[实用新型]一种双摄像头并行共焦差动显微3D形貌测量装置

说明书

本实用新型具体涉及一种双摄像头并行共焦差动显微3D形貌测量装置，该装置包括：包括双摄像头图像采集模块、照明模块、光学成像模块、图像分析及电动载物台控制模块；利用面阵相机作为探测器，克服了传统激光共焦技术单点和逐层扫描效率低的问题；利用数字微镜器件的微镜阵列作为虚拟的并行针孔实现非接触式扫描，非单点扫描或逐层扫描，能实现一次自动聚焦后，在无机械运动的情况下，通过双摄像头并行共焦差动完成样本大视场微观3D形貌测量。

技术领域

本实用新型属于光学显微成像及微观表面形貌测量领域，更具体地说，涉及一种双摄像头并行共焦差动显微3D形貌测量装置以及方法。

背景技术

现有微观三维形貌测量技术存在诸多不足，如电子扫描类显微镜检测观测范围小，环境抗干扰能力低；光学干涉测量方法需要大量轴向扫描限制了该类方法的测量效率。基于传统激光扫描共焦显微成像方法的双探测器差动共焦测量需要逐点扫描，难以实现实时快速的三维测量；例如，北京理工大学申请号为201310026956.4的发明专利和哈尔滨工业大学申请号为201410617222.8的发明专利，它们通过针孔实现轴向层析能力，通过差动进一步提升轴向测量精度，然而它们都需要对样本做横向逐点扫描，才能完成对整个视场范围的三维测量，它们的缺陷是：在横向分辨点位超过1百万点时候，难以实现高于1Hz的多点高精度纵向测量。结构光照明显微技术可以避免水平方向的逐点扫描，也可以提升横向分辨能力到超过光学成像系统的衍射极限，但仍然需要光栅的横向移动来产生不同相位的结构光及进行相位调制；并且，结构光主要用于提升横向光学分辨能力，其纵向解析能力不及共轭针孔方案高。例如，西安交通大学申请号为201510707518.3的发明专利在相位调制结构光成像方案基础上，采用差动式来提升纵向测量精度,该方法避免水平方向的逐点扫描，且纵向测量精度高于传统结构光方法，然而仍有不足，首先，该方法仍需通过光栅的机械运动来产生相位调制的结构光，效率较低。其次，其纵向测量精度难以实现纳米级别高精度。华侨大学申请号为201510922156X的已有并行共焦测量技术，通过纵向移动显微物镜与样本之间的相对距离，使用一个面阵探测器分别获取样本表面在焦平面之前一副图像即焦前图像，之后将样本移动到焦后等距离地方再采集样本焦后灰度图片，通过两幅图像之差构建差动纵向响应曲线，实现纳米精度并行共焦3D测量。尽管该方法克服了传统激光扫描共焦3D测量技术需要在水平方向逐点扫描且在纵向方向逐层扫描的问题，然而该方法仍有不足，还需要移动样本才能构建一个视场的3D形貌。该方法与相位调制结构光成像方案一样，一个观察视场需要停留才能完成该观察视场FOV的3D成像，因此不利于需要子孔径拼接的大样本的快速多视场扫描，不利于大样本的3D形貌观察与测量。因此，目前亟需一种光学测量方法来解决以上问题以实现高精度，高效率，大视场范围的微观3D形貌测量。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种双摄像头并行共焦差动显微3D形貌测量装置以及测量方法。该装置及在该装置上实施的双摄像头并行共焦差动显微3D形貌测量方法能实现一次样本摆放后，在无载物台轴向运动的情况下，通过双摄像头差动完成样本大视场微观3D形貌测量；该方法能实现高横向分辨率、纳米级测量精度、英寸级大视场横向测量范围的微观3D形貌测量。

本实用新型的技术方案如下：

一种双摄像头并行共焦差动显微3D形貌测量装置，包括双摄像头图像采集模块、照明模块、光学成像模块、图像分析及电动载物台控制模块；

双摄像头图像采集模块按照光路传播方向，依次包含：半反半透分光镜、管镜、图像传感器。其中，半反半透分光镜将成像光路分成两个等价成像光路，半反半透分光镜的理想分光比为50％：50％，允许的分光比之差小于40％，两个图像传感器以面阵相机作为探测器，分别放置在与成像光路的成像焦面前及焦面后等距离U_F位置处；两个图像传感器有效感光表面与成像光路光轴垂直，两个图像传感器有效视场重合，重合度高于90％；