一種顯微成像高精度三維檢測裝置的製作方法

2023-07-09 04:56:26 2

專利名稱：一種顯微成像高精度三維檢測裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種高精度檢測領域，特別涉及一種顯微成像高精度三維檢測裝置。

背景技術：
隨著科學技術的高速發展，精細加工的精度不斷提高和加工對象的不斷變化，對幾何量的檢測提出了越來越高的要求。在雷射精細加工的檢測中，目前通常廣泛地採用普通的顯微鏡加CCD連接計算機系統作為觀察及二維檢測系統。由於在目前的CCD圖像傳感器製造技術條件下，圖像傳感器的動態範圍由它的信號飽和電平和噪聲電平決定。它反映了器件在不同光照度下的工作範圍。其數值可以用輸出端的信號峰值電壓與均方根噪聲電壓的比值來表示，其單位符號通常為dB，一般為60-80dB，而人眼在觀察目標時，可以看清目標的最低照度為1lx，在夏天的中午，當目標照度達到3×105lx時，人眼仍可以看清目標。由此可知，通過眼睛瞳孔的自動調節，人眼分辨物體的動態範圍大致為110dB，用動態範圍較小的圖像傳感器記錄動態範圍較高的圖像，總會有圖像信息的丟失。對高動態範圍的圖像的顯示也碰到同樣的困難，一般需進行對數變換後進行顯示。現有的圖象處理裝置可以對一幀圖像進行處理，實現圖像的增強、校正和變換等處理，但其能力有限，對記錄時就已經丟失的信息是很難或根本不能在後續的處理過程中得到恢復。
目前市場的顯微鏡作為檢測系統存在以下幾方面的問題。一是檢測系統通過CCD所獲取的顯微圖像的在一定的光照條件所攝取的，動態範圍較窄，尤其是光照過亮或過暗，均會影響顯微成像質量，因此無法記錄和表達檢測場景中亮區和暗區的圖像信息，增加其細節特徵，難以在滿足特定檢測環境下微細精密加工產品檢測；二是無法實現被檢測物體的三維檢測，使用不方便，缺乏人性化的檢測功能和操作界面。
為了得到工件加工清晰顯微圖像，實現對加工效果進行客觀分析、科學評判和精確測量，急需在觀察、檢測前提高顯微圖像的動態範圍，以獲取場景的豐富信息。另外，實現被檢物體的Z軸信息的測量，對提高檢測系統的應用範圍也具有重要的意義。

發明內容
本實用新型是針對現在高精度檢測中信息易流失的問題，提出了一種顯微成像高精度三維檢測裝置，在所述顯微鏡上加裝數字CCD圖像傳感器和光柵尺，並將其與及計算機系統相連接，在顯微鏡光源和載物臺之間加裝光學梯度衰減片和控制機構，滿足特定檢測環境下微細精密加工產品檢測要求。
本實用新型的技術方案為一種顯微成像高精度三維檢測裝置，包括顯微成像系統、載物平臺、顯微鏡光源、電機、計算機系統，還包括梯度衰減片、光柵尺和CCD圖像傳感器，顯微成像系統正下方為載物平臺，被測器件放在載物平臺上，在載物平臺和下方的顯微鏡光源之間有梯度衰減片，載物平臺由電機驅動，光柵尺安裝在顯微成像系統的調焦機構中，光柵尺與計算機系統連接，將Z軸位移信息送入計算機系統，計算機系統與電機控制連接，CCD圖像傳感器與顯微成像系統連接，並通過圖象採集卡與計算機系統連接。
所述光柵尺選用SM12為一精密小型光柵測量系統，由一套精密直線滾珠軸承，復位彈簧，玻璃光柵，LED光照系統組成。
本實用新型的有益效果在於本實用新型顯微成像高精度三維檢測裝置，提高檢測系統的清晰度和精度，並通過加裝光柵尺的裝置，實現Z軸運動量的檢測改進和提高顯微圖像檢測精度，為雷射束精細加工、集成電路及生物醫學檢測等提供更高水平的檢測手段。

圖1為本實用新型顯微成像高精度三維檢測裝置中寬動態顯微成像檢測裝置示意圖； 圖2為本實用新型顯微成像高精度三維檢測裝置中人眼對不同灰度級別敏感特性圖； 圖3為本實用新型顯微成像高精度三維檢測裝置中多解析度錐形層次圖； 圖4為本實用新型顯微成像高精度三維檢測裝置中寬動態顯微圖像生成流程圖。
具體實施方式
首先，由計算機系統控制光學梯度衰減片到第一位置，再通過數字CCD採集圖像到計算機內存中，然後控制光學梯度衰減片到第二位置，通過數字CCD再採集同一場景的不同灰度一幀圖像到計算機內存中，這兩幀不同灰度強度的同一場景圖像，包含了寬的動態範圍，將由後續的處理合成一幀高動態範圍輸出。
由於顯微系統攝取的視頻圖像序列往往存在一些雜亂無章、隨機分布的噪聲即高斯噪聲，為了能準確地選取每一幀不同灰度圖像的特徵點，則必須對圖像進行預處理。Laplacian邊緣檢測算子是對二維函數進行運算的二階微分算子，是偏導數運算的線性組合。它將可在邊緣處產生一個陡峭的零交叉。Laplacian檢測算子能增強所圍特徵點所在的區域，同時能減弱灰度變化小的區域，通常這些區域包圍著邊緣。另外Laplacian變換還具有旋轉不變性，對於邊緣，不同的方向都能同等的被增強，所以經過Laplacian變換後的圖像不會被輸入圖像可能的旋轉所影響。因此可選擇Laplacian邊緣檢測算子進行圖像進行預處理，有利於特徵的提取。值得注意的是Laplacian算子不僅對像素灰度梯度變化很敏感同時對噪聲也非常敏感，由於顯微系統所攝取的視頻圖像往往存在一些雜亂無章、隨機分布的噪聲即高斯噪聲，為了能準確地選取一幀圖像的特徵點，本實用新型採用把高斯平滑濾波器和拉普拉斯銳化濾波器結合了起來的裝置，先平滑掉噪聲，後進行邊緣檢測，獲得了效果較好。
其次，由於顯微成像設備在成像過程中，不可避免地會出現抖動或偏轉等情況，導致同一場景圖像間產生小的平移或旋轉，致使合成的寬動態範圍圖像模糊不清，因此在圖像融合前應該先進行圖像配準，同一場景圖像序列的配準是保證高動態圖像質量的關鍵。配準的基本思想是從同一場景不同曝光的兩幀圖像中任選一幅(為了結果更為準確，我們選擇第一幀圖像)作為參考圖像或基準圖像，來與其後一幀圖像進行比較，獲取它與前一幀圖像的平移和旋轉矢量，從而確定同一場景兩幀圖像像素點的對應關係。
本實用新型提出一種利用特徵點進行圖像匹配的算法。為了提高特徵點的匹配運算速度，本實用新型提出利用多解析度匹配技術。單幀多解析度結構，底層為最高解析度(即原始圖像)。層越高，圖像解析度越低。用不同的低通濾波器或二次抽樣就可獲得相應的低解析度的圖像。多解析度匹配的思想是從最低解析度級開始，逐次地，在每一層進行運動估計，由較低解析度級確定位移粗估計。這樣，在較高解析度級下，用前一較低解析度級位移矢量作為起始估計進行匹配，可使位移矢量估計得到精細的調整，不僅有一較理想的初始值，還可以實現用較小的搜索窗達到較大的搜索範圍。可用高斯多解析度錐形層次圖或拉普拉斯多解析度錐形層次圖實現特徵點的匹配，其原理圖如圖3多解析度錐形層次圖所示。
本實用新型採用以下二維的運動模型，來確定表徵圖像幀間的平移量和繞光軸的旋轉量。這種變換模型可定義如下 在這裡，(Xi，Yi)和(Xj，Yj)是在不同的曝光時間ti和tj時，所攝取同一視場兩幀圖像像素的坐標，其中(Xi，Yi)是參考圖像，(ΔX，ΔY)t是在參考幀圖像坐標系下所測的平移矢量，Θ是兩幀圖像的旋轉角度。通過代入N個匹配的特徵點即可得一個線性方程組。每一對特徵點可得到兩個方程，因此，線形系統共有2N個方程、3個未知量，即Θ、ΔX和ΔY。通過解線形方程組，可以得到兩幀圖像間的旋轉和平移的運動參數θ和Δx、Δy。最後利用所得的運動參數實現圖像的配準。
最後將配準後的兩幀不同曝光的同一場景照片圖像融合成一幅高動態範圍圖像。我們知道，對於8位的灰度圖像，其灰度值範圍為0～255級。根據人眼對灰度的分辨能力，如圖2人眼對不同灰度級別敏感特性圖可知，在圖像灰度很高或很低的情況下，人眼對灰度分辨力差，而在圖像灰度的中間區域，人的眼睛的分辨力比較強。從圖2可以看出，在0級灰度附近，人眼對灰度變化不敏感，僅灰度的級差達到8個灰度級別時，才能分辨出(即可感到0級灰度和8級灰度的亮度差別，而對於0級與7級灰度則視為同一種亮度)；在128級灰度附近，當圖像的灰度變化有兩個灰度級別時，人眼睛就可分辨其差別；而在255級灰度附近，人眼睛可分辨出3個灰度級的變化差別。根據人眼的這一視覺特性，利用圖像處理的裝置對其進行處理。在低灰度級和高灰度級區域，將灰度級間隔(定義為一灰度級與其相鄰兩個灰度級距離之和的一半)進行拉伸，使人眼更好分辨。在中等低灰度級區域，對灰度級間隔過大的圖像，可適當地壓縮灰度級間隔，而將剩餘的灰度級數分配給低灰度級和高灰度級區域。
本實用新型採用的圖像融合算法是從兩幅不同曝光的圖像的相同位置點取灰度值f1(x，y)和f2(x，y)採用線性加權的融合算法得到融合後的圖像f(x，y)，即 f(x，y)＝k1f1(x，y)+k2f2(x，y) 在上式中k1和k2分別是兩幀圖像對應的點的權值。從人眼對灰度的分辨能力圖3中得知，人眼比較敏感的區域是32～192灰度之間的區域。在這個區域中，人眼至少可以分辨出2個灰度級的灰度變化，在灰度為60附近，甚至對一個灰度級的變化都能察覺得到。所以本實用新型選取兩個邊界值T1＝32和T2＝192，將兩幀不同曝光的圖像的灰度均值劃分成三個區域，採用權值不同的裝置進行合成。其權值k1和k2的確定算法如下 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}； 採用以上的算法，利用兩幀不同曝光的圖像f1(x，y)和f2(x，y)，我們就可以得到融合後的圖像f(x，y)，其中圖像f(x，y)具有更寬的動態範圍。
如圖1和4所示，檢測硬體平臺主要由顯微成像系統9、載物平臺7、梯度衰減片6、顯微鏡光源5、電機4、光柵尺3、計算機系統2和CCD圖像傳感器1組成，顯微成像系統9下方為載物平臺7，被測器件8放在載物平臺7上，在載物平臺7和下方的顯微鏡光源5之間有梯度衰減片6，光柵尺3安裝在顯微成像系統9的調焦機構中，通過系統的調焦運動，由光柵尺檢測其Z軸的位移，從而實現被檢測物體的兩個Z軸面的幾何量位移信息，光柵尺3將Z軸位移信息送入計算機系統，計算機系統通過控制電機調節梯度衰減片6的位置，CCD圖像傳感器1與顯微成像系統9連接，並通過圖象採集卡將信號送入計算機系統2。
CCD圖像傳感器1選用型號為JVC TK-C921EC主要參數1/3″CCD，44萬像素，535電視線的水平解析度，0.7Lux的最低照度，50dB的高信噪比(AGC OFF)，可開/關的自動增益控制(AGC)，可自動跟蹤(ATW)/手動設定的白平衡方式，可開/關的自動背光補償功能(BLC)可接受24V AC及12V DC兩種電源供應。
顯微成像系統9為Nikon E200光學系統CFI60無限遠光學系統，齊焦距離60mm放大倍數40-1500X，目鏡筒，三目鏡筒，目鏡CFIE 10X(視場直徑20mm)，CFIE 15x(視場直徑12mm)物鏡CFIE平場消色差物鏡4X、10X、40X、100X，也可選其它較高級物鏡，照明6V20W滷素燈。
圖象採集卡北京嘉恆中自圖像技術有限公司的OK_C30B卡，它基於PCI總線，能採集彩色又能採集黑白圖像的採集卡，適用於圖像處理、工業監控和多媒體的壓縮、處理等研究開發和工程應用領域。是OK系列的二代產品，採用了10位高精度的視頻A/D，梳狀濾波，抗混疊濾波等技術。OK_C30A卡的性能優於且兼容其替代卡 計算機系統2聯想啟天M4880(P4631 512s80VN(XP))處理器類型Pentium 4 631標稱主頻(MHz)3000配置內存容量(MB)512M硬碟容量80GB顯示器類型顯示器尺寸17英寸 光柵尺3SM12是精密的小型光柵測量系統，適用於小量程的精密測量.SM12光柵尺將直線的位移變化轉換為脈衝信號。脈衝信號的數量對應移動的距離，脈衝頻率則反應了運動速度。SM12本體部分由一套精密直線滾珠軸承，復位彈簧，玻璃光柵，LED光照系統組成。SM12輸出信號為矩形方波。A，B相兩相，相差90°的兩路波形，能夠指示出移動距離以及方向。Z相波形為零位脈衝信號，一般位於測量長度的中間位置。輸出信號可根據需要是線性差動或者TTL方波。測量長度12.5mm解析度0.1μm準確度±1μm/12mm，最大測量速度0.5ms-1彈簧耐壓0.4-0.8N，工作電壓5Vss±5％，電流(LD線性差動輸出)最大為130mA，電流(TTL輸出)最大50mA，防護等級IP40，工作溫度0-50℃，絕緣阻抗最小為20MW，輸出信號(LD線性差動輸出)RS422為20mA，輸出信號(TTL輸出)L最大0.5V at＜10mA。H最小3.5V at＞2.5mA。
檢測方法顯微成像系統9首先定位於第一個Z軸面，並通過自動對焦獲取最清晰的顯微圖像；若需要進行Z軸測量，則通過調焦定位到第二個Z軸面，並通過自動對焦獲取最清晰的顯微圖像，並通過光柵尺3讀取其Z軸信息，並顯示；若需要進行平面檢測，則通過計算機2調節梯度衰減片6的位置，控制場景的照度，並由計算機2控制數字CCD圖像傳感器1獲取兩幀不同曝光量同一場景圖像；對兩幀不同曝光量的進行存儲備份後，對其進行高斯濾波後再拉普拉斯邊緣增強處理，實現濾除噪聲、強化圖像的邊緣特徵；採用特徵點匹配法實現同一場景兩幀顯微圖像的配準；根據人眼的視覺識別特性曲線將配準兩幀不同灰度的圖像f1(x，y)和f2(x，y)的灰度分成三個區間，在低灰度級和高灰度級區域，將灰度級間隔進行拉伸，便於人眼分辨，在中等低灰度級區域，對灰度級間隔進行適當地壓縮灰度級間隔，並將剩餘灰度級數分配給低灰度級和高灰度級區域，並確定各區間的像素在圖像數據融合時的權值k1和k2；根據兩幀不同曝光的圖像數據f1(x，y)和f2(x，y)，代入公式f(x，y)＝k1f1(x，y)+k2f2(x，y)進行圖像數據融合，獲取新動態範圍擴展的圖像f(x，y)；並在圖像f(x，y)實現平面檢測。
權利要求1、一種顯微成像高精度三維檢測裝置，包括顯微成像系統、載物平臺、顯微鏡光源、電機、計算機系統，其特徵在於，還包括梯度衰減片、光柵尺和CCD圖像傳感器，顯微成像系統正下方為載物平臺，被測器件放在載物平臺上，在載物平臺和下方的顯微鏡光源之間有梯度衰減片，載物平臺由電機驅動，光柵尺安裝在顯微成像系統的調焦機構中，光柵尺與計算機系統連接，將Z軸位移信息送入計算機系統，計算機系統與電機控制連接，CCD圖像傳感器與顯微成像系統連接，並通過圖象採集卡與計算機系統連接。
2、根據權利要求1所述顯微成像高精度三維檢測裝置，其特徵在於，所述光柵尺選用SM12為一精密小型光柵測量系統，由一套精密直線滾珠軸承，復位彈簧，玻璃光柵，LED光照系統組成。
專利摘要本實用新型涉及一種顯微成像高精度三維檢測裝置，包括計算機系統和顯微鏡，並在所述顯微鏡上加裝數字CCD圖像傳感器和光柵尺，並將其與及計算機系統相連接，在顯微鏡光源和載物臺之間加裝光學梯度衰減片和控制機構，提高檢測系統的清晰度和精度，為雷射束精細加工、集成電路及生物醫學檢測等提供更高水平的檢測手段。
文檔編號G06T7/00GK201364140SQ20092006852
公開日2009年12月16日 申請日期2009年3月6日 優先權日2009年3月6日
發明者瑛 崔, 平 鍾 申請人:上海市雷射技術研究所