表面形貌直接影响产品性能、寿命及可靠性，是产品的重要质量特征[1]．随着先进制造和科学技术的发展，表面形貌呈现多样化发展的趋势，给表面形貌测量提出了一个又一个挑战．表面形貌测量分为接触式测量和非接触式测量．接触式测量中触针法是目前最成熟的方法，但在测量过程中会对样品表面造成损伤．非接触式测量主要是光学测量法，主流的光学测量法有白光干涉法[2]、共焦测量法[3]和变焦测量法[4]．白光干涉法利用垂直扫描定位白光干涉零级条纹位置恢复被测表面形貌信息，其特性尤其适合光滑结构性表面的测量；共焦测量法使用一对共轭的点光源与点探测器以减少离焦背景信息对准焦信息的干扰，获得高对比度的在焦图像，再通过高精度的垂直与横向扫描恢复三维表面形貌，其横向分辨率较高，约为相同数值孔径宽场成像显微镜的1.4倍，具有较高的光学层析能力，其特性适合较平坦表面的高精度成像与测量；变焦测量法利用小焦深光学系统的垂直扫描来获得散射表面形貌信息，虽然变焦测量法轴向和横向分辨率均低于共焦测量法，但其特性尤其适合大角度斜面与高粗糙度表面的测量．这些测量方法只能测量具有特定特性的表面，而对于复杂多样性的表面，如具有陡峭跃变的台阶表面、散射区域与反射区域共存的表面，上述三种测量方法不能完成一体化精密测量．本研究基于结构照明显微成像技术，提出了一种融合共焦与变焦测量技术，实现复杂表面形貌测量的方法．该方法以DMD(数字微镜阵列设备对照明光源进行调制，建立了结构照明共焦与变焦双模式一体测量显微镜，并基于同一垂直扫描基准，实现测量坐标的统一和测量数据的融合，完成复杂表面的精密测量．1 基于DMD结构照明的共焦与变焦双模式一体测量显微镜1.1　系统原理传统的共焦测量法有激光扫描法[5]和圆盘扫描法[6]，这两种方法的光路中存在共轭针孔或圆盘，光路系统不具备获取宽场照明图像的条件，不能同时满足共焦测量与变焦测量数据采集的要求．本研究使用基于DMD结构照明的共焦与变焦双模式一体测量显微镜，可以在一次扫描过程中等间距获取一系列具有纹理信息的结构光照明图像数据．其原理如图1所示，光源经光路定向到DMD．DMD由微镜阵列组成，阵列中每个微镜独立工作，当处于关状态时，反射光无法进入第一套筒透镜；当处于开状态时，反射光正好进入第一套筒透镜．基于此原理，DMD将光源调制成结构光．进入第一套筒透镜的结构光通过分光棱镜投射到视场大小长0.3 mm、宽0.3 mm的样品表面，经样品表面反射或散射后成像到面阵CMOS相机．由于光路中缺少共轭针孔，该系统无法有效滤除离焦信息，因此CMOS相机记录的信息是同时包含准焦信息和离焦信息的混合图像．为了获得共焦光学层析图像，本研究通过使用基于相邻相移图像的离焦量估计算法[7-8]对每个像素点处的离焦信息进行估算，并将该部分离焦信息从相机采集到的原始图像中减去，最终得到仅包含准焦信息的共焦光学层析图像．同时通过具有纹理信息的样品宽场图像，使用聚焦评价算法[9-10]对宽场图像进行聚焦评价估计，进而得到变焦的光学层析图像，由此实现了共焦与变焦双模式一体测量．10.13245/j.hust.239051.F0011—LED光源；2—辅助透镜；3—视场光阑；4—第一集光镜；5—孔径光阑及灯丝的像；6—第二集光镜；7—平面镜；8—DMD及视场光阑像；9—全内反棱镜；10—第一套筒透镜；11—CMOS相机及像面；12—第二套筒透镜；13—分光棱镜；14—物镜后焦面及灯丝像；15—物镜；16—样品及物面．图1　基于DMD结构照明的共焦与变焦双模式一体测量显微镜光路原理图1.2　基于表面重建置信度评价模型的双模式测量数据融合当融合所需的图像数据来自不同的传感器时，必须考虑到不同传感器间特性差异所带来的坐标统一问题[11]．基于DMD的变焦与共焦双模式一体测量显微镜在一次扫描过程中等间距获取一系列结构光照明图像数据，进一步分别采用共焦和变焦层析算法对该组结构光照明图像数据进行处理，实现共焦与变焦双模式测量．由于双模式测量数据来自相同的数据源，因此具有天然的坐标统一特性．针对复杂表面测量，由于样品材料反射率不同、倾斜角度不同、光学平台振动、光源光强波动等因素影响，导致共焦方法和变焦方法分别有不同的轴向响应曲线，因此不能一致获得良好的表面重建质量．为了获得更好的测量效果，本研究充分发挥两种测量方法融合的优点，通过建立统一的表面重建置信度评价模型，对共焦测量方法与变焦测量方法在每一点重建得到的结果进行合理的评价，计算各测量点处两种测量方法的置信度值，并将该置信度值作为后续融合共焦与变焦数据以得到良好测量结果的依据．图2为单刻线表面特征位置处轴向响应曲线，图中：w为归一化轴向响应；S为轴向位移．如图2所示，在测量过程中，各种干扰因素会对共焦方法和变焦方法的测量效果造成影响，无法保证样品上每一个测量点都能够得到理想的轴向响应曲线，进而导致相应被测点处峰值定位算法失效，不能得到该点准确的高度．10.13245/j.hust.239051.F002图2单刻线表面特征位置处轴向响应曲线1—完好表面共焦；2—缺陷表面共焦；3—台阶边缘共焦．本研究提出使用表面光强的阈值、轴向响应曲线的拟合确定系数作为评价指标，建立了各测量点处表面重建置信度的评价模型，有Ci(x,y)=1n∑k=1nIk(x,y)≥aIMAXbβ，(1)式中：Ci(x,y)为坐标为(x,y)的测量点的表面重建置信度值；n为共焦或变焦方法所使用的结构照明图像数量；Ik(x,y)为第k张结构照明图像中坐标(x,y)位置处的光强值；IMAX为CMOS相机像素位深度的理论最大值；a,b分别为光强阈值的调整系数和拟合曲线的调整系数；β为轴向响应曲线的拟合确定系数．当1n∑k=1nIk(x,y)≥aIMAX成立时，表达式的值为1；反之，表达式的值为0．δ根据被测样品表面材料反射率、倾斜角度等因素确定，有bCF=(1+δ)bFV    (δ≥0)，(2)式中：bCF为共焦方法拟合曲线的调整系数；bFV为变焦方法拟合曲线的调整系数．基于上述的置信度评价模型，本研究提出了一种像素层级的变焦数据与共焦数据的融合方法．该方法基于两组测量数据计算出的置信度值动态地为融合结果选择最佳的轴向响应曲线，并进一步将该曲线的峰值定位结果作为测量高度值．具体融合流程见图3．10.13245/j.hust.239051.F003图3共焦数据与变焦数据融合流程图设A为一个较高的置信度阈值，B为一个较低的置信度阈值B，通过A和B将测量数据的可信程度划分为高、中、低三个水平．图4为不同置信水平下的轴向响应曲线图．若共焦数据与变焦数据同时处于高置信水平(如图4(a)所示)，由于共焦测量方法比变焦测量方法具有更好的轴向层析能力，因此优先选择具有较高精度的共焦轴向响应曲线作为最终融合结果．若只有变焦数据处于高置信水平(如图4(b)所示)，则选择变焦轴向响应曲线作为最终融合结果；若共焦数据与变焦数据同时处于中等置信水平(如图4(c)所示)，则将两组数据进行均值融合以降低噪声影响；若共焦数据与变焦数据同时处于低置信水平，则将该像素点标记为待修复数据点，在后续处理过程中通过周围点对该数据点进行修复．10.13245/j.hust.239051.F004图4不同置信水平下共焦数据与变焦数据融合的轴向响应曲线图1—共焦；2—变焦；3—融合．2 实验测试与分析设h为单刻线的高度，为了验证所提方法的测量效果，本研究对h=1.2 μm的单刻线样品表面进行三维形貌测量．测量系统硬件由高亮度LED光源、CMOS相机、DMD空间光调制器、高精度直流电机、压电陶瓷物镜驱动器和计算机等硬件组成．使用该测量系统对单刻线样品的某一局部区域进行轴向扫描．设x和y为平面上互相垂直的两个方向，x和y方向视场大小均为0.3 mm．图5(a)为共焦测量方法的处理结果，可以看到在台阶边缘区域及部分缺陷表面处均存在较大的噪点；图5(b)为本文方法的处理结果，可以看到该方法对台阶边缘区域及部分缺陷表面处的噪点有显著的抑制作用．10.13245/j.hust.239051.F005图5两种测量方法对单刻线样品表面的处理结果为了进一步显示本文方法的优越性，本研究从上述两组表面形貌重建结果中提取相同位置处的截面图，选取视场中两对角点连线所对应的高度信息进行分析．图6(a)为共焦测量方法的提取结果，可以看到台阶边缘区域存在明显的噪点；图6(b)为本文方法的提取结果，可以看到台阶边缘区域的噪点被显著地抑制．10.13245/j.hust.239051.F006图6在相同位置处两种测量方法的处理结果剖面图更进一步地，为了验证本文方法对复杂多样性表面的测量效果，本研究对磨削样品的表面粗糙度Ra=0.2 μm的磨削样品表面进行三维形貌测量．使用该测量系统对磨削样品的某一局部区域进行轴向扫描，选取视场中两对角点连线所对应的高度信息进行分析．图7为共焦测量方法的处理结果，可以看到在倾角较大的斜坡区域，噪声的影响非常大，存在较多测量失效的点．图8为本文方法的处理结果，斜坡区域的噪声影响被显著地抑制．图7和8在x和y方向视场大小均为0.3 mm．综上所述，对于具有复杂多样性的样品表面，本文方法相较于单一的共焦测量方法实现了更好的测量效果．10.13245/j.hust.239051.F007图7共焦测量方法对磨削样品表面的处理结果10.13245/j.hust.239051.F008图8本文方法对磨削样品表面的处理结果3 结语本研究使用了基于DMD结构照明的共焦与变焦双模式一体测量显微镜，利用离焦量估计算法与聚焦评价算法对采集的一系列结构光照明图像数据进行处理，实现了共焦与变焦双模式一体测量．进一步地，本研究提出了一种基于表面重建置信度评价模型的共焦与变焦测量技术的数据融合方法，通过对单刻线样品表面与磨削样品表面进行测量分析，验证了该方法对复杂表面形貌具有较好的测量效果．