微观物体三维形貌光学测量装置
专利汇可以提供微观物体三维形貌光学测量装置专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本实用新型涉及一种微观物体三维形貌光学测量装置，由 显微镜 、CCD摄像头和计算机构成，其中CCD摄像头设置在显微镜上，CCD摄像头的数据输出端与计算机相连接，其特点是：在显微镜纵轴方向移动旋钮旁设置有一个光电读入头，光电读入头的输出通过一个计数和传输 电路 与计算机相连接。本实用新型的作用是：使用普通 光学显微镜 记录平面图像并重构测量物体表面高度信息，实现了使用二维图像记录物体的三维信息。，下面是微观物体三维形貌光学测量装置专利的具体信息内容。
1、一种微观物体三维形貌光学测量装置，由显微镜(10)、CCD摄 像头(7)和计算机(9)构成，其中CCD摄像头(7)设置在显微镜(10) 上，CCD摄像头(7)的数据输出端与计算机(9)相连接，其特征在于： 在显微镜(10)纵轴方向移动旋钮(12)旁设置有一个光电读入头(11)， 光电读入头(11)的输出通过一个计数和传输电路(14)与计算机(9) 相连接。
2、如权利要求1所述的物体三维形貌光学测量装置，其特征是：光 电读入头(11)固定在显微镜(10)底盘上，并用之读入旋钮(12)柄 上的条纹信息。
3、如权利要求1所述的物体三维形貌光学测量装置，其特征是：在 旋钮(12)上加一橡胶套(16)，并用一皮带(18)与在旋转轴上安装了 皮带轮(17)的旋转编码器(19)相连接，通过对旋转编码器(19)的 输出脉冲计数实现双向计数。
4、如权利要求3所述的物体三维形貌光学测量装置，其特征是：使 用齿轮和齿条替代皮带(18)和皮带轮(17)作为传动装置。
技术领域
本实用新型属于一种三维表面的测量装置，特别是一种在显微镜条 件下，通过图像采集装置测量微观物体三维形貌光学测量装置。
背景技术
目前有多种光学三维表面测量装置。基于不同的光学物理现象，已经 研究并应用的有干涉外差显微镜、散焦和共焦显微镜以及各种相移显微 镜。这些装置采用的方法都是选择几个离散的表面图像，结合在一起形成 三维图像。
上述测量装置都可以准确地测量出物体的三维表面形貌信息，但是 这些仪器费用高昂，一般的科研单位无法承受，极大地制约了科学研究 的进展和技术的普及。许多从事生物医学及材料科学研究的单位都配有 普通光学显微镜，这些显微镜只能把三维物体以二维部分聚焦图像的形 式记录下来，原因如下：根据凸透镜(2)成像公式 物 距和像距是一一对应的，由于物距和像距不匹配(图1)，造成物体的像 平面和感应面不一致因而生成了离焦图像。显微镜的景深是有限的，对 于显微镜系统，其像距(v)即图像采集设备的感应面与物镜镜头之间 的距离是固定的，与之对应的物距(u)也是确定的，因此当物体在显 微镜载物台上移动时，只有物体表面上离物镜距离为u的部分(即景深 内部分)才能在图像采集设备感应平面上成清晰的像，其余部分(即景 深外部分)由于其与物镜的距离不是u，它们只能在感应面上成模糊的 像。无法通过显微镜一次观察到物体备部分在高度上的差异。这样就丢 失了大量有用的三维信息，也限制了这些仪器的使用范围。
从科学发展和经济实用的角度都要求显微镜不仅有更高的分辨率， 而且要能对样本进行无损层析，进而能完整精确地重现显微样本的三维 结构。
发明内容
为了解决现有光学显微镜在三维表面测量上的只能记录二维部分聚 焦平面信息的缺陷，本实用新型的目的是提供一种微观物体三维形貌光 学测量装置，该装置能够以二维平面图像序列和一维高度数据的形式记 录三维表面信息，通过对这些信息重构可以得到直观的三维表面信息。
为了实现上述目的，本实用新型由显微镜、CCD摄像头和计算机构成， 其中CCD摄像头设置在显微镜上，CCD摄像头的数据输出端与计算机相连 接，其特点是：在显微镜纵轴方向移动旋钮旁设置有一个光电读入头， 光电读入头的输出通过一个计数和传输电路与计算机相连接。
本实用新型的作用是：使用普通光学显微镜记录平面图像并重构测量 物体表面高度信息，实现了使用二维图像记录物体的三维信息。
附图说明
图1是散焦图像的形成示意图。
图2是显微镜高度测量原理图。
图3是本实用新型实施例1的原理示意图。
图4是本实用新型实施例2的原理示意图。
图5是本实用新型实施例3中橡皮套的示意图。
图6是本实用新型实施例3中使用旋转编码器计数的原理示意图。
图7是本实用新型实施例3中在旋转编码器了上加装皮带轮的示意 图。
图中：1.-物体、2.-透镜、3-图像采集设备感应面、4-像 平面、5-光轴、6-有一定高度的物体、7-CCD摄像头、8-部分聚焦图 像序列、9-图像数据耦合及处理计算机、10-显微镜、11-光电读入 头、12-旋钮、13-脉冲信号、14-计数和传输电路、15-微调焦旋钮 柄、16-橡皮套、17-安装在旋转编码器转轴上的皮带轮、18-皮带、 19-旋转编码器、20-固定旋转编码器的基座。
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明作进一步说明。
本实用新型通过在显微镜10纵轴方向调整微观物体的位置，利用安 装在显微镜10上的图像获取设备CCD摄像头7获取微观物体的连续图像 序列，使整个序列覆盖物体在显微镜10中纵轴方向的全部信息，同时利 用光电读入电路11联动同频(与图像获取设备同频)记录每幅图像的高 度信息，以二维部分聚焦图像序列8和与其一一对应的一维高度数值的 形式将物体的全部三维信息记录下来，并将上述数据传输给计算机9，在 计算机9处理中，根据部分聚焦图像的特点，通过滤波分割、图像与计 数值耦合、叠加等计算机图像处理方法恢复物体的三维表面高度图。
实施例1：
本实用新型包括三部分：用于将旋钮12转动路程信息转化为脉冲信 号的传感器-光电读入头11，用于记录物体表面图像信息的图像采集设 备-CCD摄像头7、进行计数并将计数值传输给计算机的计数和传输电路 14，以及用于处理这些信息获取最终微观物体表面高度图的计算机9。
本实用新型的工作原理是：首先是用于读入旋钮12转动信息即物体 高度信息的传感器，使用反射式光电扫描对显微镜10的旋钮12刻度进 行计数的原理类似于条形码扫描。旋钮12旋转的过程中，光电读入头11 前刻度线和间隔相继出现，产生脉冲信号13，对脉冲信号经过计数器计 数，就得到了旋钮12转过的格数。由于旋钮12转动一格在显微镜10纵 轴方向对应的长度是确定的，因此，记录下旋钮12转过的格数，也就记 下了物体在显微镜10纵轴方向移动的距离。计数和传输电路14的作用 是对光电读入头11输出的脉冲信号进行计数，然后将计数值传到计算机 9。首先是计数，根据被观测物体的高度选择合适的计数器芯片。该计数 器的输出可以连接到锁存器，以备单片机读取。由于要使视频中的每一 帧图像都有对应的计数值，因而要控制单片机的读取频率，使其与视频 图像的采集频率一致，保证它们一一对应；图像采集部分使用CCD摄像 头7和图像采集卡采集被观测物体图像，采用视频录像的形式将显微镜 10载物台升降过程中物体经显微镜10所成的部分聚焦图像记录下来；计 算机处理部分包括对图像进行清晰度测度，划分每帧图像中物体表面在 景深内的区域和景深外的区域，将计数值与分割图像耦合，进行高度赋 值，并通过对图像逐一叠加，重构被测量微观物体的表面高度。
本实用新型由显微镜10和图像采集设备获得的图像是部分聚焦的， 其中有一部分是清晰的，它对应物体在显微镜10景深内的部分，其余部 分则是模糊的，对应物体在显微镜10景深外的部分。当物体随载物台沿 显微镜10纵轴方向移近物镜时，物体上不同高度的部分依次进入显微镜 10的景深范围，然后又移出，因而物体的每个部分在图像采集设备上成 的像都将经历由模糊逐渐清晰然后再逐渐模糊的过程。每帧图片上都会 有模糊部分和清晰部分；物体表面上的每个点在图片序列中记录的像都 将顺序经历由模糊到清晰再到模糊的变化。每帧图片中的清晰部分对应 物体表面具有相同的高度的部分。如图2，两帧图像中的清晰部分对应的 物体表面部分在高度上的差别与物体沿显微镜10纵轴方向移动的距离是 相同的，因而测量物体表面的高度信息，只需要在显微镜10纵轴方向记 录物体随载物台移动过程中拍摄的每帧图像时移动的距离。从频率的角 度分析每帧图片，清晰的部分由于其相邻象素点之间亮度变化强烈，对 应的高频信号较强，而模糊部分，由于相邻象素点之间差别很小，对应 较强的低频信号。根据这一特点，要从这类图像中提取清晰部分，只需 进行滤波，提取频率信号中高频高幅值的部分，实现了使用二维图像记 录物体的三维信息。
实施例2：
在实施例1中，使用光电读入头记录旋钮刻度盘的刻度旋转信息来 记录物体高度信息，其缺点是光电读入头难以固定，改进的方法是将光 电读入头换一个方向，用之读入微调焦旋钮柄15上的条纹信息，这样读 入头可以很容易固定在显微镜底盘上(见图4)。
实施例3：
在上两个实施例中，使用光电读入头记录物体高度信息只能单方向 记录旋钮旋转信息，当出现逆向旋转时，就不能正确记录高度信息，改 进的方法是在微调焦旋钮柄15上加一橡胶套16，再用一皮带18与一在 转轴上加装了皮带轮17的旋转编码器19相联，将旋钮的旋转信息通过 皮带18传送到旋转编码器19，再统计旋转编码器的输出脉冲数来得到显 微镜纵轴方向的高度。为保证测量的准确性，橡胶套16与旋钮柄15应 紧密结合，以保证在使用皮带18传动时橡胶套16与微调焦旋钮柄15之 间不出现沿旋钮柄轴向和旋转方向的滑动。旋转编码器上加装的皮带轮 17应与其配套，以保证它们之间不出现滑动。
根据旋转编码器两个输出的关系就可以判断旋转的方向，将这两个 输出信号输出到计数器就可以自动判断旋转的方向实现相应的增减计 数。由图6知，皮带轮17的半径越大，显微镜旋钮15旋转一圈所输出 的脉冲数就越小，计数的精度就越低，反之则精度越高。因此在选定编 码器端皮带轮时，应先根据显微镜微调旋钮最大转速和所选旋转编码器 的转速上限计算所选定的皮带轮17的最小直径，所选定的皮带轮17直 径应大于此值，若此时无法满足精度要求，则应选定精度更高，转速上 限更大的旋转编码器19并重新计算。确定皮带轮17直径之后就可以根 据旋钮旋转一用输出的脉冲数计算出一个脉冲代表的显微镜纵轴方向的 距离，进而根据记录的脉冲数换算出高度。
实施例4：
在实施例3中，使用皮带轮作为传动装置容易打滑，使计数不准确， 改进的方法是使用将旋转编码器19端的皮带轮17用齿轮替代，而旋钮 的橡胶套16上也套上一齿轮，而传动的皮带18则用齿条代替。
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现 有技术。
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