CN201364140Y - 一种显微成像高精度三维检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种显微成像高精度三维检测装置，包括计算机系统和显微镜，并在所述显微镜上加装数字CCD图像传感器和光栅尺，并将其与及计算机系统相连接，在显微镜光源和载物台之间加装光学梯度衰减片和控制机构，提高检测系统的清晰度和精度，为激光束精细加工、集成电路及生物医学检测等提供更高水平的检测手段。

Description

一种显微成像高精度三维检测装置

技术领域

本实用新型涉及一种高精度检测领域，特别涉及一种显微成像高精度三维检测装置。

背景技术

随着科学技术的高速发展，精细加工的精度不断提高和加工对象的不断变化，对几何量的检测提出了越来越高的要求。在激光精细加工的检测中，目前通常广泛地采用普通的显微镜加CCD连接计算机系统作为观察及二维检测系统。由于在目前的CCD图像传感器制造技术条件下，图像传感器的动态范围由它的信号饱和电平和噪声电平决定。它反映了器件在不同光照度下的工作范围。其数值可以用输出端的信号峰值电压与均方根噪声电压的比值来表示，其单位符号通常为dB，一般为60-80dB，而人眼在观察目标时，可以看清目标的最低照度为1lx，在夏天的中午，当目标照度达到3×10⁵lx时，人眼仍可以看清目标。由此可知，通过眼睛瞳孔的自动调节，人眼分辨物体的动态范围大致为110dB，用动态范围较小的图像传感器记录动态范围较高的图像，总会有图像信息的丢失。对高动态范围的图像的显示也碰到同样的困难，一般需进行对数变换后进行显示。现有的图象处理装置可以对一帧图像进行处理，实现图像的增强、校正和变换等处理，但其能力有限，对记录时就已经丢失的信息是很难或根本不能在后续的处理过程中得到恢复。

目前市场的显微镜作为检测系统存在以下几方面的问题。一是检测系统通过CCD所获取的显微图像的在一定的光照条件所摄取的，动态范围较窄，尤其是光照过亮或过暗，均会影响显微成像质量，因此无法记录和表达检测场景中亮区和暗区的图像信息，增加其细节特征，难以在满足特定检测环境下微细精密加工产品检测；二是无法实现被检测物体的三维检测，使用不方便，缺乏人性化的检测功能和操作界面。

为了得到工件加工清晰显微图像，实现对加工效果进行客观分析、科学评判和精确测量，急需在观察、检测前提高显微图像的动态范围，以获取场景的丰富信息。另外，实现被检物体的Z轴信息的测量，对提高检测系统的应用范围也具有重要的意义。

发明内容

本实用新型是针对现在高精度检测中信息易流失的问题，提出了一种显微成像高精度三维检测装置，在所述显微镜上加装数字CCD图像传感器和光栅尺，并将其与及计算机系统相连接，在显微镜光源和载物台之间加装光学梯度衰减片和控制机构，满足特定检测环境下微细精密加工产品检测要求。

本实用新型的技术方案为：一种显微成像高精度三维检测装置，包括显微成像系统、载物平台、显微镜光源、电机、计算机系统，还包括梯度衰减片、光栅尺和CCD图像传感器，显微成像系统正下方为载物平台，被测器件放在载物平台上，在载物平台和下方的显微镜光源之间有梯度衰减片，载物平台由电机驱动，光栅尺安装在显微成像系统的调焦机构中，光栅尺与计算机系统连接，将Z轴位移信息送入计算机系统，计算机系统与电机控制连接，CCD图像传感器与显微成像系统连接，并通过图象采集卡与计算机系统连接。

所述光栅尺选用SM12为一精密小型光栅测量系统，由一套精密直线滚珠轴承，复位弹簧，玻璃光栅，LED光照系统组成。

本实用新型的有益效果在于：本实用新型显微成像高精度三维检测装置，提高检测系统的清晰度和精度，并通过加装光栅尺的装置，实现Z轴运动量的检测改进和提高显微图像检测精度，为激光束精细加工、集成电路及生物医学检测等提供更高水平的检测手段。

附图说明

图1为本实用新型显微成像高精度三维检测装置中宽动态显微成像检测装置示意图；

图2为本实用新型显微成像高精度三维检测装置中人眼对不同灰度级别敏感特性图；

图3为本实用新型显微成像高精度三维检测装置中多分辨率锥形层次图；

图4为本实用新型显微成像高精度三维检测装置中宽动态显微图像生成流程图。

具体实施方式

首先，由计算机系统控制光学梯度衰减片到第一位置，再通过数字CCD采集图像到计算机内存中，然后控制光学梯度衰减片到第二位置，通过数字CCD再采集同一场景的不同灰度一帧图像到计算机内存中，这两帧不同灰度强度的同一场景图像，包含了宽的动态范围，将由后续的处理合成一帧高动态范围输出。

由于显微系统摄取的视频图像序列往往存在一些杂乱无章、随机分布的噪声即高斯噪声，为了能准确地选取每一帧不同灰度图像的特征点，则必须对图像进行预处理。Laplacian边缘检测算子是对二维函数进行运算的二阶微分算子，是偏导数运算的线性组合。它将可在边缘处产生一个陡峭的零交叉。Laplacian检测算子能增强所围特征点所在的区域，同时能减弱灰度变化小的区域，通常这些区域包围着边缘。另外Laplacian变换还具有旋转不变性，对于边缘，不同的方向都能同等的被增强，所以经过Laplacian变换后的图像不会被输入图像可能的旋转所影响。因此可选择Laplacian边缘检测算子进行图像进行预处理，有利于特征的提取。值得注意的是Laplacian算子不仅对像素灰度梯度变化很敏感同时对噪声也非常敏感，由于显微系统所摄取的视频图像往往存在一些杂乱无章、随机分布的噪声即高斯噪声，为了能准确地选取一帧图像的特征点，本实用新型采用把高斯平滑滤波器和拉普拉斯锐化滤波器结合了起来的装置，先平滑掉噪声，后进行边缘检测，获得了效果较好。

其次，由于显微成像设备在成像过程中，不可避免地会出现抖动或偏转等情况，导致同一场景图像间产生小的平移或旋转，致使合成的宽动态范围图像模糊不清，因此在图像融合前应该先进行图像配准，同一场景图像序列的配准是保证高动态图像质量的关键。配准的基本思想是从同一场景不同曝光的两帧图像中任选一幅(为了结果更为准确，我们选择第一帧图像)作为参考图像或基准图像，来与其后一帧图像进行比较，获取它与前一帧图像的平移和旋转矢量，从而确定同一场景两帧图像像素点的对应关系。

本实用新型提出一种利用特征点进行图像匹配的算法。为了提高特征点的匹配运算速度，本实用新型提出利用多分辨率匹配技术。单帧多分辨率结构，底层为最高分辨率(即原始图像)。层越高，图像分辨率越低。用不同的低通滤波器或二次抽样就可获得相应的低分辨率的图像。多分辨率匹配的思想是从最低分辨率级开始，逐次地，在每一层进行运动估计，由较低分辨率级确定位移粗估计。这样，在较高分辨率级下，用前一较低分辨率级位移矢量作为起始估计进行匹配，可使位移矢量估计得到精细的调整，不仅有一较理想的初始值，还可以实现用较小的搜索窗达到较大的搜索范围。可用高斯多分辨率锥形层次图或拉普拉斯多分辨率锥形层次图实现特征点的匹配，其原理图如图3多分辨率锥形层次图所示。

本实用新型采用以下二维的运动模型，来确定表征图像帧间的平移量和绕光轴的旋转量。这种变换模型可定义如下：

$\left(\begin{array}{c}{X}_i\\ Y_i\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\Θ}& -\sin \mathrm{\Θ}\\ \sin \mathrm{\Θ}& \cos \mathrm{\Θ}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{X}_j\\ Y_j\end{array}\right)+\left(\begin{array}{c}\mathrm{\ΔX}\\ \mathrm{\ΔY}\end{array}\right)---\left(1\right)$

在这里，(X_i，Y_i)和(X_j，Y_j)是在不同的曝光时间t_i和t_j时，所摄取同一视场两帧图像像素的坐标，其中(X_i，Y_i)是参考图像，(ΔX，ΔY)^t是在参考帧图像坐标系下所测的平移矢量，Θ是两帧图像的旋转角度。通过代入N个匹配的特征点即可得一个线性方程组。每一对特征点可得到两个方程，因此，线形系统共有2N个方程、3个未知量，即：Θ、ΔX和ΔY。通过解线形方程组，可以得到两帧图像间的旋转和平移的运动参数：θ和Δx、Δy。最后利用所得的运动参数实现图像的配准。

最后将配准后的两帧不同曝光的同一场景照片图像融合成一幅高动态范围图像。我们知道，对于8位的灰度图像，其灰度值范围为0～255级。根据人眼对灰度的分辨能力，如图2人眼对不同灰度级别敏感特性图可知，在图像灰度很高或很低的情况下，人眼对灰度分辨力差，而在图像灰度的中间区域，人的眼睛的分辨力比较强。从图2可以看出，在0级灰度附近，人眼对灰度变化不敏感，仅灰度的级差达到8个灰度级别时，才能分辨出(即可感到0级灰度和8级灰度的亮度差别，而对于0级与7级灰度则视为同一种亮度)；在128级灰度附近，当图像的灰度变化有两个灰度级别时，人眼睛就可分辨其差别；而在255级灰度附近，人眼睛可分辨出3个灰度级的变化差别。根据人眼的这一视觉特性，利用图像处理的装置对其进行处理。在低灰度级和高灰度级区域，将灰度级间隔(定义为一灰度级与其相邻两个灰度级距离之和的一半)进行拉伸，使人眼更好分辨。在中等低灰度级区域，对灰度级间隔过大的图像，可适当地压缩灰度级间隔，而将剩余的灰度级数分配给低灰度级和高灰度级区域。

本实用新型采用的图像融合算法是从两幅不同曝光的图像的相同位置点取灰度值f₁(x，y)和f₂(x，y)采用线性加权的融合算法得到融合后的图像f(x，y)，即：

f(x，y)＝k₁f₁(x，y)+k₂f₂(x，y)

在上式中k₁和k₂分别是两帧图像对应的点的权值。从人眼对灰度的分辨能力图3中得知，人眼比较敏感的区域是32～192灰度之间的区域。在这个区域中，人眼至少可以分辨出2个灰度级的灰度变化，在灰度为60附近，甚至对一个灰度级的变化都能察觉得到。所以本实用新型选取两个边界值：T₁＝32和T₂＝192，将两帧不同曝光的图像的灰度均值划分成三个区域，采用权值不同的装置进行合成。其权值k₁和k₂的确定算法如下：

if{[f₁(x，y)+f₂(x，y)]/2＜T₁}

{k₁＝0.5{[f₁(x，y)+f₂(x，y)]/2}/T，k₁＝1-k₂}；

else  if{[f₁(x，y)+f₂(x，y)]/2＞T₂}

{k₂＝0.5{256-[f₁(x，y)+f₂(x，y)]/2}/(256-T₂)，k₁＝1-k₂}；

else  {k₁＝k₂＝0.5}；

采用以上的算法，利用两帧不同曝光的图像f₁(x，y)和f₂(x，y)，我们就可以得到融合后的图像f(x，y)，其中图像f(x，y)具有更宽的动态范围。

如图1和4所示，检测硬件平台主要由显微成像系统9、载物平台7、梯度衰减片6、显微镜光源5、电机4、光栅尺3、计算机系统2和CCD图像传感器1组成，显微成像系统9下方为载物平台7，被测器件8放在载物平台7上，在载物平台7和下方的显微镜光源5之间有梯度衰减片6，光栅尺3安装在显微成像系统9的调焦机构中，通过系统的调焦运动，由光栅尺检测其Z轴的位移，从而实现被检测物体的两个Z轴面的几何量位移信息，光栅尺3将Z轴位移信息送入计算机系统，计算机系统通过控制电机调节梯度衰减片6的位置，CCD图像传感器1与显微成像系统9连接，并通过图象采集卡将信号送入计算机系统2。

CCD图像传感器1选用型号为：JVC TK-C921EC主要参数：1/3″CCD，44万像素，535电视线的水平分辨率，0.7Lux的最低照度，50dB的高信噪比(AGC OFF)，可开/关的自动增益控制(AGC)，可自动跟踪(ATW)/手动设定的白平衡方式，可开/关的自动背光补偿功能(BLC)可接受24V AC及12V DC两种电源供应。

显微成像系统9为：Nikon E200光学系统CFI60无限远光学系统，齐焦距离60mm放大倍数40-1500X，目镜筒，三目镜筒，目镜CFIE 10X(视场直径：20mm)，CFIE 15x(视场直径：12mm)物镜CFIE平场消色差物镜：4X、10X、40X、100X，也可选其它较高级物镜，照明6V20W卤素灯。

图象采集卡：北京嘉恒中自图像技术有限公司的OK_C30B卡，它基于PCI总线，能采集彩色又能采集黑白图像的采集卡，适用于图像处理、工业监控和多媒体的压缩、处理等研究开发和工程应用领域。是OK系列的二代产品，采用了10位高精度的视频A/D，梳状滤波，抗混叠滤波等技术。OK_C30A卡的性能优于且兼容其替代卡

计算机系统2：联想启天M4880(P4631 512s80VN(XP))处理器类型：Pentium 4 631标称主频(MHz)：3000配置内存容量(MB)：512M硬盘容量：80GB显示器类型：显示器尺寸：17英寸

光栅尺3：SM12是精密的小型光栅测量系统，适用于小量程的精密测量.SM12光栅尺将直线的位移变化转换为脉冲信号。脉冲信号的数量对应移动的距离，脉冲频率则反应了运动速度。SM12本体部分由一套精密直线滚珠轴承，复位弹簧，玻璃光栅，LED光照系统组成。SM12输出信号为矩形方波。A，B相两相，相差90°的两路波形，能够指示出移动距离以及方向。Z相波形为零位脉冲信号，一般位于测量长度的中间位置。输出信号可根据需要是线性差动或者TTL方波。测量长度12.5mm分辨率0.1μm准确度±1μm/12mm，最大测量速度0.5ms^-1弹簧耐压0.4-0.8N，工作电压5Vss±5％，电流(LD线性差动输出)最大为130mA，电流(TTL输出)最大50mA，防护等级IP40，工作温度0-50℃，绝缘阻抗最小为20MW，输出信号(LD线性差动输出)RS422为20mA，输出信号(TTL输出)L最大0.5V at＜10mA。H最小3.5V at＞2.5mA。

检测方法：显微成像系统9首先定位于第一个Z轴面，并通过自动对焦获取最清晰的显微图像；若需要进行Z轴测量，则通过调焦定位到第二个Z轴面，并通过自动对焦获取最清晰的显微图像，并通过光栅尺3读取其Z轴信息，并显示；若需要进行平面检测，则通过计算机2调节梯度衰减片6的位置，控制场景的照度，并由计算机2控制数字CCD图像传感器1获取两帧不同曝光量同一场景图像；对两帧不同曝光量的进行存储备份后，对其进行高斯滤波后再拉普拉斯边缘增强处理，实现滤除噪声、强化图像的边缘特征；采用特征点匹配法实现同一场景两帧显微图像的配准；根据人眼的视觉识别特性曲线将配准两帧不同灰度的图像f₁(x，y)和f₂(x，y)的灰度分成三个区间，在低灰度级和高灰度级区域，将灰度级间隔进行拉伸，便于人眼分辨，在中等低灰度级区域，对灰度级间隔进行适当地压缩灰度级间隔，并将剩余灰度级数分配给低灰度级和高灰度级区域，并确定各区间的像素在图像数据融合时的权值k₁和k₂；根据两帧不同曝光的图像数据f₁(x，y)和f₂(x，y)，代入公式f(x，y)＝k₁f₁(x，y)+k₂f₂(x，y)进行图像数据融合，获取新动态范围扩展的图像f(x，y)；并在图像f(x，y)实现平面检测。

Claims (2)

1、一种显微成像高精度三维检测装置，包括显微成像系统、载物平台、显微镜光源、电机、计算机系统，其特征在于，还包括梯度衰减片、光栅尺和CCD图像传感器，显微成像系统正下方为载物平台，被测器件放在载物平台上，在载物平台和下方的显微镜光源之间有梯度衰减片，载物平台由电机驱动，光栅尺安装在显微成像系统的调焦机构中，光栅尺与计算机系统连接，将Z轴位移信息送入计算机系统，计算机系统与电机控制连接，CCD图像传感器与显微成像系统连接，并通过图象采集卡与计算机系统连接。

2、根据权利要求1所述显微成像高精度三维检测装置，其特征在于，所述光栅尺选用SM12为一精密小型光栅测量系统，由一套精密直线滚珠轴承，复位弹簧，玻璃光栅，LED光照系统组成。

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