一种结合相移干涉与垂直扫描干涉的3D形貌恢复方法技术

本发明专利技术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，该方法通过上位机程序控制压电陶瓷微步距垂直扫描，每一步扫描采集的干涉图转换为数字信号后存储到计算机。采用极值法判别干涉图中每个像素点光强最大值的位置即为该像素点对应的零光程差位置，记录零光程差位置所在的帧数，然后根据相关公式初步计算形貌的高度信息。采用五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，根据相关公式精确恢复3D形貌。本方法解决了相移算法中相邻像素点相位变化不能超过2π的问题，同时具有测量精度高，算法简单，实用性强等特点。

【技术实现步骤摘要】
一种结合相移干涉与垂直扫描干涉的3D形貌恢复方法
本专利技术属于光学测量工程的
，具体涉及一种结合相移干涉(PSI)和垂直扫描干涉(VSI)的3D形貌恢复方法
技术介绍
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3D微纳结构检测的精度要求也越来越高，其中对各种3D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PSI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。此方法测量精度高，测量速度速度快。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/4。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，扫面白光干涉法等。扫描白光干涉采用白光作为光源，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光。扫描白光干涉法有效的解决了非连续表面的测量的问题。但是要求采集的图像样本较多，效率较低，同时误差较大。中国专利201110370372.X在2011年公布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。研究解决非连续表面的测量和扩大深度测量的问题，同时具有精度高，效率高的形貌恢复算法对3D微纳结构检测具有重要意义。
技术实现思路
为了解决上述难题，本专利技术设计了所述的一种结合PSI和VSI的3D形貌恢复方法，该方法可以实现高精度测量，分辨率可以达到亚纳米级。为了达成上述目的，本专利技术提供的技术方案为：一种结合PSI和VSI的3D形貌恢复方法，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σ垂直扫描，每一步扫描采集的干涉图转换为数字信号后存储到计算机；步骤S2：对于不同高度值的干涉条纹，采用极值法判别干涉图中每个像素点光强最大值的位置即为该像素点对应的零光程差位置；步骤S3：记录零光程差所在图像的帧数N，进而得到形貌的初步相对高度h1；步骤S4：采用五帧相移算法，计算出相移的微小量Δφ(x,y)；步骤S5：根据相位与形貌高度的关系，结合步骤S3得到的结果，根据相关公式计算出物体表面形貌的相对高度h。进一步的，由白光干涉特性可知，光强值最大的位置对应着零光程差位置，将某像素点的光强值提取出来，寻找得到的最大值所对应的帧数N，即可恢复形貌。进一步的，结合两种方法，得到表面形貌高度的表达式，该方法既解决了相移算法的2π模糊，同时精度较高。进一步的，极值法是基于白光干涉最直接的恢复算法，简单易行，但要求采样频率较高，误差较大；相移算法精度高，但是要求相邻像素点相位变化不能超过π；结合两种算法，采用极值法对表面形貌相对高度有个大概的估计，相当于对相移算法得到的相位进行了2π修正；此方法测量精度高，算法简单，实用性强。进一步的，白光干涉条纹强度表达式为：I(x,y)＝Ia(x,y)+Im(x,y)cos(φ(x,y))式中Ia(x,y)为背景光强，Im(x,y)为干涉场的调制度系数，φ(x,y)为相位差。进一步的，五帧相移算法计算相位的表达式为：Δφ＝arctan[(I2-I4)/(2I3-I5-I1)]其中，Ii分别为五帧图像的光强值，i＝1,2,3,4,5。进一步的，结合步骤S3的结果，物体表面形貌的相对高度h表达式为：h＝Nσ+Δφλ/2π其中,N为零光程差所在的帧数，σ为压电陶瓷扫描微步距，Δφ为计算得到的相位，λ为白光中心波长。本专利技术的基本原理：提供一种结合PSI与VSI的3D形貌恢复方法。通过上位机程序控制压电陶瓷微步距σ垂直扫描，对于采集到的干涉条纹，采用极值法判别干涉图中每个像素点光强最大值的位置即为该像素点对应的零光程差位置。记录零光程差所在图像的帧数N，进而得到形貌的初步相对高度h1。采用五步相移算法，计算出相移的微小量Δφ(x,y)。根据相位与形貌高度的关系，结合步骤S3得到的结果，根据相关公式计算出物体表面形貌的相对高度h。本专利技术的特点和优势：(1)、本专利技术充分利用了相移法求解相位精度高的特点，达到高精度3D形貌恢复的目的(2)、本专利技术充分利用了极值法算法简单的特点，结合相移法，进而克服了相移法要求表面形貌的深度变化不能超过λ/4的缺陷。(3)、本专利技术算法简单，充分利用了两种的优点，克服了两种方法的缺点，精度高。附图说明图1为一种结合相移干涉和垂直扫描干涉的3D形貌恢复方法的计算步骤；图2为压电陶瓷微步距垂直扫描白光干涉装置采集到的干涉条纹图；图3为种结合相移干涉(PSI)和垂直扫描干涉(VSI)的3D形貌恢复方法的恢复结果。具体实施方式为使本专利技术的目的，技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体事例，并参照附图，对本专利技术进一步详细说明。如图1所示，本专利技术一种结合相移干涉与垂直扫描干涉的3D形貌恢复方法，具体包括如下步骤：步骤S1：通过上位机程序控制压电陶瓷微步距σ垂直扫描，每一步扫描采集的干涉图转换为数字信号后存储到计算机；步骤S2：对于不同高度值的干涉条纹，采用极值法判别干涉图中每个像素点光强最大值的位置即为该像素点对应的零光程差位置；极值法是基于白光干涉最直接的恢复算法，简单易行，但要求采样频率较高，误差较大；步骤S3：记录零光程差所在图像的帧数N，进而得到形貌的初步相对高度h1；步骤S4：采用五帧相移算法，计算出相位Δφ(x,y)；五帧相移算法计算相位的表达式为：Δφ＝arctan[(I2-I4)/(2I3-I5-I1)]其中，Ii分别为五帧图像的光强值。相移算法精度高，但是要求相邻像素点相位变化不能超过π。步骤S5：根据相位与形貌高度的关系，结合步骤S3得到的结果，根据相关公式计算出物体表面形貌的相对高度h；物体表面形貌的相对高度h表达式为：h＝Nσ+Δφλ/2π其中,N为零光程差所在的帧数，σ为压电陶瓷扫描微步距，Δφ为计算得到的相位，λ为白光中心波长。采用极值法对表面形貌相对高度有个大概的估计，相当于对相移算法得到的相位进行了2π修正；图2为压电陶瓷微步距垂直扫描白光干涉装置对光栅采集到的干涉条纹图。白光干涉条纹可表示为I(x,y)＝Ia(x,y)+Im(x,y)cos(φ(x,y))式中Ia(x,y)为背景光强，Im(x,y)为干涉场的调制度系数，φ(x,y)为相位差。对于不同高度值的干涉条纹，利用MATLAB软件找到干涉图中每个像素点光强最大值的位置即为所对应的零光程差位置，同时记录零光程差所在图像的帧数N。进一步，采用五帧相移算法计算相位的表达式为：Δφ＝arctan[(I2-I4)/(2I3-I5-I1)]其中，Ii分别为五帧图像的光强值，i＝1,2,3,4,5。计算得到相移量Δφ。根据相位与物体形貌高度信息的关系h＝Nσ+Δφλ/2π，得到的结果如图3。本专利技术中，主要的器件包括:Mirau干涉仪，黑白CCD相机本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种结合相移干涉与垂直扫描干涉的3D形貌恢复方法，其特征是：所述方法步骤包括：步骤S1：通过上位机程序控制压电陶瓷微步距σ垂直扫描，每一步扫描采集的干涉图转换为数字信号后存储到计算机；步骤S2：对于不同高度值的干涉条纹，采用极值法判别干涉图中每个像素点光强最大值的位置即为该像素点对应的零光程差位置；步骤S3：记录零光程差所在图像的帧数N，进而得到形貌的初步相对高度h

【技术特征摘要】
1.一种结合相移干涉与垂直扫描干涉的3D形貌恢复方法，其特征是：所述方法步骤包括：步骤S1：通过上位机程序控制压电陶瓷微步距σ垂直扫描，每一步扫描采集的干涉图转换为数字信号后存储到计算机；步骤S2：对于不同高度值的干涉条纹，采用极值法判别干涉图中每个像素点光强最大值的位置即为该像素点对应的零光程差位置；步骤S3：记录零光程差所在图像的帧数N，进而得到形貌的初步相对高度h1；步骤S4：采用五帧相移算法，计算得到相位Δφ(x,y)；步骤S5：根据相位与形貌高度的关系，结合步骤S3得到的结果，根据相关公式计算出物体表面形貌的相对高度h。2.根据权利要求1所述的一种结合相移干涉与垂直扫描干涉的3D形貌恢复方法，其特征是：由白光干涉特性可知，光强值最大的位置对应着零光程差位置，将某像素点的光强值提取出来，寻找得到的最大值所对应的帧数N，即可恢复形貌。3.根据权利要求1所述的一种结合相移干涉与垂直扫描干涉的3D形貌恢复方法，其特征是：结合两种方法，得到表面形貌高度的表达式，该方法既解决了相移算法的2π模糊，同时精度较高。4.根据权利要求1、2或3所述的一种结合相移干涉与垂直扫描干涉的3D形貌恢复方法，其特征是：极值...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢仲业，周毅，陈楚怡，邓钦元，邓茜，唐燕，赵立新，胡松，
申请(专利权)人：中国科学院光电技术研究所，
类型：发明
国别省市：四川,51