南京航空航天大学机电学院，江苏 南京 210016
为了实现对跨尺度零件微小结构的尺寸精度和定位精度的同时测量，提出一种基于宏微复合标定的测量方法。建立不同尺度传感器组合式测量的标定模型，利用变焦扫描显微系统测量零件微尺度特征，利用双目系统测量定位显微设备，从控制坐标转换精度的角度设计加工特殊的标定块，将其作为跨尺度中转坐标系，标定变焦扫描显微重建点云坐标系与测头坐标系的空间转换关系，从而将局部测量点云统一至一个数据集中以完成所有局部区域的整体拼接。与理论模型对比分析，所提测量方法的各孔圆心坐标分布圆度误差为0.0438 mm，平面度误差为0.0252 mm，对喷注器各孔位姿的点误差值小于0.029 mm，孔轴向误差小于0.1140°。与面结构光传感器重建结果对比分析，所提模型能够在保证高精度重建三维形貌的情况下，更加正确地获取跨尺度零件的尺寸和位置。
表面形貌测量 跨尺度 多传感器方法 点云拼接
Author Affiliations
Abstract
University of Kassel, Faculty of Electrical Engineering and Computer Science, Measurement Technology Group, Kassel, Germany
We present a unified electromagnetic modeling of coherence scanning interferometry, confocal microscopy, and focus variation microscopy as the most common techniques for surface topography inspection with micro- and nanometer resolution. The model aims at analyzing the instrument response and predicting systematic deviations. Since the main focus lies on the modeling of the microscopes, the light–surface interaction is considered, based on the Kirchhoff approximation extended to vectorial imaging theory. However, it can be replaced by rigorous methods without changing the microscope model. We demonstrate that all of the measuring instruments mentioned above can be modeled using the same theory with some adaption to the respective instrument. For validation, simulated results are confirmed by comparison with measurement results.
interference microscopy coherence scanning interferometry confocal microscopy focus variation microscopy electromagnetic modeling surface topography measurement Advanced Photonics Nexus
2024, 3(1): 016013
1 浙江大学光电科学与工程学院，浙江 杭州 310027
2 浙江大学嘉兴研究院智能光电创新中心，浙江 嘉兴 314000
随着精密仪器制造和半导体加工产业的蓬勃发展，对微小结构表面形貌的观察和测量是现代科学研究的一个重要方向。激光扫描共聚焦显微成像技术因高分辨率、高信噪比和优秀的层切能力在三维表面形貌测量领域备受青睐。介绍共聚焦显微成像技术的基本原理，并对适用于三维表面形貌测量领域的共聚焦显微成像方法进行综述，包括共聚焦成像的不同扫描方法、不同探测手段及基于光谱的共聚焦成像技术。最后，对共聚焦显微成像技术未来的发展趋势进行展望。
共聚焦显微成像技术 三维表面形貌测量 扫描成像 轴向定位 激光与光电子学进展
2023, 60(8): 0811007
1 华侨大学 机电及自动化学院, 福建 厦门 361021
2 华侨大学 制造工程研究院, 福建 厦门 361021
彩色共聚焦技术因其高分辨率、高测速的特点, 在表面形貌测量领域备受关注, 然而现有的彩色共聚焦技术多为单点测量, 一定程度上限制了测量效率。本文在彩色共聚焦技术的基础上, 以DMD作为光分束器件, 结合自主研发的大口径色散管镜, 利用面阵彩色相机作为光电接收器件, 研究和建立了基于数字微镜器件的并行彩色共聚焦实验平台, 实现了对被测物面上多个探测点的并行图像处理。最终, 利用所搭建的并行彩色共聚焦测量系统, 对50 μm高的台阶和自制台阶进行了测量, 并对硬币的表面形貌进行了三维恢复。实验结果表明, 该测量系统的轴向测量范围为300 μm, 测量精度达到微米级; 同时, 能够较好地恢复硬币的表面形貌特征, 具有较好的测量效率与可靠性。
光学测量 彩色共聚焦技术 数字微镜器件 彩色相机 表面形貌三维重构 optical measurement parallel chromatic confocal Digital Micromirror Device(DMD) color camera surface topography measurement
1 湖北工业大学 机械工程学院, 湖北 武汉 430068
2 湖北省现代制造质量工程重点实验室, 湖北 武汉 430068
表面形貌测量在光学元件加工制造和表面功能特性评定等方面有着非比寻常的意义。设计一种三波长轮换的表面形貌测量系统, 与传统的白光相移干涉扫描等方法相比较, 能够有效扩大测量深度以及形貌精度。多波长测量中波长带来的误差会极大的影响测量的精度, 需要准确的校准波长。围绕三波长轮换表面形貌干涉测量系统, 提出了利用平面镜干涉图校准三个滤光片波长的方法。通过对粗糙度样本的测量实验及计算结果显示: 用校准后的波长计算标准方波样板得到的表面粗糙度数据与未使用为校准波长测得的结果相比其精度提高了1.3%, 与标准数据相比较其相对误差仅为4.1%。
光学测量 表面形貌 多波长 相位差 波长校准 optical measurement surface topography measurement multi wavelength phase difference wavelength calibratio
1 湖北工业大学 机械工程学院, 湖北 武汉 430068
2 天津大学 精密测试技术及仪器国家重点实验室, 天津 300072
针对相移干涉法测量表面三维形貌时深度测量范围受波长限制这一问题, 提出一种四波长表面形貌干涉测量系统。通过滤波片的轮换, 将白光LED光源的光切换出4个不同波长的光源, 并依次进行单波长干涉。为解决多波长干涉图像数据处理, 采用基于椭圆拟合的算法, 在逐帧逐点的相位计算条件下, 运用大小尺度相结合的算法实现高精度宽范围的表面形貌测量。实验结果表明: 在深度测量范围扩大到约41倍的条件下, 测量经中国计量科学研究院采用粗糙度国家基准校准的方波多刻线样板, 得到的表面粗糙度数据与校准数据相比, 相对误差为4.09%。说明在一定的深度范围内, 该系统能够实现表面形貌的高精度测量。
相移干涉 表面形貌测量 四波长 相差 椭圆拟合 phase-shifting interferometry surface topography measurement four-wavelength phase difference elliptic fitting
1 湖北工业大学 机械工程学院,湖北 武汉 430068
2 湖北省现代制造质量工程重点实验室,湖北 武汉 430068
用光学显微干涉法进行表面形貌测量时其深度测量范围的扩大和形貌测量精度的提高是一对矛盾。为此,本文设计出了一种基于波长轮换与相移扫描相结合的三波长表面形貌测量系统,并提出了一种基于椭圆拟合与相位差大小尺度相结合的相位提取与识别算法。将这种算法运用于多波长干涉图像的数据处理,有效地提高了形貌的整体测量精度,并拓展了深度测量范围。实验结果表明: 在深度测量范围扩大近15倍的条件下,采用粗糙度国家基准校准的方波多刻线样板得到的表面粗糙度数据与校准数据的相对误差仅为4.12%,表明该系统在一定的深度范围内能够实现表面形貌的高精度测量。另外,针对该系统设计的多波长相位识别算法对环境噪声要求不高,可以支持系统的高噪声或在线测量。
表面形貌测量 相移干涉 波长轮换 相移扫描 光学显微干涉法 surface topography measurement phase shift interference wavelength switching phase shift scanning optical microscopic interferometry
1 华侨大学机电及自动化学院, 福建 厦门 361021
2 上海理工大学光电信息与计算机工程学院, 上海 200093
3 华侨大学制造工程研究院, 福建 厦门 361021
为了测量被测物面的微观特征量及这些特征量间的关系, 提出基于数字微镜器件 (DMD)的跨尺度测量方法, 研究针对 DMD的控制方法及基于 DMD的测量策略, 在不对测量系统硬件做任何修改的前提下, 仅通过软件编程实现对 DMD结构光参数的改变, 理论上可实现从 0.1 μm到 1 mm的跨尺度测量。搭建了基于 DMD的跨尺度测量平台, 实验结果表明, 轴向测量精度与横向分辨力均可达到微米级, 可实现对表面微观结构的快速扫描。该方法可以较好地解决目前诸多表面形貌测量中存在的多尺度问题。
表面形貌测量 跨尺度测量 数字微镜器件 结构光 surface topography measurement multi-scale measurement digital micromirror device structured light
