本发明涉及基于数字全息的三维形貌测量领域，尤其涉及一种基于合成波长链引导和相序搜索的强稳健性多波长相位展开方法(用于多波长包裹相位的相位展开和大纵深、高精度三维表面重建)，采用所述多波长相位展开方法测量待测物体的体表面上任意坐标处的高度的物体高度测量方法，以及采用所述物体高度测量方法的物体高度测量系统。
背景技术：
1、目前智能集成仪器芯片表面具有微小尺寸、台阶状、高纵深比的特点，迫切需要毫米级较大测量纵深和超高空间分辨率的非接触式表面形貌测量技术。数字全息术具有非接触、全视场、高精度等优点，在生物医学成像、芯片检测等领域有广阔的应用前景。但是，在使用单波长数字全息术时，由于相位包裹，最大轴向测量范围被限制在透明物体(细胞)的全波长或者反射物体(芯片)的半波长。
2、因此，使用现有的单波长相位解包裹技术只能对连续表面的物体进行相位展开，无法对芯片这种台阶状、高纵深比的表面进行正确重建。双(多)波长数字全息术可以将测量范围扩展到合成波长的一半(反射型物体)，但同时相位噪声也被放大，大大降低了测量精度，并且当合成波长处的噪声大于四分之一个波长时，会出现高度分布求解不正确的情况，即会出现跳跃点。
技术实现思路
1、为了解决表面具有台阶状、高纵深比特点的物体如芯片的高度测量精度较低的技术问题，本发明提供一种基于合成波长链引导和相序搜索的强稳健性多波长相位展开方法(用于多波长包裹相位的相位展开和大纵深、高精度三维表面重建)，采用所述多波长相位展开方法测量待测物体的体表面上任意坐标处的高度的物体高度测量方法，以及采用所述物体高度测量方法的物体高度测量系统。本发明的多波长相位展开方法旨在扩大测量范围的同时，还能将噪声降低到单波长相位噪声水平，用于实现智能集成仪器芯片表面的高精度三维形貌测量。本发明所提出的物体高度测量方法具有测量范围大、精度高、抗噪性好等特点，具有较强的适用性，不仅仅是具有台阶状、高纵深比特点的芯片，只要是阶梯状的物体都可以很精准的进行高度测量。
2、为达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：
3、一种基于合成波长链引导和相序搜索的多波长相位展开方法，其用于根据待测物体在光波长λi下的多波长离轴数字全息图，利用高度分布模型得到在光波长λi下所述待测物体的体表面处坐标(x0,y0)的最优相序所述多波长相位展开方法基于合成波长链引导和相序搜索获得最优相序
4、首先，将全息图中光波长λi下待测物体表面处坐标(x0,y0)的高度分布作为一个初始值，在初始值预设范围内以δh的间隔值进行搜索找到相序，搜索过程中的相序表示为：
5、
6、式中，为搜索步数为s下待测物体体表面处坐标(x0,y0)的相序，为光波长λi下和搜索步数为s下待测物体体表面处坐标(xo,yo)的高度，为全息图中光波长λi下待测物体表面处坐标(xo,yo)的包裹相位，为光波长λi下待测物体体表面处坐标(x0,y0)的重建高度，s为搜索步数，s＝1,2,…,m，δh为搜索步长，表征搜索过程中的最小间隔距离；
7、其次，用搜索找到的这些相序构成判据函数，当取判据函数的包络线的最小值时，将对应的相序被认为是最优相序判据函数表示为：
8、
9、式中，x(xo,yo,s)为判据函数，表征搜索步数为s下待测物体体表面处坐标(xo,yo)的判据值；
10、此时，最优相序为：
11、[v,x(v)]＝min{envelope[x(xo,yo,s)]}
12、
13、式中，[v,x(v)]为步数为v时包络线的最小值x(v)对应的坐标位置，min为求最小值操作，envelope为求包络线函数，为搜索步数为v下待测物体体表面处坐标(x0,y0)的相序。
14、作为上述方案的进一步改进，所述高度分布模型为：
15、
16、式中，h(x0,y0)为全息图中待测物体表面处坐标(x0,y0)的高度分布，为全息图中光波长λi下待测物体表面处坐标(xo,yo)的相序的整数部分，为合成波长λ1下待测物体表面处坐标(xo,yo)的包裹相位，为合成波长λ1下待测物体表面处坐标(xo,yo)的相序的整数部分，为合成波长λ2下待测物体表面处坐标(xo,yo)的包裹相位，为合成波长λ2下待测物体表面处坐标(xo,yo)的相序的整数部分，为合成波长λn-1下待测物体表面处坐标(xo,yo)的包裹相位。
17、作为上述方案的进一步改进，光波从全息图平面传播到待测物体表面处的衍射过程，数值再现出物光波的复振幅分布，对再现出的物光波复振幅使用反正切函数求出不同波长下的包裹相位分布
18、
19、式中，u(x0,y0,λi)为表示光波长λi下的待测物体表面上坐标(xo,yo)处的物光波复振幅，im表示u(x0,y0,λi)的复数虚部；re表示u(x0,y0,λi)的复数实部。
20、进一步地，根据标量衍射理论计算物光波复振幅u(x0,y0,λi)：
21、u(xo,yo,λi)＝fft-1{fft[a(x,y,λi)]·h(fx,fy,λi)}
22、式中，(fx,fy)是物光波复振幅在频域上的坐标，fx＝x/lx，fy＝y/ly，lx和ly分别为获取全息图的相机的ccd幅面的长和宽，h(fx,fy,λi)为光波长λi下的物光波复振幅在频域上的坐标(fx,fy)的角谱衍射的传递函数，a(x,y,λi)表示光波长λi下的空间域中坐标(x,y)的物光波复振幅。
23、进一步地，a(x,y,λi)表示为：
24、a(x,y,λi)＝∫∫u(xo,yo,λi)exp{jk[(x-xo)2+(y-yo)2]/2d}dxodyo
25、式中，j为虚数单位，k为光波数，k＝2π/λi，d为传播距离，即待测物体到相机的记录面之间的距离。
26、优选地，a(x,y,λi)的设计方法为：
27、对多波长离轴数字全息图进行二维傅里叶变换fft，获得其频谱分布，全息图的强度表示为：
28、i(x,y,λi)＝|o(x,y,λi)|2+|r(x,y,λi)|2+o(x,y,λi)r*(x,y,λi)+o*(x,y,λi)r(x,y,λi)
29、式中，i(x,y,λi)表示光波长λi下的全息图中坐标(x,y)的干涉光的强度，i(x,y,λi)由四项组成，前两项构成零级像，第三项or*是正一级像，第四项o*r是负一级像，o(x,y,λi)表示光波长λi下的全息图中坐标(x,y)的物光的光强度，r(x,y,λi)表示光波长λi下的全息图中坐标(x,y)的参考光的光强度，*表示共轭符号；
30、针对第三项的频谱分布，对其进行逆二维fft处理转换到空间域中，or*表示为：
31、o(x,y,λi)r*＝a(x,y,λi)exp[jk(x2+y2)/2d-jk(cosα·x+cosβ·y)]
32、式中，α和β分别表示参考光与相机的记录面上的x轴和y轴的夹角。
33、进一步地，h(fx,fy,λi)设计为：
34、
35、式中，j为虚数单位，k为光波数，k＝2π/λi，z为相机的记录面到待测物体之间的距离，即z＝-d。
36、作为上述方案的进一步改进，所述待测物体为表面具有台阶状、高纵深比特点的芯片。
37、本发明还提供一种物体高度测量方法，其用于测量待测物体的体表面上任意坐标(x0,y0)处的高度，所述物体高度测量方法包括以下步骤：
38、定义不同光波长λi的光源发出的一束光为参考光，定义与参考光同一来源的光源发出的另一束光照射在高度待测的台阶状物体表面上反射回来的光为物光，所述物光与所述参考光形成干涉光，利用所述干涉光在相机的记录面上成像多波长离轴数字全息图；
39、对全息图利用上述任意基于合成波长链引导和相序搜索的多波长相位展开方法得到在光波长λi下所述待测物体的体表面处坐标(x0,y0)的最优相序
40、根据最优相序重建待测物体在坐标(x0,y0)处的正确高度。
41、本发明还提供一种物体高度测量系统，其包括：
42、若干光源，用于发出不同光波长λi的光，定义不同光波长λi的光源发出的一束光为参考光，定义与参考光同一来源的光源发出的另一束光照射在高度待测的台阶状物体表面上反射回来的光为物光，所述物光与所述参考光形成干涉光；
43、相机，用于利用所述干涉光在相机的记录面上成像多波长离轴数字全息图；
44、处理器，用于对全息图利用上述任意基于合成波长链引导和相序搜索的多波长相位展开方法得到在光波长λi下所述待测物体的体表面处坐标(x0,y0)的最优相序还用于根据最优相序重建待测物体在坐标(x0,y0)处的正确高度。
45、与现有技术相比，本发明具有以下好处：
46、1.利用多波长级联相位展开，得到一个较高轴向分辨率的高度分布，引导后续的相序搜索，解决了传统高度搜索中搜索失败的问题，同时小了搜索范围，提高了算法速度。
47、2.采用搜寻判据函数的包络线的最小值来确定最优相序而不是通过寻找判据函数的最小值来确定最优相序极大程度解决了由于噪声对判据函数的破坏导致最优相序出错。
48、3.本发明的方法完美解决了以往双(多)波长相位展开中噪声放大和出现跳跃点的问题，在将轴向测量范围扩大到亚毫米级的同时，还能保持纳米级的轴向分辨率，以及将噪声对最终结果的影响降低到单波长的水平。
49、4.本发明十分适用于芯片表面这种具有台阶状、高纵深比特点的物体，并且实现更大的测量范围和更高的测量精度。
1.一种基于合成波长链引导和相序搜索的多波长相位展开方法，其用于根据待测物体在光波长λi下的多波长离轴数字全息图，利用高度分布模型得到在光波长λi下所述待测物体的体表面处坐标(x0,y0)的最优相序其特征在于，所述多波长相位展开方法基于合成波长链引导和相序搜索获得最优相序
2.如权利要求1所述的基于合成波长链引导和相序搜索的多波长相位展开方法，其特征在于，所述高度分布模型为：
3.如权利要求1所述的基于合成波长链引导和相序搜索的多波长相位展开方法，其特征在于，光波从全息图平面传播到待测物体表面处的衍射过程，数值再现出物光波的复振幅分布，对再现出的物光波复振幅使用反正切函数求出不同波长下的包裹相位分布
4.如权利要求3所述的基于合成波长链引导和相序搜索的多波长相位展开方法，其特征在于，根据标量衍射理论计算物光波复振幅u(x0,y0,λi)：
5.如权利要求4所述的基于合成波长链引导和相序搜索的多波长相位展开方法，其特征在于，a(x,y,λi)表示为：
6.如权利要求5所述的基于合成波长链引导和相序搜索的多波长相位展开方法，其特征在于，a(x,y,λi)的设计方法为：
7.如权利要求4所述的基于合成波长链引导和相序搜索的多波长相位展开方法，其特征在于，h(fx,fy,λi)设计为：
8.如权利要求1所述的基于合成波长链引导和相序搜索的多波长相位展开方法，其特征在于，所述待测物体为表面具有台阶状、高纵深比特点的芯片。
9.一种物体高度测量方法，其用于测量待测物体的体表面上任意坐标(x0,y0)处的高度，其特征在于，所述物体高度测量方法包括以下步骤：
10.一种物体高度测量系统，其包括：
