雙線陣相機的線掃描差動共聚焦檢測方法

賴東明，孔令華，練國富，易定容，朱星星

（1.福建工程學(xué)院 機械與汽車工程學(xué)院，福建 福州 350108；2.華僑大學(xué) 機電與自動化學(xué)院，福建 廈門 361021）

引言

隨著加工工藝技術(shù)的發(fā)展，對于精密元器件的表面微細結(jié)構(gòu)測量要求日益嚴(yán)苛，既要求有較高的測量精度，又要有較快的測量效率[1-2]。現(xiàn)有微觀三維形貌檢測方法中，非接觸式光學(xué)檢測方法具有測量速度快且不會破壞被測工件表面的優(yōu)點，應(yīng)用越來越廣泛[3]。共聚焦顯微測量技術(shù)能實現(xiàn)高分辨率成像，且具有優(yōu)秀的軸向?qū)游瞿芰?，在眾多光學(xué)檢測方法中脫穎而出[4]。共焦顯微測量技術(shù)普遍采用單點或者多點掃描，利用軸向響應(yīng)曲線確定被測物的軸向高度信息，從而實現(xiàn)微觀三維形貌測量[5]。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對于共焦顯微測量技術(shù)的研究大多以提高測量精度和效率為目的。在提高軸向測量精度方面，Lee 等人首次提出了差分共焦顯微測量技術(shù)，通過在像方分別放置2 臺對稱的探測器，利用差動軸向響應(yīng)曲線的斜邊段進行傳感測量，軸向分辨率可達2 nm[6-8]?；诖?，Zhao 等人提出了基于三探測器的差動共焦測量方法，進一步提高了成像能力[9]。Liu 等人提出激光作為光源的激光掃描差動共聚焦顯微測量技術(shù)，軸向分辨率可達1 nm[10]。劉志群等人提出了適用于并行共聚焦測量技術(shù)的軸向測量方法，將差動共焦顯微測量技術(shù)與結(jié)構(gòu)光顯微成像技術(shù)相結(jié)合，該方法結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)，對于500 nm 的臺階樣品測量誤差為2.9 nm[2,11-12]。以上這些方法雖然軸向測量精度大多能達到nm 量級，但它們的測量效率和單次測量范圍還有待提高。

在提高測量效率方面，TC Trusk 等人提出了多光束并行共聚焦顯微測量方法，將激光掃描共聚焦顯微測量技術(shù)的單點模式通過針孔陣列實現(xiàn)并行共聚焦，解決了傳統(tǒng)共聚焦掃描測量中測量范圍小、掃描效率低的問題[13]。但該方法同時也會引入泰伯效應(yīng)，導(dǎo)致并行共聚焦的測量精度受到影響[14]。朱茜等人采用基于DMD 的并行共聚焦顯微測量技術(shù)，既保證了測量效率，又具有高分辨率和高對比度的層析效果[15]。Hillenbrand 等人提出了基于針孔陣列的彩色并行共聚焦顯微測量技術(shù)，在保證檢測效率的同時，又提高了橫向分辨率[16-17]。以上文獻提到的方法雖然能提高測量效率，但它們在測量過程中需要停頓或者上下移動載物臺來轉(zhuǎn)換視場，還無法實現(xiàn)一次對焦就對樣品進行連續(xù)不間斷的掃描檢測。

為了進一步提高共聚焦顯微測量技術(shù)的測量效率和測量范圍，實現(xiàn)智能制造檢測中對大樣本進行連續(xù)不間斷的掃描檢測，本文提出一種基于雙線陣相機的線掃描差動共聚焦三維形貌測量方法。該方法在測量時只需通過一次掃描，在焦前和焦后分別獲取同一樣本同一掃描區(qū)域的2 幅圖像，利用線掃描圖像合成算法和差動算法，得到樣本位于測量區(qū)域的差動圖像，結(jié)合預(yù)先刻度的測量曲線，即可完成樣本的三維形貌還原，實現(xiàn)大范圍高效高精度測量。

1 測量原理

本文提出的基于雙線陣相機的線掃描差動共聚焦三維形貌測量方法的測量原理如圖1所示。從線掃描光源發(fā)出的光，經(jīng)過均勻光透鏡組變成平行光，照射在DMD 上，通過計算機發(fā)送信號給DMD 控制器，從而控制數(shù)字微鏡器件DMD 微鏡單元陣列的開關(guān)實現(xiàn)一條或者多條DMD 線的微鏡開，其他微鏡關(guān)，從而實現(xiàn)任意位置及取向的線聚焦形狀的光再反射出來，得到需要的線掃描光源。DMD 將光源變成線陣光經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡，到光鏡上，再經(jīng)過物鏡到待測樣品上。計算機控制載物臺在x/y平面沿著垂直于線陣光的方向做勻速掃描運動，實現(xiàn)線共焦掃描。由待測樣品反射回來的光在第2 個分光鏡處又各分成50%，分別由2 個線陣相機接收。線陣相機再將反射回來的所有線掃描圖像傳遞給計算機，進行拼接處理和差動相減得到差動圖像，結(jié)合實驗前刻度的測量曲線，生成樣品的三維形貌。該方法利用線掃描光源可在樣品上打出極為細長的線掃描光線，極大增加了掃描寬度和單次測量范圍；由于2 個線陣相機能分別同時采集焦前和焦后的線掃描圖像，不僅擴大了線性測量區(qū)間，還避免了傳統(tǒng)差動共聚焦檢測技術(shù)需要在檢測過程中停頓的不足；該方法在測量速度上僅受線陣相機的最大行頻和載物臺最大掃描速度的限制，可實現(xiàn)連續(xù)不間斷的掃描檢測。

實驗前需要調(diào)整2 個線陣相機在光軸上的軸向離焦位置，使得U1=U2，并保證U1+U2≥待測樣品臺階的高度。此時探測器的光強IT和離焦量μF滿足如下關(guān)系：

式中：IA和IB分別為線陣相機2 和線陣相機1 接收的光強信號；vdy為狹縫探測器的歸一化長度；μ和μF分別表示探測器在光軸方向的位置和離焦量。此時取μF=3，可得到IA、IB和IT的差動光強響應(yīng)曲線，如圖2所示。通過對線性區(qū)域[?2,2]進行線性擬合，即可得到光強差I(lǐng)T與離焦量的關(guān)系，從而確定待測樣品的軸向高度。

2 測量系統(tǒng)刻度

線掃描差動共聚焦軸向測量方法是在基于DMD 的共聚焦顯微鏡上完成的。測量系統(tǒng)如圖3所示，主要包括線掃描光源、2 個線陣相機、DMD及其控制器、物鏡、壓電陶瓷電機、高精度三軸載物臺等。系統(tǒng)組成重要元件參數(shù)如下：2 個線陣相機的像元尺寸為7×7(μm2)，分辨率均為8 192×1，最大行頻為14 888 Hz/s，載物臺的掃描速度為1.63 mm/s。

測量之前需要對系統(tǒng)進行刻度，采用10×/NA=0.25的物鏡，線陣相機曝光時間設(shè)定為200 μs，以平面反射鏡為樣本，進行線掃描差動共聚焦軸向測量方法的標(biāo)定工作，并將10 次重復(fù)性刻度實驗的刻度曲線擬合成一次函數(shù)，結(jié)果如圖4所示。

根據(jù)圖4所示的刻度曲線可得出，以圖中100 μm處為軸向測量位置的零點，則在[90 μm，110 μm]的線性區(qū)間內(nèi)，將歸一化光強IT(μ)與軸向位置μ之間的關(guān)系做歸一化處理，并將其擬合為一次函數(shù)，其表達式為

3 測量實驗與結(jié)果

3.1 測量硬幣樣品

為了檢驗基于雙線陣相機的線掃描差動共聚焦三維形貌測量方法的測量精度和測量效率，采用10×/NA=0.25的物鏡，對一角錢硬幣樣品微小的臺階區(qū)域進行測量，實物測量區(qū)域如圖5（a）所示，采集到的焦前10 μm 和焦后10 μm 的圖像分別如圖5（b）、（c）所示，用焦前圖像的灰度值減去焦后圖像的灰度值，即可得到如圖5（d）所示的硬幣測量區(qū)域的差動圖像。

根據(jù)圖4所示的標(biāo)定曲線以及函數(shù)表達式（1），即可得到硬幣樣品測量區(qū)域的三維形貌還原圖，如圖6（a）、（b）所示。

從本次硬幣樣品的測量結(jié)果圖6 中截取25 個臺階進行軸向高度分析，結(jié)果如圖7所示。

經(jīng)過計算得到本次測量中截取硬幣樣品的25 個臺階上表面平均軸向高度為15.649 13 μm，截取其25 處凹槽的平均軸向高度為?3.886 81 μm，25 個臺階的平均軸向高度差為19.535 94 μm。繼續(xù)對以上硬幣樣品的相同區(qū)域進行連續(xù)2 次的測量，3 次測量的結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

表1 本文的方法對硬幣樣品25 個臺階的測量結(jié)果Table 1 Results of 25 steps of coin sample measured by proposed method

3.2 對照實驗

為了驗證本文的方法對硬幣樣品臺階區(qū)域測量的準(zhǔn)確性，采用布魯克UMT-TriboLab 多功能摩擦磨損試驗機的白光干涉儀功能對樣品相同位置進行連續(xù)3 次重復(fù)性測量實驗，并分別取平均值，測量區(qū)域測量結(jié)果如圖8（a）、（b）所示。

3.3 測量結(jié)果對比和分析

采用2 種方法對硬幣樣品的測量結(jié)果中，軸向測量精度對比與測量效率如表2所示。

表2 2 種方法對硬幣樣品測量效率對比Table 2 Comparison of measurement efficiency of coin samples by two methods

從表2 可以看出，本文的測量方法在相同時間內(nèi)單次測量范圍和測量效率分別是白光干涉儀的16.48 倍和6.59 倍，并且白光干涉儀在測量過程中需要停頓轉(zhuǎn)換視場，本文提出的方法在測量過程中不需要停頓，只要實現(xiàn)一次對焦，就可以對樣品進行連續(xù)不間斷的掃描檢測。但本文的方法可能存在雙線陣相機裝調(diào)誤差難以匹配的問題，從而影響測量的精度。

4 結(jié)論

本文針對目前共聚焦顯微測量技術(shù)中尚無法對大樣本進行大范圍高效連續(xù)不間斷掃描檢測的不足，提出一種基于雙線陣相機的線掃描差動共聚焦三維形貌測量方法。通過實驗證明：該方法與白光干涉儀相比，能夠?qū)崿F(xiàn)不降低測量精度的情況下極大地提高測量范圍和檢測效率，在相同時間內(nèi)單次測量范圍和測量效率分別是白光干涉儀的16.48 倍和6.59 倍。本文提出的方法在測量過程中不需要停頓，只要實現(xiàn)一次對焦，就可以對樣品進行連續(xù)不間斷的掃描檢測，能滿足智能制造工業(yè)生產(chǎn)中對大樣本的在線在位、實時高效高精度大范圍的檢測需求。