干涉，在光程差为零的时候，光强达到最大值。通过找到光强最大值的位置，即可实现绝对位置的测量，并且零级干涉条纹的位置与光源的波长无关，白光扫描干涉法有效地解决了非连续表面的测量问题，但要求采集的图像样本较多，效率较低，同时存在误差较大。

中国专利CN102425988A公开了《一种用于移相干涉条纹图的相位提取方法》，该方法将多组测量中的反正切公式中分子、分母分别进行叠加平均，利用误差相位分布反相相互抵消来减小误差，能显著地提高相位测量精度。但是该方法未能解决相位跳变的问题。

中国专利CN106767496A公开了《一种结合相移干涉与垂直扫描干涉的3D形貌恢复方法》，该方法将移相干涉和垂直扫描干涉结合的过程中，将全部干涉图像采集后，首先采用极值法计算每个像素点零光程差然后记录对应的帧数，再根据帧数信息使用五步法计算每个像素点的相位信息，最后将二者结合得到三维形貌。该专利中极值法对外界环境干扰较为敏感，在测量过程中没有对光强信号进行预处理，且五步法是假定调制度为常数的前提下，而实际上白光干涉信号受相干长度的限制，其调制度随光程差增大而衰减，因此会造成测量误差。

中国专利CN108759709A公开了《一种适用于表面形貌检测的白光干涉三维重建方法》，该方法在强度信息和相位信息结合的过程中，也需要先采集全部的干涉图像，之后采用高斯函数对每个像素点的干涉信号进行包络曲线的拟合，确定零光程差以及对应的帧数，再根据帧数信息使用Carré算法计算每个像素点的相位信息，最后结合强度信息与相位信息得到三维形貌。该专利中包络曲线拟合法是近似计算，当被测点干涉信号变化导致包络线峰值发生偏移而不以零级条纹位置左右对称时，该算法的误差较大，且需要进行大量的数据运算，无法实现测量系统扫描结束时即可获取被测面三维形貌。

发明内容