CN108020173A - 基于结构光照明的面形测量装置和方法 - Google Patents

基于结构光照明的面形测量装置和方法 Download PDF

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Abstract

基于结构光照明的面形测量装置和方法，属于光学显微成像与测量技术领域。本发明的技术特点是：装置包括：结构光照明模块、轴向扫描模块和探测模块。本发明在常规结构光照明显微系统中增加由偏振分光镜、低孔径物镜、管镜和平面反射镜等组成的轴向扫描装置，实现结构光照明条纹在被观测样品空间的高速轴向移动，并且利用窗口傅里叶变换对不同z向位置条纹投影下拍摄的图片进行处理，计算每个子区域图像在投影条纹频率处的相关系数，获取每个横向位置清晰度轴向响应曲线，曲线的峰值位置即为样品该横向位置的相对高度，最终获取样品表面面形。该发明具有装调简单，轴向扫描速度快，测量结果受样品表面反射率差异影响小和信噪比高的优点。

Description

基于结构光照明的面形测量装置和方法
技术领域
本发明涉及一种面形测量装置及方法，具体涉及一种基于结构光照明的面形测量装置和方法，可实现结构光照明条纹在被观测样品空间的高速轴向扫描，并且减小背景噪声和样品表秒反射率差异对测量结果的影响，属于光学显微成像与面形测量领域。
背景技术
变焦面形测量方法通过判别被测样品在成像物镜视场内不同轴向位置成像的清晰度来获得样品表面的面形。常规变焦面形测量方法使用载物台驱动样品进行轴向扫描，扫描速度慢，效率低。并且，常规方法将不同轴向位置拍摄图片的对比度作为度量对象，获得样品表面每点的轴向响应，最大值所对应的位置即为样品表面的相对高度。然而受到背景噪声影响，对于低反射率和反射率差异较大的样品，常规方法会引入较大误差，制约了变焦面形测量方法的应用。
发明内容
在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。
鉴于此，为了克服上述技术问题，本发明提供了一种基于结构光照明的面形测量装置和方法基于结构光照明的面形测量装置和方法，不仅可以提高变焦与轴向层析速度，而且还可以降低观测成本。
方案一：本发明提供了一种基于结构光照明的面形测量装置，包括结构光照明模块、轴向扫描模块和探测模块；
所述结构光照明模块由两路照明光路组成，第一路照明光路按照光线传播方向依次为：激光器一、传导光纤一、准直镜一、振幅型正弦光栅一和管镜一；第二路照明光路按照光线传播方向依次为：激光器二、传导光纤二、准直镜二、振幅型正弦光栅二和管镜二；
所述轴向扫描模块按照光线传播方向依次为：分光镜二、分光镜一、物镜一、平面反射镜、管镜三、管镜四、分光镜三和物镜二；
所述探测模块由两路探测光路组成，第一路探测光路按照光线传播方向依次为：偏振分光镜、反光镜、管镜五和CCD一；第二路探测光路按照光线传播方向依次为：偏振分光镜、管镜六和CCD二；
所述结构光照明模块的两路照明光路由分光镜一进行合束；
所述探测模块的两路探测光路由偏振分光镜进行分束；
物镜二的下方设置被测样品。
进一步的：所述振幅型正弦光栅一的条纹方向和振幅型正弦光栅二的条纹方向相互垂直；
进一步的：所述准直镜一出射的照明光与准直镜二出射的照明光偏振方向相互垂直；
进一步的：所述由分光镜三反射的信号光由偏振分光镜分为两路偏振方向相互垂直的信号光，最后分别由CCD一和CCD二探测；
进一步的：所述平面反射镜轴向最大移动范围等于物镜一的焦深。
进一步的：所述管镜一、管镜二、管镜三和管镜四焦距相等。
方案二：本发明提出的一种基于结构光照明的面形测量方法，该方法是基于方案一所述的基于结构光照明的面形测量装置实现的，具体步骤：
数据采集步骤：
步骤a、激光器一发出激发光，经过传导光纤一和准直镜一之后形成平行光，平行光经过振幅型正弦光栅一调制后由管镜一出射，同时，激光器二发出激发光，经过传导光纤二和准直镜二之后形成平行光，平行光经过振幅型正弦光栅二调制后由管镜二出射，两束照明光经过分光镜二、分光镜一合为一束照明光，照明光经过物镜一后出射到平面反射镜，反射后再经过管镜三、管镜四、分光镜三和物镜二出射到被测样品表面；
步骤b、照射在样品表面正弦分布的光经样品表面反射后，依次经过物镜二、分光镜三和偏振分光镜后被分为两路偏振方向相互垂直的信号光，第一路信号光通过管镜五后被CCD一探测，第二路信号光通过管镜六后被CCD二探测；
步骤c、设置平面反射镜初始位置位于物镜一的准焦面②，则共轭正弦光位于物镜一的准焦面②’，设置平面反射镜轴向扫描范围D1+D2，则对应共轭正弦光轴向扫描范围为D1’+D2’，平面反射镜位置与共轭正弦光位置对应关系为D1/D1’＝D2/D2’＝(M1M2)2；所述D1为平面反射镜远焦位移，D1’为共轭正弦光近焦位移，D2为平面反射镜近焦位移，D2’为共轭正弦光远焦位移，M1为物镜一与管镜三的焦距比值，M2为管镜四与物镜二的焦距比值；
步骤d、设置扫描层数为N，则平面反射镜扫描步进为(D1+D2)/N，共轭正弦光轴向扫描步进为(D1’+D2’)/N，在每个轴向位置CCD一和CCD二进行一次图像采集，最终获得2×N幅图像。
数据处理步骤：
步骤e、图像分割：将CCD采集的每幅M×M大小的图像分割为J×J个L×L大小的子图；
步骤f、轴向响应计算：将相同横向位置的N个子图分别进行L阶离散傅里叶变换，求得每幅子图在频率f处的分量，得到该横向位置的轴向响应；
步骤g、峰值位置拟合：以高斯函数为目标函数，拟合轴向响应得到峰值位置，即为该点的相对高度；
步骤h、对J组子图集进行步骤b和步骤c的操作，最终可以得到每个横向位置处样品的相对高度，取两组探测器得到样品相对高度平均值，获得样品面形。
5、根据权利要求4所述的基于结构光照明的面形测量方法，其特征在于：所述步骤e中J和M、L的计算关系为J＝M-L+1；
6、根据权利要求4所述的基于结构光照明的面形测量方法，其特征在于：所述步骤f中频率f＝L/k，其中k为子图中含有正弦条纹的对数；
7、根据权利要求4所述的基于结构光照明的面形测量方法，其特征在于：所述步骤f中子图在频率f处分量计算方法为其中f(x,y)为图像在(x,y)处的像素值，m、n分别为为x、y所对应的频率分量。
有益效果：
本发明在常规结构光照明显微系统中增加快速轴向扫描装置，实现结构光照明条纹在被观测样品空间的高速轴向移动，提高了检测效率。并且，利用窗口傅里叶变换对不同z向位置条纹投影下拍摄的图片进行处理，通过计算每个横向位置清晰度轴向响应曲线获取样品表面面形。该发明具有装调简单，轴向扫描速度快，测量结果受样品表面反射率差异影响小和信噪比高的优点。
附图说明
图1为本发明的基于结构光照明的面形测量装置的结构示意图。
图2为本发明的基于结构光照明的面形测量方法流程图。
图3为本发明的基于结构光照明的面形测量方法数据处理流程图。
图中：1激光器一、2传导光纤一、3准直镜一、4振幅型正弦光栅、5管镜一、6分光镜一、7物镜一、8平面反射镜、9激光器二、10传导光纤二、11准直镜二、12振幅型正弦光栅、13管镜二、14分光镜二、15管镜三、16管镜四、17分光镜三、18物镜二、19被测样品、20CCD一、21管镜五、22反射镜、23CCD二、24管镜六、25偏振分光镜。
具体实施方式
在下文中将结合附图对本发明的示范性实施例进行描述。为了清楚和简明起见，在说明书中并未描述实际实施方式的所有特征。然而，应该了解，在开发任何这种实际实施例的过程中必须做出很多特定于实施方式的决定，以便实现开发人员的具体目标，例如，符合与系统及业务相关的那些限制条件，并且这些限制条件可能会随着实施方式的不同而有所改变。此外，还应该了解，虽然开发工作有可能是非常复杂和费时的，但对得益于本发明公开内容的本领域技术人员来说，这种开发工作仅仅是例行的任务。
在此，还需要说明的一点是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的装置结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
实施例1：如附图1所示本实施例提供了一种基于结构光照明的面形测量装置，用于快速切换轴向位置实现三维层析扫描。
一种基于结构光照明的面形测量装置，包括结构光照明模块、轴向扫描模块和探测模块；
所述结构光照明模块由两路照明光路组成，第一路照明光路按照光线传播方向依次为：激光器一1、传导光纤一2、准直镜一3、振幅型正弦光栅一4和管镜一5；第二路照明光路按照光线传播方向依次为：激光器二9、传导光纤二10、准直镜二11、振幅型正弦光栅二12和管镜二13；
所述轴向扫描模块按照光线传播方向依次为：分光镜二14、分光镜一6、物镜一7、平面反射镜8、管镜三15、管镜四16、分光镜三17和物镜二18；
所述探测模块由两路探测光路组成，第一路探测光路按照光线传播方向依次为：偏振分光镜25、反光镜22、管镜五21和CCD一20；第二路探测光路按照光线传播方向依次为：偏振分光镜25、管镜六24和CCD二23；
所述结构光照明模块的两路照明光路由分光镜一6进行合束；
所述探测模块的两路探测光路由偏振分光镜25进行分束；
物镜二18的下方设置被测样品19。
更为具体的：所述振幅型正弦光栅一4的条纹方向和振幅型正弦光栅二12的条纹方向相互垂直；
更为具体的：所述准直镜一3出射的照明光与准直镜二11出射的照明光偏振方向相互垂直；
更为具体的：所述由分光镜三17反射的信号光由偏振分光镜25分为两路偏振方向相互垂直的信号光，最后分别由CCD一20和CCD二23探测；
更为具体的：所述平面反射镜8轴向最大移动范围等于物镜一7的焦深。
更为具体的：所述管镜一5、管镜二13、管镜三15和管镜四16焦距相等。
实施例2：如附图1和图2所示本实施例提供了一种基于结构光照明的面形测量方法，用于快速切换轴向位置实现三维层析扫描。
一种基于结构光照明的面形测量方法，该方法是基于实施例1所述的基于结构光照明的面形测量装置实现的，具体步骤：
步骤a、激光器一1发出激发光，经过传导光纤一2和准直镜一3之后形成平行光，平行光经过振幅型正弦光栅一4调制后由管镜一5出射，同时，激光器二9发出激发光，经过传导光纤二10和准直镜二11之后形成平行光，平行光经过振幅型正弦光栅二12调制后由管镜二13出射，两束照明光经过分光镜二14、分光镜一6合为一束照明光，照明光经过物镜一7后出射到平面反射镜8，反射后再经过管镜三15、管镜四16、分光镜三17和物镜二18出射到被测样品19表面；
步骤b、照射在样品表面正弦分布的光经样品表面反射后，依次经过物镜二18、分光镜三17和偏振分光镜25后被分为两路偏振方向相互垂直的信号光，第一路信号光通过管镜五21后被CCD一20探测，第二路信号光通过管镜六24后被CCD二23探测；
步骤c、设置平面反射镜8初始位置位于物镜一7的准焦面②，则共轭正弦光位于物镜一7的准焦面②’，设置平面反射镜8轴向扫描范围D1+D2，则对应共轭正弦光轴向扫描范围为D1’+D2’，平面反射镜8位置与共轭正弦光位置对应关系为D1/D1’＝D2/D2’＝(M1M2)2；所述D1为平面反射镜8远焦位移，D1’为共轭正弦光近焦位移，D2为平面反射镜8近焦位移，D2’为共轭正弦光远焦位移，M1为物镜一7与管镜三15的焦距比值，M2为管镜四16与物镜二18的焦距比值；
步骤d、设置扫描层数为N，则平面反射镜8扫描步进为(D1+D2)/N，共轭正弦光轴向扫描步进为(D1’+D2’)/N，在每个轴向位置CCD一20和CCD二23进行一次图像采集，最终获得2×N幅图像。
数据处理步骤：
步骤e、图像分割：将CCD采集的每幅M×M大小的图像分割为J×J个L×L大小的子图；
步骤f、轴向响应计算：将相同横向位置的N个子图分别进行L阶离散傅里叶变换，求得每幅子图在频率f处的分量，得到该横向位置的轴向响应；
步骤g、峰值位置拟合：以高斯函数为目标函数，拟合轴向响应得到峰值位置，即为该点的相对高度；
步骤h、对J组子图集进行步骤b和步骤c的操作，最终可以得到每个横向位置处样品的相对高度，取两组探测器得到样品相对高度平均值，获得样品面形。
更为具体的：所述步骤e中J和M、L的计算关系为J＝M-L+1；
更为具体的：所述步骤f中频率f＝L/k，其中k为子图中含有正弦条纹的对数；
更为具体的：所述步骤f中子图在频率f处分量计算方法为
其中f(x,y)为图像在(x,y)处的像素值，m、n分别为为x、y所对应的频率分量。
虽然本发明所揭示的实施方式如上，但其内容只是为了便于理解本发明的技术方案而采用的实施方式，并非用于限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭示的核心技术方案的前提下，可以在实施的形式和细节上做任何修改与变化，但本发明所限定的保护范围，仍须以所附的权利要求书限定的范围为准。

Claims (10)

1.基于结构光照明的面形测量装置，其特征在于：包括结构光照明模块、轴向扫描模块和探测模块；
所述结构光照明模块由两路照明光路组成，第一路照明光路按照光线传播方向依次为：激光器一(1)、传导光纤一(2)、准直镜一(3)、振幅型正弦光栅一(4)和管镜一(5)；第二路照明光路按照光线传播方向依次为：激光器二(9)、传导光纤二(10)、准直镜二(11)、振幅型正弦光栅二(12)和管镜二(13)；
所述轴向扫描模块按照光线传播方向依次为：分光镜二(14)、分光镜一(6)、物镜一(7)、平面反射镜(8)、管镜三(15)、管镜四(16)、分光镜三(17)和物镜二(18)；
所述探测模块由两路探测光路组成，第一路探测光路按照光线传播方向依次为：偏振分光镜(25)、反光镜(22)、管镜五(21)和CCD一(20)；第二路探测光路按照光线传播方向依次为：偏振分光镜(25)、管镜六(24)和CCD二(23)；
所述结构光照明模块的两路照明光路由分光镜一(6)进行合束；
所述探测模块的两路探测光路由偏振分光镜(25)进行分束；
物镜二(18)的下方设置被测样品(19)。
2.根据权利要求1所述的基于结构光照明的面形测量装置，其特征在于：所述振幅型正弦光栅一(4)的条纹方向和振幅型正弦光栅二(12)的条纹方向相互垂直。
3.根据权利要求1所述的基于结构光照明的面形测量装置，其特征在于：所述准直镜一(3)出射的照明光与准直镜二(11)出射的照明光偏振方向相互垂直。
4.根据权利要求1所述的基于结构光照明的面形测量装置，其特征在于：所述由分光镜三(17)反射的信号光由偏振分光镜(25)分为两路偏振方向相互垂直的信号光，最后分别由CCD一(20)和CCD二(23)探测。
5.根据权利要求1所述的基于结构光照明的面形测量装置，其特征在于：所述平面反射镜(8)轴向最大移动范围等于物镜一(7)的焦深。
6.根据权利要求1所述的基于结构光照明的面形测量装置，其特征在于：所述管镜一(5)、管镜二(13)、管镜三(15)和管镜四(16)焦距相等。
7.基于结构光照明的面形测量方法，该方法是基于权利要求1～5中任一所述基于结构光照明的面形测量装置实现的，其特征在于：具体步骤：
数据采集步骤：
步骤a、激光器一(1)发出激发光，经过传导光纤一(2)和准直镜一(3)之后形成平行光，平行光经过振幅型正弦光栅一(4)调制后由管镜一(5)出射，同时，激光器二(9)发出激发光，经过传导光纤二(10)和准直镜二(11)之后形成平行光，平行光经过振幅型正弦光栅二(12)调制后由管镜二(13)出射，两束照明光经过分光镜二(14)、分光镜一(6)合为一束照明光，照明光经过物镜一(7)后出射到平面反射镜(8)，反射后再经过管镜三(15)、管镜四(16)、分光镜三(17)和物镜二(18)出射到被测样品(19)表面；
步骤b、照射在样品表面正弦分布的光经样品表面反射后，依次经过物镜二(18)、分光镜三(17)和偏振分光镜(25)后被分为两路偏振方向相互垂直的信号光，第一路信号光通过管镜五(21)后被CCD一(20)探测，第二路信号光通过管镜六(24)后被CCD二(23)探测；
步骤c、设置平面反射镜(8)初始位置位于物镜一(7)的准焦面②，则共轭正弦光位于物镜一(7)的准焦面②’，设置平面反射镜(8)轴向扫描范围D1+D2，则对应共轭正弦光轴向扫描范围为D1’+D2’，平面反射镜(8)位置与共轭正弦光位置对应关系为D1/D1’＝D2/D2’＝(M1M2)2；所述D1为平面反射镜(8)远焦位移，D1’为共轭正弦光近焦位移，D2为平面反射镜(8)近焦位移，D2’为共轭正弦光远焦位移，M1为物镜一(7)与管镜三(15)的焦距比值，M2为管镜四(16)与物镜二(18)的焦距比值；
步骤d、设置扫描层数为N，则平面反射镜(8)扫描步进为(D1+D2)/N，共轭正弦光轴向扫描步进为(D1’+D2’)/N，在每个轴向位置CCD一(20)和CCD二(23)进行一次图像采集，最终获得2×N幅图像。
数据处理步骤：
步骤e、图像分割：将每个CCD采集的每幅M×M大小的图像分割为J×J个L×L大小的子图；
步骤f、轴向响应计算：将相同横向位置的N个子图分别进行L阶离散傅里叶变换，求得每幅子图在频率f处的分量，得到该横向位置的轴向响应；
步骤g、峰值位置拟合：以高斯函数为目标函数，拟合轴向响应得到峰值位置，即为该点的相对高度；
步骤h、对J组子图集进行步骤b和步骤c的操作，最终可以得到每个横向位置处样品的相对高度，取两组探测器得到样品相对高度平均值；
步骤i、对两个CCD采集数据计算得到的样品相对高度取平均值，最终获得样品表面面形。
8.根据权利要求6所述的基于结构光照明的面形测量方法，其特征在于：所述步骤e中J和M、L的计算关系为J＝M-L+1。
9.根据权利要求6所述的基于结构光照明的面形测量方法，其特征在于：所述步骤f中频率f＝L/k，其中k为子图中含有正弦条纹的对数。
10.根据权利要求6所述的基于结构光照明的面形测量方法，其特征在于：所述步骤f中子图在频率f处分量计算方法为其中f(x,y)为图像在(x,y)处的像素值，m、n分别为为x、y所对应的频率分量。
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