CN112432607A - 一种自动变焦三维形貌测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种自动变焦三维形貌测量系统及方法，该测量系统由光源照明系统、第一tube透镜、CCD采集系统、第二tube透镜、分光镜、显微镜头和压电陶瓷组成。该测量方法具体是先纵向扫描物体，然后采集一组携带物体高度信息的图片，接着使用基于拉普拉斯算子的聚焦评价函数解析图片得到像素点的聚焦评价函数值曲线，最后结合高斯曲线拟合算法得到像素点准确聚焦的位置，进而恢复物体三维形貌。本发明具有构思合理、测量方式简单、测量系统结构更为简单、无损伤、效率高、适用广等优点，具有广泛的应用前景。

Description

一种自动变焦三维形貌测量系统及方法

技术领域

本发明属于光学测量工程的技术领域，具体涉及一种自动变焦三维形貌测量系统及方法。

背景技术

近年来，在新兴技术的高速发展和强力推动下，微纳结构领域技术不断发展和进步，如微机电系统、微光学元件等微观结构的制造，生物领域细胞观测等研究方向，对微结构表面形貌测量的高精度和高可靠性等要求日渐提高。物体表面形貌不仅对接触部件的机械与物理特性产生影响，而且也会影响非接触表面的特性，如光学器件的反射等等。对结构的测量是对结构特性理解的先决条件和是对结构加工的质量保证，所以表面形貌的测量在材料、工程零部件的属性和功能方面和生物医学等领域起着至关重要的作用。因此对于微纳结构的测量精度要求越来越高，微纳表面形貌测量技术得到了极大的发展。

表面形貌测量广泛应用于刀具检测、精密加工、材料科学、电子工业、生物医学等相关领域，尤其是在超精密加工、微机电系统制造领域，随着超精密加工技术的发展，微结构由结构简单、形状规则的工件逐渐扩展到结构复杂、形状不规则的工件，对微结构进行高精度、高可靠性表面形貌测量越来越重要。微结构的表面三维形貌会对器件的可靠性和使用性能产生显著的影响，同时也可反映工件加工的好坏，以改善工件质量。因此，提高表面测量技术对保证产品的高性能和高稳定性具有重要意义。

当前现有的微结构测量方法可以分为非光学和光学测量方法，其中光学测量方法以精度高、效率高、无损害等优点得到广泛应用；现有的光学测量方法有激光共聚焦法、白光干涉法、自动变焦等方法。其中，激光共聚焦法是利用点探测器对物体进行逐点测量，精度高但效率低；白光干涉法利用白光相干长度短的原理对物体进行测量，精度高速度快，但对于变慢变化剧烈的物体无法测量。

虽然基于聚焦评价函数的三维测量系统简单，易于操作，但对于表面过于光滑的物体测量困难；同时，自动变焦法作为一种利用光学系统小景深测量与精密垂直扫描相结合来实现表面形貌测量的光学方法，相比于其他方法，变焦法在此领域还属于较为新颖的一种方法，但在目前常用的测量方法中，虽然可以实现无损、高精度的测量，但对样品的材料、形状会有一定的要求。

发明内容

针对上述背景技术中存在的问题，本发明提出了一种基于拉普拉斯算子的自动变焦三维形貌测量系统及方法，具有构思合理、测量方式简单、测量系统结构更为简单、无损伤、效率高、适用广等优点，具有广泛的应用前景。

为了达成上述目的，本发明提供的技术方案为：

上述的自动变焦三维形貌测量系统，由光源照明系统、第一tube透镜、CCD采集系统、第二tube透镜、分光镜、显微镜头和压电陶瓷组成；所述第一tube透镜匹配位于所述光源照明系统的光线输出侧，所述分光镜匹配位于所述第一tube透镜的光线输出侧，所述显微镜头匹配位于所述分光镜的光线输出侧，所述压电陶瓷匹配位于所述显微镜头的光线输出侧，所述第二tube透镜匹配位于所述分光镜的反射光线输出侧，所述CCD采集系统位于所述第二tube透镜的焦面位置；

所述测量系统的测量光路为：所述白光光源照明系统发出的光束依次经过所述第一tube透镜、所述分光镜和所述显微镜头后照射到待测物体表面，经过物体表面反射后光路经过所述第二tube透镜，由所述CCD采集系统采集到携带物体高度信息的成像图片，再由所述压电陶瓷对物体进行纵向扫描并同步采集成像。

所述自动变焦三维形貌测量系统，其中：所述光源照明系统采用白光作为光源。

一种自动变焦三维形貌测量方法，具体是：首先纵向扫描物体，然后采集一组携带物体高度信息的图片，接着使用基于拉普拉斯算子的聚焦评价函数解析图片得到像素点的聚焦评价函数值曲线，最后结合高斯曲线拟合算法得到像素点准确聚焦的位置，进而恢复物体三维形貌。

所述自动变焦三维形貌测量方法，其中：所述基于拉普拉斯算子的聚焦评价函数是根据聚焦越好的图片含细节信息越丰富，在空域内表现为灰度梯度大，频域内表现为高频分量多来构造的。

所述自动变焦三维形貌测量方法，其中，所述测量方法具体包括以下步骤：

(1)使用光源照明系统，通过计算机程序控制显微镜头微步距垂直扫描待测物体，通过CCD采集系统同步采集成像图片并转化为数字信号保存到计算机中；

(2)在计算机中使用基于拉普拉斯算子的聚焦评价函数解析采集到的图片，计算像素点在每幅图中的聚焦评价函数值，得到聚焦评价函数值曲线，聚焦评价函数值曲线的峰值位置即为像素点聚焦位置；

(3)在计算机上提取出聚焦评价函数值曲线峰值所在的扫描位置，将此作为像素点粗略焦面位置，结合高斯曲线拟合算法得到像素点准确聚焦位置；

(4)得到各个像素点准确聚焦位置后即可恢复物体三维形貌。

所述自动变焦三维形貌测量方法，其中：所述测量方法是采用基于拉普拉斯算子的改进拉普拉斯能量和函数来计算像素点的聚焦值，以此来表征像素点的聚焦程度；

所述拉普拉斯算子为：

其中，f(x，y)表示像素点灰度值；在空域中离散的改进拉普拉斯算子可表示为：

所述基于拉普拉斯算子的改进拉普拉斯能量和函数可表示为：

其中，M，N表示选定像素点处理领域，将式(3)用于计算(x,y)在每幅图中的聚焦评价函数值，得到聚焦评价函数值曲线，再结合高斯曲线拟合算法提取准确聚焦位置，遍历所有像素点进而恢复物体三维形貌。

本发明与现有技术相比的优点在于：

本发明自动变焦三维形貌测量系统具有测量系统结构简单、测量无损伤、测量效率高、适用广等优点。

本发明自动变焦三维形貌测量方法为基于拉普拉斯算子的自动变焦三维形貌测量方法，构思合理，与干涉测量相比，由于本发明的测量方法为非干涉测量方法，因此层与层之间的影响较少，可适用于更多层结构的检测；本发明与共聚焦测量方法相比，采用面测量方式，效率更高且测量系统结构更为简单。

本发明自动变焦三维形貌测量方法可以直接对整个平面进行测量，而不是只对表面的单一轮廓进行测量，可对较大的测量表面实现快速测量；同时此本发明自动变焦三维形貌测量方法适用于大斜率测量且对不同材料具有较好的鲁棒性，可同时实现表面形貌和粗糙度的测量，弥补了当前测量方法的不足；通过以微步距纵向物体，使用拉普拉斯算子处理采集图片，寻找像素点准确聚焦位置来确定像素点之间的相对位置，从而恢复物体三维形貌。

附图说明

图1为本发明自动变焦三维形貌测量系统的结构示意图；

图2为本发明自动变焦三维形貌测量方法的流程图；

图3为本发明自动变焦三维形貌测量方法中某一像素点聚焦评价函数值曲线；

图4为本发明自动变焦三维形貌测量方法中的模拟物体形貌图；

图5为本发明自动变焦三维形貌测量方法中的恢复物体形貌图；

图6为本发明自动变焦三维形貌测量方法中的误差图。

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，以下结合具体事例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

如图1所示，本发明自动变焦三维形貌测量系统，由光源照明系统1、第一tube透镜2、CCD采集系统3、第二tube透镜4、分光镜5、显微镜头6和压电陶瓷7组成。

该光源照明系统1采用白光光源，第一tube透镜2匹配位于光源照明系统1的光线输出侧，该分光镜5匹配位于第一tube透镜2的光线输出侧，该显微镜头6匹配位于该分光镜5的光线输出侧，该压电陶瓷7匹配位于该显微镜头6的光线输出侧，该第二tube透镜4匹配位于该分光镜5的反射光线输出侧，该CCD采集系统3位于第二tube透镜4的焦面位置。

本发明自动变焦三维形貌测量系统的测量光路具体为：光源照明系统1发出的光束经过第一tube透镜2、分光镜5和显微镜头6照射到待测物体表面，经过物体表面反射后光路经过第二tube透镜4，由CCD采集系统3采集到携带物体高度信息的成像图片，通过压电陶瓷7对物体进行纵向扫描并同步采集成像；最终，通过对采集图片作聚焦解析进而恢复物体三维形貌。

本发明自动变焦三维形貌测量方法，为基于拉普拉斯算子的自动变焦三维形貌测量方法，是通过压电陶瓷7扫描台纵向扫描物体，通过CCD采集系统3采集一组携带物体高度信息的图片并使用基于拉普拉斯算子的聚焦评价函数解析图片得到像素点的聚焦评价函数值曲线，进一步结合高斯曲线拟合算法得到像素点准确聚焦的位置进而恢复物体三维形貌。

其中，聚焦评价函数是根据聚焦越好的图片含细节信息越丰富，在空域内表现为灰度梯度大，频域内表现为高频分量多来构造的。理论上当像素点在焦点位置时，其领域灰度梯度最大，以此为根据来评判像素点的聚焦程度。

如图2所示，本发明自动变焦三维形貌测量方法，具体包括以下步骤：

步骤S1：使用白光光源照明系统1，通过计算机程序控制压电陶瓷7微步距垂直扫描待测物体，通过CCD采集系统3同步采集成像图片并转化为数字信号保存到计算机中；

步骤S2：在计算机中使用基于拉普拉斯算子的聚焦评价函数解析采集到的图片，计算像素点在每幅图中的聚焦评价函数值，得到聚焦评价函数值曲线，其峰值位置即为像素点聚焦位置；

步骤S3：在计算机上提取出聚焦评价函数值曲线峰值所在的扫描位置，将此作为像素点粗略焦面位置，结合高斯曲线拟合算法得到像素点准确聚焦位置；

步骤S4：得到各个像素点准确聚焦位置后即可恢复物体三维形貌。

其中，聚焦评价函数的构造是决定测量精度的最关键因素，其原理是聚焦越好的图片越清晰，细节信息越丰富，在空域中表现为灰度梯度大，在频率内表现为高频分量多；本发明采用基于拉普拉斯算子的改进拉普拉斯能量和函数来计算像素点的聚焦值，以此来表征像素点的聚焦程度。

拉普拉斯算子为：

其中，f(x，y)表示像素点灰度值；在空域中离散的改进拉普拉斯算子可表示为：

基于拉普拉斯算子的改进拉普拉斯能量和函数可表示为：

其中，M，N表示选定像素点处理领域，将式(3)用于计算(x,y)在每幅图中的聚焦评价函数值，得到聚焦评价函数值曲线如图3所示；再结合高斯曲线拟合算法提取准确聚焦位置，遍历所有像素点进而恢复物体三维形貌；为证明此方法可行性，已在MATLAB软件上进行了模拟仿真，恢复结果及误差比较如图4至6所示。

本发明构思合理、测量方式简单、测试系统结构更为简单、无损伤、效率高、适用广等优点，具有广泛的应用前景。

Claims (6)

1.一种自动变焦三维形貌测量系统，其特征在于，所述测量系统由光源照明系统、第一tube透镜、CCD采集系统、第二tube透镜、分光镜、显微镜头和压电陶瓷组成；

所述第一tube透镜匹配位于所述光源照明系统的光线输出侧，所述分光镜匹配位于所述第一tube透镜的光线输出侧，所述显微镜头匹配位于所述分光镜的光线输出侧，所述压电陶瓷匹配位于所述显微镜头的光线输出侧，所述第二tube透镜匹配位于所述分光镜的反射光线输出侧，所述CCD采集系统位于所述第二tube透镜的焦面位置；

所述测量系统的测量光路为：所述白光光源照明系统发出的光束依次经过所述第一tube透镜、所述分光镜和所述显微镜头后照射到待测物体表面，经过物体表面反射后光路经过所述第二tube透镜，由所述CCD采集系统采集到携带物体高度信息的成像图片，再由所述压电陶瓷对物体进行纵向扫描并同步采集成像。

2.如权利要求1所述的自动变焦三维形貌测量系统，其特征在于：所述光源照明系统采用白光作为光源。

3.一种基于权利要求1或2所述的自动变焦三维形貌测量系统的自动变焦三维形貌测量方法，其特征在于，所述测量方法具体是：首先纵向扫描物体，然后采集一组携带物体高度信息的图片，接着使用基于拉普拉斯算子的聚焦评价函数解析图片得到像素点的聚焦评价函数值曲线，最后结合高斯曲线拟合算法得到像素点准确聚焦的位置，进而恢复物体三维形貌。

4.如权利要求3所述的自动变焦三维形貌测量方法，其特征在于：所述基于拉普拉斯算子的聚焦评价函数是根据聚焦越好的图片含细节信息越丰富，在空域内表现为灰度梯度大，频域内表现为高频分量多来构造的。

5.如权利要求3所述的自动变焦三维形貌测量方法，其特征在于，所述测量方法具体包括以下步骤：

(1)使用光源照明系统，通过计算机程序控制显微镜头微步距垂直扫描待测物体，通过CCD采集系统同步采集成像图片并转化为数字信号保存到计算机中；

(2)在计算机中使用基于拉普拉斯算子的聚焦评价函数解析采集到的图片，计算像素点在每幅图中的聚焦评价函数值，得到聚焦评价函数值曲线，聚焦评价函数值曲线的峰值位置即为像素点聚焦位置；

(3)在计算机上提取出聚焦评价函数值曲线峰值所在的扫描位置，将此作为像素点粗略焦面位置，结合高斯曲线拟合算法得到像素点准确聚焦位置；

(4)得到各个像素点准确聚焦位置后即可恢复物体三维形貌。

6.如权利要求3所述的自动变焦三维形貌测量方法，其特征在于：所述测量方法是采用基于拉普拉斯算子的改进拉普拉斯能量和函数来计算像素点的聚焦值，以此来表征像素点的聚焦程度；

所述改进拉普拉斯算子为：

其中，f(x，y)表示像素点灰度值；在空域中离散的改进拉普拉斯算子可表示为：

所述改进拉普拉斯能量和函数可表示为：

其中，M，N表示选定像素点处理领域，将式(3)用于计算(x,y)在每幅图中的聚焦评价函数值，得到聚焦评价函数值曲线，再结合高斯曲线拟合算法提取准确聚焦位置，遍历所有像素点进而恢复物体三维形貌。

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