CN109916331B - 一种基于复合光栅的结构光微纳结构三维检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种基于复合光栅的结构光微纳结构三维检测方法。采用一个水平正弦光栅和和倾斜一定角度θ的正弦光栅组合的复合光栅投射结构光在被测物体表面，水平扫描待测物体的过程中，CCD通过分光棱镜从共轭光路中同步采集调制后的条纹图像序列，水平光栅的栅线方向与水平扫描方向垂直，对物体的整场调制度提取计算水平位移，实现图像序列高精度的像素匹配；倾斜光栅的成像的焦面位置倾斜且固定，在水平扫描过程中，使得相移和垂直扫描能够连续且自动地同步实现，倾斜光栅用于物体的单点调制度提取，获取高度信息实现高精度的微纳三维检测。本发明只需水平扫描待测物体，即可实现大范围高效率的三维测量过程，在微纳检测领域有良好的应用前景。

Description

一种基于复合光栅的结构光微纳结构三维检测方法

技术领域

本发明属于光学显微成像以及精密检测技术领域，特别涉及一种基于复合光栅的结构光微纳结构三维检测方法。

背景技术

微纳器件指尺度为微米和纳米级的功能性器件，在微电子、生物技术、航空航天、超材料等技术领域的应用发展迅速，对现代生活，社会生产，都产生了有很大的促进作用，将是下一时期科技战略发展的热点。微纳器件的三维形貌与产品的性能特征、可靠程度以及功能分析直接相关，高精度快速的微纳检测方法与技术是获取微纳结构的三维形貌的重要手段，也是高精度光学加工等先进微纳制造技术的核心基础。快速地在线检测微纳结构的三维形貌，能大大提高产品的生产和检测效率。

目前，针对微纳结构的三维形貌检测技术可分为接触式和非接触式两大类，现有主流的微纳结构非接触检测技术中(包括白光干涉显微测量、激光共焦显微术和结构光显微测量技术)，都是对被测物进行垂直纵向扫描，获得不同纵向高度对应的光强分布，进而实现微结构形貌检测。采用垂直纵向扫描过程都会引入不连续性，增加样品的检测时间，检测效率低。其次，在对非周期性大面积的物体时，需要将横向和纵向图像拼接，需要增加检测***运动结构，数据处理量大，检测效率相对较低。

综上，目前的微纳结构检测技术一般是通过垂直纵向扫描，获得不同纵向高度对应的光强分布，通过相应的运算来实现微结构形貌检测。采用垂直纵向扫描过程都会引入不连续性，增加样品的检测时间，检测效率低。其次，在对非周期性大面积的物体时，需要将横向和纵向图像拼接，需要增加检测***运动结构，数据处理量大，检测效率相对较低。本发明利用基于复合光栅的结构光微纳结构三维检测方法，将改变现有技术对待测物体垂直纵向扫描检测的现状，利用水平横向扫描的结构方案，实现微纳三维结构的高速检测过程；当待测物体相对CCD水平运动时，CCD采集到不同条纹序列中对应像素点的光强值并不对应同一物点，即物体的像在每帧条纹图像中的位置不一致，必须对采集到的图像序列进行像素匹配后才能进行调制度提取。本发明提出的复合光栅的结构光微纳结构三维检测方法可以在水平扫描过程中进行高精度像素匹配，实现了水平横向扫描的大测量范围三维检测过程。

发明内容

针对现有微纳结构三维形貌检测方法垂直纵向扫描存在的效率低、结构复杂等缺点，本发明设计了所述的一种基于复合光栅的结构光微纳结构三维检测方法：该方法中，采用一个水平正弦光栅和和倾斜一定角度θ的正弦光栅组合的复合光栅投射结构光在被测物体表面，水平扫描待测物体的过程中，CCD通过分光棱镜从共轭光路中同步采集调制后的条纹图像序列，结合连续性三维重建算法就可以重建微纳结构三维面型，实现微纳结构连续性的大范围检测，可以应用于微纳结构的在线检测过程，检测精度可达到纳米量级。

为了达成上述目的，本发明提供的技术方案为：基于复合光栅的结构光微纳结构三维检测方法，所述方法步骤包括：

步骤S1：在***测量之前，要先对***进行标定，即使用标准物体作为待测物体进行测量，利用一个水平正弦光栅和倾斜一定角度θ的正弦光栅组合的复合光栅投射结构光到标准物体表面，水平扫描待测物体的过程中，CCD通过分光棱镜从共轭光路中同步采集调制后的条纹图像序列。

步骤S2：对采集的条纹图像进行傅里叶变换处理，并使用滤波器提取水平光栅的基频分量，对其进行傅里叶逆变换并取模就得到待测物体的调制度图像。

步骤S3：对得到的调制度图像进行二值化处理，然后进行高精度亚像素匹配使各帧图像物体像素坐标匹配对应。

步骤S4：对于像素匹配后的条纹图像序列上的待测物体，可以得到每一个像素点的调制度值随扫描位置变化的强度分布曲线，对于物体上每一个像素点在不同水平位置构成的调制度曲线进行数据处理，通过高斯拟合确定调制度曲线最大值位置，计算得到调制度值的分布，建立调制度值与高度的对应关系，以及测量***的测量范围。

步骤S5：对待测物体进行测量时，重复步骤S1-S4得到待测物体的调制度值的分布，利用事先标定所得的调制度值和高度的对应关系，即可实现物体的三维结构的连续性测量以及精确重建三维形貌。

本发明与现有技术相比有如下优点：

(1)本发明提出基于的复合光栅的结构光微纳结构三维检测方法实现高速的高精度三维形貌检测，其特征在于采用一个水平正弦光栅和和倾斜一定角度θ的正弦光栅组合的复合光栅投射结构光。该方法在水平扫描过程中进行高精度像素匹配，单点计算得到物体的调制度值分布，实现了水平横向扫描的在线三维检测。

(2)本发明不仅保留了结构光垂直测量方法的高精度，表面形貌复杂的成像等优点，而且利用简单的***结构实现了对非周期性的微纳结构的连续性测量，在结构光三维显微测量技术方面具有良好的应用前景。

附图说明

图1为本发明一种基于复合光栅的结构光微纳结构三维检测装置结构示意图，其中，1为CCD相机，2为第一tube管透镜，3为白光光源，4为聚光透镜，5为第一正弦透射光栅，6为第二正弦透射光栅，7为第二tube管透镜，8为分光棱镜，9为显微物镜，10为待测物体，11为PZT水平扫描台。

具体实施方式

下面结合附图和工作原理对本发明做进一步的详细说明。

如图1所示，基于复合光栅的结构光微纳结构三维检测装置，包括CCD相机1、第一tube管透镜2、白光光源3、聚光透镜4、第一正弦透射光栅5、第二正弦透射光栅6、第二tube管透镜7、分光棱镜8、显微物镜9、PZT水平扫描台11；其中白光光源3发出的光，经过聚光透镜4进行汇聚准直后依次经过第一正弦透射光栅5、第二正弦透射光栅6、第二tube管透镜7后，由分光棱镜8反射，经过显微物镜9聚焦于置于PZT水平扫描台11上的待测物体10表面；待测物体10；将照明光束反射，反射光线经过分光棱镜8和第一tube管透镜2后聚焦到CCD相机1的像平面上；其中，第一正弦透射光栅5的栅线方向与水平扫描方向垂直，第二正弦透射光栅6的栅线方向与水平扫描方向平行，并且与投影光轴成一定角度θ。

根据，几何光学中的成像理论可知，在理想成像情况下，一个正弦光栅放在投影物镜物平面的位置，经过成像后在像平面上得到的也是一个正弦光栅。本发明中所采用的两个正弦光栅，经投影透镜成像后，可以近似认为水平光栅条纹和倾斜光栅条纹在同一个像平面内成像，互相不干扰。待测物体10在PZT扫描台11作用下在水平方向上扫描n步，当物体移动固定水平位移时，触发CCD相机1同步采集经物体高度调制的条纹图像，水平光栅和倾斜光栅同时投影到被测物体表面，物体表面的条纹图像的强度分布可表示为：

I_n(x,y)＝R(x,y){I₀+C₁(x,y)[2πf₁x+φ₁(x,y)]+C₂(x,y,θ)[2πf₂y+φ₂(x,y)]}(1)

其中R(x,y)为被测物体表面的反射率分布，I₀为背景光强分布，C₁(x,y)为水平光栅的条纹对比度，C₂(x,y,θ)为倾斜光栅的条纹对比度，φ₁(x,y)和φ₂(x,y)为水平光栅和倾斜光栅的初始相位。

CCD相机1采集到被待测物体高度调制后的变形条纹图后，对(1)式两边作傅里叶变化，其频谱可表示为：

其中F_n(ξ,η)为I_n(x,y)的傅里叶频谱，B_n(ξ,η)为R(x,y)·I₀的傅里叶频谱，P_n(ξ,η)为R(x,y)qC₁(x,y)[2πf₁x+φ₁(x,y)]的傅里叶频谱，Q_n(ξ,η)为R(x,y)·C₂(x,y,θ)[2πf₂y+φ2x,y的傅里叶频谱。

为了提取变形条纹图中的水平光栅的基频分量，本发明应用组合滤波窗口滤波器进行滤波，进而提取变形条纹图中的水平光栅的基频分量P_n(ξ-f₁,η)，对其进行傅里叶逆变换并取模后得到待测物体的调制度图像M_n(x,y)。对得到的调制度图像进行二值化处理，然后进行高精度亚像素匹配使各帧图像物体像素坐标一一对应。

对于像素匹配后的条纹图像序列上的待测物体，可以得到每一个像素点的调制度值随扫描位置变化的强度分布曲线，对于物体上每一个像素点在不同水平位置构成的调制度曲线进行数据处理，通过高斯拟合确定调制度曲线最大值位置，计算得到调制度值的分布，即可通过连续性三维重建算法重建三维形貌。

在***测量之前，要先对***进行标定，即使用标准物体作为待测物体进行测量，得到其调制度值，建立调制度值与高度的对应关系，以及测量***的测量范围。检测待测物体时，利用事先标定所得的调制度值和高度的对应关系，即可实现物体的三维结构的连续性测量以及精确重建三维形貌。

本发明中，基于复合光栅的结构光微纳结构三维检测方法，采用水平正弦光栅和光栅条纹与光轴成一定角度θ的倾斜正弦光栅投射结构光，结合水平扫描结构实现对微纳结构的三维检测。一方面能实现大范围高精度高效率的三维测量过程，另一方面能够对待测物体进行水平扫描测量过程，可实现对非周期性的微纳结构的连续性在线测量。

Claims (1)

1.一种基于复合光栅的结构光微纳结构三维检测方法，其特征在于：该方法利用基于复合光栅的结构光微纳结构三维检测装置，包括CCD相机(1)、第一tube管透镜(2)、白光光源(3)、聚光透镜(4)、第一正弦透射光栅(5)、第二正弦透射光栅(6)、第二tube管透镜(7)、分光棱镜(8)、显微物镜(9)、PZT水平扫描台(11)；其中白光光源(3)发出的光，经过聚光透镜(4)进行汇聚准直后依次经过第一正弦透射光栅(5)、第二正弦透射光栅(6)、第二tube管透镜(7)后，由分光棱镜(8)反射，经过显微物镜(9)聚焦于置于PZT水平扫描台(11)上的待测物体(10)表面；待测物体(10)；将照明光束反射，反射光线经过分光棱镜(8)和第一tube管透镜(2)后聚焦到CCD相机(1)的像平面上；其中，第一正弦透射光栅(5)的栅线方向与水平扫描方向垂直，第二正弦透射光栅(6)的栅线方向与水平扫描方向平行，并且与投影光轴成一定角度θ，所述的方法步骤包括：

步骤S1：在***测量之前，要先对***进行标定，即使用标准物体作为待测物体进行测量，利用一个水平正弦光栅和倾斜一定角度θ的正弦光栅组合的复合光栅投射结构光到标准物体表面，水平扫描待测物体的过程中，CCD通过分光棱镜从共轭光路中同步采集调制后的条纹图像序列；

步骤S2：对采集的条纹图像进行傅里叶变换处理，并使用滤波器提取水平光栅的基频分量，对其进行傅里叶逆变换并取模就得到待测物体的调制度图像；

步骤S3：对得到的调制度图像进行二值化处理，然后进行高精度亚像素匹配使各帧图像物体像素坐标匹配对应；

步骤S4：对于像素匹配后的条纹图像序列上的待测物体，可以得到每一个像素点的调制度值随扫描位置变化的强度分布曲线，对于物体上每一个像素点在不同水平位置构成的调制度曲线进行数据处理，通过高斯拟合确定调制度曲线最大值位置，计算得到调制度值的分布，建立调制度值与高度的对应关系，以及测量***的测量范围；

步骤S5：对待测物体进行测量时，重复步骤S1-S4得到待测物体的调制度值的分布，利用事先标定所得的调制度值和高度的对应关系，即可实现物体的三维结构的连续性测量以及精确重建三维形貌；

其中，根据几何光学中的成像理论可知，在理想成像情况下，一个正弦光栅放在投影物镜物平面的位置，经过成像后在像平面上得到的也是一个正弦光栅，所采用的两个正弦光栅，经投影透镜成像后，可以近似认为水平光栅条纹和倾斜光栅条纹在同一个像平面内成像，互相不干扰，待测物体(10)在PZT扫描台(11)作用下在水平方向上扫描n步，当物体移动固定水平位移时，触发CCD相机(1)同步采集经物体高度调制的条纹图像，水平光栅和倾斜光栅同时投影到被测物体表面，物体表面的条纹图像的强度分布可表示为：

I_n(x,y)＝R(x,y){I₀+C₁(x,y)[2πf₁x+φ₁(x,y)[+C₂(x,y,θ)[2πf₂y+φ₂(x,y)]} (1)

其中R(x,y)为被测物体表面的反射率分布，I₀为背景光强分布，C₁(x,y)为水平光栅的条纹对比度，C₂(x,y,θ)为倾斜光栅的条纹对比度，φ₁(x,y)和φ₂(x,y)为水平光栅和倾斜光栅的初始相位；

CCD相机(1)采集到被待测物体高度调制后的变形条纹图后，对(1)式两边作傅里叶变化，其频谱可表示为：

其中F_n(ξ,η)为I_n(x,y)的傅里叶频谱，B_n(ξ,η)为R(x,y)·I₀的傅里叶频谱，P_n(ξ,η)为R(x,y)·C₁(x,y)[2πf₁x+φ₁(x,y)]的傅里叶频谱，Q_n(ξ,η)为R(x,y)·C₂(x,y,θ)[2πf₂y+φ₂(x,y)]的傅里叶频谱；

为了提取变形条纹图中的水平光栅的基频分量，应用组合滤波窗口滤波器进行滤波，进而提取变形条纹图中的水平光栅的基频分量P_n(ξ-f₁,η)，对其进行傅里叶逆变换并取模后得到待测物体的调制度图像M_n(x,y)，对得到的调制度图像进行二值化处理，然后进行高精度亚像素匹配使各帧图像物体像素坐标一一对应；

对于像素匹配后的条纹图像序列上的待测物体，可以得到每一个像素点的调制度值随扫描位置变化的强度分布曲线，对于物体上每一个像素点在不同水平位置构成的调制度曲线进行数据处理，通过高斯拟合确定调制度曲线最大值位置，计算得到调制度值的分布，即可通过连续性三维重建算法重建三维形貌；

该方法利用一个水平正弦光栅和倾斜一定角度θ的正弦光栅组合的复合光栅投射结构光到标准物体表面；水平光栅的栅线方向与水平扫描方向垂直，对物体的整场调制度提取计算水平位移，对图像序列实现高精度的像素匹配；倾斜光栅的成像的焦面位置倾斜且固定，在水平横向扫描待测物体的过程中，使得相移和垂直扫描能够连续且自动地同步实现，倾斜光栅用于物体的单点调制度提取，获取高度信息实现高精度的三维检测；

该方法只需要水平扫描待测物体，即可恢复出物体三维形貌，不仅保留了结构光显微垂直测量的优点，而且具有实时三维在线检测的特点，可实现大范围高精度高效率的三维测量过程。

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