一种双摄像头并行共焦差动显微3D形貌测量装置及方法与流程

本发明属于光学显微成像及微观表面形貌测量领域，更具体地说，涉及一种双摄像头并行共焦差动显微3d形貌测量装置以及方法。

背景技术：

现有微观三维形貌测量技术存在诸多不足，如电子扫描类显微镜检测观测范围小，环境抗干扰能力低；光学干涉测量方法需要大量轴向扫描限制了该类方法的测量效率。基于传统激光扫描共焦显微成像方法的双探测器差动共焦测量需要逐点扫描，难以实现实时快速的三维测量；例如，北京理工大学申请号为201310026956.4的发明专利和哈尔滨工业大学申请号为201410617222.8的发明专利，它们通过针孔实现轴向层析能力，通过差动进一步提升轴向测量精度，然而它们都需要对样本做横向逐点扫描，才能完成对整个视场范围的三维测量，它们的缺陷是：在横向分辨点位超过1百万点时候，难以实现高于1hz的多点高精度纵向测量。结构光照明显微技术可以避免水平方向的逐点扫描，也可以提升横向分辨能力到超过光学成像系统的衍射极限，但仍然需要光栅的横向移动来产生不同相位的结构光及进行相位调制；并且，结构光主要用于提升横向光学分辨能力，其纵向解析能力不及共轭针孔方案高。例如，西安交通大学申请号为201510707518.3的发明专利在相位调制结构光成像方案基础上，采用差动式来提升纵向测量精度,该方法避免水平方向的逐点扫描，且纵向测量精度高于传统结构光方法，然而仍有不足，首先，该方法仍需通过光栅的机械运动来产生相位调制的结构光，效率较低。其次，其纵向测量精度难以实现纳米级别高精度。华侨大学申请号为201510922156x的已有并行共焦测量技术，通过纵向移动显微物镜与样本之间的相对距离，使用一个面阵探测器分别获取样本表面在焦平面之前一副图像即焦前图像，之后将样本移动到焦后等距离地方再采集样本焦后灰度图片，通过两幅图像之差构建差动纵向响应曲线，实现纳米精度并行共焦3d测量。尽管该方法克服了传统激光扫描共焦3d测量技术需要在水平方向逐点扫描且在纵向方向逐层扫描的问题，然而该方法仍有不足，还需要移动样本才能构建一个视场的3d形貌。该方法与相位调制结构光成像方案一样，一个观察视场需要停留才能完成该观察视场fov的3d成像，因此不利于需要子孔径拼接的大样本的快速多视场扫描，不利于大样本的3d形貌观察与测量。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。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种双摄像头并行共焦差动显微3d形貌测量装置以及测量方法。该装置及在该装置上实施的双摄像头并行共焦差动显微3d形貌测量方法能实现一次样本摆放后，在无载物台轴向运动的情况下，通过双摄像头差动完成样本大视场微观3d形貌测量；该方法能实现高横向分辨率、纳米级测量精度、英寸级大视场横向测量范围的微观3d形貌测量。

本发明的技术方案如下：

一种双摄像头并行共焦差动显微3d形貌测量装置，包括双摄像头图像采集模块、照明模块、光学成像模块、图像分析及电动载物台控制模块；

双摄像头图像采集模块按照光路传播方向，依次包含：半反半透分光镜、管镜、图像传感器。其中，半反半透分光镜将成像光路分成两个等价成像光路，半反半透分光镜的理想分光比为50％：50％，允许的分光比之差小于40％，两个图像传感器以面阵相机作为探测器，分别放置在与成像光路的成像焦面前及焦面后等距离uf位置处；两个图像传感器有效感光表面与成像光路光轴垂直，两个图像传感器有效视场重合，重合度高于90％；

所述照明模块按照光路传播方向，依次包含：照明光源、聚光镜、均匀光透镜组，空间光调制器，准直透镜、半反半透分光镜、显微物镜，电动载物台，放置在载物台上的样本；

所述照明模块的空间光调制器放置在与光学成像系统物方焦面及像方焦面共轭位置，可以对照明光进行细分为多束彼此独立、彼此分开的空间阵列光束照射到样本表面，实现对样本表面照射位置的精准调控，起到并行针孔的作用或者阵列可开关针孔的作用；空间光调制器起到共聚焦照明针孔的作用，实现并行共焦作用，共焦起到提升纵向解析能力，并行提升测量速度，因此并行共焦实现快速高精度纵向解析能力。

所述光学成像模块按照光路传播方向，依次设置有：样本、显微物镜、半反半透分光镜、管镜和图像传感器；所述照明模块与所述光学成像模块共用半反半透分光镜；所述光学成像模块与所述双摄像头图像采集模块共用半反半透分光镜和管镜。

所述图像分析及电动载物台控制模块包含对双图像传感器起始曝光及曝光时间长度进行控制的控制部件，从双图像传感器读取图像信息的图像读取部件，对图像进行运算处理的图像处理部件，对测得的3d形貌进行显示的图像显示部件，对电动载物台至少一个方向运动进行控制的控制部件。

所述照明模块中，在所述空间光调制器之前，还包含一个全内反射透镜，用于调整照明光的角度满足空间光调制器入射条件。

所述照明模块还包含均匀光透镜组，实现对样本全视场的均匀光照明，所述均匀光透镜组核心部件可以是微透镜阵列。

所述双摄像头图像采集模块的两个图像传感器轴向位置可高精度调整；当它们与成像系统焦面距离ub与uf均为零时，两个图像传感器输出图像一致，即它们的视场范围及图像像素灰度值在误差许可范围内相等。

所述显微物镜可以是包含多个物镜的物镜转盘，当物镜为低数字孔径物镜时，它们与成像系统焦面距离相等且较大，当物镜转换为高数字孔径物镜时候，它们与成像系统焦面距离相等且较小；但是它们始终在垂直于光轴方向偏离光轴的距离为零，即没有横向位移；有效感光面始终保持与成像光路光轴垂直，两个图像传感器输出图像视场范围保持一致，重合度高于90％。这样可以保证两图像传感器关于焦面对称，而轴向位置可高精度调整，是为了迎合不同物镜像方离焦量不同的特点，保证切换物镜时，可以调节不同的离焦量。

所述双摄像头图像采集模块的两个图像传感器可零时差同时采集样本焦前、焦后相等失焦距离的灰度图像if(x,y)、ib(x,y)，0≤x≤x，0≤y≤y，其中x为灰度图像总行数，y为灰度图像总列数。

所述控制部件可以控制电动载物台实现纵向z轴运动和水平方向x轴，y轴运动，所述电动载物台的表面倾斜程度低于5％。

所述双摄像头并行共焦差动显微3d形貌测量装置，还可以包括物镜轴向移动部件，该部件与物镜相连，驱动物镜沿着光轴方向做高精度移动，所述物镜轴向移动部件可以是步进电机或者压电陶瓷电机。

在上述双摄像头并行共焦差动显微3d形貌测量装置上实现的一种双摄像头并行共焦差动显微3d形貌测量方法，包括以下步骤：

步骤1，将待测样本(13)放置于电动载物台(14)上；

步骤2，调节所述电动载物台(14)，使得待测样本表面处于所述双摄像头并行共焦差动显微3d形貌测量装置的测量范围之内；

步骤3，通过所述双摄像头图像采集模块同时获取样本焦前、焦后相等失焦距离的灰度图像if(x,y)、ib(x,y)，0≤x≤x，0≤y≤y，其中x为灰度图像总行数，y为灰度图像总列数；

步骤4，对获取的样本焦前、焦后相等失焦距离的灰度图像if(x,y)、ib(x,y)进行做差处理，获取差动纵向响应图像id＝if(x,y)-ib(x,y)；

步骤5，通过预先标定的双摄像头灰度差id与纵向高度zn关系曲线，计算每个位置(x,y)的高度z，从而还原样本表面形貌z(x,y)。

进一步的，在步骤5之后，还可以包括如下步骤：

步骤6，完成一个视场的样本表面形貌还原后，通过控制部件控制电动载物台(14)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3至步骤5的操作；若完成样本表面形貌还原，进行如下步骤7的操作：

步骤7，对所有观测视场下的微观3d表面形貌进行图像拼接，完成大视场显微3d形貌测量。

所述双摄像头并行共焦差动显微3d形貌测量方法还可以包括双摄像头图像灰度差id(x,y)与纵向高度zn关系曲线标定方法，即差动纵向响应信号与高度关系标定步骤，具体如下：

步骤5.1，调节双摄像头轴向位置，设置一个图像传感器(5)在焦后ub的位置，另一个图像传感器(9)在焦前uf的位置，且ub＝uf；

步骤5.2，标准高度样本放置在载物台上，调节载物台使得样本进入双摄像头并行共焦差动显微3d形貌测量的测量范围；

步骤5.3，驱动物镜轴向移动部件(11)带动显微物镜(12)作高精度轴向扫描，同时获取双摄像头图像采集通道的图像；将放置在焦前uf的摄像头所采集系列图像记为焦前图像系列，将放置在焦后ub相机采集的图像系列叫为焦后图像系列；对焦前焦后图像系列中每一对应物点(x,y)，构建光强与物体表面高度z特性曲线if(x,y)～z，ib(x,y)～z；

步骤5.4，将if–ib，获得焦前、焦后的差动纵向响应曲线id(x,y)；

步骤5.5，对差动曲线id的线性区进行线性函数拟合，获取双摄像头灰度差id与纵向高度zn关系的标定曲线。

进一步的，所述差动纵向响应信号与高度关系标定步骤，还可以如下操作：

步骤1，调节双摄像头轴向位置，设置一个图像传感器(5)在焦后ub的位置，另一个图像传感器(9)在焦前uf的位置，且ub＝uf；

步骤2，选取一系列高度已知且高度等差递增的标准部件，分别放置在载物台(14)上，同时获取双摄像头对于这一系列标准高度部件的图像；将放置在焦前uf的摄像头所采集系列图像记为焦前图像系列，将放置在焦后ub相机采集的图像系列叫为焦后图像系列；对焦前焦后图像系列中每一对应物点(x,y)，构建光强与物体表面高度z特性曲线if(x,y)～z，ib(x,y)～z；

步骤3，将if-ib，获得焦前、焦后的差动曲线id(x,y)；

步骤4，对差动曲线id的线性区进行线性函数拟合，获取双摄像头灰度差id与纵向高度zn关系的标定曲线。

本发明同现有的差动显微3d形貌测量技术相比，具有如下优势：

1)：本发明采用双摄像头差动的方法，利用面阵相机作为探测器，克服了传统激光共焦技术单点和逐层扫描效率低的问题。

2)：采用共焦显微技术，利用数字微镜器件的微镜阵列作为虚拟的并行针孔实现非接触式扫描，非单点扫描或逐层扫描，能实现一次自动聚焦后，在无机械运动的情况下，通过双摄像头差动完成样本大视场微观3d形貌测量。

3)可以在宽场明场与并行共聚焦模式之间动态切换，该方法能实现高横向分辨率、纳米级测量精度、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是双摄像头并行共焦差动显微3d形貌测量装置示意图。

图2是带有空间光调制器的双摄像头并行共焦差动显微3d形貌测量装置示意图。

图中：1-光源、2-聚光镜、3-均匀光透镜组、4-准直透镜、5-图像传感器ⅰ、6-管镜ⅰ、7-半反半透分光镜ⅰ、8-管镜ⅱ、9-图像传感器ⅱ、10-半反半透分光镜ⅱ、11-物镜轴向移动部件、12-显微物镜、13-待测样本、14-电动载物台、15-图像分析及电动载物台控制模块、16-全内反射透镜、17-空间光调制器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合说明书附图，对本发明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发明，并不用于限定本发明。

本发明的一种双摄像头并行共焦差动显微3d形貌测量装置，主要包括双摄像头图像采集模块、照明模块、光学成像模块、图像分析及电动载物台控制模块如说明书附图1所示，双摄像头图像采集模块按照光路传播方向，依次包含：半反半透分光镜7、管镜6、8、图像传感器5、9，照明模块按照光路传播方向，依次包含：照明光源1、聚光镜2、均匀光透镜组3，准直透镜4、半反半透分光镜10、显微物镜12，样本13和电动载物台14，所述光学成像模块按照光路传播方向，依次设置有：样本13、显微物镜12、半反半透分光镜10、管镜6、8和图像传感器5、9。

下面结合附图2对本发明具体实施方法作进一步详细描述。

具体实施例一

本具体实施例为装置实施例。如说明书附图2所示。

一种双摄像头并行共焦差动显微3d形貌测量装置，包括双摄像头图像采集模块、照明模块、光学成像模块、图像分析及电动载物台控制模块；

双摄像头图像采集模块按照光路传播方向，依次包含：半反半透分光镜7、管镜6、8、图像传感器5、9。其中，半反半透分光镜7将成像光路分成两个等价成像光路，半反半透分光镜的理想分光比为50％：50％，允许的分光比之差小于40％，两个图像传感器5、9以面阵相机作为探测器，分别放置在与成像光路的成像焦面前及焦面后等距离uf位置处；两个图像传感器有效感光表面与成像光路光轴垂直，两个图像传感器有效视场重合，重合度高于90％；

所述照明模块按照光路传播方向，依次包含：照明光源1、聚光镜2、均匀光透镜组3，空间光调制器17，准直透镜4、半反半透分光镜10、显微物镜12，电动载物台14，放置在载物台上的样本13；

所述照明模块的空间光调制器17放置在与光学成像系统物方焦面及像方焦面共轭位置，可以对照明光进行细分为多束彼此独立、彼此分开的空间阵列光束照射到样本表面，实现对样本表面照射位置的精准调控，起到并行针孔的作用或者阵列可开关针孔的作用；空间光调制器起到共聚焦照明针孔的作用，实现并行共焦作用，共焦起到提升纵向解析能力，并行提升测量速度，因此并行共焦实现快速高精度纵向解析能力。

所述光学成像模块按照光路传播方向，依次设置有：样本13、显微物镜12、半反半透分光镜10、管镜6、8和图像传感器5、9；所述照明模块与所述光学成像模块共用半反半透分光镜10；所述光学成像模块与所述双摄像头图像采集模块共用半反半透分光镜7、管镜6、8和图像传感器5、9。

所述图像分析及电动载物台控制模块15包含对双图像传感器起始曝光及曝光时间长度进行控制的控制部件，从双图像传感器读取图像信息的图像读取部件，对图像进行运算处理的图像处理部件，对测得的3d形貌进行显示的图像显示部件，对电动载物台至少一个方向运动进行控制的控制部件。

所述照明模块中，在所述空间光调制器之前，还包含一个全内反射透镜16，用于调整照明光的角度满足空间光调制器入射条件。

所述照明模块还包含均匀光透镜组3，实现对样本全视场的均匀光照明，所述均匀光透镜组核心部件可以是微透镜阵列。

所述双摄像头图像采集模块的两个图像传感器轴向位置可高精度调整；当它们与成像系统焦面距离ub与uf均为零时，两个图像传感器输出图像一致，即它们的视场范围及图像像素灰度值在误差许可范围内相等。

所述显微物镜12可以是包含多个物镜的物镜转盘，当物镜为低数字孔径物镜时，它们与成像系统焦面距离相等且较大，当物镜转换为高数字孔径物镜时候，它们与成像系统焦面距离相等且较小；但是它们始终在垂直于光轴方向偏离光轴的距离为零，即没有横向位移；有效感光面始终保持与成像光路光轴垂直，两个图像传感器输出图像视场范围保持一致，重合度高于90％。这样可以保证两图像传感器关于焦面对称，而轴向位置可高精度调整，是为了迎合不同物镜像方离焦量不同的特点，保证切换物镜时，可以调节不同的离焦量。

所述双摄像头图像采集模块的两个图像传感器可零时差同时采集样本焦前、焦后相等失焦距离的灰度图像if(x,y)、ib(x,y)，0≤x≤x，0≤y≤y，其中x为灰度图像总行数，y为灰度图像总列数。

所述控制部件可以控制电动载物台实现纵向z轴运动和水平方向x轴，y轴运动，所述电动载物台的表面倾斜程度低于5％。

所述双摄像头并行共焦差动显微3d形貌测量装置，还可以包括物镜轴向移动部件11，该部件与物镜相连，驱动物镜沿着光轴方向做高精度移动，所述物镜轴向移动部件可以是步进电机或者压电陶瓷电机。

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。

本实施例的双摄像头并行共焦差动显微3d形貌测量方法，包括以下步骤：

步骤1，将待测样本(13)放置于电动载物台(14)上；

步骤2，调节所述电动载物台(14)，使得待测样本表面处于所述双摄像头并行共焦差动显微3d形貌测量装置的测量范围之内；

步骤3，通过所述双摄像头图像采集模块同时获取样本焦前、焦后相等失焦距离的灰度图像if(x,y)、ib(x,y)，0≤x≤x，0≤y≤y，其中x为灰度图像总行数，y为灰度图像总列数；

步骤4，对获取的样本焦前、焦后相等失焦距离的灰度图像if(x,y)、ib(x,y)进行做差处理，获取差动纵向响应图像id＝if(x,y)-ib(x,y)；

步骤5，通过预先标定的双摄像头灰度差id与纵向高度zn关系曲线，计算每个位置(x,y)的高度z，从而还原样本表面形貌z(x,y)。

进一步的，在步骤5之后，还可以包括如下步骤：

步骤6，完成一个视场的样本表面形貌还原后，通过控制部件控制电动载物台(14)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3至步骤5的操作；若完成样本表面形貌还原，进行如下步骤7的操作：

步骤7，对所有观测视场下的微观3d表面形貌进行图像拼接，完成大视场显微3d形貌测量。

所述双摄像头并行共焦差动显微3d形貌测量方法还可以包括双摄像头图像灰度差id(x,y)与纵向高度zn关系曲线标定方法，即差动纵向响应信号与高度关系标定步骤，具体如下：

步骤5.1，调节双摄像头轴向位置，设置一个图像传感器(5)在焦后ub的位置，另一个图像传感器(9)在焦前uf的位置，且ub＝uf；

步骤5.2，标准高度样本放置在载物台上，调节载物台使得样本进入双摄像头并行共焦差动显微3d形貌测量的测量范围；

步骤5.3，驱动物镜轴向移动部件(11)带动显微物镜(12)作高精度轴向扫描，同时获取双摄像头图像采集通道的图像；将放置在焦前uf的摄像头所采集系列图像记为焦前图像系列，将放置在焦后ub相机采集的图像系列叫为焦后图像系列；对焦前焦后图像系列中每一对应物点(x,y)，构建光强与物体表面高度z特性曲线if(x,y)～z，ib(x,y)～z；

步骤5.4，将if-ib，获得焦前、焦后的差动纵向响应曲线id(x,y)；

步骤5.5，对差动曲线id的线性区进行线性函数拟合，获取双摄像头灰度差id与纵向高度zn关系的标定曲线。

进一步的，所述差动纵向响应信号与高度关系标定步骤，还可以如下操作：

步骤1，调节双摄像头轴向位置，设置一个图像传感器(5)在焦后ub的位置，另一个图像传感器(9)在焦前uf的位置，且ub＝uf；

步骤2，选取一系列高度已知且高度等差递增的标准部件，分别放置在载物台(14)上，同时获取双摄像头对于这一系列标准高度部件的图像；将放置在焦前uf的摄像头所采集系列图像记为焦前图像系列，将放置在焦后ub相机采集的图像系列叫为焦后图像系列；对焦前焦后图像系列中每一对应物点(x,y)，构建光强与物体表面高度z特性曲线if(x,y)～z，ib(x,y)～z；

步骤3，将if-ib，获得焦前、焦后的差动曲线id(x,y)；

步骤4，对差动曲线id的线性区进行线性函数拟合，获取双摄像头灰度差id与纵向高度zn关系的标定曲线。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，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发明各实施例技术方案的精神和范围。