CN103791853A - 基于彩色条纹信息处理的微结构测量***及测量方法 - Google Patents

Abstract

一种基于彩色条纹信息处理的微结构测量***及测量方法，***有Zeiss光学显微镜，输入光源卤素灯，Zeiss光学显微镜的样品扫描端设置有与计算机相连的扫描机构，Zeiss光学显微镜的信号采集端依次设置有CCD彩色相机和与CCD彩色相机相连的图像采集卡，所述的图像采集卡还连接计算机。方法：对CCD彩色相机采集的一组原始图像进行拜尔反变换；得到不同扫描位置处R、G、B的光强值；计算R、G、B通道的相位信息；确定零光程差的位置；得到像素点对应的高度信息；得到不同像素点对应的高度信息，最终得到物体的表面形貌。本发明使用CCD彩色相机采集白光干涉条纹图像，可以有效的减小环境噪声的影响，提高测量精度。

Description

基于彩色条纹信息处理的微结构测量***及测量方法

技术领域

本发明涉及一种微结构测量***。特别是涉及一种使用CCD彩色相机采集白光干涉条纹图像的基于彩色条纹信息处理的微结构测量***及测量方法。

背景技术

在微纳制造领域，微纳器件的表面形貌对***的可靠性和质量影响显著。例如，MEMS电容器两平行极板的表面形貌会显著影响电容器的电容值、电压值、电场分布等机电特性，进而影响到MEMS电容器件的性能和成品率。此外，微纳器件的表面形貌可以反映出加工过程中的工艺参数，是对加工过程进行监控、诊断的重要依据。因而，微结构表面形貌的精密测量具有重要意义。

在微纳测试领域，白光干涉测量技术是一种重要的非接触式测量方法。在测试过程中，该技术不构成对被测物体表面的损伤，还具有测量范围大、测试精度高的优点。针对白光干涉信号处理的算法主要分为两种：一种是通过分析白光干涉信号的光强分布，获得被测物体的形貌，主要算法有重心法、多项式拟合法等；另一种是通过白光干涉信号的相位信息获取物体的形貌，主要算法有傅立叶变换法、小波变换法等。

在采集白光干涉条纹的过程中，通常使用的是CCD黑白相机，而利用CCD彩色相机可使获取的图像信息由二维扩展为三维，即R、G、B三个通道的信息。

E.

等人利用3-CCD彩色相机获取白光干涉图像，但由于采集的干涉信号蓝色波段光谱能量较弱，所以只使用了R、G两个通道的信息分析得到被测物体的形貌；Suodong Ma等人基于加窗傅里叶变换的方法，通过对3-CCD彩色相机采集的R、G、B三个通道的图像进行分析，获得了被测物体的形貌；相较于通过棱镜分光实现彩色图像获取的3-CCD彩色相机，单CCD彩色相机通过拜尔（Bayer）滤波获取彩色图像的方法成本更为低廉，Zdeněk Buchta等人基于实验验证了使用单CCD彩色相机采集白光干涉图像，进而分析获得物体三维形貌的可行性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种可以有效的减小环境噪声影响、提高测量精度的基于彩色条纹信息处理的微结构测量***及测量方法。

本发明所采用的技术方案是：一种基于彩色条纹信息处理的微结构测量***，包括有Zeiss光学显微镜，Zeiss光学显微镜的光源输入端设置有卤素灯，Zeiss光学显微镜的样品扫描端设置有用于对样品进行垂直扫描，并与计算机相连的扫描机构，Zeiss光学显微镜的信号采集端依次设置有CCD彩色相机和与CCD彩色相机相连的图像采集卡，所述的图像采集卡还连接计算机。

在所述的Zeiss光学显微镜与所述的卤素灯之间设置有用于降低蓝色波段以外波段的光透射率的白平衡滤光片。

在所述的扫描机构包括有与所述的Zeiss光学显微镜的样品扫描端对应设置的物镜纳米***和与所述的物镜纳米***相连的压电控制器，所述的压电控制器通过RS232连接计算机，所述的物镜纳米***连接在Mirau型干涉物镜上，所述的Mirau型干涉物镜与设置在实验台上的样品相对应设置。

本发明的用于基于彩色条纹信息处理的微结构测量***的测量方法，包括如下步骤：

1）对CCD彩色相机采集的一组原始图像进行拜尔反变换，得到真实的彩色图像信息；

2）分别提取由步骤1）变换得到的彩色图像任一像素点的R、G和B通道光强信息，进而得到不同扫描位置处R、G、B的光强值；

3）选择Morlet小波作为小波变换的母小波，对步骤2）得到的R、G、B通道的光强值做一维连续小波变换，利用变换结果计算R、G、B通道的相位信息；

4）对步骤3）得到的R、G、B通道的相位信息，基于构造的评价函数

初步确定零光程差的位置；

5）选取零光程差附近R、G、B通道的相位信息，对所述R、G、B通道的相位信息做最小二乘拟合得到零光程差位置最优估计值，即精确确定零光程差的位置；

6）利用步骤5）得到的零光程差位置最优估计值，得到步骤2）所述像素点对应的高度信息；

7）对步骤1）变换得到的彩色图像的其它像素点分别作与步骤2）至步骤6）相同的处理，从而得到不同像素点对应的高度信息，最终得到物体的表面形貌。

步骤2）所述的任一像素点的R、G和B的光强值是由下式得到：

$I_m\left(z\right)=I_{0m}+{\mathrm{\γ}}_m{I}_{0m}g(z-z_0)\cos \left[\frac{4\mathrm{\π}(z-z_0)}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{cm}}}\right]---\left(1\right)$

其中，m分别表示为R、G、B，代表CCD彩色相机的R、G、B通道；I_0m表示背景光强；γ_m表示条纹可见度；λ_cm表示光源在对应通道的中心波长；z表示物镜纳米***垂直扫描的位置，当发生干涉的两光束光程差为零时，物镜纳米***所在的位置表示为z₀，简称为零光程差位置；g(z_m-z₀)是相干包络项。

所述的相干包络项表示为

$g(z-z_0)=\exp [-{\left(\frac{z-z_0}{l_{\mathrm{cm}}}\right)}^2]---\left(2\right)$

其中，l_cm表示光源在对应通道的相干长度。

步骤3）所述的R、G、B通道相位信息，是通过下述三步得到：

第一步，选择Morlet小波作为小波变换的母小波，即

第二步，对I_m(z)进行一维连续小波变换得到：

$W_m(a,b)={\∫}_{-\∞}^{+\∞}{I}_m\left(z\right){\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{ab}}^{*}\left(z\right)\mathrm{dz}---\left(3\right)$

其中，ψ(z)为小波变换的母小波，a,b分别表示小波变换的尺度因子和平移因子， ${\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{ab}}\left(z\right)=\frac{1}{\sqrt{a}}\mathrm{\ψ}\left(\frac{z-b}{a}\right),$ *为共轭运算符；

第三步，R、G、B通道相位信息

通过W_m(a,b)的辐角即

得到，其中，a₀,b₀为W_m(a,b)的模值最大时对应的尺度因子和平移因子，Re[W_m(a₀,b₀)]和Im[W_m(a₀,b₀)]分别表示W_m(a₀,b₀)的实部和虚部。

步骤6）所述的利用零光程差位置最优估计值，得到步骤2）所述像素点对应的高度信息H，是通过下式得到：

H=H′+z₀   (5)

其中，H′=NΔ，Δ表示扫描间距，N为采样光强最大值位置对应的扫描步数，z₀为零光程差位置的最优估计值。

本发明的基于彩色条纹信息处理的微结构测量***及测量方法，使用CCD彩色相机采集白光干涉条纹图像，与传统地使用灰度图像测量物体形貌相比，可以有效的减小环境噪声的影响，提高测量精度。

附图说明

图1是本发明微结构测量***的整体结构示意图；

图2a是不使用白平衡滤光片，R、G、B光强的相对强度示意图；

图2b是使用白平衡滤光片，R、G、B光强的相对强度示意图；

图3是本发明方法的流程图；

图4a是某像素点的R通道光强分布图；

图4b是某像素点的G通道光强分布图；

图4c是某像素点的B通道光强分布图；

图5是零光程位置附近某像素点的R、G、B通道相位分布图；

图6是评价函数示意图。

图中

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的基于彩色条纹信息处理的微结构测量***及测量方法做出详细说明。

如图1所示，基于彩色条纹信息处理的微结构测量***，包括有Zeiss光学显微镜2，Zeiss光学显微镜2的光源输入端设置有具有宽光谱特性的卤素灯1，Zeiss光学显微镜2的样品扫描端设置有用于对样品9进行垂直扫描，并与计算机8相连的扫描机构，Zeiss光学显微镜2的信号采集端依次设置有Basler公司的型号为avA1600-65kc的CCD彩色相机6，与CCD彩色相机6相连的NI公司的PCI-1428图像采集卡7，实现图像的采集，所述的图像采集卡7还连接计算机8，可在计算机中观察图像。计算机包含了***的软件部分，主要包括使用LabVIEW实现图像的采集和使用MATLAB实现数据的处理。在所述的Zeiss光学显微镜2与所述的卤素灯1之间设置有用于降低蓝色波段以外波段光透射率的白平衡滤光片11。

如图2a、图2b所示，在照明光源处加入一个白平衡滤光片，可以起到降低其他波段(除蓝色波段外)光的透射率的作用。图2a中不使用白平衡滤光片时，蓝色波段的光信号信噪比很低；图2b中使用滤光片后反映了通过增大光源的输出光强，绿色和蓝色波段的光强得到增强，红色波段的光强被衰减，使得绿色和蓝色波段光谱的信噪比得到提高，同时，CCD相机并没有因为光源输出光强的增大而处于饱和工作状态，提高了信号的利用率。

所述的扫描机构包括有与Zeiss光学显微镜2样品扫描端对应设置的物镜纳米***4和与所述的物镜纳米***4相连的压电控制器5，所述的物镜纳米***4选用PI公司生产的型号为PIP-721.CL的产品，压电控制器5选用PI公司生产的型号为E-509.C1A的产品，所述的压电控制器5通过RS232连接计算机8，所述的物镜纳米***4连接在Mirau型干涉物镜3上，所述的Mirau型干涉物镜3采用由Nikon公司生产的Mirau型干涉物镜（放大倍率为10X，数值孔径N.A.为0.30），所述的干涉物镜3与设置在实验台10上的样品9相对应设置。

如图3所示，本发明的基于彩色条纹信息处理的微结构测量***及测量方法，包括如下步骤：

1）对CCD彩色相机采集的一组原始图像进行拜尔反变换，得到真实的彩色图像信息；

2）分别提取由步骤1）变换得到的彩色图像任一像素点的R（红）、G（绿）和B（蓝）通道光强信息，进而得到不同扫描位置处R、G、B的光强值；

所述的任一像素点的R、G和B的光强值是由下式得到：

$I_m\left(z\right)=I_{0m}+{\mathrm{\γ}}_m{I}_{0m}g(z-z_0)\cos \left[\frac{4\mathrm{\π}(z-z_0)}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{cm}}}\right]---\left(1\right)$

其中，m分别表示为R、G、B，代表CCD彩色相机的R、G、B通道；I_0m表示背景光强，反映光强的直流分量；γ_m表示条纹可见度；λ_cm表示光源在对应通道的中心波长；z表示物镜纳米***垂直扫描的位置，当发生干涉的两光束光程差为零时，物镜纳米***所在的位置表示为z₀，这个位置简称为零光程差位置；g(z_m-z₀)是相干包络项，由光源在相应通道的光谱特征决定。

实验中使用的光源卤素灯在R、G、B通道的光谱均呈现高斯（Gauss）分布的特点，因而，所述的相干包络项表示为

$g(z-z_0)=\exp [-{\left(\frac{z-z_0}{l_{\mathrm{cm}}}\right)}^2]---\left(2\right)$

其中，l_cm表示光源在对应通道的相干长度，在R、G、B通道中，只有在零光程差位置z₀附近才会有干涉条纹的分布。

3）选择Morlet小波作为小波变换的母小波，对步骤2）得到的R、G、B通道的光强值做一维连续小波变换，利用变换结果计算R、G、B通道的相位信息；

所述的R、G、B通道相位信息，是通过下述三步得到：

第一步，选择Morlet小波作为小波变换的母小波，即

由于信号I_m呈现出高斯分布的特征，而Morlet小波事实上是由高斯函数调制而成的，所以选择Morlet小波作为小波变换的母小波。

第二步，对I_m(z)进行一维连续小波变换得到：

$W_m(a,b)={\∫}_{-\∞}^{+\∞}{I}_m\left(z\right){\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{ab}}^{*}\left(z\right)\mathrm{dz}---\left(3\right)$

其中，ψ(z)为小波变换的母小波，a,b分别表示小波变换的尺度因子和平移因子， ${\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{ab}}\left(z\right)=\frac{1}{\sqrt{a}}\mathrm{\ψ}\left(\frac{z-b}{a}\right),$ *为共轭运算符；

第三步，R、G、B通道相位信息

通过W_m(a,b)的辐角即

得到，其中，a₀,b₀为W_m(a,b)的模值最大时对应的尺度因子和平移因子，Re[W_m(a₀,b₀)]和Im[W_m(a₀,b₀)]分别表示W_m(a₀,b₀)的实部和虚部，如图5所示。通过对I_m(z)进行一维连续小波变换得到的W_m(a,b)反映了ψ_ab与I_m的相关程度。尺度因子a的变化反映了信号I_m频率的变化，平移因子b的变化反映了信号I_m位移的变化，通过尺度因子a和平移因子b的连续变化，可求得在不同频率和位移处ψ_ab与I_m相关程度的大小。在某一扫描位置处，当ψ_ab(z)与I_m(z)相关程度最高，即W_m(a,b)的模值最大时，W_m(a,b)的辐角即为该扫描位置处I_m(z)的相位值。

4）对步骤3）得到的R、G、B通道的相位信息，基于如图6所示的构造的评价函数

初步确定零光程差的位置，此时评价函数在零光程差位置处有最小值；

5）选取零光程差附近R、G、B通道的相位信息，对所述R、G、B通道的相位信息做最小二乘拟合得到零光程差位置最优估计值，即精确确定零光程差的位置。

实际测量过程中，测量误差使得R、G、B的零光程差位置并不在同一位置处，为获得零光程差位置的最优估计值，运用最小二乘法确定。

R、G、B通道的相位信息可表示为

其中，A_m=4π/λ_cm，B_m=-4πz₀/λ_cm。根据最小二乘法原理，零光程差位置z₀的最优估计值可在

有最小值时求得，此时需满足条件

可得零光程差位置z₀的最优估计值为

$z_0=-\frac{A_R{B}_R+A_G{B}_G+A_B{B}_B}{A_R^2+A_G^2+A_B^2}---\left(6\right)$

确定A_m,B_m的方法如下：首先通过评价函数EF初步确定零光程差的位置，进而对零级条纹内的采样点

做分析。采样点

满足函数关系

根据最小二乘法原理，公式（7）中的A_m,B_m满足以下条件关系式：

可得

即可求得A_m,B_m的数值，进而求得零光程差位置z₀的最优估计值。最优估计值z₀局限于零级条纹内，其实质是采样光强最大值位置与零光程差位置的偏差值。

6）利用步骤5）得到的零光程差位置最优估计值，得到步骤2）所述像素点对应的高度信息，所述的高度信息H是通过下式得到：

H=H′+z₀   (10)

其中，H′=NΔ，Δ表示扫描间距，N为采样光强最大值位置对应的扫描步数，z₀为零光程差位置的最优估计值。

7）对步骤1）变换得到的彩色图像的其它像素点分别做与步骤2）至步骤6）相同的处理，从而得到不同像素点对应的高度信息，最终得到物体的表面形貌。

本发明利用单CCD彩色相机采集白光干涉彩色条纹的图像。此外，不同于加窗傅立叶变换的方法，由于小波变换的理论日臻成熟，应用日益广泛，本发明选用了连续小波变换法对R、G、B三个通道的图像信息进行分析，从而获得被测物体的几何尺寸及表面形貌。

Claims (8)

1.一种基于彩色条纹信息处理的微结构测量***，包括有Zeiss光学显微镜（2），其特征在于，Zeiss光学显微镜（2）的光源输入端设置有卤素灯（1），Zeiss光学显微镜（2）的样品扫描端设置有用于对样品（9）进行垂直扫描，并与计算机（8）相连的扫描机构，Zeiss光学显微镜（2）的信号采集端依次设置有CCD彩色相机（6）和与CCD彩色相机（6）相连的图像采集卡（7），所述的图像采集卡（7）还连接计算机（8）。

2.根据权利要求1所述的基于彩色条纹信息处理的微结构测量***，其特征在于，在所述的Zeiss光学显微镜（2）与所述的卤素灯（1）之间设置有用于降低蓝色波段以外波段的光透射率的白平衡滤光片（11）。

3.根据权利要求1所述的基于彩色条纹信息处理的微结构测量***，其特征在于，在所述的扫描机构包括有与所述的Zeiss光学显微镜（2）的样品扫描端对应设置的物镜纳米***（4）和与所述的物镜纳米***（4）相连的压电控制器（5），所述的压电控制器（5）通过RS232连接计算机（8），所述的物镜纳米***（4）连接在Mirau型干涉物镜（3）上，所述的Mirau型干涉物镜（3）与设置在实验台（10）上的样品（9）相对应设置。

4.一种用于权利要求1～3任一项所述的基于彩色条纹信息处理的微结构测量***的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）对CCD彩色相机采集的一组原始图像进行拜尔反变换，得到真实的彩色图像信息；

2）分别提取由步骤1）变换得到的彩色图像任一像素点的R、G和B通道光强信息，进而得到不同扫描位置处R、G、B的光强值；

3）选择Morlet小波作为小波变换的母小波，对步骤2）得到的R、G、B通道的光强值做一维连续小波变换，利用变换结果计算R、G、B通道的相位信息；

4）对步骤3）得到的R、G、B通道的相位信息，基于构造的评价函数初步确定零光程差的位置；

5）选取零光程差附近R、G、B通道的相位信息，对所述R、G、B通道的相位信息做最小二乘拟合得到零光程差位置最优估计值，即精确确定零光程差的位置；

6）利用步骤5）得到的零光程差位置最优估计值，得到步骤2）所述像素点对应的高度信息；

7）对步骤1）变换得到的彩色图像的其它像素点分别作与步骤2）至步骤6）相同的处理，从而得到不同像素点对应的高度信息，最终得到物体的表面形貌。

5.根据权利要求4所述的测量方法，其特征在于，步骤2）所述的任一像素点的R、G和B的光强值是由下式得到：

$I_m\left(z\right)=I_{0m}+{\mathrm{\γ}}_m{I}_{0m}g(z-z_0)\cos \left[\frac{4\mathrm{\π}(z-z_0)}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{cm}}}\right]---\left(1\right)$

其中，m分别表示为R、G、B，代表CCD彩色相机的R、G、B通道；I_0m表示背景光强；γ_m表示条纹可见度；λ_cm表示光源在对应通道的中心波长；z表示物镜纳米***垂直扫描的位置，当发生干涉的两光束光程差为零时，物镜纳米***所在的位置表示为z₀，简称为零光程差位置；g(z_m-z₀)是相干包络项。

6.根据权利要求5所述的测量方法，其特征在于，所述的相干包络项表示为

$g(z-z_0)=\exp \left[{-\left(\frac{z-z_0}{l_{\mathrm{cm}}}\right)}^2\right]---\left(2\right)$

其中，l_cm表示光源在对应通道的相干长度。

7.根据权利要求4所述的测量方法，其特征在于，步骤3）所述的R、G、B通道相位信息，是通过下述三步得到：

第一步，选择Morlet小波作为小波变换的母小波，即

第二步，对I_m(z)进行一维连续小波变换得到：

$W_m(a,b)={\∫}_{-\∞}^{+\∞}{I}_m\left(z\right){\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{ab}}^{*}\left(z\right)\mathrm{dz}---\left(3\right)$

其中，ψ(z)为小波变换的母小波，a,b分别表示小波变换的尺度因子和平移因子， ${\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{ab}}\left(z\right)=\frac{1}{\sqrt{a}}\mathrm{\ψ}\left(\frac{z-b}{a}\right),$ *为共轭运算符；

第三步，R、G、B通道相位信息

通过W_m(a,b)的辐角即

得到，其中，a₀,b₀为W_m(a,b)的模值最大时对应的尺度因子和平移因子，Re[W_m(a₀,b₀)]和Im[W_m(a₀,b₀)]分别表示W_m(a₀,b₀)的实部和虚部。

8.根据权利要求4所述的测量方法，其特征在于，步骤6）所述的利用零光程差位置最优估计值，得到步骤2）所述像素点对应的高度信息H，是通过下式得到：

H=H′+z₀   (5)

其中，H′=NΔ，Δ表示扫描间距，N为采样光强最大值位置对应的扫描步数，z₀为零光程差位置的最优估计值。

Images