无限变焦3D形貌仪测量条件及不确定度分析

郭继平于冀平方南家王强兵陈照聚伍沛刚

（1.深圳市计量质量检测研究院，广东 深圳 518109；2.深圳大学光电工程学院，教育部光电子器件与系统重点实验室，广东 深圳 518060）

无限变焦3D形貌仪测量条件及不确定度分析

郭继平1,2,于冀平1,方南家1,王强兵1,陈照聚1,伍沛刚1

（1.深圳市计量质量检测研究院，广东 深圳 518109；2.深圳大学光电工程学院，教育部光电子器件与系统重点实验室，广东 深圳 518060）

为确定影响光学3D形貌测量结果的条件及因素，该文通过分组测量实验对无限变焦3D形貌测量仪在不同测量条件下的测量结果进行定量分析，根据实验结果总结出应用该仪器进行各类测量时选择测量条件的一般性原则。同时，分别对该仪器在不同测量应用中测量结果的不确定度进行了分析。结果表明：照明条件、视场选择、扫描分辨率等条件因素对测量结果会产生较大影响，因此在实际测量时应注意选择合适的条件以减小测量误差。

几何量计量；微观形貌测量；光学3D测量；变焦技术；不确定度分析

0 引 言

近年来，随着微机电系统（MEMS）与微光机电系统（MOEMS）的迅速发展，对复杂精密零件的微观表面形貌综合测量的需求日益增多。测量对象由结构简单、形状规则的工件逐渐拓展到形貌、结构复杂的不规则工件。测量任务从某个单一参数的测量延伸至对形状、尺寸等表面形貌综合参数的测量。传统的接触式测量方法在此类测量应用中受到较大限制，因此光学非接触式表面形貌测量技术迅速发展起来，诸如白光干涉仪、扫描电子显微镜等测量仪器在几何量微纳米计量检测中起着越来越重要的作用[1-5]。其中基于变焦测量技术的新型微纳米形貌测量仪器——无限变焦形貌测量仪，在获取被测表面密集3D数据点的同时可得到表面的真实纹理与色彩信

息，测量更加准确和灵活，在几何量微纳米计量检测领域有着广阔的应用前景[6-10]。研究该类测量仪器的计量特性，分析影响其测量结果的条件因素，评定其在不同测量任务下的测量不确定度，对提高该仪器在实际应用中的测量准确度，进而获得更加真实可靠的测量结果有着重要的指导意义。

1 测量原理介绍

无限变焦形貌仪是基于变焦测量技术（focus variation）的微纳米级高精度3D表面形貌测量系统，主要部件包括精密光学镜头组、彩色CCD探测器、XY平面二维平移工作台及Z轴垂直扫描装置。其基本测量原理结合了变焦技术与精密扫描技术，利用具有极小景深的光学探头对被测物体表面某一高度截面进行清晰成像，得到该截面内物体表面点的图像坐标，结合XY平面二维平移工作台的光栅位置读数计算出这些点的X、Y二维空间坐标，并同时记录各数据点的文理和色彩信息；同时由该成像平面对应的Z轴垂直扫描装置的Z轴位置读数和光学成像系统的参数共同计算出该平面内清晰成像数据点的空间Z轴坐标。Z轴扫描装置驱动光学探头自下而上连续扫描整个被测物体的高度范围，即可得到完整的物体表面数据点空间三维坐标（包括文理和色彩信息），扫描结构及原理如图1所示。

图1 无限变焦扫描测量原理示意

2 测量条件分析

无限变焦形貌仪是非接触式的光学测量仪器，影响测量结果的主要因素有测量光照条件、被测物体表面的光学性质、物镜及测量分辨率的选择等。其中光照条件和被测物体表面的光学性质决定了被测物体表面成像的质量，是影响测量结果的主要因素。被测物体表面的光学性质包括颜色和纹理信息，对于镜面反射、透明物体或表面纹理过少的被测物体，将不能实现测量。要得到真实、准确的测量结果，必须对上述影响测量结果的因素进行研究统计，对不同的测量任务，选择不同的测量条件。本文分别设计实验，分析光照条件、光学镜头及分辨率，选择在某一测量任务中对测量结果的影响程度。

2.1 光照条件对测量结果的影响

对于光学非接触测量，光照条件是影响测量结果的最重要因素之一。合适的照明条件可得到理想的测量结果，否则将会产生测量误差甚至无法实现测量。照明条件可从光源类型、光照强度、照明方式3个方面进行分析。不同光源类型照明效果不同，应根据被测物体表面的光学性质合理选择光源类型。光照强度应结合探测器曝光时间进行合理调整，保证采集图像亮度均匀（不出现过曝区或暗区）。选择合理的照明光源后，需要根据被测特征的特点设计照明方案，即使用不同的照明方式，如共轴照明、侧方位照明、环形光照明等。必要时需要多种照明方式相互配合，得到理想的照明效果。

形貌仪可供选择的光源有共轴光源（C）、偏振光源（P）、环形光源（R）3种照明光源。应用此3种光源不同组合进行照明，对由PTB校准的台阶（校准高度值：H=0.997 6 mm；U=0.86 μm，k=2）及角度（校准值：A=89.98°；U=0.10°，k=2）进行测量实验。台阶和角度样品为同一材质，漫反射表面。实验中使用的照明条件分别为：光照1（C+P）、光照2（C）、光照3（C+R）、光照4（C+P+R）、光照5（R）、光照6（R+P）。每一种照明条件下，对样品进行连续10次测量，取均值为测量结果，测量时保持其他测量条件相同。分别计算测量结果的误差和标准偏差，绘制曲线如图2、图3所示。

分析测量数据可看出，测量台阶时光照1（C+P）和光照4（C+P+R）是较理想的选择；测量角度时，光照4（C+P+R）和光照6（R+P）较为理想。台阶测量时从正面照明即用共轴光源照明可得到较好结果，而角度测量时增加侧面照明光即用环形光源照明可得到较好结果。这是由两者测量对象表面形貌结构决定的，角度测量需要对两个相对陡峭的侧边清晰成像，故需要利用环形光源从侧面进行均匀照明。从实验中总结出选择照明条件的原则：对于比较平坦且表面特征明显的物体进行测量时，选择共轴光源进行照明即能得到较好结果；对于光洁表面及陡峭表面进行测量时，需要使用偏振光源进行照明，突出表面纹理信息，同时配合使用环形光源使陡峭侧壁得到

较好照明。总之，测量时应根据不同的测量任务选择合适的照明条件以减小由光照引起的测量误差。

图2 不同照明条件下，台阶高度测量结果

图3 不同照明条件下，二面角度测量结果

2.2 镜头及分辨率选择对测量结果的影响

镜头的放大倍率决定着测量视场的大小，即被测物体表面可参与测算的面积大小。对于某一测量任务，选择不同的视场大小进行测量得到的结果可能不同。视场选择过小，则可能导致被测物体重要数据信息的丢失，不能得到对特征进行评价所需的完整测量数据而影响测量准确度；视场选择过大，某一分辨率下，被测物体或目标区域的测量数据所占比例过少，导致被测特征的数据表达不充分，甚至不能有效分辨被测特征，同样会影响测量准确度。

实验所用的形貌仪配有5×、10×、20×、50×四种镜头，对应着不同的测量视场范围及分辨率（横向、纵向），测量精度等级也依次升高。实验中分别使用5×、10×、20×镜头对半圆柱表面进行了10次测量（标称半径R=500.8μm；U=1.5μm，k=2），结果如图4所示。

图4 不同放大倍率镜头测量半圆柱面半径结果

如图4所示，该测量任务中测量视场是影响测量结果的主要因素。5×镜头的测量视场覆盖了被测物体的全部特征，所得到的结果更接近标称值，20×镜头虽然有高的分辨率，但测量视场中的数据不足以充分表达被测特征，故测量结果超出允许误差范围。实验中用10×镜头对多个视场进行了拼接测量，其测量结果（图中10×match）与5×镜头测量结果基本一致，但测量时间是5×镜头测量时的4倍。

图像分辨率决定了既定视场范围内的测量数据的多少，也决定了测量系统对被测特征细节的分辨能力。视场大小相同时，分辨率越低，物体细节损失越多，分辨率越高，测量数据结果越接近物体特征真实值。高分辨率能获得更为准确的测量结果，但数据采集和处理时间相应变长，实际应用中应根据具体测量任务选择合适的分辨率，同时保证测量准确度和经济性。另外，如果被测物体对测量视场和测量分辨率都有较高要求时，可能需要使用高倍率镜头进行多个视场的测量，然后将各视场测量数据匹配拼接得到整体测量结果。此时需要考虑由数据匹配引入的测量误差的影响。

3 测量不确定度分析

无限变焦3D形貌仪可以对多种几何形貌特征进行测量，不同的测量任务，仪器的测量能力和测量精度相应不同。下面以台阶高度、角度、粗糙度的测量为例，依据JJF 1059-1999《测量不确定度评定与表示》中的相关原则对使用该仪器进行各测量任务时的测量不确定度进行分析[11]。

表1 台阶高测量不确定度汇总表

表2 角度测量不确定度汇总表

表3 粗糙度测量不确定度汇总表

实验中分别对标准台阶（标称值为H=0.9976mm；U=0.86μm，k=2）、二面角（标称值：A=59.91°；U=0.10°，k=2）、粗糙度样块（标称值：Ra=1.6 μm；U=6%，k=2）进行了测量。上述测量结果的不确定度主要来源于仪器校准引入的不确定度分量uRS和测量重复性引入的不确定度分量uRR。按照JJF 1059-1999的要求，分别计算出各测量任务中不确定度分量uRS及uRR汇总不确定度分析结果如表1～表3所示。实验室温度：21℃，空气湿度：55%，其他测量条件说明如下：

台阶测量条件：5X镜头，共轴光照明，纵向扫描分辨率4.09μm，横向图像分辨率7.82μm。

二面角测量条件：5X镜头，同时使用共轴光、环形光、偏振光照明，纵向扫描分辨率6μm，横向图像分辨率7.82μm。

粗糙度测量条件：50X镜头，共轴光照明，纵向扫描分辨率20nm，横向图像分辨率3.91μm。

4 结束语

本文定量分析了无限变焦3D形貌仪在各类测量应用中不同测量条件对测量结果的影响，给出了不同测量任务中选择照明、放大倍率（测量视场）、分辨率等测量条件时的注意事项。实验表明，不同的测量任务需要综合考虑各项影响因素，选择合适的测量条件以减小测量误差。另外，通过实际测量实验对该仪器在不同测量任务中的测量不确定度进行了分析，评定结果表明该仪器具有较高的测量精度，能够满足微观表面形貌尺寸的高精度测量需求。本文的研究结果可作为此类光学形貌测量技术在几何量测量应用中的技术参考。

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Measuring conditions and measurement uncertainty analysis of 3D morphology measuring machine based on infinite focus

GUO Ji-ping1，2，YU Ji-ping1，FANG Nan-jia1，WANG Qiang-bing1，CHEN Zhao-ju1，WU Pei-gang1
（1.Shenzhen Academy of Metrology&Quality Inspection，Shenzhen 518109，China；2.College of Optoelectronics Engineering，Key Laboratory of Optoelectronic Devices and Systems，Education Ministry of China，Shenzhen University，Shenzhen 518060，China）

In order to study the conditions and factors that will influence the measurement results，and provide a useful technical reference for the application of this kind of machine in different measuring task.A series of experiments on using infinite focus 3D morphology measuring machine has been designed.The quantitative analysis of influence of measuring conditions has been made. Also the characteristic ofmeasurementuncertainty ofthe machine hasbeen analyzed.The experimentalresults show thatfactors including lighting， imaging field， resolution have a considerable influence on measurement results，and suitable condition settings must be done before measuring to reduce measurement error.

dimensional measurement；micro-morphology measurement；optical 3D measurement；focus variation；uncertainty analysis

TP391.41；TB92；TH74；TM930.114

：A

：1674-5124（2014)03-0028-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2014.03.008

2013-05-12；

：2013-06-29

深圳市科技研发基金项目（CXC201105060038A）

郭继平（1985-），男，安徽泾县人，博士，主要从事几何量测量及光学三维成像与测量方面的研究。