CN106502074A - 一种用于像面数字全息显微测量的自动聚焦方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于像面数字全息显微测量的自动聚焦方法，该方法包括如下步骤：沿物镜主光轴方向移动待测样品并记录一系列等间隔的全息图像；通过傅里叶变换、角谱滤波、逆傅里叶变换等操作获得每张全息图像所对应的物光强度图像；计算每张强度图像的自相关算子；使用多项式拟合自相关算子相对于全息图记录位置的数据变化趋势，拟合曲线的最高点即自相关算子最大值，其对应的图像位置即聚焦平面位置；通过程序控制电动升降台，将待测样品表面移动到聚焦平面的位置，获得聚焦的像面全息图像。本发明一种用于像面数字全息显微测量的自动聚焦方法，实现了自动像面全息显微检测，获得精度更高，实时性更好的表面形貌测量方法。

Description

一种用于像面数字全息显微测量的自动聚焦方法

技术领域

本发明属于数字全息显微测量领域，更具体地，涉及一种用于像面数字全息显微测量的自动聚焦方法。

背景技术

伴随着先进制造技术的发展，以微机电系统(MEMS)、微光机电系统(MOEMS)为代表的元器件总体尺寸越来越小，器件的表面形貌和微观缺陷对其性能的影响也越来越明显，变得不可忽视。表面形貌测量最常用的方法包括机械探针法、光学测量法等。其中，数字全息显微测量技术(DHM)，凭借其可实时测量、非接触测量、三维测量等优势，十分适合于微小元器件表面形貌实时检测。

目前常用的数字全息显微测量原理中，多数使用的是菲涅尔全息图，其采用了图像传感器记录平面与显微光路成像平面不重合的记录方式，并在后续的三维图像重建过程中通过光场传播的方法计算成像平面所成的光场数据。表面上这种检测方法具有检测过程中无需聚焦的优势，但实际上测量结果的三维数据计算过程中仍然需要知道图像传感器记录平面与显微光路成像平面之间的距离。一方面，由于该距离无法精确测量，目前多采用迭代计算成像的方法寻找成像距离，其计算量过大不利于实时测量；另一方面，光场传播的计算通常采用麦克斯韦方程组的近似解，对重建图像的精度损失相对更大。现有理论证明，采用像面全息记录方式能获得最高的精度，且由于图像传感器记录平面与显微光路成像平面之间距离为0，无需后续的光场传播计算，有效减少了三维成像时间，更好的保证了实时测量效果。故将图像聚焦过程从后续图像计算转移到测量前的聚焦准备过程中，更利于得到精度高、速度快的测量结果。然而，数字全息测量中，图像传感器获得的是带干涉条纹的全息图像，与普通成像系统获得的自然图像有本质上的区别，传统的聚焦判断方法无法直接使用到像面数字全息显微测量技术中。

专利文献CN105446111A公开了一种应用于数字全息重构过程的对焦方法，其是在数字全息计算处理得到物光场后，物光场反向轴传播，对两相邻截面光场强度的同一对焦区域矩阵元素作差，然后对所得到的矩阵的元素平方，再对平方后的矩阵所有元素求和得到一个函数值，依次对相邻等间距的轴向截面图像上述处理即可得到一组函数值，找到这组函数值的最小值，其对应的距离处即为对焦面的位置。该方法计算简单、适用方位广，对焦准确，但也存在如下缺陷或不足：

(1)对焦过程在拍摄完全息图像之后进行，使用的是菲涅尔全息图，理论上分辨率不如像面全息图；

(2)对焦过程结束之后的测量中，每张图像都要进行光场传播的模拟计算，增加了计算量，测量速度不如无需进行光场传播计算的像面全息技术。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种用于像面数字全息显微测量的自动聚焦方法，其目的在于提供一种可用于全息显微测量前自动聚焦的方法，由此实现自动像面全息显微检测，获得精度更高，实时性更好的表面形貌测量方法。

为了实现上述目的，本发明提供了一种用于像面数字全息显微测量的自动聚焦方法，该方法包括如下步骤：

S1：将待测样品放于载物台上，调节载物台，使待测样品表面处于焦平面下方位置；

S2：控制电动载物台沿物镜光轴方向向上等间隔移动待测样品n次，每移动一次，拍摄一张全息图，获得一系列聚焦位置不同的全息图；

S3：获得每张全息图所对应的物光强度图像I_i，按照下列公式计算每张强度图像的自相关算子C_i：

其中，M，N表示物光强度图像I_i的大小，p，q为整数，f(p,q)表示像素点(p,q)处的图像灰度值，k为一个描述自相关程度的系数；

S4：判断C_i是否单调递增，如果C_i单调递增，则表明扫描还未经过焦平面，则继续增大n值，重复步骤S2和S3；如果C_i先增后减，则说明扫描经过了焦平面，继续步骤S5；

S5：以该初始位置为原点，各个全息图记录的位置为横坐标，各全息图所对应的自相关算子C_i为纵坐标值，对数据进行多项式拟合，拟合曲线的最高点所对应的横坐标即为待测样品的聚焦位置，通过控制电动升降台，直接将待测样品移动到此位置，即可获得聚焦的像面全息图。

进一步地，步骤S2中所述聚焦为测量前聚焦。

进一步地，步骤S3中所述物光强度图像I_i通过对全息图像进行傅里叶变换、角谱滤波、逆傅里叶变换数据处理获得。

进一步地，步骤S3中所述自相关算子C_i也可为方差灰度算子、Roberts梯度算子、Sobel梯度算子或自然图像聚焦判断算子。

进一步地，步骤S3中所述自相关程度的系数k取值范围为5～30，k值越大，图像自相关的程度越小。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)本发明的方法，提供一种可用于全息显微测量前自动聚焦的方法，由此实现自动像面全息显微检测，获得精度更高，实时性更好的表面形貌测量方法。

(2)通过提前聚焦，将通常采用的菲涅尔全息图转换为像面全息图，避免了光场传播的计算，提高了测量精度与三维数据重建速度。

(3)本发明在实施的过程是在现有的设备——数字全息显微镜下实施的，没有使用额外的光路设备，同时降低了数据处理过程中的运算量，节省了硬件成本。

(4)本发明通过采用像面数字全息显微测量自动聚焦方法，能够有效的通过目前常用的数字全息显微装置对被测样品表面形貌及微小表面缺陷进行高精度、快速测量与识别，对于表面形貌参数、微观表面缺陷的检测有着重要的意义，有效地推动微器件可靠性的进一步发展。

附图说明

图1为本发明实施例的一种用于像面数字全息显微测量的自动聚焦方法的流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1为本发明实施例的一种用于像面数字全息显微测量的自动聚焦方法的流程图。如图1所示，该方法的具体步骤：

步骤1：将待测样品放于由计算机控制的电动载物台上，通过肉眼观察结合电动调节载物台，使待测区域位于图像传感器测量范围内，并连续、快速上下调节载物台，观察聚焦平面大致位置，最终使待测样品表面处于焦平面下方1mm附近某位置，记该位置为X₀；

步骤2：让程序自动控制电动载物台沿物镜光轴方向向上等间隔0.1mm移动待测样品10次，每移动一次，拍摄一张全息图，获得一系列聚焦位置不同的全息图H_i(i＝1,2...10)；

步骤3：通过傅里叶变换、角谱滤波、逆傅里叶变换等操作获得每张全息图所对应的物光强度图像I_i；按照下列公式计算每张强度图像的自相关算子C_i，

其中，M，N表示强度图I_i的大小(横纵坐标像素值，本实施例中M，N均取512)，p，q为整数，f(p,q)表示像素点(p,q)处的图像灰度值，k为一个描述自相关程度的系数，本实施例中取5，C_i的最大值表示最佳的清晰度，即图像聚焦的判断依据；

步骤4：判断C_i是否单调递增，如果是，则说明扫描还未经过焦平面，则继续增大n值，重复步骤2和步骤3；如果C_i是先增后减，则说明扫描经过了焦平面，继续步骤5；

步骤5：以位置X₀为原点，各个全息图记录的位置为横坐标，各全息图所对应的强度图计算得到的自相关算子C_i为纵坐标值，对数据进行多项式拟合。拟合曲线的最高点所对应的横坐标X_foc即为待测样品的聚焦位置，通过控制电动升降台，直接将待测样品移动到此位置，即可获得聚焦的像面全息图。

本发明提供一种可用于全息显微测量前自动聚焦的方法，由此实现自动像面全息显微检测，获得精度更高，实时性更好的表面形貌测量方法。数字全息显微测量装置可为反射式或透射式。一次聚焦后，样品的动态变化过程中(如生物样品的水平运动，MEMS样品的振动测试，流水生产线上样品的水平移动)无需重新聚焦，故三维测量数据重建过程中无需光场传播计算，提高了测量效率。以上发明构思中无需使用额外的参考光遮挡设备，无需高性能的数据处理设备，成本低。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种用于像面数字全息显微测量的自动聚焦方法，其特征在于：该方法包括下列步骤：

S1：将待测样品放于载物台上，调节载物台，使待测样品表面处于焦平面下方位置；

S2：控制电动载物台沿物镜光轴方向向上等间隔移动待测样品n次，每移动一次，拍摄一张全息图，获得一系列聚焦位置不同的全息图；

S3：获得每张全息图所对应的物光强度图像I_i，按照下列公式计算每张强度图像的自相关算子C_i：

$C_i=\underset{p=1}{\overset{M-1}{\Σ}}\underset{q=1}{\overset{N}{\Σ}}\[f(p,q)\×f(p+1,q)\]-\underset{p=1}{\overset{M-k}{\Σ}}\underset{q=1}{\overset{N}{\Σ}}\[f(p,q)\×f(p+k,q)\]$

其中，M，N表示物光强度图像I_i的大小，p，q为整数，f(p,q)表示像素点(p,q)处的图像灰度值，k为一个描述自相关程度的系数；

S4：判断C_i是否单调递增，如果C_i单调递增，则表明扫描还未经过焦平面，则继续增大n值，重复步骤S2和S3；如果C_i先增后减，则说明扫描经过了焦平面，继续步骤S5；

S5：以该初始位置为原点，各个全息图记录的位置为横坐标，各全息图所对应的自相关算子C_i为纵坐标值，对数据进行多项式拟合，拟合曲线的最高点所对应的横坐标即为待测样品的聚焦位置，通过控制电动升降台，直接将待测样品移动到此位置，即可获得聚焦的像面全息图。

2.根据权利要求1所述的一种用于像面数字全息显微测量的自动聚焦方法，其特征在于：步骤S2中所述聚焦为测量前聚焦。

3.根据权利要求1或2所述的一种用于像面数字全息显微测量的自动聚焦方法，其特征在于：步骤S3中所述物光强度图像I_i通过对全息图像进行傅里叶变换、角谱滤波、逆傅里叶变换数据处理获得。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的一种用于像面数字全息显微测量的自动聚焦方法，其特征在于：步骤S3中所述自相关算子C_i也可为方差灰度算子、Roberts梯度算子、Sobel梯度算子或自然图像聚焦判断算子。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的一种用于像面数字全息显微测量的自动聚焦方法，其特征在于：步骤S3中所述自相关程度的系数k取值范围为5～30，k值越大，图像自相关的程度越小。