CN1271086A - 测量物体表面形貌的纹影仪 - Google Patents

Abstract

本发明属于物体表面形貌测量技术领域,包括光源部件、光学成像部件,光源部件由激光器、小孔滤波器和扩束透镜组成,光学成像部件由分光镜、反射镜、准直透镜,以及空间滤波器和CCD摄像机组成,所说的空间滤波器为一个二维朗奇光栅。本发明可同时获取x、y两方向上的面形变化梯度信息,从而简化了整个装置的结构,不仅能测量物体静态表面的形貌,而且也可测量变化表面的形貌。

Description

测量物体表面形貌的纹影仪

本发明属于物体表面形貌测量技术领域，尤其涉及测量物体缓变表面形貌的纹影仪。

纹影测量法通过光投影的明暗变化来指示被测物体表面不规则性或内部条件所产生的折射率、反射率以及透射率的变化，因此常被用来进行流体流速场分析、溶液浓度分析、表面平直度分析等。已有的一种用于测量反射表面的纹影仪包括：一点光源、一分光镜、一准直镜以及一刀口空间滤波器。点光源发出的光经分光镜分光后，一路经准直镜准直后照射在被测物体表面上，另一路则会聚后成像在观察屏上。从被测表面反射回来的光束再经分光镜后会聚在像平面上，若被测表面是一平面的话，反射光束将在像平面上会聚成一无限小的光斑。若反射表面是一不规则的表面，其成像则或高于、或低于焦点。在焦点处放置一刀口，则该刀口会截断一部分的反射光束。被阻断的那部分光会在观察屏上形成暗条纹，而未被阻断的那部分光则在观察屏上形成亮条纹，从而在观察屏上便形成明暗相间的干涉图形。从该图形便可来检测被测表面的部分参数。从本质上讲，纹影仪所检测的是表面高度变化在一个方向(x)上的梯度变化，为要得到另一方面(y)上的变化，要么被测物体、要么刀口需转动90度，因此x、y方向上的梯度变化必须分开进行测量，且其方向不能确定。这种刀口式纹影仪法的最大缺点是：它是一种半定量的测量方法。

对物体表面形貌的测量通常采用接触与非接触两类，在非接触测量中以光干涉和光线偏折法最为典型。干涉法测量的是光程差，而干涉图上各点的光强与光程差是一对多的关系，不能根据一张干涉图来完全确定被测表面的形貌，因此常在干涉法中引入相移技术，用多张干涉图来计算各点的相位，最终重构被测表面轮廓。缓变表面形貌的测量也是一个重要的测量课题，一些晶体在其生长过程中常需要研究和观察其浓度的变化以及表面形貌的宏观变化。因此相移干涉法不适合于测量变化的表面形貌。纹影仪法和莫尔测偏法由于测量的是光线偏折角，它不但包含了该点斜率的大小信息，而且也包含了斜率符号信息，因此适合于测量动态表面的形貌，但需同时获取两方向的表面梯度变化信息。而如前所述，无论是纹影法还是莫尔测偏法均不能同时获取两方向的梯度信息。

在W.L.豪维斯，“彩虹式放影仪与马赫一曾德尔干涉仪的比较”，《应用光学》，1985年，第24卷，第6期，第816-822页中描述了一种用于检测被测物表面平直度的纹影仪，其中的空间滤波器用一块颜色盘来替代刀口。盘的中央区为透明，第一圈具有第一种颜色，第二圈为第二种颜色，其他的圈各具有不同的颜色。若被测表面为平面，则观察屏上的像为白色；反之则为不同的颜色。尽管用该法可同时检测被测表面在不同径向上的梯度变化，但该法的缺点是不能敏感被测表面的切向梯度变化，因此是一种半定量的分析方法。

美国专利第4,854,708号中介绍了一种莫尔测偏法，它本质上也是一种纹影测量法，其基本装置仍是一纹影仪的装置，只是替代在像平面上的刀口装置，而在像平面之后放置两块平行的朗奇光栅，两块光栅相距一泰伯距离d，且相互倾斜一角度0，从而当光束经过两块光栅后，则在观察屏上形成明暗相间的莫尔条纹。由此来测量被测表面不规则性或位相物体的内部特征。对反射表面来说该法测量的量本质上是表面起伏高度的一阶偏导数，因此为得到两方向上的导数，需将两光栅或被测物旋转90°。因此对表面测量带来一定的不便之处，尤其是该方法不能用于测量变化介质或变化的表面。

在S.克莱恩等，“用于现场定量影照生长晶体周围溶液浓度轮廓的暗场式纹影显微镜”，《晶体生长杂志》1997年，第179期，第240-248页中介绍了一种定量测量生长晶体周围溶液浓度轮廓的暗场型纹影仪显微镜，该法的基本装置为一纹影仪，在焦平面上同样设置一刀口。该法的缺点也是不能同时获取x、y方向的浓度梯度，因此不能用于较快变化的扩散的测量，

本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提供一种测量物体表面形貌的纹影仪，可同时获取x、y两方向上的面形变化梯度信息，从而简化了整个装置的结构，不仅能测量物体静态表面的形貌，而且也可测量变化表面的形貌。

本发明提出的一种测量物体表面形貌的纹影仪，包括光源部件、光学成像部件，所说的光源部件由激光器及设置在其输出光束上的小孔滤波器和扩束透镜组成，所说的光学成像部件由将经扩束透镜扩束后的光束进行分束的分光镜、接收该分光镜反射的光束的反射镜、接收该反射镜反射的光束的准直透镜，以及接收该分光镜透射的光束的空间滤波器和CCD摄像机组成，其特征在于，所说的空间滤波器为一个二维朗奇光栅。

所说的激光器可为He-Ne激光器或半导体激光器。所说的准直透镜可采用消像差非球面准直镜。所说的二维朗奇光栅可被置于焦平面上；也可被置于焦平面之前的适当位置上。所说的CCD摄像机可为CCD面阵摄像机。本发明还可包括还包括用于对图像信号进行处理的图像采集与处理***，该***由用于采集所说的CCD摄像机获取被测表面形貌的信息的高速图像采集卡和对该图像数据进行处理的微机所构成，所说的高速图像采集卡与该微机的接口相连，所说的微机储存有图形处理及控制软件。

本发明的主要特点是在传统的纹影仪像平面的空间滤波器位置上替代刀口法而放置一块二维朗奇光栅，用于获取在x、y两方向上面形变化的梯度信息，并可进一步采用高速图像采集卡对图形信息进行实时采样，从而来重构被测表面的形貌，本发明的装置结构简单，不仅可测量物体静止表面的形貌，而且也可测量动态缓变表面的形貌。

附图简要说明

图1为本发明的测量方法原理图，

图2为本发明的测量装置的原理图，

图3为本发明的测量装置的实施例结构示意图，

图4为本实施例的两维朗奇光栅结构示意图，

图5为本实施例的图形处理软件流程图。

本发明所述的测量物体表面形貌的纹影仪的构成、工作原理及其装置的结构实施例结合各附图详细说明如下。

本发明基于朗奇光栅的测量原理如图1所示，对光线偏转角的测量是通过用光栅对光线进行采样来实现的。被测表面31为平面时，反射光线经准直透镜32、朗奇光栅33会聚于点F，根据三角关系有 $\frac{\stackrel{\‾}{A^{\′}{B}^{\′}}}{\stackrel{\‾}{\mathrm{AB}}}=\frac{\stackrel{\‾}{B^{\′}{C}^{\′}}}{\stackrel{\‾}{\mathrm{BC}}},$ 设朗奇光栅33的占空比为50％，则在CCD摄像机34面阵上得到的是占空比为50％的方波信号，可写为 $I\left(x\right)=b_0+\underset{k=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{b}_k\sin \mathrm{k\ωx}$ 。当被测表面有一倾斜角θ时，反射光线投射到焦平面上P点，与CCD面阵交于D点，无偏差时光线与CCD面阵交于D点，此时可得Δ＝ D′D″的偏差，根据图示几何关系，有： $\frac{\stackrel{\‾}{E^{\′}{E}^{\′\′}}}{\stackrel{\‾}{P^{\′}{P}^{\′\′}}}=\frac{\stackrel{\‾}{D^{\′}{D}^{\′\′}}}{\stackrel{\‾}{F^{\′}P}},$

则有Δ＝ D′D″＝Ztg                  (1)

由于＝2θ，则

Δ＝Ztg2θ                             (2)于是光栅投射就把被测表面的倾斜角θ转换为光栅投影中条纹间距的变化量Δ。为求θ角，采用同步解调技术。

将光栅投影信号表示为 $I\left(x\right)=b_0+\underset{k=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{b}_k\sin [\mathrm{k\ωx}+{\mathrm{\ψ}}_k\left(x\right)]$ 式中ψ_k(x)为光栅间距变化引起的空间频率相角变化，将I(x)经低通滤波得基频信号I₁(x)＝b₁sin[ωx+ψ₁(x)]，                 (3)式中ψ₁(x)在采样点x_i的值为 ${\mathrm{\ψ}}_1\left(x_1\right)=\frac{2\mathrm{\π}}{d}\mathrm{\Δ}\left(x_1\right)----\left(4\right)$ 式中d为光栅投影周期。将式(3)归一化得：

I₁(x)＝sin[ωx+ψ₁(x)]                 (5)取同步信号I_sync(x)＝cosωx                 (6)将式(5)与式(6)相乘得： $I_1\left(x\right)I_{\mathrm{sync}}\left(x\right)=\frac{1}{2}\left\{\sin \right[2\mathrm{\ωx}+{\mathrm{\ψ}}_1\left(x\right)]+\sin [{\mathrm{\ψ}}_1\left(x\right)\left]\right\}----\left(7\right)$ 将乘积经低通滤波去除2倍频的载波信号后得 $F\left(x\right)=\frac{1}{2}\sin \left[{\mathrm{\ψ}}_1\left(x\right)\right]----\left(8\right)$ 将式(2)和式(4)代入式(8)可得： $\frac{2\mathrm{\π}}{d}\mathrm{ztg}2\mathrm{\θ}=\arcsin \left[2F\left(x\right)\right]$ 亦即 $\mathrm{\θ}\left(x\right)=\frac{1}{2}\left\{\frac{d}{2\mathrm{\πZ}}\arcsin \right[2F\left(x\right)\left]\right\}----\left(9\right)$ 由此可得一行的光栅投影信号所对应的被测表面沿x方向的倾斜角。对整个被测表面则有 $\mathrm{\θ}(x,y)=\frac{1}{2}\mathrm{arctg}\left\{\frac{d}{2\mathrm{\πZ}}\mathrm{arcSin}\right[2F(x,y)\}----\left(10\right)$ 同理可得y方向的表达式同式(10)的倾斜角。在获得破测表面的两正交方向的倾斜角θ_x和θ_y之后，即可求出其斜率tg[θ_x(x，y)]和tg[θ_y(x，y)]，进而通过积分即可求出被测表面各点的相对高度值，即表面形貌。

本发明的测量装置的组成及原理如图2所示，由He-Ne激光器1发出的激光束由扩束透镜2扩束，经小孔滤波器3消除杂散光之后，由分光镜4改变其一部分光的传播方向，经平面反射镜7改变光路，然后经非球面准直透镜8准直后照射在被测液面9上，该平行光被被测液面反射后，按原路返回经分光镜4再次将光分为两路，其中一路会聚在焦平面上，经空间滤波器5投影到CCD摄像机6的感光阵列上。

本发明的一种实施例的总体结构如图3所示，由上套筒12、下套筒13、横套筒14、上立柱15、下立柱16、中间板17、底板18、激光器组件19、以及导轨20所组成。图2所示的各光路元件分别安装在上套筒12、下套筒13、横套筒14中。上立柱15、下立柱16、中间板17用于连接上套筒12和下套筒13′使之成一整体。CCD摄像机6被放置在导轨20上。用调节螺钉21来调节被测物的水平状态。整个仪器用固定螺钉11加以固定。

由于被测量对象为缓变表面，因此要同时获取表面在x、y两方向上的变化信号，为此本发明采用两维朗奇光栅来作为空间滤波器，一种两维朗奇光栅的实施例结构如图4所示，该光栅为矩形网格状、点的相间的两维直光栅。在本发明的一个实施例中，所测表面为缓慢变化的晶体生长表面，其变化频率约为1HZ，根据信号采样定理，可将矩形单元格的边长a定为0.25mm。

本发明还可进一步包括用于对图像信号进行处理的图像采集与处理***，该***由摄像机、微机和图形处理及控制软件构成，在本发明的一个实施例中，摄像机采用CCD黑白摄像机，输出信号为CCIR制式。连续摄像速度为25帧/秒。图像采集卡为Matrox公司的Pulsar黑白图像采集卡，其采集速度为8位A/D，45MHZ；10位A/D，30MHZ，采集最大尺寸为2048×2048×8位。采用图形处理软件可对采集的图像数据进行处理并用来控制整个操作过程，最后重构被测液面的三维形貌并在显示器上加于显示。

图5为本实施例的图形处理软件流程图，为重构被测表面的形貌，本发明采取了一种同步解调的技术求出表面各点的倾斜角，进而来求出表面形貌。具体处理步骤如下：

1、对图像采集卡作初始化处理；

2、用图像采集卡从CCD摄像机获取光学图像信息：

3、用同步信号I_sync(x，y)＝cosω(x，y)分别对x，y两方向的光栅投影图像作同步解调以获取两方向的表面倾斜角θ(x，y)；

4、求出表面x，y两方向的斜率；

5、由该斜率信息作积分，求得表面三维形貌。

Claims (7)

1、一种测量物体表面形貌的纹影仪，包括光源部件、光学成像部件，所说的光源部件由激光器及设置在其输出光束上的小孔滤波器和扩束透镜组成，所说的光学成像部件由将经扩束透镜扩束后的光束进行分束的分光镜、接收该分光镜反射的光束的反射镜、接收该反射镜反射的光束的准直透镜，以及接收该分光镜透射的光束的空间滤波器和CCD摄像机组成，其特征在于，所说的空间滤波器为一个二维朗奇光栅。

2、如权利要求1所述的纹影仪，其特征在于，所说的激光器为He-Ne激光器或半导体激光器。

3、如权利要求1所述的纹影仪，其特征在于，所说的准直透镜采用消像差非球面准直镜。

4、如权利要求1所述的纹影仪，其特征在于，所说的二维朗奇光栅被置于焦平面上。

5、如权利要求1所述的纹影仪，其特征在于，所说的二维朗奇光栅被置于焦平面之前的适当位置上。

6、如权利要求1所述的纹影仪，其特征在于，所说的CCD摄像机为CCD而阵摄像机。

7、如权利要求1、2、3、4、5或6所述的纹影仪，其特征在于，还包括用于对图像信号进行处理的图像采集与处理***，该***由用于采集所说的CCD摄像机获取被测表面形貌的信息的高速图像采集卡和对该图像数据进行处理的微机所构成，所说的高速图像采集卡与该微机的接口相连，所说的微机储存有图形处理及控制软件。

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