[發(fā)明專利]一種基于光場信息融合的超薄多層圖形微納結構三維重構方法

在審

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• 申請日: 2023-03-31
• 公開（公告）號: CN116625275A
• 公開（公告）日: 2023-08-22
• 發(fā)明（設計）人: 謝仲業(yè);李楠;丁文霞;武淼;周亞飛
• 申請（專利權）人: 東莞理工學院
• 主分類號: G01B11/25
• 分類號: G01B11/25;G01B11/06
• 代理公司: 廣州潤禾知識產權代理事務所(普通合伙) 44446
• 代理人: 鄭永泉

本發(fā)明公開了一種基于光場信息融合的超薄多層圖形微納結構三維重構方法。本發(fā)明采用DMD對窄帶寬R、G、B照明光場進行振幅調制并投影到待測多層結構表面，測量過程中，通過壓電陶瓷縱向掃描待測物體，經結構調制的反射光由彩色相機采集。計算過程中，從采集圖像中解析出不同掃描位置處的調制度分布，同時從彩色圖像中反演出初始厚度信息，最終根據成像顏色以及調制度信息，建立信息融合迭代測量模型，從而實現薄層圖形微納結構的三維重構。本發(fā)明與現有單一調制度信息測量方法相比，具有更高的測量精度、厚度分辨率和抗噪能力，與干涉測量相比，避免了相位模糊等問題，具有更高的測量適應性。

技術領域

本發(fā)明屬于光學測量儀器技術領域，具體涉及一種基于光場信息融合的超薄圖形微納結構三維重構方法。

背景技術

具有多層圖形結構特征的微納結構在微機電系統(MEMS)、新能源、柔性顯示等領域應用廣泛。微納結構表面形貌特征及其厚度分布直接決定了器件的各種性能如力學性能、光學性能、電磁性能等，是器件設計和工藝制造的關鍵參數之一，為了保障器件加工質量、探究結構性能，需要對每層結構形貌特征及厚度信息進行檢測。

光學檢測方法具有高精度、非接觸等優(yōu)點，是目前透明介質多層圖形結構主要檢測手段。現有的方法主要包括白光干涉法、共聚焦測量方法。其中，白光干涉法通過縱向掃描待測結構，提取每一層結構表面反射光與參考面之間形成的干涉條紋相位信息實現多層結構同步三維重構。然而，結構層之間的干涉會影響有效干涉信號，在薄層結構檢測中存在諸多局限。激光共聚焦測量方法通過提取每一層結構相對應的光強極值點，然后進行逐點多次橫向拼接來實現多層結構重構，測量效率較低。

基于結構光照明顯微調制度分析的多層結構測量方法由于其高適應性、高精度在多層膜結構檢測中得到了應用。例如：中國專利202010655627.6公布了一種基于結構照明顯微系統的超薄膜器件三維形貌檢測方法。該方法首先利用相移算法結合軸向掃描得到調制度曲線，然后利用峰值算法提取初始厚度值。最后根據重疊高斯模型擬合調制度曲線，從而確定結構層形貌信息。然而，一方面，當該方法用于圖形微納結構檢測時，成像噪聲帶來的調制度曲線噪聲以及曲線形狀的隨機不對稱性將不可避免的帶來較大的擬合誤差，導致測量精度較低。另一方面，當多層調制度曲線完全重疊時，采用峰值法獲得的初始厚度值與初始值和實際值具有較大偏離，導致擬合速度慢，測量效率低，且容易陷入局部最優(yōu)解。

針對上述檢測方法缺陷，本發(fā)明提出一種基于光場信息融合的超薄多層圖形微納結構三維重構方法。本方法在調制度分析方法基礎上，引入由不同波長的光在不同厚度層表面反射、干涉引起的反射光譜的變化，即成像上的色彩變化，進而根據調制度信息和顏色信息建立融合迭代測量模型，從而實現高精度超薄多層結構測量。

發(fā)明內容

本發(fā)明設計了一種基于光場信息融合的超薄多層圖形微納結構三維重構方法，該方法可以實現薄層圖形微納結構的高精度三維測量，測量精度最高可達納米量級。為了達成上述目的，本發(fā)明提供的技術方案為：測量之前，采用窄帶寬R、G、B光源作為照明光源，然后根據光譜分布、待測結構介質材料信息結合光譜干涉基本原理，建立結構層成像顏色與厚度之間理論關系。測量過程中，采用壓電陶瓷位移臺驅動待測結構進行軸向掃描，每掃描一步，利用空間光調制度投影預先設計的多幀條紋圖像至待測結構表面，同時采用彩色相機采集圖像。計算時，利用相移算法從采集的彩色圖像中解析得到調制度分布，進而獲得每個像素點調制度值隨掃描位置變化的調制度曲線，最后根據調制度曲線和預先建立的顏色-厚度模型，建立信息融合迭代測量模型，實現結構層形貌和厚度的高精度解析。

本發(fā)明提供的基于光場信息融合的超薄多層圖形微納結構三維重構方法包括以下步驟：

步驟S1：本發(fā)明采用窄帶寬R、G、B光源作為測量系統的照明光源，測量之前，根據光源光譜分布和干涉原理，建立反射顏色信息與結構層厚度信息理論關系；