材料断口表面微观三维形貌干涉检测装置及其检测和数据处理方法

摘要

本发明公开了一种材料断口表面微观三维形貌干涉检测装置，包括光源系统、分束器、测量臂、参考臂和CCD部件。针对材料断口表面复杂的微观形貌，为提高实验的可控性和操作性，系统采用Linnik结构。光源发出的光经透镜准直后被分束器分成两路，一路射向测量臂，另一路射向参考臂，并分别聚焦照射到被测样品表面和参考反射镜表面。被照射微小区域经显微放大，成象光束在分束器会合后相互叠加干涉，再用CCD在成像面处接收干涉光场，所采集的干涉图像数据经USB接口送入计算机。

说明书

技术领域

本发明属于材料表面检测技术领域，具体涉及一种材料断口表面微观三维形 貌干涉检测装置。

背景技术

材料断口表面的微观形貌对于研究分析材料断裂的产生及扩展过程具有极 其重要的价值，愈来愈受到人们高度重视。目前，较多的采用扫描电镜来获取断 口微观形貌，但是基本为二维图像数据；由于断口形貌具有复杂的三维特征，而 二维图像缺少纵向高度信息，因此，人们已逐渐转向采用三维方式来研究材料断 口。根据文献报道，目前获取断口表面三维形貌主要采用基于图像的计算机三维 重建技术、激光扫描测量技术和分层切片方法等。基于图像的计算机三维重建又 分为基于单幅图像的三维重建和基于多幅图像的三维重建，其中体视学法在金属 断口三维重建中较多采用，它是由断口的扫描电镜(Scanning Electron  Microscope,SEM)立体对图像来恢复其三维几何形貌，该方法中图案匹配问题是 最关键的难点，处理不当会造成极大的重建误差。激光扫描测量技术主要采用聚 焦显微成像或激光三角法重构三维形貌，通常用于研究岩石、混凝土等材料的断 口特性检测分析。分层切片法就是用金相砂纸按一定厚度分层打磨断口侧表面， 每层磨削后采集轮廓图像，最后由计算机完成三维重建。显然，该方法对样品表 面是有损伤的，一般适合于宏观形貌的获取。

技术方案

本发明要解决的技术问题是提供一种采用白光扫描干涉技术对材料断口表 面微观形貌进行测量及三维重建，并且具有无损探伤、成本低、测程范围大、纵 向精度高等优点的材料断口表面微观三维形貌干涉检测装置。

本发明通过以下技术方案解决上述技术问题：

一种材料断口表面微观三维形貌干涉检测装置，包括光源系统、分束器、测 量臂、参考臂和CCD部件，其特征在于，

所述光源系统，提供照射光束；

分束器，将光源系统发射的光束分成两束，一束通过测量臂照射被测样品表 面，另一束通过参考臂射向参考镜；

测量臂，由显微物镜组Ⅰ和位于显微物镜组后部的载样机构组成，

参考臂，由显微物镜组Ⅱ和位于显微物镜组Ⅱ后部的参考镜构成；

测量臂与参考臂相互垂直共轭；

光源系统、分束器、显微物镜组Ⅰ、载样机构、显微物镜组Ⅱ、参考镜和 CCD部件同轴依次设置；

光源系统发出一束光束，光束经过分束器分成两束光，其中一束光束为测量 光束，测量光束通过测量臂照射在载样机构固定的样品上，并经过样品表面的反 射再通过测量臂照射在CCD部件；

另一束光束为参考光束，参考光束通过参考臂照射在参考镜上，并经过参考 镜表面的反射再通过参考臂照射在CCD部件；

CCD部件设置在测量光束和参考光束共同显微干涉成像的位置，将图像转为 电子图像存储，

所述显微物镜组Ⅱ和参考镜安装在复合微调机构上，所述复合微调机构可以 调节显微物镜组Ⅱ和参考镜的空间位置；所述复合微调机构包括上微调块和下微 调块，上微调块通过下滑块连接在下微调块上；调节上微调螺钉移动上滑块，并 通过紧定螺钉微调上滑块的滑动方向；调节下微调螺钉移动下滑块，并通过紧定 螺钉微调下滑块的滑动方向，由此调节上、下滑块的运动同轴性。上微调块通过 上滑块连接参考镜座，下微调块通过下滑块连接显微物镜Ⅱ组。

为了获得更好的技术效果，所述显微物镜组Ⅱ和参考镜的中间还设有补偿平 晶，所述补偿平晶用来平衡测量光束和参考光束的光程差；

所述载样机构包括多维载样机构和压电陶瓷，多维载样机构包括底座、横向 调整座和旋转固定筒；在多维载样机构的底座上安装有轴向微调旋钮和滑动导轨， 横向调整座的底部与滑块连接，通过旋转轴向微调旋钮，控制横向调整座和旋转 固定筒一起沿着滑动导轨轴向运动；横向调整座上设有垂直微调旋钮和水平微调 旋钮，用于调整被测样品的高度和左右位置，以便选择待测量的样品表面区域并 被测量光束照射；通过定位螺丝将样品固定在旋转固定筒上，并通过旋转旋转固 定筒，可以360°调节样品的方位，这样可以根据断口样品表面形貌特征，选择 合适的观测方位角。由于方位旋转带来的轴向位移可通过轴向微调旋钮补偿，保 证有最佳的轴向空间干涉扫描区间，从而达到最理想的检测效果。

所述载样机构还有微驱动单元，以控制样品的前后微位移移动；所述微驱动 单元包括微位移传感器、压电陶瓷(PZT)和压电陶瓷控制与驱动模块，微位移 传感器监控载样机构轴向空间扫描的微位移值，压电陶瓷控制与驱动模块控制施 加给压电陶瓷的电压，压电陶瓷为受压产生电压的陶瓷材料，利用其受压产生电 压的逆原理，通过施加电压控制压电陶瓷的变形，以控制样品的微位移。

本发明还提供一种材料断口表面微观三维形貌干涉检测装置的检测方法，其 步骤为：

(1)电源开机；在计算机系统中输入电源控制参数，系统进行电源参数检查， 如果不通过则要求使用者重新在计算机系统中输入电源控制参数；

(2)通过后，要求使用者输入采集参数，系统进行采集参数检查，如果不通过 则要求使用者重新在计算机系统中输入采集参数；

(3)通过后，系统自动设定步进计数器参数S＝K；

(4)图片计数器N归零；

(5)再由采集卡实时采集图像，并自动生成文件名保存采集到的图像到文件中；

(6)图片计数器自动进行N＝N+1操作，重复步骤(5)；

(7)当图片计数器N达到设定值后，步进计数器参数进行S＝S-1操作，并重复 步骤(4)-(6)；

(8)当步进计数器参数S＝0时，本发明装置停止运行。

本发明还提供一种材料断口表面微观三维形貌干涉检测装置的数据处理方 法，其步骤为：

(1)、干涉光强随光程(＝2nz)变化函数I(δ)的Fourier逆变换展开：

$\left(\begin{array}{c}I\left(\delta \right)=\frac{1}{2\pi }{\int }_{-\infty }^{+\infty }P\left(k\right)\exp \left(\mathrm{ik\delta }\right)\mathrm{dk}\\ =\frac{1}{\pi }{\int }_0^{\infty }\left|P\left(k\right)\right|\cos [\mathrm{k\delta }-\phi \left(k\right)]\mathrm{dk}\end{array}\right)---\left(1\right)$

P(k)为I(δ)的Fourier变换，它是一个复变量，且为偶函数，它的复位相 角为：

φ(k)＝-tan^-1(Im{P(k)}/Re{P(k)})      (2)；

(2)、白光干涉条纹是各波长单色光干涉条纹的非线性迭加，实变函数i(k) 表示系统中波数为k单色光强，不同波长的干涉条纹非相干迭加可以写成：

$I\left(\Delta \right)=\frac{1}{\pi }{\int }_0^{\infty }i\left(k\right)[1+\gamma \cos \left(\mathrm{k\Delta }\right)]\mathrm{dk}---\left(3\right)$

式中γ为条纹可见度，△为分别通过测量臂与参考臂的两束光的干涉光程差， 它与被测表面高度h有关：

Δ＝2n(z-h)＝δ-2nh      (4)

n为介质折射率；

(3)、比较步骤(1)中方程式(1)、步骤(2)中方程式(3)具有相似的余 弦Fourier变换形式，并根据步骤(2)中方程式(4)，得：

φ(k)＝2knh         (5)

上式对k进行求导：

$\frac{\mathrm{d\phi }}{\mathrm{dk}}=2h(n+k\frac{\mathrm{dn}}{\mathrm{dk}})=2n_{G}h---\left(6\right)$

式中n_G是群折射率，所以，表面任意点的相对高度为：

$h=\frac{1}{2n_G}\frac{\mathrm{d\phi }}{\mathrm{dk}}---\left(7\right)$

本发明针对材料断口表面复杂的微观形貌，为提高实验的可控性和操作性， 系统采用Linnik结构。光源发出的光经透镜准直后被分束器分成两路，一路射 向测量臂，另一路射向参考臂，并分别聚焦照射到被测样品表面和参考反射镜表 面。被照射微小区域经显微放大，成象光束在分束器会合后相互叠加干涉，再用 CCD在成像面处接收干涉光场，所采集的干涉图像数据经USB接口送入计算机。

附图说明

图1为本发明实施例原理示意图；

图2为本发明实施例结构示意图；

图3为本发明实施例载样机构结构主视图；

图4为本发明实施例载样机构结构右视图；

图5为本发明实施例流程图；

图6为本发明实施例复合微调机构结构图；

图7为本发明实施例复合微调机构结构A-A半剖图。

具体实施方式

实施例1

一种材料断口表面微观三维形貌干涉检测装置，包括光源系统1、分束器2、 测量臂3、参考臂4和CCD部件5，

所述光源系统1，提供照射光束；

分束器2，将光源系统发射的光束分成两束，一束通过测量臂照射被测样品 表面，另一束通过参考臂射向参考镜；

测量臂3，由显微物镜Ⅰ组31和位于显微物镜Ⅰ组31后部的载样机构32 组成，载样机构32还与微驱动单元33相连，以控制样品的前后微位移移动；所 述微驱动单元33包括微位移传感器331、压电陶瓷(PZT)332和压电陶瓷控制 与驱动模块333，微位移传感器331监控载样机构32轴向空间扫描的微位移值， 驱动模块333控制施加给压电陶瓷332的电压，压电陶瓷332为受压产生电压的 陶瓷材料，利用其受压产生电压的逆原理，通过施加电压控制压电陶瓷332的变 形，以控制样品的微位移；

参考臂4，由显微物镜Ⅱ组41和位于显微物镜Ⅱ组41后部的参考镜42构 成；显微物镜Ⅱ组41和参考镜42安装在复合微调机构43上，复合微调机构43 可以调节显微物镜Ⅱ组41和参考镜42的空间位置；显微物镜Ⅱ组41和分束器 2的中间还设有补偿平晶44，所述补偿平晶44用来平衡测量光束和参考光束的 光程差；

所述复合微调机构43包括上微调块431和下微调块432，上微调块431通 过下滑块433连接在下微调块432上。调节上微调螺钉435移动上滑块434，并 通过4个上滑块紧定螺钉436微调上滑块434的滑动方向；调节下微调螺钉437 移动下滑块433，并通过4个下滑快紧定螺钉438微调下滑块433的滑动方向， 由此调节上、下滑块434、433的运动同轴性。上微调块431通过上滑块434连 接参考镜座，下微调块432通过下滑块433连接显微物镜Ⅱ组41，参考镜座和 显微物镜Ⅱ组41既可联动又可差动，还可以微动调整系统的光学成像倍率、干 涉光程平衡和空间扫描断面方向，保证了系统有很好的可调性。由于采用精密直 线滑轨配合，保证系统的调整精度。系统调整好以后用螺钉锁死，确保系统稳固 性好；

测量臂3与参考臂4相互垂直共轭；

光源系统1、分束器2、显微物镜Ⅰ组31、载样机构32、显微物镜Ⅱ组41、 参考镜42和CCD部件5同轴依次设置；

光源系统1发出一束光束，光束经过分束器2分成两束光，其中一束光束为 测量光束，测量光束通过测量臂3照射在载样机构32固定的样品0上，并经过 样品0表面的反射再通过测量臂3照射在CCD部件5；

另一束光束为参考光束，参考光束通过参考臂4照射在参考镜42上，并经 过参考镜42表面的反射再通过参考臂4照射在CCD部件5；

CCD部件5设置在测量光束和参考光束共同显微干涉成像的位置，将图像转 为电子图像。

CCD部件5通过USB接口与计算机相连，并将电子图像存储在计算机中；压 电陶瓷控制与驱动模块333也与计算机相连。根据微位移传感器的反馈量，计算 机计算出微位移参量，并通过压电陶瓷控制与驱动模块333控制压电陶瓷332 的形变进而控制样品0的微位移。

实施例2

一种材料断口表面微观三维形貌干涉检测装置，结构如图2所示，由光源系 统1、分束器2、测量臂及参考臂和CCD部件5构成。测量臂由显微物镜Ⅰ组31 和载样机构32组成，参考臂由显微物镜Ⅱ组41、补偿平晶44、参考镜座42构 成。测量臂及参考臂等光程，且相互垂直共轭。光源系统1、分束器2、补偿平 晶44、显微物镜Ⅱ组41和参考镜座42同轴依次设置，其中显微物镜Ⅱ组41和 参考镜42安装在复合微调机构43上；载样机构32、显微物镜组Ⅰ组31、分束 器2和CCD部件5同轴依次设置。CCD部件5的CCD面阵接收面设置于待测样品 0及参考平面镜42表面共同的像方位置。

载样机构32优选为可以调整多维度方向的载样机构；

载样机构32包括多维载样机构和压电陶瓷332，多维载样机构包括底座328、 横向调整座329和旋转固定筒325；在多维载样机构的底座328上安装有轴向微 调旋钮321和压电陶瓷332，横向调整座329的底部与滑块323连接，通过旋转 轴向微调旋钮321控制横向调整座329和旋转固定筒325一起沿着底座328上的 滑动导轨轴向运动；横向调整座329上设有垂直微调旋钮326和水平微调旋钮 327，用于调整被测样品的高度和左右位置，以便选择待测量的样品表面区域并 被测量光束照射；通过定位螺丝3251将样品固定在旋转固定筒325上，并通过 旋转旋转固定筒325，可以360°调节样品的方位，这样可以根据断口样品表面形 貌特征，选择合适的观测方位角。

本发明载样机构32，可实现样品的X(左右)、Y(上下)、Z(前后)方向和 旋转多维调整，通过旋转旋转固定筒325，可以360°调节样品的方位，这样可以 根据断口样品表面形貌特征，选择合适的观测方位角。特别是由于方位旋转带来 的轴向位移可通过轴向微调旋钮补偿，保证有最佳的轴向空间干涉扫描区间，从 而达到最理想的检测效果。另外，在多维载样机构上安装有微驱动单元33，可 在手动粗调的基础上，由压电陶瓷控制与驱动模块333驱动压电陶瓷332实现精 密垂直空间白光干涉扫描。

实施例3

测量时，计算机通过压电陶瓷控制与驱动模块控制压电陶瓷带动被测样品沿 轴向空间扫描,这样被测样本表面的不同高度平面就会逐渐进入干涉区,如果在 充分的扫描范围内进给,被测样品表面的整个高度范围都可以通过最佳干涉位置。 利用与被测面上各像素点对应的干涉数据,基于白光干涉典型特征,对干涉位相 信息进行分析处理,提取每个像素点的最佳干涉位置,进而得到各像素点相对高 度,这样便实现了对三维形貌的检测重建。

本发明光源系统采用大功率发光二极管(Light-emitting Diode,LED)，由 于LED为宽带光源，相干长度很小，为产生干涉效应，必须使两臂近似等光程， 其中，参考臂中设置补偿平晶的作用就是平衡光路系统的光程差。

CCD部件采用高分辨黑白数字电荷耦合器件(Charge-Coupled Device,CCD) 面阵摄取干涉图像，像束单元数优选为795(高)×596(宽)，CCD部件可实现 高速8bits的A/D转换，灰度精度1/256。CCD部件采集的信息由USB接口输入 计算机。

在干涉图的采集过程中，其形成、传输、变换以及显示过程中都不可避免的 存在噪声，比如仪器自身无法克服的缺陷、机械的意外振动、温度和空气扰动等 多类因素。另外，CCD光电系统主要存在的各类噪声，如光量子散粒噪声、肥零 噪声、转移噪声和热噪声等。这些噪声必然会引起图像的质量退化，进而影响相 位场的复原，严重地还会淹没真实信息导致反演运算得到的待测量产生很大的失 真。为了降低外部干扰因素的影响，有效抑制信号噪声，提高测量精度，系统具 有扫描干涉定点多帧自动采集功能，并且能根据需求进行多帧采集参数设置，具 体实现流程如图5所示。

具体流程步骤包括：

(1)电源开机；在计算机系统中输入电源控制参数，系统进行电源参数检 查，如果不通过则要求使用者重新在计算机系统中输入电源控制参数；

(2)通过后，要求使用者输入采集参数，系统进行采集参数检查，如果不 通过则要求使用者重新在计算机系统中输入采集参数；

(3)通过后，系统自动设定步进计数器参数S＝K；

(4)图片计数器N归零；

(5)再由采集卡实时采集图像；并自动生成文件名保存采集到的图像到文 件中；

(6)图片计数器自动进行N＝N+1操作，重复步骤(5)；

(7)当图片计数器N达到设定值后，步进计数器参数进行S＝S-1操作，并 重复步骤(4)-(6)；

(8)当步进计数器参数S＝0时，本发明装置停止运行。

本发明检测装置基于白光干涉效应，并通过垂直扫描，实现表面形貌的三维 层析。白光干涉术克服了相位模糊问题，适用于存在高度突变的复杂轮廓表面检 测，并且纵向精度高。从理论上来讲，扫描白光干涉检测重建纵向测程范围大， 由于更多地依据物理三维数据，重建算法计算量相对较少，可以实现快速三维重 建。

本发明装置采用Linnik基本干涉结构，以LED作为光源，具有体积小、结 构紧凑等特点，系统横向分辨率1.18μm。载样调整扫描机构可实现X、Y、Z空 间和旋转多维调整以及Z向空间精密控制扫描，并可实现旋转和轴向位移干涉的 补偿，兼顾最佳方位角和最优扫描区间的选择，非常适合断口表面形貌的检测。 系统微进给由压电陶瓷驱动,并采用闭环控制,因此可以达到较高的测量精度。

扫描白光干涉术纵向测程范围大，兼顾有效视场和纵向精度，可弥补传统无 损检测和定性表征手段的不足，实现断口的快速、精确非接触三维测量，可为研 究断裂机理提供量化且客观的依据，这对于研究分析断裂的产生及早期扩展过程 具有极其重要的价值。

实施例4

实施例3获得的数据进行如下处理，得到材料断口表面微观三维形貌的高度 数据，具体步骤如下：

(1)、考虑到断口白光干涉数据可见度太低,并且干涉光强随光程(＝2nz) 变化函数I(δ)的Fourier逆变换展开：

$\left(\begin{array}{c}I\left(\delta \right)=\frac{1}{2\pi }{\int }_{-\infty }^{+\infty }P\left(k\right)\exp \left(\mathrm{ik\delta }\right)\mathrm{dk}\\ =\frac{1}{\pi }{\int }_0^{\infty }\left|P\left(k\right)\right|\cos [\mathrm{k\delta }-\phi \left(k\right)]\mathrm{dk}\end{array}\right)---\left(1\right)$

P(k)为I(δ)的Fourier变换，它是一个复变量，且为偶函数，它的复位相 角为：

φ(k)＝-tan^-1(Im{P(k)}/Re{P(k)})      (2)； 

(2)、白光干涉条纹是各波长单色光干涉条纹的非线性迭加，实变函数i(k) 表示系统中波数为k单色光强，不同波长的干涉条纹非相干迭加可以写成：

$I\left(\Delta \right)=\frac{1}{\pi }{\int }_0^{\infty }i\left(k\right)[1+\gamma \cos \left(\mathrm{k\Delta }\right)]\mathrm{dk}---\left(3\right)$

式中γ为条纹可见度，△为分别通过测量臂与参考臂的两束光的干涉光程差， 它与被测表面高度h有关：

Δ＝2n(z-h)＝δ-2nh      (4)

n为介质折射率；

(3)、比较方程式(1)、方程式(3)具有相似的余弦Fourier变换形式，并 根据方程式(4)，可得：

φ(k)＝2knh      (5)

上式对k进行求导：

$\frac{\mathrm{d\phi }}{\mathrm{dk}}=2h(n+k\frac{\mathrm{dn}}{\mathrm{dk}})=2n_{G}h---\left(6\right)$

式中n_G是群折射率，所以，表面任意点的相对高度为：

$h=\frac{1}{2n_G}\frac{\mathrm{d\phi }}{\mathrm{dk}}---\left(7\right).$