CN210741402U - 大视场微观3d形貌多通道测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型具体涉及一种大视场微观3D形貌多通道测量装置，该装置包括：复色光照明模块、纵向色散增强型光学成像模块、多通道光谱灰度图像采集模块、高精度三轴载物台、图像分析与载物台控制模块。该装置能实现一次自动聚焦后，在无载物台轴向运动的情况下，完成样本大视场微观3D形貌测量，具有高横向分辨率、高纵向测量精度、毫米量级纵向测量范围、英寸级大视场横向测量范围的微观3D形貌测量的优点。

Description

大视场微观3D形貌多通道测量装置

技术领域

本实用新型属于光学显微成像领域，涉及一种大视场微观3D形貌测量装置和方法。

背景技术

现有微观三维形貌测量技术存在诸多不足，如扫描类显微检测观测范围小，环境抗干扰能力低；干涉测量方法需要大量轴向扫描限制了该方法的测量效率；传统共焦显微测量单点机械扫描，难以实现实时快速的三维测量；并行共焦测量技术虽然实现了同一共焦剖面上样点的同时探测，但仍需纵向扫描或者辅助设备的机械扫描，扫描过程的多次启停以及机械扫描的振动，一定程度上限制了其测量效率和测量精度。例如，现有申请号CN201510922156.X，解决了传统并行共焦测量技术逐层纵向扫描的问题，但仍需分别在局部观测视场的焦面焦前、焦后采集样本灰度图片，还存在机械启停运动，效率较低，一定程度上限制了微观3D形貌还原从局部观测视场向大视场的拓展。因此，目前亟需一种光学测量方法来解决以上问题以实现高精度，高效率，大视场范围的微观3D形貌测量。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种大视场微观3D形貌多通道测量装置，以及一种大视场微观3D形貌多通道测量方法。该装置及在该装置上实施的大视场微观3D形貌多通道测量方法能实现一次自动聚焦后，无载物台轴向运动的样本大视场微观3D形貌测量。该方法能实现高横向分辨率、高纵向测量精度、毫米量级纵向测量范围、英寸级大视场横向测量范围的微观3D形貌测量。

本实用新型的技术方案如下：

所述大视场微观3D形貌多通道测量装置，包括复色光照明模块、纵向色散增强型光学成像模块、图像分析与载物台控制模块。

所述复色光照明模块按照光路传播方向依次设置有：复色光源、聚光镜、均匀准直光透镜组、半反半透分光镜、带纵向色散的物镜。

所述纵向色散增强型光学成像模块按照光路传播方向依次设置有：高精度三轴载物台、带纵向色散的物镜、半反半透分光镜、带纵向色散的管镜、多通道光谱灰度图像采集模块。

所述图像分析与载物台控制模块按照信号传递方向依次设置有：多通道光谱灰度图像采集模块、图像分析与载物台控制系统、高精度三轴载物台。

所述复色光照明模块与纵向色散增强型光学成像模块共用半反半透分光镜、带纵向色散的物镜。

所述纵向色散增强型光学成像模块和所述图像分析与载物台控制模块共用所述多通道光谱灰度图像采集模块和高精度三轴载物台；

所述多通道光谱灰度图像采集模块，其通道数为N，且N≥2，均包括：长波通二向色镜，窄带滤光片，管镜，图像传感器。

所述多通道光谱灰度图像采集模块的各通道，彼此处于共轭位置。

所述多通道光谱灰度图像采集模块的多个通道可零时差同时采集N(N≥2)幅不同中心波长光谱波段的样品灰度图像I_n(x,y)，0≤x≤X，0≤y≤Y，1≤n≤N，其中X为光谱灰度图像总行数，Y为光谱灰度图像总列数。

所述纵向色散增强型光学成像模块，包括至少一个带纵向色散的物镜，或者包括至少一个带纵向色散的管镜，或是其他的有益组合。

所述纵向色散增强型光学成像模块对于不同波段光信号具有不同的焦距或者像距，即在同一物距下，不同波段物体清晰成像轴向位置不同，可以根据多光谱图像传感器清晰成像波段反推物体表面高度。

所述纵向色散增强型光学成像模块需消除横向色散。

所述高精度三轴载物台能实现高精度纵向Z轴运动和水平方向X轴，Y轴运动。

在上述大视场微观3D形貌多通道测量装置上实现的大视场微观3D形貌多通道测量方法，包括以下步骤：

步骤1，将待测样本放置于高精度三轴载物台上；

步骤2，调节所述高精度三轴载物台，使得多通道光谱灰度图像采集模块某一光谱波段成像通道对样品清晰成像；

步骤3，通过所述多通道光谱灰度图像采集模块获取N(N≥2)幅样品在不同中心波长光谱波段灰度图像I_n(x,y)，0≤x≤X，0≤y≤Y，1≤n≤N，其中X为光谱波段灰度图像总行数，Y为光谱波段灰度图像总列数；

步骤4，计算每幅光谱灰度图像的清晰度值F_n，所述清晰度值F_n可根据Laplacian函数，Brenner函数，Tenengrad函数等图像清晰度评价函数进行计算；

步骤5，对清晰度最大的两相邻通道采集的光谱灰度图像清晰度值F_n进行做差处理，获取离焦差动信号F_D＝F_n-1-F_n；

步骤6，通过预先刻度的离焦差动信号F_D与离焦量关系曲线，获取离焦量值及离焦方向信号；

步骤7，通过图像分析及载物台控制系统调节高精度三轴载物台至光学成像系统聚焦面，完成自动聚焦；

步骤8，重复步骤3所述操作；

步骤9，对相邻通道采集的光谱灰度图像每一点(x,y)进行做差处理，求得多通道光谱图像灰度差I_D(x,y)＝I_n(x,y)-I_n-1(x,y)；

步骤10，通过预先标定的多通道光谱图像灰度差I_D与纵向高度Z_n关系曲线，计算还原样本表面形貌Z(x,y)；

步骤11，完成一个观测视场的样品表面形貌还原后，通过图像分析及载物台控制系统控制高精度三轴载物台进行水平方向X轴，Y轴运动，切换至下一个观测视场，重复步骤8至步骤10的操作。若完成全部观测视场的样品表面形貌还原，进行步骤12的操作；

步骤12，对所有观测视场下的微观3D表面形貌进行图像拼接，完成大视场微观3D形貌多通道测量。

上述大视场微观3D形貌多通道测量方法，还包括大视场微观3D形貌多通道测量装置使用中的自动聚焦过程的样品离焦方向的判断方法，具体来说：

(1)以样品聚焦时，图像清晰度值最大的光谱波段为中心波段；

(2)如果清晰度最大的两相邻光谱波段其一为中心波段，且中心波段为较长波段，且中心波段的光谱图像清晰度值大于另一波段光谱图像清晰度值，则该点处在光学成像系统的正离焦面，且离焦量较小；

(3)如果清晰度最大的两相邻光谱波段其一为中心波段，且中心波段为较长波段，且中心波段的光谱图像清晰度值小于另一波段光谱图像清晰度值，则该点处在光学成像系统的正离焦面，且离焦量较大；

(4)如果清晰度最大的两相邻光谱波段其一为中心波段，且中心波段为较短波段，且中心波段的光谱图像清晰度值大于另一波段光谱图像清晰度值，则该点处在光学成像系统的负离焦面，且离焦量较小；

(5)如果清晰度最大的两相邻光谱波段其一为中心波段，且中心波段为较短波段，且中心波段的光谱图像清晰度值小于另一波段光谱图像清晰度值，则该点处在光学成像系统的负离焦面，且离焦量较大；

(6)如果清晰度最大的两相邻光谱波段不包括中心波段，且两波段小于中心波段，则该点处在光学成像系统的正离焦面，且离焦量很大；

(7)如果清晰度最大的两相邻光谱波段不包括中心波段，且两波段大于中心波段，则该点处在光学成像系统的负离焦面，且离焦量很大。

上述大视场微观3D形貌多通道测量方法，还包括多通道光谱图像灰度差I_D(x,y)与纵向高度Z_n关系曲线标定方法，操作步骤如下：

步骤10.1，调节高精度三轴载物台，同时获取不同光谱图像采集通道的中心波长光谱波段的轴向光强与离焦量的轴向特性曲线I_λn，1≤n≤N；

步骤10.2，对不同光谱图像采集通道的中心波长光谱波段的轴向光强与离焦量的轴向特性曲线I_λn进行归一化处理；

步骤10.3，以波段λ₁，λ₂为例，实际操作不局限于λ₁，λ₂，将不同中心波长光谱波段λ1，λ2的灰度图像做差处理I_λ1-I_λ2，获得波段λ₁，λ₂的差动曲线I_D；

步骤10.4，对差动曲线I_D的线性区进行线性函数拟合，获取多通道光谱图像灰度差I_D与纵向高度Z_n关系的标定曲线。

上述大视场微观3D形貌多通道测量方法，其特征在于：还可以包括对光学成像系统照明光不均进行修正处理，其修正处理方式主要通过将上述获得的灰度差或差动曲线除以两波段灰度图像对应点灰度值之和实现。

上述大视场微观3D形貌多通道测量方法，其特征在于：还可以包括对抗样品反射率不均进行修正处理，其修正处理方式主要通过将上述步骤中获得的不同中心波长光谱波段灰度图像的灰度值乘以一个相对反射系数来实现。所述相对反射系数以表面反射率最大的物质为基础，设置为1，其他物质相对反射系数为物质最高反射率除以该物质反射率。通过该修正处理方式可以实现同一高度不同反射率物质的在同一波段下灰度图像的灰度值相等。

上述大视场微观3D形貌多通道测量方法，其特征在于：还可以包括对多通道光谱成像系统不同光谱波段图像灰度由于滤镜透过率随波段变化或者照明光强度随波段变化或者多光谱相机量子效应随波段变化而进行补偿处理，其补偿处理方式主要通过将上述步骤中获得的不同中心波长光谱波段灰度图像的灰度值乘以一个波段调整系数来实现。所述波段调整系数获取方式为：在具体给定空间均匀复色光源照明下，采用多光谱相机对一个对不同波段具有均匀反射率的表面平整样品获取N幅光谱图像，最大灰度图像灰度调整系数为1，其他N-1波段图像的灰度调整系数为最大灰度图像灰度均值除以该波段图像灰度均值。

本实用新型同现有的微观3D形貌测量技术相比，采用非接触式扫描，非单点扫描或逐层扫描，能实现一次自动聚焦后，无载物台轴向运动的样本大视场微观3D形貌测量。该方法能实现高横向分辨率、高纵向测量精度、毫米量级纵向测量范围、英寸级大视场横向测量范围的微观3D形貌测量。

附图说明

图1是大视场微观3D形貌多通道测量装置的结构示意图。

图2是大视场微观3D形貌三通道测量装置的结构示意图。

图中：1-复色光源、2-聚光镜、3-均匀准直光透镜组、4-半反半透分光镜、5-带纵向色散的物镜、6-高精度三轴载物台、7-带纵向色散的管镜、8-长波通二向色镜Ⅰ、9-窄带滤光片Ⅰ、10-管镜Ⅰ、11-图像传感器Ⅰ、12-长波通二向色镜Ⅱ、13-窄带滤光片Ⅱ、14-管镜Ⅱ、15-图像传感器Ⅱ、16-窄带滤光片N或窄带滤光片Ⅲ、17-管镜N、18-图像传感器N、19-图像分析与载物台控制系统。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合说明书附图，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

本实用新型的大视场微观3D形貌多通道测量装置结构示意图如说明书附图1所示，主要包括复色光照明模块、纵向色散增强型光学成像模块、图像分析与载物台控制模块。其中，纵向色散增强型光学成像模块中包括多通道光谱灰度图像采集模块，该多通道光谱灰度图像采集模块的光谱灰度图像采集通道可设置多个，下面将结合具体实施例对其做进一步说明。

实用新型具体实施例一

本具体实施例为装置实施例。

本实施例是具体将光谱灰度图像采集通道设置成三个以获得大视场微观3D形貌三通道测量装置，结构示意图如说明书附图2所示，该装置包括复色光照明模块、纵向色散增强型光学成像模块、图像分析与载物台控制模块。

所述复色光照明模块按照光路传播方向依次设置有：复色光源1、聚光镜2、均匀准直光透镜组3、半反半透分光镜4、带纵向色散的物镜5。

所述纵向色散增强型光学成像模块按照光路传播方向依次设置有：高精度三轴载物台6、带纵向色散的物镜5、半反半透分光镜4、带纵向色散的管镜7、多通道光谱灰度图像采集模块。

所述图像分析与载物台控制模块按照信号传递方向依次设置有：多通道光谱灰度图像采集模块、图像分析与载物台控制系统19、高精度三轴载物台6。

所述复色光照明模块与纵向色散增强型光学成像模块共用半反半透分光镜4、带纵向色散的物镜5。

所述纵向色散增强型光学成像模块和所述图像分析与载物台控制模块共用所述多通道光谱灰度图像采集模块和高精度三轴载物台6。

所述纵向色散增强型光学成像模块，包括至少一个带纵向色散的物镜5，或者包括至少一个带纵向色散的管镜7，或是其他的有益组合。

所述纵向色散增强型光学成像模块对于不同波段光信号具有不同的焦距或者像距，即在同一物距下，不同波段物体清晰成像轴向位置不同，可以根据多光谱图像传感器清晰成像波段反推物体表面高度。

所述纵向色散增强型光学成像模块需消除横向色散。

所述高精度三轴载物台6能实现高精度纵向Z轴运动和水平方向X轴，Y轴运动。

所述大视场微观3D形貌三通道测量装置具体实施例的多通道光谱灰度图像采集模块，其通道数为3，均包括：长波通二向色镜，窄带滤光片，管镜，图像传感器。

上述3组光谱灰度图像采集通道分别标号为Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，其中，

光谱灰度图像采集通道Ⅰ，按照光路传播方向，包括：二向色镜Ⅰ8，窄带滤光片Ⅰ9，管镜Ⅰ10，图像传感器Ⅰ11；

光谱灰度图像采集通道Ⅱ，按照光路传播方向，包括：二向色镜Ⅱ12，窄带滤光片Ⅱ13，管镜Ⅱ14，图像传感器Ⅱ15；

光谱灰度图像采集通道Ⅲ，按照光路传播方向，包括：二向色镜Ⅱ12，窄带滤光片Ⅲ16，管镜Ⅲ17，图像传感器Ⅲ18。

上述光谱灰度图像采集通道Ⅱ和光谱灰度图像采集通道Ⅲ共用二向色镜Ⅱ12。

上述3组光谱灰度图像采集通道，彼此处于共轭位置。

上述3组光谱灰度图像采集通道可零时差采集3幅不同光谱波段下的样品光谱灰度图像I_n(x,y)，0≤x≤X，0≤y≤Y，n＝1,2,3，其中X为光谱波段灰度图像总行数，Y为光谱波段灰度图像总列数。

具体实施例二

本实施例为在具体实施例一所述的装置上实现的方法实施例。

本实施例的大视场微观3D形貌三通道测量方法，包括以下步骤：

步骤1，将待测样本放置于高精度三轴载物台6上；

步骤2，调节所述高精度三轴载物台6，使得3组光谱灰度图像采集模块某一光谱波段成像通道对样品清晰成像；

步骤3，通过所述多通道光谱灰度图像采集模块获取3幅样品在不同中心波长光谱波段灰度图像I_n(x,y)，0≤x≤X，0≤y≤Y，1≤n≤N，其中X为光谱波段灰度图像总行数，Y为光谱波段灰度图像总列数；

步骤4，计算每幅光谱灰度图像的清晰度值F_n，所述清晰度值F_n可根据Laplacian函数，Brenner函数，Tenengrad函数等图像清晰度评价函数进行计算；

步骤5，对清晰度最大的两相邻通道采集的光谱灰度图像清晰度值F_n进行做差处理，获取离焦差动信号F_D＝F_n-1-F_n；

步骤6，通过预先刻度的离焦差动信号F_D与离焦量关系曲线，获取离焦量值及离焦方向信号；

步骤7，通过图像分析及载物台控制系统19调节高精度三轴载物台6至光学成像系统聚焦面，完成自动聚焦；

步骤8，重复步骤3所述操作；

步骤9，对相邻通道采集的光谱灰度图像每一点(x,y)进行做差处理，求得多通道光谱图像灰度差I_D(x,y)＝I_n(x,y)-I_n-1(x,y)；

步骤10，通过预先标定的多通道光谱图像灰度差I_D与纵向高度Z_n关系曲线，计算还原样本表面形貌Z(x,y)；

步骤11，完成一个观测视场的样品表面形貌还原后，通过图像分析及载物台控制系统19控制高精度三轴载物台6进行水平方向X轴，Y轴运动，切换至下一个观测视场，重复步骤8至步骤10的操作。若完成全部观测视场的样品表面形貌还原，进行步骤12的操作；

步骤12，对所有观测视场下的微观3D表面形貌进行图像拼接，完成大视场微观3D形貌多通道测量。

本实施例的大视场微观3D形貌三通道测量方法，还包括大视场微观3D形貌三通道测量装置具体实施例使用中的自动聚焦过程的样品离焦方向的判断方法，具体来说：

(1)以样品聚焦时，图像清晰度值最大的光谱波段为中心波段；

(2)如果清晰度最大的两相邻光谱波段其一为中心波段，且中心波段为较长波段，且中心波段的光谱图像清晰度值大于另一波段光谱图像清晰度值，则该点处在光学成像系统的正离焦面，且离焦量较小；

(3)如果清晰度最大的两相邻光谱波段其一为中心波段，且中心波段为较长波段，且中心波段的光谱图像清晰度值小于另一波段光谱图像清晰度值，则该点处在光学成像系统的正离焦面，且离焦量较大；

(4)如果清晰度最大的两相邻光谱波段其一为中心波段，且中心波段为较短波段，且中心波段的光谱图像清晰度值大于另一波段光谱图像清晰度值，则该点处在光学成像系统的负离焦面，且离焦量较小；

(5)如果清晰度最大的两相邻光谱波段其一为中心波段，且中心波段为较短波段，且中心波段的光谱图像清晰度值小于另一波段光谱图像清晰度值，则该点处在光学成像系统的负离焦面，且离焦量较大；

(6)如果清晰度最大的两相邻光谱波段不包括中心波段，且两波段小于中心波段，则该点处在光学成像系统的正离焦面，且离焦量很大；

(7)如果清晰度最大的两相邻光谱波段不包括中心波段，且两波段大于中心波段，则该点处在光学成像系统的负离焦面，且离焦量很大。

本实施例的大视场微观3D形貌多通道测量方法，还包括多通道光谱图像灰度差I_D(x,y)与纵向高度Z_n关系曲线标定方法，包括以下步骤：

步骤10.1，调节高精度三轴载物台6，同时获取3组光谱图像采集通道的中心波长光谱波段的轴向光强与离焦量的轴向特性曲线I_λn，1≤n≤N；

步骤10.2，对3组光谱图像采集通道的中心波长光谱波段的轴向光强与离焦量的轴向特性曲线I_λn进行归一化处理；

步骤10.3，以波段λ₁，λ₂为例，实际操作不局限于λ₁，λ₂，将不同中心波长光谱波段λ1，λ2的灰度图像做差处理I_λ1-I_λ2，获得波段λ₁，λ₂的差动曲线I_D；

步骤10.4，对差动曲线I_D的线性区进行线性函数拟合，获取多通道光谱图像灰度差I_D与纵向高度Z_n关系的标定曲线。

本实施例的大视场微观3D形貌三通道测量方法，还包括对光学成像系统照明光不均进行修正处理，其修正处理方式主要通过将上述获得的灰度差或差动曲线除以两波段灰度图像对应点灰度值之和实现。

本实施例的大视场微观3D形貌三通道测量方法，还包括对抗样品反射率不均进行修正处理，其修正处理方式主要通过将上述步骤中获得的不同中心波长光谱波段灰度图像的灰度值乘以一个相对反射系数来实现。所述相对反射系数以表面反射率最大的物质为基础，设置为1，其他物质相对反射系数为物质最高反射率除以该物质反射率。通过该修正处理方式可以实现同一高度不同反射率物质的在同一波段下灰度图像的灰度值相等。

本实施例的大视场微观3D形貌三通道测量方法，还包括对多通道光谱成像系统不同光谱波段图像灰度由于滤镜透过率随波段变化或者照明光强度随波段变化或者多光谱相机量子效应随波段变化而进行补偿处理，其补偿处理方式主要通过将上述步骤中获得的不同中心波长光谱波段灰度图像的灰度值乘以一个波段调整系数来实现。所述波段调整系数获取方式为：在具体给定空间均匀复色光源照明下，采用多光谱相机对一个对不同波段具有均匀反射率的表面平整样品获取N幅光谱图像，最大灰度图像灰度调整系数为1，其他N-1波段图像的灰度调整系数为最大灰度图像灰度均值除以该波段图像灰度均值。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种大视场微观3D形貌多通道测量装置，其特征在于：包括复色光照明模块、纵向色散增强型光学成像模块、图像分析与载物台控制模块，

所述复色光照明模块按照光路传播方向依次设置有：复色光源(1)、聚光镜(2)、均匀准直光透镜组(3)、半反半透分光镜(4)、带纵向色散的物镜(5)；

所述纵向色散增强型光学成像模块按照光路传播方向依次设置有：高精度三轴载物台(6)、带纵向色散的物镜(5)、半反半透分光镜(4)、带纵向色散的管镜(7)、多通道光谱灰度图像采集模块；

所述图像分析与载物台控制模块按照信号传递方向依次设置有：多通道光谱灰度图像采集模块、图像分析与载物台控制系统(19)、高精度三轴载物台(6)；

所述复色光照明模块与纵向色散增强型光学成像模块共用所述半反半透分光镜(4)和带纵向色散的物镜(5)；

所述纵向色散增强型光学成像模块和所述图像分析与载物台控制模块共用所述多通道光谱灰度图像采集模块和高精度三轴载物台(6)；

所述多通道光谱灰度图像采集模块，其通道数为N，且N≥2，每个通道均包括：长波通二向色镜，窄带滤光片，管镜和图像传感器；

所述测量装置能完成一个观测视场的样品表面形貌还原后，通过图像分析及载物台控制系统(19)控制高精度三轴载物台(6)进行水平方向X轴，Y轴运动，切换至下一个观测视场直至完成全部观测视场的样品表面形貌还原。

2.根据权利要求1所述的大视场微观3D形貌多通道测量装置，其特征在于：所述多通道光谱灰度图像采集模块的各通道，彼此处于共轭位置。

3.根据权利要求1所述的大视场微观3D形貌多通道测量装置，其特征在于：所述多通道光谱灰度图像采集模块的多个通道可零时差同时采集N幅不同中心波长光谱波段的样品灰度图像I_n(x,y)，其中，N≥2，0≤x≤X，0≤y≤Y，1≤n≤N，X为光谱灰度图像总行数，Y为光谱灰度图像总列数。

4.根据权利要求1所述的大视场微观3D形貌多通道测量装置，其特征在于：所述纵向色散增强型光学成像模块，包括至少一个带纵向色散的物镜(5)，或者包括至少一个带纵向色散的管镜(7)。

5.根据权利要求1所述的大视场微观3D形貌多通道测量装置，其特征在于：所述纵向色散增强型光学成像模块需消除横向色散。

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