賴東明，孔令華，練國(guó)富，易定容，朱星星

（1.福建工程學(xué)院 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，福建 福州 350108；2.華僑大學(xué) 機(jī)電與自動(dòng)化學(xué)院，福建 廈門 361021）

引言

隨著加工工藝技術(shù)的發(fā)展，對(duì)于精密元器件的表面微細(xì)結(jié)構(gòu)測(cè)量要求日益嚴(yán)苛，既要求有較高的測(cè)量精度，又要有較快的測(cè)量效率[1-2]。現(xiàn)有微觀三維形貌檢測(cè)方法中，非接觸式光學(xué)檢測(cè)方法具有測(cè)量速度快且不會(huì)破壞被測(cè)工件表面的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用越來(lái)越廣泛[3]。共聚焦顯微測(cè)量技術(shù)能實(shí)現(xiàn)高分辨率成像，且具有優(yōu)秀的軸向?qū)游瞿芰?，在眾多光學(xué)檢測(cè)方法中脫穎而出[4]。共焦顯微測(cè)量技術(shù)普遍采用單點(diǎn)或者多點(diǎn)掃描，利用軸向響應(yīng)曲線確定被測(cè)物的軸向高度信息，從而實(shí)現(xiàn)微觀三維形貌測(cè)量[5]。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于共焦顯微測(cè)量技術(shù)的研究大多以提高測(cè)量精度和效率為目的。在提高軸向測(cè)量精度方面，Lee 等人首次提出了差分共焦顯微測(cè)量技術(shù)，通過(guò)在像方分別放置2 臺(tái)對(duì)稱的探測(cè)器，利用差動(dòng)軸向響應(yīng)曲線的斜邊段進(jìn)行傳感測(cè)量，軸向分辨率可達(dá)2 nm[6-8]?；诖耍琙hao 等人提出了基于三探測(cè)器的差動(dòng)共焦測(cè)量方法，進(jìn)一步提高了成像能力[9]。Liu 等人提出激光作為光源的激光掃描差動(dòng)共聚焦顯微測(cè)量技術(shù)，軸向分辨率可達(dá)1 nm[10]。劉志群等人提出了適用于并行共聚焦測(cè)量技術(shù)的軸向測(cè)量方法，將差動(dòng)共焦顯微測(cè)量技術(shù)與結(jié)構(gòu)光顯微成像技術(shù)相結(jié)合，該方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，對(duì)于500 nm 的臺(tái)階樣品測(cè)量誤差為2.9 nm[2,11-12]。以上這些方法雖然軸向測(cè)量精度大多能達(dá)到nm 量級(jí)，但它們的測(cè)量效率和單次測(cè)量范圍還有待提高。

在提高測(cè)量效率方面，TC Trusk 等人提出了多光束并行共聚焦顯微測(cè)量方法，將激光掃描共聚焦顯微測(cè)量技術(shù)的單點(diǎn)模式通過(guò)針孔陣列實(shí)現(xiàn)并行共聚焦，解決了傳統(tǒng)共聚焦掃描測(cè)量中測(cè)量范圍小、掃描效率低的問(wèn)題[13]。但該方法同時(shí)也會(huì)引入泰伯效應(yīng)，導(dǎo)致并行共聚焦的測(cè)量精度受到影響[14]。朱茜等人采用基于DMD 的并行共聚焦顯微測(cè)量技術(shù)，既保證了測(cè)量效率，又具有高分辨率和高對(duì)比度的層析效果[15]。Hillenbrand 等人提出了基于針孔陣列的彩色并行共聚焦顯微測(cè)量技術(shù)，在保證檢測(cè)效率的同時(shí)，又提高了橫向分辨率[16-17]。以上文獻(xiàn)提到的方法雖然能提高測(cè)量效率，但它們?cè)跍y(cè)量過(guò)程中需要停頓或者上下移動(dòng)載物臺(tái)來(lái)轉(zhuǎn)換視場(chǎng)，還無(wú)法實(shí)現(xiàn)一次對(duì)焦就對(duì)樣品進(jìn)行連續(xù)不間斷的掃描檢測(cè)。

為了進(jìn)一步提高共聚焦顯微測(cè)量技術(shù)的測(cè)量效率和測(cè)量范圍，實(shí)現(xiàn)智能制造檢測(cè)中對(duì)大樣本進(jìn)行連續(xù)不間斷的掃描檢測(cè)，本文提出一種基于雙線陣相機(jī)的線掃描差動(dòng)共聚焦三維形貌測(cè)量方法。該方法在測(cè)量時(shí)只需通過(guò)一次掃描，在焦前和焦后分別獲取同一樣本同一掃描區(qū)域的2 幅圖像，利用線掃描圖像合成算法和差動(dòng)算法，得到樣本位于測(cè)量區(qū)域的差動(dòng)圖像，結(jié)合預(yù)先刻度的測(cè)量曲線，即可完成樣本的三維形貌還原，實(shí)現(xiàn)大范圍高效高精度測(cè)量。

1 測(cè)量原理

本文提出的基于雙線陣相機(jī)的線掃描差動(dòng)共聚焦三維形貌測(cè)量方法的測(cè)量原理如圖1所示。從線掃描光源發(fā)出的光，經(jīng)過(guò)均勻光透鏡組變成平行光，照射在DMD 上，通過(guò)計(jì)算機(jī)發(fā)送信號(hào)給DMD 控制器，從而控制數(shù)字微鏡器件DMD 微鏡單元陣列的開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)一條或者多條DMD 線的微鏡開(kāi)，其他微鏡關(guān)，從而實(shí)現(xiàn)任意位置及取向的線聚焦形狀的光再反射出來(lái)，得到需要的線掃描光源。DMD 將光源變成線陣光經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直透鏡，到光鏡上，再經(jīng)過(guò)物鏡到待測(cè)樣品上。計(jì)算機(jī)控制載物臺(tái)在x/y平面沿著垂直于線陣光的方向做勻速掃描運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)線共焦掃描。由待測(cè)樣品反射回來(lái)的光在第2 個(gè)分光鏡處又各分成50%，分別由2 個(gè)線陣相機(jī)接收。線陣相機(jī)再將反射回來(lái)的所有線掃描圖像傳遞給計(jì)算機(jī)，進(jìn)行拼接處理和差動(dòng)相減得到差動(dòng)圖像，結(jié)合實(shí)驗(yàn)前刻度的測(cè)量曲線，生成樣品的三維形貌。該方法利用線掃描光源可在樣品上打出極為細(xì)長(zhǎng)的線掃描光線，極大增加了掃描寬度和單次測(cè)量范圍；由于2 個(gè)線陣相機(jī)能分別同時(shí)采集焦前和焦后的線掃描圖像，不僅擴(kuò)大了線性測(cè)量區(qū)間，還避免了傳統(tǒng)差動(dòng)共聚焦檢測(cè)技術(shù)需要在檢測(cè)過(guò)程中停頓的不足；該方法在測(cè)量速度上僅受線陣相機(jī)的最大行頻和載物臺(tái)最大掃描速度的限制，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)不間斷的掃描檢測(cè)。

實(shí)驗(yàn)前需要調(diào)整2 個(gè)線陣相機(jī)在光軸上的軸向離焦位置，使得U1=U2，并保證U1+U2≥待測(cè)樣品臺(tái)階的高度。此時(shí)探測(cè)器的光強(qiáng)IT和離焦量μF滿足如下關(guān)系：

式中：IA和IB分別為線陣相機(jī)2 和線陣相機(jī)1 接收的光強(qiáng)信號(hào)；vdy為狹縫探測(cè)器的歸一化長(zhǎng)度；μ和μF分別表示探測(cè)器在光軸方向的位置和離焦量。此時(shí)取μF=3，可得到IA、IB和IT的差動(dòng)光強(qiáng)響應(yīng)曲線，如圖2所示。通過(guò)對(duì)線性區(qū)域[?2,2]進(jìn)行線性擬合，即可得到光強(qiáng)差I(lǐng)T與離焦量的關(guān)系，從而確定待測(cè)樣品的軸向高度。

2 測(cè)量系統(tǒng)刻度

線掃描差動(dòng)共聚焦軸向測(cè)量方法是在基于DMD 的共聚焦顯微鏡上完成的。測(cè)量系統(tǒng)如圖3所示，主要包括線掃描光源、2 個(gè)線陣相機(jī)、DMD及其控制器、物鏡、壓電陶瓷電機(jī)、高精度三軸載物臺(tái)等。系統(tǒng)組成重要元件參數(shù)如下：2 個(gè)線陣相機(jī)的像元尺寸為7×7(μm2)，分辨率均為8 192×1，最大行頻為14 888 Hz/s，載物臺(tái)的掃描速度為1.63 mm/s。

測(cè)量之前需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行刻度，采用10×/NA=0.25的物鏡，線陣相機(jī)曝光時(shí)間設(shè)定為200 μs，以平面反射鏡為樣本，進(jìn)行線掃描差動(dòng)共聚焦軸向測(cè)量方法的標(biāo)定工作，并將10 次重復(fù)性刻度實(shí)驗(yàn)的刻度曲線擬合成一次函數(shù)，結(jié)果如圖4所示。

根據(jù)圖4所示的刻度曲線可得出，以圖中100 μm處為軸向測(cè)量位置的零點(diǎn)，則在[90 μm，110 μm]的線性區(qū)間內(nèi)，將歸一化光強(qiáng)IT(μ)與軸向位置μ之間的關(guān)系做歸一化處理，并將其擬合為一次函數(shù)，其表達(dá)式為

3 測(cè)量實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

3.1 測(cè)量硬幣樣品

為了檢驗(yàn)基于雙線陣相機(jī)的線掃描差動(dòng)共聚焦三維形貌測(cè)量方法的測(cè)量精度和測(cè)量效率，采用10×/NA=0.25的物鏡，對(duì)一角錢硬幣樣品微小的臺(tái)階區(qū)域進(jìn)行測(cè)量，實(shí)物測(cè)量區(qū)域如圖5（a）所示，采集到的焦前10 μm 和焦后10 μm 的圖像分別如圖5（b）、（c）所示，用焦前圖像的灰度值減去焦后圖像的灰度值，即可得到如圖5（d）所示的硬幣測(cè)量區(qū)域的差動(dòng)圖像。

根據(jù)圖4所示的標(biāo)定曲線以及函數(shù)表達(dá)式（1），即可得到硬幣樣品測(cè)量區(qū)域的三維形貌還原圖，如圖6（a）、（b）所示。

從本次硬幣樣品的測(cè)量結(jié)果圖6 中截取25 個(gè)臺(tái)階進(jìn)行軸向高度分析，結(jié)果如圖7所示。

經(jīng)過(guò)計(jì)算得到本次測(cè)量中截取硬幣樣品的25 個(gè)臺(tái)階上表面平均軸向高度為15.649 13 μm，截取其25 處凹槽的平均軸向高度為?3.886 81 μm，25 個(gè)臺(tái)階的平均軸向高度差為19.535 94 μm。繼續(xù)對(duì)以上硬幣樣品的相同區(qū)域進(jìn)行連續(xù)2 次的測(cè)量，3 次測(cè)量的結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

表1 本文的方法對(duì)硬幣樣品25 個(gè)臺(tái)階的測(cè)量結(jié)果Table 1 Results of 25 steps of coin sample measured by proposed method

3.2 對(duì)照實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證本文的方法對(duì)硬幣樣品臺(tái)階區(qū)域測(cè)量的準(zhǔn)確性，采用布魯克UMT-TriboLab 多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的白光干涉儀功能對(duì)樣品相同位置進(jìn)行連續(xù)3 次重復(fù)性測(cè)量實(shí)驗(yàn)，并分別取平均值，測(cè)量區(qū)域測(cè)量結(jié)果如圖8（a）、（b）所示。

3.3 測(cè)量結(jié)果對(duì)比和分析

采用2 種方法對(duì)硬幣樣品的測(cè)量結(jié)果中，軸向測(cè)量精度對(duì)比與測(cè)量效率如表2所示。

表2 2 種方法對(duì)硬幣樣品測(cè)量效率對(duì)比Table 2 Comparison of measurement efficiency of coin samples by two methods

從表2 可以看出，本文的測(cè)量方法在相同時(shí)間內(nèi)單次測(cè)量范圍和測(cè)量效率分別是白光干涉儀的16.48 倍和6.59 倍，并且白光干涉儀在測(cè)量過(guò)程中需要停頓轉(zhuǎn)換視場(chǎng)，本文提出的方法在測(cè)量過(guò)程中不需要停頓，只要實(shí)現(xiàn)一次對(duì)焦，就可以對(duì)樣品進(jìn)行連續(xù)不間斷的掃描檢測(cè)。但本文的方法可能存在雙線陣相機(jī)裝調(diào)誤差難以匹配的問(wèn)題，從而影響測(cè)量的精度。

4 結(jié)論

本文針對(duì)目前共聚焦顯微測(cè)量技術(shù)中尚無(wú)法對(duì)大樣本進(jìn)行大范圍高效連續(xù)不間斷掃描檢測(cè)的不足，提出一種基于雙線陣相機(jī)的線掃描差動(dòng)共聚焦三維形貌測(cè)量方法。通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明：該方法與白光干涉儀相比，能夠?qū)崿F(xiàn)不降低測(cè)量精度的情況下極大地提高測(cè)量范圍和檢測(cè)效率，在相同時(shí)間內(nèi)單次測(cè)量范圍和測(cè)量效率分別是白光干涉儀的16.48 倍和6.59 倍。本文提出的方法在測(cè)量過(guò)程中不需要停頓，只要實(shí)現(xiàn)一次對(duì)焦，就可以對(duì)樣品進(jìn)行連續(xù)不間斷的掃描檢測(cè)，能滿足智能制造工業(yè)生產(chǎn)中對(duì)大樣本的在線在位、實(shí)時(shí)高效高精度大范圍的檢測(cè)需求。