[发明专利]基于光谱分布特性的三维形貌干涉测量快速垂直扫描方法

说明书

本发明公开了一种基于光谱分布特性的三维形貌干涉测量快速垂直扫描方法，用以解决现有垂直扫描白光干涉测量技术难以快速测量高度达微米量级的样品的问题。本发明基于光谱分布特性选取的时序垂直粗扫描步长，能保证不论图像采集的起点在何处，都能使时序垂直粗扫描采集的系列图像中有且仅有两帧干涉图像各自分别对应于样品上、下表面发生干涉的范围内，这不仅增加了寻找样品上、下表面位置的准确率，还缩短了寻找时间。在定位到样品上、下表面位置后，本发明可以直接计算得到发生干涉的区域，然后采用时序垂直精扫描采集图像，最后通过形貌复原算法复原样品的三维形貌，避免了现有方法采用精扫描步长寻找干涉区域的步骤，极大提升了测量速率。

技术领域

本发明涉及精密光学测量工程技术领域，更具体地，涉及一种基于光谱分布特性的三维形貌干涉测量快速垂直扫描方法。

背景技术

垂直扫描白光干涉测量技术克服了单色光移相测量的相位模糊问题，是一种非接触式表面微观形貌测量技术，通常情况下，按照等步长扫描方式，垂直扫描步长取值为光源中心波长的1/8。以一个中心波长为532nm、相干长度为1μm的白光光源为例，用其测量一个高度为8μm的标准台阶板。能产生干涉条纹的范围为以台阶上表面为中心的2μm区域以及以台阶下表面为中心的2μm区域，共4μm的长度，而垂直扫描干涉测量技术却需要以66.5nm的步长扫描2μm+(8-1-1)μm+2μm，即10μm的长度。

而真正对形貌复原算法起作用的只有出现干涉条纹的图像，即上例中在4μm的长度区域采集的干涉图像为有效数据，在中间6μm的长度区域采集的干涉图像没有干涉条纹属于无用数据。

定义数据利用率为出现干涉条纹的区域长度比上实际采图的区域长度，则上例中的数据利用率为40％。如果测试的样品是高度为20μm的标准台阶板，由于光源没变，出现干涉条纹的区域长度依旧是4μm，但此时扫描的区域长度变为22μm，数据利用率将变为18.2％。低的数据利用率意味着冗余图像的采集和处理，会大大降低测量速率。因此，如何提高数据利用率，将是解决垂直扫描白光干涉测量技术测量高度达微米量级样品速率缓慢的关键。

而当白光显微干涉系统的光路结构一定时，干涉条纹出现的区域长度是不变的，所以只能通过减少实际采图的区域长度来增加数据利用率。因此，如何快速定位到出现干涉条纹的区域位置，将是提高垂直扫描白光干涉测量技术测量高度达微米量级样品速率的重点和难点。

《基于阈值判定法的白光干涉仪自动扫描技术研究》(中国机械工程，2012,23(12))一文，提出了基于图像灰度方差变化的干涉条纹识别方法。该方法首先以大步长(小步长的整数倍)运动采集图像，根据图像的灰度方差值判断出“最佳”干涉位置，进入有干涉条纹的区域，然后以小步长做远离和靠近待测物体方向上的运动，并根据选择的阈值确定干涉条纹起始和结束的位置，最后从干涉条纹起始位置开始以小步长进行时序垂直精扫描直到干涉条纹结束位置。大步长选取的过大会错过有干涉条纹的区域，大步长选取的过小则会增加采集的图像，从而降低算法的速率。该文章所述方法只是大致给出了大步长的选取方法，即小步长的整数倍，并没有给出具体的大步长选取策略。且该方法定位干涉条纹位置在很大程度上依赖于所选择的阈值，但其阈值的选取却会随着样品的不同而发生变化，这导致每次跟换样品都需要人工重新选取阈值。

《白光干涉自动测量砂轮表面时干涉区间的确定》(激光与光电子学进展，2017,54(06))一文，提出了基于帧差法的干涉条纹识别方法。该方法采用Sobel算子作为评价函数，以大步长搜索到评价函数值最大的位置，即“最佳”干涉位置，然后以此位置为中心，设定一个小的扫描范围，以小步长扫描完设定的扫描范围后，采用帧差法处理采集的图像，得到干涉条纹的起始和终止位置，最后从干涉条纹起始位置开始以小步长进行时序垂直精扫描直到干涉条纹结束位置。该文章所述方法同样没有给出具体的大步长选取策略，同时每次跟换样品时，该方法都需要人为地更改设定的扫描范围。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于光谱分布特性的三维形貌干涉测量快速垂直扫描方法，用以解决现有垂直扫描白光干涉测量技术难以快速测量高度达微米量级的样品的问题。