[發明專利]三維形貌測量中由光強圖確定相移量主值的方法

有效

• 申請號: 201510435415.6
• 申請日: 2015-07-22
• 公開（公告）號: CN105136060B
• 公開（公告）日: 2017-12-08
• 發明（設計）人: 戎華;陳璽
• 申請（專利權）人: 南京師范大學
• 主分類號: G01B11/24
• 分類號: G01B11/24
• 代理公司: 南京知識律師事務所32207
• 代理人: 李媛媛

技術領域

本發明涉及一種在三維形貌測量中由光強圖直接確定光強圖之間相移量主值(即介于-180°與+180°之間的角度值)的方法，屬于光學三維形貌測量技術領域。

背景技術

無論是宏觀物體還是微觀物體，其三維形貌的測量正變得日益重要。光學相移三維形貌測量法(簡稱相移法)是現有的測量物體三維形貌的重要方法，其基本原理是通過引入相移來拍攝多幅光強圖(至少三幅)，再根據相移量的大小及光強值來計算物體的三維形貌。用壓電陶瓷(PZT)精確地引入移動量是現有相移法能夠實現三維形貌精確測量的基礎。然而高精度的PZT系統價格昂貴且需要經常重新標定，無法實現廣泛應用。因此，如何由光強圖直接確定多幅光強圖之間的相移量(或相移量主值)是一項非常有意義的工作。

從多幅光強圖直接計算相移量主值的常用方法是快速傅里葉變換(FFT)法，而光強圖中的背景光強常常顯著影響計算精度。如何消除背景光強對測量精度的影響是用FFT法計算相移量主值過程中必須解決的一個關鍵問題。

發明內容

針對以上現有技術中存在的缺陷，本發明提供一種在三維形貌測量中由光強圖直接確定光強圖之間相移量主值的方法，并且該方法可以消除背景光強對測量精度的影響。

為了實現上述發明目的，本發明采用的技術方案如下：

三維形貌測量中由光強圖確定相移量主值的方法，包括如下步驟：

步驟1，獲得n幅光強圖，其中，n≥3，光強圖的光強值表示為：

其中I₀(x,y)為背景光強，A是調制度，是與物體表面三維形貌有關的光波前相位，ψ_i是光強圖的初相位；

步驟2，利用FFT算法從光強圖的光強值計算每幅光強圖的初相位ψ_i，作為初相位的初值然后計算第i幅光強圖與第一幅光強圖之間的相移量的初值其中2≤i≤n；

步驟3，根據第一幅光強圖和第i幅光強圖的光強值以及這兩幅光強圖之間的相移量的初值，使用以下公式計算背景光強的初值：

其中，M_i1為第i幅光強圖的光強值與第一幅光強圖的光強值之和，即M_i1＝I_i(x,y)+I₁(x,y)；N_i1為第i幅光強圖的光強值與第一幅光強圖的光強值之差I_i(x,y)-I₁(x,y)再左移90°；

步驟4，將步驟3獲得的(n-1)個背景光強初值的平均值作為實際背景光強的初值，平均值的計算公式如下：

步驟5，將每幅光強圖的光強值減去步驟4得到的背景光強初值，即得到每幅光強圖中由表面三維形貌變化引起的光強變化量的初值

步驟6，根據步驟5的光強變化量利用FFT算法計算出初相位的第一次迭代結果

步驟7，根據步驟6的計算相移量的第一次迭代結果：其中2≤i≤n；

步驟8，重復步驟3～步驟7進行重復迭代過程至收斂，即可得到背景光強，同時也得到了相移量，其中重復迭代過程中第k(k≥1)次迭代的迭代式為：

如果經上述迭代得到的相移量結果不在主值范圍內，通過將相移量+360°或-360°就可調整到主值范圍內。

本發明利用每幅光強圖中的背景光強都相同這一特性，基于快速傅里葉(FFT)變換，利用迭代法計算背景光強，同時得到相移量的主值(背景光強收斂時所對應的相移量即為所求的相移量或相移量主值)。用此方法，可以由光強圖直接快速計算出相移量主值，無需引入PZT等復雜系統，而且可以消除背景光強對計算精度的影響，顯著提高相移量主值的測量精度，是一種簡單可行的方法。

附圖說明

圖1為懸臂梁的掃描電子顯微鏡(SEM)照片；

圖2、3、4、5為連續拍攝的四幅干涉圖；

圖6為圖2、3、4、5中直線位置處的光強分布圖；

圖7為圖2、3、4、5中直線位置處的背景光強。

具體實施方式

本發明的相移量主值的測量原理具體如下：

假設獲得的n(n≥3)幅光強圖的光強分別為：