CN116990240A - 一种基于高光谱技术的超景深3d显微系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于高光谱技术的超景深3D显微系统及方法，其显微光路模组、图像采集装置、高光谱数据采集模组、升降机构、支撑机构和图像工作站；图像采集装置能够与显微光路模组和高光谱数据采集模组配合实现光学扫描和高光谱扫描并将数据传递到图像工作站进行处理；通过测量软件，实现光学显微图像获取与建模、光高谱显微图像获取与建模功能、以及光学与高光谱融合图像、混合建模。该系统能够对材料表面或内部的微观状态进行真彩色成像、拍照、精准测量、以及高光谱成像、高光谱建模、光学与高光谱的图像融合与混合建模，在实现高精度的检测同时并保有样品表面的微观细节与真实颜色，同时能对样品成分以及成分变化进行有效判定本。

Description

一种基于高光谱技术的超景深3D显微系统及方法

技术领域

本发明涉及光电无损检测领域，特别涉及一种基于高光谱技术的超景深3D显微系统及方法。

背景技术

显微光路模组发展而来的的3D超景深显微技术(层析显微镜3D建模技术)，利用显微镜的小景深成像原理，通过电动Z轴控制，实现光学多层景深合成，并在此基础上得到真实色彩的3D模型，该方法成本相对较低。适合通用光学显微图像检测。

白光干涉显微技术、光谱共焦轮廓仪技术、激光共聚焦显微技术等技术，此类技术受原理所限，属于计算转换成像，能够实现高精度的测量，但是得到的是灰度图像与点云数据模型。无样品真实颜色，无法定性观察。属于定量观察显微镜。

显微镜通过数字摄像机等图像采集装置，将传统的光学图像转换成数字图像，进而对数字图像进行分析，依靠已经建立的标准图库，可以在一定范围内对材料进行成分鉴别与判定，比如材料判定用金相图像分析系统，其原理是：采集反射图像后，通过图像中像素点的灰度值不同，对图像进行分类统计，在同等照明下，将图像灰度值相近的像素点视为同一物质，通过算法计算出不同元素在材料中的百分含量。从而确定材料成分以及变化，以此评价出材料的质量。该方法有巨大的缺陷在于，大部分元素周期表中相邻元素，如果出现在同一幅图像中，会表达出接近的灰度值，在图像灰度统计时，会把灰度值接近的两种元素视为一种元素，从而导致最终结果出现巨大偏差。这也是单纯依靠图像灰度判定材料成分的方法，需要人为设定阈值来保证检测结果的原因。引入人为判定因素，必将影响检测结果的一致性。而光谱，是物质的指纹，具有唯一性。可以很好的解决上述问题。

当前，高光谱/超光谱技术在我国蓬勃发展。高光谱/超光谱技术成像技术是由成像技术和光谱技术结合而来，能够在很宽的连续谱段上对同一被测物同时成像，在探测物体空间特征的同时又将每个空间像元色散形成几十个到几百个波段来成像，以提供空间域信息和光谱域信息，即“图谱合一”，该技术结合显微镜，能够实现微观领域的精准定量定性检测，尤其是在材料检测、生命科学、农业、考古等领域，具有广阔的前景。中国实用新型专利说明书(CN210180910U)公开了体视显微镜结合高光谱技术，实现了对树木的光谱扫描，获取平面光谱信息。中国发明专利说明书(CN109489816A)公开了高光谱结合显微镜实现对显微镜下高光谱图像进行大视野拼接的方法、中国发明专利说明书(CN102661919A)公开了高光谱结合显微镜对目标实现超光谱三维层析成像的装置。实现对样品高光谱图像的三维采集。中国发明专利说明书(CN108742532A)公开了高光谱结合显微镜与超短脉冲激光照明器，实现荧光激发后的宽视场层析超光谱显微成像，该技术属于生物荧光光谱成像范围。

目前，高光谱成像技术获取数据的主要方式有：推扫式、凝视式、傅里叶式

上述所述专利中涉及高光谱、超光谱技术，高光谱或超光谱采集装置，均固定于显微镜的光路中，对样品进行高光谱成像，得到的结果最终为高光谱图像或数据。有明显的不足：其一、显微光路中引入高光谱或超光谱采集装置，增加了滤镜和透镜等光学元件，必然导致原有显微镜图像的清晰度下降。从而导致原有显微镜功能损失，获取的高光谱图像也明显存在分辨率不足的情况。其二、用户使用高光谱显微镜，只能将其作为独立的设备使用，如需进行光学显微观察，会单独另配置一台显微光路模组，造成设备成本的增加和实验室空间的占用。其三、中国发明专利CN102661919A/CN108742532A中所提到的超光谱三维层析成像技术，在执行过程中，无选择地获取了多视野层扫描后得到的所有超光谱图像与数据，必然会造成巨大的数据量，不利于后期图片与模型的处理，模型生成也需较长的处理时间，影响实际操作效率。

根据科研与生产实践的总结，操作者往往仅对显微图像本身以及预定波段的高光谱显微图像与数据感兴趣，因此，开发一种常规显微镜技术与高光谱显微结合的技术，能实现便捷操作，快速得到结果、显示直观，图像与模型生动立体展示与分析，具有现实的意义。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述不足之处提供一种基于高光谱技术的超景深3D显微系统及方法，运行于基于高光谱技术的超景深3D显微系统中，对材料表面的微观状态进行拍照、3D成像、3D测量。并且能够对材料成分以及成分变化做出准确检测。实现高精度微观检测精度同时，能检测材料成分以及成分变化。利于科研人员和检测工作者快速、无损的观察样品微纳结构，微小尺寸缺陷等，确定缺陷等级并测量3D尺寸实现定量、定性分析。

本发明是通过下述方案来实现的：

一种基于高光谱技术的超景深3D显微系统，其至少包括显微光路模组、图像采集装置、高光谱数据采集模组、升降机构和图像工作站；所述图像采集装置能够与显微光路模组和高光谱数据采集模组配合实现光学扫描和高光谱扫描并将数据传递到图像工作站进行处理；所述升降机构能够带动镜头或样品运动，通过改变镜头与样品间的距离，实现对样品的多层扫描。

基于上述一种基于高光谱技术的超景深3D显微系统，该系统还包括支撑机构、基座和XY位移平台，支撑机构直接或间接的与显微光路模组、高光谱数据采集模组连接，升降机构、XY位移平台通过支撑机构和连接装置，直接或间接设置在基座上。

基于上述一种基于高光谱技术的超景深3D显微系统，所述显微光路模组和高光谱数据采集模组的连接方式为固定式和非固定式；当显微光路模组和高光谱数据采集模组为非固定式时，高光谱数据采集模组可移入或移出显微光路模组所在光路。

基于上述一种基于高光谱技术的超景深3D显微系统，当显微光路模组和高光谱数据采集模组为固定式时，显微光路模组和高光谱数据采集模组采用分光装置形成第一光路和第二光路，使显微光路模组和高光谱数据采集模组共用部分光路，第一光路与显微光路模组连接，第二光路与高光谱数据采集模组连接；

或者显微光路模组和高光谱数据采集模组采用独立的光路来分别进行光学扫描和高光谱扫描，光学显微图像采集物镜的光轴与高光谱显微图像的采集物镜的光轴不重合，所述2光轴保持平行。

本方案提供一种基于高光谱技术的超景深3D显微方法，该方法包括以下步骤：

S1：光学显微模式下对待测物体进行3D扫描成像与测量得到光学3D模型；

S2：高光谱显微模式下预定波段光谱图像与信号获取与3D扫描成像与测量得到预定波长下的光学3D模型与景深合成后的图片；

S3：对S2中高光谱扫描的图像或模型进行染色；

S4：将S1中得到的光学3D模型，与S3中得到的染色后高光谱图像3D模型融合，并进行融合后的测量分析。

在S1中，具体步骤可为，

a)、手动调节手动升降模组或通过电脑发出上升/下降指令调节电动升降模组，在电脑屏幕中观察显微图像，直到显微图像出现全部清晰或局部清晰；

b)、在电脑发出上升指令，控制器盒中的驱动器和控制器执行该指令，带动电动升降模组上升，电动升降模组通过连接板、横向支撑板和相应连接块，带动显微光路模组上升找到起伏样品的最高点，在电脑确定最高点的位置；

c)、在电脑发出下降指令，控制器盒中的驱动器和控制器执行该指令，带动电动升降模组下降，电动升降模组通过连接板、横向支撑板和相应连接块，带动显微光路模组下降找到起伏样品的最低点，在电脑确定最低点的位置；

d)、电脑中开始执行由起点向终点多层扫描的命令；在采集每层图像的同时记录该层的高度数据；最终，层高度数据和对应层的图像进入3D合成软件，通过开发的的3D合成算法，实现对样品单个视野的微观表面光学级别3D建模与测量；所得到图像或3D模型可以直接用于处理和分析。

在S2中，具体步骤可为，图像采集装置采集到到当前预定波长范围的图像，通过第二次层析显微扫描的方法获取该预定波段的光谱图像与数据；当需要得到多个波段图时，设定多个预定波段，重复执行多次层析扫描过程；得到多波段的光谱图像与数据、模型。

在S3中，同一个视野中高光谱预定波段下获取的图像，与光学显微图下个相比，高光谱模式下的有效图像一定会少于显微图像，仅有局部图像能与光学显微镜下图像保持重合，重合部分以外的视野，无光信号通过，属于无效图像部分，在图像上会表示成纯黑色；所得到的高光谱图像或3D模型，仅对重合部分进行染色处理。

在S4中，将光学图像与高光谱扫描得到的染色图像进行融合，或将光学3D模型与高光谱扫描后3D染色图像进行融合，得到同时具有精准三维数据与光学颜色和光谱信息、成分信息的结果，在此基础上进行分析。

其具体可包括以下步骤：

S41、将包含纹理、细节、颜色的单视野光学显微图像，与对应区域高光谱染色图像进行叠加，得到单张显微图像与光谱图像的融合后新的图像；

S42、将包含纹理、细节、颜色的单视野光学超景深平面图像，与对应区域高光谱超景深平面染色图像进行叠加，得到单张超景深平面显微图像与光谱图像的融合后的新图像；

S43、单视野光学3D模型与对应区域的高光谱3D染色模型融合，得到单视野光学3D模型与高光谱3D融合后新的3D模型。

S44以上过程，为单视野操作过程，如需大面积观察，配合电动XY平台，执行多视野图像拼接或多视野3D拼接，既能完成。多视野图像拼接或多视野3D拼接，为已有成熟技术，在此不做讨论。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本方案具有无损伤、高精度测量、真实色彩与细节表达、超大视野光学与光谱3D图像、可获取材料反射光谱或透射光谱，从而实现对材料的成分判定与成分统计，检测效率高、成本相对低廉，适用于各类样品微观形态评估与成分检测，具有广泛的适用性。

附图说明

图1为实施例1中整体系统的结构意图；

图2为实施例1中具备摆动连接座后整体系统的结构意图；

图3为实施例2中整体系统的结构意图；

图4为实施例3中整体系统的结构意图：

图5为现有技术中光学显微3D建模原理示意图；

图6为采用现有技术后的3D测量示意图；

图7～图16为采用本方法进行实际运用的实物图；

图中标记：1、显微光路模组；2、图像采集装置；3、高光谱数据采集模组；4、电动位移平台；5、支撑机构；6、基座；7、支撑座；8、照明器；11、显微物镜；12、第一镜筒部；13、第二镜筒部；31、推动模组；32、推动杆；33、限位槽；34、高光谱采集器；61、升降支撑座；62、手动升降模组；63、电动升降模组；64、横向支撑板；65、连接板；66、摆动连接座；67、摆动腔；68、固定件；69、第一图像采集器；610、第二图像采集器；612、第三镜筒部；613、第一连接镜筒；614、第一物镜；615、第二连接镜筒；616、第二物镜。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书(包括任何附加权利要求、摘要)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有预定的方位、以预定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或隐含地包括一个或多个该特征。

背景技术中提到，由于现有的光谱显微检测设备，无法兼顾高清晰显微细节与样品的成分和成分变化进行同时表达，在实际实用过程中用用范围相对局限，有鉴于此，本实施例提出的技术方案如下方案。

实施例1

如图1和图2所示，本发明提供一种技术方案：

一种基于高光谱技术的超景深3D显微系统，其至少包括但不限于显微光路模组1、图像采集装置2、高光谱数据采集模组3、电动升降模组63和图像工作站；图像采集装置2能够与显微光路模组1和高光谱数据采集模组3、电动升降模组63配合实现光学扫描和高光谱扫描并将数据传递到图像工作站进行处理；、电动升降模组63控制镜头升降和执行多层扫描功能。

基于上述结构，通过显微光路模组1、电动升降模组63和图像工作站得到目标区域常规的光学显微图像与光学显微3D模型；通过高光谱数据采集模组3与电动升降模组63和图像工作站能够得到目标区域预设波长下高光谱图像与数据；通过图像工作站件处理将光学显微图像与光学显微3D模型和预设波长下高光谱图像与数据进行融合或叠加，通过电动平台4完成大视野的光谱超景深图像与3D模型的拼接，使之能达到无损伤、高精度测量、真实色彩与细节表达、超大视野光学与光谱3D图像、可获取材料反射光谱或透射光谱，从而实现对材料的成分判定与成分统计，同时本系统检测效率高、成本相对低廉，适用于各类样品微观形态评估与成分检测，具有广泛的适用性。

作为示例的，该系统还包括电动位移平台4，电动位移平台4能够通过自身移动调节被测物体的位置配合扫描。

作为示例的，该系统还包括支撑机构5和基座6，支撑机构5直接或间接的与显微光路模组1、高光谱数据采集模组3连接，电动位移平台4和支撑机构5均设置在基座6上；电动升降模组63通过手动升降模组62、升降支撑座61与基座6连接。

电动位移平台4与基座6的接触端上可以设置有支撑座7，用于对电动位移平台4进行支撑，使之稳定的连接在基座6上。电动位移平台4可替换为手动XY平台，用于手动调节样品位置。

基于上述结构，通过支撑机构5和基座6，分别为显微光路模组1、高光谱数据采集模组3及电动位移平台4、电动升降模组63提供支撑，使之形成一个稳定的结构。

作为示例的，显微光路模组1和高光谱数据采集模组3的连接方式可以为固定式和非固定式；

当显微光路模组1和高光谱数据采集模组3为非固定式时，高光谱数据采集模组3可移入或移出显微光路模组1所在光路，即：共用物镜与光路、相机，两次采集；

其具体结构如图1所述，支撑结构可以包括升降支撑座61、手动升降模组62、电动升降模组63、横向支撑板64和连接板65；升降支撑座61与基座6连接，手动升降模组62设置在升降支撑座61的侧壁上，电动升降模组63与手动升降模组62的运动端连接，连接板65与电动升降模组63的运动端连接，横向支撑板64垂直于连接板65设置。

高光谱数据采集模可以包括推动模组31、推动杆32、限位槽33和高光谱采集器34；推动模组31和限位槽33均通过支撑件与横向支撑板64连接，限位槽33的结构与高光谱采集器34的结构相适配，推动杆32分别与推动模组31和高光谱采集器34连接，推动模组31能够带动高光谱采集器34沿预定方向进行往复移动；推动模组31可采用电动或手动的工作方式。

显微光路模组1可以包括显微物镜11、第一镜筒部12和第二镜筒部13；第一镜筒部12和第二镜筒部13之间设有供高光谱采集器34通过的间隙，第一镜筒部12通过固定件68与横向支撑板64连接，第二镜筒部13与横向支撑板64的底部位置连接，第一镜筒部12和第二镜筒部13同轴设置。

基于上述机构，通过升降支撑座61、手动升降模组62和电动升降模组63的三级伸缩作用，使之能够高精度的对不同高度位置的被测物体进行扫描；同时通过设置推动模组31和推动杆32，能够将高光谱采集器34推动或推出显微光路模组1所在的光路系统，使之通过一套机构实现光学扫描和高光谱扫描，并通过图像采集装置2对图像进行采集，并传输到图像工作站中间处理。

作为示例的，高光谱采集模组采用凝视型高光谱采集方案。

作为示例的，当显微光路模组1和高光谱数据采集模组3为非固定式时，高光谱数据采集模组3一端设有光谱采集模组移入移出装置，移入移出装置可以电控方式或手动方式控制。

作为示例的，升降支撑座61与基座6的连接关系为可摆动，其具体为，升降支撑座61与基座6之间设置有摆动连接座66，摆动连接座66中设置有供升降支撑座61连接摆动腔67，升降支撑座61的底部位置与摆动腔67铰接，同时在升降支撑座61与摆动腔67的铰接处设置固定件68，通过固定件68可以将升降支撑座61的摆动角度进行锁定，具体可以为带螺纹的螺杆和限位件，限位件旋入和旋出可以实现对于升降支撑座61的固定和释放。

在本方案中，显微光路模组1和/或高光谱数据采集模组3的光轴与电动位移平台4的实际运动平面的位置关系分为：垂直与非垂直；(平行于X平台运动方向的直线a与平行于Y平台轴运动方向的直线b，直线a与b相交形成平面c，电动位移平台4的实际运动平面与平面C平行或重合)。

垂直：此为常规工作状态；

非垂直：为检测大角度倾斜平面或垂直摆放样品的侧面，支撑显微镜的升降支撑座61因此需要设计为可摆动角度型，当所述立柱摆动角度，显微镜光轴联动摆动角度，以垂直方向为0°，摆动角度在0°－－90°之间，此时光轴与所述工作平面C不垂直。

作为示例的，电动位移平台4装可以设置有位置反馈装置，具体可为光栅等，以此来确保实时采集电动位移平台4的具体位置。

作为示例的，电动位移平台4和可伸缩的支撑结构形成三维电动位移结构，支撑结构上被支撑的部件为支撑部，三维电动位移结构与支撑部的位置关系可以为两种关系：

a、样品移动工作式，在此情况下，三维电动位移结构分为整体式和分离式；

1)整体式：X/Y/Z位移平台设计为一体式。样品放置与所述一体平台上；

2)分离式：X/Y位移平台为一体式，样品放置在X/Y位移平台，Z向位移平台独立安装，其运动方向平行显微镜的光轴。

B、样品静止工作方式：在此情况下，三维电动位移结构分为为：整体式与分离式；

1)整体式：样品静止，连接显微光路模组1和高光谱数据采集模组3的立柱安装X/Y/Z电动位移平台4上；

2)分离式：样品静止，X/Y位移平台为一体式，显微光路模组1和高光谱数据采集模组3的立柱安X/Y一体位移平台，Z向位移平台独立安装于所述立柱上，其运动方向平行显微镜的光轴。

作为示例的，第一图像采集器69和第二图像采集器610至少为黑白显微相机或彩色显微相机的一种。

作为示例的，一种基于高光谱技术的超景深3D显微系统还可以包括照明器8和主控制箱，主控制箱设置有电源模块供，照明器8设置在显微物镜11上；照明器8具体可以为同轴照明器8，照明器8可根据需要配置不同的波长。第二镜筒部13的下部可设有物镜转盘，可安置多个物镜，满足不同倍数的检测要求。

作为示例的，同轴照明器8成一字型设计，可减小体积。该照明器8采用LED照明，由主控制箱中的电源模块供电。第二镜筒部13中对应位置设有半反半透反射镜，达到同轴照明的效果。

作为示例的，照明器8可采用环形照明器8，也可采用同轴照明器8、倾斜入射照明器8、偏光照明器8等适合显微镜的照明方式。

为光学图像与光谱图像、信号采集提供照明、激发的光源，即可以是自然光照明(380nm－650nm波长)。也可以是人造可见光(380nm－650nm波长)、或不可见光(比如紫外光激发照明，波长《380nm，或红外光照明、激发，比如红外、近红外。远红外等波长》680nm的光源。

作为示例的，图像采集装器采用黑白CCD或黑白CMOS(本例采用映美精公司DMK33GX290型黑白工业相机，其图像传感器为sonyIMX290芯片)，实施3D建模后能得到样品表面纹理结构。

作为示例的，电动升降模组63使用的步进电机为5相步进电机，以保证移动的平稳性，并配置由光栅尺，可精准反馈位置信息，形成闭环系统。防止移动过程中出现丢步的现象，并能准确记录移动的距离，确保最终测量的准确性。

作为示例的，本实施例电动位移平台4采用的步进电机为5相步进电机(或采用纳米压电位移平台)，以保证移动的平稳性并配置由光栅尺，可精准反馈位置信息，形成闭环系统，防止移动过程中出现丢步的现象，并能准确记录XY平台实时位置数据，确保最终测量的准确性；

本实施例中主控制箱壳体上设有通讯接口，内含XYZ电动控制单元与对应的驱动器、高光谱信号传输控制模块、图像传输模块、电源模块。

本实施例显微光路模组1即可采用单筒高倍显微镜(金相物镜)，也可采用单筒低倍显微镜。

本系统能够对面积对材料表面的微观状态进行3D成像、拍照、精准3D测量和高光谱的3D建模、成分统计与判定，实现显微级的检测精度，并确保定量与定性的统一；

本方案所述检测类型包括样品表面颜色、显微细节、3D形貌与3D空间测量、材料的反射光谱或透射光谱，材料成分的统计与判定等定性定量观测。

实施例2

基于上述实施例1中的结构，本实施例与实施例1类似，其不同之处在于当显微光路模组1和高光谱数据采集模组3为固定式时，显微光路模组1和高光谱数据采集模组3可以采用分光装置形成第一光路和第二光路，使显微光路模组1和高光谱数据采集模组3共用部分光路，第一光路与显微光路模组1连接，第二光路与高光谱数据采集模组3连接。

其具体如图3所示，支撑结构可以包括升降支撑座61、手动升降模组62、电动升降模组63、横向支撑板64和连接板65；升降支撑座61与基座6连接，手动升降模组62设置在升降支撑座61的侧壁上，电动升降模组63与手动升降模组62的运动端连接，连接板65与电动升降模组63的运动端连接，横向支撑板64垂直于连接板65设置。

高光谱数据采集模组3可以包括第一图像采集器69和高光谱采集器34，高光谱采集器34与第一图像采集器69连接，高光谱采集器34与横向连接板65支架设置有第一镜筒部12；横向连接板65底部设置有第二镜筒部13，第一镜筒部12和第二镜筒部13同轴设置。

显微光路模组1可以包括第二图像采集器610和第三镜筒部612；第二图像采集器610第三镜筒部612连接，第三镜筒部612与第一镜筒部12连接，第二镜筒部13下设置有显微物镜11；

高光谱采集器34、第一镜筒部12和第二镜筒部13形成第一光路；第三镜筒部612、第一镜筒部12和第二镜筒部13形成第二光路。

基于上述结构，通过升降支撑座61、手动升降模组62和电动升降模组63的三级伸缩作用，使之能够高精度的对不同高度位置的被测物体进行扫描；同时设置不同的光路分别在独立的光路中实现光学扫描和高光谱扫描，仅在物镜处共用部分光路。

作为优选的，第二图像采集器610可以使用彩色显微相机，可以得到真实色彩的光学显微图片与模型，以及合成后的彩色光学显微图片与模型。利于结果更加生动、形象、直观。

作为优选的，第一图像采集器69可以采用黑白相机，利于采集最多的光谱图像与信号。

其操作过程与实施列1类似。只需保证光学显微图像采集时，电脑调用第一图像采集器69，执行一个完整多层扫描；在高光谱显微图像采集时，电脑调用第二图像采集器610，重复执行一个完整多层扫描其余过程相同。

实施例3

基于上述实施例1中的结构，本实施例与实施例1类似，其不同之处在于当显微光路模组1和高光谱数据采集模组3为固定式时，不共用光路，采用完全不同的独立的光路来分别进行光学扫描和高光谱扫描；光学显微图像采集物镜的光轴与高光谱显微图像的采集物镜的光轴不重合，所述2光轴保持平行，为使视野范围重合，需要通过精密XY平台来补偿所述两条物镜光轴的空间距离。

其具体如图4所示，支撑结构可以包括升降支撑座61、手动升降模组62、电动升降模组63、横向支撑板64和连接板65；升降支撑座61与基座6连接，手动升降模组62设置在升降支撑座61的侧壁上，电动升降模组63与手动升降模组62的运动端连接，连接板65与电动升降模组63的运动端连接，横向支撑板64垂直于连接板65设置。

高光谱数据采集模组3可以包括第一图像采集器69、高光谱采集器34、第一连接镜筒613和第一物镜614，高光谱采集器34与第一图像采集器69连接，高光谱采集器34与第一连接镜筒613连接；第一连接镜筒613与横向连接板65连接；第一物镜614设置在横向连接板65底部，第一连接镜筒613和第一物镜614同轴设置。

显微光路模组1可以括第二图像采集器610、高光谱采集器34、第二连接镜筒615和第二物镜616，高光谱采集器34与第二图像采集器610连接，高光谱采集器34与第二连接镜筒615连接；第二连接镜筒615与横向连接板65连接；第二物镜616设置在横向连接板65底部，第二连接镜筒615和第二物镜616同轴设置；

基于上结构，高光谱数据采集模组3负责采集光谱图像与光谱信号，显微光路模组1只负责采集光学显微图像，两种图像的视野范围一致、分辨率一致。视野的重合依靠电动位移平台4运动补偿来实现。此时、独立高光谱采集模组的物镜光轴与独立光学采集模组光轴保持平行。即：不共用物镜，位移补偿、独立两次采集。

作为优选的，第二图像采集器610可以使用彩色显微相机，可以得到真实色彩的光学显微图片与模型，以及合成后的彩色光学显微图片与模型。利于结果更加生动、形象、直观。

作为优选的，第一图像采集器69可以采用黑白相机，利于采集最多的光谱图像与信号。

其操作过程与实施例2类似。只需保证光学显微图像采集时，电脑调用第一图像采集器69，执行一个完整多层扫描；在高光谱显微图像采集时，电脑调用第二图像采集装置2，其余过程相同。通过精密XY平台来补偿所述光学显微图像采集物镜光轴与高光谱显微图像的采集物镜光轴的空间距离，以使两光轴保持重合。其余过程相同。

实施例4

本实施例提供一种基于高光谱技术的超景深3D显微方法，该方法包括以下步骤：

S1：光学显微模式下对待测物体进行3D扫描成像与测量得到光学3D模型(光学扫描)；

S2：高光谱显微模式下预定波段光谱图像与信号获取与3D扫描成像与测量得到预定波长下的(高光谱扫描)；

S3：对S2中高光谱扫描的图像或模型进行染色；

S4：将S1中得到的光学3D模型，与S3中得到的染色后高光谱图像3D模型融合，并进行融合后的测量分析。

在S1中，具体步骤可为，显微光路模组1对样品表面3D扫描成像；再由高光谱数据采集模组3、照明器8、图像采集装置2、电动升降模组63、支撑机构5和图像工作站实施一个完整的光学级别3D扫描动作。

具体步骤如下

a)、手动调节手动升降模组62或通过电脑发出上升/下降指令调节电动升降模组63，在电脑屏幕中观察显微图像，直到显微图像出现全部清晰或局部清晰；

b)、在电脑发出上升指令，控制器盒中的驱动器和控制器执行该指令，带动电动升降模组63上升，电动升降模组63通过连接板65、横向支撑板64和相应连接块，带动显微光路模组1上升找到起伏样品的最高点，在电脑确定最高点的位置(终点)；

c)、在电脑发出下降指令，控制器盒中的驱动器和控制器执行该指令，带动电动升降模组63下降，电动升降模组63通过连接板65、横向支撑板64和相应连接块，带动显微光路模组1下降找到起伏样品的最低点，在电脑确定最低点的位置(起点)；

d)、电脑中开始执行由起点向终点多层扫描的命令；在采集每层图像的同时记录该层的高度数据；最终，层高度数据和对应层的图像进入3D合成软件，通过开发的的3D合成算法，实现对样品单个视野的微观表面光学级别3D建模与测量；所得到图像或3D模型可以直接用于处理和分析；可包括以下结果：单视野显微图像、单视野平面超景深图像、单视野光学3D模型。

e)、拼接：如需要拼接；可分为普通平面拼接、超景深平面拼接、3D模型拼接；其中普通平面拼接：软件采集第一张图片后、手动移动X/Y平台或在电脑发出X/Y方向移动指令，控制器盒中的驱动器和控制器执行该指令，带动电动位移平台4移动，样品移动到预设的第二视野，软件采集第二张图片，在软件中实现两张图像拼接，以此类推，得到超于单个视野面积的大面积的显微图像；

超景深平面拼接与3D模型拼接：在得到第一个超景深平面图像或3D模型后，手动移动X/Y平台或在电脑发出X/Y方向移动指令，控制器盒中的驱动器和控制器执行该指令，带动电动位移平台4移动，样品移动到预设的第二视野，再执行上述a、b、c、d过程，由此完成第二个扫描动作，得到第二个超景深平面图像或3D模型；第一个超景深平面图像或3D模型与第二个超景深平面图像或3D模型即可实现拼接，完成超景深平面图像和3D观察的视野拓展；由此类推，多个视野实现拼接，最终可以得到所需观察的大面积3D模型或超景深平面图像，实现远超于单个视野面积的大面积3D观测和大面积超景深平面图像测量；

f)、普通平面拼接、超景深平面拼接、3D模型拼接也可以由以下所述方法实现：在电脑软件中设定好电动位移平台4的起点与终点，由软件自动判定采集个数和采集路径的行进方向，电脑自动执行自动拼接，一次性完成大面积普通平面拼接、超景深平面拼接、3D模型拼接的采集。

在S2中，具体步骤可为，高光谱数据采集模组3对样品表面3D扫描成像，由高光谱数据采集模组3、照明器8、图像采集装置2、电动位移平台4、支撑机构5和图像工作站组成，实施一个完整的高光谱显微3D扫描动作；

具体如下步骤：

设定高光谱数据采集模组3波段范围，仅允许预定波段的光通过高光谱采集模组；图像采集装置2采集到到当前预定波长范围的图像，通过第二次层析显微扫描的方法获取该预定波段的光谱图像与数据，可包括以下结果：单视野光谱图像、单视野平面超景深光谱图像、单视野光谱3D模型。

如有需要，可设定多个预定波段，重复执行多次层析扫描过程。得到多波段的光谱图像与数据、模型。

具体的客重复上述S1过程中过的a、b、c、d、e、f过程，可以得到高光谱模式下预定波段的高光谱图像与高光谱3D模型，高光谱图像与高光谱3D模型可直接用于分析和处理。

在S3中，具体步骤可为，在同一个视野中高光谱预定波段下获取的图像，与光学显微图下个相比，高光谱模式下的有效图像一定会少于显微图像，仅有局部图像能与光学显微镜下图像保持重合，重合部分以外的视野，因为没有光信号，在图像上会表示成黑色；得到的高光谱图像，即可对非黑色部分进行染色处理；本方法中图像染色处理，是一个成熟技术，非本发明关注点，在此不再论述。

在S4中，具体步骤可为，

将光学图像与高光谱扫描得到的染色图像进行融合，或将光学3D模型与高光谱扫描后3D染色图像进行融合，得到同时具有精准三维数据与光学颜色和光谱信息、成分信息的结果，在此基础上进行分析。

其具体可包括以下步骤：

S41、将包含纹理、细节、颜色的单视野光学显微图像，与对应区域高光谱染色图像进行叠加，得到单张显微图像与光谱图像的融合后新的图像；

S42、将包含纹理、细节、颜色的单视野光学超景深平面图像，与对应区域高光谱超景深平面染色图像进行叠加，得到单张超景深平面显微图像与光谱图像的融合后的新图像；

S43、单视野光学3D模型与对应区域的高光谱3D染色模型融合，得到单视野光学3D模型与高光谱3D融合后新的3D模型；

上述过程仅仅针对单视野显微图像，因为显微图像视野往往较小，如需得到更大视野的图像与模型，只需要驱动电动位移平台4，对每个视野的图像与模型，按照既定路线、步长、运动速度，运动重复执行光学扫描和高光谱扫描作业，然后将所得到的图像或模型进行拼接，就能完成大视野的光谱超景深图像与3D模型，图像与3D模型的拼接方法，已经非常成熟，属于现有技术，在此不做论述。

本方案中将各类数据需要汇聚在电脑中进行处理，电脑中安装有3D成像测量软件：

该3D软件具有同时采集多层光学图像和单层图像对应高度的功能，利用显微镜固有的小景深的特点(最小景深《1微米，景深外模糊，景深内清晰)。该软件通过清晰度比较算法，去除每层图像中的景深外模糊部分，保留每层图像中景深内清晰部分，最终通过保留下来的具有高度数据的清晰部分，实现光学3D成像与建模。

软件同时具有利用高光谱采集模块的预定波段选择功能，采集预定波段下样品表面形貌数据和3D建模功能；

软件具有高光谱3D图像与模型染色合功能；

软件具有光学图像与高光谱染色图像融合功能；

软件具有光学3D模型与高光谱3D染色模型融合功能；

本软件同时具有(光学与高光谱)：单张图像测量、多张图像拼接后测量，单个3D模型测量和多个3D模型拼接后测量、光学与高光谱融合3D成像与测量等功能。

本方案同时给出光学显微3D建模原理示意图，如图5所示，基于建模后3D测量示意图，如图6所示。

本方案同时给出采用本方案具体在实际中运用图。如图7～图16所示，在图7中可以看到，图中多层图像中圆框内物质颜色与其他黑色杂质颜色接近；

在图8中可以看到，光学显微模式下获取的纯光学显微图像(层析扫描合成)圆框与方框物质不同，但反射颜色接近；

在图9中可以看到，光学显微模式下获取的纯光学3D图像(层析扫描3D合成)；

在图10中可以看到，高光谱模式下预定波段的多层图像(圆框内部分)；

在图11中可以看到，高光谱模式下预定波段的层析扫描合成图像(圆框内部分)；

在图12中可以看到，高光谱模式下预定波段的层析扫描3D图像；

在图13中可以看到，染色后的图像；特定光谱图象重新着色后的新的图像

在图14中可以看到，染色后的3D模型；特定光谱图象重新着色后的新的模型。

在图15中可以看到，图8和图13合成后的新的图像，(圆框内表达成分明显与方框内其他黑色杂质区分)。

在图16中可以看到，图9和图10融合后的新的3D模型，(圆框内表达成分明显与方框内其他黑色杂质区分)，通过采用本方法，可以看到：原有无法区分性质的目标点，通过光谱技术实现了定性分析，并拥有原有的显微细节。本方法结合3D专用成像测量软件，实现常规光学显微图像捕捉与光学3D建模、高光谱数据采集与高光谱图像捕捉、高光谱图像3D建模功能。高光谱采集器34设定预定波段后获得的3D光谱图像与模型，染色后再与常规光学图像和3D模型叠加融合，得到新的图像与3D模型。最终在常规的光学显微图像、3D模型上表达出预定材料成分对应的局部图像和3D模型。从而更加准确，直观、立体的表达不同成分在样品中的含量。通过上述两次层析扫描的过程，配合高光谱技术，该系统在实现高精度的检测同时并保有样品表面的微观细节与真实颜色和光谱信息，利于科研人员和检测工作者快速、无损的观察样品、测试样品成分的百分含量、微纳表观结构、确定缺陷等级并测量3D尺寸，实现精准定性、定量分析。本专利不仅能够无损观测微纳尺寸形态情况，同时具有无需制样，大面积检测样品、颜色表达真实的特点，并在上述基础上快速确定样品成分变化情况，统计样品成分组成，实现了光学与高光谱3D检测的统一、利于材料微观轮廓检测与微区物质成分统计、鉴别。具有较好的原创性与实用性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于高光谱技术的超景深3D显微系统，其特征在于，其至少包括显微光路模组、图像采集装置、高光谱数据采集模组、升降机构和图像工作站；所述图像采集装置能够与显微光路模组和高光谱数据采集模组配合实现光学扫描和高光谱扫描并将数据传递到图像工作站进行处理；所述升降机构能够带动镜头或样品运动，通过改变镜头与样品间的距离，实现对样品的多层扫描。

2.如权利要求1所述的一种基于高光谱技术的超景深3D显微系统，其特征在于：该系统还包括支撑机构、基座和XY位移平台，支撑机构直接或间接的与显微光路模组、高光谱数据采集模组连接，升降机构、XY位移平台通过支撑机构和连接装置，直接或间接设置在基座上。

3.如权利要求1或2所述的一种基于高光谱技术的超景深3D显微系统，其特征在于：所述显微光路模组和高光谱数据采集模组的连接方式为固定式和非固定式；当显微光路模组和高光谱数据采集模组为非固定式时，高光谱数据采集模组可移入或移出显微光路模组所在光路。

4.如权利要求3所述的一种基于高光谱技术的超景深3D显微系统，其特征在于：当显微光路模组和高光谱数据采集模组为固定式时，显微光路模组和高光谱数据采集模组采用分光装置形成第一光路和第二光路，使显微光路模组和高光谱数据采集模组共用部分光路，第一光路与显微光路模组连接，第二光路与高光谱数据采集模组连接；

或者显微光路模组和高光谱数据采集模组采用独立的光路来分别进行光学扫描和高光谱扫描，光学显微图像采集物镜的光轴与高光谱显微图像的采集物镜的光轴不重合，2光轴保持平行。

5.一种基于高光谱技术的超景深3D显微方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

S1：光学显微模式下对待测物体进行3D扫描成像与测量并得到光学3D模型与景深合成后的图片；

S2：高光谱显微模式下预定波段光谱图像与信号获取与3D扫描成像与测量得到预定波长下的光学3D模型与景深合成后的图片；

S3：对S2中高光谱扫描的图像或模型进行染色；

S4：将S1中得到的光学3D模型或图片，与S3中得到的染色后高光谱图像3D模型或图片融合，并进行融合后的测量分析。

6.如权利要求5所述的一种基于高光谱技术的超景深3D显微方法，其特征在于：在S1中，具体步骤可为，

a)、手动调节手动升降模组或通过电脑发出上升/下降指令调节电动升降模组，在电脑屏幕中观察显微图像，直到显微图像出现全部清晰或局部清晰；

b)、在电脑发出上升指令，控制器盒中的驱动器和控制器执行该指令，带动电动升降模组上升，电动升降模组通过连接板、横向支撑板和相应连接块，带动显微光路模组上升找到起伏样品的最高点，在电脑确定最高点的位置；

c)、在电脑发出下降指令，控制器盒中的驱动器和控制器执行该指令，带动电动升降模组下降，电动升降模组通过连接板、横向支撑板和相应连接块，带动显微光路模组下降找到起伏样品的最低点，在电脑确定最低点的位置；

d)、电脑中开始执行由起点向终点多层扫描的命令；在采集每层图像的同时记录该层的高度数据；最终，层高度数据和对应层的图像进入3D合成软件，通过开发的的3D合成算法，实现对样品单个视野的微观表面光学级别3D建模与测量；所得到图像或3D模型可以直接用于处理和分析。

7.如权利要求5或6所述的一种基于高光谱技术的超景深3D显微方法，其特征在于：在S2中，具体步骤可为，图像采集装置采集到到当前预定波长范围的图像，通过第二次层析显微扫描的方法获取该预定波段的光谱图像与数据；当需要得到多个波段图时，设定多个预定波段，重复执行多次层析扫描过程；得到多波段的光谱图像与数据、模型。

8.如权利要求5或6所述的一种基于高光谱技术的超景深3D显微方法，其特征在于：在S3中，同一个视野中高光谱预定波段下获取的图像，与光学显微图下个相比，高光谱模式下特定波段的有效图像一定会少于显微图像，仅有局部图像能与光学显微镜下图像保持重合，重合部分以外的视野，无光信号通过，属于无效图像部分，在图像上会表示成纯黑色；所得到的高光谱图像或3D模型，仅对重合部分进行染色处理。

9.如权利要求5或6所述的一种基于高光谱技术的超景深3D显微方法，其特征在于：在S4中，将光学图像与高光谱扫描得到的染色图像进行融合，或将光学3D模型与高光谱扫描后3D染色图像进行融合，得到同时具有精准三维数据与光学颜色和光谱信息、成分信息的结果，在此基础上进行分析。

10.如权利要求9所述的一种基于高光谱技术的超景深3D显微方法，其特征在于：其具体可包括以下步骤：

S41、将包含纹理、细节、颜色的光学显微图像，与对应区域高光谱非融合单张染色图像进行叠加，得到单张显微图像与单张光谱图像的融合后新的图像；

S42、将包含纹理、细节、颜色的单视野光学超景深平面图像，与对应区域高光谱超景深平面染色图像进行叠加，得到单张超景深平面显微图像与超景深光谱图像的融合后的新图像；

S43、单视野光学3D模型与对应区域的高光谱3D染色模型融合，得到单视野光学3D模型与高光谱3D融合后新的3D模型。