一种差动共焦轴向有效测量区域判定装置、方法及系统

技术领域

本发明涉及共聚焦显微测量领域，特别是涉及一种差动共焦轴向有效测量区域判定装置、方法及系统。

背景技术

共聚焦显微测量技术从上世纪提出以来，因其独特的高对比、高分辨和良好的层析能力，被广泛应用于航空航天、生物医疗、半导体芯片等领域。传统共聚焦显微测量技术受限其双针孔的空间共轭关系。在二维成像时，需要横向逐点扫描。在三维测量时，需要逐层扫描。并且，其轴向测量精度受限于轴向扫描步进和峰值提取算法的准确度。为提高其轴向测量效率和测量精度，众多学者提出了差动共聚焦轴向测量方法。但都受限于其轴向偏移距离，使得其轴向测量范围受到限制。并且，受限于共聚焦轴向光强响应曲线的单边性，在轴向差动测量曲线中存在轴向位置误判的问题。同时，在微纳显微测量中，通常难以预先知道被测样品表面高度信息。因此，为保证差动共聚焦测量方法在实际测量过程中的数据真实性，需要预先判定其视场范围内有效的测量区域，所以当下亟需一种预先判定其视场范围内有效测量区域的方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种差动共焦轴向有效测量区域判定装置、方法及系统，以确定差动共焦轴向测量方法的有效测量区域。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种差动共焦轴向有效测量区域判定装置，包括：照明单元、准直透镜、数字微镜器件、分光透镜、管镜、物镜、载物模块、聚焦透镜、相机和上位机；

所述照明单元用于产生点照明光；所述点照明光入射至所述准直透镜产生平行光束；所述平行光束入射至所述数字微镜器件后产生平行光阵列，并反射至所述分光透镜；所述平行光阵列经所述分光透镜反射，依次通过所述管镜和所述物镜照射至所述载物模块上的被测样品，并反射回所述物镜、所述管镜以及所述分光透镜，经所述分光透镜透射至所述聚焦透镜，通过所述聚焦透镜汇聚至所述相机；

所述相机与所述上位机连接，所述相机用于采集所述被测样品的表面图像，并将所述表面图像传输至所述上位机；

所述上位机用于根据所述表面图像提取差动共焦轴向测量方法的有效测量区域。

可选地，所述载物模块为三维运动载物台。

一种差动共焦轴向有效测量区域判定方法，所述差动共焦轴向有效测量区域判定方法应用于上述的差动共焦轴向有效测量区域判定装置，所述差动共焦轴向有效测量区域判定方法包括：

获取被测样品的表面图像以及预设轴向测量范围；所述表面图像包括焦前图像和焦后图像；

根据所述预设轴向测量范围，利用公式

剔除所述差动图像中所述标准测量灰度区间以外的图像区域，得到剔除后的差动图像；所述剔除后的差动图像中包括有效测量区域和无效测量区域；

根据所述预设轴向测量范围，确定所述焦前图像的第一可测量灰度区间和所述焦后图像的第二可测量灰度区间；

将所述第一可测量灰度区间和所述第二可测量灰度区间作交集运算，得到交集灰度区间；

根据所述交集灰度区间剔除所述剔除后的差动图像中的无效测量区域，将所述剔除后的差动图像中的有效测量区域作为差动共焦轴向测量方法的有效测量区域。

可选地，所述预设轴向测量范围根据物镜的倍数确定。

可选地，根据所述预设轴向测量范围，确定所述焦前图像的第一可测量灰度区间和所述焦后图像的第二可测量灰度区间，具体包括：

提取所述焦前图像的灰度值和所述焦后图像的灰度值；

根据所述焦前图像的灰度值和对应的轴向位置，绘制焦前灰度值-轴向位置曲线；

根据所述焦后图像的灰度值和对应的轴向位置，绘制焦后灰度值-轴向位置曲线；

根据所述预设轴向测量范围和所述焦前灰度值-轴向位置曲线，确定所述焦前图像的第一可测量灰度区间；

根据所述预设轴向测量范围和所述焦后灰度值-轴向位置曲线，确定所述焦后图像的第二可测量灰度区间。

一种差动共焦轴向有效测量区域判定系统，包括：

数据获取模块，用于获取被测样品的表面图像以及预设轴向测量范围；所述表面图像包括焦前图像和焦后图像；

标准测量灰度区间确定模块，用于根据所述预设轴向测量范围，利用公式

第一剔除模块，用于剔除所述差动图像中所述标准测量灰度区间以外的图像区域，得到剔除后的差动图像；所述剔除后的差动图像中包括有效测量区域和无效测量区域；

根据所述预设轴向测量范围，确定所述焦前图像的第一可测量灰度区间和所述焦后图像的第二可测量灰度区间；

交集运算模块，用于将所述第一可测量灰度区间和所述第二可测量灰度区间作交集运算，得到交集灰度区间；

第二剔除模块，用于根据所述交集灰度区间剔除所述剔除后的差动图像中的无效测量区域，将所述剔除后的差动图像中的有效测量区域作为差动共焦轴向测量方法的有效测量区域。

一种电子设备，包括：存储器及处理器，所述存储器用于存储计算机程序，所述处理器运行所述计算机程序以使所述电子设备执行上述的差动共焦轴向有效测量区域判定方法。

一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的差动共焦轴向有效测量区域判定方法。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供的差动共焦轴向有效测量区域判定装置、方法及系统，通过获取被测样品的表面图像以及预设轴向测量范围；根据预设轴向测量范围，提取差动图像的标准测量灰度区间，并确定焦前图像的第一可测量灰度区间和焦后图像的第二可测量灰度区间；剔除差动图像中标准测量灰度区间以外的图像区域；并根据第一可测量灰度区间和第二可测量灰度区间的交集过滤掉剔除后的差动图像中的无效测量区域，将剔除后的差动图像中的有效测量区域作为差动共焦轴向测量方法的有效测量区域。本发明的方法能够预判差动共焦轴向测量方法的有效测量区域，提高了差动共焦轴向测量方法在实际测量过程中数据真实性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的差动共焦轴向有效测量区域判定装置结构示意图；

图2为本发明提供的差动共焦轴向有效测量区域判定方法流程图；

图3为本发明提供的共焦轴向光强响应曲线图；

图4为本发明提供的差动共聚焦轴向光强响应曲线图；

图5为本发明提供的差动共焦轴向有效测量区域判定系统采用双相机的结构示意图；

图6为本发明提供的差动共焦轴向有效测量区域判定系统采用三相机的结构示意图。

符号说明：

1、照明单元；2、准直透镜；3、数字微镜器件；4、分光透镜；5、管镜；6、物镜；7、载物模块；8、聚焦透镜；9、相机；10、上位机；11、第二分光透镜；12、第二聚焦透镜；13、第二相机；14、第三分光透镜；15、第三聚焦透镜；16、第三相机。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种差动共焦轴向有效测量区域判定装置、方法及系统，以确定差动共焦轴向测量方法的有效测量区域。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例一

如图1所示，本发明提供的差动共焦轴向有效测量区域判定装置，包括：照明单元1、准直透镜2、数字微镜器件3、分光透镜4、管镜5、物镜6、载物模块7、聚焦透镜8、相机9和上位机10。

所述照明单元1用于产生点照明光；所述点照明光入射至所述准直透镜2产生平行光束；所述平行光束入射至所述数字微镜器件3后产生平行光阵列，并反射至所述分光透镜4；所述平行光阵列经所述分光透镜4反射，依次通过所述管镜5和所述物镜6照射至所述载物模块7上的被测样品，并反射回所述物镜6、所述管镜5以及所述分光透镜4，经所述分光透镜4透射至所述聚焦透镜8，通过所述聚焦透镜8汇聚至所述相机9。

在实际应用中，所述照明单元包含一个点光源，产生点照明光。所述点照明光可以为单色光，也可以为复色光，也可为可见光，也可为不可见光。

所述点照明光朝向同线的所述准直透镜2、数字微镜器件3，产生平行光阵列。

所述点照明光依次透过准直透镜2后到达数字微镜器件3中，反馈出平行光阵列通过分光透镜4、管镜5和物镜6照射在载物模块7，被载物模块7反射后再次透过分光透镜4，通过聚焦透镜8汇聚到相机9。所述载物模块7、物镜6、管镜5、分光透镜4、聚焦透镜8和相机9相互平行且同轴设置。

所述分光透镜4可采用半透半反透镜，也可采用偏振器与偏振分束器的组合。

所述载物模块7为三维运动载物台，用以带动被测样品在二维平面运动或三维空间姿态移动。

所述相机9与所述上位机10连接，所述相机9用于采集所述被测样品的表面图像，并将所述表面图像传输至所述上位机10。本发明还可使用双相机和三相机，只是影响了轴向扫描过程中的采图步骤，双相机可以同时采集焦前/后两张图像，无需控制载物台轴向单独移动采集焦前或者焦后图像，提高了采集焦前或者焦后图像的精度，如图5所示，双相机系统在单相机的基础上增加了第二分光透镜11、第二聚焦透镜12和第二相机13，其中，第二分光透镜11设置于所述分光透镜4的透射光路上，第二聚焦透镜12设置于所述第二分光透镜11的反射光路上，第二相机13设置于所述第二聚焦透镜12的出射光路上，第二相机13用于采集被测样品的焦前图像。三相机同理，如图6所示，其中，第三分光透镜14设置于所述分光透镜4和所述第二分光透镜11之间，所述第三聚焦透镜15设置于所述第三分光透镜14的反射光路上，所述第三相机16设置于所述第三聚焦透镜15的出射光路上。

所述上位机10用于根据所述表面图像提取差动共焦轴向测量方法的有效测量区域。

实施例二

为了实现实施例一相应的功能和技术效果，下面提供一种差动共焦轴向有效测量区域判定方法，所述差动共焦轴向有效测量区域判定方法应用于实施例一的差动共焦轴向有效测量区域判定装置，如图2所示，所述差动共焦轴向有效测量区域判定方法包括：

步骤201：获取被测样品的表面图像以及预设轴向测量范围；所述表面图像包括焦前图像和焦后图像。所述预设轴向测量范围根据物镜的倍数确定。

在实际应用中，上位机获取相机采集到的被测样品的表面图像，并对获取到的表面图像进行分析，实现轴向有效测量区域判定。

采集被测物表面信息(表面图像)的过程为：

所述点照明光发出单束光透过准直透镜到达数字微镜器件中，数字微镜器件将单束光调制成平行光阵列，反馈出的平行光阵列透过分光透镜后透过管镜后由物镜汇聚到被测样品表面，经被测样品表面反射后透过物镜、管镜、分光透镜，由聚焦透镜汇聚到相机中；通过载物台(载物模块)带动物体沿轴向方向上下移动，获取不同轴向位置的表面图像。

步骤202：根据所述预设轴向测量范围，利用公式

步骤203：剔除所述差动图像中所述标准测量灰度区间以外的图像区域，得到剔除后的差动图像；所述剔除后的差动图像中包括有效测量区域和无效测量区域。在实际应用中，通过曲线I(z)中线性测量段的轴向位置和灰度值之间的函数关系，即

步骤204：根据所述预设轴向测量范围，确定所述焦前图像的第一可测量灰度区间和所述焦后图像的第二可测量灰度区间。

作为一种可选的实施方式，步骤204，具体包括：

提取所述焦前图像的灰度值和所述焦后图像的灰度值。在实际应用中，在所获取的焦前/后和差动的三张图像中，其所分别包含的图像灰度值均有各个轴向位置的信息。

根据所述焦前图像的灰度值和对应的轴向位置，绘制焦前灰度值-轴向位置曲线。

根据所述焦后图像的灰度值和对应的轴向位置，绘制焦后灰度值-轴向位置曲线。

根据所述预设轴向测量范围和所述焦前灰度值-轴向位置曲线，确定所述焦前图像的第一可测量灰度区间。

根据所述预设轴向测量范围和所述焦后灰度值-轴向位置曲线，确定所述焦后图像的第二可测量灰度区间。

在实际应用中，由焦前/后曲线与差动测量曲线在轴向的定位关系，可以确定焦前/后光强响应曲线中可被真实还原的灰度区间，但受限于共聚焦轴向光强响应曲线的单边对称性质，使得可被真实还原的灰度值会存在两个不同轴向位置的解。这两个解中只有一个是属于真实可测量的轴向位置。

步骤205：将所述第一可测量灰度区间和所述第二可测量灰度区间作交集运算，得到交集灰度区间。

步骤206：根据所述交集灰度区间剔除所述剔除后的差动图像中的无效测量区域，将所述剔除后的差动图像中的有效测量区域作为差动共焦轴向测量方法的有效测量区域。

在实际应用中，通过焦前/后的可真实还原的灰度区间与轴向位置的对应关系，可以确定焦前的真实可测量的轴向位置与焦后的真实可测量的轴向位置相同，即可通过焦前/后图像中的可测量灰度区间的交集运算实现有效测量区域的判定。

上位机对表面图像的处理过程通过如下原理实现：

差动共焦轴向测量方法的原理是基于轴向偏移的两个光强响应曲线相减所实现的。因此，受限于差动共聚焦轴向光强响应曲线的单边特性影响，除去峰值外的其他光强值会对应两个不同的轴向位置。如图3所示的Z

由共焦轴向光强响应曲线的单边特性可得，在差动共焦轴向光强响应曲线中存在两段与真实还原灰度范围相同的区间，如图4所示。图4中深灰色区域为真实测量区域(有效测量区域)，浅灰色为假测量区域(无效测量区域)。因此，设焦前轴向光强响应曲线最大值与I(z

已有差动共聚焦3D测量方法大都聚焦在如何提升单次测量下的单量程的测量效率和测量精度，缺乏对轴向测量数据的有效性判断。本发明将差动共焦轴向测量方法与差动层扫相结合，提出了一种差动共焦轴向有效测量区域判定系统及方法，通过差动共焦轴向测量曲线与焦前/后共聚焦轴向响应曲线之间的轴向-灰度值的对应关系，实现了差动共聚焦轴向测量区域的有效提取，保证了差动共焦测量方法在实际测量过程中的数据真实性。

实施例三

为了执行上述实施例一对应的方法，以实现相应的功能和技术效果，下面提供一种差动共焦轴向有效测量区域判定系统，包括：

数据获取模块，用于获取被测样品的表面图像以及预设轴向测量范围；所述表面图像包括焦前图像和焦后图像。

标准测量灰度区间确定模块，用于根据所述预设轴向测量范围，利用公式

第一剔除模块，用于剔除所述差动图像中所述标准测量灰度区间以外的图像区域，得到剔除后的差动图像；所述剔除后的差动图像中包括有效测量区域和无效测量区域。

根据所述预设轴向测量范围，确定所述焦前图像的第一可测量灰度区间和所述焦后图像的第二可测量灰度区间。

交集运算模块，用于将所述第一可测量灰度区间和所述第二可测量灰度区间作交集运算，得到交集灰度区间。

第二剔除模块，用于根据所述交集灰度区间剔除所述剔除后的差动图像中的无效测量区域，将所述剔除后的差动图像中的有效测量区域作为差动共焦轴向测量方法的有效测量区域。

实施例四

本实施例提供了一种电子设备，包括：存储器及处理器，所述存储器用于存储计算机程序，所述处理器运行所述计算机程序以使所述电子设备执行实施例二的差动共焦轴向有效测量区域判定方法。

实施例五

本实施例提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现实施例二的差动共焦轴向有效测量区域判定方法。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。