双线阵相机的线扫描差动共聚焦检测方法

赖东明，孔令华，练国富，易定容，朱星星

（1.福建工程学院 机械与汽车工程学院，福建 福州 350108；2.华侨大学 机电与自动化学院，福建 厦门 361021）

引言

随着加工工艺技术的发展，对于精密元器件的表面微细结构测量要求日益严苛，既要求有较高的测量精度，又要有较快的测量效率[1-2]。现有微观三维形貌检测方法中，非接触式光学检测方法具有测量速度快且不会破坏被测工件表面的优点，应用越来越广泛[3]。共聚焦显微测量技术能实现高分辨率成像，且具有优秀的轴向层析能力，在众多光学检测方法中脱颖而出[4]。共焦显微测量技术普遍采用单点或者多点扫描，利用轴向响应曲线确定被测物的轴向高度信息，从而实现微观三维形貌测量[5]。

近年来，国内外学者对于共焦显微测量技术的研究大多以提高测量精度和效率为目的。在提高轴向测量精度方面，Lee 等人首次提出了差分共焦显微测量技术，通过在像方分别放置2 台对称的探测器，利用差动轴向响应曲线的斜边段进行传感测量，轴向分辨率可达2 nm[6-8]。基于此，Zhao 等人提出了基于三探测器的差动共焦测量方法，进一步提高了成像能力[9]。Liu 等人提出激光作为光源的激光扫描差动共聚焦显微测量技术，轴向分辨率可达1 nm[10]。刘志群等人提出了适用于并行共聚焦测量技术的轴向测量方法，将差动共焦显微测量技术与结构光显微成像技术相结合，该方法结构简单，易于实现，对于500 nm 的台阶样品测量误差为2.9 nm[2,11-12]。以上这些方法虽然轴向测量精度大多能达到nm 量级，但它们的测量效率和单次测量范围还有待提高。

在提高测量效率方面，TC Trusk 等人提出了多光束并行共聚焦显微测量方法，将激光扫描共聚焦显微测量技术的单点模式通过针孔阵列实现并行共聚焦，解决了传统共聚焦扫描测量中测量范围小、扫描效率低的问题[13]。但该方法同时也会引入泰伯效应，导致并行共聚焦的测量精度受到影响[14]。朱茜等人采用基于DMD 的并行共聚焦显微测量技术，既保证了测量效率，又具有高分辨率和高对比度的层析效果[15]。Hillenbrand 等人提出了基于针孔阵列的彩色并行共聚焦显微测量技术，在保证检测效率的同时，又提高了横向分辨率[16-17]。以上文献提到的方法虽然能提高测量效率，但它们在测量过程中需要停顿或者上下移动载物台来转换视场，还无法实现一次对焦就对样品进行连续不间断的扫描检测。

为了进一步提高共聚焦显微测量技术的测量效率和测量范围，实现智能制造检测中对大样本进行连续不间断的扫描检测，本文提出一种基于双线阵相机的线扫描差动共聚焦三维形貌测量方法。该方法在测量时只需通过一次扫描，在焦前和焦后分别获取同一样本同一扫描区域的2 幅图像，利用线扫描图像合成算法和差动算法，得到样本位于测量区域的差动图像，结合预先刻度的测量曲线，即可完成样本的三维形貌还原，实现大范围高效高精度测量。

1 测量原理

本文提出的基于双线阵相机的线扫描差动共聚焦三维形貌测量方法的测量原理如图1所示。从线扫描光源发出的光，经过均匀光透镜组变成平行光，照射在DMD 上，通过计算机发送信号给DMD 控制器，从而控制数字微镜器件DMD 微镜单元阵列的开关实现一条或者多条DMD 线的微镜开，其他微镜关，从而实现任意位置及取向的线聚焦形状的光再反射出来，得到需要的线扫描光源。DMD 将光源变成线阵光经过准直透镜，到光镜上，再经过物镜到待测样品上。计算机控制载物台在x/y平面沿着垂直于线阵光的方向做匀速扫描运动，实现线共焦扫描。由待测样品反射回来的光在第2 个分光镜处又各分成50%，分别由2 个线阵相机接收。线阵相机再将反射回来的所有线扫描图像传递给计算机，进行拼接处理和差动相减得到差动图像，结合实验前刻度的测量曲线，生成样品的三维形貌。该方法利用线扫描光源可在样品上打出极为细长的线扫描光线，极大增加了扫描宽度和单次测量范围；由于2 个线阵相机能分别同时采集焦前和焦后的线扫描图像，不仅扩大了线性测量区间，还避免了传统差动共聚焦检测技术需要在检测过程中停顿的不足；该方法在测量速度上仅受线阵相机的最大行频和载物台最大扫描速度的限制，可实现连续不间断的扫描检测。

实验前需要调整2 个线阵相机在光轴上的轴向离焦位置，使得U1=U2，并保证U1+U2≥待测样品台阶的高度。此时探测器的光强IT和离焦量µF满足如下关系：

式中：IA和IB分别为线阵相机2 和线阵相机1 接收的光强信号；vdy为狭缝探测器的归一化长度；µ和µF分别表示探测器在光轴方向的位置和离焦量。此时取µF=3，可得到IA、IB和IT的差动光强响应曲线，如图2所示。通过对线性区域[−2,2]进行线性拟合，即可得到光强差IT与离焦量的关系，从而确定待测样品的轴向高度。

2 测量系统刻度

线扫描差动共聚焦轴向测量方法是在基于DMD 的共聚焦显微镜上完成的。测量系统如图3所示，主要包括线扫描光源、2 个线阵相机、DMD及其控制器、物镜、压电陶瓷电机、高精度三轴载物台等。系统组成重要元件参数如下：2 个线阵相机的像元尺寸为7×7(μm2)，分辨率均为8 192×1，最大行频为14 888 Hz/s，载物台的扫描速度为1.63 mm/s。

测量之前需要对系统进行刻度，采用10×/NA=0.25的物镜，线阵相机曝光时间设定为200 μs，以平面反射镜为样本，进行线扫描差动共聚焦轴向测量方法的标定工作，并将10 次重复性刻度实验的刻度曲线拟合成一次函数，结果如图4所示。

根据图4所示的刻度曲线可得出，以图中100 μm处为轴向测量位置的零点，则在[90 μm，110 μm]的线性区间内，将归一化光强IT(µ)与轴向位置µ之间的关系做归一化处理，并将其拟合为一次函数，其表达式为

3 测量实验与结果

3.1 测量硬币样品

为了检验基于双线阵相机的线扫描差动共聚焦三维形貌测量方法的测量精度和测量效率，采用10×/NA=0.25的物镜，对一角钱硬币样品微小的台阶区域进行测量，实物测量区域如图5（a）所示，采集到的焦前10 μm 和焦后10 μm 的图像分别如图5（b）、（c）所示，用焦前图像的灰度值减去焦后图像的灰度值，即可得到如图5（d）所示的硬币测量区域的差动图像。

根据图4所示的标定曲线以及函数表达式（1），即可得到硬币样品测量区域的三维形貌还原图，如图6（a）、（b）所示。

从本次硬币样品的测量结果图6 中截取25 个台阶进行轴向高度分析，结果如图7所示。

经过计算得到本次测量中截取硬币样品的25 个台阶上表面平均轴向高度为15.649 13 μm，截取其25 处凹槽的平均轴向高度为−3.886 81 μm，25 个台阶的平均轴向高度差为19.535 94 μm。继续对以上硬币样品的相同区域进行连续2 次的测量，3 次测量的结果汇总如表1所示。

表1 本文的方法对硬币样品25 个台阶的测量结果Table 1 Results of 25 steps of coin sample measured by proposed method

3.2 对照实验

为了验证本文的方法对硬币样品台阶区域测量的准确性，采用布鲁克UMT-TriboLab 多功能摩擦磨损试验机的白光干涉仪功能对样品相同位置进行连续3 次重复性测量实验，并分别取平均值，测量区域测量结果如图8（a）、（b）所示。

3.3 测量结果对比和分析

采用2 种方法对硬币样品的测量结果中，轴向测量精度对比与测量效率如表2所示。

表2 2 种方法对硬币样品测量效率对比Table 2 Comparison of measurement efficiency of coin samples by two methods

从表2 可以看出，本文的测量方法在相同时间内单次测量范围和测量效率分别是白光干涉仪的16.48 倍和6.59 倍，并且白光干涉仪在测量过程中需要停顿转换视场，本文提出的方法在测量过程中不需要停顿，只要实现一次对焦，就可以对样品进行连续不间断的扫描检测。但本文的方法可能存在双线阵相机装调误差难以匹配的问题，从而影响测量的精度。

4 结论

本文针对目前共聚焦显微测量技术中尚无法对大样本进行大范围高效连续不间断扫描检测的不足，提出一种基于双线阵相机的线扫描差动共聚焦三维形貌测量方法。通过实验证明：该方法与白光干涉仪相比，能够实现不降低测量精度的情况下极大地提高测量范围和检测效率，在相同时间内单次测量范围和测量效率分别是白光干涉仪的16.48 倍和6.59 倍。本文提出的方法在测量过程中不需要停顿，只要实现一次对焦，就可以对样品进行连续不间断的扫描检测，能满足智能制造工业生产中对大样本的在线在位、实时高效高精度大范围的检测需求。