[发明专利]一种自动变焦三维形貌测量系统及方法

说明书

本发明是一种自动变焦三维形貌测量系统及方法，该测量系统由光源照明系统、第一tube透镜、CCD采集系统、第二tube透镜、分光镜、显微镜头和压电陶瓷组成。该测量方法具体是先纵向扫描物体，然后采集一组携带物体高度信息的图片，接着使用基于拉普拉斯算子的聚焦评价函数解析图片得到像素点的聚焦评价函数值曲线，最后结合高斯曲线拟合算法得到像素点准确聚焦的位置，进而恢复物体三维形貌。本发明具有构思合理、测量方式简单、测量系统结构更为简单、无损伤、效率高、适用广等优点，具有广泛的应用前景。

技术领域

本发明属于光学测量工程的技术领域，具体涉及一种自动变焦三维形貌测量系统及方法。

背景技术

近年来，在新兴技术的高速发展和强力推动下，微纳结构领域技术不断发展和进步，如微机电系统、微光学元件等微观结构的制造，生物领域细胞观测等研究方向，对微结构表面形貌测量的高精度和高可靠性等要求日渐提高。物体表面形貌不仅对接触部件的机械与物理特性产生影响，而且也会影响非接触表面的特性，如光学器件的反射等等。对结构的测量是对结构特性理解的先决条件和是对结构加工的质量保证，所以表面形貌的测量在材料、工程零部件的属性和功能方面和生物医学等领域起着至关重要的作用。因此对于微纳结构的测量精度要求越来越高，微纳表面形貌测量技术得到了极大的发展。

表面形貌测量广泛应用于刀具检测、精密加工、材料科学、电子工业、生物医学等相关领域，尤其是在超精密加工、微机电系统制造领域，随着超精密加工技术的发展，微结构由结构简单、形状规则的工件逐渐扩展到结构复杂、形状不规则的工件，对微结构进行高精度、高可靠性表面形貌测量越来越重要。微结构的表面三维形貌会对器件的可靠性和使用性能产生显著的影响，同时也可反映工件加工的好坏，以改善工件质量。因此，提高表面测量技术对保证产品的高性能和高稳定性具有重要意义。

当前现有的微结构测量方法可以分为非光学和光学测量方法，其中光学测量方法以精度高、效率高、无损害等优点得到广泛应用；现有的光学测量方法有激光共聚焦法、白光干涉法、自动变焦等方法。其中，激光共聚焦法是利用点探测器对物体进行逐点测量，精度高但效率低；白光干涉法利用白光相干长度短的原理对物体进行测量，精度高速度快，但对于变慢变化剧烈的物体无法测量。

虽然基于聚焦评价函数的三维测量系统简单，易于操作，但对于表面过于光滑的物体测量困难；同时，自动变焦法作为一种利用光学系统小景深测量与精密垂直扫描相结合来实现表面形貌测量的光学方法，相比于其他方法，变焦法在此领域还属于较为新颖的一种方法，但在目前常用的测量方法中，虽然可以实现无损、高精度的测量，但对样品的材料、形状会有一定的要求。

发明内容

针对上述背景技术中存在的问题，本发明提出了一种基于拉普拉斯算子的自动变焦三维形貌测量系统及方法，具有构思合理、测量方式简单、测量系统结构更为简单、无损伤、效率高、适用广等优点，具有广泛的应用前景。

为了达成上述目的，本发明提供的技术方案为：

上述的自动变焦三维形貌测量系统，由光源照明系统、第一tube透镜、CCD采集系统、第二tube透镜、分光镜、显微镜头和压电陶瓷组成；所述第一tube透镜匹配位于所述光源照明系统的光线输出侧，所述分光镜匹配位于所述第一tube透镜的光线输出侧，所述显微镜头匹配位于所述分光镜的光线输出侧，所述压电陶瓷匹配位于所述显微镜头的光线输出侧，所述第二tube透镜匹配位于所述分光镜的反射光线输出侧，所述CCD采集系统位于所述第二tube透镜的焦面位置；

所述测量系统的测量光路为：所述白光光源照明系统发出的光束依次经过所述第一tube透镜、所述分光镜和所述显微镜头后照射到待测物体表面，经过物体表面反射后光路经过所述第二tube透镜，由所述CCD采集系统采集到携带物体高度信息的成像图片，再由所述压电陶瓷对物体进行纵向扫描并同步采集成像。

所述自动变焦三维形貌测量系统，其中：所述光源照明系统采用白光作为光源。