CN105021138B - 三维扫描显微镜及条纹投影三维扫描方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供三维扫描显微镜及条纹投影三维扫描的方法，利用安装在体视显微镜上的具有同步触发模式和精确像素对应模式的条纹投影装置和具有同步触发条纹采集装置分别进行投影和拍摄，条纹投影装置投射的序列条纹图形经体视显微镜内部条纹投影光路从物镜射出后投射在被观测物表面，条纹采集装置经体视显微镜内部条纹采集光路获取被观测物表面的序列条纹图像，两者同步进行，使投影和拍摄效率更高。具有精确像素对应模式的条纹投影装置在投射序列条纹图形时，投射的条纹图形的特性更好，更好地避免图形形变。利用装置和上述方法进行条纹投影、采集拍摄并对采集获取的信息进行分析处理，实现对被观测物表面形貌的三维扫描。

Description

三维扫描显微镜及条纹投影三维扫描方法

技术领域

本发明涉及三维扫描显微镜及条纹投影扫描方法，尤其是三维扫描显微镜及条纹投影三维扫描方法，属于三维扫描装置及方法领域。

背景技术

面结构光三维扫描技术中正弦型条纹的正弦特性和方波型条纹的位置精度对于测量精度至关重要，这在面结构光微观三维扫描时显得尤为突出。一方面，现有技术的投影装置多为视频投影模式，由于投射像素与物理像素不能一一对应，投影机投射的条纹为非精确像素对应的条纹；摄像机采集的每幅条纹图像实际为投影机投射的多帧条纹图像的合成，假设该视频投影仪的帧频为60，摄像机曝光时间为1秒，则该幅条纹图像实际是在此1秒内连续60次投影合成的一幅图像，由于投影机的结构影响，造成该60次投影的条纹图像位置会发生细微的差别，因此影响了投影方波型条纹图型位置精确度和正弦条纹的正弦特性；另一方面，由于被观察物表面的微观结构破坏所采集正弦型条纹图像的正弦特性，因此需要投射多帧条纹图像来提高采集条纹图的正弦特性。但是，由于视频投影机和摄像机，两者的联系通过计算机实现，即通过计算机程序来控制投影机的投射和摄像机的采集，由于计算机并不能获知投影机何时完成投影，为了保证投影与采集的同步，计算机往往通过软件等待来同步摄像机拍摄，虽然单次等待时间较短，但多次投影采集所累积的时间会使其扫描效率显著降低。

有鉴于此特提出本发明采用条纹投影机和摄像机与体视显微镜相结合，在快速采集的前提下提高正弦型条纹的正弦特性和方波型条纹的位置精度。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种三维扫描显微镜及条纹投影三维扫描方法，能够使投影扫描稳定性好、精度更高、效率更高。

为解决上述技术问题，本发明采用技术方案的基本构思是：

三维扫描显微镜，包括体视显微镜、条纹投影装置和条纹采集装置。

条纹投影装置通过体视显微镜的条纹投影光路投射条纹图形到被观测物表面；条纹采集装置经体视显微镜的条纹采集光路获取被观测物表面的条纹图像；条纹投影装置具有精确像素对应模式，所述精确像素对应模式指条纹投影装置内部显示条纹图形的部件的物理像素数与条纹投影装置内部存储的并需投射的条纹图形像素数相等,条纹投影装置与条纹采集装置具有精确帧对应模式，所述精确帧对应模式指条纹投影装置投射的一帧条纹图形的同时条纹采集装置采集该帧条纹图像。

进一步的，条纹投影装置包括带有同步触发端口的投影控制器、投影芯片、图形存储器、光源；条纹采集装置为带有同步触发端口的摄像机。

图形存储器存储条纹图形，条纹图形像素数与投影芯片物理像素数相等；投影控制器电连接投影芯片、图形存储器和光源，投影控制器提取图形存储器内的条纹图形并使投影芯片显示此条纹图形，光源发射的光定向射向投影芯片，经条纹投影光路投射条纹图形至被观测物表面；条纹投影装置在投射一帧条纹图形时同步触发摄像机进行相应的图像采集，摄像机完成采集时同步触发条纹投影装置投射另一帧条纹图形。

进一步的，还包括投影适配器，条纹投影装置连接投影适配器，投影适配器安装在体视显微镜的第一目镜与变倍体之间，条纹投影装置、投影适配器、变倍体、物镜形成条纹投影光路。

进一步的，还包括摄像机适配器，摄像机连接摄像机适配器，摄像机适配器安装于体视显微镜的第二目镜与变倍体之间，条纹采集光路上设置有摄像机、摄像机适配器、变倍体、物镜。

投影控制器同步触发端口中的输出同步触发端口与摄像机同步触发端口中的输入同步触发端口相连接，投影控制器同步触发端口中的输入同步触发端口与摄像机同步触发端口中的输出同步触发端口相连接。

进一步的，投影控制器控制投影芯片生成条纹图形，光源照射投影芯片并经投影适配器、变倍体、物镜后将条纹图形投射在被观测物表面，被观测物及其上的条纹图像反射进入物镜后经变倍体、摄像机适配器再进入条纹采集装置中。

利用以上任一项所述的三维扫描显微镜进行条纹投影三维扫描方法，利用安装在体视显微镜上的条纹投影装置经体视显微镜内部的条纹投影光路投射一帧条纹图形至被观测物表面，该条纹图形的像素数与投影芯片的物理像素数相等，同时触发安装在体视显微镜上的条纹采集装置经体视显微镜内部的条纹采集光路同步采集被观测物表面的条纹图像，在获得图像后条纹采集装置同步触发条纹投影装置再投射另一帧条纹图形，重复上述步骤，直至全部序列条纹图形投射并将条纹图像采集完成。

进一步的，条纹投影装置投射一帧序列条纹图形至被观测物表面并同步触发条纹采集装置采集获取被观测物表面的该帧序列条纹图像，条纹投影装置持续投射此帧序列条纹图形直至被观测物表面的该帧条纹图像被条纹采集装置采集。

进一步的，当条纹投影装置在投射正弦型序列条纹图像时，条纹投影装置读取存储于条纹投影装置图形存储器内的N帧正弦型序列条纹图形并依次投射，并通过条纹采集装置依次对N帧序列条纹图像采集以实现N次相移算法进行条纹分析。

进一步的，N＝2^m，m≥2。

进一步的，生成及投射条纹图形时，显示条纹图形的部件的物理像素数等于或大于存储在条纹投影装置内部并需投射的条纹图形像素数。

采用上述技术方案后，本发明与现有技术相比具有以下有益效果。

本发明三维扫描显微镜及条纹投影三维扫描方法，利用条纹投影装置和条纹采集装置分别进行投影和拍摄采集，条纹投影装置投射的条纹图形经体视显微镜内部光路从物镜射出后投射在被观测物表面，条纹采集装置经体视显微镜内部光路获取被观测物表面的条纹图像，并且两者能同步进行，具有精确帧对应模式，可以使投影和拍摄所用的时间更短、效率更高。条纹投影装置在投射一帧序列条纹图形时，在条纹采集装置完成拍摄前，其投射的此帧序列条纹图形只以一次投射的形态出现，而非多次投射组成同一帧序列条纹图形，可以避免同一帧图形由多次投射所造成的投影图像不稳定的问题，并且在投射正弦型序列条纹图形时依次投射多帧序列条纹图形，从而克服因被观测物表面的微观结构不平整所造成的破坏正弦型序列条纹图像的正弦特性的问题。条纹投影装置具有精确像素对应模式，避免了因存储的条纹图形像素数及条纹投影装置内部显示条纹图形的部件的物理像素数不同而造成的条纹图形投射时发生的图形畸变问题。利用上述装置和方法进行条纹投影、采集拍摄并对采集获取的信息进行分析处理，实现对被观测物表面形貌的三维扫描。

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的描述。

附图说明

图1是本发明序列条纹投影体视显微镜的结构示意图。

图2是条纹图形投影及采集示意图。

1、条纹投影装置 2、投影适配器 3、条纹采集装置 4、摄像机适配器 5、变倍体 6、物镜 7、光轴 8、被观测物 11、投影控制器 12、图形存储器 13、光源 14、投影芯片 15、条纹图形 16、被观察物 17、摄像机 18、处理装置。

具体实施方式

实施例一

如图1所示，三维扫描显微镜，包括体视显微镜、条纹投影装置、条纹采集装置。

条纹投影装置为具有同步触发模式和精确像素对应模式的条纹投影装置，包括投影芯片、带有输入输出同步触发端口的投影控制器、可存储与投影芯片物理像素数相等的条纹图形的图形存储器、光源。投影控制器电连接投影芯片、图形存储器和光源，光源发射的光定向射向投影芯片。图形存储器采用闪存。

条纹投影装置具有精确像素对应模式，所述精确像素对应模式指条纹投影装置内部显示条纹图形的部件的物理像素数与条纹投影装置的图形存储器内部存储并需投射的条纹图形像素数相等。在本实施例中，条纹投影装置内部显示条纹图形的部件为投影芯片。由于图形存储器内存储的条纹图形像素数与投影芯片物理像素数相等，因此，为实现高精度投射条纹图形提供了保证。

三维扫描显微镜还包括投影适配器及摄像机适配器。

体视显微镜具有两个目镜。条纹投影装置连接投影适配器，投影适配器安装在体视显微镜的第一目镜与变倍体之间，条纹投影装置、投影适配器、变倍体、物镜形成条纹投影光路。

具有同步触发模式的条纹采集装置包括具有输入输出同步触发端口的摄像机，摄像机连接摄像机适配器，摄像机适配器安装于体视显微镜的第二目镜与变倍体之间，条纹采集光路上设置有摄像机、摄像机适配器、变倍体、物镜。

如图2所示，投影控制器读取图形存储器中的条纹图形并控制投影芯片生成条纹图形，光源照射投影芯片形成带条纹图形的光并经投影适配器、变倍体、物镜后将条纹图形投射在被观测物表面形成条纹图像，被观测物及其上的条纹图像反射进入物镜后经变倍体、摄像机适配器再进入摄像机中，从而使条纹采集装置可以采集获取被观测物表面的条纹图像。可以理解的是，摄像机采集图像时，采集被观测物表面图像及形成于其上的条纹图像叠加的图像。

图形存储器内存储有多帧条纹图形。多帧条纹图形包括正弦型序列条纹图形和方波型序列条纹图形。条纹投影装置读取图形存储器内储存的多帧序列条纹图形并进行投影。

为了实现高速的图形投影和图像采集，在本实施例中，条纹投影装置及条纹采集装置均分别设置有独立的同步触发模块，两个同步触发模块相互连接。条纹投影装置的同步触发模块为投影控制器上设置的输入输出同步触发端口。条纹采集装置的同步触发模块为在摄像机上设置的输入输出同步触发端口。在其他实施例中，条纹投影装置及条纹采集装置通过一个同步触发模块连接以同步触发联动。

条纹投影装置的投影控制器的输出同步触发端口与作为条纹采集装置的摄像机的输入同步触发端口相连接；投影控制器的输入同步触发端口与摄像机输出同步触发端口相连接。两者具有同步触发的关联关系，使投影和拍摄同步进行。条纹投影装置投射一帧序列条纹图形的同时，触发条纹采集装置进行拍摄，在条纹采集装置完成拍摄后返回信号给条纹投影装置，使条纹投影装置进行下一帧序列条纹图形的投影。从而实现了条纹投影装置与条纹采集装置的精确帧对应模式，即条纹投影装置投射的一帧条纹图形的同时条纹采集装置采集该帧条纹图像。同步触发的设置，使得单次投影、拍摄之间无滞后，从而使得多次投影、拍摄所组成的整体投影拍摄过程的效率大大提高。

在条纹投影装置开始投射方波型序列条纹图形至被观测物表面直至条纹采集装置采集拍摄相应的条纹图像完成之前，条纹投影装置对一帧方波型序列条纹图形仅以一次投影的形式进行投影，而非如同视频投影装置在此期间采取多次投射同一帧序列条纹图形组成一帧序列条纹图形，从而保证了序列条纹图形投影的稳定性，提高了其位置精确度。

在条纹投影装置投射正弦型序列条纹图形时，由于被观测物表面的微观结构并不平整，投射在被观测物表面的正弦型序列条纹图形的正弦特性也会遭到破坏，因此在条纹投影装置的图形存储器内存储有多帧正弦型序列条纹图形，条纹投影装置读取图形存储器内储存的多帧正弦型序列条纹图形并依次进行投影，解决因被观测物表面微观结构不平整所造成的正弦型序列条纹图形的正弦特性被破坏的问题，使得扫描分析的结果更好。同样地，在条纹投影装置开始投射正弦型序列条纹图形至被观测物表面直至条纹采集装置拍摄完成之前，条纹投影装置对一帧正弦型序列条纹图形仅以一次投影的形式进行投影。

本发明三维扫描显微镜，利用安装在体视显微镜上的条纹投影装置和条纹采集装置分别进行条纹图形的投影和其形成的条纹图像的拍摄采集，条纹投影装置投射的条纹图形经体视显微镜内部光路从物镜射出后投射在被观测物表面，条纹采集装置经体视显微镜内部光路获取被观测物表面的条纹图像，并且两者能同步进行，具有精确帧对应模式，可以使投影和拍摄所用的时间更短、效率更高。条纹投影装置在投射一帧序列条纹图形时，在条纹采集装置完成拍摄前，其投射的此帧序列条纹图形只以一次投射的形态出现，而非多次投射组成同一帧序列条纹图形，可以避免同一帧图形由多次投射所造成的投影图像不稳定的问题，并且在投射正弦型序列条纹图形时依次投射多帧序列条纹图形，从而克服因被观测物表面的微观结构不平整所造成的破坏正弦型序列条纹图像的正弦特性的问题。条纹投影装置具有精确像素对应模式，避免了因存储的条纹图形像素数及条纹投影装置内部显示条纹图形的部件的物理像素数不同而造成的条纹图形投射时发生的图形畸变问题。利用上述装置进行条纹投影、采集拍摄并通过作为处理装置18，例如电脑，对采集获取的信息进行分析处理，实现对被观测物表面形貌的三维扫描。

实施例二

本实施例条纹投影三维扫描方法利用实施例一所述装置实施。

利用安装在体视显微镜上的条纹投影装置经体视显微镜内部条纹投影光路投射一帧序列条纹图形至被观测物表面，同步触发安装在体视显微镜上的条纹采集装置经体视显微镜内部的条纹采集光路采集获取形成于被观测物表面的该帧序列条纹图像，条纹投影装置持续投射此帧序列条纹图形直至被观测物表面的形成的该帧序列条纹图像被条纹采集装置采集。在获得图像后，再由条纹投影装置投射另一帧序列条纹图形，重复上述步骤，直至全部序列条纹图形投射完成并且条纹采集装置获取图像完成。

条纹投影装置具有精确像素对应模式。条纹投影装置生成及投射条纹图形时，条纹投影装置显示条纹图形的部件的物理像素数等于或大于存储在条纹投影装置内部并需投射的条纹图形像素数，这样可以避免因条纹投影装置内部显示条纹图形的部件的物理像素数小于存储的条纹图形像素数而造成的条纹图形投射时发生的图形畸变问题。

条纹投影装置在投射一帧方波型序列条纹图像至被观测物表面直至条纹采集装置被触发同步采集完成被观测物表面的序列条纹图像的时间T内，条纹投影装置投射此帧方波型序列条纹图像的变化频率为1/T。即在此时间T内，此帧方波型序列条纹图形只闪现一次且持续时间为T，而不是在此时间T内多次闪现，即不是在此时间T内采取多次投射此帧方波型序列条纹图形组成一帧方波型序列条纹图形，从而保证了方波型序列条纹图形投影的稳定性。

同样地，条纹投影装置在投射一帧正弦型序列条纹图像至被观测物表面直至条纹采集装置被触发同步采集完成被观测物表面的序列条纹图像的时间T内，条纹投影装置投射此帧正弦型序列条纹图像的变化频率为1/T。

在条纹投影装置投射正弦型序列条纹图像时，由于被观测物表面的微观结构并不平整，投射在被观测物表面的正弦型序列条纹图像的正弦特性也会遭到破坏。

因此在条纹投影装置的图形存储器存储有多帧正弦型序列条纹图形，条纹投影装置读取图形存储器内储存的多帧正弦型序列条纹图形并依次进行投影，解决因被观测物表面微观结构不平整所造成的正弦型序列条纹图形的正弦特性被破坏的问题，使得扫描分析的结果更好。

条纹投影装置读取存储于条纹投影装置闪存内的N帧正弦型序列条纹图形并依次投射至被观测物表面并由条纹采集装置采集获取，通过采集获取的N帧正弦型序列条纹图像实现N次相移算法进行条纹分析。N＝2^m，m≥2。在本实施例中，m＝5，也就是说共需进行32帧正弦型序列条纹图形的投影并采集获取32帧正弦型序列条纹图像，从而进行32次相移算法进行条纹分析。在其他实施例中，m可以视需要取其他值。利用上述方法进行条纹投影、采集拍摄并对采集获取的信息进行分析处理，实现对被观测物表面形貌的三维扫描。

本发明序列条纹投影三维扫描的方法，利用安装于体视显微镜上的条纹投影装置和条纹采集装置分别进行投影和采集拍摄，条纹投影装置投射的序列条纹图像经体视显微镜内部条纹投影光路从物镜射出后投射在被观测物表面，条纹采集装置经体视显微镜内部条纹采集光路获取被观测物表面的序列条纹图像，并且两者能同步进行，可以使投影和采集拍摄所用的时间更短、效率更高。条纹投影装置在投射一帧序列条纹图形时，在条纹采集装置完成拍摄前，其投射的此帧序列条纹图形只以一次投射的形态出现，而非多次投射组成同一帧序列条纹图形，可以避免同一帧图形由多次投射所造成的投影图形不稳定的问题，并且在投射正弦型序列条纹图形时依次投射多帧序列条纹图形，从而克服因被观测物表面的微观结构不平整所造成的破坏正弦型序列条纹图形的正弦特性的问题。

上述实施例中的实施方案可以进一步组合或者替换，且实施例仅仅是对本发明的优选实施例进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域中专业技术人员对本发明的技术方案作出的各种变化和改进，均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.三维扫描显微镜，其特征在于：包括体视显微镜、条纹投影装置和条纹采集装置，

条纹投影装置通过体视显微镜的条纹投影光路投射条纹图形到被观测物表面；条纹采集装置经体视显微镜的条纹采集光路获取被观测物表面的条纹图像；

条纹投影装置具有精确像素对应模式，所述精确像素对应模式指条纹投影装置内部显示条纹图形的部件的物理像素数与条纹投影装置内部存储的并需投射的条纹图形像素数相等,

条纹投影装置与条纹采集装置具有精确帧对应模式，所述精确帧对应模式指条纹投影装置投射的一帧条纹图形的同时条纹采集装置采集该帧条纹图像。

2.根据权利要求1所述的三维扫描显微镜，其特征在于：条纹投影装置包括带有同步触发端口的投影控制器、投影芯片、图形存储器、光源；条纹采集装置为带有同步触发端口的摄像机，

图形存储器存储条纹图形，条纹图形像素数与投影芯片物理像素数相等；投影控制器电连接投影芯片、图形存储器和光源，投影控制器提取图形存储器内的条纹图形并使投影芯片显示此条纹图形，光源发射的光定向射向投影芯片，经条纹投影光路投射条纹图形至被观测物表面；

条纹投影装置在投射一帧条纹图形时同步触发摄像机进行相应的图像采集，摄像机完成采集时同步触发条纹投影装置投射另一帧条纹图形。

3.根据权利要求2所述的三维扫描显微镜，其特征在于：还包括投影适配器，条纹投影装置连接投影适配器，投影适配器安装在体视显微镜的第一目镜与变倍体之间，

条纹投影装置、投影适配器、变倍体、物镜形成条纹投影光路。

4.根据权利要求2或3所述的三维扫描显微镜，其特征在于：还包括摄像机适配器，摄像机连接摄像机适配器，摄像机适配器安装于体视显微镜的第二目镜与变倍体之间，条纹采集光路上设置有摄像机、摄像机适配器、变倍体、物镜，

投影控制器同步触发端口中的输出同步触发端口与摄像机同步触发端口中的输入同步触发端口相连接，投影控制器同步触发端口中的输入同步触发端口与摄像机同步触发端口中的输出同步触发端口相连接。

5.根据权利要求4所述的三维扫描显微镜，其特征在于：投影控制器控制投影芯片生成条纹图形，光源照射投影芯片并经投影适配器、变倍体、物镜后将条纹图形投射在被观测物表面，被观测物及其上的条纹图像反射进入物镜后经变倍体、摄像机适配器再进入条纹采集装置中。

6.利用权利要求1、2、3、5任一项所述的三维扫描显微镜进行条纹投影三维扫描方法，其特征在于：利用安装在体视显微镜上的条纹投影装置经体视显微镜内部的条纹投影光路投射一帧条纹图形至被观测物表面，该条纹图形的像素数与投影芯片的物理像素数相等，同时触发安装在体视显微镜上的条纹采集装置经体视显微镜内部的条纹采集光路同步采集被观测物表面的条纹图像，在获得图像后条纹采集装置同步触发条纹投影装置再投射另一帧条纹图形，重复上述步骤，直至全部序列条纹图形投射并将条纹图像采集完成。

7.根据权利要求6所述的一种条纹投影三维扫描方法，其特征在于：条纹投影装置投射一帧序列条纹图形至被观测物表面并同步触发条纹采集装置采集获取被观测物表面的该帧序列条纹图像，条纹投影装置持续投射此帧序列条纹图形直至被观测物表面的该帧条纹图像被条纹采集装置采集。

8.根据权利要求6或7所述的一种条纹投影三维扫描方法，其特征在于：当条纹投影装置在投射正弦型序列条纹图像时，条纹投影装置读取存储于条纹投影装置图形存储器内的N帧正弦型序列条纹图形并依次投射，并通过条纹采集装置依次对N帧序列条纹图像采集以实现N次相移算法进行条纹分析。

9.根据权利要求8所述的一种条纹投影三维扫描方法，其特征在于：N＝2^m，m≥2。

10.根据权利要求6所述的一种条纹投影三维扫描方法，其特征在于：生成及投射条纹图形时，显示条纹图形的部件的物理像素数等于或大于存储在条纹投影装置内部并需投射的条纹图形像素数。