CN103529544A - 一种可自动调位和聚焦的纳米膜厚测量仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种纳米膜厚测量仪上的显微镜自动校正装置和显微镜自动调焦的方法的研究，属于纳米膜厚测量仪测量领域。此测量系统是通过控制步进电机进行定位，聚焦系统采用电动聚焦的方法，通过计算机对聚焦的微型马达进行控制。聚焦就是上下移动镜头，而显微镜自动校正则由步进电机控制滚珠丝杠前后左右移动实现定位。以某固定位置为起点，步进电机驱动显微镜以固定的步长移动，在运行每一步之后，取一定数量的图像，通过聚焦分析器对图像进行计算和分析，通过不同图像之间的比较获得聚焦最佳焦点的位置，以此类推，最终可获得最终聚焦位置。使油膜干涉图像清晰的反应在计算机上。

Description

一种可自动调位和聚焦的纳米膜厚测量仪

技术领域

    本发明涉及一种纳米膜厚测量仪膜厚测量领域。

背景技术

    显微镜不仅广泛应用于医学和生物学领域的研究，而且还广泛应用于油膜厚度测量领域的研究；利用显微镜自动定位和聚焦技术不仅可以提高实验与分析的速度，而且可以减少人为操作对显微镜成像质量的影响。

    自动聚焦是机器人视觉、数字视频系统中的关键技术之一，是决定图像质量的重要因素，是获取清晰图像的第1 步；聚焦性能取决于调焦评价函数的准确性和有效性，即评价函数必须具有无偏性好、单峰性强和较好的抗噪性能。图像模糊的本质是高频分量的损失，聚焦图像比离焦光干涉图像包含更多的信息和细节，这是设计聚焦评价函数的基础。现有的显微镜自动聚焦的方式是被观察物体固定不动，显微镜通过上下移动来获得最佳的聚焦位置，而这种方法不能直接应用与纳米膜厚测量仪膜厚测量设备，因为在这种设备里，被观察物体是不动的，而显微镜可以前后左右任意移动的，这就影响显微镜精确聚焦，本次设备改造就可以很好的解决这问题。

发明内容

    本发明的目的是提供一种纳米膜厚测量仪上的显微镜自动校正装置和显微镜自动调焦的方法，目的是为了实现显微镜自动化，提高聚焦图像分辨率。通过分析图像，获得最佳聚焦点。

    本纳米膜厚测量系统的显微镜自动聚焦方法如下：通过显微镜自动调位和聚焦获取油膜的光干涉图像，对图像进行分析，寻找最佳的聚焦位置，详细步骤如下：

    （1）第一次聚焦，如图2和图3所示，以E(0,0)点和显微镜的最顶点起点，电机2沿轨道2以一定的步长A1向前移动，步进电机1沿轨道1以一定的步长B1向左移动,当电机2移动n1*A1的步长时（n1=1，2，3……），当n1=1时，电机1便以一定步长n2*B1向左移动（n2=1，2，3……），当n1=1,n2=1,2,3……时，聚焦马达驱动镜头以固定的步长C1向下移动，每移动一步，CCD摄像头就拍摄下n3张图像(n3=1,2,3……)，行程达到最大距离L时，分析器通过对每个位置的图像进行计算；当n1=2，n2=1,2,3……时，聚焦马达驱动镜头以固定的步长C1向下移动，每移动一步，CCD摄像头就拍摄下n3张图像(n3=1,2,3……)，行程达到最大距离L时，分析器通过对每个位置的图像进行计算；以此类推，通过以上图像进行对比获得最佳聚焦位置P1；

    （2）第二次聚焦，以第一次聚焦位置（P1-M1）为起点，进行第二次聚焦，电机2沿轨道2以一定的步长A2(A2<A1)向前移动，步进电机1沿轨道1以一定的步长B2（B2<B1）向左移动,当电机2移动n1*A2的步长时（n1=1，2，3……），当n1=1时，电机1便以一定步长n2*B2向左移动（n2=1，2，3……），当n1=1,n2=1,2,3……时，聚焦马达驱动镜头以固定的步长C1向下移动，每移动一步，CCD摄像头就拍摄下n3张图像(n3=1,2,3……)，行程达到最大距离L时，分析器通过对每个位置的图像进行计算；当n1=2，n2=1,2,3……时，聚焦马达驱动镜头以固定的步长C1向下移动，每移动一步，CCD摄像头就拍摄下n3张图像(n3=1,2,3……)，行程达到最大距离L时，分析器通过对每个位置的图像进行计算；以此类推，通过以上图像进行对比获得最佳聚焦位置P2；

    （3）第三次聚焦，以第二次聚焦的位置（P2-M2）为起点，进行第三次聚焦，电机2沿轨道2以一定的步长A2(A3<A2)向前移动，步进电机1沿轨道1以一定的步长B3（B3<B2）向左移动,当电机2移动n1*A3的步长时（n1=1，2，3……），当n1=1时，电机1便以一定步长n2*B3向左移动（n2=1，2，3……），当n1=1,n2=1,2,3……时，聚焦马达驱动镜头以固定的步长C1向下移动，每移动一步，CCD摄像头就拍摄下n3张图像(n3=1,2,3……)，行程达到最大距离L时，分析器通过对每个位置的图像进行计算；当n1=2，n2=1,2,3……时，聚焦马达驱动镜头以固定的步长C1向下移动，每移动一步，CCD摄像头就拍摄下n3张图像(n3=1,2,3……)，行程达到最大距离L时，分析器通过对每个位置的图像进行计算；以此类推，通过以上图像进行对比获得最佳聚焦位置P3。 

     本发明步骤（1）、（2）、（3）中分析器对每个位置的图像进行计算的具体步骤如下：

（1）将导轨的前后行程、左右行程以及聚焦行程分别分成N1、N2、N3等份分别相邻的位置为A1、B1、C1，每一个位置都连续拍摄M幅图像；

（2）通过一定的原则选择阈值T向量，然后提取出标准的光干涉图像；

（3）对标准的光干涉图像进行分析，提取对应每一点的光强值；

（4）计算与每个图像相对应的聚焦值评价函数：                                                

，式中I(x,y)代表图像在点（x,y）的灰度值，

为平均灰度，即

，此评价函数能更好评价干涉图像的清晰度；

（5）选取不同位置的图像清晰度评价函数中的最大峰值所对应的位置作为最佳聚焦位置。

    聚焦值评价函数不可避免的会出现多个峰值，因此采用传统的搜索方式可能会搜索到局部峰值，而对于全区域进行搜索就可以解决这个问题，方法为：首先采用较大步长进行全区域搜索，记录每一步搜索的聚焦评价函数值，从而得到聚焦评价值的变化曲线，然后，通过计算机驱动步进电机移动到最大值附近的范围内，并以小步长进行二次聚焦，直到搜索到聚焦评价函数最大灰差异的位置，以此类推。这样可以在多个峰值同时出现的情况下，准确的选择聚焦的最佳位置。

    本发明实现纳米膜厚测量仪上的显微镜自动校正的装置和显微镜自动调焦的方法，控制器与步进电机和聚焦电机连接，步进电机和聚焦电机与图像拾取器连接，图像拾取器与信号处理器连接，该信号处理器与分析器连接。

附图说明

    图1 是本发明自动聚焦方法的原理框图。

    图2 显微镜自动调位装置的实体图。

    图3显微镜自动调位装置的定位图。

    图4聚焦评价函数图像。

具体实施方式：

    通过显微镜自动调位和聚焦获取油膜的光干涉图像，对图像进行分析，寻找最佳的聚焦位置，详细步骤如下：

    （1）第一次聚焦，如图2和图3所示，以E(0,0)点和显微镜的最顶点起点，电机2沿轨道2以一定的步长A1向前移动，步进电机1沿轨道1以一定的步长B1向左移动,当电机2移动n1*A1的步长时（n1=1，2，3……），当n1=1时，电机1便以一定步长n2*B1向左移动（n2=1，2，3……），当n1=1,n2=1,2,3……时，聚焦马达驱动镜头以固定的步长C1向下移动，每移动一步，CCD摄像头就拍摄下n3张图像(n3=1,2,3……)，行程达到最大距离L时，分析器通过对每个位置的图像进行计算；当n1=2，n2=1,2,3……时，聚焦马达驱动镜头以固定的步长C1向下移动，每移动一步，CCD摄像头就拍摄下n3张图像(n3=1,2,3……)，行程达到最大距离L时，分析器通过对每个位置的图像进行计算；以此类推，通过以上图像进行对比获得最佳聚焦位置P1；

    （2）第二次聚焦，以第一次聚焦位置（P1-M1）为起点，进行第二次聚焦，电机2轨道2以一定的步长A2(A2<A1)向前移动，步进电机1沿轨道1以一定的步长B2（B2<B1）向左移动,当电机2移动n1*A2的步长时（n1=1，2，3……），当n1=1时，电机1便以一定步长n2*B2向左移动（n2=1，2，3……），当n1=1,n2=1,2,3……时，聚焦马达驱动镜头以固定的步长C1向下移动，每移动一步，CCD摄像头就拍摄下n3张图像(n3=1,2,3……)，行程达到最大距离L时，分析器通过对每个位置的图像进行计算；当n1=2，n2=1,2,3……时，聚焦马达驱动镜头以固定的步长C1向下移动，每移动一步，CCD摄像头就拍摄下n3张图像(n3=1,2,3……)，行程达到最大距离L时，分析器通过对每个位置的图像进行计算；以此类推，通过以上图像进行对比获得最佳聚焦位置P2；

    （3）第三次聚焦，以第二次聚焦的位置（P2-M2）为起点，进行第三次聚焦，电机2沿轨道2以一定的步长A2(A3<A2)向前移动，步进电机1沿轨道1以一定的步长B3（B3<B2）向左移动,当电机2移动n1*A3的步长时（n1=1，2，3……），当n1=1时，电机1便以一定步长n2*B3向左移动（n2=1，2，3……），当n1=1,n2=1,2,3……时，聚焦马达驱动镜头以固定的步长C1向下移动，每移动一步，CCD摄像头就拍摄下n3张图像(n3=1,2,3……)，行程达到最大距离L时，分析器通过对每个位置的图像进行计算；当n1=2，n2=1,2,3……时，聚焦马达驱动镜头以固定的步长C1向下移动，每移动一步，CCD摄像头就拍摄下n3张图像(n3=1,2,3……)，行程达到最大距离L时，分析器通过对每个位置的图像进行计算；以此类推，通过以上图像进行对比获得最佳聚焦位置P3，如图4所示。

    本发明步骤（1）、（2）、（3）中分析器对每个位置的图像进行计算的具体步骤如下：

（1）将导轨的前后行程、左右行程以及聚焦行程分别分成N1、N2、N3等份分别相邻的位置为A1、B1、C1，每一个位置都连续拍摄M幅图像；

（2）通过一定的原则选择阈值T向量，然后提取出标准的光干涉图像；

（3）对标准的光干涉图像进行分析，提取对应每一点的光强值；

（4）计算与每个图像相对应的聚焦值评价函数：

，式中I(x,y)代表图像在点（x,y）的灰度值，为平均灰度，即

，此评价函数能更好评价干涉图像的清晰度；

（5）选取不同位置的图像清晰度评价函数中的最大峰值所对应的位置作为最佳聚焦位置。

显微镜自动聚焦的方法和装置操作实例

    （1）将显微镜的调位区间分为S1=100，S2=200的等分位置，S1方向上相邻两点的距离为0.4mm，S2方向上相邻的两点为0.4mm，确定调位位置后，将显微镜聚焦区间分为600等份，相邻的区间距离为2um，显微镜聚焦马达以2um的步长进行拍摄。每个位置拍摄M=1幅图像；

    （2）设定阈值T，提取出标准的光干涉图像；

    （3）对标准的光干涉图像进行分析，提取对应每一点的光强值；

    （4）计算每幅图像所对应的聚焦函数值，公式如下：

，式中I(x,y)代表图像在点（x,y）的灰度值，为平均灰度，即

；

    （5）搜索所有位置，得出清晰度函数的最大峰值，即最佳聚焦位置，聚焦值评价函数不可避免的会出现多个峰值，因此采用传统的搜索方式可能会搜索到局部峰值，而对于全区域进行搜索就可以解决这个问题，方法为：首先采用较大步长按照（1）～（5）步骤进行全区域搜索，其中S3=600,A1=2um,M=1记录每一步搜索的聚焦评价函数值，从而得到聚焦评价值的变化曲线，然后，通过计算机驱动步进电机移动到最大值附近的范围内，并以小步长按照（1）～(5)的步骤进行二次聚焦(S3=200,A1=1um,M=1和S3=50,A1=0.5um,M=1)，直到搜索到聚焦评价函数最大灰度差异的位置，以此类推。这样可以在多个峰值同时出现的情况下，准确的选择聚焦的最佳位置。

    本发明实现纳米膜厚测量仪上的显微镜显微镜自动校正的装置和自动调焦的方法，控制器与步进电机和聚焦电机连接，步进电机和聚焦电机与图像拾取器连接，图像拾取器与信号处理器连接，该信号处理器与分析器连接。

    控制接受来自分析器的指令并作出反馈，控制步进电机驱动单元实现显微镜调位，拾取器通过拾取图像信息将模拟信号转变成数字信号，然后传送到分析器，分析器即计算机，对图像的数字信息进行分析，形成控制指令。

Claims (5)

1.一种纳米膜厚测量仪上的显微镜自动调焦的方法和显微镜自动校正装置,其特征在于：步进电机(1)通过高精度的滚珠丝杠控制上轨道左右移动，步进电机(2)通过高精度的滚珠丝杠控制下轨道前后移动，显微镜上的聚焦马达可自动的上下移动。

2.根据权利要求1所述的一种纳米膜厚测量仪上的显微镜自动调焦的方法和显微镜自动校正装置，其特征在于：步进电机通过滚珠丝杠连接来实现显微镜的调位。

3.根据权利要求1所述的一种纳米膜厚测量仪上的显微镜自动调焦的方法和显微镜自动校正装置，其特征在于：可通过控制器与步进电机(1)，(2)相连，实现显微镜位置的自动校正。

4.根据权利要求1所述的一种纳米膜厚测量仪上的显微镜自动调焦的方法和显微镜自动校正装置，其特征在于：通过聚焦马达与控制器相连，实现了显微镜自动聚焦。

5.根据权利要求1所述的一种纳米膜厚测量仪上的显微镜自动调焦的方法和显微镜自动校正装置，其特征在于：合理的选择聚焦评价函数实现显微镜自动聚焦，并获得清晰的干涉图像。

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