显微精密成像与微型机械尺寸检测技术

　　1　引　　言

　　随着现代科学技术的发展,特别是现代计量学和测试理论及技术的发展,在计量测试领域中,已越来越多地采用数字影像技术和视觉技术。随着现代机械制造技术在微型机械方向的迅速发展和走向实用,对微机械量和几何量的检测和计量提出了越来越高的要求.目前数字影像技术和视觉技术在此应用中倍受注目。近年来,视觉计量或视觉计量技术(Vision Metrology /VisionMetrology Technology)在该领域和技术文献中越来越多地被提到和采用。

　　目前,可对亚微米级的(Submicrometer)微机械量和几何量的检测和计量手段有:扫描电子显微镜(SEM)、扫描探针显微镜(SPM)、干涉显微镜、高精度轮廓仪、光电坐标测量机(CMM-Opt)等。其中,SEM和STP的测量范围分布在几nm~200μm左右;而白光干涉显微镜测量范围分布在0.5μm~0.6mm左右;轮廓仪测量范围分布在0.1μm~5mm左右;而CMM-Opt(Opt.probe)测量范围分布在1μm~1000mm左右[1];具有机械式测头(Mech.probe)的CMM对微机械量和几何量的检测和计量显得无能为力;而扫描隧道显微镜(STM)和原子力显微镜(AFM)就其测量精度和范围应属于纳米测量手段.微(型)机械量几何量分布在亚微米到10mm之间,在这个测量区域中,显微视觉测量方法辅助以精密的机械移动可以覆盖亚微米到10mm的区间,几乎可以覆盖整个的微(型)机械量几何量测量区间,是该领域最有前景的计量测试方法和手段之一.但是,显微视觉测量系统应该解决自身的”精密成像”问题,它的测量区间才能有效地覆盖亚微米的微观物理空间。

　　2　显微成像系统的成像畸变分析

　　在通常的视觉测量系统中,所要求的相对精度往往可以忽略视觉光电系统所产生的三维成像空间畸变。而在有的应用中,如视觉瞄准、定位等应用可以使用相对稳定的光学中心或近轴区域,因此,像元级或亚像元级的三维空间成像畸变均被忽略。在利用视觉计量技术对微机械量和几何量的检测和计量中,上述三维空间成像畸变所产生的测量误差则是主要因素之一,不可忽视。

　　上述三维空间畸变并不仅仅是光学成像系统的畸变总和,而且包括阵列成像器件的光电特性均匀性和空间分布均匀性、物空间理想成像面与实际成像面的误差、光电器件成像面在像空间的三维位置误差和被成像物面在物空间的三维空间位置误差等。

　　利用视觉检测技术进行测量应属间接测量,即被测物理量是通过中间过程的影像被进行测量的,而视觉测量中所采用的所有影像处理算法均是针对被测影像的(如成像像元的细分精度可以达到二十分之一个像元),但是,被测影像是否真实反映了实际被测物理量则是影像和视觉测量中非常重要的研究问题。