CN116794034A - 一种动态过焦扫描成像的方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种动态过焦扫描成像的方法，属于光学显微成像技术领域，解决了现有过焦扫描成像方法当沿Z轴进行扫描时，X轴/Y轴是静止的，检测效率低的问题。该方法包括：设置扫描成像的离焦范围；使样品沿Z轴在离焦范围内连续周期性移动的同时使样品相对于面阵相机沿X轴/Y轴连续移动；Z轴、X轴/Y轴的移动速度大小满足当Z轴移动距离SZ时X轴/Y轴恰好移动一个像素，每当Z轴移动距离SZ时面阵相机拍照记录该位置的物面信息；直至扫描完样品的X轴/Y轴，完成一次扫描；使样品沿Y轴/X轴移动到下一相机视场范围，并沿X轴/Y轴继续进行扫描，直至扫描完整个样品；对获取的扫描成像数据进行处理，获得每一个X轴/Y轴位置处沿Z轴的最终扫描成像数据。
Description
技术领域
本发明涉及光学显微成像技术领域，尤其涉及一种动态过焦扫描成像的方法及系统。
背景技术
近年来，光学显微成像技术不断发展，为了满足对三维物体进行扫描检测的需求，光学显微成像得到了广泛的关注和不断深入的研究。
过焦扫描成像方法(Through-focus Scanning Optical Microscopy,TSOM)是光学显微成像技术领域一种沿光轴方向(Z向)在焦点附近进行扫描的基于图像的三维测量方法。该方法具有光学超分辨能力，能够捕获单个聚焦图像并沿光轴扫描，以获取由成像目标的聚焦图像和一系列散焦图像组成的图像序列，构成数据立方，通过比对与处理达到提升成像分辨率和精度的效果。TSOM方法可以利用普通光学显微镜达到超分辨的能力，结构简单、操作方便、成本低廉，因此在三维表面成像与检测领域得到了广泛的应用。
传统TSOM，如图2所示，是沿着Z向进行扫描，扫描完一个视场区域后，通过X轴/Y轴平移将视场移动到邻近区域，然后对邻近区域进行Z向扫描，最终将数据汇总拼接得到整个样品的扫描数据信息。在样品尺寸较大时，这种X轴/Y轴扫描与Z轴扫描保持独立的工作方式严重降低了成像效率，无法实现对尺寸较大的样品进行在线快速检测。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种动态过焦扫描成像的方法及系统，用以解决现有过焦扫描成像方法效率低、实时性差的问题。
本发明提供了一种动态过焦扫描成像的方法，所述方法包括以下步骤：
根据样品的大小和测量精度设置扫描成像的离焦范围；
使样品沿Z轴在离焦范围内连续周期性移动的同时使样品相对于面阵相机沿X轴/Y轴连续移动；Z轴、X轴/Y轴的移动速度大小满足当Z轴移动距离SZ时X轴/Y轴恰好移动一个像素，每当Z轴移动距离SZ时面阵相机拍照记录该位置的物面信息；直至扫描完样品的X轴/Y轴，完成一次扫描；
使样品沿Y轴/X轴移动到下一相机视场范围，并沿X轴/Y轴继续进行扫描，直至扫描完整个样品；
对获取的扫描成像数据进行处理，获得每一个X轴/Y轴位置处沿Z轴的最终扫描成像数据。
进一步的，所述使样品沿Z轴在离焦范围内连续周期性移动的同时使样品相对于面阵相机沿X轴/Y轴连续移动包括：
在一次扫描中，样品沿Z轴循环往复运动，同时样品相对于面阵相机沿X轴/Y轴连续移动。
进一步的，所述样品沿Z轴循环往复运动包括：
样品沿Z轴移动距离SZ时，样品相对于面阵相机沿X轴/Y轴移动一个像素的距离，每当Z轴移动距离SZ时面阵相机拍照记录该位置的物面信息，获得对应Z轴位置和X轴/Y轴位置处的扫描图像；样品沿Z轴从上至下运动或从下至上运动，使得面阵相机从样品离焦范围的顶部扫描至底部或从底部扫描至顶部为半个周期，在一个周期内面阵相机拍摄2N-1次；样品连续地移动一个周期为一次循环往复运动。
进一步的，根据样品的大小和测量精度设置扫描成像时样品沿Z轴移动的距离SZ。
进一步的，所述面阵相机为M列，有P1至PM个像素位，其中M≥2N-1。
进一步的，所述对获取的扫描成像数据进行处理，获得每一个X轴/Y轴位置处沿Z轴的最终扫描成像数据包括：
以各X轴/Y轴位置为行，以各像素位为列，建立数据表，将获取的扫描成像数据存入信息表相应位置；根据所述信息表，提取各X轴/Y轴位置处包含各Z轴位置Z1至ZN的成像数据，滤除冗余数据，并对提取的数据按从Z1至ZN的顺序进行排序，即可获得每一个X轴/Y轴位置处沿Z轴的最终扫描成像数据。
进一步的，当一个X轴/Y轴位置处存在多个相同Z轴位置处的成像数据时，取第一个相同Z轴位置处的成像数据作为该Z轴位置最终值。
进一步的，所述样品包括三维表面物体和光学透明三维物体。
进一步的，所述动态过焦扫描成像系统，包括以下模块：
移动装置，用于带动样品进行移动；
面阵相机，用于对样品进行扫描成像；
数据采集装置，用于采集面阵相机的扫描成像数据，并将所述扫描成像数据传送至数据处理模块；
数据处理模块，用于对扫描成像数据进行处理，获得最终扫描成像数据。
进一步的，所述系统还包括控制器，所述控制器用于控制移动装置，使得移动装置带动样品沿Z轴在离焦范围内连续周期性移动的同时使样品相对于面阵相机沿X轴/Y轴连续移动；当Z轴移动距离SZ时X轴/Y轴恰好移动一个像素；当面阵相机完成一次扫描后，使样品沿Y轴/X轴移动到下一相机视场范围，并沿X轴/Y轴继续进行扫描，直至扫描完整个样品。
与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：
1、本发明改变了传统过焦扫描的静态扫描模式，是一种动态过焦扫描(DynamicTSOM)方法，Z轴扫描与X轴/Y轴扫描同时进行，将大大缩短扫描时间，提高在线检测的速度和检测效率，满足样品尺寸较大时TSOM检测需求。
2、本申请的动态过焦扫描方法能够适用于多种样品的扫描，包括三维表面物体和光学透明三维物体。
本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1为本发明实施例基于动态过焦扫描成像方法的流程图。
图2为传统过焦扫描成像扫描方法。
图3为本发明实施例基于动态过焦扫描成像方法的工作原理图。
图4为本发明实施例基于动态过焦扫描成像扫描方法。
图5为本发明实施例系统装置图。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
本发明的一个具体实施例，公开了一种动态过焦扫描成像的方法。
如图1所示，该方法包括以下步骤：
步骤S1、根据样品的大小和测量精度设置扫描成像的离焦范围。
步骤S2、使样品沿Z轴在离焦范围内连续周期性移动的同时使样品相对于面阵相机沿X轴/Y轴连续移动；Z轴、X轴/Y轴的移动速度大小满足当Z轴移动距离SZ时X轴/Y轴恰好移动一个像素，每当Z轴移动距离SZ时面阵相机拍照记录该位置的物面信息；直至扫描完样品的X轴/Y轴，完成一次扫描。
步骤S3、使样品沿Y轴/X轴移动到下一相机视场范围，并沿X轴/Y轴继续进行扫描，直至扫描完整个样品。
步骤S4、对获取的扫描成像数据进行处理，获得每一个X轴/Y轴位置处沿Z轴的最终扫描成像数据。
步骤S1中，离焦范围是指面阵相机采集失焦位置的图像的范围，实施时，可以根据样品的大小和测量精度设置离焦范围。
步骤S2中，执行下述步骤获得每次移动后的扫描成像数据。
步骤S2.1、根据样品的大小和测量精度设置扫描成像时样品沿Z轴移动的距离SZ。
步骤S2.2、在一次扫描中，样品沿Z轴在离焦范围内连续周期性移动的同时使样品相对于面阵相机沿X轴/Y轴连续移动；Z轴、X轴/Y轴的移动速度大小满足当Z轴移动距离SZ时X轴/Y轴恰好移动一个像素；如图4所示。
具体的，Z轴包含N个位置，样品沿Z轴移动距离SZ，即获得一个Z轴位置，例如Z1；样品沿Z轴移动距离SZ的同时，样品相对于面阵相机沿X轴/Y轴移动一个像素的距离，即获得一个X轴/Y轴位置，例如X1/Y1；样品沿Z轴从上至下运动或从下至上运动，即为从Z1运动到ZN或从ZN运动到Z1，使得面阵相机从样品离焦范围的顶部扫描至底部或从底部扫描至顶部为半个周期；样品连续地移动一个周期为一次循环往复运动。
步骤S2.3、每当Z轴移动距离SZ时面阵相机拍照记录该位置的物面信息，获得对应Z轴位置和X轴/Y轴位置处的扫描图像；在一个周期内面阵相机拍摄2N-1次，即每移动距离SZ并沿X轴/Y轴移动一个像素的距离，拍摄一次。
具体的，面阵相机为M列，有P1至PM个像素位。
步骤S2.4、记录每次移动后的扫描成像数据，从而获得每一个X轴/Y轴位置处沿Z轴的初始扫描成像数据。
具体的，为了保证每一个X轴/Y轴位置处沿Z轴的扫描成像数据都能包含一个完整的周期，M需要满足M≥2N-1。
设M＝2N-1，如图3和图4所示，在每一个X轴/Y轴位置处，样品被拍摄了M次，有2N-1个对应的Z轴位置；因此每一个X轴/Y轴位置处都会遍历N个Z轴位置，即存在N个不同Z轴位置的过焦扫描成像数据。
具体的，所述样品相对于面阵相机沿X轴/Y轴移动一个像素的距离，包括以下两种方式：
面阵相机固定不动，样品沿X轴/Y轴移动一个像素的距离；样品沿X轴/Y轴固定不动，面阵相机沿X轴/Y轴移动一个像素的距离。步骤S3中，当样品相对于面阵相机沿X轴/Y轴移动若干个像素的距离后，面阵相机完成了对样品X轴/Y轴的扫描，然后使样品沿Y轴/X轴移动一个相机视场范围，并沿X轴/Y轴继续进行扫描，直至扫描完整个样品。
具体的，如果面阵相机完成了对样品X轴的扫描，则使样品沿Y轴移动一个相机视场范围，然后继续进行扫描；如果面阵相机完成了对样品Y轴的扫描，则使样品沿X轴移动一个相机视场范围，然后继续进行扫描。
步骤S4中，执行下述步骤获得最终扫描成像数据。
步骤S4.1、以各X轴/Y轴位置为行，以各像素位为列，建立数据表，将获取的扫描成像数据存入信息表相应位置。
信息表的一个具体实例如下：
步骤S4.2、根据所述信息表，提取各X轴/Y轴位置处包含各Z轴位置Z1至ZN的成像数据，滤除冗余数据。
具体的，当一个X轴/Y轴位置处存在多个相同Z轴位置处的成像数据时，取第一个相同Z轴位置处的成像数据作为该Z轴位置最终值，同时，将其它相同Z轴位置处的成像数据删除。
示例性的，对于X2位置，有两个Z2位置的成像数据，则取第一个Z2位置的成像数据作为Z2位置的成像数据，同时将第二个Z2位置的成像数据删除。
步骤S4.3、对所述提取的数据按从Z1至ZN的顺序进行排序，即可获得每一个X轴/Y轴位置处沿Z轴的最终扫描成像数据。
如上述信息表所示，例如在X2位置处，与P1至PM对应的Z轴位置为Z2...ZNZN- 1...Z1Z2，提取的数据顺序为Z2...ZNZ1，并不是按Z1至ZN的顺序
排序，因此需要将提取的数据按从Z1至ZN的顺序进行排序。
本发明的另一个具体实施例，公开了一种动态过焦扫描成像的系统。如图5所示，该系统包括以下模块：
移动装置，用于带动样品进行移动；
面阵相机，用于对样品进行扫描成像；
数据采集装置，用于采集面阵相机的扫描成像数据，并将所述扫描成像数据传送至数据处理模块；
数据处理模块，用于对扫描成像数据进行处理，获得最终扫描成像数据。
具体的，所述系统还包括控制器，所述控制器用于控制移动装置，使得移动装置带动样品沿Z轴在离焦范围内连续周期性移动的同时使样品相对于面阵相机沿X轴/Y轴连续移动；当Z轴移动距离SZ时X轴/Y轴恰好移动一个像素；当面阵相机完成一次扫描后，使样品沿Y轴/X轴移动到下一相机视场范围，并沿X轴/Y轴继续进行扫描，直至扫描完整个样品。
与现有技术相比，本发明提供动态过焦扫描成像的方法，首先，改变了传统过焦扫描的静态扫描模式，是一种动态过焦扫描(Dynamic TSOM)方法，通过时间延时，能够在Z轴扫描的同时进行X轴/Y轴扫描，将大大缩短扫描时间，提高在线检测的速度和检测效率，满足样品尺寸较大时TSOM检测需求；其次，动态过焦扫描方法能够适用于多种样品的扫描，包括三维表面物体和光学透明三维物体。
此外，对上述方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体形式、结构、形状或方式，例如：拍摄间隔可以为任意合理值；所述M、N可以为满足M≥2N-1条件下的任意值。
本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读存储介质中。其中，所述计算机可读存储介质为磁盘、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种动态过焦扫描成像的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
根据样品的大小和测量精度设置扫描成像的离焦范围；
使样品沿Z轴在离焦范围内连续周期性移动的同时使样品相对于面阵相机沿X轴/Y轴连续移动；Z轴、X轴/Y轴的移动速度大小满足当Z轴移动距离SZ时X轴/Y轴恰好移动一个像素，每当Z轴移动距离SZ时面阵相机拍照记录该位置的物面信息；直至扫描完样品的X轴/Y轴，完成一次扫描；
使样品沿Y轴/X轴移动到下一相机视场范围，并沿X轴/Y轴继续进行扫描，直至扫描完整个样品；
对获取的扫描成像数据进行处理，获得每一个X轴/Y轴位置处沿Z轴的最终扫描成像数据。
2.根据权利要求1所述的动态过焦扫描成像方法，其特征在于，所述使样品沿Z轴在离焦范围内连续周期性移动的同时使样品相对于面阵相机沿X轴/Y轴连续移动包括：
在一次扫描中，样品沿Z轴循环往复运动，同时样品相对于面阵相机沿X轴/Y轴连续移动。
3.根据权利要求2所述的动态过焦扫描成像方法，其特征在于，所述样品沿Z轴循环往复运动包括：
样品沿Z轴移动距离SZ时，样品相对于面阵相机沿X轴/Y轴移动一个像素的距离，每当Z轴移动距离SZ时面阵相机拍照记录该位置的物面信息，获得对应Z轴位置和X轴/Y轴位置处的扫描图像；样品沿Z轴从上至下运动或从下至上运动，使得面阵相机从样品离焦范围的顶部扫描至底部或从底部扫描至顶部为半个周期，在一个周期内面阵相机拍摄2N-1次；样品连续地移动一个周期为一次循环往复运动。
4.根据权利要求3所述的动态过焦扫描成像方法，其特征在于，根据样品的大小和测量精度设置扫描成像时样品沿Z轴移动的距离SZ。
5.根据权利要求3所述的动态过焦扫描成像方法，其特征在于，所述面阵相机为M列，有P1至PM个像素位，其中M≥2N-1。
6.根据权利要求5所述的动态过焦扫描成像方法，其特征在于，所述对获取的扫描成像数据进行处理，获得每一个X轴/Y轴位置处沿Z轴的最终扫描成像数据包括：
以各X轴/Y轴位置为行，以各像素位为列，建立数据表，将获取的扫描成像数据存入信息表相应位置；根据所述信息表，提取各X轴/Y轴位置处包含各Z轴位置Z1至ZN的成像数据，滤除冗余数据，并对提取的数据按从Z1至ZN的顺序进行排序，即可获得每一个X轴/Y轴位置处沿Z轴的最终扫描成像数据。
7.根据权利要求6所述的动态过焦扫描成像方法，其特征在于，当一个X轴/Y轴位置处存在多个相同Z轴位置处的成像数据时，取第一个相同Z轴位置处的成像数据作为该Z轴位置最终值。
8.根据权利要求1所述的动态过焦扫描成像方法，其特征在于，所述样品包括三维表面物体和光学透明三维物体。
9.一种动态过焦扫描成像系统，其特征在于，包括以下模块：
移动装置，用于带动样品进行移动；
面阵相机，用于对样品进行扫描成像；
数据采集装置，用于采集面阵相机的扫描成像数据，并将所述扫描成像数据传送至数据处理模块；
数据处理模块，用于对扫描成像数据进行处理，获得最终扫描成像数据。
10.根据权利要求9所述的动态过焦扫描成像系统，其特征在于，所述系统还包括控制器，所述控制器用于控制移动装置，使得移动装置带动样品沿Z轴在离焦范围内连续周期性移动的同时使样品相对于面阵相机沿X轴/Y轴连续移动；当Z轴移动距离SZ时X轴/Y轴恰好移动一个像素；当面阵相机完成一次扫描后，使样品沿Y轴/X轴移动到下一相机视场范围，并沿X轴/Y轴继续进行扫描，直至扫描完整个样品。
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