基于彩色条纹信息处理的微结构测量系统及测量方法
【专利摘要】一种基于彩色条纹信息处理的微结构测量系统及测量方法，系统有Zeiss光学显微镜，输入光源卤素灯，Zeiss光学显微镜的样品扫描端设置有与计算机相连的扫描机构，Zeiss光学显微镜的信号采集端依次设置有CCD彩色相机和与CCD彩色相机相连的图像采集卡，所述的图像采集卡还连接计算机。方法：对CCD彩色相机采集的一组原始图像进行拜尔反变换；得到不同扫描位置处R、G、B的光强值；计算R、G、B通道的相位信息；确定零光程差的位置；得到像素点对应的高度信息；得到不同像素点对应的高度信息，最终得到物体的表面形貌。本发明使用CCD彩色相机采集白光干涉条纹图像，可以有效的减小环境噪声的影响，提高测量精度。
【专利说明】基于彩色条纹信息处理的微结构测量系统及测量方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种微结构测量系统。特别是涉及一种使用CCD彩色相机采集白光干涉条纹图像的基于彩色条纹信息处理的微结构测量系统及测量方法。
【背景技术】
[0002]在微纳制造领域，微纳器件的表面形貌对系统的可靠性和质量影响显著。例如，MEMS电容器两平行极板的表面形貌会显著影响电容器的电容值、电压值、电场分布等机电特性，进而影响到MEMS电容器件的性能和成品率。此外，微纳器件的表面形貌可以反映出加工过程中的工艺参数，是对加工过程进行监控、诊断的重要依据。因而，微结构表面形貌的精密测量具有重要意义。
[0003]在微纳测试领域，白光干涉测量技术是一种重要的非接触式测量方法。在测试过程中，该技术不构成对被测物体表面的损伤，还具有测量范围大、测试精度高的优点。针对白光干涉信号处理的算法主要分为两种:一种是通过分析白光干涉信号的光强分布，获得被测物体的形貌，主要算法有重心法、多项式拟合法等；另一种是通过白光干涉信号的相位信息获取物体的形貌，主要算法有傅立叶变换法、小波变换法等。
[0004]在采集白光干涉条纹的过程中，通常使用的是CCD黑白相机，而利用CCD彩色相机可使获取的图像信息由二维扩展为三维，即R、G、B三个通道的信息。Micha丨E.Pawtowski等人利用3-CCD彩色相机获取白光干涉图像，但由于采集的干涉信号蓝色波段光谱能量较弱，所以只使用了 R、G两个通道的信息分析得到被测物体的形貌；SU0d0ng Ma等人基于加窗傅里叶变换的方法，通过对3-CXD彩色相机采集的R、G、B三个通道的图像进行分析，获得了被测物体的形貌；相较于通过棱镜分光实现彩色图像获取的3-CCD彩色相机，单CCD彩色相机通过拜尔(Bayer)滤波获取彩色图像的方法成本更为低廉,Zdengk Buchta等人基于实验验证了使用单CCD彩色相机采集白光干涉图像，进而分析获得物体三维形貌的可行性。
【发明内容】
[0005]本发明所要解决的技术问题是，提供一种可以有效的减小环境噪声影响、提高测量精度的基于彩色条纹信息处理的微结构测量系统及测量方法。
[0006]本发明所采用的技术方案是:一种基于彩色条纹信息处理的微结构测量系统，包括有Zeiss光学显微镜，Zeiss光学显微镜的光源输入端设置有齒素灯，Zeiss光学显微镜的样品扫描端设置有用于对样品进行垂直扫描，并与计算机相连的扫描机构，Zeiss光学显微镜的信号采集端依次设置有CCD彩色相机和与CCD彩色相机相连的图像采集卡，所述的图像采集卡还连接计算机。
[0007]在所述的Zeiss光学显微镜与所述的卤素灯之间设置有用于降低蓝色波段以外波段的光透射率的白平衡滤光片。
[0008]在所述的扫描机构包括有与所述的Zeiss光学显微镜的样品扫描端对应设置的物镜纳米定位器和与所述的物镜纳米定位器相连的压电控制器，所述的压电控制器通过RS232连接计算机,所述的物镜纳米定位器连接在Mirau型干涉物镜上,所述的Mirau型干涉物镜与设置在实验台上的样品相对应设置。
[0009]本发明的用于基于彩色条纹信息处理的微结构测量系统的测量方法，包括如下步骤:
[0010]I)对CXD彩色相机采集的一组原始图像进行拜尔反变换，得到真实的彩色图像信息；
[0011]2)分别提取由步骤I)变换得到的彩色图像任一像素点的R、G和B通道光强信息，进而得到不同扫描位置处R、G、B的光强值；
[0012]3)选择Morlet小波作为小波变换的母小波，对步骤2)得到的R、G、B通道的光强值做一维连续小波变换，利用变换结果计算R、G、B通道的相位信息；
[0013]4)对步骤3)得到的R、G、B通道的相位信息，基于构造的评价函数
【权利要求】
1.一种基于彩色条纹信息处理的微结构测量系统，包括有ZeiSS光学显微镜(2)，其特征在于，Zeiss光学显微镜(2)的光源输入端设置有卤素灯(I),Zeiss光学显微镜(2)的样品扫描端设置有用于对样品(9)进行垂直扫描，并与计算机(8)相连的扫描机构，Zeiss光学显微镜(2)的信号采集端依次设置有CCD彩色相机(6)和与CCD彩色相机(6)相连的图像采集卡(7 )，所述的图像采集卡(7 )还连接计算机(8 )。
2.根据权利要求1所述的基于彩色条纹信息处理的微结构测量系统，其特征在于，在所述的Zeiss光学显微镜(2)与所述的卤素灯(I)之间设置有用于降低蓝色波段以外波段的光透射率的白平衡滤光片(11)。
3.根据权利要求1所述的基于彩色条纹信息处理的微结构测量系统，其特征在于，在所述的扫描机构包括有与所述的Zeiss光学显微镜(2)的样品扫描端对应设置的物镜纳米定位器(4)和与所述的物镜纳米定位器(4)相连的压电控制器(5)，所述的压电控制器(5)通过RS232连接计算机(8)，所述的物镜纳米定位器(4)连接在Mirau型干涉物镜(3)上，所述的Mirau型干涉物镜(3)与设置在实验台(10)上的样品(9)相对应设置。
4.一种用于权利要求1~3任一项所述的基于彩色条纹信息处理的微结构测量系统的测量方法，其特征在于，包括如下步骤: 1)对CCD彩色相机采集的一组原始图像进行拜尔反变换，得到真实的彩色图像信息； 2)分别提取由步骤I)变换得到的彩色图像 任一像素点的R、G和B通道光强信息，进而得到不同扫描位置处R、G、B的光强值； 3)选择Morlet小波作为小波变换的母小波，对步骤2)得到的R、G、B通道的光强值做一维连续小波变换，利用变换结果计算R、G、B通道的相位信息； 4)对步骤3)得到的R、G、B通道的相位信息，基于构造的评价函数 = \ψκ ^ψβ\ + \ψβ ~Ψβ\ + \Ψβ~Ψκ \，初步确定零光程差的位置； 5)选取零光程差附近R、G、B通道的相位信息，对所述R、G、B通道的相位信息做最小二乘拟合得到零光程差位置最优估计值，即精确确定零光程差的位置； 6)利用步骤5)得到的零光程差位置最优估计值，得到步骤2)所述像素点对应的高度信息； 7)对步骤I)变换得到的彩色图像的其它像素点分别作与步骤2)至步骤6)相同的处理，从而得到不同像素点对应的高度信息，最终得到物体的表面形貌。
5.根据权利要求4所述的测量方法，其特征在于，步骤2)所述的任一像素点的R、G和B的光强值是由下式得到:
6.根据权利要求5所述的测量方法，其特征在于，所述的相干包络项表示为
7.根据权利要求4所述的测量方法，其特征在于，步骤3)所述的R、G、B通道相位信息，是通过下述三步得到:
第一步，选择Morlet小波作为小波变换的母小波，即
8.根据权利要求4所述的测量方法，其特征在于，步骤6)所述的利用零光程差位置最优估计值，得到步骤2)所述像素点对应的高度信息H，是通过下式得到: H=H' +Z0 (5) 其中，H' =ΝΛ，Δ表示扫描间距，N为采样光强最大值位置对应的扫描步数，Z0为零光程差位置的最优估计值。
【文档编号】G01B11/24GK103791853SQ201410027013
【公开日】2014年5月14日 申请日期:2014年1月20日 优先权日:2014年1月20日
【发明者】郭彤, 李峰, 边琰, 陈津平, 傅星, 胡小唐 申请人:天津大学