[发明专利]高精度短相干光三维形貌快速测量算法

说明书

本发明公开了一种高精度短相干光三维形貌快速测量算法，首先驱动压电陶瓷按照π/2的相位步进量在一定扫描长度内进行时序垂直扫描，对应每个步进量存储1幅干涉图；将干涉图计算处理融入到时序垂直扫描存储干涉图的过程中，实现快速测量；在时序垂直扫描并记录干涉图完成的同时，完成空域上各像素点移相扫描精相位以及多幅干涉图的对比度求解。对多幅干涉图的对比度进行处理，得到垂直扫描粗相位；再将移相扫描精相位与垂直扫描粗相位融合得到三维形貌测量结果；最后，采用二维离散差分算法判断及消除待测样品中在阶跃形貌的边缘处产生的蝙蝠翼误差，得到高精度三维形貌测量结果。本发明算法简单，速度快，精度及可信度高，抗环境噪声能力强。

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，涉及一种高精度短相干光三维形貌快速测量算法。

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。

短相干光干涉测量技术是一种适用性强、精度高、时效性优良的非接触式表面微观形貌光学测量技术，不仅可以在不损伤待测元件的基础上进行大范围测量，还可以得到直观的元件表面轮廓三维形貌。单色光干涉测量虽然可以实现高精度测量，但是在测量被测表面存在高度跃变超过四分之一波长的情况下会出现相位模糊问题导致不能准确的复原出待测形貌，而短相干光干涉测量技术由于可以精确判断待测视场内每一点的零光程差位置从而可以实现对存在阶跃形貌的待测元件进行高精度的测量。

传统的短相干光干涉测量技术依靠压电陶瓷等扫描器件，按照预先设定的扫描步长在一定深度的范围内对待测元件进行扫描，扫描的过程中记录每个步长下待测视场内所有点的干涉光强值，待扫描结束后计算视场内每个点在整个扫描过程中对比度的变化情况，将对比度为最大情况下对应的扫描步数定位为零光程差位置，之后与预先设定的步长值相乘得到视场内每个点对应的高度值，最终得到待测元件的三维形貌。在此过程中从对比度变化曲线中提取零光程差位置时常采用极值法、重心法、最小二乘法拟合等算法，但在对扫描采集的干涉图处理的过程中，由于对比度信号的提取以及对比度最大位置的确定都存在算法原理性的误差，导致传统的短相干光干涉测量技术在精度方面不及单色光干涉测量技术。因此，将短相干光干涉测量技术和单色光相干测量技术相结合是一种理想的测量手段。在已有的提升垂直扫描相干测量算法中，首先使用短相干光干涉测量求解视场中一点对应零光程差的扫描帧数结果，接着以该帧数为基础，利用其在前后几帧干涉图像的对应光强值采用五步法、七步法等移相算法求解相位高度结果，将两者结合最终得到克服相位模糊的高精度三维形貌。但这种方法在计算的过程中必须首先确定零光程差对应的扫描步数，然后才可以求解相位高度结果，因此明显提高算法的计算量，降低算法的运行效率。此外，当待测元件存在阶跃形式的台阶结构时，若阶跃量小于光源的相干长度的四分之一时，在阶跃处会产生明显的蝙蝠翼效应，影响测量结果的可靠性。

中国专利《一种结合相移干涉与垂直扫描干涉的3D形貌恢复方法》(CN106767496A)，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。该专利所述方法需要采集全部干涉图像后才能进行垂直扫描干涉的计算，接下来再进行移相干涉结果的计算，使得算法运行时间长。

中国专利《一种适用于表面形貌检测的白光干涉三维重建方法》(CN108759709A)，将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。该专利所述方法同样需要采集全部干涉图像后才能进行强度信息的计算，然后再进行移相信息的求解，最后融合两者结果得到三维形貌，该方法也存在算法运行时间长的问题。

发明内容