莫爾條紋三維精細(xì)測量方法的研究與應(yīng)用

1、第 2 1卷第 1期 2 0 0 7年 3月 上海工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報 j ou rn al of s han gh ai uni v e r s i t y of e ngi ne e ri n g s ci e n c e v0 1 2l no 1 m a r 2 0 07 文章編號 ：1 0 0 9 4 4 4 x( 2 0 0 7 ) 0 l 0 0 0 1 0 6 莫爾條紋 三維精 細(xì)測量方 法的研究與應(yīng)用 裘 建新 ，檀 亮 ，鐘 平 ( 1 上海工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械 【程學(xué) 院，上海 2 0 1 6 2 0； 2上海交通大學(xué) 機(jī)械與動力工程學(xué) 院 上 海 2 0 0 2 4 0 ；3

2、東華大學(xué) 理學(xué) 院 ，上海 2 0 1 6 2 0 ) 摘要 ：以微 電子基板 的三維形貌測 量為背景 ， 研 究 了莫 爾條紋精細(xì)測量機(jī)械量 的機(jī)理 與方法。 為微 電子基 板及 其他 信 息產(chǎn) 品 ( 如 電視 機(jī) 蔭罩 ) 提供 非接 觸 、 快 速 和 高精 度 的測 量技 術(shù) 。 關(guān)鍵 詞 ：莫 爾條紋 ；三 維形貌 ；測量 ；圖像 處理 中圖分 類號 ： t h l l 3 、 2 l ； tp 3 9 1 4 1 文獻(xiàn) 標(biāo) 志碼 ： a 3 - d to p o gr ap h y mea s u r e me n t by moi r 6 fr i n g e qi u j i

3、 a n x i n ，tan li a n g 一，z hong pi n g ( 1 co l l e g e o f me c h a n i c a l en g i n e e r i n g，sh a n g h a i un i v e r s i t y o f en g i n e e r i n g s c i e n c e，s ha n g h a i 2 01 6 2 0， ch i n a 2 s c h o o l o f m e c h a n ic a l en g i n e e r i n g，s ha n g h a i j i a o t o n g

4、u n i v e r s i t y ，s h a n g h a i 2 0 0 2 4 0， ch i n a； 3 c o l l e g e o f me c h a n i c a l en g i n e e r i n g，do n g hu a un i v e r s i t y，s h a n g h a i 20 1 62 0， ch i n a ) abs t r ac t ：us i n g 3 d t op o g r a ph y me a s ur e me nt o f mi c r o e l e c t r o ni c s s u bs t r a t

5、 e a s t he b a c kg r o un d， t hi s pa p e r s t u di e d t h e m e c ha ni s m a n d m e t h o d o f a c c u r a t e me a s u r e d me c ha ni c a l q ua nt i t y t hr o ug h m oi r 6 f r i ng e， whi c h p r o v i de d a n o n c o n t a c t h i g h s p e e d a n d hi gh a c c u r a c y me a s u r

6、 i n g t e c h ni q u e f o r t he mi c r o e 1 e c t r o ni c s s u bs t r a t e a n d f o r o t h e r i n f o r ma t i o n p r o d u c t s( 1 i k e s h a d o w ma s k ) ke y wor d s：mo i r fi f r i ng e；3一 d t o p o g r a p hy；me a s u r e me nt ；i ma g e pr oc e s s i n g 表面 形貌 對 于 機(jī) 械零 件 表 面 特 性

7、 ， 如 摩擦 、 磨 損 、 潤 滑 、 腐 蝕 、 疲 勞 、 涂 層 等 ， 具 有 舉 足 輕 重 的 影 響 。隨著 科學(xué) 技術(shù) 的發(fā) 展 ， 物體 表 面 的三維 形貌 精 確測量 與評 估在 工 業(yè) 檢 測 上 得 到 了越 來 越 廣 泛 的 重視 和應(yīng)用 。機(jī) 械 接 觸 式 測 量 方 法 由于 存 在 測 量 力 ， 測量 時 間長 、 精 度低 ， 難 以適 應(yīng)工業(yè) 測 量越 來 越 高的精 度要 求 。非 接 觸 式 的 光 學(xué) 投 影 式 三維 測 量 術(shù)具 有高 響應(yīng) 、 高 分 辨率 、 大 數(shù) 據(jù) 量 快 速處 理 及 受 環(huán)境 電磁場 影響 小 、 測 量精

8、 度 高 等 特 點 ， 近 年來 已 得 到迅 速 發(fā)展 。 為滿足微電子產(chǎn)品的快速 、 直觀 、 高精度 、 低損 耗 的測量 要求 ， 本 文研 究 了掃 描莫 爾條 紋精 細(xì)測 量 微 電子基 板 的三維 形 貌 的方法 。主要 工作 是 ： 研 究 利用參考光柵和被測試基板產(chǎn)生莫爾干涉條紋 的 基本規(guī)律 ； 通過計算機(jī)分析 干涉條紋 的信息特征 ， 并 利用 莫爾 條 紋 信 息重 建 被 測物 體 表 面 的三 維 圖 像 ， 以確定 基 板全 貌形 狀 特性 和表 面變 形 。 1 莫爾條紋三維測量 方法的發(fā)展 1 1接觸 式 機(jī)械 量測 量 方法 典型 的機(jī)械接觸式測量方法利用

9、測量頭在工 收稿 日期 ：2 0 0 6 1 21 2 基金項 目：上海市教委科研基金資助項 e t ( 0 6 nz 0 0 1 ) 作者簡介 ：裘建 新( 1 9 4 6) ， 男 ， 浙江嵊州人 ， 教授 ， 研究方向為光機(jī)電一體化設(shè)計制造 維普資訊 http:/ 2 上海 工程 技術(shù)大 學(xué)學(xué) 報 第 2 1 卷 件上 的移動 ， 記錄路徑點的坐標(biāo)值。它包括點位觸 發(fā)式 和連 續(xù)式 兩種 數(shù)據(jù) 采集方 式 ， 能夠 滿 足一般 的 工業(yè)技 術(shù)要 求 ， 既 可 以測 量 汽 車 的復(fù) 雜 曲面 ， 也 可 以探 測精 密零 件表 面 的粗 糙 度 、 平 面 度 、 焊 丘 高 度 等

10、。精密的數(shù)字化三坐標(biāo)測量儀 的測量精度 已達(dá) 到微米量級 。但這類產(chǎn)品檢測速度偏慢 ， 其機(jī)械系 統(tǒng) 容 易產(chǎn)生 使用 損 耗 ， 需 進(jìn) 行 測 頭半 徑 的補 償 ， 不 能測量較軟質(zhì)材料 ， 維護(hù)成本也偏 高， 已經(jīng)不能滿 足 新興工 業(yè) ( 如微 電子 生 產(chǎn) ) 的要求 。 1 2非接觸 式機(jī) 械量 測量 方法 非接觸式測量依靠激光、 聲波、 電磁場等介質(zhì)進(jìn) 行散射物體的宏觀輪廓測量， 其測量頭不接觸物體的 表 面， 檢 測速 度 快 ， 不 會刮 傷 零件 表 面 ， 對 環(huán) 境 要求 低 ， 測量距離遠(yuǎn) ， 能夠?qū)?彈塑性 材料零 件進(jìn) 行機(jī) 械量 測量。測量時， 被測件除了形狀

11、特征外， 其色彩特征 也 同時被采集 。非接觸 式 的光學(xué) 投影式 三 維測 量又 分為直接三角法輪廓術(shù)和相位測量法輪廓術(shù)l 2 j 。 直接三角法輪廓測量技術(shù)包括激光逐點掃描 法 、 光切 法 和新近 興起 的編碼 圖樣投 影法 等 。這些 方法都是以三角測量原理為基礎(chǔ) 的， 通過 出射點 、 投影點和成像點三者 之間的幾何成像關(guān)系確定 物 體各點高度 ， 其測量關(guān)鍵在于確定三者之間的對應(yīng) 關(guān)系。逐點法用一個光點掃描物體 ， 通過系統(tǒng)的幾 何三角關(guān)系計算距離 ， 這種方法簡單可靠 ， 但測量 耗時。光切法采用一維線形圖像掃描物體 ， 速度 比 前者有很大提高， 確定測量點也 比較容易 ， 故

12、應(yīng)用 較廣 ， 國際市場上已有產(chǎn)品出售。編碼圖像投影法 ( 一般 用液 晶投 影作 為投 影 裝 置 ) 對 空 間投 影 圖 樣 進(jìn)行編碼， 編碼可對灰度信息也可以對彩色信息進(jìn) 行 ， 方式 上 可 以是 二 進(jìn)制 的也 可 以是 多 進(jìn)制 ， 有 較 強的抗 噪聲 能力 ， 是 一種很 有 前途 的三 角測量 法 。 直接三角法的優(yōu)點是信號處理簡單可靠 ， 無須 復(fù)雜的條紋分析就能確定各個測量點的絕對高度 ， 自動分辨物體 凹凸， 即使物體上的物理斷點( 臺階、 裂縫 ) 、 陰影等 使 圖 場不 連 續(xù) 的缺 陷 也不 會影 響測 量 。缺點 是精 度不 高 ， 不 能 實現(xiàn)全 場 測量

13、 。 相位測量法 以測量投影到物體上的變形光柵像 的相位為基 礎(chǔ) ， 通 過相 位 與高 度 的映 射得 到 被測 物 體的三維輪廓。相位測量法能滿足全場測量， 測量 精度較高， 測量速度較快 ， 但是物體上 的物理斷點 、 陰影 等使 圖樣不 連續(xù) 的缺 陷會對測量 結(jié)果 造成 較大 的誤差， 需要通過特定的算法識別并繞過缺陷才能 完整而準(zhǔn)確地恢復(fù)物體的三維輪廓。 目前常見的幾 種相位測量的測量法包括莫爾法輪廓術(shù)、 空域相位 輪廓術(shù) 、 時域相位輪廓術(shù)和傅立葉變換輪廓術(shù)。 1 3 莫 爾條 紋三 維測 量方 法 7 0 年 代 h ta k a s a k i 提 出 的 掃 描 莫 爾 條

14、 紋 理 論 3 j 后來 逐漸 發(fā) 展 成 一 種 全 新 的測 量 方 法 。1 9 8 9 年 ， 包 括 a t a t&t、 d e c、 伏 特 電 子 公 司 、 i b m 公 司 、 mo t o r o l a公 司 以及美 國 軍方 在 內(nèi) 的研 究 小 組 ， 致力于研究利用掃描莫爾條紋精確測量物體表面 變形的方法 ， 使莫 爾法輪廓術(shù)具有 實用性 。最近 y mo r i m o t o等提 出的空域 中的移項 掃描莫 爾技 術(shù)l 4 j ， 又使 它的檢測精度 進(jìn)一步提 高。由于現(xiàn) 代 電子技術(shù) 、 c c d成 像技 術(shù) 及 計算 機(jī) 技 術(shù) 的發(fā)展 ，

15、可 以方便地改變掃描光柵 的柵距 、 相位， 生成不同相 位的莫爾條紋圖像 ， 非常有利于計算機(jī)大數(shù)據(jù) 的全 自動處理 ， 在 實時性和精確 性方面具 有很強 的優(yōu) 勢。由此莫爾法輪廓術(shù)成為 目前相位輪廓術(shù)測量 技 術(shù) 的研究 熱 點 。 隨著微 電子產(chǎn)業(yè) 的發(fā)展 ， 莫爾條紋三維精細(xì)測 量 方法 越來 越 顯得 重要 。如 在微 電子 生 產(chǎn) 中 ， 芯片 及器件的翹曲、 變形， 將引起 電子器 件的損壞和器 件 的不 匹配 、 焊 接片 斷層 和開 口 、 焊接 點 的撕裂 ， 直 接影響其質(zhì)量和可靠性 ， 如圖 1 所示。又如在溫度 變 化 的環(huán)境下 ， 評估 整塊p c b基板在溫度

16、變化條 圖 1 i c芯片 fi g 1 i c c hi p 維普資訊 http:/ 第 1期 裘建新 ， 等 ： 莫爾 條紋三 維精 細(xì)測量方法 的研究 與應(yīng)用 3 件下 的翹 曲特 性 ， 對 芯 片 的可靠 性 和其 內(nèi)部 電路 的 連通性 ， 對 芯片 的封 裝 質(zhì) 量 控 制 也 具 有 重要 意 義 。 再如 電視 機(jī)蔭 罩工 件薄 ， 極 易 變形 ， 檢測 難 度很大 ， 而它 的形狀 精度 對 電視 機(jī) 的成 像 質(zhì) 量 的影 響 至 關(guān) 重要 。在 微 電子領(lǐng) 域 ， 利用 掃描 莫 爾條 紋 的方法 實 現(xiàn)物體表面形貌 的非接觸式 自動精確檢測 ， 其作用 是不可替代的

17、。 2 莫爾干涉條紋信息 圖像 的獲 取 陰影莫爾輪廓測量法是一種光學(xué)全場非接觸 圖 2主 光 柵 fi g 2 m a i n g r a t i ng 三維測量方法 。該方法依 據(jù)莫 爾干涉原理特別是 利 用 陰影 光柵 ， 產(chǎn) 生 莫 爾條 紋 ， 實現(xiàn) 樣 品 測 量 。其 原理 是 ： 點 光 源 將 主 光 柵 投 影 到 被 測 物 體 的 表 面 上 ， 形成陰影光柵 ， 如果被 測物體的表 面平整且與 參考光柵平行 。 則不會產(chǎn)生莫爾條紋。如果被測物 體的表面是彎曲的 、 凸起的或 凹陷的 ， 則產(chǎn)生莫爾 條紋。莫爾條紋圖包含 了被測物體形面 的三維信 息 。通過求解莫爾條紋

18、 圖， 可以得到物體的三維形 貌 坐 標(biāo) 。 圖 2 ， 圖 3 ， 圖 4為 主 光柵 、 陰影 光 柵 和 莫 爾 條 紋 示例 圖 3陰 影 光 柵 fi g 3 s ha d o w g r a t i n g 圖 4典型局部 凸起和凹 陷莫爾條 紋 fi g 4 ty pi c a l r ai s e d an d s uc ke n m oi r 6 fr i n g e 以 照 射 型 莫 爾 條 紋 測 量 方 法 為 例 說 明 其 機(jī) 理 。利用 圖 5描 述 的幾 何關(guān) 系 可 求 莫 爾 等 高線 方程 。奠 爾條紋 的級 序 數(shù) n =1 ， 2 ， 3 ， ， 對

19、 于 n =1時 的 al ， 由a1 s ec x al b c得 d p = ( +h 1 ) h 1 因此 h l= l p ( d p) 同理 h n = nl p ( d op) 式 中： 一數(shù)為 的等高線深度 ； 一主光 柵 節(jié)距 ； 一光源 s至 觀察 點 e距 離 ； s， e 至 主光柵 面 的距 離 。 如 果 dnp， 式 ( 2 ) 簡 化 為 hn = nl p d 于 是 ( 3 ) ( 1 ) ah = 2 n 一 1= p d ( 4 ) 式 ( 1 ) 式 ( 4 ) 表 明 ： ( 2 ) 1 )光 源 和 觀察 點 距 主光 柵 的距 離 相 等 時 ，

20、同 級莫爾條紋就是被測物體表面距主光柵深度相 同 維普資訊 http:/ 上 海工 程技 術(shù)大學(xué) 學(xué)報 第 2 1卷 的等 高線分 布 ； 2 ) 莫爾條紋等高線是等間距或等深度分布的； 3 )減小 z 值將提高測量靈敏度。 、 b、 ， 八 、 、 1 ， 工 a 2 毒 ， ： 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 i 一 一 一 一 一 圖 5照射型莫 爾條 紋測量原 理 f i g 5 me u r e me n t me t h o d o f i r r a d i a t i o n mo i r t e c h n i q u e 3莫爾條紋的 圖像處理分析 利用計算

21、 機(jī)圖像 處理 方法 ， 通過 分析 c c |d所獲 取的圖像信息， 對經(jīng)過與處理的圖像分析其干涉條紋 的間距和形狀 ， 即可揭示 被測物體 的平面度 。憑借 著 全貌分析能力 ， 可以在微秒 內(nèi)完 成整個 翹 曲和扭轉(zhuǎn) 的 測量以及關(guān)鍵元件附著區(qū)域的局部翹曲檢測。 圖像處 理 的任務(wù) 包括 對 c c d所拍 攝 圖像 的濾 波和輪廓提取 。首先是去 噪處理。由于在攝取過 程中 ， 電磁波 、 表面雜質(zhì)等 的外界干擾 ， 會在形成 的 b mp圖 中出現(xiàn) 噪聲 點 ， 使 圖像 三維 成 像產(chǎn) 生 誤 差 ， 因此去 噪處 理非 常重 要 。 圖像分析 系統(tǒng)對獲取 的圖像進(jìn)行濾波處理 ，

22、去 除噪聲干擾。在此采用了中值濾波法去除噪聲點， 能較完好地保證 圖片 的輪廓不受干擾。然后是圖 像補償 ， 即對 c c d圖像傳感器和光柵等光學(xué)系統(tǒng) 所引起的圖像失真進(jìn)行補償。接下來是 圖像 的輪 廓提取和形狀特征分析。圖像處理 的快速算法主 要利 用傅 立 葉變 換 法 、 卷 積 法 。 圖 6 ( a ) 、 ( b ) 分別 示 出莫爾 條紋 源 圖和提 取 輪廓后 的莫 爾 圖 。 光學(xué) 系統(tǒng) 由光 源 、 光 柵 、 c c d 組成 。系 統(tǒng) 測 量 的誤 差 和精度 取 決 于 光柵 的線 間距 ， 光 柵越 密 ， 測 量的精確度和分辨率越高。但是光柵柵距的密度 是有 限

23、制 的。 由此 產(chǎn) 生 了 步 進(jìn) 相 移技 術(shù) 。步 進(jìn) 相 移技術(shù)作為定量獲取干涉信號相位信息 的有效方 法 之一 ， 能 使干 涉 計 量 的精 度 高 達(dá) 0 0 1 m， 廣 泛 應(yīng) 用 于光 學(xué)檢 測與計 量 中。 ( a )莫爾條紋源圖 ( b ) 提取輪廓后的莫爾圖 圖 6 莫爾 條紋的輪廓提取 fi g 6 ed g e d e t e c t i o n o f m o i r pa t t e r n 步 進(jìn) 相 移 技 術(shù) 的 一 般 算 法 是 n 點 標(biāo) 準(zhǔn) 算 法 式 。實 際上 ， 在理 想 條件情 況下 ， 步 進(jìn) 2 3次光 強 記錄就可確定出被測相位 ，

24、采樣點數(shù)增 多， 增加 了 信息的余量 ， 同時也增加 了計算量。但是 ， 考慮到 實 際計算 中總存 在 電噪聲 、 探測 器非 線性 及相 位控 制不準(zhǔn)確等因素 ， 適 當(dāng)增加計算余量 ， 對于提高計 算精 度也 是必 要 的。所 以就 出現(xiàn) 了 通 常所 謂 的 三 幅、 四幅和五幅算法等 ， 其 中五幅算法 由于充分利 用 了 5次 相移記 錄 ， 相 當(dāng)于 2次 四幅算 法 的擴(kuò) 展平 均 ， 對 移相誤 差 有較好 的抑制 作 用 。 需要說明 ， 單憑莫爾條紋等高線圖還不能判定 物 體表 面 的凸起 和 凹陷 ， 這就 增加 了計 算 的不 確定 性。為此提出了各種判定 凹凸的方

25、法 ， 如利用光柵 相對被測 物體移動 時莫 爾條紋 的變化判定 凹凸。 維普資訊 http:/ 第 1期 裘建新 ， 等 ： 莫爾條紋三維精細(xì)測 量方法的研究與應(yīng)用 5 當(dāng)光柵離開物體時， 如莫爾條紋數(shù) 目減少或向內(nèi)收 縮 ， 則 物體 表 面是 凸起 的 ， 反之 凹陷 。 4 莫 爾條 紋 信息 重 建物體 表面 三 維 圖像 在對莫爾條紋的處理之后 ， 將二維條紋轉(zhuǎn)變?yōu)?該物體表面的三維圖形 ， 并給出相應(yīng) 的數(shù)據(jù) ， 輸 出 5 結(jié) 語 2 1 1 形 狀特 性信 息 。 通過坐標(biāo)查詢 可得該坐標(biāo)點相對于參考點的 高度差 。白編軟件 以友好 的界面把檢測到的信息 顯示給用戶( 可 以

26、根據(jù)用戶的不 同要求編制程序) 。 檢測結(jié)果 以文檔形式輸 出， 也能夠濃縮大量數(shù)據(jù)形 成 表格 結(jié)果 。工 程 師們 可 以據(jù) 此 作 出快 速 有 效 的 評價。圖 7給出二維條紋轉(zhuǎn)換 的該物體表面形貌 三 維 圖形 。 圖 8分 別是 微 電子基 板熱 、 冷 變形 后 的 表 面三 維形 貌 。 o 3 6 9 1 2 1 5 1 8 2 1 2 4 2 7 3 o w a r p a g e ac r os s s p e c i me n 2 9 3 mi l s 圖 7 二維莫爾條紋轉(zhuǎn)換 的三維表面形貌 fi g 7 2-d f r i ng e c ha ng e d t o

27、3- d s u r f a c e g r a ph i c s 1 5 f a )熱變形 o 2 1 】 1 5 f b )冷變形 圖 8微 電子 基板表面三維變形 圖形 fi g 8 3-d d e f o r me d t o po g r ap hy o f mi c r o e l e c t r on i c s s ub s t r a t e 1 )將 莫 爾 陰影 測 量 原 理 與 相 位 移 動 技 術(shù) 結(jié) 合 ， 基 于 c c d成像技 術(shù) 、 機(jī)械 精 密傳 動技 術(shù) 及計 算 機(jī)技術(shù) ， 搭建 了微 電子基板全貌測量實驗裝置 。在 此基礎(chǔ)上 ， 開展了莫爾條紋精

28、細(xì)測量機(jī)械量的機(jī)理 與 方法 的研 究 。 2 )重 點探討 了莫 爾干 涉條紋信 息 圖像 的獲 取 、 莫爾條紋的圖像處理分析 、 莫爾條紋信 息重建 被測 物體 表面 三維形 貌 的數(shù) 字 圖像處 理方 法 。 o 3 )機(jī)械量精細(xì)測量的課題在微 電子制造 中有 廣 泛 的產(chǎn)業(yè) 前 景 。 我們 力 圖為 芯 片 基 板 全 貌 形 狀 特 性 的 自動精 確檢 測提 供 新裝 備與 新技 術(shù) ， 其 應(yīng)用 領(lǐng) 域包 括各 類微 電子基 板 的形狀 特 性分 析 、 動 態(tài)過 程模擬 以及材料結(jié)構(gòu)評估等 。同時 ， 本課題將是納 米 尺度 下微 觀材 料 的形 變測 量 和評 價 、 微 重力 狀態(tài) 下 物質(zhì) 的形 變測 量 和評價 等 的預(yù) 研究 。 4 )如何有效地將莫爾條紋精細(xì)測量精度提高 到納 米 尺度 ， 是 今 后 的 主要 研 究 方 向 ， 需 要 多學(xué) 科 領(lǐng)域 的交叉融合和努力。 31 一 一 一 i i i l u u i 。 。 b l 一 0。 l n 一 。 d 維普資訊 http:/ 6 上海工 程技 術(shù)大 學(xué)學(xué)報 第 2 1 卷 參考 文獻(xiàn) ： 1 曹 向群 ， 黃維 實 莫 爾技術(shù) 的現(xiàn)狀 和展望 j 光 電工 程， 1 9 9 0 ， 1 7 ( 3 ) ： 4 85 6 2 趙煥 東 相位