CN107764204A - 基于光片显微镜的三维表面形貌仪及三维图像拼接方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光片显微镜的三维表面形貌仪及三维图像拼接方法，包括照明模块和成像模块；所述照明模块包括光源，光学准直器和柱形透镜依次沿同一光轴设置，所述的成像模块包括显微镜物镜，镜筒透镜和相机依次沿同一光轴设置，所述成像模块的光轴与照明模块的光轴的夹角为90度。本发明采用光片扫描的方式测量表面形貌，其扫描成片状扫描，非逐点扫描测量，有效提高测量速度。

Description

基于光片显微镜的三维表面形貌仪及三维图像拼接方法

技术领域

本发明专利涉及表面形貌测量技术，尤其涉及一种基于光片显微镜的三维表面形貌仪，成像精度可达到显微镜的微米级别。

背景技术

物体表面形貌包括物体表面粗糙度、波纹度、表面结构等，在工程中，零件的表面形貌可以影响甚至决定其性能，测量和表征其表面时非常重要的。表面三维形貌检测是获取物体表面形态特征的一种重要手段，也是记录、比较和复制物体形态特征的基础，它在机器视觉、自动加工和生物和医学等领域具有重要意义和广阔的应用前景。

三维表面形貌检测主要分为接触式表面形貌检测和非接触式表面形貌检测两种。其中，非接触式三维形貌检测技术大部分是采用光学测量技术，结合传统光学计量技术和信息光学及信息处理技术，目前主要有相移干涉法、激光全息法、光学散斑法、激光光触针法等方法。现有大多数非接触式三维表面形貌仪结构复杂，价格较为昂贵。

发明内容

本发明解决现有技术的不足，提供一种基于光片(light sheet)显微镜的三维表面形貌仪，该三维表面形貌仪具有速度快、成本低以及成像分辨率高的特点。

本发明专利采用的技术方案如下：

本发明提出的一种基于光片显微镜的三维表面形貌仪，包括照明模块和成像模块；

所述照明模块包括光源，光学准直器和柱形透镜依次沿同一光轴设置，所述的成像模块包括显微镜物镜，镜筒透镜和相机依次沿同一光轴设置，所述成像模块的光轴与照明模块的光轴的夹角为90度。

更进一步具体实施方式中，所述的光源通过柱形透镜后只聚焦在柱形透镜焦点附近，从而形成光片。

更进一步具体实施方式中，所述的相机得到的图像Z轴位置信息即垂直样品表面方向的计算方法为：Z＝i×Pixel_size×sin(π/4)/M，Pixel_size为图像像素点像素值，M为显微镜的物镜放大倍率，i为图像中的像素点横坐标。

更进一步具体实施方式中，所述的相机为CCD或CMOS。

更进一步具体实施方式中，所述的三维表面形貌仪下部安装一可沿X轴和Y轴移动的电机工作台，工作台水平设置。

本发明提出的一种自动扫描形貌仪的三维图像拼接方法，

包括x-y电动工作台在x方向或y方向(平行样品表面方向)上对待测样本进行扫描步骤；

将这一系列图像按水平坐标进行顺序进行拼接形成三维表面形貌图步骤。

本发明专利的有益效果如下：

1)本发明采用光片扫描的方式测量表面形貌，其扫描成片状扫描，非逐点扫描测量，有效提高测量速度。

2)本发明结构简单，成本低廉。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为图像像素位置与空间位置函数关系原理图。

其中，光源1，光学准直器2，柱形透镜3，待测样品4，显微镜物镜5，镜筒透镜6，相机7。

具体实施方式

实施例1

本发明提出的一种基于光片显微镜的三维表面形貌仪，包括两个主要模块：照明模块和成像模块。

所述照明模块包括光源1，光学准直器2和柱形透镜3。光源光束经过光学准直器校准后，通过柱形透镜聚焦形成光片。

光片的产生方式可有多种，如点状光源扩束然后经过柱透镜来产生，或通过点状光源照射线型激光发生器来产生。其效果是在一个维度上以扇形发散一束准直光产生一个光片。这里作为一个实例，为了降低成本和简化系统结构，利用第一种方式来产生线光片。

校准后的光源光束大小有限，通过柱形透镜后只聚焦于一个方向从而形成光片，聚焦方向在柱形透镜焦点附近。光片照射到待测样品4上，待测样品4上的部分区域被照亮。

所述成像模块包括显微镜物镜5，镜筒透镜6和相机7。所述成像模块的光轴与照明模块的光轴的夹角为90度，照明模块产生的光片照射到待测样品上后，在样品表面上被反射或后向散射。显微镜物镜5采集反射光或后向散射光，得到成像光，然后成像光通过镜筒透镜，聚焦于相机芯片成像，根据相机图像上的像素点位置与样品所在的空间位置的函数关系，得到待测样品被光片照射区域的表面轮廓图像。

实施例2

如图1所示，光源1光束经过光学准直器2校准后，经过柱形透镜3聚焦形成光片，光片平行于x方向，照射到待测样品4上。显微镜物镜5采集待测样品4的反射或反散射光，得到成像光，成像光经过镜筒透镜6聚焦到相机7上，在相机芯片7上形成光片区域的光学图像。利用电动平台在y方向上对样品4进行扫描，得到一系列不同光片区域的光学图像，将一系列光学图像按顺序进行拼接，得到样品完整的表面轮廓形貌。

如图2所示，相机得到的图像Img，分辨率为M×N，图像纵轴为表示Z方向(垂直样品表面方向)。将入射激光的光线反射以及后向散射到达物镜，经过镜筒透镜达到成像面。成像面上，该点距离像面的中位线的距离是i×Pixel_size，i是该点的像素号码，Pixel_size是一个正方形像素的尺寸。假设Img的第一列代表Z＝0的位置，图像中的像素点(i,j)，其z轴位置信息计算方法是：

Z＝i×Pixel_size×sin(π/4)/M，Pixel_size为图像像素点像素值，M为显微镜的放大倍率。

所述三维表面形貌仪，安装于一个正置显微镜上，正置显微镜带有x-y电动工作台，可以利用x-y电动工作台在x方向或y方向(平行样品表面方向)上对待测样本进行扫描。在样本扫描过程中，相机芯片记录了一系列待测样品部分区域的表面轮廓图像。将这一系列图像按顺序进行拼接后，得到待测样品完整的三维表面形貌。

假设第i次探测的图像记为Imgi，其像素是M×N。采集K幅图像，进而将建立一个三维数据，定义为ST，其像素数目是M×N×K。将根据如下步骤进行图像的快速拼接：

for i＝1:K；

ST(:,:,i)＝Imgi；

end

三维数据的x和y的位置，根据电动工作台的数据决定，三维数据中的z轴位置信息，根据上述z轴位置信息计算方法确定。

综上，本发明光源光束经过光学准直器校准后，经过柱形透镜聚焦形成光片照射到待测样品上。显微镜物镜采集待测样品的反射或反散射光，得到成像光，成像光经过镜筒透镜聚焦到相机芯片上，在相机芯片上形成光片区域的光学图像，使用电动平台对样品进行扫描，得到一系列不同光片区域的光学图像，将一系列光学图像按顺序进行拼接，得到样品完整的表面轮廓形貌。采用放大倍数高的显微镜的物镜，则可获得分辨率高的三维表面形貌。

上述描述中的实施方案可以进一步组合或者替换，且实施方案仅仅是对本发明专利的优选实施例进行描述，并非对本发明专利的构思和范围进行限定，在不脱离本发明专利设计思想的前提下，本领域中专业技术人员对本发明专利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 (6)

1.一种基于光片显微镜的三维表面形貌仪，其特征在于：包括照明模块和成像模块；

所述照明模块包括光源，光学准直器和柱形透镜依次沿同一光轴设置，所述的成像模块包括显微镜物镜，镜筒透镜和相机依次沿同一光轴设置，所述成像模块的光轴与照明模块的光轴的夹角为90度。

2.根据权利要求1所述的基于光片显微镜的三维表面形貌仪，其特征在于：所述的光源通过柱形透镜后只聚焦在柱形透镜焦点附近，从而形成光片。

3.根据权利要求1或2任一所述的基于光片显微镜的三维表面形貌仪，其特征在于所述的相机得到的图像Z轴位置信息即垂直样品表面方向的计算方法为：Z＝i×Pixel_size×sin(π/4)/M，Pixel_size为图像像素点像素值，M为显微镜的物镜放大倍率，i为图像中的像素点横坐标。

4.根据权利要求1所述的基于光片显微镜的三维表面形貌仪，其特征在于:所述的相机为CCD或CMOS。

5.一种基于光片显微镜的三维表面形貌仪的自动扫描形貌仪，其特征在于：所述的权利要求3所述的三维表面形貌仪下部安装一可沿X轴和Y轴移动的电机工作台，工作台水平设置。

6.一种使用权利要求5的自动扫描形貌仪的三维图像拼接方法，其特征在于：

包括x-y电动工作台在x方向或y方向(平行样品表面方向)上对待测样本进行扫描步骤；

将这一系列图像按水平坐标进行顺序进行拼接形成三维表面形貌图步骤。