[发明专利]一种基于调制度半宽恒定的自校准结构光测量方法

说明书

本发明公开了一种基于调制度半宽恒定的自校准结构光测量方法，可普适性的适用于提高结构光照明测量方法的测量精度、测量可靠性和测量重复性。该方法采用数字微镜阵列(DMD)产生编码光场，经过光学系统投影到物体表面，物体表面高度信息会被编码在条纹调制度信息中，通过相移算法结合高斯曲线拟合可建立起调制度信息和物体高度信息之间的映射关系，进一步使用步距自校准算法对实际扫描步距进行精确自校准进而获得物体准确三维形貌信息。该方法系统结构简单、稳定性强、普适性高，能够有效地提高结构光照明测量的效果和扩大结构光照明测量的应用范围。

技术领域

本发明属于光学测量工程的技术领域，具体涉及一种基于调制度半宽恒定的自校准结构光测量方法。

背景技术

微纳器件作为众多领域的核心部件，是信息时代的工业粮食。在航空航天、军事、生物医学、半导体等领域有着巨大的应用前景，其广泛使用极大的推动了相关科学的发展，其中微纳检测技术是国际研究的前沿与热点。

非接触式的光学测量方法以其无损伤、高精度、高效率等特点成为目前微纳结构检测领域的主要测量手段，现有光学测量方法主要包括白光干涉法、激光共聚焦法、结构光测量法等。白光干涉法利用来自被测面和参考面的两束相干光干涉形成干涉条纹，干涉条纹光强最大值位置对应两束相干光光程差为零位置的原理，定位零级干涉条纹位置进而恢复物体形貌。此方法测量精度极高，在表面平滑的微纳结构测量中得到广泛应用，但应用于表面粗糙度较大和表面曲率较大的表面检测时，由于无法形成干涉条纹难以对其表面进行表征和相位模糊问题从而失效。激光共聚焦法利用点探测器寻找光强最大值对物体表面进行逐点测量，此方法适应性强、应用广，但属于点测量，检测效率低。

因此学者提出结构光测量方法，使用白光光源照明数字微镜阵列(DMD)产生结构光光场，通过光学系统投影到待测物体表面，投影到物体表面的条纹受到物体表面高度信息的调制，条纹调制度信息发生相应变化且调制度最大值位置处对应显微镜头焦平面位置。通过使用高精度位移台纵向移动待测物体获得每个扫描位置的调制度值，获得调制度随扫描位置变化的调制度响应曲线，进而通过峰值定位算法获得其聚焦位置从而恢复物体三维形貌。基于结构光调制度分析的测量方法不存在白光干涉法中相位模糊等问题，适用场景广阔，并且属于面测量，测量效率高，因此被认为是一种极具潜力的测量手段。

然而目前在现有的结构光测量方法研究中，尚无方案来解决扫描系统引起误差的问题。无论是空域相移，还是傅里叶变换方法均通过纵向扫描获得不同高度调制度分布，从而实现高度测量。工件台定位精度直接决定最终测量精度。但在实际测量过程中，由于扫描光路无法严格与物体表面垂直、物品表面本倾斜等因素，工件台步进步距与实际光程变化存在一定差距，将严重影响最终测量精度。

发明内容

本发明提出了一种基于调制度半宽恒定的自校准结构光测量方法，该方法可以有效地矫正扫描步距，提高结构光测量法的测量精度和重复性。

为了达成上述目的，本发明采用的技术方案为：一种基于调制度半宽恒定的自校准结构光测量方法，所述方法包括步骤：

步骤S1：通过上位机程序控制压电陶瓷微步距垂直扫描待测物体，每一步扫描，利用DMD依次投影八幅具有π/4相位差的正弦光栅条纹，采用CCD采集八幅反射图像并存储数据；

步骤S2：每扫描一次，分别相移算法解析出采集图像的调制度分布，纵向扫描完成可得到每个像素点的调制度值随扫描位置变化的相移调制度曲线，并使用高斯曲线拟合算法对调制度曲线进行峰值定位；

步骤S3：通过公式计算出理论调制度半宽值，结合实际获取调制度半宽值对实际扫描步距进行精确自校准，从而获得准确的扫描步距，其公式如下；

其中，Δz为校正后的扫描步距，λ为光源中心波长，v为投影条纹归一化频率，NA为显微镜头数值孔径，n为系统所在介质折射率，X₁和X₂分别为实际获取调制度曲线半高宽位置对应的两根。