CN105403170A

CN105403170A - 一种显微3d形貌测量方法及装置

Info

Publication number: CN105403170A
Application number: CN201510922156.XA
Authority: CN
Inventors: 易定容; 刘志群; 崔长彩; 余卿; 王梓
Original assignee: Huaqiao University; Maike Aodi Industry Group Co Ltd
Current assignee: Huaqiao University; Maike Aodi Industry Group Co Ltd
Priority date: 2015-12-11
Filing date: 2015-12-11
Publication date: 2016-03-16
Anticipated expiration: 2035-12-11
Also published as: CN105403170B

Abstract

本发明涉及一种显微3D形貌测量方法，步骤如下：1)分别在焦前与焦后拍摄载物台上的待测物体的图像I_f＝I_f(i，j)、I_b＝I_b(i，j)，0≤i＜I，0≤j＜J；其中，I是图像总行数，J是图像总列数；2)根据如下公式计算得到待测物体在每一个位置(i，j)的待测图像I(i，j)，公式为：

Description

一种显微3D形貌测量方法及装置

技术领域

本发明涉及数字显微领域，更具体地说，涉及一种显微3D形貌测量方法，以及一种显微3D形貌测量装置。

背景技术

在先进数字显微镜以及现今追求高精度分辨率观察分析仪器中，有的具有高达微米甚至纳米的横向分辨率，然而纵向分辨率常常局限在几个微米，纵向分辨率难以提高。

专门为了实现光学切片、提高纵向分辨率的激光扫描共聚焦显微镜，在纵向上的分辨率也难以达到亚微米，而且3D成像速度非常缓慢。需要在纵向上不同的Z位置获取多层光学切片图像，之后来重建，获取每一个水平位置XY的表面高度Z值。由于需要在X方向、Y方向，Z方向3个方向激光扫描，因此该方法非常耗时。

另外在电动数字显微镜成像过程中，实时判断目标表面距离物镜成像面的距离也是难以解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种用于数字显微镜或者放大倍数大于1的数字成像系统中快速获得3D重建或者3D形貌的显微3D形貌测量方法，以及一种显微3D形貌测量装置。

本发明的技术方案如下：

一种显微3D形貌测量方法，步骤如下：

1)分别在焦前与焦后拍摄载物台上的待测物体的图像I_f＝I_f(i，j)、I_b＝I_b(i，j)，0≤i＜I，0≤j＜J；其中，I是图像总行数，J是图像总列数；

2)根据如下公式计算得到待测物体在每一个位置(i，j)的待测图像I(i，j)，公式为：

I (i, j) = \frac{I_{f} (i, j) - I_{b} (i, j)}{I_{f} (i, j) + I_{b} (i, j)};

3)将待测图像I(i，j)与预先刻度的I(h)曲线对比，确定待测物体在每一个位置(i，j)表面形貌相对高度h(i，j)，0≤i＜I，0≤j＜J。

作为优选，步骤1)中，图像I_f＝I_f(i，j)的获取步骤为：通过移动显微镜的物镜或者移动显微镜的载物台，使得载物台表面在显微镜物镜焦面前方υ_f；将摄像头置于显微成像系统的成像面上，拍摄一副放置在载物台上的待测物体的图像I_f＝I_f(i，j)，0≤i＜I，0≤j＜J；其中，I是图像总行数，J是图像总列数。

作为优选，步骤1)中，图像I_b＝I_b(i，j)的获取步骤为：通过移动显微镜的物镜或者移动显微镜的载物台，使得载物台表面在显微镜物镜焦面后方υ_b；将摄像头置于显微成像系统的成像面上，拍摄一副放置在载物台上的待测物体的图像I_b＝I_b(i，j)，0≤i＜I，0≤j＜J；其中，I是图像总行数，J是图像总列数。

作为优选，步骤1)中，图像I_f＝I_f(i，j)与I_b＝I_b(i，j)的失焦距离相同。

作为优选，步骤3)中，I(h)曲线的获取步骤为：依次在载物台上放置若干不同高度的全反射平面的物体，对每个物体分别在焦前与焦后拍摄图像I_F(i，j)、I_B(i，j)，对每一点(i，j)根据如下公式计算出参考图像I(h，i，j)，绘制得到相应的I(h)曲线，公式为：

I (h, i, j) = \frac{I_{F} (i, j) - I_{B} (i, j)}{I_{F} (i, j) + I_{B} (i, j)};

其中，0≤i＜I，0≤j＜J。

作为优选，图像I_F(i，j)的获取步骤为：将摄像头放置在显微成像系统的成像面的位置，通过移动显微镜的物镜或者移动显微镜的载物台，使得载物台表面在显微镜物镜焦面前方υ_F；依次放置N≥2个不同高度h_i＝k*δ的具有全反射平面的物体于载物台，对每一个物体拍摄一张图像I_F(i，j)，其中；i≤N，

作为优选，图像I_B(i，j)的获取步骤为：将摄像头放置在显微成像系统的成像面的位置，通过移动显微镜的物镜或者移动显微镜的载物台，使得载物台表面在显微镜物镜焦面后方υ_B；依次放置N≥2个不同高度h_i＝k*δ的具有全反射平面的物体于载物台，对每一个物体拍摄一张图像I_B(i，j)，其中；i≤N，

作为优选，图像I_F(i，j)、I_B(i，j)的失焦距离相同。

一种显微3D形貌测量装置，运行所述的显微3D形貌测量方法，载物台通过电机移动至特设的位置，通过所述的显微3D形貌测量方法获取3D形貌或者进行3D重建。

本发明的有益效果如下：

本发明所述的方法实现的纵向形貌测量效率高，仅仅获取两幅图像就能够以非接触的方式实现多点测量待测物的表面高度，不需要采用传统方法进行层层扫描来获取多幅图像。虽然获得刻度曲线时候需要多个图像，但是一台仪器只需要刻度一次，即可一直用于后续使用，使用不同的标本也不需要重新刻度。

本发明所述的方法实现的纵向形貌测量精度高，高于显微镜物镜的纵向光学分辨率。

本发明所述的设备结构简单：对于传统的数字显微镜，仅仅需要添加一个电机如步进电机使得载物台或者物镜可以纵向移动到指定距离，即可通过所述的显微3D形貌测量方法获取3D形貌或者进行3D重建。

具体实施方式

本发明为了解决现有技术存在的不足，提供一种显微3D形貌测量方法，以及一种显微3D形貌测量装置。本发明的核心技术方案是：通过实时拍摄少量图像，再通过与预先标定的曲线对比，计算出目标平面上每一点离开物镜的Z距离。

所述的显微3D形貌测量方法，步骤如下：

步骤1)分别在焦前与焦后拍摄载物台上的待测物体的图像I_f＝I_f(i，j)、I_b＝I_b(i，j)，0≤i＜I，0≤j＜J；其中，I是图像总行数，J是图像总列数。

具体地，图像I_f＝I_f(i，j)的获取步骤为：通过移动显微镜的物镜或者移动显微镜的载物台，使得载物台表面在显微镜物镜焦面前方υ_f；将摄像头置于显微成像系统的成像面上，拍摄一幅放置在载物台上的待测物体的图像I_f＝I_f(i，j)，0≤i＜I，0≤j＜J；其中，I是图像总行数，J是图像总列数。

图像I_b＝I_b(i，j)的获取步骤为：通过移动显微镜的物镜或者移动显微镜的载物台，使得载物台表面在显微镜物镜焦面后方υ_b；将摄像头置于显微成像系统的成像面上，拍摄一幅放置在载物台上的待测物体的图像I_b＝I_b(i，j)，0≤i＜I，0≤j＜J；其中，I是图像总行数，J是图像总列数。

图像I_f＝I_f(i，j)与I_b＝I_b(i，j)的失焦距离相同，即载物台表面在显微镜物镜焦面前方的距离υ_f与载物台表面在显微镜物镜焦面后方的距离υ_b大小相等，方向相反。

步骤2)根据如下公式计算得到待测物体在每一个位置(i，j)的待测图像I(i，j)，公式为：

I (i, j) = \frac{I_{f} (i, j) - I_{b} (i, j)}{I_{f} (i, j) + I_{b} (i, j)};

步骤3)将待测图像I(i，j)与预先刻度的I(h)曲线对比，确定待测物体在每一个位置(i，j)表面形貌相对高度h(i，j)，0≤i＜I，0≤j＜J。

I(h)曲线的获取步骤为：依次在载物台上放置若干不同高度的全反射平面的物体，对每个物体分别在焦前与焦后拍摄图像I_F(i，j)、I_B(i，j)，对每一点(i，j)根据如下公式计算出参考图像I(h，i，j)，绘制得到相应的I(h)曲线，公式为：

I (h, i, j) = \frac{I_{F} (i, j) - I_{B} (i, j)}{I_{F} (i, j) + I_{B} (i, j)};

其中，0≤i＜I，0≤j＜J。

具体地，图像I_F(i，j)的获取步骤为：将摄像头放置在显微成像系统的成像面的位置，通过移动显微镜的物镜或者移动显微镜的载物台，使得载物台表面在显微镜物镜焦面前方υ_F；依次放置N≥2个不同高度h_i＝k*δ的具有全反射平面的物体于载物台，对每一个物体拍摄一张图像I_F(i，j)，其中；i≤N，

图像I_B(i，j)的获取步骤为：将摄像头放置在显微成像系统的成像面的位置，通过移动显微镜的物镜或者移动显微镜的载物台，使得载物台表面在显微镜物镜焦面后方υ_B；依次放置N≥2个不同高度h_i＝k*δ的具有全反射平面的物体于载物台，对每一个物体拍摄一张图像I_B(i，j)，其中；i≤N，

图像I_F(i，j)、I_B(i，j)的失焦距离相同，即载物台表面在显微镜物镜焦面前方的距离υ_F与载物台表面在显微镜物镜焦面后方的距离υ_B大小相等，方向相反。

基于所述的显微3D形貌测量方法，本发明还提供一种显微3D形貌测量装置，用于实现上述的显微3D形貌测量方法，载物台通过电机移动至特设的位置，通过所述的显微3D形貌测量方法获取3D形貌或者进行3D重建。

上述实施例仅是用来说明本发明，而并非用作对本发明的限定。只要是依据本发明的技术实质，对上述实施例进行变化、变型等都将落在本发明的权利要求的范围内。

Claims

1.一种显微3D形貌测量方法，其特征在于，步骤如下：

1)分别在焦前与焦后拍摄载物台上的待测物体的图像I_f＝I_f(i，j)、I_b＝I_b(i，j)，0≤i＜1，0≤j＜J；其中，I是图像总行数，J是图像总列数；

I (i, j) = \frac{I_{f} (i, j) - I_{b} (i, j)}{I_{f} (i, j) + I_{b} (i, j)};

2.根据权利要求1所述的显微3D形貌测量方法，其特征在于，步骤1)中，图像I_f＝I_f(i，j)的获取步骤为：通过移动显微镜的物镜或者移动显微镜的载物台，使得载物台表面在显微镜物镜焦面前方υ_f；将摄像头置于显微成像系统的成像面上，拍摄一幅放置在载物台上的待测物体的图像I_f＝I_f(i，j)，0≤i＜I，0≤j＜J；其中，I是图像总行数，J是图像总列数。

3.根据权利要求1所述的显微3D形貌测量方法，其特征在于，步骤1)中，图像I_b＝I_b(i，j)的获取步骤为：通过移动显微镜的物镜或者移动显微镜的载物台，使得载物台表面在显微镜物镜焦面后方υ_b；将摄像头置于显微成像系统的成像面上，拍摄一幅放置在载物台上的待测物体的图像I_b＝I_b(i，j)，0≤i＜I，0≤j＜J；其中，I是图像总行数，J是图像总列数。

4.根据权利要求1所述的显微3D形貌测量方法，其特征在于，步骤1)中，图像I_f＝I_f(i，j)与I_b＝I_b(i，j)的失焦距离相同。

5.根据权利要求1所述的显微3D形貌测量方法，其特征在于，步骤3)中，I(h)曲线的获取步骤为：依次在载物台上放置若干不同高度的全反射平面的物体，对每个物体分别在焦前与焦后拍摄图像I_F(i，j)、I_B(i，j)，对每一点(i，j)根据如下公式计算出参考图像I(h，i，j)，绘制得到相应的I(h)曲线，公式为：

I (h, i, j) = \frac{I_{F} (i, j) - I_{B} (i, j)}{I_{F} (i, j) + I_{B} (i, j)};

其中，0≤i＜I，0≤j＜J。

6.根据权利要求5所述的显微3D形貌测量方法，其特征在于，图像I_F(i，j)的获取步骤为：将摄像头放置在显微成像系统的成像面的位置，通过移动显微镜的物镜或者移动显微镜的载物台，使得载物台表面在显微镜物镜焦面前方υ_F；依次放置N≥2个不同高度h_i＝k*δ的具有全反射平面的物体于载物台，对每一个物体拍摄一张图像I_F(i，j)，其中；i≤N，

δ = \frac{z_{\max} - z_{\min}}{N} .

7.根据权利要求5所述的显微3D形貌测量方法，其特征在于，图像I_B(i，j)的获取步骤为：将摄像头放置在显微成像系统的成像面的位置，通过移动显微镜的物镜或者移动显微镜的载物台，使得载物台表面在显微镜物镜焦面后方υ_B；依次放置N≥2个不同高度h_i＝k*δ的具有全反射平面的物体于载物台，对每一个物体拍摄一张图像I_B(i，j)，其中；i≤N，

δ = \frac{z_{\max} - z_{\min}}{N} .

8.根据权利要求5所述的显微3D形貌测量方法，其特征在于，图像I_F(i，j)、I_B(i，j)的失焦距离相同。

9.一种显微3D形貌测量装置，其特征在于，运行权利要求1至8任一项所述的显微3D形貌测量方法，载物台通过电机移动至特设的位置，通过所述的显微3D形貌测量方法获取3D形貌或者进行3D重建。