一、项目简要介绍

本项目在单点彩色共聚焦的基础上，利用光纤束作为光分束器件，将复色光源分束成若干条彼此平行的光线，实现了多点并行测量，测量速度快。经色散管镜色散后的光线根据波长的不同聚焦在光轴方向的不同位置上；光线经被测物反射后回到分光镜中，其中只有聚焦在被测物表面波长的光线能够通过小孔阵列，并由彩色相机接收相应的彩色图像。通过建立该波长与被测物面轴向位置的关系，便可根据接受到的光谱信息获得被测物的轴向位移或表面形貌信息。

 

                        

        （a）原理图         （b）实物图

 

图1 光纤束并行彩色共聚焦测量原理图和实物图

 

以一元硬币表面“E”字母的测量过程为例（如图2），介绍测量过程。硬币放置在载物平台上，光源聚焦在被测物表面，位移台带动载物平台沿垂直于光轴方向进行一维线扫描，使光纤束光点完成对被测物的扫描。一维扫描距离为2.5mm，扫描速度为0.025mm/s，彩色相机的拍照速度为5张/s，一共拍照得到500张照片，每张照片42个测量点，共21000测量点。对这些点进行数据分析和处理，即可还原得到“E”字的三维形貌特征，如图3所示。通过实验证明，本系统轴向测量范围为80μm，测量精度可达微米级，具有良好的三维重构能力。

图2 一元硬币实物图及测量示意图

图3 “E”字母三维形貌还原图像

二、两岸师生合作工作内容

本项目是两岸学者共同努力的结果，主要参与人有台湾中原大学教授章明及其学生潘家圣以及华侨大学余卿教授和他的团队。

在实验初期阶段，章明教授团队负责机械结构的设计，对实验平台整体结构进行三维建模仿真，并通过三维模型图选择合适的显微镜架进行组装。同时实现了位移平台的二维移动功能，实现了自动化控制。余卿教授团队负责光路结构的设计，并通过实验分析了不同的光分束器件的光学特性，最后选择杂散光影响较小的光纤束作为光分束器件，并通过Zemax软件对光路进行仿真模拟，从理论上验证了该测量方法的可行性。

在实验中期阶段，章明教授团队将彩色相机与系统进行了结合，实现了位移平台移动的同时捕捉被测物表面的颜色信号，与此同时设计了彩色相机操作界面，通过设定曝光率等参数即可改变采集到的光点的亮度。余卿教授团队设计了色散管镜，实现了色散和共焦分离的功能。

在实验后期阶段，章明教授团队编写了C++程序，对系统的运动细节进行了优化，同时提供了多种被测物以供实验验证。余卿教授团队对采集到的彩色图像进行分析和数据处理，自主设计了颜色转换算法，将波长与色调H值线性表示，并还原三维形貌。同时，章明团队提出了一种晶圆片平面度的评定方法，余卿团队通过实验进行验证。

通过双方的交流与合作，系统可以实现物体的三维形貌还原，对整个三维形貌相关测量领域而言，该系统都具备很大的市场前景价值以及经济效益。