CN105423947A - 一种光学三维成像装置及其成像方法 - Google Patents

Abstract

一种光学三维成像装置及其成像方法，该光学三维成像装置包括：光学显微镜系统，用于生成待测物体的显微光路并获得所述待测物体的平面坐标信号；三维表面成像模块，与所述光学显微镜系统连接，用于生成干涉光路并通过一次扫描探测得到所述待测物体整个视场内每个像素点的高度坐标信号，并将所述平面坐标信号和所述高度坐标信号经计算处理后直接生成并输出待测物体的三维图像，以实现快速三维表面成像；以及驱动机构，与所述待测物体或所述三维表面成像模块连接，用于实现对所述待测物体沿光轴方向的扫描。本发明还公开了一种光学三维成像方法。

Description

一种光学三维成像装置及其成像方法

技术领域

本发明涉及一种光学三维成像装置和成像方法，特别是一种超高速光学三维成像装置及其成像方法。

背景技术

随着工业加工生产、安检、产品质量监控等各技术领域对产品加工要求的提高，各行业对检测和监控精度和速度的要求也越来越高。与此同时，各领域对三维形貌的检测需求也越来越多，因此，超高速的高精度光学三维形貌检测技术是未来工业检测的技术发展趋势。对于不同的应用领域，快速三维成像技术还应当具备超高的配置灵活性和可集成性，也就是说，快速三维成像技术将被集成到各个领域的生产线中，最廉价的解决方案是在现有的平面检测技术上升级，实现低投入高产出。

传统白光干涉仪，利用干涉光路和CCD相机实现的三维表面形貌测量。通过探测干涉关系的变化来实现深度的测定，这种测试需要对样品表面作XY方向的逐点扫描和z方向逐层扫描，且每个扫描面都需要输出大量的数据，因此扫描的速度很慢，且对于大面积扫描，需要做长时间的图像拼接，整个测试的时间会大大增加。这种技术对工作环境要求也比较高，特别是减震，样品台不能有太大振动。

镜头式原子力显微镜，实现方式为在光学显微镜的物镜上安装原子力显微模块，该模块包含原子力探针，微型XY压电位移平台和数据接收、传输端口，利用光学显微镜的成像功能对样品进行观察，找到待测区域后再利用原子力显微模块对待测区域进行三维形貌表征，测量分辨率可高于光学成像分辨率，但由于XY方向要通过位移平台的运动作逐点扫描和探针式测量的限制，这种方法的测量范围小，XY方向只有几百个微米，Z方向只有几十个微米，三维成像需要探针在XY方向逐点扫描，测量时间很长。通常测一幅三维形貌图的时间为几十分钟的时间。

共聚焦激光扫描三维成像仪，利用共聚焦光路和激光的扫描来实现样品表面的三维成像，这种成像技术可以实现超高的分辨率。但是激光需要改变聚焦平面，逐层扫描，每次共聚焦Z方向扫描只能得到单层单点的数据，这样就使得成像速度大大的降低。

三坐标测量仪，可测量部件的三维立体表面形貌，但测量过程是对被测物件的表面进行逐点测量，想要测出部件的整体的三维形貌需要的时间非常长。由于体积较大，该技术集成到产线上需要较大的空间，而且需要精确的三维移动控制，同时测量精度无法达到微米以下。使用于较大的零件三维立体结构的测量。

立体光三维成像，利用立体光成像可以实现零件立体轮廓成像，这种技术需要反复配置光源的位置，这样测量时间就无法缩短，同时，测量精度最高只能到达几个微米。适合于较大的零件表面三维成像。一旦零件变小，基本无法测量，而且零件表面需要提前做标记。

目前现有的高精度三维成像装置都无法克服速度这个瓶颈，如何在现有技术的基础上实现快速高精度三维成像成为工业以及科研领域迫切的需求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的上述缺陷，提供一种超高速光学三维成像装置及其成像方法，在白光干涉的基础上集成高速三维成像模块，实现快速高精度三维成像。

为了实现上述目的，本发明提供了一种光学三维成像装置，其中，包括：

光学显微镜系统，用于生成待测物体的显微光路并获得所述待测物体的平面坐标信号；

三维表面成像模块，与所述光学显微镜系统连接，用于生成干涉光路并通过一次扫描探测得到所述待测物体整个视场内每个像素点的高度坐标信号，并将所述平面坐标信号和所述高度坐标信号经计算处理后直接生成并输出待测物体的三维图像，以实现快速三维表面成像；以及

驱动机构，与所述待测物体或所述三维表面成像模块连接，用于实现对所述待测物体沿光轴方向的扫描。

上述的光学三维成像装置，其中，所述光学显微镜系统为光学显微镜、光学放大镜或者物镜。

上述的光学三维成像装置，其中，所述三维表面成像模块包括：

白光光源，用于提供三维表面成像的光源；

干涉光路，用于生成干涉光路并通过一次扫描探测得到所述待测物体整个视场内每个像素点的高度坐标信号；

阵列式CMOS传感器，用于接收所述干涉光路的信号并输出平面坐标信号和所述高度坐标信号；以及

智能像素芯片，用于对所述平面坐标信号和所述高度坐标信号进行背景信号补偿、锁相放大及高度坐标计算后，生成所述三维图像并输出。

上述的光学三维成像装置，其中，所述干涉光路包括：

发射光路，包括第一准直棱镜和分光镜，所述第一准直棱镜设置在所述白光光源及所述分光镜之间，所述分光镜将经上述第一准直棱镜的光路分为垂直向下的第一光路和水平向左的第二光路，所述第一光路用于探测所述待测物体，所述第二光路用于形成干涉光以获得所述高度坐标信号；

参考光路，包括参考反射镜、第二准直或聚焦棱镜和45度反射镜，所述第二准直或聚焦棱镜设置于所述45度反射镜与所述参考反射镜之间，所述45度反射镜相对于所述分光镜设置，所述第二光路的光经所述45度反射镜、第二准直或聚焦棱镜及所述参考反射镜反射后进入所述分光镜；以及

探测光路，包括第三准直或聚焦棱镜，设置于所述分光镜和所述阵列式CMOS传感器之间，用于将所述参考光路和所述第一光路的信号输送至所述阵列式CMOS传感器。

上述的光学三维成像装置，其中，所述参考光路还包括中心强度过滤器，设置在所述45度反射镜与所述分光镜之间。

上述的光学三维成像装置，其中，所述参考光路还包括补偿板，设置在所述45度反射镜与所述第二准直或聚焦棱镜之间。

上述的光学三维成像装置，其中，所述探测光路还包括用于辅助准直及信号优化的光学小孔，设置在所述分光镜和所述第三准直或聚焦棱镜之间。

上述的光学三维成像装置，其中，所述驱动机构为驱动电机，所述驱动电机与所述参考反射镜连接，以驱动所述参考反射镜沿光轴移动，或所述驱动电机与所述待测物体的位移平台连接，以驱动所述待测物体沿光轴移动。

上述的光学三维成像装置，其中，所述光学显微镜系统为光学显微镜，包括成像光路和观测光路，所述成像光路包括成像分光镜和物镜，所述观测光路包括目镜，所述成像分光镜正对所述第一光路设置，所述物镜设置在所述成像分光镜的正下方。

为了更好地实现上述目的，本发明还提供了一种光学三维成像方法，其中，包括如下步骤：

S100、预备成像，在显微镜中用于成像的CCD相机或者目镜的接口处连接遮光筒，所述遮光筒的另一端与三维表面成像模块连接；

S200、安装用于驱动所述三维表面成像模块或所述待测物体移动的驱动电机，调整并固定所述驱动电机的运行角度以保证所述驱动电机的移动方向与待测物体的待测平面垂直；

S300、将所述三维表面成像模块的图像处理模块的数据传输端口连接到计算机，同时连接所述驱动电机的驱动端口和控制端口到直流驱动电源和电机控制器，并将电机控制器与所述计算机相连，设置所述驱动电机的驱动程序，以控制所述待测物体的移动，同时设置所述图像处理模块的信号处理程序；以及

S400、利用所述显微镜的聚焦调节系统调节所述待测物体成像的焦距，使得三维表面成像模块可以清晰成像，将所述待测物体需要三维成像的区域移动到目标区域内，对所述待测物体沿光轴方向扫描，通过一次扫描探测得到所述待测物体整个视场内每个像素点的高度坐标信号，并经计算处理后直接生成待测物体的三维图像并传输到所述计算机快速输出三维表面成像。

本发明的技术效果在于：

本发明的超高速光学三维成像装置及其成像方法，涉及光学显微技术、并行光学相干成像技术(pOCT)(参见EuropeanpatentapplicaitionfromHeliotisAG,pantentNo.EP1887312A1)及智能像素阵列式探测技术，在平面显微技术的基础上集成超高速三维成像模块，让光学显微设备实现超高速高精度，特别是高度方向(Z方向)纳米级分辨率的三维成像功能，可适用于科研和工业生产等领域。本发明成像速度超快，成像范围可以很大同时保证精度很高，最大视场可达到毫米，XY方向分辨率可达到微米级别。Z方向测量范围可以达到毫米，且Z方向分辨率可达纳米级别。既满足应用需求，同时降低实现成本。

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

图1为本发明一实施例的三维表面成像原理图；

图2为本发明一实施例工作原理示意图；

图3为本发明一实施例的三维成像装置结构示意图；

图4为本发明一实施例的三维表面成像模块结构示意图；

图5为本发明一实施例的三维成像装置结构示意图；

图6为本发明另一实施例的三维成像装置结构示意图。

其中，附图标记

10三维表面成像模块

1中心强度过滤器

2白光光源

3第一准直棱镜

4发射光路

5分光镜

6光学小孔

7探测光路

8第三准直或聚焦棱镜

9阵列式CMOS传感器

1145度反射镜

12补偿板

13参考光路

14第二准直或聚焦棱镜

15参考反射镜

16智能像素芯片

17干涉光路

18多模光纤

20光学显微镜系统

21凸透镜

22成像分光镜

23物镜

24目镜

30驱动机构

40待测物体

50成像光路

60位移平台

70机械臂

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作具体的描述：

参见图1-图3，图1为本发明一实施例的三维表面成像原理图，图2为本发明一实施例工作原理示意图，图3为本发明一实施例的三维成像装置结构示意图。本发明的光学三维成像装置，包括：光学显微镜系统20，用于生成待测物体40的显微光路并获得所述待测物体40的平面坐标信号；三维表面成像模块10，与所述光学显微镜系统20连接，用于生成干涉光路17并通过一次扫描探测得到所述待测物体40整个视场内每个像素点的高度坐标信号，并将所述平面坐标信号和所述高度坐标信号经计算处理后直接生成并输出待测物体40的三维图像，以实现快速三维表面成像；以及驱动机构30，与所述待测物体40或所述三维表面成像模块10连接，用于实现对所述待测物体40沿光轴方向的扫描。所述驱动机构30优选为驱动电机，所述驱动电机可与所述参考反射镜15连接，以驱动所述参考反射镜15沿光轴移动，或所述驱动电机可与所述待测物体40的位移平台60连接，以驱动所述待测物体40沿光轴移动。或者如图2所示，该驱动机构30也可采用三维机械臂70，与位移平台60连接，通过该机械臂70的移动带动该位移平台60实现需要的运动。

参见图4，图4为本发明一实施例的三维表面成像模块结构示意图。本实施例中，所述三维表面成像模块10包括：白光光源2，用于提供三维表面成像的光源；干涉光路17，用于生成干涉光并通过一次扫描探测得到所述待测物体40整个视场内每个像素点的高度坐标信号；阵列式CMOS传感器9，用于接收所述干涉光路17的信号并输出平面坐标信号和所述高度坐标信号；以及智能像素芯片16，用于对所述平面坐标信号和所述高度坐标信号进行背景信号补偿、锁相放大及高度坐标计算后，生成所述三维图像并输出。

本实施例中，所述干涉光路17包括：发射光路4，包括第一准直棱镜3和分光镜5，所述第一准直棱镜3设置在所述白光光源2及所述分光镜5之间，并通过多模光纤18与所述白光光源2连接，所述分光镜5将经上述第一准直棱镜3的光路分为垂直向下的第一光路和水平向左的第二光路，所述第一光路用于探测所述待测物体40，透过光学显微镜系统20后即成像光路50，所述第二光路用于形成干涉光以获得所述高度坐标信号；参考光路13，包括参考反射镜15、第二准直或聚焦棱镜14和45度反射镜11，所述第二准直或聚焦棱镜14设置于所述45度反射镜11与所述参考反射镜15之间，所述45度反射镜11相对于所述分光镜5设置，所述第二光路的光经所述45度反射镜11、第二准直或聚焦棱镜14及所述参考反射镜15反射后进入所述分光镜5；以及探测光路7，包括第三准直或聚焦棱镜8，设置于所述分光镜5和所述阵列式CMOS传感器9之间，用于将所述参考光路13和所述成像光路50的信号输送至所述阵列式CMOS传感器9。

其中，所述参考光路13还可包括中心强度过滤器1，设置在所述45度反射镜11与所述分光镜5之间。所述参考光路13还可包括补偿板12，设置在所述45度反射镜11与所述第二准直或聚焦棱镜14之间。所述探测光路7还可包括用于辅助准直及信号优化的光学小孔6，设置在所述分光镜5和所述第三准直或聚焦棱镜8之间。

本发明中，所述光学显微镜系统20为光学显微镜、光学放大镜或者物镜。参见图5，图5为本发明一实施例的三维成像装置结构示意图。本实施例中，所述光学显微镜系统20为光学显微镜，包括成像光路50和观测光路，所述成像光路包括成像分光镜22和物镜23，所述观测光路包括目镜24，所述成像分光镜22正对所述第一光路设置，所述物镜23设置在所述成像分光镜22的正下方。参见图6，图6为本发明另一实施例的三维成像装置结构示意图。该实施例中，所述光学显微镜系统20为凸透镜21，该凸透镜21正对所述第一光路设置。

本发明还提供了一种光学三维成像方法，包括如下步骤：

步骤S100、预备成像，在显微镜中用于成像的CCD相机或者目镜24的接口处连接遮光筒，所述遮光筒的另一端与三维表面成像模块10连接；具体地，可取下显微镜中原有用于成像的CCD相机或者目镜24，在原有接口处连接活动遮光筒，遮光筒另一端与高速三维表面成像模块10相连；

步骤S200、安装用于驱动所述三维表面成像模块10或所述待测物体40移动的驱动电机，调整并固定所述驱动电机的运行角度以保证所述驱动电机的移动方向与待测物体40的待测平面垂直；本实施例可在显微镜机身上安装机械固定装置用以固定驱动三维成像模块移动的电机，调整固定角度保证驱动电机的移动方向与待测样品平面垂直；或者，将所述位移平台60与三维机械臂70连接，，通过该机械臂70的移动带动该位移平台60实现需要的运动；

步骤S300、将所述三维表面成像模块10的智能像素芯片16的数据传输端口连接到计算机，同时连接所述驱动电机的驱动端口和控制端口到直流驱动电源和电机控制器，并将电机控制器与所述计算机相连，设置所述驱动电机的驱动程序，以控制位移平台60的移动，从而控制所述待测物体40的移动，同时设置所述智能像素芯片16的信号处理程序；以及

步骤S400、利用所述显微镜的聚焦调节系统调节所述待测物体40成像的焦距(此时，显微镜的背景光源可以由三维表面成像模块10中的低相干光源即白光光源2取代)，使得三维表面成像模块10可以清晰成像，将所述待测物体40需要三维成像的区域移动到目标区域内，该区域大小和位置由显微镜放大倍率和光源所聚焦到待测物体40平面的位置决定，选好成像区域后就可以操控位移平台60延光轴方向扫描，对所述待测物体40沿光轴方向扫描，并控制三维表面成像模块10的智能像素芯片16接收并处理信号，三维表面成像模块10接收的信号由智能像素芯片16直接做背景信号补偿、锁相放大以及高度信息计算等操作，然后经数据线传输到计算机输出成像。借此，本发明通过一次扫描探测得到所述待测物体40整个视场内每个像素点的高度坐标信号，并经计算处理后直接生成待测物体40的三维图像并传输到所述计算机快速输出三维表面成像。

本发明在光学显微镜的图像接收端或光路中安装高速三维表面成像模块，三维表面成像模块中的低相干光源会向待测物体和参考平面发射两束宽谱可见光，待测物体的反射光与参考光在经过分光镜时发生干涉现象，利用位移平台来移动参考平面，使得反射光的光程改变，这样一来待测物体的反射光与参考光的相干关系就能反映出待测物体的高度信息。三维表面成像模块中的传感器阵列接收的信号由智能像素芯片作数据处理，然后传输给计算机实现快速三维表面成像。干涉光路可以为迈克尔逊式干涉光路，也可以是Mirau干涉光路等其他任何双光束干涉光路，本实施例以迈克尔逊式干涉为例说明。该智能像素芯片可以并行处理阵列式CMOS传感器上每一个阵列单元接收的探测信号，每一个芯片单元都对应一个CMOS传感器阵列单元，如图1所示，处理内容包括信号的干涉关系解码、锁相、放大、信号计算和输出。本发明在普通光学显微镜上安装模块化的高速三维表面成像模块即可使得光学显微镜实现超快表面三维成像。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种光学三维成像装置，其特征在于，包括：

光学显微镜系统，用于生成待测物体的显微光路并获得所述待测物体的平面坐标信号；

三维表面成像模块，与所述光学显微镜系统连接，用于生成干涉光路并通过一次扫描探测得到所述待测物体整个视场内每个像素点的高度坐标信号，并将所述平面坐标信号和所述高度坐标信号经计算处理后直接生成并输出待测物体的三维图像，以实现快速三维表面成像；以及

驱动机构，与所述待测物体或所述三维表面成像模块连接，用于实现对所述待测物体沿光轴方向的扫描。

2.如权利要求1所述的光学三维成像装置，其特征在于，所述光学显微镜系统为光学显微镜、光学放大镜或者物镜。

3.如权利要求1或2所述的光学三维成像装置，其特征在于，所述三维表面成像模块包括：

白光光源，用于提供三维表面成像的光源；

干涉光路，用于生成干涉光路并通过一次扫描探测得到所述待测物体整个视场内每个像素点的高度坐标信号；

阵列式CMOS传感器，用于接收所述干涉光路的信号并输出平面坐标信号和所述高度坐标信号；以及

智能像素芯片，用于对所述平面坐标信号和所述高度坐标信号进行背景信号补偿、锁相放大及高度坐标计算后，生成所述三维图像并输出。

4.如权利要求3所述的光学三维成像装置，其特征在于，所述干涉光路包括：

发射光路，包括第一准直棱镜和分光镜，所述第一准直棱镜设置在所述白光光源及所述分光镜之间，所述分光镜将经上述第一准直棱镜的光路分为垂直向下的第一光路和水平向左的第二光路，所述第一光路用于探测所述待测物体，所述第二光路用于形成干涉光以获得所述高度坐标信号；

参考光路，包括参考反射镜、第二准直或聚焦棱镜和45度反射镜，所述第二准直或聚焦棱镜设置于所述45度反射镜与所述参考反射镜之间，所述45度反射镜相对于所述分光镜设置，所述第二光路的光经所述45度反射镜、第二准直或聚焦棱镜及所述参考反射镜反射后进入所述分光镜；以及

探测光路，包括第三准直或聚焦棱镜，设置于所述分光镜和所述阵列式CMOS传感器之间，用于将所述参考光路和所述第一光路的信号输送至所述阵列式CMOS传感器。

5.如权利要求4所述的光学三维成像装置，其特征在于，所述参考光路还包括中心强度过滤器，设置在所述45度反射镜与所述分光镜之间。

6.如权利要求4所述的光学三维成像装置，其特征在于，所述参考光路还包括补偿板，设置在所述45度反射镜与所述第二准直或聚焦棱镜之间。

7.如权利要求4所述的光学三维成像装置，其特征在于，所述探测光路还包括用于辅助准直及信号优化的光学小孔，设置在所述分光镜和所述第三准直或聚焦棱镜之间。

8.如权利要求4所述的光学三维成像装置，其特征在于，所述驱动机构为驱动电机，所述驱动电机与所述参考反射镜连接，以驱动所述参考反射镜沿光轴移动，或所述驱动电机与所述待测物体的位移平台连接，以驱动所述待测物体沿光轴移动。

9.如权利要求4所述的光学三维成像装置，其特征在于，所述光学显微镜系统为光学显微镜，包括成像光路和观测光路，所述成像光路包括成像分光镜和物镜，所述观测光路包括目镜，所述成像分光镜正对所述第一光路设置，所述物镜设置在所述成像分光镜的正下方。

10.一种光学三维成像方法，其特征在于，包括如下步骤：

S100、预备成像，在显微镜中用于成像的CCD相机或者目镜的接口处连接遮光筒，所述遮光筒的另一端与三维表面成像模块连接；

S200、安装用于驱动所述三维表面成像模块或所述待测物体移动的驱动电机，调整并固定所述驱动电机的运行角度以保证所述驱动电机的移动方向与待测物体的待测平面垂直；

S300、将所述三维表面成像模块的图像处理模块的数据传输端口连接到计算机，同时连接所述驱动电机的驱动端口和控制端口到直流驱动电源和电机控制器，并将电机控制器与所述计算机相连，设置所述驱动电机的驱动程序，以控制所述待测物体的移动，同时设置所述图像处理模块的信号处理程序；以及

S400、利用所述显微镜的聚焦调节系统调节所述待测物体成像的焦距，使得三维表面成像模块可以清晰成像，将所述待测物体需要三维成像的区域移动到目标区域内，对所述待测物体沿光轴方向扫描，通过一次扫描探测得到所述待测物体整个视场内每个像素点的高度坐标信号，并经计算处理后直接生成待测物体的三维图像并传输到所述计算机快速输出三维表面成像。