本发明属于微纳测量领域，特别涉及一种用于微纳结构表面三维形貌快速测量的双差动型结构光照明显微测量方法。
背景技术：
微纳检测技术是当前微纳领域的一个热点研究方向，也是微纳领域进一步发展的基本保障。微纳器件由于其在微观尺度下所表现的独特性能，在航空航天、生物医药、半导体制造等众多高新技术领域有着广泛的应用。而微纳器件的设计、生产制造、测试等一系列过程都离不开微纳检测技术，三维微纳结构快速测量技术是微纳检测领域的一个重点发展趋势，在实际生产生活中发挥着十分重要的作用。
当前对三维微纳结构的测量方法主要有白光干涉测量技术和数字全息测量技术。白光干涉测量技术是利用干涉原理将照射在待测表面的测量光束与照射在参考平面的参考光束之间产生干涉条纹，将光程差以干涉条纹的形式记录下来，干涉条纹中包含了被测表面的形貌信息，通过相位解包裹，可以从干涉条纹图中将高度信息提取出来，完成被测表面的三维形貌恢复。当前，白光干涉方法具有很高的测量精度，但是该方法在测量大粗糙度表面、大曲率表面时会产生较为密集的干涉条纹，不利于相位解包裹过程，所以在一定情况下限制了该方法的使用。数字全息测量技术是利用光的干涉原理与衍射理论将照射在物体表面反射回的光波以干涉条纹的形式保存为全息图，全息图中包含有被测物体的波前信息，通过对所记录的全息图进行数值重构可以恢复出被测物体的相位以及振幅信息，完成被测物体的三维形貌重构。当前，数字全息技术已经在无标记生物细胞检测、材料表面度量以及微结构表面检测等领域有了广泛应用。然而，对于大粗糙度表面，由于难以产生连续的干涉条纹，使得在进行三维重构时无法获取相位和振幅信息，该方法使用受限。
基于结构光显微测量方法由于其高精度、全视场、非接触性等特点受到了广泛地关注。1997年，neil利用相移法求解结构光显微系统中的轴向响应曲线，调制度最大值会出现在被测表面刚好处于物镜焦平面上时，于是被测表面的高度可以根据调制度最大值出现的位置与扫描步距获得，以此实现表面形貌的测量。1999年，tsai在结构光显微测量中引入了双扫描方法，利用调制度响应曲线的线性区域实现快速形貌测量。2019年，xie将差动测量与结构光显微测量技术结合，一定程度上扩宽了系统的测量范围。迄今为止，基于结构光显微的快速测量方法均采用标定调制度响应曲线与高度之间的线性区域来进行三维重构的，然而由于调制度响应曲线呈近似高斯型分布，线性区域的范围较小，这一缺点极大地限制了该方法的使用范围。
技术实现要素：
为了克服上述当前技术的不足，本发明提出了一种用于微纳结构表面三维形貌快速测量的双差动型结构光照明显微测量方法，该方法在原有单条ccd共轭成像的基础上，添加了两条具有微小距离的ccd探测支路，对三个ccd采集到的调制度响应曲线做双差动运算，构建三ccd双差动系统，对生成的双差动系统的调制度响应曲线分析，线性区域的范围有了明显增加，极大地提升了快速测量系统中地测量范围，该系统特别适用于具有较大高度差物体的测量。
为了实现上述目的，本发明一种用于微纳结构表面三维形貌快速测量的双差动型结构光照明显微测量方法，该方法的步骤如下：
步骤一：通过上位机程序控制压电陶瓷以微小步距垂直扫描标准平面物体，每一次扫描，利用dmd投影n步相移的正弦光栅条纹，利用三ccd双差动系统采集被测表面所调制的条纹图，并将其储存在计算机中；
步骤二：每扫描一次，对三个ccd采集到的条纹图，分别运用n步相移算法解出每一个像素点的调制度值，扫描m次后，得到每个像素点的m帧调制度值；
步骤三：将三个ccd采集的条纹图的调制度分布，做双差动运算，构建出每一个像素点的双差动调制度曲线；
步骤四：根据相关理论，提取出双差动调制度曲线的线性区域，并标定出线性区域中调制度与高度之间的关系；
步骤五：实验中采集物体在线性标定范围内某一位置的一系列相移图像，使用相移法解出调制度，并根据前述标定的的线性区域中调制度与高度之间的关系，即可完成被测表面的三维重构。
进一步地，添加的两条ccd探测支路的两个ccd应分别放置在成像焦平面的两侧，且与成像焦平面之间具有同样的距离，当两支路ccd与成像焦平面之间的距离相同时，在其他系统条件不变的情况下，系统具有更宽的测量范围。
进一步地，通过压电陶瓷控制标准平面物体沿光轴做m次微小步进，采集三ccd双差动系统采集被调制的条纹图像，每一次扫描，通过n步相移算法计算出图像的调制度分布，对三个ccd采集到的图像的调制度分布做双差动运算处理，可得到双差动调制度与表面高度的对应关系。
进一步地，在设置同样的系统参数下，相比于传统的基于结构光显微测量原理方法，双差动型结构光照明显微测量方法具有更长的线性区域，即具有更宽的测量范围。
本发明的原理在于：本发明通过dmd对空间光场调控产生带有特定规律的编码光场并投影到被测物体表面，采用三ccd构建双差动测量方法，在单路ccd共轭成像的基础上，添加两个具有微小差距的ccd探测支路，对三个探测路径的光强信息进行同步采集，采用相移算法解出三ccd系统所采集的编码光场的调制度分布，将解出的三个不同的调制度分布做双差动运算构建双差动调制度分布，利用相关的理论完成调制度分布与高度信息之间的线性标定，从而通过计算出调制度与高度信息之间的关系恢复表面形貌。
本发明与现有技术相比，其优点在于：本发明额外引入两个ccd探测支路，构成三ccd双差动测量系统，并构建双差动调制度响应曲线，在同样的系统条件下，本发明所标定的线性区域相比传统方法更长，即本发明具有更宽的测量范围。
附图说明
图1为本发明一种用于微纳结构表面三维形貌快速测量的双差动型结构光照明显微测量方法流程图。
图2为本发明一种用于微纳结构表面三维形貌快速测量的双差动型结构光照明显微测量方法的光路图；其中，201为照明光源，202为准直镜，203为dmd数字微镜阵列，204为第一tube透镜，205为第一分光镜，206为显微物镜，207为被测样品，208为pzt压电陶瓷，209为第二tube透镜，210为第二分光镜，211为第一ccd，212为第三分光镜，213为第二ccd，214为第三ccd。
图3为本发明仿真得到的第一ccd211、第二ccd213和第三ccd214各自的轴向调制度响应曲线图。
图4为本发明仿真得到的单ccd结构光显微测量系统、双ccd单差动结构光显微测量系统和三ccd双差动结构光显微测量系统的线性区域比较图。
具体实施方式
为了更好地说明本发明的具体过程，下面结合附图做进一步地详细描述。
如图1-2所示，一种用于微纳结构表面三维形貌快速测量的双差动型结构光照明显微测量方法，具体步骤如下：
步骤一：通过上位机程序控制压电陶瓷以微小步距垂直扫描标准平面物体，每一次扫描，利用dmd投影n步相移的正弦光栅条纹，利用三ccd双差动系统采集被测表面所调制的条纹图，并将其储存在计算机中。
步骤二：每扫描一次，对第一ccd211、第二ccd213和第三ccd214采集到的条纹图，分别运用n步相移算法解出每一个像素点的调制度值，扫描m次后，得到每个像素点的m帧调制度值。
步骤三：将第一ccd211、第二ccd213和第三ccd214采集的条纹图的调制度分布，做双差动运算，构建出每一个像素点的双差动调制度曲线。
步骤四：根据相关理论，提取出双差动调制度曲线的线性区域，并标定出线性区域中调制度与高度之间的关系。
步骤五：实验中采集物体在线性标定范围内某一位置的一系列相移图像，使用相移法解出调制度，并根据前述标定的的线性区域中调制度与高度之间的关系，即可完成被测表面的三维重构。
其中，ccd所采集到的光强可表示为：
i(x,y)＝i0b(x,y)[1 c(x,y)cos(2πfx φ0)](1)
其中，i0为背景光强，b(x,y)是表面的反射率(0≤b≤1)，c(x,y)描述了被投影的正弦条纹的调制度，f是条纹图案的空间频率，φ0是投影条纹的初始相位。
进一步地，为了获取每一个扫描位置调制度分布，采用n步相移算法来求解每一个像素点的调制度值。
相移条纹图像可表示为：
其中，ii(x,y)是第i次相移时的光强分布，n是总相移步数，i＝1,2,3…n。
其中，调制度分布可定义为：
将式(2)代入式(3)可得：
根据成像理论，在结构光显微测量系统中，对于一固定像素，其调制度与离焦距离的响应曲线近似一个高斯型曲线，可表示为：
其中，za是焦平面的轴向位置，z是与焦平面的轴向距离，m是一个常数，且
其中，v是投影条纹的归一化频率，v＝λ/(2na×t)，t是投影条纹的周期，na是物镜的数值孔径，λ是光源的中心波长，n是折射率。
则三个ccd的调制度分布可表示为：
其中，m1(x,y,z)、m2(x,y,z)和m3(x,y,z)分别为第一ccd211、第二ccd213和第三ccd214的调制度分布，d为第一ccd211、第三ccd214各自到成像平面的距离。
双差动型调制度曲线可表示为：
其中，通过截取双差动型调制度曲线中的线性区域并进行标定，即可建立双差动调制度值与高度之间的关系。
图3为第一ccd211、第二ccd213和第三ccd214的调制度轴向响应曲线仿真图，三个ccd的调制度响应曲线具有相似的形状，仅仅是在横向有一段位移，该段位移的距离有第一ccd211、第三ccd214分别与成像平面之间的距离有关。
图4为单ccd结构光显微测量系统、双ccd单差动结构光显微测量系统和三ccd双差动结构光显微测量系统的线性区域仿真比较图。图4中明显地反映出本发明提出的三ccd双差动系统具有比传统单ccd方法、双ccd单差动方法更宽的测量范围。
本发明中，主要的器件包括：dmd数字微镜阵列203，三个黑白ccd相机，显微物镜206，led照明光源201，两个tube透镜，三个分光镜。其中，led照明光源用于为测量系统提供光源，第一ccd211位于第二tube透镜209焦面之前，第二ccd213位于第二tube透镜209焦面处，第三ccd214位于第二tube透镜209焦面之后，用于采集图像。dmd数字微镜阵列203位于第一tube透镜204的焦面位置，用于产生光栅图像，第一tube透镜204和第二tube透镜209用于聚焦成像，显微物镜206用于对待测物体表面207进行成像，第一分光镜205、第二分光镜210和第三分光镜212用于分离光束，pzt压电陶瓷208用于驱动物体进行轴向扫描，待测样品207位于显微物镜206的焦面处。
1.一种用于微纳结构表面三维形貌快速测量的双差动型结构光照明显微测量方法，其特征在于：该方法的步骤如下：
步骤一：通过上位机程序控制压电陶瓷以微小步距垂直扫描标准平面物体，每一次扫描过程中，利用dmd投影n步相移的正弦光栅条纹，利用三ccd双差动测量系统采集被测表面所调制的条纹图，并将其储存在计算机中；
步骤二：每扫描一次，对三个ccd采集到的条纹图，分别运用n步相移算法解出每一个像素点的调制度值，扫描m次后，得到每个像素点的m帧调制度值；
步骤三：将三个ccd采集的条纹图的调制度分布，做双差动运算，构建出每一个像素点的双差动调制度曲线；
步骤四：根据相关理论，提取出双差动调制度曲线的线性区域，并标定出线性区域中调制度与表面高度之间的关系；
步骤五：实验中采集被测物体在线性标定范围内某一位置的一系列相移图像，使用相移法解出调制度，并根据前述标定的的线性区域中调制度与表面高度之间的关系，即可完成被测表面的三维重构。
2.根据权利要求1所述的用于微纳结构表面三维形貌快速测量的双差动型结构光照明显微测量方法，其特征在于：添加的两条ccd探测支路的两个ccd应分别放置在成像焦平面的两侧，且与成像焦平面之间具有同样的距离，当两支路ccd与成像焦平面之间的距离相同时，在其他系统条件不变的情况下，系统具有更宽的测量范围。
3.根据权利要求1所述的用于微纳结构表面三维形貌快速测量的双差动型结构光照明显微测量方法，其特征在于：通过压电陶瓷控制标准平面物体沿光轴做m次微小步进，采集三ccd双差动系统采集被调制的条纹图像，每一次扫描，通过n步相移算法计算出图像的调制度分布，对三个ccd采集到的图像的调制度分布做双差动运算处理，可得到双差动调制度与表面高度的对应关系。
4.根据权利要求1所述的用于微纳结构表面三维形貌快速测量的双差动型结构光照明显微测量方法，其特征在于：在设置同样的系统参数下，相比于传统的基于结构光显微测量原理方法，双差动型结构光照明显微测量方法具有更长的线性区域，即具有更宽的测量范围。
技术总结