CN107514984A - 一种基于光学显微的三维表面形貌测量方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于光学显微的三维表面形貌测量方法和系统,涉及微纳物体测量领域,本发明包括:将被测表面置于光学显微镜的观察范围内,选取合适的物镜和照明系统,利用物镜驱动系统驱动物镜与被测表面作纵向相对运动,逐层扫描的过程中用图像采集模块采集序列图像,同时记录采集每一张图像时的深度位置信息;利用聚焦评估算法计算序列图像中每个像素点的清晰度值;根据像素点在图像序列中聚焦程度变化情况,利用深度计算算法计算每个像素点的深度信息,从而获取像素点的三维坐标。本发明适用于微纳物体测量领域,能够测量出表面波纹度和粗糙度并重建出三维形貌数据,从而获取材料表面的纹理信息,能够用于测量复杂的表面。
Description
技术领域
本发明涉及微纳物体测量领域,尤其涉及一种基于光学显微的三维表面形貌测量方法和系统。
背景技术
表面就是物体材料与周围介质之间的边界,工程表面中一般指金属、塑料等与空气的边界。现代工程表面所显示出的各种加工过程的痕迹在表面计量学领域被称为表面形貌。表面形貌结构是零部件使用性能的重要决定因素,不仅对机械系统的摩擦磨损、接触刚度、疲劳强度、配合性质,以及传动精度等机械性能影响很大,而且还与导热、导电及耐腐蚀等物理性能有着密切联系。
目前应用最广泛的表面形貌测量手段主要有扫描电子显微镜、扫描探针显微镜和光学显微法。扫描电子显微镜(SEM)属于定性测量,不能获取微小结构的纵向尺寸。扫描探针显微镜以扫面隧道显微镜(STM)和原子力显微镜(AFM)为代表,有着亚纳米级别的超高分辨率,但测量范围非常小,不适合测量表面的平均性质。
光学显微法的特点是有着亚微米级别的横向分辨率和纳米级别的纵向分辨率,测量范围大,能同时测量表面波纹度和粗糙度并重建出三维形貌数据。现有的光学显微法主要有干涉显微法(PSI、CSI)和共聚焦显微法(CM),这两种方法由于原理限制,只能使用同轴光源照明,很难测量大斜率的物体表面,检测精度受被测表面状况(材质、颜色、反射率、粗糙度等)的影响很大,而且无法获取表面纹理和颜色信息,从而无法检测一些腐蚀、烧伤、氧化、变质等缺陷。
综上,现有技术中缺乏一种测量方法,能够测量物体表面上的横向分辨率和纵向分辨率,获取表面的纹理,用于特殊表面的检测。
发明内容
本发明提供一种基于光学显微的三维表面形貌测量方法和系统,能够测量物体表面上像素点的三维坐标信息,从而获取表面的纹理,用于特殊表面的检测。
为达到上述目的,本发明采用如下技术方案:
一种基于光学显微的三维表面形貌测量方法,包括:
S1、沿物镜的光轴方向,所述物镜扫描待测表面,每扫描一层产生一张图像,图像采集模块采集所述图像和所述物镜扫描时的深度,图像中任一像素点与图像左上角之间的相对位置标记为像素坐标,深度是指,当选定垂直于所述光轴且与所述待测表面相对固定的任一平面为参考平面时,所述待测表面上的点与所述参考平面的相对距离、所述物镜与所述参考平面的相对距离;
S2、聚焦评估算法模块计算像素点在所述图像序列中对应的清晰度值,选择最高清晰度值对应的图像;
S3、加载深度计算方法,根据所述最高清晰度值对应的图像的深度计算出结果,将所述结果标记为所述像素点的Z坐标值,重复S2,得到所有像素点的Z坐标值;
S4、标定光学成像系统,得到所述图像中相邻像素点间距的实际距离
S5、根据所述实际距离,将所述像素点的像素坐标转换为实际坐标(X,Y),结合所述Z坐标值,得到所述像素点的三维坐标(X,Y,Z)。
进一步的,在所述S1中,所述待测表面的高度为H,所述图像的数量为M,所述物镜驱动系统扫描的图层厚度为H/M。
进一步的,所述图像是真彩色显微图像。
进一步的,所述聚焦评估算法模块利用图像聚焦评估算子进行计算,所述图像聚焦评估算子包括:SML(修正的拉普拉斯算子Sum-Modified-Laplacian)、GLV(灰度方差算子Gray Level Variance)、TEN(梯度算子Tenegrad)、Wavelet(小波变换)、DCT(离散余弦变换)。
进一步的,所述S2中,所述聚焦评估算法模块利用采用高斯插值或者非线性迭代优化法,选择所述最高清晰度值对应的图像。
本发明还提供了一种基于光学显微的三维表面形貌测量系统,包括:光学显微模块、物镜驱动系统、图像采集模块、光源系统、聚焦评估算法模块,其中,所述光学显微模块采用光学显微镜,所述物镜驱动系统包含物镜,所述物镜驱动系统采用高精度驱动定位系统,所述图像采集模块采用CCD相机,所述光源系统包括同轴照明、偏振照明或者环形照明中的一种或者多种,其中:
光学显微模块用于将测量的横向分辨率提升至微米级或亚微米级,可以采用普通光学显微镜(如金相显微镜),使用5X-100X之间不同倍率的物镜以满足不同测量分辨率的要求;
物镜驱动系统用于驱动物镜与被测表面作相对运动(即纵向扫描),为了达到纳米级别的纵向扫描分辨率,可以采用压电陶瓷驱动器或者高精度步进电机、伺服电机等系统配合高精度光栅尺;
图像采集模块与光学显微模块结合,在对被测表面扫描的过程中采集序列图像,可选用商用CCD相机;
光源系统可以选用同轴照明、偏振照明或者环形照明中的一种或者多种相结合的照明系统,以满足不同表面状况下的不同需求;
聚焦评估算法模块用于计算图像序列中每个像素点的清晰度值(聚焦程度)的算法。
本方法的有益效果是:测量结果具有亚微米级别的横向分辨率和纳米级别的纵向分辨率,测量出表面波纹度和粗糙度并重建出三维形貌数据,从而获取材料表面的纹理信息,能够用于测量复杂的表面。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案,下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为所述一种基于光学显微的三维表面形貌测量系统的结构示意图;
图2为所述一种基于光学显微的三维表面形貌测量方法的流程图。
其中,1-CCD传感器,2-透镜,3-白光光源,4-半反射镜,5-物镜,6-待测表面,7-垂直移动方向,8-清晰度变化曲线(扫描过程中图像由模糊到清晰再到模糊),9-光源出射光路,10-检偏器,11-起偏器,12-环形光源。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案,下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
一种基于光学显微的三维表面形貌测量方法,实施例的流程图如图2所示,包括:
S1、根据横向分辨率和视场大小要求选取合适倍率的物镜,初始化扫描层序号i,根据被测表面状况选取效果最佳的照明系统;对光学成像系统进行标定,获取CCD传感器上像素间距对应的实际距离大小;确定待测表面高度H,根据纵向分辨率选取扫描层厚S,层序号和层厚的乘积大于待测表面高度,则开始扫描;沿物镜的光轴方向,物镜扫描所述待测表面,每扫描一层产生一张图像,图像采集模块采集所述图像和扫描时所述物镜的深度,所述图像是真彩色显微图像;
S2、聚焦评估算法模块计算像素点在所述图像序列中对应的清晰度值,选择最高清晰度值对应的图像,图像聚焦评估算子包括:SML(修正的拉普拉斯算子Sum-Modified-Laplacian)、GLV(灰度方差算子Gray Level Variance)、TEN(梯度算子Tenegrad)、Wavelet(小波变换)、DCT(离散余弦变换),;
S3、加载深度计算方法,根据所述最高清晰度值对应的图像的深度计算出结果,将所述结果标记为所述像素点的Z坐标值,重复S2,得到所有像素点的Z坐标值;
S4、标定光学成像系统,得到所述图像中相邻像素点间距的实际距离
S5、根据所述实际距离,将所述像素点的像素坐标(x,y)转换为实际坐标(X,Y),结合所述Z坐标值,得到所述像素点的三维坐标(X,Y,Z),其中,图像中任一像素点与图像左上角之间的相对位置标记为像素坐标。
本发明还提供了一种基于光学显微的三维表面形貌测量系统,如图1所示,包括:光学显微模块、物镜驱动系统、图像采集模块、光源系统、聚焦评估算法模块,其中,所述光学显微模块采用光学显微镜,所述物镜驱动系统包含物镜,所述物镜驱动系统采用高精度驱动定位系统,所述图像采集模块采用CCD相机,所述光源系统包括同轴照明、偏振照明或者环形照明中的一种或者多种,其中:
光学显微模块用于将测量的横向分辨率提升至微米级或亚微米级,可以采用普通光学显微镜(如金相显微镜),使用5X-100X之间不同倍率的物镜以满足不同测量分辨率的要求;
物镜驱动系统用于驱动物镜与被测表面作相对运动(即纵向扫描),为了达到纳米级别的纵向扫描分辨率,可以采用压电陶瓷驱动器或者高精度步进电机、伺服电机等系统配合高精度光栅尺;
图像采集模块与光学显微模块结合,在对被测表面扫描的过程中采集序列图像,可选用商用CCD相机;
光源系统可以选用同轴照明、偏振照明或者环形照明中的一种或者多种相结合的照明系统,以满足不同表面状况下的不同需求;
聚焦评估算法模块用于计算图像序列中每个像素点的清晰度值(聚焦程度)的算法。
本发明的有益效果是:本方法采集的表面图像有亚微米级别的横向分辨率和纳米级别的纵向分辨率,测量范围大,能同时测量表面波纹度和粗糙度并重建出三维形貌数据,同时还能获取材料表面的纹理和颜色信息,能够测量更加复杂难测的表面。
以上所述,仅为本发明的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易想到的变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此,本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (6)
1.一种基于光学显微的三维表面形貌测量方法,其特征在于,包括:
S1、沿物镜的光轴方向,所述物镜扫描待测表面,每扫描一层产生一张图像,图像采集模块采集所述图像和所述物镜扫描时的深度;
S2、聚焦评估算法模块计算像素点在所述图像序列中对应的清晰度值,选择最高清晰度值对应的图像;
S3、加载深度计算方法,根据所述最高清晰度值对应的图像的深度计算出结果,将所述结果标记为所述像素点的Z坐标值,重复S2,得到所有像素点的Z坐标值;
S4、标定光学成像系统,得到所述图像中相邻像素点间距的实际距离
S5、根据所述实际距离,将所述像素点的像素坐标转换为实际坐标(X,Y),结合所述Z坐标值,得到所述像素点的三维坐标(X,Y,Z)。
2.根据权利要求1所述的一种基于光学显微的三维表面形貌测量方法,其特征在于,在所述S1中,所述待测表面的高度为H,所述图像的数量为M,所述物镜驱动系统扫描的图层厚度为H/M。
3.根据权利要求1所述的一种基于光学显微的三维表面形貌测量方法,其特征在于,所述图像是真彩色显微图像。
4.根据权利要求1所述的一种基于光学显微的三维表面形貌测量方法,其特征在于,所述聚焦评估算法模块利用图像聚焦评估算子进行计算,所述图像聚焦评估算子包括:SML(修正的拉普拉斯算子Sum-Modified-Laplacian)、GLV(灰度方差算子Gray LevelVariance)、TEN(梯度算子Tenegrad)、Wavelet(小波变换)、DCT(离散余弦变换)。
5.根据权利要求1所述的一种基于光学显微的三维表面形貌测量方法,其特征在于,在所述S2中,所述聚焦评估算法模块利用采用高斯插值或者非线性迭代优化法,选择所述最高清晰度值对应的图像。
6.一种基于光学显微的三维表面形貌测量系统,其特征在于,包括:光学显微模块、物镜驱动系统、图像采集模块、光源系统、聚焦评估算法模块,其中,所述光学显微模块采用光学显微镜,所述物镜驱动系统包含物镜,所述物镜驱动系统采用高精度驱动定位系统,所述图像采集模块采用CCD相机,所述光源系统包括同轴照明、偏振照明或者环形照明中的一种或者多种。
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Application publication date: 20171226 |