多光谱微观三维形貌检测装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种多光谱微观三维形貌检测装置及方法，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，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：纵向高度可调节样品台、带纵向色散的物镜、半反半透分光镜、带纵向色散的管镜、多光谱图像传感器、图像显示与分析模块。该方法能实现在无机械运动情况下，一次成像即可获取高横向分辨率、亚微米量级高纵向测量精度、毫米量级大纵向测量范围的微观三维形貌检测，兼具高测量效率和高测量精度。

Multispectral micro three-dimensional shape detection device and method

【技术实现步骤摘要】
多光谱微观三维形貌检测装置及方法
本专利技术属于光学显微成像领域，涉及一种微观表面形貌检测装置和方法，尤其涉及一种基于多光谱的微观三维形貌检测装置和方法。
技术介绍
现有微观三维形貌检测技术存在诸多不足，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检测；并行共焦检测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检测技术逐层纵向扫描的问题，但仍需分别在焦面焦前、焦后采集样本灰度图片，还存在机械启停运动。因此，目前亟需一种光学检测方法来解决以上问题以实现高精度，高效率的微观三维形貌检测。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种多光谱微观三维形貌检测装置，以及一种微观三维形貌检测方法。该装置及在该装置上实施的多光谱微观三维形貌检测方法能实现在无机械运动情况下，一次成像即可获取高横向分辨率、亚微米量级高纵向测量精度、毫米量级大纵向测量范围的微观三维形貌测量，兼具高测量效率和测量精度。本专利技术的目的是这样实现的：所述多光谱微观三维形貌检测装置，包括复色光照明模块、纵向色散增强型光学成像模块。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：纵向高度可调节样品台、带纵向色散的物镜、半反半透分光镜、带纵向色散的管镜、多光谱图像传感器、图像显示与分析模块。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，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。所述多光谱图像传感器可零时差同时采集N(N≥2)幅不同中心波长光谱波段的样品灰度图像In(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。在上述多光谱微观三维形貌检测装置上实现的多光谱微观三维形貌检测方法，包括以下操作步骤：步骤1，将待测样本放置于纵向高度可调节样品台上；步骤2，调节所述纵向高度可调节样品台，使得多光谱成像传感器某个成像光谱波段对样品清晰成像；步骤3，通过所述多光谱图像传感器获取N(N≥2)幅样品在不同中心波长光谱波段灰度图像In(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，对相邻光谱波段下的灰度图像每一点(x,y)进行做差处理，多光谱图像灰度差ID(x,y)＝In(x,y)-In-1(x,y)；步骤5，通过预先标定的多光谱灰度差ID与纵向高度Zn关系曲线，计算还原样本表面形貌Z(x,y)。上述多光谱微观三维形貌检测方法，还包括多光谱灰度差ID(x,y)与纵向高度Zn关系曲线标定方法，包括以下操作步骤：步骤5.1，调节纵向高度可调节样品台，同时获取不同中心波长光谱波段的轴向光强与离焦量的轴向特性曲线Iλn，1≤n≤N；步骤5.2，对不同中心波长光谱波段轴向光强与离焦量的轴向特性曲线Iλn进行归一化处理；步骤5.3，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Iλ1-Iλ2，获得不同光谱波段λ1，λ2的差动曲线ID；步骤5.4，对差动曲线ID的线性区进行线性函数拟合，获取多光谱灰度差ID与纵向高度Zn关系的标定曲线。上述多光谱微观三维形貌检测方法，还包括对光学成像系统照明光不均进行修正，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。上述多光谱微观三维形貌检测方法，还可以包括对抗样品反射率不均进行修正，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。上述多光谱微观三维形貌检测方法，还可以包括对多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。本专利技术同现有的微观三维形貌检测技术相比，采用非接触式扫描，非单点扫描或逐层扫描，能实现在无机械运动情况下，一次成像即可获取高横向分辨率、亚微米量级高纵向测量精度、毫米量级大纵向测量范围的微观三维形貌测量，兼具高测量效率和测量精度。附图说明图1是多光谱微观三维形貌检测装置的结构示意图。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-纵向高度可调节样品台、7-带纵向色散的管镜、8-多光谱图像传感器、9-图像显示与分析模块。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合说明书附图，对本专利技术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专利技术，并不用于限定本专利技术。实施例一本具体实施例为装置实施例。本具体实施例的多光谱微观三维形貌检测装置结构示意图如说明书附图1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。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：纵向高度可调节样品台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、多光谱图像传感器8、图像显示与分析模块9。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，包括本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多光谱微观三维形貌检测装置，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，/n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)；/n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：纵向高度可调节样品台(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)、多光谱图像传感器(8)、图像显示与分析模块(9)；/n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)。/n

【技术特征摘要】
1.一种多光谱微观三维形貌检测装置，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，
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：纵向高度可调节样品台(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)、多光谱图像传感器(8)、图像显示与分析模块(9)；
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)。


2.根据权利要求1所述的多光谱微观三维形貌检测装置，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)。


3.根据权利要求1所述的多光谱微观三维形貌检测装置，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。


4.根据权利要求1所述的多光谱微观三维形貌检测装置，其特征在于：所述多光谱图像传感器(8)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In(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。


5.一种多光谱微观三维形貌检测方法，其特征在于，使用权利要求1至4中任一项所述的多光谱微观三维形貌检测装置，包括以下操作步骤：
步骤1，将待测样本放置于纵向高度可调节样品台(6)上；
步骤2，调节所述纵向高度可调节样品台(6)，使得多光谱成像传感器(8)某个成像光谱波段对样品清晰成像；
步骤3，通过所述多光谱图像传感器(8)获取N幅样品在不同中心波长光谱波段的灰度图像In(x,y)，其中，N≥2，0≤x≤X，0≤y≤Y，1≤n≤N，X为光谱灰度图...

【专利技术属性】
技术研发人员：易定容，叶一青，孔令华，蒋威，朱星星，
申请(专利权)人：宁波五维检测科技有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江;33