CN109141224A - 一种基于结构光的干涉反射式光学薄膜显微测量方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于结构光的干涉反射式光学薄膜显微测量方法，属于光学成像技术领域。包括如下步骤：步骤一、利用结构光作为光源，将结构光通过显微物镜后照射在待测样品表面，待测样品包括透明基底和光学薄膜，光学薄膜包括多个光学膜层，结构光通过待测样品的透明基底后在光学薄膜的多层光学膜层发生反射，所有光学膜层的反射光形成多光束干涉并在透明基底表面形成干涉图样，通过调节显微物镜与待测样品之间的距离在透明基底表面形成清晰的干涉图样；步骤二、拍摄透明基底表面的干涉图样经过显微物镜放大后的变形干涉图样，根据采集的变形干涉图样中各处的光强信息确定光学薄膜对应位置的膜层数量或表面形貌。本发明准确、简单、快速且适用范围广。
Description
技术领域
本发明属于光学成像技术领域，特别涉及一种采用结构光照明的干涉反射式光学薄膜显微测量方法及系统。
背景技术
石墨烯(Gr)是一种具有高导电性、高韧度、高强度、超大比表面积等特点的新材料，在电子、航天工业、新能源、新材料等领域有广泛应用，但是石墨烯薄膜一直缺少一种快速、高效、准确的层数和微观形貌的检测方法。通常检测类石墨烯的光学薄膜层数的方法有以下四种：光学显微镜、原子力显微镜、透射电镜、拉曼光谱。光学显微镜检测方法简单快速，对样品不造成损伤，但限于对比度差异明显的衬底，如Si/SiO2，Si3N4，PMMA等；原子力显微镜检测方法直接有效，但观测范围小，效率较低，结果精确性受多种因素影响；透射电镜检测方法简单直观，但结果准确性受限，而且在制样过程中会破坏样品；拉曼光谱检测方法快速有效，具有非破坏性，分辨率高的特点，但只适合于AB堆垛方式的Gr。以上四种检测方法往往受限于各种原因，而且检测过程复杂，检测结果准确度不高。
干涉反射式显微镜(IRM，Interference Reflection Microscopy)是一种检测类石墨烯的光学薄膜层数以及微观形貌的光学方法，该方法只需要一块透明基底就可以对基底上的光学薄膜进行层数和形貌的测量，入射光透过透明基底在光学薄膜层内发生多光束干涉，不同界面的反射光在透明基底上形成干涉图样，通过干涉强度图像能很好的表征出光学薄膜的层数与表面形貌，现有IRM显微镜光源通常采用卤素灯或者卤素气体的灯箱进行照明的照明方式，据文献报道基于IRM方法的测量图像比原子力显微镜和扫描电镜的测量图像的信噪比和对比度要高的多。
发明内容
针对上述传统透明基底上的光学薄膜层数检测方式存在的复杂度较高、检测成本较大、适用范围小、准确定受限等问题，本发明提出一种基于结构光的干涉反射式光学薄膜显微测量方法，基于IRM显微镜结构和方法，采用结构光代替传统光源，同时结合结构光的信息处理方法，具有操作简单、适用范围广和准确度高等优势。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于结构光的干涉反射式光学薄膜显微测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、利用结构光作为光源，将所述结构光通过显微物镜后照射在待测样品表面，所述待测样品包括透明基底和光学薄膜，所述光学薄膜包括多个光学膜层，结构光通过待测样品的透明基底后在光学薄膜的多层光学膜层发生反射，所有光学膜层的反射光形成多光束干涉并在透明基底表面形成干涉图样，通过调节所述显微物镜与所述待测样品之间的距离在所述透明基底表面形成清晰的干涉图样；
步骤二、拍摄所述透明基底表面的干涉图样经过所述显微物镜放大后的变形干涉图样，根据采集的所述变形干涉图样中各处的光强信息确定所述光学薄膜对应位置的膜层数量和表面形貌。
进一步地，结构光为具有相移的编码结构光，所述步骤二中通过提取所述变形干涉图样中光强的调制度信息形成调制度信息的图像，建立调制度信息与拍摄干涉图样时的对焦程度的关系，去除调制度信息图像中对焦不清晰的调制度信息得到最终的调制度信息图像，根据所述最终的调制度信息图像的灰度确定所述光学薄膜对应位置的膜层数量和表面形貌。
具有相移的编码结构光采用N步相移的条纹结构光，所述步骤一中利用微型OLED显示器产生条纹结构光，所述微型OLED显示器分N次分别产生相位不同的条纹结构光形成N步相移的条纹结构光，其中N为大于3的正整数；
所述步骤二中对每一次所述微型OLED显示器产生的条纹结构光经过步骤一所述光学路径后形成的变形干涉图样进行拍摄，得到对应的N幅变形干涉图样；
从所述N幅变形干涉图样中得到光强的调制度信息其中n∈[0,N-1]，In表示第n步相移的变形干涉图样的光强，表示第n步相移产生的条纹结构光相比n＝0时产生的条纹结构光的相移量，根据所述调制度信息IB的表征图像中的灰度信息确定所述光学薄膜对应位置的膜层数量和表面形貌。
进一步地，结构光为不具有相移的编码结构光，所述步骤二中拍摄一幅变形干涉图样，在所述变形干涉图样中建立二维正交坐标系，提取所述二维正交坐标系中任意点坐标为(x，y)处光强的相位信息确定所述光学薄膜对应位置的膜层数量和表面形貌，具体步骤如下：
a、将所述变形干涉图样进行二维傅里叶变换得到所述变形干涉图样的傅里叶频谱φ(u,v)；
b、在所述变形干涉图样的傅里叶频谱φ(u,v)上进行频率移动使得所述变形干涉图样的频谱在所述二维正交坐标系的两个坐标轴即x和y方向上发生分别大小为fx和fy的频移，对频移后的图像频谱进行逆傅里叶变换得到频移后的图像Is(x,y)；
c、对逆傅里叶变换得到图像Is(x,y)的实部信息I{Is(x,y)}和虚部信息R{Is(x,y)}进行求相角的操作，得到的相位角即为坐标为(x，y)处的包含所述光学薄膜对应位置的高度及表面反射率信息的相位信息
进一步地，通过改变所述微型OLED显示器的频率改变所述条纹结构光的对比度。
进一步地，所述透明基底设置在所述光学薄膜上层，根据光学薄膜的折射率通过调节所述透明基底和光学薄膜下层的介质的折射率改变所述变形干涉图样中光强的调制度信息IB的表征图像的对比度。
进一步地，进行测量前搭建检测系统，所述检测系统包括结构光照明模块1、分束计2、显微物镜3和图像采集模块6，所述分束计2为半透半反镜，所述图像采集模块6、显微物镜3和所述待测样品共轴设置，所述分束计2设置在所述图像采集模块6和显微物镜3之间，所述结构光照明模块1用于产生经过准直后的结构光并经过所述分束计2反射后穿过所述显微物镜3并成像在所述待测样品表面，所述经过所述显微物镜3放大后的变形干涉图样通过所述分束计2透射后被所述图像采集模块6采集。
本发明的工作原理具体如下：
干涉反射式显微镜IRM是一种利用单一波长的线偏振光进行照明，入射光束通过不同界面发生反射并在玻璃基底表面形成干涉强度图像，从而完成对玻璃基底上的光学薄膜的形貌进行显微测量的技术，最终接收到的干涉图像的强度信号与光学薄膜表面到玻璃基底的距离相关，传统IRM显微镜不需要通过计算，直接成像采集。
本发明基于IRM显微镜，将传统使用卤素灯或者卤素气体的灯箱进行照明的IRM显微镜光源替换为能够产生高对比度结构光的编码光源，传统IRM是需要单一波长线偏振光的，由于光学薄膜基片的结构设计特殊，入射光能在光学薄膜层发生多光束干涉，并在透明基片表面形成明暗相间的干涉图样，本发明中的光源产生的是非单一波长的非偏振光，但同样能形成干涉。结构光照明的引入能够在不改变IRM显微镜主体结构的基础上，通过计算采集到的变形干涉图样的条纹调制度获取调制度信息的图像，再根据调制度图像的灰度确定光学薄膜对应位置的膜层数量和表面形貌。
基于使用的不同的结构光进行对应的信息分析和处理，例如采用N步相移的条纹结构光时，将N步相移对应的变形干涉图样一起处理，通过建立对(离)焦程度与调制度的关系，调制度图像只会保留显微测量图像中对焦清晰的部分，而对焦不清晰的部分会被去掉，减少IRM图像中的离焦模糊，从而提高成像对比度；结构光能够增加图像的高频信息，结构光照明将样品的高频信息编码到了低频区域，然后使其通过光学显微镜的频域受限制的通频带，再解码至高频区域，扩展了光学显微镜的频谱范围，提高了系统的成像分辨率。
而采用非相移的方法完成测量时，只对一幅变形干涉图样进行处理，利用傅里叶变换频移实现滤波操作，滤掉条纹部分的信息，得到与光学薄膜表面高度与反射相关的相位信息，通过相位图像的强度大小能够很好地表征光学薄膜的层数与缺陷。
本发明的有益效果是：提高了传统光源的干涉反射式显微系统的分辨率和传统光学薄膜层数检测的准确度，减少了传统显微系统测量图像中的离焦影响，具有准确、简单、快速和适用范围广的优势，尤其适用于石墨烯类的光学薄膜的层数及微观形貌检测。
附图说明
图1是基于本发明提出的一种基于结构光的干涉反射式光学薄膜显微测量方法搭建的测量系统用于检测玻璃基板上光学薄膜层数及形貌的结构示意图。
图2是利用本发明提出的一种基于结构光的干涉反射式光学薄膜显微测量方法检测玻璃基板上光学薄膜层数及形貌的原理示意图。
图3是实施例中采用N步相移的条纹结构光进行检测的流程示意图。
附图标记：1为结构光照明模块，2为分束计，3为显微物镜，4为光学薄膜基片，5为相机镜头，6为图像采集模块。
具体实施方式
下面结合具体实施方式和说明书附图对本发明的原理和特性进行详细说明：
本发明将结构光引入干涉反射式显微镜代替传统光源，基于本发明提出的测量方法，一些实施例中在进行测量前搭建了一个干涉反射式显微镜的检测系统，检测系统包括结构光照明模块1、分束计2、显微物镜3和图像采集模块6，光学薄膜和透明基底构成光学薄膜基片4，分束计2为半透半反镜，图像采集模块6、显微物镜3和待测样品即光学薄膜基片4共轴设置，分束计2设置在图像采集模块6和显微物镜3之间，结构光照明模块1、光学薄膜表面及图像采集模块6三者在空间上的位置构成正投正拍方式，使得光线在光学薄膜表面成像。结构光照明模块1可以采用能够产生高亮度、高对比度结构光的照明设备来产生结构光，照明设备还可以与控制系统相连形成能够产生多种模式结构光的结构光照明模块1，结构光照明模块1产生的结构光可以先经过准直后再经过分束计反射，反射后的结构光穿过显微物镜3并成像在待测样品表面，经过显微物镜放大后的变形干涉图样通过分束计2透射后被图像采集模块6采集，结构光照明模块1需要输出能够满足显微物镜3的显微小视场要求的编码结构光。图像采集模块6至少包括图像采集设备如相机等，通过相机镜头5采集经光学薄膜表面调制和显微物镜3放大的变形编码结构光，图像采集模块6采集的图像传递给后端的图像数据处理模块，图像数据处理模块对采集回来含有结构光的一组相移图像进行了去结构光处理，通过计算变形编码结构光图像的调制度图，获得超分辨及高对比度光学薄膜显微图像，图像数据处理模块可采用具有图像数据处理功能软件的计算机或者其他智能终端设备。
如图1所示，本实施例中的拍摄方式为：控制结构光照明模块1产生编码结构光，并调节结构光照明模块1产生的编码结构光，使光学薄膜透明基底表面上的变形编码条纹的对比度较高，编码结构光从检测系统中由图像采集模块6、显微物镜3和待测样品形成的轴线的一侧水平入射，经45°的分束计2反射，再经显微物镜3成像到光学薄膜的表面，调整结构光照明模块1、光学薄膜表面和图像采集模块6三者在空间中的位置使其满足反射定律；结构光通过显微物镜3后经透明基底入射到光学薄膜表面，并在光学薄膜层中发生反射，光学薄膜的厚度及折射率满足构成多光束干涉的条件，入射光在光学薄膜中发生多次反射的形成多光束干涉，明暗相间的多光束干涉图样会成像在透明基底的表面。采集图像时需要保证对焦面在图像采集模块6的景深范围内，使载有光学薄膜基片的位移台上下移动，对光学薄膜表面形成的干涉图样进行对焦，干涉图样经显微物镜3放大后进入图像采集模块6且成像于图像采集模块的成像靶面，图像采集模块6将采集得到的图片交由后续图像数据处理模块处理，通过计算编码结构光产生的变形干涉图像的调制度信息的图像能清晰的表征光学薄膜表面的微观信息，得到光学薄膜表面的干涉反射强度图，干涉反射强度图反映的就是光学薄膜表面的微观信息，与传统光源的IRM显微镜相比提高了光学显微图像的横向分辨率以及图像对比度。
本发明中编码结构光为具有对比度的结构光，定义条纹对比度是条纹光强的最大值和最小值之差与最大值和最小值之和的比值，即条纹的黑色部分的平均灰度与白色部分的平均灰度的比值，本发明中结构光的对比度优选为0.5以上，包括：具有相移的编码结构光和不具有相移的编码结构光中任一种；本领域中不具有相移的编码结构光包括线偏振结构光和非线偏振结构光中任一种。下面分别以具有相移的编码结构光和不具有相移的编码结构光作为IRM显微镜光源为例，详细描述本发明的工作过程和工作原理。
实施例一：具有相移的编码结构光采用标准N步相移正弦条纹光为例，如图3所示是采用标准N步相移正弦条纹光的检测光学薄膜表面形貌和膜层数量的流程示意图，具体方法为：
结构光照明模块采用一块12.78mm×9mm的高亮微型OLED显示器，结构光照明模块1还包括与准直微显示器相连的准直模块，由于采用微型OLED照明，需要保证成像的效果，故采用了35mm的镜头进行准直，从而保证结构光照明模块1能产生会聚的结构光；微型OLED显示器随计算机信号改变所投影条纹结构光的图案，通过计算机控制微型OLED显示器以一定频率改变产生不同相位的结构光分N步输出条纹结构光，每一步产生的条纹结构光的只有相位不同，其中N为大于3的正整数；本实施例中图像采集模块6选用CCD相机，CCD相机为Allied Vision Technologies MG-1060C，相机镜头5为焦距为55mm，最小线视场为2mm的远心镜头(Computar TEC-M55)。
控制结构光照明模块1产生的具有N步相移的结构光并通过分束计2反射，再通过显微物镜3成像于光学薄膜基片4的表面，图像采集模块6分步采集经光学薄膜基片4调制后经显微物镜3放大输出的变形编码结构光，将采集的N幅变形干涉图样通过后端图像数据处理模块处理。需要特别说明的是，由于采集到强度图像的信噪比与光学薄膜基片上下的介质种类有关，为了使光学薄膜不同膜层区域间的对比度达到最好，本发明需要选择折射率合适的上、下层介质，通过调节透明基地、光学薄膜和光学薄膜下层的介质的折射率改变变形干涉图样中光强的调制度信息IB的表征图像的对比度，通过调节载物台与显微物镜3的间距使得图像采集模块6的相机采集到的显微图像对焦相对清晰，为了使得光学薄膜的干涉图像包含最多的信息，还需要进一步调节结构光照明模块1中微型显示器OLED的条纹频率，并使得显微图像中的条纹对比度尽量高。
本实施例中结构光照明模块1产生的正弦条纹图像的光强Iin表示为：
式(1)中A为结构光照明模块1能产生的最大光强，表示具有方向的正弦条纹的空间频率，n∈[0，N-1]，n＝0时产生的条纹结构光经过步骤一的光路得到的变形干涉图样作为初始图样，表示N步相移中第n步正弦图像中的相位相对于n＝0时得到的正弦图像相位的相移量，a和b为描述正弦条纹对比度的常量，满足a+b＝1(a>0且b>0)的条件。
图像采集模块6采集接收的第n步相移(即产生的多次结构光中的第n+1次的结构光)的变形干涉图样的光强表示为：
式(2)中R为IRM显微系统的反射率参量，R与光学薄膜表面不同膜层数量引起的相位差和光波波长λ有关，I0为结构光照明时的背景光强，m表示条纹的调制度，为正弦条纹的空间频率，δn为第n步相移的条纹结构光与n＝0时初始的条纹结构光之间的相移量。
式(2)中条纹的调制度m是一个与显微测量系统焦深与待测物体微观形貌相关的量，其表达式为：
式(3)中mmax的值为显微系统焦深范围内的最大调制度，z表示对应于相机景深范围内相对于对焦面待测物面的深度，mmax在焦深范围内深度为za的位置取得，FWHM是一个系统常量，其大小决定于显微系统的放大倍率与数值孔径。
由(3)式可以看出，条纹调制度m包含了物体表面微观形貌的特征，在不考虑反射率R的贡献前提下，求解N步相移的变形编码结构光显微图像的调制度信息，能通过调制度信息的图像的灰度大小很好的表征光学薄膜的形貌特征。
在本实施例的干涉反射式结构光显微系统当中，由于入射光在薄膜层发生了多光束干涉，成像在透明基底表面的干涉图样的反射率增强了调制度m对于光学薄膜层数的表征能力，最终得到的调制度信息IB的表达式如式(4)所示：
IB＝R(d,λ)·m
(4)
式(4)中干涉反射显微系统的反射率R是一个与光学薄膜膜层厚度d和波长λ相关的量，在波长不变的前提下，随膜层的厚度变化而改变。
在测量过程中建立调制度信息与拍摄干涉图样时的对焦程度的关系，去除调制度信息的图像中对焦不清晰的调制度信息，根据最终得到的调制度信息的图像的灰度确定光学薄膜对应位置的膜层数量和表面形貌，通过式(5)来求解调制度信息IB：
式(5)中n∈[0,N-1]，N为相移步数，In表示图像采集模块采集到的第n帧相移的变形正弦条纹图像信息，表示第n步相移产生的条纹结构光相比n＝0时产生的条纹结构光的相移量。通过照明模块投影结构光图案，根据光学薄膜的形貌，结构光图案会发生畸变，对图像采集模块采集到的多帧相移的变形正弦条纹，应用式(5)的计算方法以去除结构光照明的影响，得到一幅具有高对比度、高分辨率的光学薄膜表面缺陷与层数的调制度信息IB的表征图像。
为了说明系统中调制度信息IB的强度图像实现超分辨的机理，我们从图像采集系统获得的第n步相移变形编码条纹图像信息In的表达式(2)开始分析。
式(2)的另一种表示形式为：
其中F表示傅里叶变换，为正弦条纹的空间频率，为加结构光后沿结构光的相移方向拓展的空间频率，为频域的冲激响应函数，exp(ix)+exp(-ix)为cos(x)/2的另一种数学表达。
而在这种形式下IB可以表示为：
通常我们拍摄到的图像在频域里是一个中频信号，通过使用结构光照明样品的高频信息编码到了低频区域，然后使其通过光学显微镜的频域受限制的通频带，再解码至高频区域，扩展了光学显微镜的频谱范围，获取了更高频率成份的信息。而高频成份对应样品的精细结构，获取更高频的成份就意味着可以观察到更精细的样品结构，即提高了成像分辨率，因此通过此方法可以实现打破阿贝衍射极限的超分辨。
调制度信息IB图像中灰度不同的区域对应于玻璃基片上光学薄膜膜层数量不同的区域，随着玻璃基片上某一区域光学薄膜膜层的增加，调制度图像中这一区域的灰度会逐渐变深，且光学薄膜的微观缺陷也会呈现出与周围不同的灰度，式(8)表示的是通过多光束干涉公式计算出的IRM显微镜下的调制度信息IB的表达式：
式中Iin为入射光强度，为光线通过光学薄膜后的相位变化，n2为光学薄膜的复折射率，反射系数：r12＝(n1-n2)/(n1+n2)，r23＝(n2-n3)/(n2+n3)，光学薄膜上下层的覆盖媒介的折射率为n1和n3，d2表示的是光学薄膜的厚度只与光学薄膜的层数和表面形貌有关。
为了描述不同膜层间的灰度变化，对比度C与膜层数m的关系可以用式(9)表示出来：
式(2)中Im和Im-1表示图像IB中第m层和第m-1层区域的平均灰度级。
对于确定的石墨烯基片这一对比度通常能够达到30-35％之间，能够清晰的进行光学薄膜的层数检测和微观形貌检测。
实施例二：不具有相移的编码结构光以非相移的条纹结光为例，利用非相移的条纹结光得到光学薄膜表面形貌和膜层数量的方法为：
同样使用微型OLED显示器产生条纹结构光，但是本实施例中使微型OLED显示屏只投影一帧正弦条纹图像，并在图像采集模块6中采集这一张图像。变形干涉图样中建立xy方向上的二维坐标轴，变形干涉图样中坐标为(x，y)处的光强信息I(x,y)包含有与物体高度及表面反射率相关的相位信息如式(10)。
式(10)中为光学薄膜高度及表面反射率引起的真实相位变化量，fx和fy为x和y方向上的结构光条纹频率，W为图像(x,y)处的光强和真实相位变化量之间的关系式，关系式为式(1)的另一种表达式。
为了获得物体表面的信息我们采用傅里叶变换的方向提取真实相位如式(11)
如式(11)中利用傅里叶变换方法提取真实相位分为三步：第一步，将原图像进行二维傅里叶变换得到原图像的傅里叶频谱φ(u,v)；第二步，在原图像的傅里叶频谱φ(u,v)上进行频率移动使得图像频谱在x和y方向上发生分别大小为fx和fy的频移，频域的移动可以采用数学的方法完成，并对频移后的图像频谱进行逆傅里叶变换得到频移后的图像Is(x,y)；第三步，对逆傅里叶变换得到图像Is(x,y)的实部信息I{Is(x,y)}和虚部信息R{Is(x,y)}进行求相角的操作，得到的相位角即为包含光学薄膜高度及表面反射率信息的真实相位
本实施例中对非相移的条纹结光进行处理的方法就是利用傅里叶变换频移实现滤波操作，滤掉条纹部分的信息，得到与光学薄膜表面高度与反射相关的相位信息。在本方法中，相位图像的图像强度大小，能够很好地表征光学薄膜的层数与缺陷。
综上所述，本发明针对透明基底上的光学薄膜，提出了一种非接触、无损伤的层数及形貌的检测方法及系统，本发明在传统的干涉反射式显微镜系统中引入结构光照明，并且基于结构光照明实现超分辨和显微层析的原理，实现了在光学显微系统中测量透明基底上的光学薄膜的层数和表面微观形貌的目的。本发明检测系统结构简单，解决了传统光学薄膜层数与微观形貌的检测方法复杂的问题；提高了干涉反射式显微系统的分辨率；减少了传统显微系统测量图像中的离焦影响；因此，本发明具有准确、简单、快速和实用的优势。本发明提出的检测系统及检测方法适用于透明基底上的光学薄膜的微观形貌及结构的检测，尤其适用于石墨烯类的光学薄膜的层数及微观形貌检测，在光学薄膜的制备、转移和检测过程中具有广阔前景。
以上为结合具体实施例对本发明进行的具体、详细的描述，上述内容仅用于对本发明的进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，所属技术领域的技术人员根据本发明内容作出的任何非本质性的改进、替换和调整均应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (6)
1.一种基于结构光的干涉反射式光学薄膜显微测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、利用结构光作为光源，将所述结构光通过显微物镜后照射在待测样品表面，所述待测样品包括透明基底和光学薄膜，所述光学薄膜包括多个光学膜层，结构光通过待测样品的透明基底后在光学薄膜的多层光学膜层发生反射，所有光学膜层的反射光形成多光束干涉并在透明基底表面形成干涉图样，通过调节所述显微物镜与所述待测样品之间的距离在所述透明基底表面形成清晰的干涉图样；
步骤二、拍摄所述透明基底表面的干涉图样经过所述显微物镜放大后的变形干涉图样，根据采集的所述变形干涉图样中各处的光强信息确定所述光学薄膜对应位置的膜层数量或表面形貌。
2.根据权利要求1所述的基于结构光的干涉反射式光学薄膜显微测量方法，其特征在于，所述步骤二中通过提取所述变形干涉图样中光强的调制度信息形成调制度信息的图像，建立调制度信息与拍摄干涉图样时的对焦程度的关系，去除调制度信息图像中对焦不清晰的调制度信息得到最终的调制度信息图像，根据所述最终的调制度信息图像的灰度确定所述光学薄膜对应位置的膜层数量和表面形貌。
3.根据权利要求2所述的步骤一中基于结构光的干涉反射式光学薄膜显微测量方法，其特征在于，
所述步骤一中利用微型OLED显示器产生条纹结构光，所述微型OLED显示器分N次分别产生相位不同的条纹结构光形成N步相移的条纹结构光，其中N为大于3的正整数；
所述步骤二中对每一次所述微型OLED显示器产生的条纹结构光经过步骤一所述光学路径后形成的变形干涉图样进行拍摄，得到对应的N幅变形干涉图样；
从所述N幅变形干涉图样中得到光强的调制度信息其中n∈[0,N-1]，In表示第n步相移的变形干涉图样的光强，表示第n步相移产生的条纹结构光相比n＝0时产生的条纹结构光的相移量，根据所述调制度信息IB的表征图像中的灰度信息确定所述光学薄膜对应位置的膜层数量和表面形貌。
4.根据权利要求2或3所述的基于结构光的干涉反射式光学薄膜显微测量方法，其特征在于，通过改变所述微型OLED显示器的频率改变所述条纹结构光的对比度。
5.根据权利要求1所述的基于结构光的干涉反射式光学薄膜显微测量方法，其特征在于，所述步骤二中拍摄一幅变形干涉图样，在所述变形干涉图样中建立二维正交坐标系，提取所述二维正交坐标系中任意一点处光强的相位信息确定该点对应的所述光学薄膜对应位置的膜层数量和表面形貌，具体步骤如下：
a、将所述变形干涉图样进行二维傅里叶变换得到所述变形干涉图样的傅里叶频谱；
b、在所述变形干涉图样的傅里叶频谱上进行频率移动，使得所述变形干涉图样的频谱在所述二维正交坐标系的两个坐标轴的方向上发生分别频移，对频移后的图像频谱进行逆傅里叶变换得到频移后的图像；
c、对逆傅里叶变换得到的频移后的图像的实部信息和虚部信息进行求相角的操作，得到的相位角即为所述二维正交坐标系中选取的任意一点处的包含所述光学薄膜对应位置的高度及表面反射率信息的相位信息。
6.根据权利要求1所述的基于结构光的干涉反射式光学薄膜显微测量方法，其特征在于，进行测量前搭建检测系统，所述检测系统包括结构光照明模块(1)、分束计(2)、显微物镜(3)和图像采集模块(6)，所述分束计(2)为半透半反镜，所述图像采集模块(6)、显微物镜(3)和所述待测样品共轴设置，所述分束计(2)设置在所述图像采集模块(6)和显微物镜(3)之间，所述结构光照明模块(1)用于产生经过准直后的结构光并经过所述分束计(2)反射后穿过所述显微物镜(3)并成像在所述待测样品表面，所述经过所述显微物镜(3)放大后的变形干涉图样通过所述分束计(2)透射后被所述图像采集模块(6)采集。
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Cited By (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109632711A (zh) * | 2019-01-10 | 2019-04-16 | 金华伏安光电科技有限公司 | 一种ps小球层数检测装置 |
| CN109709073A (zh) * | 2019-01-10 | 2019-05-03 | 金华伏安光电科技有限公司 | 一种纳米小球膜层数检测装置 |
| CN110108201A (zh) * | 2019-04-26 | 2019-08-09 | 华南理工大学 | 透反射双模式的高精度离轴数字全息显微装置及成像方法 |
| CN111412843A (zh) * | 2020-04-14 | 2020-07-14 | 新磊半导体科技（苏州）有限公司 | 一种测量半导体外延片中膜层厚度的方法 |
| CN111447364A (zh) * | 2020-04-15 | 2020-07-24 | 上海华力集成电路制造有限公司 | 一种cdsem图像处理方法及其装置 |
| CN111458341A (zh) * | 2020-04-16 | 2020-07-28 | 北京领邦智能装备股份公司 | 工件成像系统及用于工件成像的方法 |
| CN111750799A (zh) * | 2019-03-29 | 2020-10-09 | 南京理工大学 | 基于干涉照明的光谱偏振形貌五维信息测量装置及方法 |
| CN114113008A (zh) * | 2021-10-22 | 2022-03-01 | 清华大学深圳国际研究生院 | 一种基于结构光的人工触觉设备和方法 |
| CN114487046A (zh) * | 2022-01-29 | 2022-05-13 | 中国科学技术大学 | 测定二维材料表面电荷密度分布的成像方法 |
| CN115760654A (zh) * | 2023-01-10 | 2023-03-07 | 南京木木西里科技有限公司 | 一种工业显微镜图像处理系统 |
| CN116559179A (zh) * | 2023-07-06 | 2023-08-08 | 海伯森技术（深圳）有限公司 | 一种反光表面形貌与缺陷检测方法及其系统 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH06174448A (ja) * | 1992-12-09 | 1994-06-24 | Seiko Epson Corp | 液晶パネルの位置決め装置及びパターン検査装置 |
| CN1489688A (zh) * | 2000-12-18 | 2004-04-14 | ��ѧ�о��� | 用于样品椭圆偏振光二维显示的装置,显示方法及具有空间分辨率的椭圆偏振光测量方法 |
| CN101331376A (zh) * | 2005-12-22 | 2008-12-24 | 泰勒.霍布森有限公司 | 确定表面特性的装置和方法 |
| CN103115585A (zh) * | 2013-01-29 | 2013-05-22 | 哈尔滨工业大学 | 基于受激辐射的荧光干涉显微测量方法与装置 |
| CN106403843A (zh) * | 2016-12-09 | 2017-02-15 | 哈尔滨工业大学 | 基于共焦显微技术的大口径高曲率光学元件的轮廓扫描测量装置及方法 |
-
2018
- 2018-10-08 CN CN201811166494.5A patent/CN109141224B/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH06174448A (ja) * | 1992-12-09 | 1994-06-24 | Seiko Epson Corp | 液晶パネルの位置決め装置及びパターン検査装置 |
| CN1489688A (zh) * | 2000-12-18 | 2004-04-14 | ��ѧ�о��� | 用于样品椭圆偏振光二维显示的装置,显示方法及具有空间分辨率的椭圆偏振光测量方法 |
| CN101331376A (zh) * | 2005-12-22 | 2008-12-24 | 泰勒.霍布森有限公司 | 确定表面特性的装置和方法 |
| CN103115585A (zh) * | 2013-01-29 | 2013-05-22 | 哈尔滨工业大学 | 基于受激辐射的荧光干涉显微测量方法与装置 |
| CN106403843A (zh) * | 2016-12-09 | 2017-02-15 | 哈尔滨工业大学 | 基于共焦显微技术的大口径高曲率光学元件的轮廓扫描测量装置及方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 苏显渝 等: "结构光三维成像技术", 《中国激光》 * |
Cited By (18)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109632711B (zh) * | 2019-01-10 | 2021-10-01 | 山东拓步教育科技有限公司 | 一种ps小球层数检测装置 |
| CN109709073A (zh) * | 2019-01-10 | 2019-05-03 | 金华伏安光电科技有限公司 | 一种纳米小球膜层数检测装置 |
| CN109632711A (zh) * | 2019-01-10 | 2019-04-16 | 金华伏安光电科技有限公司 | 一种ps小球层数检测装置 |
| CN109709073B (zh) * | 2019-01-10 | 2021-10-22 | 苏州市东挺河智能科技发展有限公司 | 一种纳米小球膜层数检测装置 |
| CN111750799B (zh) * | 2019-03-29 | 2022-03-18 | 南京理工大学 | 基于干涉照明的光谱偏振形貌五维信息测量装置及方法 |
| CN111750799A (zh) * | 2019-03-29 | 2020-10-09 | 南京理工大学 | 基于干涉照明的光谱偏振形貌五维信息测量装置及方法 |
| CN110108201A (zh) * | 2019-04-26 | 2019-08-09 | 华南理工大学 | 透反射双模式的高精度离轴数字全息显微装置及成像方法 |
| CN110108201B (zh) * | 2019-04-26 | 2021-02-19 | 华南理工大学 | 透反射双模式的高精度离轴数字全息显微装置及成像方法 |
| CN111412843A (zh) * | 2020-04-14 | 2020-07-14 | 新磊半导体科技（苏州）有限公司 | 一种测量半导体外延片中膜层厚度的方法 |
| CN111447364A (zh) * | 2020-04-15 | 2020-07-24 | 上海华力集成电路制造有限公司 | 一种cdsem图像处理方法及其装置 |
| CN111447364B (zh) * | 2020-04-15 | 2021-11-26 | 上海华力集成电路制造有限公司 | 一种cdsem图像处理方法及其装置 |
| CN111458341A (zh) * | 2020-04-16 | 2020-07-28 | 北京领邦智能装备股份公司 | 工件成像系统及用于工件成像的方法 |
| CN114113008A (zh) * | 2021-10-22 | 2022-03-01 | 清华大学深圳国际研究生院 | 一种基于结构光的人工触觉设备和方法 |
| CN114113008B (zh) * | 2021-10-22 | 2023-12-22 | 清华大学深圳国际研究生院 | 一种基于结构光的人工触觉设备和方法 |
| CN114487046A (zh) * | 2022-01-29 | 2022-05-13 | 中国科学技术大学 | 测定二维材料表面电荷密度分布的成像方法 |
| CN115760654A (zh) * | 2023-01-10 | 2023-03-07 | 南京木木西里科技有限公司 | 一种工业显微镜图像处理系统 |
| CN116559179A (zh) * | 2023-07-06 | 2023-08-08 | 海伯森技术（深圳）有限公司 | 一种反光表面形貌与缺陷检测方法及其系统 |
| CN116559179B (zh) * | 2023-07-06 | 2023-09-12 | 海伯森技术（深圳）有限公司 | 一种反光表面形貌与缺陷检测方法及其系统 |
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| Publication number | Publication date |
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