[发明专利]基于结构光照明的面形测量装置和方法

权利要求书

1.基于结构光照明的面形测量装置，其特征在于：包括结构光照明模块、轴向扫描模块和探测模块；所述结构光照明模块由两路照明光路组成，第一路照明光路按照光线传播方向依次为：科勒照明模块一(1)、振幅型正弦光栅一(2)和管镜一(3)；第二路照明光路按照光线传播方向依次为：科勒照明模块二(4)、振幅型正弦光栅二(5)和管镜二(6)；所述轴向扫描模块按照光线传播方向其一依次为：分光镜二(10)、分光镜一(7)、物镜一(8)、平面反射镜(9)、管镜三(11)、管镜四(12)、分光镜三(13)和物镜二(14)；所述探测模块按照光线传播方向依次为：管镜五(16)和CCD(17)；物镜二(14)的下方设置被测样品(15)。

2.根据权利要求1所述的基于结构光照明的面形测量装置，其特征在于：所述振幅型正弦光栅一(2)的条纹方向和振幅型正弦光栅二(5)的条纹方向相互垂直。

3.根据权利要求1所述的基于结构光照明的面形测量装置，其特征在于：所述平面反射镜(9)轴向最大移动范围等于物镜一(8)的焦深。

4.根据权利要求1所述的基于结构光照明的面形测量装置，其特征在于：所述管镜一(3)、管镜二(6)、管镜三(11)和管镜四(12)焦距相等。

5.基于结构光照明的面形测量方法，该方法是基于权利要求1～4中任一所述基于结构光照明的面形测量装置实现的，其特征在于：具体步骤：数据采集步骤：

步骤a、科勒照明模块一(1)发出非相干照明光，经过振幅型正弦光栅一(2)调制后由管镜一(3)出射，同时，科勒照明模块二(4)发出非相干照明光，经过振幅型正弦光栅二(5)调制后由管镜二(6)出射，两束照明光经过分光镜二(10)、分光镜一(7)合为一束照明光，照明光经过物镜一(8)后出射到平面反射镜(9)，反射后再经过管镜三(11)、管镜四(12)、分光镜三(13)和物镜二(14)出射到被测样品(15)表面；

步骤b、照射在样品表面正弦分布的光经样品表面反射后，依次经过物镜二(14)和分光镜三(13)反射，最后被管镜五(16)会聚在CCD(17)上形成图像；

步骤c、设置平面反射镜(9)初始位置位于物镜一(8)的准焦面②，则共轭正弦光位于物镜二(14)的准焦面②’，设置平面反射镜(9)轴向扫描范围D₁+D₂，则对应共轭正弦光轴向扫描范围为D₁’+D₂’，平面反射镜(9)位置与共轭正弦光位置对应关系为D₁/D₁’＝D₂/D₂’＝(M₁M₂)²；所述D₁为平面反射镜(9)远焦位移，D₁’为共轭正弦光近焦位移，D₂为平面反射镜(9)近焦位移，D₂’为共轭正弦光远焦位移，M₁为物镜一(8)与管镜三(11)的焦距比值，M₂为管镜四(12)与物镜二(14)的焦距比值；

步骤d、设置扫描层数为N，则平面反射镜(9)扫描步进为(D₁+D₂)/N，共轭正弦光轴向扫描步进为(D₁’+D₂’)/N，在每个轴向位置CCD(17)进行一次图像采集，最终获得N幅图像；

数据处理步骤：

步骤e、图像分割：将CCD采集的每幅M×M大小的图像分割为J×J个L×L大小的子图；

步骤f、轴向响应计算：将相同横向位置的N个子图分别进行L阶离散傅里叶变换，求得每幅子图在频率f处的分量，得到该横向位置的轴向响应；所述步骤f中子图在频率f处分量计算方法为其中f(x,y)为图像在(x,y)处的像素值，m、n分别为为x、y所对应的频率分量；

步骤g、峰值位置拟合：以高斯函数为目标函数，拟合轴向响应得到峰值位置，即为该点的相对高度；

步骤h、对J组子图集进行步骤b和步骤c的操作，最终可以得到每个横向位置处样品的相对高度，取探测器得到两组样品相对高度的平均值，获得样品面形。