CN116744123A - 共焦测量系统的多孔盘 - Google Patents

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Abstract

本公开描述一种共焦测量系统的多孔盘，共焦测量系统基于多孔盘进行成像，多孔盘包括具有若干条阿基米德螺线的螺线区域，形成阿基米德螺线的通光孔组以围绕多孔盘的中心呈旋转对称分布，螺线区域包括多组以环绕多孔盘的中心的方式呈周期性排列的通光孔阵列，且螺线区域包括至少三组通光孔阵列。由此，该多孔盘能够根据待测物表面反射率的不同在一个旋转周内多次成像，光学测量系统及基于光学测量系统的成像方法能够对成像的多幅不同曝光范围的图像进行多帧融合以获得更大的动态范围。

Description

共焦测量系统的多孔盘
本申请是申请日为2022年12月14日，申请号为2022116026843、发明名称为光学测量系统及基于光学测量系统的成像方法的专利申请的分案申请。
技术领域
本公开大体涉及智能制造装备产业，具体涉及一种共焦测量系统的多孔盘。
背景技术
目前，光学显微技术广泛应用于科学技术研究的各个领域，但是普通光学显微技术对具有一定厚度的物体无法实现三维形貌的重建。随着近年来显微技术的不断发展，共聚焦显微技术已成为光学显微领域重要技术之一，其具有高精度、高分辨率、非接触和独特的轴向层析扫描成像特点，可实现待测物的三维形貌重建，在微纳检测、精密测量和生命科学研究等领域得到了广泛的应用。
现有技术中，基于Nipkow多孔盘(尼普科夫多孔盘)的并行扫描共聚焦显微检测技术更是具有结构简单、易实现、低成本和高像质等优点。
但传统的具有共焦针孔的Nipkow多孔盘在应用于共聚焦显微镜时，其通常只设计为旋转一周使共聚焦显微镜对样品成一次像，因此，对于表面反射率弱或表面反射率强弱共存的样品，在共聚焦显微镜单次成像中，样品弱反射率的区域可能存在曝光不够的问题，进而也就无法获得一幅高动态范围的图像。
发明内容
本公开是有鉴于上述现有技术的状况而提出的，其目的在于提供一种能够根据待测物表面反射率的不同在一个旋转周内多次成像并对成像的多幅不同曝光范围的图像进行多帧融合以形成一幅高动态范围图像的光学测量系统及基于光学测量系统的成像方法。
为此，本公开第一方面提供一种光学测量系统，包括照明模块、分光模块、扫描模块、成像模块、以及图像处理模块；所述照明模块用于发射照明光束；所述分光模块设置于所述照明模块和所述扫描模块之间并配置为接收来自所述扫描模块的反射光束并将反射光束反射至所述成像模块；所述扫描模块包括多孔盘和驱动所述多孔盘转动的驱动装置，所述多孔盘沿照明光束的传播方向设置，所述扫描模块配置为接收透过所述分光模块的照明光束并将照明光束出射至待测物且接收来自所述待测物的反射光束并将反射光束出射至所述分光模块，其中，所述多孔盘包括安装区域和扫描区域，所述安装区域位于所述多孔盘的中心，且用于安装驱动所述多孔盘转动的所述驱动装置，所述扫描区域围绕所述安装区域布置，所述扫描区域包括具有若干条阿基米德螺线的螺线区域，形成阿基米德螺线的通光孔组以围绕所述多孔盘的中心呈旋转对称分布，所述螺线区域包括多组以环绕所述多孔盘的中心的方式呈周期性排列的通光孔阵列，且所述螺线区域包括至少三组所述通光孔阵列；所述成像模块配置为接收来自所述待测物的经由所述分光模块反射的反射光束以进行成像，且所述多孔盘旋转至少一个单位周期使所述成像模块第一次成像，所述多孔盘继续旋转至少两个单位周期使所述成像模块再一次成像，所述单位周期为一组通光孔阵列环绕所述多孔盘的中心的角度，且所述多孔盘前后多次旋转的周期保持不同；所述图像处理模块用于接收所述成像模块的至少两次成像的图像，并将至少两幅不同曝光范围的图像融合为一幅高动态范围的图像。
在本公开第一方面中，通过使通光孔阵列以环绕多孔盘的中心的方式呈周期性排列，能够使多孔盘在其旋转一周时使光学测量系统进行多次成像，通过在螺线区域配置至少三组通光孔阵列，能够对待测物进行至少两种不同曝光时间的完整扫描；通过使多孔盘旋转至少一个单位周期能够对待测物的待测区域进行第一曝光时间的第一次完整扫描，同时在成像模块形成第一次的像，通过使多孔盘继续旋转至少两个单位周期，且多孔盘前后多次旋转的周期保持不同，由此能够对测物的待测区域进行不同于第一曝光时间的第二曝光时间的第二次完整扫描，同时在成像模块形成第二次的像，接着，通过图像处理模块能够将至少两幅不同曝光范围的图像融合为一幅高动态范围的图像，由此，能够方便处理得到一幅动态范围较高的图像。
另外，在本公开第一方面所涉及的光学测量系统中，可选地，所述多孔盘还包括围绕所述扫描区域的外围区域，所述扫描区域还包括容差区域和用于宽场成像的宽场区域，在对应所述宽场区域的所述外围区域设有镀层区域。由此，能够方便根据宽场区域对待测物进行观察，通过镀层区域的同步触发能够方便对待测物或待测物的待测区域进行宽场观察与共聚焦扫描之间的切换，容差区域能够作为光信号的开启和成像的接收产生的时间上延迟的区域。
另外，在本公开第一方面所涉及的光学测量系统中，可选地，所述多孔盘的形状为圆形，所述扫描区域和所述外围区域的形状为圆环，所述螺线区域、所述容差区域、所述宽场区域、所述镀层区域的形状为扇环。由此，能够方便在圆形的多孔盘上配置扫描区域和外围区域，进而能够方便配置螺线区域、容差区域、宽场区域以及镀层区域。
另外，在本公开第一方面所涉及的光学测量系统中，可选地，每组所述通光孔阵列环绕所述多孔盘的中心的角度为θ，所述光学测量系统选择所述螺线区域依次旋转x1θ、x2θ、……、xmθ的时间作为曝光时间，x1θ+x2θ+……+xmθ≤360°，x1，x2，……，xm分别为正整数且互不相等；所述图像处理模块用于将m幅不同曝光范围的图像融合为一幅高动态范围的图像。由此，能够在多孔盘的一个旋转周内对待测物进行m次不同曝光时间的完整扫描，能够使图像处理模块将m幅不同曝光范围的图像融合为一幅高动态范围的图像。
另外，在本公开第一方面所涉及的光学测量系统中，可选地，所述照明模块包括用于发射照明光束的光源和用于将照明光束的偏振状态由自然光转换为线偏振光的第一偏振单元。由此，光源能够方便发射照明光束，第一偏振单元能够方便将照明光束的偏振状态由自然光转换为线偏振光。
另外，在本公开第一方面所涉及的光学测量系统中，可选地，所述扫描模块还包括第二偏振单元和显微物镜，照明光束依次经所述多孔盘、所述第二偏振单元、以及所述显微物镜到达所述待测物并被所述待测物反射以形成反射光束。由此，第二偏振单元能够方便改变照明光束和反射光束的偏振方向，显微物镜能够方便对待测物进行放大等操作。
另外，在本公开第一方面所涉及的光学测量系统中，可选地，所述成像模块包括传感单元、设置于所述传感单元和所述分光模块之间的第三偏振单元，且所述传感单元配置为接收透过所述第三偏振单元的反射光束。由此，传感单元能够对待测物进行成像，第三偏振单元能够方便改变照明光束和反射光束的偏振方向。
另外，在本公开第一方面所涉及的光学测量系统中，可选地，位于所述多孔盘径向的各通光孔的间距相等，位于所述多孔盘周向的各通光孔的辐角间距相等；所述螺线区域上所述通光孔的极坐标表达式为：r(n)＝r1+Δr·n·Δθ，其中r为所述通光孔的中心到所述多孔盘的中心的距离，n为单条螺线上的第n个通光孔，r1为所述多孔盘的中心到单条螺线初始的所述通光孔的中心的距离，Δr为螺线每增加单位角度r在所述多孔盘径向随之增加的数值，Δθ为单条螺线的相邻通光孔的辐角增量；单条螺线的相邻通光孔之间的间距d满足公式：且单条螺线的相邻通光孔之间的间距等于多孔盘径向的各通光孔的间距。由此，能够方便设计通光孔在螺线区域的排布方式，能够将通光孔均匀、紧凑地排布在整个扫描区域。
另外，在本公开第一方面所涉及的光学测量系统中，可选地，所述多孔盘的中心轴线和预设方向具有大于0°的第一预设夹角，所述预设方向是与承载所述待测物的承载平台垂直的方向。由此，能够将多孔盘倾斜设置。
本公开第二方面提供了一种基于光学测量系统的成像方法，其包括如下步骤：准备工序，准备照明模块、分光模块、扫描模块、成像模块、以及图像处理模块；配置工序，打开所述照明模块使其用于发射照明光束；将所述分光模块设置于所述照明模块和所述扫描模块之间并配置为接收来自所述扫描模块的反射光束并将反射光束反射至所述成像模块；使多孔盘沿照明光束的传播方向设置，将所述扫描模块配置为接收透过所述分光模块的照明光束并将照明光束出射至待测物且接收来自所述待测物的反射光束并将反射光束出射至所述分光模块；将所述成像模块配置为接收来自所述待测物的经由所述分光模块反射的反射光束以进行成像；所述多孔盘包括安装区域和扫描区域，所述安装区域位于所述多孔盘的中心，且用于安装驱动所述多孔盘转动的驱动装置，所述扫描区域围绕所述安装区域布置，所述扫描区域包括具有若干条阿基米德螺线的螺线区域，形成阿基米德螺线的通光孔组以围绕所述多孔盘的中心呈旋转对称分布，所述螺线区域包括多组以环绕所述多孔盘的中心的方式呈周期性排列的通光孔阵列，且所述螺线区域包括至少三组所述通光孔阵列；成像工序，通过驱动所述驱动装置使所述多孔盘旋转至少一个单位周期并使所述成像模块第一次成像，继续驱动所述驱动装置使所述多孔盘继续旋转至少两个单位周期并使所述成像模块再一次成像，所述单位周期为一组所述通光孔阵列环绕所述多孔盘的中心的角度，且所述多孔盘前后多次旋转的周期保持不同；图像处理工序，所述图像处理模块用于接收所述成像模块的至少两次成像的图像，并将至少两幅不同曝光范围的图像融合为一幅高动态范围的图像。
在本公开第二方面中，通过使通光孔阵列以环绕多孔盘的中心的方式呈周期性排列，能够使多孔盘在其旋转一周时使光学测量系统进行多次成像，通过在螺线区域配置至少三组通光孔阵列，能够对待测物进行至少两种不同曝光时间的完整扫描；通过使多孔盘旋转至少一个单位周期能够对待测物的待测区域进行第一曝光时间的第一次完整扫描，同时在成像模块形成第一次的像，通过使多孔盘继续旋转至少两个单位周期，且多孔盘前后多次旋转的周期保持不同，由此能够对待测物的待测区域进行不同于第一曝光时间的第二曝光时间的第二次完整扫描，同时在成像模块形成第二次的像，接着，通过图像处理模块能够将至少两幅不同曝光范围的图像融合为一幅高动态范围的图像，由此，能够方便处理得到一幅动态范围较高的图像。
根据本公开，能够提供一种根据待测物表面反射率的不同使多孔盘在一个旋转周内多次成像并对成像的多幅不同曝光范围的图像进行多帧融合以形成一幅高动态范围图像的光学测量系统及基于光学测量系统的成像方法。
附图说明
现在将仅通过参考附图的例子进一步详细地解释本公开的实施例。
图1是示出了本公开的实施方式所涉及的光学测量系统的硬件结构示意图。
图2是示出了本公开的实施方式所涉及的光学测量系统的功能模块示意图。
图3是示出了本公开的实施方式所涉及的光学测量系统的光路测量示意图。
图4是示出了本公开的实施方式所涉及的多孔盘的外观示意图。
图5是示出了本公开的实施方式所涉及的多孔盘的区域划分示意图。
图6是示出了本公开的实施方式所涉及的光学测量系统在多孔盘的一个旋转周内多次成像的一个示例的示意图。
图7是示出了图5中A区域的放大示意图。
图8是示出了本公开的实施方式所涉及的基于光学测量系统的成像方法的一个示例的流程图。
图9是示出了本公开的实施方式所涉及的基于光学测量系统的成像方法的另一个示例的流程图。
具体实施方式
以下，参考附图，详细地说明本公开的优选实施方式。在下面的说明中，对于相同部件赋予相同的符号，省略重复说明。另外，附图只是示意图，部件相互之间尺寸的比例或者部件形状等可与实际不同。
需要说明的是，本公开中的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，例如所包括或所具有的一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可以包括或具有没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
高动态范围成像(High Dynamic Range Imaging，简称HDRI或HDR)，通常应用在计算机图形学与电影摄影领域中，是用来实现比普通数位图像技术更大曝光动态范围的一组技术。与计算机图形学或电影摄影领域的HDR不同的是，本公开鉴于共焦成像的特殊性，在多孔盘转动一圈的时间内可以对待测物进行多次不同曝光时间的完整扫描，且每次扫描都能对视场范围的待测物成完整的像，最后，运用多帧融合技术，能够使本公开的光学测量系统形成一幅高动态范围的图像。
图1是示出了本公开的实施方式所涉及的光学测量系统的硬件结构示意图。图2是示出了本公开的实施方式所涉及的光学测量系统的功能模块示意图。
参照图1和图2，本公开提供了一种光学测量系统，该光学测量系统可以用于测量并重建待测物6的三维形貌。在本公开中，该光学测量系统还可以称为光学三维测量系统、共焦测量系统或共聚焦测量系统、或简称为测量系统。
在本实施方式中，光学测量系统可以包括照明模块2、分光模块3、扫描模块1、成像模块4、以及图像处理模块5。
在一些示例中，光学测量系统可以包括图1所示的显微镜和上位机。在一些示例中，照明模块2、分光模块3、扫描模块1、成像模块4可以设置在显微镜内，图像处理模块5可以设置于上位机中，显微镜可以用于观察并形成待测物6的像，形成的待测物6的像可以上传或拷贝至上位机，并在上位机中的图像处理模块5进行处理。
在另一些示例中，显微镜本身可以设置有图像处理模块5。由此，能够方便同步处理成像模块4成的像。
在一些示例中，照明模块2可以用于为共焦测量系统提供照明光束L1。
在一些示例中，分光模块3可以设置于照明模块2和扫描模块1之间并配置为接收来自扫描模块1的反射光束L1′并将反射光束L1′反射至成像模块4。
在一些示例中，扫描模块1可以包括多孔盘10和驱动多孔盘10转动的驱动装置，多孔盘10可以沿照明光束L1的传播方向设置，扫描模块1可以配置为接收透过分光模块3的照明光束L1并将照明光束L1出射至待测物6且接收来自待测物6的反射光束L1′并将反射光束L1′出射至分光模块3。
图3是示出了本公开的实施方式所涉及的光学测量系统的光路测量示意图。
参照图3，照明光束L1经照明模块2出射后到达分光模块3，照明光束L1可以透过分光模块3并经由扫描模块1照射到待测物6，待测物6将照明光束L1反射以形成反射光束L1′，反射光束L1′可以经由扫描模块1到达分光模块3，并可以被分光模块3反射至成像模块4，成像模块4可以接收反射光束L1′以获得待测物6的待测区域的表面信息。
在一些示例中，照明模块2可以包括光源21和第一偏振单元22。其中，光源21可以用于发射照明光束L1。第一偏振单元22可以让照明光束L1的偏振状态由自然光转为线偏振光。
在一些示例中，光源21可以是LED或者SLED，光源21发射的照明光束L1可以是可见光或紫外光。
在一些示例中，第一偏振单元22可以是偏振片。
在本实施方式中，照明模块2还可以包括第一反射单元23，第一反射单元23可以设置于第一偏振单元22的远离光源21的一侧。换言之，第一偏振单元22可以设置于光源21与第一反射单元23之间。在这种情况下，经光源21发射的照明光束L1能够透过第一偏振单元22并到达第一反射单元23而被第一反射单元23反射至分光模块3。
在一些示例中，照明模块2还可以包括设置于光源21与第一反射单元23之间的第一透镜单元24。第一透镜单元24可以配置为准直照明光束L1。由此，照明光束L1经过第一透镜单元24后能够变为平行光。
在一些示例中，第一透镜单元24可以是准直透镜。例如，可以是玻璃非球面正光焦透镜。在一些示例中，非球面透镜可以有效地提高光能利用率。在另一些示例中，第一透镜单元24也可以是胶合透镜。
在本实施方式中，照明模块2还可以包括设置于光源21与第一反射单元23之间的第二透镜单元25。第二透镜单元25可以配置为调节经准直后的照明光束L1以使光源21的像的位置位于显微物镜13的后焦面。在这种情况下，光源21的像的位置可以看作位于显微物镜13的入瞳，由此，照明光束L1能够均匀地照射到待测物6表面。
如上所述，照明模块2可以包括第一反射单元23。在一些示例中，第一反射单元23可以用于将照明光束L1反射至分光模块3。在一些示例中，照明模块2可以不包括第一反射单元23，则照明光束L1可以依次经由第一透镜单元24、第二透镜单元25、以及第一偏振单元22直接到达分光模块3。
在一些示例中，分光模块3可以配置为反射部分照明光束L1至显微镜的内壁，并透射部分照明光束L1至扫描模块1。
在一些示例中，分光模块3可以设置于照明模块2与扫描模块1之间，照明光束L1经分光模块3透射后即到达扫描模块1。换言之，扫描模块1可以配置为接收透过分光模块3的照明光束L1。
在一些示例中，扫描模块1还可以包括第二偏振单元12和显微物镜13。照明光束L1可以依次经由多孔盘10、第二偏振单元12、以及显微物镜13到达待测物6并被待测物6反射以形成反射光束L1′。换言之，具有通光孔1111的多孔盘10、第二偏振单元12、以及显微物镜13可以沿着照明光束L1的传播方向依次设置。
在一些示例中，多个通光孔1111可以以阿基米德螺线1110的方式均匀地排布于多孔盘10。照明光束L1到达多孔盘10时，部分可以经由通光孔1111透过多孔盘10到达第二偏振单元12(以下继续称为照明光束L1)，部分可以被多孔盘10反射以形成杂散光束。
在一些示例中，可以通过旋转多孔盘10以改变通光孔1111的位置以使照明光束L1到达待测物6的各个待测区域。由此，能够实现对待测物6的完整扫描。
在一些示例中，具有通光孔1111的多孔盘10可以是Nipkow多孔盘。
在一些示例中，多孔盘10可以是以与承载待测物6的承载平台平行的方式设置于扫描模块1。由此，照明光束L1能够通过通光孔1111进入扫描模块1。
在一些示例中，多孔盘10的中心轴线与预设方向D1可以具有大于0°的第一预设夹角。换言之，多孔盘10可以是倾斜设置的。优选地，多孔盘10的倾斜方向可以如图3所示设置。在这种情况下，照明光束L1同样能够通过通光孔1111进入扫描模块1，并且，当部分照明光束L1被多孔盘10反射形成杂散光束时，杂散光束的传播方向能够以远离成像模块4的方式传播，能够降低杂散光束进入成像模块4以影响待测物6的成像的可能。
在一些示例中，预设方向D1可以是与承载待测物6的承载平台垂直的方向。
在一些示例中，第二偏振单元12可以是1/4波片。在这种情况下，照明光束L1和反射光束L1′先后通过1/4波片，能够使从扫描模块1出射的反射光束L1′相对照明光束L1的偏振方向旋转90°，从而使得待测物6表面的反射光束L1′得以透过第三偏振单元42，并被传感单元41(稍后描述)接收。在一些示例中，第二偏振单元12可以与预设方向D1呈45°设置。
在一些示例中，成像模块4可以包括传感单元41、设置于传感单元41与分光模块3之间的第三偏振单元42。反射光束L1′被分光模块3反射后可以经由第三偏振单元42到达传感单元41。换言之，传感单元41可以配置为接收透过第三偏振单元42的反射光束L1′。
在一些示例中，传感单元41可以是CCD或CMOS相机。第三偏振单元42可以是与第一偏振单元22的偏振方向正交的偏振片。由此，经第一偏振单元22透过的照明光束L1可以被第三偏振单元42吸收而不被第三偏振单元42透过。
在一些示例中，成像模块4还可以包括设置于传感单元41与第三偏振单元42之间的第三透镜单元43。在一些示例中，第三透镜单元43可以是中继镜头。第三透镜单元43可以用于将反射光束L1′汇聚于传感单元41。
在一些示例中，扫描模块1还可以包括设置于多孔盘10与显微物镜13之间的套筒透镜14。套筒透镜14可以配置为调节照明光束L1以使光源21的像的位置位于显微物镜13的入瞳，也即显微物镜13的后焦面(或称后焦平面)。由此，照明光束L1能够均匀地照射到待测物6表面。
在一些示例中，套筒透镜14可以是单个透镜。在另一些示例中，套筒透镜14可以是由多个透镜组合而成。
在一些示例中，显微物镜13可以是无限远显微物镜。在这种情况下，若待测物6的待测区域位于显微物镜13的焦平面，则待测区域反射的反射光束L1′经显微物镜13出射后能够变为平行光。
在一些示例中，在多孔盘10的安装区域120可以安装有驱动装置。该驱动装置可以用于驱动多孔盘10转动和/或移动。
在一些示例中，驱动装置驱动多孔盘10旋转的速度可以与成像模块4的采样频率精确匹配，同时还需与显微镜中显微物镜13的纵向驱动速度相匹配，从而使得成像模块4能够采集待测物6上待测区域的连续完整的图像。
图4是示出了本公开的实施方式所涉及的多孔盘的外观示意图。
图5是示出了本公开的实施方式所涉及的多孔盘的区域划分示意图。
参照图4和图5，本实施方式所涉及的多孔盘10可以用于上述的光学测量系统中，该光学测量系统可以用于对待测物6进行测量以重建待测物6的三维形貌。例如，可以通过测量待测物6的各个待测区域的高度信息以重建待测物6的三维形貌。
在本实施方式中，多孔盘10可以包括扫描区域110和安装区域120。扫描区域110可以用于实现对待测物6的扫描和成像，多孔盘10可以通过安装区域120安装驱动装置。
在一些示例中，安装区域120可以位于多孔盘10的中心O。在一些示例中，安装区域120可以通过预留的多个安装孔以连接驱动装置，驱动装置可以用于驱动多孔盘10转动和/或移动。
在一些示例中，扫描区域110可以围绕安装区域120布置。
在本实施方式中，扫描区域110可以包括具有若干条阿基米德螺线1110的螺线区域111(参见图5)。在一些示例中，形成阿基米德螺线1110的通光孔组可以围绕多孔盘10的中心O呈旋转对称分布。
在一些示例中，螺线区域111可以包括多组以环绕多孔盘10的中心O的方式呈周期性排列的通光孔阵列1120。
在一些示例中，螺线区域111可以包括至少三组通光孔阵列1120。
在本公开中，通过使通光孔阵列1120以环绕多孔盘10的中心O的方式呈周期性排列，在多孔盘10用于光学测量系统且在其旋转一周时能够使光学测量系统进行多次成像。通过在螺线区域111配置至少三组通光孔阵列1120，能够对待测物6进行至少两种不同曝光时间的完整扫描，例如，螺线区域111旋转一个单位周期成一次像，螺线区域111继续旋转两个单位周期成一次像，这样，能够使第二次成像时曝光时间是第一次的两倍，同时能够保证第二次成像时对待测物6的待测区域的完整扫描。由此，通过在螺线区域111配置至少三组通光孔阵列1120，能够在多孔盘10的一个旋转周内对待测物6进行多次(至少两次)不同曝光时间的完整扫描。
在一些示例中，多孔盘10还可以包括围绕扫描区域110的外围区域130。在一些示例中，扫描区域110还可以包括用于宽场成像的宽场区域112。在一些示例中，在对应宽场区域112的外围区域130可以设有镀层区域131。在这种情况下，能够方便根据宽场区域112对待测物6进行观察，通过镀层区域131的同步触发能够方便对待测物6或待测物6的待测区域进行宽场观察与共聚焦扫描之间的切换。
在一些示例中，宽场区域112可以设置为透明区域。由此，能够方便找到待测物6或待测物6的待测区域的位置。
在一些示例中，多孔盘10的形状可以为圆形。
在一些示例中，多孔盘10可以为Nipkow多孔盘(尼普科夫多孔盘)。在一些示例中，Nipkow多孔盘也可以称之为Nipkow圆盘。
在一些示例中，扫描区域110和外围区域130的形状可以为圆环。在一些示例中，螺线区域111、宽场区域112、镀层区域131的形状可以为扇环。
在一些示例中，参照图5，单位周期可以为一组通光孔阵列1120环绕多孔盘10的中心O的角度，单位周期可以表示为θ。可以理解的是，单位周期的总和需小于等于360°，也即，若螺线区域111具有k组通光孔阵列1120，需满足kθ≤360°。
在一些示例中，若每组通光孔阵列1120环绕多孔盘10的中心O的角度为θ(也即单位周期为θ)，该光学测量系统可以选择螺线区域111依次旋转x1θ、x2θ、……、xmθ的时间作为曝光时间，且需满足x1θ+x2θ+……+xmθ≤360°，x1，x2，……，xm分别为正整数且互不相等。图像处理模块5可以用于将m幅不同曝光范围的图像融合为一幅高动态范围的图像。由此，能够在多孔盘10的一个旋转周内对待测物6进行m次不同曝光时间的完整扫描，能够使图像处理模块5将m幅不同曝光范围的图像融合为一幅高动态范围的图像。
图6是示出了本公开的实施方式所涉及的光学测量系统在多孔盘的一个旋转周内多次成像的一个示例的示意图。
参照图6，在一些示例中，多孔盘10还可以包括容差区域1112。
在一些示例中，多孔盘10可以在螺线区域111预留一部分区域作为光信号(该光信号可以为照明光束L1)开启和成像接收产生的时间上延迟的容差区域1112。
在一些示例中，每组通光孔阵列1120环绕多孔盘10的中心O的角度可以为30°，且在光学测量系统中螺线区域111旋转的一个单位周期θ可以为30°。此时，螺线区域111可以至少具有10组通光孔阵列1120。在一些示例中，此时，螺线区域111可以具有11组通光孔阵列1120，且最后一组通光孔阵列1120可以作为容差区域1112。
在一些示例中，该光学测量系统可以选择螺线区域111依次旋转30°、60°、90°、120°的时间作为曝光时间，也即，当单位曝光时间为t0时，共焦测量系统可以选择t0、2t0、3t0、4t0作为曝光时间。
如图6所示，在进行光学成像时，第一步，该光学测量系统可以选择螺线区域111旋转30°使成像模块4成第一幅图像410。此时相当于对待测物6的待测区域进行了一次曝光。
第二步，该光学测量系统可以选择螺线区域111旋转60°使成像模块4成第二幅图像420。此时相当于对待测物6的待测区域进行了两次曝光。
第三步，该光学测量系统可以选择螺线区域111旋转90°使成像模块4成第三幅图像430。此时相当于对待测物6的待测区域进行了三次曝光。
第四步，该光学测量系统可以选择螺线区域111旋转120°使成像模块4成第四幅图像440。此时相当于对待测物6的待测区域进行了四次曝光。
由此，该光学测量系统能够在多孔盘10的一个旋转周内对待测物6进行4次不同曝光时间的完整扫描，且通过使曝光时间依次逐级递增，能够对待测物6表面反射率递减的各区域逐步进行充分曝光。
在一些示例中，上述各步的成像之间的时间间隔可以没有或很小。
当然，在另一些示例中，该光学测量系统可以选择螺线区域111依次旋转30°、60°、90°的时间作为曝光时间。在另一些示例中，该光学测量系统可以选择螺线区域111依次旋转60°、90°、120°的时间作为曝光时间。在另一些示例中，该光学测量系统可以选择螺线区域111依次旋转30°、60°、120°的时间作为曝光时间。在另一些示例中，该光学测量系统可以选择螺线区域111依次旋转30°、90°、120°的时间作为曝光时间。
当然，在另一些示例中，该光学测量系统可以选择螺线区域111依次旋转90°、60°、30°的时间作为曝光时间。在另一些示例中，该光学测量系统可以选择螺线区域111依次旋转120°、90°、60°的时间作为曝光时间。在另一些示例中，该光学测量系统可以选择螺线区域111依次旋转120°、60°、30°的时间作为曝光时间。在另一些示例中，该光学测量系统可以选择螺线区域111依次旋转120°、90°、30°的时间作为曝光时间。
可以理解的是，螺线区域111所占的角度不可以大于360°。在上述示例中，当单位周期为30°时，容差区域1112和宽场区域112的和不可以大于60°。在一些示例中，可以从60°中选择10°至50°作为容差区域1112，相应的，可以选择剩余的50°至10°作为宽场区域112。
在另一些示例中，单位周期也可以为10°、20°、40°、50°、60°等。
在一些示例中，当单位周期为10°时，光学测量系统可以选择螺线区域111依次旋转10°、20°、30°、40°、50°、60°、70°的时间作为曝光时间。在一些示例中，当单位周期为10°时，光学测量系统可以选择螺线区域111依次旋转10°、30°、50°、70°的时间作为曝光时间。在一些示例中，当单位周期为10°时，光学测量系统可以选择螺线区域111依次旋转10°、40°、50°、70°的时间作为曝光时间。
在一些示例中，当单位周期为20°时，光学测量系统可以选择螺线区域111依次旋转20°、40°、60°、80°、120°的时间作为曝光时间。在一些示例中，当单位周期为20°时，光学测量系统可以选择螺线区域111依次旋转20°、60°、120°的时间作为曝光时间。在一些示例中，当单位周期为20°时，光学测量系统可以选择螺线区域111依次旋转20°、40°、120°的时间作为曝光时间。
再需说明的是，上述曝光时间的选择只需使多孔盘10前后多次旋转的周期保持不同即可。
且可以理解的是，需要根据相应待测物6的表面反射率适应性地选择单位周期，曝光时间过短会导致图像灰度过低提取不到有效信号，曝光时间过长则会导致图像灰度饱和提取不到有效信号。
图7是示出了图5中A区域的放大示意图。
参照图7，在一些示例中，通光孔1111可以为圆形的针孔。
在一些示例中，位于多孔盘10径向的各通光孔1111的间距可以相等。在一些示例中，位于多孔盘10周向的各通光孔1111的辐角间距可以相等。由此，能够将通光孔1111均匀地排布在整个扫描区域110。
在一些示例中，螺线区域111上通光孔1111的极坐标表达式可以为：r(n)＝r1+Δr·n·Δθ，其中r为通光孔1111的中心(圆心)到多孔盘10的中心O的距离，n为单条螺线上的第n个通光孔1111，r1为多孔盘10的中心O到一条螺线初始的通光孔1111中心的距离，Δr为螺线每增加单位角度r随之增加的数值，Δθ为单条螺线的相邻通光孔1111的辐角增量。由此，能够方便设计通光孔1111在螺线区域111的排布方式。
在一些示例中，初始的通光孔1111可以为形成一条螺线的靠近多孔盘10的中心O的一个通光孔1111。在这种情况下，以该初始的通光孔1111为基准能够方便设计或排布其他通光孔1111。
在一些示例中，通光孔1111直径可以为0.010-0.050mm，位于多孔盘10径向的各通光孔1111的间距可以为0.10-0.50mm。同时，通光孔1111直径和位于多孔盘10径向的各通光孔1111的间距的选择应适配，也即其比值应适当。
可以理解的是，通光孔1111直径越大，系统光效越好，但纵向分辨率会降低，反之，通光孔1111的直径越小，能提高纵向分辨率，但系统光效会降低；各通光孔1111的间距与通光孔1111的直径比值越小，系统光效越好，但容易出现相邻通光孔1111之间的光串扰现象，反之各通光孔1111的间距与通光孔1111的直径比值越大，系统光效越差，但能避免相邻通光孔1111之间的光串扰现象。
参照图7，在一些示例中，更优选地，通光孔1111的直径可以为0.025mm，位于多孔盘10径向的各通光孔1111的间距可以为0.25mm。在这种情况下，通过将各通光孔1111的间距与通光孔1111的直径比值设定为10:1，能够在保障系统光效的前提下避免相邻通光孔1111之间的光串扰现象。
在其他一些示例中，通光孔1111直径也可以为0.06mm、0.07mm、0.08mm、0.09mm等。在其他一些示例中，位于多孔盘10径向的各通光孔1111的间距也可以为0.6mm、0.7mm、0.8mm、0.9mm等。可以理解的是，通光孔1111直径和径向的各通光孔1111的间距的选择应适配，同时应使通光孔1111的排布尽量紧凑和均匀，由此，能够提高成像质量和成像效率。
在一些示例中，单条螺线的相邻通光孔1111之间的间距d可以满足公式：在一些示例中，单条螺线的相邻通光孔1111之间的间距可以等于多孔盘10径向的各通光孔1111的间距。在一些示例中，d≈0.25mm。可以理解的是，当位于多孔盘10径向的各通光孔1111的间距为0.25mm时，此时d会略大于0.25mm。在这种情况下，通过使d趋近于0.25mm，能够使通光孔1111排布的更为均匀和紧凑，由此，能够使测得的待测物6的待测区域的图像更为均匀、成像效果更好。
在本实施方式中，螺线区域111中的各通光孔1111的直径与相邻通光孔1111之间的间距应该根据该螺线区域111所要适应的显微物镜13的放大倍率而适应确定，各通光孔1111的直径与相邻通光孔1111之间的距离的大小应该使得光学测量系统在其所对应的显微物镜13放大倍率时具有最佳的分辨力和精度指标。
作为一种示例，以下介绍在极坐标系下排布第一条阿基米德螺线上的通光孔1111，并计算其圆心位置的设计过程。
在本实施方式中，第一条阿基米德螺线上的某个点可以和第二条阿基米德螺线的初始点位于同一径向，即具有相同幅角，且相距250μm，因此有如下关系式：
Δr·m·Δθ＝0.25
m·Δθ＝γ
其中，m为正整数。
由此可以计算得到
在本实施方式中，单条螺线的相邻通光孔1111之间的间距可以为且满足d≈0.25mm。实际用到的有效通光孔1111区域径向范围约6mm。因为随着通光孔1111远离多孔盘10的中心O，相邻通光孔1111的间距会增大，实际有效通光孔1111区域径向范围约6mm，并不会用到贴近内径的通光孔1111，在这里的通光孔1111间距略小于0.25mm也可以接受。
由以上关系式可以确定Δr与Δθ的关系。
每条阿基米德螺线1110的通光孔1111数量为其中15mm是螺线区域111内外径之差，||为取整符号。
阿基米德螺线1110的数量为其中，预定宽场区域112为20°，螺线区域111为340°，||为取整符号。
以r(i，j)表示第i条阿基米德螺线的第j个通光孔1111。
r(i，j)＝r1+(j-1)·Δr·Δθ
x(i，j)＝r(i，j)·cos[(i-1)·γ+(j-1)·Δθ]
y(i，j)＝r(i，j)·sin[(i-1)·γ+(j-1)·Δθ]
i＝1，2，…，P
j＝1，2，…，Q
其中，r代表极坐标，x代表横坐标，y代表纵坐标。
这里以γ＝30°为例代入计算可以得到下述参数：
1)
2)/>
3)
4)P＝12，Q＝2521
在一些示例中，螺线区域111中除了通光孔1111之外的区域可以均设置为不透光。
在一些示例中，多孔盘10的制作可以为在透光的基盘上的螺线区域111镀覆遮光膜(遮光镀层)，然后通过光刻工艺，以形成可使用的多孔盘10。在另一些示例中，多孔盘10也可以由不透光的材料制成，例如，可以采用不透光的金属片或非金属薄片加工，利用激光打孔或其他打孔方式，加工出图4中所示的通光孔1111进而形成螺线区域111。由此，通过遮光镀层能够使螺线区域111中通光孔1111之外的区域不透光，进而，通过遮光镀层能够滤除焦平面以外的反射光，从而实现共聚焦的层析能力。
在一些示例中，成像模块4可以配置为接收来自待测物6的经由分光模块3反射的反射光束L1′以进行成像，且多孔盘10旋转至少一个单位周期可以使成像模块4第一次成像，多孔盘10继续旋转至少两个单位周期可以使成像模块4再一次成像，且多孔盘10前后多次旋转的周期可以保持不同。
在一些示例中，图像处理模块5可以用于接收成像模块4的至少两次成像的图像，并可以将至少两幅不同曝光范围的图像融合为一幅高动态范围的图像。
在本公开中，通过使多孔盘10旋转至少一个单位周期能够对待测物6的待测区域进行第一曝光时间的第一次完整扫描，同时在成像模块4形成第一次的像，通过使多孔盘10继续旋转至少两个单位周期能够对待测物6的待测区域进行不同于第一曝光时间的第二曝光时间的第二次完整扫描，同时在成像模块4形成第二次的像，接着，通过图像处理模块5能够将两幅不同曝光范围的图像融合为一幅高动态范围的图像。由此，通过该测量系统，能够方便处理得到一幅动态范围较高的图像。
在一些示例中，至少一个单位周期可以为一个、两个、三个、……、九个、十个单位周期等。在一些示例中，至少两个单位周期可以为两个、三个、四个、……、十个、十一个单位周期等。同时，可以保证多孔盘10前后多次旋转的周期保持不同，由此，能够保证第一曝光时间和第二曝光时间的不同。同理，当继续进行第三次、第四次、第五次、……成像时，也可以保证后续每次成像时的多孔盘10旋转的周期皆不同，进而保证其曝光时间的不同。
在一些示例中，待测物6可以称为样品。样品可以是半导体、3C电子玻璃屏、微纳材料、汽车零部件、或者MEMS器件等超精密的器件。在一些示例中，样品可以是应用于航空航天等领域的器件。在另一些示例中，样品可以是生物领域的组织或细胞切片。
图8是示出了本公开的实施方式所涉及的基于光学测量系统的成像方法的一个示例的流程图。图9是示出了本公开的实施方式所涉及的基于光学测量系统的成像方法的另一个示例的流程图。
参照图8和图9，本公开还提供了一种基于光学测量系统的成像方法，该成像方法可以是基于上述的多孔盘10和共焦测量系统的成像方法。在本公开中，该基于光学测量系统的成像方法还可以称为基于光学三维测量系统的成像方法、基于共焦测量系统的成像方法或基于共聚焦测量系统的成像方法、或简称为成像方法。
在本实施方式中，该成像方法可以包括步骤S100的准备工序，步骤S200的配置工序，步骤S300的成像工序，以及步骤S400的图像处理工序。
在一些示例中，步骤S100的准备工序可以包括步骤S110；步骤S200的准备工序可以包括步骤S210；步骤S300的准备工序可以包括步骤S310；步骤S400的准备工序可以包括步骤S410。
在步骤S110中，可以准备照明模块2、分光模块3、扫描模块1、成像模块4、图像处理模块5、以及连接多孔盘10的驱动装置等。
在步骤S210中，可以打开照明模块2使其用于发射照明光束L1；可以将分光模块3设置于照明模块2和扫描模块1之间并配置为接收来自扫描模块1的反射光束L1′并将反射光束L1′反射至成像模块4；可以使多孔盘10沿照明光束L1的传播方向设置，可以将扫描模块1配置为接收透过分光模块3的照明光束L1并将照明光束L1出射至待测物6且接收来自待测物6的反射光束L1′并将反射光束L1′出射至分光模块3；可以将成像模块4配置为接收来自待测物6的经由分光模块3反射的反射光束L1′以进行成像。
在一些示例中，可以将图像处理模块5与成像模块4连接以用于接收成像模块4成的像。
在一些示例中，多孔盘10可以包括安装区域120和扫描区域110。
在一些示例中，安装区域120可以位于多孔盘10的中心O，且用于安装驱动多孔盘10转动的驱动装置。
在一些示例中，扫描区域110可以围绕安装区域120布置。在一些示例中，扫描区域110可以包括具有若干条阿基米德螺线1110的螺线区域111，形成阿基米德螺线1110的通光孔组以围绕多孔盘10的中心O呈旋转对称分布。
在一些示例中，螺线区域111可以包括多组以环绕多孔盘10的中心O的方式呈周期性排列的通光孔阵列1120，且螺线区域111可以包括至少三组通光孔阵列1120。
在步骤S310中，可以通过驱动驱动装置使多孔盘10旋转至少一个单位周期并使成像模块4第一次成像，可以继续驱动驱动装置使多孔盘10继续旋转至少两个单位周期并使成像模块4再一次成像，单位周期可以为一组通光孔阵列1120环绕多孔盘10的中心O的角度，且多孔盘10前后多次旋转的周期可以保持不同。
在一些示例中，若每组通光孔阵列1120环绕多孔盘10的中心O的角度为θ(也即单位周期为θ)，该光学测量系统可以选择螺线区域111依次旋转x1θ、x2θ、……、xmθ的时间作为曝光时间，且需满足x1θ+x2θ+……+xmθ≤360°，x1，x2，……，xm分别为正整数且互不相等。图像处理模块5可以用于将m幅不同曝光范围的图像融合为一幅高动态范围的图像。由此，能够在多孔盘10的一个旋转周内对待测物6进行m次不同曝光时间的完整扫描，能够使图像处理模块5将m幅不同曝光范围的图像融合为一幅高动态范围的图像。
再次参照图6，在一些示例中，每组通光孔阵列1120环绕多孔盘10的中心O的角度可以为30°，且在光学测量系统中螺线区域111旋转的一个单位周期θ可以为30°。此时，螺线区域111可以至少具有10组通光孔阵列1120。在一些示例中，此时，螺线区域111可以具有11组通光孔阵列1120，且最后一组通光孔阵列1120可以作为容差区域1112。
在一些示例中，该光学测量系统可以选择螺线区域111依次旋转30°、60°、90°、120°的时间作为曝光时间，也即，当单位曝光时间为t0时，光学测量系统可以选择t0、2t0、3t0、4t0作为曝光时间。
如图6所示，在进行光学成像时，第一步，该光学测量系统可以选择螺线区域111旋转30°使成像模块4成第一幅图像410。此时相当于对待测物6的待测区域进行了一次曝光。
第二步，该光学测量系统可以选择螺线区域111旋转60°使成像模块4成第二幅图像420。此时相当于对待测物6的待测区域进行了两次曝光。
第三步，该光学测量系统可以选择螺线区域111旋转90°使成像模块4成第三幅图像430。此时相当于对待测物6的待测区域进行了三次曝光。
第四步，该光学测量系统可以选择螺线区域111旋转120°使成像模块4成第四幅图像440。此时相当于对待测物6的待测区域进行了四次曝光。
由此，该光学测量系统能够在多孔盘10的一个旋转周内对待测物6进行4次不同曝光时间的完整扫描，且通过使曝光时间依次逐级递增，能够对样品表面反射率递减的各区域逐步进行充分曝光。
在一些示例中，在一个旋转周内，光学测量系统中的照明模块2也可以依次选择t0、3t0、5t0、7t0作为曝光时间；在另一些示例中，在一个旋转周内，光学测量系统中的照明模块2也可以依次选择2t0、5t0、7t0作为曝光时间。且对曝光时间的选择应根据不同的样品进行适应性选择，上述选择的依据只需保证每次曝光时间不同即可。
可以理解的是，一个样品的表面不同区域的表面反射率通常不同，上述示例的多孔盘10在一个旋转周(360°)内可以对反射率强的区域进行一次曝光(例如使多孔盘10旋转θ)，可以对反射率弱的区域进行多次曝光(例如使多孔盘10旋转xmθ)，最后图像处理模块5可以将得到的多幅不同曝光范围的图像融合为一幅高动态范围的图像。
但上述示例并不唯一，具体可以参考多孔盘10部分所述，此处不再赘述。
在步骤S410中，图像处理模块5可以用于接收成像模块4的至少两次成像的图像，并将至少两幅不同曝光范围的图像融合为一幅高动态范围的图像。
通过使多孔盘10旋转至少一个单位周期能够对待测物6的待测区域进行第一曝光时间的第一次完整扫描，同时在成像模块4形成第一次的像；通过使多孔盘10继续旋转至少两个单位周期，且多孔盘10前后多次旋转的周期保持不同，由此能够对待测物6的待测区域进行不同于第一曝光时间的第二曝光时间的第二次完整扫描，同时在成像模块4形成第二次的像；接着，通过图像处理模块5能够将两幅不同曝光范围的图像融合为一幅高动态范围的图像。由此，通过该成像方法能够方便得到一幅动态范围较高的图像。
在步骤S310中，也可以使多孔盘10继续旋转以使成像模块4成第三次、第四次、第五次，……的像。最终，在步骤S410中，图像处理模块5可以将上述形成的多帧不同曝光范围的图像进行融合以得到一幅高动态范围的图像。
基于光学测量系统的成像方法中的光学测量系统的实施例可以参考光学测量系统部分所述，此处不再赘述。
根据本公开，能够提供一种根据待测物6表面反射率的不同使多孔盘10在一个旋转周内多次成像、并对成像的多幅不同曝光范围的图像进行多帧融合以形成一幅高动态范围图像的光学测量系统及基于光学测量系统的成像方法。
虽然以上结合附图和实施例对本公开进行了具体说明，但是可以理解，上述说明不以任何形式限制本公开。本领域技术人员在不偏离本公开的实质精神和范围的情况下可以根据需要对本公开进行变形和变化，这些变形和变化均落入本公开的范围内。

Claims (10)

1.一种共焦测量系统的多孔盘，所述共焦测量系统基于所述多孔盘进行成像，其特征在于，所述多孔盘包括具有若干条阿基米德螺线的螺线区域，形成阿基米德螺线的通光孔组以围绕所述多孔盘的中心呈旋转对称分布，所述螺线区域包括多组以环绕所述多孔盘的中心的方式呈周期性排列的通光孔阵列，且所述螺线区域包括至少三组所述通光孔阵列。
2.如权利要求1所述的多孔盘，其特征在于，
包括具有所述螺线区域的扫描区域以及围绕所述扫描区域的外围区域，所述扫描区域还包括容差区域和用于宽场成像的宽场区域，在对应所述宽场区域的所述外围区域设有镀层区域。
3.如权利要求1所述的多孔盘，其特征在于，
位于所述多孔盘径向的各通光孔的间距相等，位于所述多孔盘周向的各通光孔的辐角间距相等。
4.如权利要求1所述的多孔盘，其特征在于，
每组所述通光孔阵列环绕所述多孔盘的中心的角度为θ，所述共焦测量系统选择所述螺线区域依次旋转x1θ、x2θ、……、xmθ的时间作为曝光时间，x1θ+x2θ+……+xmθ≤360°，x1，x2，……，xm分别为正整数且互不相等。
5.如权利要求2所述的多孔盘，其特征在于，
每组所述通光孔阵列环绕所述多孔盘的中心的角度为30°，所述螺线区域至少具有10组所述通光孔阵列，所述共焦测量系统选择所述螺线区域依次旋转30°、60°、90°、120°的时间作为曝光时间。
6.如权利要求2所述的多孔盘，其特征在于，
所述多孔盘的形状为圆形，所述扫描区域和所述外围区域的形状为圆环，所述螺线区域、所述容差区域、所述宽场区域、所述镀层区域的形状为扇环。
7.如权利要求1所述的多孔盘，其特征在于，
所述螺线区域中通光孔之外的区域通过镀覆遮光镀层设置为不通光。
8.如权利要求1所述的多孔盘，其特征在于，
所述螺线区域上所述通光孔的极坐标表达式为：r(n)＝r1+Δr·n·Δθ，其中r为所述通光孔的中心到所述多孔盘的中心的距离，n为单条螺线上的第n个通光孔，r1为所述多孔盘的中心到单条螺线初始的所述通光孔的中心的距离，Δr为螺线每增加单位角度r在所述多孔盘径向随之增加的数值，Δθ为单条螺线的相邻通光孔的辐角增量。
9.如权利要求8所述的多孔盘，其特征在于，
所述通光孔的直径为0.01-0.05mm，位于所述多孔盘径向的各通光孔的间距为0.1-0.5mm。
10.如权利要求5所述的多孔盘，其特征在于，
当每组所述通光孔阵列环绕所述多孔盘的中心的角度为30°时，所述容差区域和所述宽场区域的和小于等于60°，选择10°至50°作为所述容差区域。
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