CN111913294A - 一种非机械扫描的结构光显微三维成像装置及成像方法 - Google Patents

一种非机械扫描的结构光显微三维成像装置及成像方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种非机械扫描的结构光显微三维成像装置及成像方法，所述结构光显微三维成像装置包括光源、透射式空间光调制器、聚焦透镜、液体透镜、显微物镜、CCD；所述透射式空间光调制器用于接收光源发出的光并将接收的光调制成结构光；所述透射式空间光调制器发出的结构光依次经过聚焦透镜、液体透镜和显微物镜聚焦在样品的表面；所述样品所反射的结构光依次经过显微物镜、液体透镜和聚焦透镜成像在CCD上。本发明的成像装置使用液体透镜实现非机械式扫描的结构光显微成像，可以避免机械式扫描引入的机械抖动误差，而且由于液体透镜的光轴与系统光轴一致，可以避免机械式扫描由于扫描光轴与系统光轴不平行而引起的误差。

Description

一种非机械扫描的结构光显微三维成像装置及成像方法
技术领域
本发明涉及材料检测领域，具体涉及一种非机械扫描的结构光显微三维成像装置及成像方法。
背景技术
作为对物体表面微细结构成像的一种经典方法，共聚焦扫描显微使用针孔排除非焦面光线的干扰，可以获得很高的轴向分辨率。但由于只能单点成像，在缺陷检测过程中必须逐点扫描、依次成像，检测效率较低。轴向扫描的结构光显微技术使用结构光调制的方法代替小孔，可以在保持高轴向分辨率的基础上实现面阵测量，大大提高了共聚焦扫描显微的测量效率。
然而，目前的结构光显微技术在轴向的扫描方式多为机械扫描，一方面会引入机械抖动误差，另一方面，机械扫描方向与光轴方向必须严格平行，不平行带来的误差也会影响测量精度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种非机械扫描的结构光显微三维成像装置，解决现有结构光显微技术在轴向采用机械扫描导致机械抖动误差、机械扫描方向与光轴方向不平行导致的测量误差问题。
此外，本发明还包括基于上述结构光显微三维成像装置的成像方法。
本发明通过下述技术方案实现：
一种非机械扫描的结构光显微三维成像装置，包括光源、透射式空间光调制器、聚焦透镜、液体透镜、显微物镜、CCD；
所述透射式空间光调制器用于接收光源发出的光并将接收的光调制成结构光；
所述透射式空间光调制器发出的结构光依次经过聚焦透镜、液体透镜和显微物镜聚焦在样品的表面；
所述样品所反射的结构光依次经过显微物镜、液体透镜和聚焦透镜成像在CCD上。
本发明所述结构光显微三维成像装置中包括液体透镜，使用液体透镜控制显微物镜焦面沿光轴方向扫描，可实现非机械扫描的结构光显微三维成像，CCD是电荷耦合器件(charge coupled device)的简称。
本发明的成像装置使用液体透镜实现非机械式扫描的结构光显微成像，可以避免机械式扫描引入的机械抖动误差，而且由于液体透镜的光轴与系统光轴一致，可以避免机械式扫描由于扫描光轴与系统光轴不平行而引起的误差。
进一步地，还包括偏振分光镜和1/4波片；
所述偏振分光镜和1/4波片的设置能够防止环境噪声的干扰，提高装置测量的稳定性。
所述透射式空间光调制器发出的结构光依次经过偏振分光镜、1/4波片、聚焦透镜、液体透镜和显微物镜聚焦在样品的表面；
所述样品所反射的结构光依次经过显微物镜、液体透镜、聚焦透镜、1/4波片和偏振分光镜成像在CCD上。
进一步地，所述光源为LED光源。
LED光源能够防止激光带来的散斑噪声干扰，进一步提高了装置测量的稳定性。
进一步地，透射式空间光调制器的显示面和显微物镜焦面与CCD的成像面均共轭。
进一步地，透射式空间光调制器发出的结构光包括正弦条纹、二维正弦条纹和同心圆条纹。
一种非机械扫描的结构光显微三维成像装置的成像方法，包括以下步骤：
S1、光源发出的光经过透射式空间光调制器调制成结构光；
S2、透射式空间光调制器发出结构光依次经过聚焦透镜、液体透镜和显微物镜聚焦在样品的表面进行反射；
S3、样品表面反射的光依次经过显微物镜、液体透镜和聚焦透镜在CCD上成像。
一种非机械扫描的结构光显微三维成像装置的成像方法，包括以下步骤：
S1、光源发出的光经过透射式空间光调制器调制成结构光；
S2、透射式空间光调制器发出结构光依次经过偏振分光镜、1/4波片、聚焦透镜、液体透镜和显微物镜聚焦在样品的表面进行反射；
S3、样品表面反射的光依次经显微物镜、液体透镜、聚焦透镜、1/4波片和偏振分光镜在CCD上成像。
进一步地，光源为LED光源。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、本发明的成像装置使用液体透镜实现非机械式扫描的结构光显微成像，可以避免机械式扫描引入的机械抖动误差，而且由于液体透镜的光轴与系统光轴一致，可以避免机械式扫描由于扫描光轴与系统光轴不平行而引起的误差。
2、本发明的成像装置使用偏振元件，可以消除环境噪声的干扰。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为非机械扫描的结构光显微三维成像装置的结构示意图的结构示意图；
图2为实施例1的成像装置中透射式空间光调制器显示的正弦条纹图样；
图3为实施例3的成像装置中透射式空间光调制器显示的二维正弦条纹图样；
图4为实施例4的成像装置中透射式空间光调制器显示的同心圆条纹图样。
附图中标记及对应的零部件名称：
1-光源，2-透射式空间光调制器，3-偏振分光镜，4-1/4波片，5-聚焦透镜，6-液体透镜，7-显微物镜，8-样品，9-CCD。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1：
如图1、图2所示，一种非机械扫描的结构光显微三维成像装置，包括光源1、透射式空间光调制器2、聚焦透镜5、液体透镜6、显微物镜7、CCD9；
所述透射式空间光调制器2用于接收光源1发出的光并将接收的光调制成结构光；
所述透射式空间光调制器2发出的结构光依次经过聚焦透镜5、液体透镜6和显微物镜7聚焦在样品8的表面；
所述样品8所反射的结构光依次经过显微物镜7、液体透镜6和聚焦透镜5成像在CCD9上。
在本实施例中，所述透射式空间光调制器2光调制的结构光为正弦条纹，所述光源1为LED光源，所述透射式空间光调制器2的显示面和显微物镜焦面与CCD9的成像面均共轭。
本实施例的成像方法包括以下步骤：
S1、光源1发出的光经过透射式空间光调制器2调制成结构光；
S2、透射式空间光调制器2发出结构光依次经过聚焦透镜5、液体透镜6和显微物镜7聚焦在样品8的表面进行反射；
S3、样品8表面反射的光依次经过显微物镜7、液体透镜6和聚焦透镜5在CCD9上成像。
实施例2：
如图1所示，本实施例基于实施例1，还包括偏振分光镜3和1/4波片4；
所述透射式空间光调制器2发出的结构光依次经过偏振分光镜3、1/4波片4、聚焦透镜5、液体透镜6和显微物镜7聚焦在样品8的表面；
所述样品8所反射的结构光依次经过显微物镜7、液体透镜6、聚焦透镜5、1/4波片4和偏振分光镜3成像在CCD9上。
本实施例的成像方法包括以下步骤：
S1、光源1发出的光经过透射式空间光调制器2调制成结构光；
S2、透射式空间光调制器2发出结构光依次经过偏振分光镜3、1/4波片4、聚焦透镜5、液体透镜6和显微物镜7聚焦在样品8的表面进行反射；
S3、样品8表面反射的光依次经显微物镜7、液体透镜6、聚焦透镜5、1/4波片4和偏振分光镜3在CCD9上成像。
实施例3：
如图1、图3所示，本实施例基于实施例1，与实施例1的区别在于：
所述透射式空间光调制器2光调制的结构光为二维正弦条纹。
实施例4：
如图1、图4所示，本实施例基于实施例1，与实施例1的区别在于：
所述透射式空间光调制器2光调制的结构光为同心圆条纹。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种非机械扫描的结构光显微三维成像装置，其特征在于，包括光源(1)、透射式空间光调制器(2)、聚焦透镜(5)、液体透镜(6)、显微物镜(7)、CCD(9)；
所述透射式空间光调制器(2)用于接收光源(1)发出的光并将接收的光调制成结构光；
所述透射式空间光调制器(2)发出的结构光依次经过聚焦透镜(5)、液体透镜(6)和显微物镜(7)聚焦在样品(8)的表面；
所述样品(8)所反射的结构光依次经过显微物镜(7)、液体透镜(6)和聚焦透镜(5)成像在CCD(9)上。
2.根据权利要求1所述的一种非机械扫描的结构光显微三维成像装置，其特征在于，还包括偏振分光镜(3)和1/4波片(4)；
所述透射式空间光调制器(2)发出的结构光依次经过偏振分光镜(3)、1/4波片(4)、聚焦透镜(5)、液体透镜(6)和显微物镜(7)聚焦在样品(8)的表面；
所述样品(8)所反射的结构光依次经过显微物镜(7)、液体透镜(6)、聚焦透镜(5)、1/4波片(4)和偏振分光镜(3)成像在CCD(9)上。
3.根据权利要求1所述的一种非机械扫描的结构光显微三维成像装置，其特征在于，所述光源(1)为LED光源。
4.根据权利要求1所述的一种非机械扫描的结构光显微三维成像装置，其特征在于，所述透射式空间光调制器(2)的显示面和显微物镜焦面与CCD(9)的成像面均共轭。
5.根据权利要求1-4任一项所述的一种非机械扫描的结构光显微三维成像装置，其特征在于，所述透射式空间光调制器(2)发出的结构光包括正弦条纹、二维正弦条纹和同心圆条纹。
6.基于权利要求1-5任一项所述的一种非机械扫描的结构光显微三维成像装置的成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、光源(1)发出的光经过透射式空间光调制器(2)调制成结构光；
S2、透射式空间光调制器(2)发出结构光依次经过聚焦透镜(5)、液体透镜(6)和显微物镜(7)聚焦在样品(8)的表面进行反射；
S3、样品(8)表面反射的光依次经过显微物镜(7)、液体透镜(6)和聚焦透镜(5)在CCD(9)上成像。
7.基于权利要求2所述的一种非机械扫描的结构光显微三维成像装置的成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、光源(1)发出的光经过透射式空间光调制器(2)调制成结构光；
S2、透射式空间光调制器(2)发出结构光依次经过偏振分光镜(3)、1/4波片(4)、聚焦透镜(5)、液体透镜(6)和显微物镜(7)聚焦在样品(8)的表面进行反射；
S3、样品(8)表面反射的光依次经显微物镜(7)、液体透镜(6)、聚焦透镜(5)、1/4波片(4)和偏振分光镜(3)在CCD(9)上成像。
8.根据权利要求6或7所述的一种非机械扫描的结构光显微三维成像装置的成像方法，其特征在于，所述光源(1)为LED光源。
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