显微深度聚焦测量中镜头光轴与纵向运动轴夹角的校正方法技术

本发明专利技术涉及一种显微深度聚焦测量中镜头光轴与纵向运动轴夹角的校正方法，包含显微视觉系统、平面标定板、阶梯状三维标定物的光轴校正装置，首先通过平面标定板多聚焦图像序列的采集与分析对载物台进行初校正。然后基于多个模块对三维标定物阶梯分界线处不同平面的两图像进行采集与分析，通过检测两图像中阶梯分界线的相对偏移实现显微镜光轴的校正。本发明专利技术可以有效减小显微视觉系统采集得到多聚焦图像序列的偏移误差，提高深度聚焦三维重建的精度。精度。精度。

【技术实现步骤摘要】
显微深度聚焦测量中镜头光轴与纵向运动轴夹角的校正方法


[0001]本专利技术涉及显微深度聚焦测量的
，具体涉及显微深度聚焦测量中镜头光轴与纵向运动轴夹角的校正方法。

技术介绍

[0002]近年来，随着精密加工、微器件的发展，微观表面形貌测量技术取得了巨大的进步。在微纳级的测量技术中，应用较为广泛的便是显微三维测量技术。如今的显微三维测量技术多基于计算机视觉，通过结合图像处理的相关算法对微观物体进行三维形貌的测量甚至重建。显微三维测量中较为常用的几种算法分别是：双目视觉法、聚焦法和离焦法。其中聚焦法主要用于显微领域的三维重建，通过显微视觉系统采集样本物体的多聚焦图像序列，然后利用聚焦评价函数从图像序列中提取深度信息并对图像序列进行融合，由此重建出样本表面的三维形貌。
[0003]在深度聚焦三维测量中，一种模式是采用自动调焦镜头，通过改变镜组间距进行调焦采图；另外一种则是显微镜头的参数不变，通过控制显微镜上下移动改变物距进行采图。而显微镜与电控平移台的纵向运动轴不可避免的会存在装配误差，使显微镜光轴相对电控平移台的纵向运动轴方向存在夹角，以至于采集到的样本物体的图像序列会发生不同程度的偏移，使其序列图像的对应像素点不能严格对齐，极大的影响了三维测量的精度。因此需要对显微镜光轴进行校正，使其相对纵向运动轴方向平行，以保证三维测量的精度。
[0004]目前，传统的显微镜光轴校正方法主要有传感器校正、图像分析校正两大类，其中传感器校正以激光靶面校正、自准直仪校正等方法为主。激光靶面校正的精度易受校正装置及接收靶面安装位置的影响，且其装置的安装及拆卸过程也较为繁琐。自准直仪校正虽然精度较高，但其设备价格普遍较高，且校正过程繁琐、速度慢。图像分析校正的方法大多是通过采集样本物体的图像序列进行偏移检测来对光轴进行校正，这种方法操作简便且精度较高。但在显微深度聚焦测量中，通常是对微小尺度的样本物体进行表面重构，其物镜的景深范围要求处于微米级甚至更低，采集到的图像序列的清晰范围非常有限，所以无法通过样本物体图像序列的偏移检测来对光轴进行校正。
[0005]综上所述，针对现有的校正装置普遍存在安装不便性、校正过程繁琐、精度低等诸多缺陷，以及显微深度聚焦测量中镜头景深较小的局限性，亟需一种能够同时兼顾校正精度和校正效率的校正方式。由此本专利技术将图像的清晰度评价算子与特制三维标定物相结合，推出了显微深度聚焦测量中镜头光轴与纵向运动轴夹角的校正方法。其中清晰度评价算子多用于深度聚焦三维重建中，通过清晰度评价算子对图像进行区域遍历提取聚焦区域的深度信息进行样本物体的重建。王金岩在“基于Depth from Focus的图像三维重建”中提出通过拉普拉斯聚焦算子对图像序列划分区域块进行聚焦区域评价，进而对获得的深度索引图进行高斯插值获得样本物体重建的三维图像。赵洪盛在“基于图像区域像素重构的聚焦形貌恢复”一文中提出通过基于中心像素点的n
×
n邻域的梯度算子来提取多聚焦图像序列中的聚焦区域及其深度，再通过插值拟合重构样本物体的三维形貌图。本专利技术将清晰度
评价算子用于特制的三维标定物，通过对三维标定物的不同高度图像进行聚焦、离焦区域的提取及分析来对显微镜光轴偏移进行检测与校正，避免了校正装置安装与拆卸的繁琐性，可重复性较强，且校正精度高。

技术实现思路

[0006]深度聚焦测量是通过从样本物体的多聚焦图像序列中提取深度信息并对图像序列进行融合，重建出样本表面的三维形貌，由此得到样本物体的测量数据。其中样本物体的多聚焦图像序列需要通过显微视觉系统中的纵向运动轴控制显微镜移动采集得到。若系统中的显微镜光轴与纵向运动轴方向存在夹角，则会导致采集得到的图像序列中对应像素点的位置发生偏移，以至于重构出样本物体的三维形貌误差较大导致测量数据不准确。针对由于显微镜光轴与纵向运动轴存在夹角而导致深度聚焦测量的精度不能得到保证的问题，本专利技术推出了一种显微深度聚焦测量中镜头光轴与纵向运动轴夹角的校正方法。通过对特制三维标定物的不同高度图像进行区域清晰度评价，提取其图像中的聚焦、离焦区域位置，通过不同高度图像中聚焦、离焦区域位置的相对变化对显微镜光轴偏移进行检测与校正，可以有效减小显微视觉系统采集到多聚焦图像序列存在的偏移影响，由此提高深度聚焦测量的精度。
[0007]为了实现以上目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0008]本专利技术基于显微镜景深较小的特点，设计了阶梯状三维标定物，先通过显微视觉系统分别采集阶梯状三维标定物中阶梯分界处两不同平面的聚焦图像，此时两图像中的阶梯分界线两侧分别对应聚焦区域与离焦区域。再对两图像进行清晰度评价得到图像中聚焦、离焦区域的位置，即得到其图像中阶梯分界线的位置。通过两幅图像阶梯分界线的相对位置变化对显微镜光轴进行偏移校正。
[0009]本专利技术所涉及的光轴校正装置，其装置包含用于图像采集的显微视觉系统、用于载物台校正的平面标定板以及用于显微镜光轴校正的阶梯状三维标定物。现对校正装置包含的显微视觉系统、平面标定板及阶梯状三维标定物进行进一步的解释：
[0010]1.显微视觉系统，由显微镜，三自由度的电控平移台、二自由度的电控旋转台、二自由度的电控倾斜台以及载物台组成。通过电控平移台、旋转台、倾斜台对显微镜与载物台的控制实现对平面标定板及三维标定物的图像采集。
[0011]2.平面标定板，其为玻璃材质的光刻掩膜板，标定板上阵列分布着大小相同的特征圆，通过显微视觉系统对标定板上特征圆的采集与分析实现载物台的倾斜校正。
[0012]3.阶梯状三维标定物，标定物采用深硅刻蚀的方法制作加工而成，其尺寸在几毫米至几十毫米范围内。标定物呈阶梯状结构，有着上下两层平面。通过阶梯状标定物其阶梯分界处不同高度下的多聚焦图像的采集与分析进行显微镜光轴的校正。
[0013]所述显微深度聚焦测量中镜头光轴与纵向运动轴夹角的校正方法包括以下步骤：
[0014]1.载物台平面的初步校正
[0015]通过三维标定物对显微镜光轴进行校正前需保证显微镜光轴相对载物台呈垂直关系，以使置于载物台上的三维标定物的不同高度聚焦面成像均匀，边界清晰。消除因成像问题导致的校正误差。
[0016]针对载物台平面相对显微镜光轴非垂直的情况，本专利技术通过一种载物台倾斜校正
的方法：基于清晰度评价的特征圆检测法，实现载物台的初步校正。
[0017]其校正方法的步骤如下：
[0018]通过显微视觉系统控制z轴电控平移台移动采集平面标定板图像序列，基于清晰度评价算法对图像序列中的每个特征圆区域进行清晰度评价，得到每个特征圆区域的清晰度最大值R与其所在的图像序列中的深度位置h。由每个清晰度值最大的特征圆区域位置及深度进行曲面拟合得到倾斜面，由此得到载物台的倾斜角，通过倾斜角对载物台进行旋转校正。
[0019]2.显微镜光轴校正
[0020]在进行载物台的初步校正之后，通过图像采集模块、图像处理模块、偏移检测模块及光轴校正模块多个模块循环来进行显微镜光轴相对纵本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.显微深度聚焦测量中镜头光轴与纵向运动轴夹角的校正方法，特征在于：该方法所用系统包括光轴校正装置：显微视觉系统，特征圆平面标定板以及特制的阶梯状三维标定物；首先通过平面标定板多聚焦图像序列的采集与分析对载物台进行初校正，然后通过图像采集模块、图像处理模块、偏移检测模块、光轴校正模块多个模块的循环实现对显微镜光轴的校正。2.根据权利要求1所述的显微深度聚焦测量中镜头光轴与纵向运动轴夹角的校正方法，其特征在于：图像采集模块中，将三维标定物置于载物台上并将标定物进行摆正，使其阶梯分界线与x轴或y轴方向平行，并控制载物台移动使三维标定物的阶梯分界线移至显微镜视野范围内；将阶梯状标定物的下平面定义为第一层面，上平面定义为第二层面；控制显微镜z轴上下移动分别采集三维标定物的第一层面清晰图像与第二层面清晰图像。3.根据权利要求1所述的显微深度聚焦测量中镜头光轴与纵向运动轴夹角的校正方法，其特征在于：图像处理模块中包括如下步骤：设输入图像大小为m
×
n，当阶梯状标定物分界线与x轴平行时步骤一：取一大小为d
×
n的区域块由图像初始位置以y轴方向每次步进1像素对图像进行遍历，得到m
‑
d个横向区域块P
i
，i＝1,2....,m
‑
d；步骤二：对每个区域块进行基于小波变换的清晰度评价，得到每个区域块的清晰度值R
i
，i＝1,2....m
‑
d；步骤三：计算邻近区域块的清晰度比值Rat
i
＝R
i
/R
i
+d，得到清晰度比值数组{Rat1,Rat2.....Rat
m
‑
2d
}；对比R1与R
m
‑
d
的大小，若R1>R
m
‑
d
，通过极值搜寻函数寻找比值数组中的最大值Rat
e
；若R1<R
m
‑
d
，则寻找比值数组中的最小值Rat
e
，输出最值在比值数组中的位置e；则定位得到阶梯分界线的纵坐标位置为Y＝e+d；当阶梯状标定物分界线与y轴平行时步骤一：取一大小为m
×
d的区域块由图像初始位置以x轴方向每次步进1像素对图像进行遍历，得到n
‑
d个横向区域块P
i
，i＝1,2....,n
‑

【专利技术属性】
技术研发人员：王跃宗，贾鹏煊，贾皓然，陈可欣，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：