技术领域
[0001] 本
发明涉及微型发光器件领域，尤其涉及微型发光器件的三维光谱成像装置及方法。
背景技术
[0002] 光学成像技术和光谱技术是两种历史悠久且应用广泛的技术，成像光谱技术将二维成像技术和光谱技术有机结合，达到获取物体形态成像的同时获得丰富的光谱信息，并且由于其具有光谱
分辨率高、波段多、图像与光谱相结合的优点，使得它在遥感、
生物等多领域得到广泛的应用。
[0003] 显微高光谱成像系统是将具有成像光谱技术的高光谱相机和
显微镜相结合。不仅可以获得微型器件的显微图像，而且可以获得二维图像中任意
像素可见光范围内全波段的光谱信息。但在研究和工作中，往往不仅需要获得某一二维平面的图像和光谱信息，还需要获得样品的三维立体图像和光谱信息。例如LED芯片在点亮的情况下出光面不仅仅是
正面，还包括芯片的侧面均有出光。但由于LED芯片尺寸很小，厚度很薄，同时芯片侧面的发光信息内容丰富。为了清晰获取芯片侧面的发光数据，需要将芯片侧面由正常的竖直状态旋转90°呈
水平状态拍摄。芯片的
角度旋转范围大且需要保证芯片在显微镜下的中心
位置不变，而常见高
精度XY二维平面光学角度台，多数最大旋转角度小于45°，放置于角度台上的被测器件中心也会随角度台的倾斜发生偏移，不能满足角度旋转和中心位置不变的要求。此外为了构建三维的立体图像信息，还需围绕垂直于芯片的中
心轴旋转360°，进行全方位的
图像采集。
发明内容
[0004] 本发明的目的在于解决
现有技术中的上述问题，提供微型发光器件的三维光谱成像装置及方法，通过二轴旋转平台实现空间内任意角度的全
覆盖，将所获得的器件二维图像与对应的光学测量比例尺比对，即可确定器件尺寸大小，建立起器件三维模型，经过后期对二维图像、光谱信息的处理，可合成出发光器件的三维图像及光谱信息。
[0005] 为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0006] 微型发光器件的三维光谱成像装置，包括计算机、高光谱成像仪、显微镜、
电流源、底座和二轴旋转平台；
[0007] 所述二轴旋转平台设于底座上，二轴旋转平台用于固定样品并可带动样品在与平行于底座的水平面内进行旋转、及带动样品绕该水平面内的任意一轴进行转动；
[0008] 所述电流源与样品电连接，所述样品为微型发光器件，电流源用于驱动样品发光；
[0009] 所述显微镜设于样品的上方，显微镜用于透过样品发出的光；
[0010] 所述高光谱成像仪设于显微镜的上方，高光谱成像仪用于收集显微镜透过的光以得到样品的图像信息和光谱信息；
[0011] 所述计算机连接高光谱成像仪，计算机用于将接收的图像信息和光谱信息进行
数据处理。
[0012] 所述二轴旋转平台包括
舵机、微型光学旋转台、
支撑台和
连接杆；所述舵机固定于底座上，舵机与连接杆的一端转动连接，所述支撑台固定于连接杆上，所述微型光学旋转台活动设于支撑台上，所述样品固定于微型光学旋转台的中央。
[0013] 本发明还包括控制板；所述控制板的输入端与计算机连接，控制板的输出端与舵机连接，控制板用于通过计算机控制舵机的角度。
[0014] 本发明还包括带座
轴承，所述带座轴承固定设于底座上且朝向舵机，所述连接杆的另一端与带座轴承的轴承转动连接。
[0015] 本发明中，微型发光器件的三维光谱成像方法，包括以下步骤：
[0016] 1)调整舵机的角度，使微型光学旋转台平行于底座，将样品固定于微型光学旋转台的中央，用电流源为样品供电；
[0017] 2)通过显微镜的粗准焦螺旋和细准焦螺旋，调整样品与显微镜之间的焦距，使高光谱成像仪能获取到样品正面清晰的图像信息及光谱信息；
[0018] 3)在计算机输入设定的角度，与舵机相连的连接杆会带动支撑台、微型光学旋转台和样品旋转至设定角度，通过旋转微型光学旋转台，配合显微镜调焦和高光谱成像仪的拍摄，获得当前倾斜面上的样品的图像信息及光谱信息；完成某一角度倾斜面的图像拍摄后，通过舵机重新设定旋转角度，调至另一倾斜面，再重新完成一轮图像拍摄；
[0019] 4)保存每次拍摄到的图像信息和光谱信息，并进行数据处理得到发光图像三维合成图和和
光子数空间立体分布图。
[0020] 步骤4)的数据处理中，先从全波段范围内取出某一
波长下样品的光谱信息和图像信息，再根据样品尺寸建立模型和纹理坐标的
基础上，通过纹理贴图的方式将发光图像贴至模型表面进行三维合成。
[0021] 相对于现有技术，本发明技术方案取得的有益效果是：
[0022] 1、本发明中，所述二轴旋转平台可以实现空间角度的全覆盖，其中一轴的角度旋转可通过舵机用的上位机控制，使角度控制更加精确方便；同时上位机可以实时回调舵机的角度信息，以及其他与舵机
稳定性相关的参数信息(包括
温度、
电压等)，确保二轴旋转平台的可靠性和稳定性。
[0023] 2、本发明可以测量微尺寸发光器件多角度的图像信息及光谱信息，例如LED芯片尺寸为1mm*1mm*0.1mm，利用100倍的放大倍数，借助二轴旋转平台可以清晰获取芯片的发光面的信息，包括芯片正面、侧面和任意角度的全部图像信息及光谱信息，弥补以往仅能拍摄芯片正面发光信息的空白。
[0024] 3、本发明可将获得的二维图像和光谱信息合成三维图像并得到立体发光信息：借助高光谱成像仪获取发光器件发光面的二维图像信息及光谱信息，可通过后期对图像信息的提取、对比、拟合，将多角度发光面信息合成，合成三维发光面的图像及光谱信息、光子数空间立体分布图。
附图说明
[0025] 图1为所述微型发光器件的三维光谱成像装置的结构示意图；
[0026] 图2为蓝光LED芯片发光的相机拍摄图(显微镜放大50倍，舵机角度80)；
[0027] 图3为蓝光LED四个侧面发光图像(峰值波长450nm显微镜放大100倍，舵机角度90)；
[0028] 图4为蓝光LED发光图像三维合成图(峰值波长450nm处，显微镜放大100倍，舵机角度90)；
[0029] 图5为蓝光LED芯片正面和四个侧面光子数空间立体分布图。
[0030] 附图标记：1-计算机，2-高光谱成像仪，3-显微镜，4-舵机，5-微型光学旋转台，6-连接杆，7-带座轴承，8-支撑台，9-底座，10-控制板，11-
开关，12-锂
电池，13-舵机串口控制线，14-电源线，15-电流源，16-样品，17-USB线，18-电源线，19-USB线。
具体实施方式
[0031] 为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚、明白，以下结合附图和
实施例，对本发明做进一步详细说明。
[0032] 如图1所示，本发明所述微型发光器件的三维光谱成像装置，包括计算机1、高光谱成像仪2、显微镜3、电流源15、底座9、二轴旋转平台。
[0033] 所述二轴旋转平台设于底座9上，二轴旋转平台用于固定样品16并可带动样品16在与平行于底座9的水平面内进行旋转、及带动样品16绕该水平面内的任意一轴进行转动；
[0034] 所述电流源15与样品16电连接，所述样品16为微型发光器件，电流源15用于驱动样品16发光；
[0035] 所述显微镜3设于样品16的上方，显微镜3用于透过样品16发出的光；
[0036] 所述高光谱成像仪2设于显微镜3的上方，高光谱成像仪2用于收集显微镜3透过的光以得到样品16的图像信息和光谱信息；具体地，高光谱成像仪2是在获取物体表面形貌的基础上，同时获得图像上各像素点处的光谱，由此获得物体表面的光学信息。在本发明中，可以将该高光谱成像仪2替换成其他可同时采集图像及光谱信息的装置。
[0037] 所述计算机1连接高光谱成像仪2，计算机1用于将接收的图像信息和光谱信息进行数据处理。
[0038] 所述二轴旋转平台包括舵机4、微型光学旋转台5、支撑台8、连接杆6、控制板10、带座轴承7；所述舵机4固定于底座9上，舵机4与连接杆6的一端转动连接，所述带座轴承7固定设于底座9上且朝向舵机4，连接杆6的另一端与带座轴承7的轴承转动连接；
[0039] 所述支撑台8固定于连接杆6上，所述微型光学旋转台5活动设于支撑台8上，所述样品16固定于微型光学旋转台5的中央；
[0040] 所述控制板10的输入端与计算机1连接，控制板10的输出端与舵机4连接，控制板10用于通过计算机1控制舵机4的角度。
[0041] 所述舵机4通过连接杆6可以带动微型光学旋转台5完成垂直于底座9且平行于舵机4
齿轮的竖直面上旋转180°。本发明实施例在使用中设定支撑台8平行于底座9时，舵机4角度90°，微型光学旋转台5本身可以完成平行于支撑台8面的360°的旋转。
[0042] 具体地，通过USB线17将高光谱成像仪2与计算机1相连，舵机4通过舵机串口控制线13和控制板10相连。锂电池12通过电源线14与控制板10相连，电源线14的通断由开关11控制。控制板10通过USB线19和计算机1相连。在开关11接通锂电池12的情况下，舵机4通过控制板10供电，同时计算机1中的上位机
软件在显示串口连接成功后，可控制舵机4旋转至在上位机软件中输入的
指定角度。在舵机4旋转至指定角度后，可拖动上位机软件中的角度微调滑
块微调角度。此外，也可在上位机软件中输入舵机4旋转至指定角度的时间，舵机4会在指定时间内匀速旋转至指定角度。同时，上位机软件也可以实时获取舵机4当前位置的角度，温度和电压等数据。当舵机4的电压不足，温度过高时，上位机会给出警告信息，以便调整舵机4状态，确保二轴旋转平台的正常运转。
[0043] 本发明中，微型发光器件的三维光谱成像方法，包括以下步骤：
[0044] 1)调整舵机4的角度，使微型光学旋转台5平行于底座9，将样品16固定于微型光学旋转台5的中央，用电流源15为样品供电；
[0045] 2)通过显微镜3的粗准焦螺旋和细准焦螺旋，调整样品16与显微镜3之间的焦距，使高光谱成像仪2能获取到样品16正面清晰的图像信息及光谱信息；
[0046] 3)控制计算机1中的二轴旋转平台上位机，成功打开串口后，在计算机1输入设定的角度，与舵机4相连的连接杆6会带动支撑台8、微型光学旋转台5和样品16旋转至设定角度，通过手动旋转微型光学旋转台5，配合显微镜3调焦和高光谱成像仪2的拍摄，获得当前倾斜面上的样品16的图像信息及光谱信息；完成某一角度倾斜面的图像拍摄后，通过舵机4重新设定旋转角度，调至另一倾斜面，再重新完成一轮图像拍摄；每一次角度的调整，都需要重新调整样品16与显微镜3之间的焦距，确保高光谱成像仪2能拍到清晰的图像信息及光谱信息；
[0047] 4)保存每次拍摄到的图像信息和光谱信息，并进行数据处理得到发光图像三维合成图和和光子数空间立体分布图。
[0048] 步骤4)的数据处理中，先从全波段范围内取出某一波长下样品的光谱信息和图像信息，再根据样品尺寸建立模型和纹理坐标的基础上，通过纹理贴图的方式将发光图像贴至模型表面进行三维合成。
[0049] 基于本发明所述的二轴旋转平台，可以获取微尺寸发光器件除与微型光学旋转台5相
接触的底面外的空间全部图像信息。图2为蓝光LED芯片在电流1mA激励下，显微镜3放大
50倍，舵机4角度80°时的相机拍摄图。配合高光谱成像仪2，可获得LED芯片空间任意角度发光面的图像信息和图像中每一个像素点的光谱信息。在本发明中，通过旋转二轴旋转平台，获取LED芯片四个侧面和正面的发光图像信息和光谱信息。
[0050] 下面结合附图和两个具体实施例对本发明进行详细说明
[0051] 实施例1
[0052] 获取蓝光LED芯片发光正面图像信息和光谱信息。
[0053] 1)使用控制舵机4的上位机软件，将舵机4的角度调至90°，使得支撑台8和微型光学旋转台5在平行于底座9的水平位置；
[0054] 2)将蓝光LED芯片样品(1mm*1mm*0.1mm)固定于中心，用电流源15给蓝光LED芯片样品供电；
[0055] 3)调整显微镜3的物镜10X和目镜倍数10X，先后转动显微镜3的粗准焦螺旋和细准焦螺旋，使得样品在显微镜3
视野中得到清晰放大；使用高光谱成像仪2的上位机软件，调整曝光时间为0.1ms，并通过调整显微镜3的细准焦螺旋，使得高光谱成像仪2能够清晰拍摄到蓝光LED芯片的图像，保存高光谱的数据，生成蓝光LED芯片正面(包含光谱信息)raw格式的数据文件和bmp格式的图像文件。
[0056] 实施例2
[0057] 获取蓝光LED芯片侧面发光图像信息和光谱信息。
[0058] 1)使用控制舵机4的上位机软件，将舵机4的角度调至90°，使支撑台8和微型光学旋转台5在平行于底座9的面上；
[0059] 2)将蓝光LED芯片样品(1mm*1mm*0.1mm)固定于中心，用电流源15给蓝光LED芯片供电；
[0060] 3)使用控制舵机4的上位机软件，将舵机4的角度调回至0°，使支撑台8和微型光学旋转台5在垂直于底座9的面上；
[0061] 4)调整显微镜3的物镜10X和目镜倍数10X，先后转动显微镜3的粗准焦螺旋和细准焦螺旋，使蓝光LED芯片侧面在视野中得到清晰放大；
[0062] 5)使用高光谱成像仪2的上位机软件，调整曝光时间为0.1ms，并通过调整显微镜3的细准焦螺旋，使得高光谱成像仪2能够清晰拍摄到芯片侧面的图像，保存高光谱的数据，生成侧面1的raw格式的数据文件和bmp格式的图像文件；
[0063] 6)继续使用控制舵机4的上位机软件，将舵机4的角度调回至180°，使支撑台8和微型光学旋转台5在垂直于底座9的面上；
[0064] 7)重复以上步骤5和步骤6，获得与侧面1相对应的侧面2的raw格式的数据文件和bmp格式的图像文件；
[0065] 8)固定舵机4角度180°不变，手动转动微型光学旋转台5，以90°为跨度，顺
时针旋转1次，旋转后重复步骤5和步骤6可以获取得侧面3的发光的raw格式的数据文件和bmp格式的图像文件；
[0066] 9)固定舵机4角度180°不变，手动转动微型光学旋转平台，以90°为跨度，逆时针旋转1次，旋转后重复步骤5和步骤6可以获取得与侧面3相对应的侧面4发光的raw格式的数据文件和bmp格式的图像文件；
[0067] 10)处理raw文件数据，获取在不同波长处的芯片的发光图像，如图3所示，获得蓝光LED在峰值波长450nm处的四个侧面发光图像；将获得的同一芯片，同一波长(450nm)处的正面发光图像和4个侧面的发光图像，进行对齐、合成，在按照芯片实际尺寸构建出模型的基础上，完成模型表面纹理坐标设定，并将图像数据贴图至模型表面，可得到如图4所示的芯片发光三维图；
[0068] 11)处理raw文件数据也可获取在不同波长处图像上各个像素点的光子数，以一个波长为间隔，取380～780nm波长范围内的每个波长位置，每个像素点的光子数，将光子数求和得到每个像素点位置处的总光子数。以每个像素点的总光子数为z轴数据，x轴和y轴表示像素点位置信息，可构建如图5的LED芯片正面和四个侧面的光子数立体分布图。
