图像处理技术在形貌测量中的应用

　　1　引　　言

　　表面形貌测量是生产过程控制、检测和诊断的重要手段。80年代以来为了满足高新技术的需求,相继出现了各种光学表面形貌测量仪器,它们大都在经典干涉显微镜的基础上,引进了调制和相移技术,使性能得到很大提高。如美国WYKO公司、ZYGO公司研制成功的非接触形貌测量仪,均得到广泛应用。

　　随着埃级微观表面形貌测量要求的提出,进一步研究实现埃级检测精度的可行性,很有必要。

　　文章在清华大学自行研制的带旋转检偏器的微分干涉测量系统的基础上[1](测量系统参看图1),利用图像处理技术,改善了二维、三维表面形貌图像质量,并提高了检测精度,为埃级微观形貌测量打好基础。

　　2　形貌测量精度分析

　　影响形貌测量精度的因素很多,归纳起来有以下几点:(1)光学系统引入误差,包括系统中各元器件位置是否正确,照明均匀性,样品与光轴是否垂直等。(2)CCD器件及电子线路的噪声。(3)检偏器转角误差即相移误差,包括偏振棱镜本身引起相位误差。(4)机械振动及环境干扰。

　　要进一步提高精度一般从几方面考虑:(1)合理布局光学系统结构,以减小振动与环境的干扰。仔细调整光路、消除偏振棱镜引起相位误差等。(2)采取适当算法以减小相移误差。(3)利用计算机图像处理技术减小系统误差和随机误差。

　　文章重点介绍图像处理技术在形貌测量中应用的原理、实现方法及实际效果。

　　3　最小二乘加平均处理

　　为了计算评定实际表面的粗糙度参数,需要一个基准平面通常采用最小二乘法来获取。由于测量系统中的形貌数据是离散的,可用H(i,j)来表示位置(x,y)处的表面高度值H(x,y),i,j=1,2……N,设基准平面的方程为Ai+Bj+C,依据平面上各点距基准平面的距离平方和为最小,即可解出基准平面方程中的A,B,C。

　　若样品倾斜或与光轴不垂直,则基准平面相对水平倾斜某α角,根据坐标变换原理,表面形貌在测量坐标系中由下式描述:

　　上式可知,样品的倾斜使测得表面斜率附加一直流分量,采用平均处理,即可消除样品倾斜对形貌的影响。

　　4　高通滤波

　　微观表面形貌与频谱中的高频分量相对应,因此,需采用高通滤波用来抑制如波纹度等低频分量,在频域中实现高通滤波原理用公式表示[2]:

　　本实验采用较简单的理想高通滤波器,得到的图像不仅很好地去除了样品轮廓曲线的波纹度,也消除了波纹度对Ra值计算结果的影响。

　　5　中值滤波

　　形貌测量过程不可避免地存在各种噪声,如CCD以及电子放大电路等引起,它与微观形貌对应的高频信息不易区分,而且直接影响测量精度。为了不丢失有用高频信息,需采用中值滤波。本实验采用5×5方形窗口得到较好的效果。