显微系统光轴垂直度的测量方法

摘要

一种显微系统光轴垂直度的测量方法。本发明将两个完全相同的标定板相隔距离L放置在光轴倾斜面与光学平台的交线上，把进入显微系统的光路延展成两个臂，电机驱动显微镜头以一定步长S在垂直于光学平台的方向运动，分别得到两个标定板成像，用基于计算机视觉的清晰度评价函数TenenGrad函数分别对标定板的成像清晰度进行量化的判定，将其进行归一化比较，若二者在判定标准1%以内，则认为显微系统光轴达到垂直，计算此时光轴的垂直度h=S/L。本发明利用应用光学和机器视觉图像处理知识，测量显微系统光轴与光学平台的垂直程度，从而确保光轴与平台在误差范围内保持垂直。该方法测量精度高、系统简单、可行性好。

权利要求

1.一种显微系统光轴垂直度的测量方法，其特征在于该方法的具体步骤是：

第一，选择带有电机驱动的显微镜头和与之匹配的高分辨率CCD；

第二，利用1mm标准球在显微视场中的移动位置确定显微镜头与光学平台的倾斜方向；

第三，以不同步长采集标定板的一系列图像，用清晰度评价函数TenenGrad函数计算每幅图像的函数值，比较各步长值下采集图像的清晰度评价函数值，选定合适的最小步长作为驱动显微系统移动的步长；

第四，将两个完全相同的标定板相隔距离L放置在光轴倾斜面与光学平台的交线上，将进入显微系统的光路延展成两个臂，通过可以旋转的反射镜装置将标定板的反射光线分别导入显微系统，并在CCD接收面上分别形成两幅标定板的图像；

第五，以选定的步长驱动显微镜头在垂直于光学平台的方向运动，先得到一路光线的标定板成像，用基于计算机视觉的清晰度评价函数TenenGrad函数对标定板的成像清晰度进行量化的判定，使显微镜头停止在得到最大的清晰度评价函数值的位置；

第六，将反射镜装置中的反射镜旋转90°，使显微镜头接收另一标定板成像，计算成像最清晰时的清晰度评价函数值，与第五步得到的清晰度评价函数值进行归一化比较，若二者的差别在1％以内，则认为显微系统光轴达到垂直，计算此时光轴的垂直度h＝S/L，即电机驱动显微镜头的步长值S与两标定板之间距离L的比值；若两个标定板成像的清晰度评价函数值归一化比较的差别不在1％以内，则认为显微系统光轴没有达到垂直，需要调整光轴使其更加垂直，再重复第四、第五步的实验，直至得到两个标定板最清晰的成像的清晰度评价函数值的归一化比较的差别在1％以内，则认定显微系统光轴达到垂直，计算出垂直度。

说明书

显微系统光轴垂直度的测量方法

技术领域

[0001] 本发明属于测量仪器设备技术领域，涉及应用光学领域以及基于机器视觉的图像测量技术。

背景技术

[0002] 显微系统广泛应用于实验室研究以及工业生产中，显微镜光轴与被测物件的垂直程度对以后的图像处理和测量工作，以及图像的三维重建工作都有直接的影响。

[0003] 当前显微系统进行测量工作时，实际情况下均不能完全保证光轴与被测物件完全垂直，需要对摄像机提前进行标定，此过程较为繁琐。大多数时候被测物件都是放在光学平台上或者与光学平台保持平行状态，所以希望显微系统光轴与被测物件垂直首先要保证显微系统光轴与光学平台垂直。目前常用的保证显微系统光轴与光学平台垂直的方法是使用机械方式保证显微系统镜筒外径与光学平台呈90°。具体方法是使用足够高度的直角靠尺，将其一条直角边放置在光学平台上使其紧密贴合，当确定显微系统镜筒高度后，将其贴合在直角靠尺的另一条直角边，稳定后将镜筒固定。这种方法操作简单可行，但是显微系统镜筒的固定高度会受到直角靠尺高度的影响，取值范围有限；并且镜筒轴线与光轴并不一定完全平行，所以镜筒与平台垂直并不能保证光轴与平台保持垂直，调整光轴的目的并未达到；简单使用镜筒外径贴合直角靠尺的机械方式精度不高，对于小视场、小景深的显微系统来说误差较大。

发明内容

[0004] 本发明目的是为了弥补现今对于显微系统光轴与光学平台垂直度测量的空白，解决当前机械方式过于粗糙、简单、误差大的问题，提供一种新型的显微系统光轴垂直度测量方法。

[0005] 本发明方法利用应用光学和机器视觉图像处理的知识，搭建一个简单的光路系统结构，可以测量显微系统光轴与光学平台的垂直程度，从而确保光轴与平台在误差范围内保持垂直。该方法测量精度高、系统简单、可行性好。

[0006] 本发明所述显微系统光轴垂直度的测量方法，其具体步骤是：

[0007] 第一，选择带有电机驱动的显微镜头和与之匹配的高分辨率CCD；

[0008] 第二，利用1mm标准球在显微视场中的移动位置确定显微镜头与光学平台的倾斜方向；

[0009] 第三，以不同步长采集标定板的一系列图像，用清晰度评价函数TenenGrad函数计算每幅图像的函数值，比较各步长值下采集图像的清晰度评价函数值，选定合适的最小步长作为驱动显微系统移动的步长； [0010] 第四，将两个完全相同的标定板相隔距离L放置在光轴倾斜面与光学平台的交线上，将进入显微系统的光路延展成两个臂，通过可以旋转的反射镜装置将标定板的反射光线分别导入显微系统，并在CCD接收面上分别形成两幅标定板的图像；

[0011] 第五，以选定的步长驱动显微镜头在垂直于光学平台的方向运动，先得到一路光线的标定板成像，用基于计算机视觉的清晰度评价函数TenenGrad函数对标定板的成像清晰度进行量化的判定，使显微镜头停止在得到最大的清晰度评价函数值的位置；

[0012] 第六，将反射镜装置中的反射镜旋转90°，使显微镜头接收另一标定板成像，计算成像最清晰时的清晰度评价函数值，与第五步得到的清晰度评价函数值进行归一化比较，若二者在判定标准1%以内，则认为显微系统光轴达到垂直，计算此时光轴的垂直度h=S/L，即电机驱动显微镜头的步长值S与两标定板之间距离 L的比值；若两个标定板成像的清晰度评价函数值归一化比较不在1%以内，则认为显微系统光轴没有达到垂直，需要调整光轴使其更加垂直，再重复第四、第五步的实验，直至得到两个标定板最清晰的成像的清晰度评价函数值的归一化比较值在1%以内，则认定显微系统光轴达到垂直，计算出垂直度。

[0013] 测量原理

[0014] 本发明实际上是将进入显微系统的光路延展成两个臂，将两个完全相同的标定板相隔一定距离放置在光轴倾斜面与光学平台的交线上，采用反射式LED光源照明，通过可以旋转的反射镜装置将标定板的反射光线分别导入显微系统，在CCD接收面上分别形成两幅标定板的图像。

[0015] 本发明用计算机视觉中的清晰度评价函数对图像的清晰程度进行量化的判定，采用的是基于梯度函数的清晰度评价函数TenenGrad函数，图像的清晰程度反映的就是系统的成像面接近或者远离对焦面的程度：完全对焦时，图像清晰，边缘更尖锐包含信息量更多，清晰度评价函数值越大；当图像离焦时，图像模糊，边缘模糊包含信息量少，清晰度评价函数值越小。

[0016] 而本发明中待测量的显微系统的离焦\对焦程度是由显微系统镜头的物镜与物平面的距离决定的，所以图像的清晰程度在本发明待测量的显微系统中反映的就是物平面与显微镜头的距离，这样当采集到的两幅图像清晰度程度相似到一定程度，换言之用清晰度评价函数量化比较认为两幅图像的清晰度评价函数值相差在一定范围内时，即认为两块标定板与显微系统物镜距离相同，也就是说此时显微系统光轴与光学平台是垂直的。垂直度表示的就是显微系统光轴与光学平台精确垂直的误差，故本发明中垂直度就是在认定光轴垂直的状态下理想光学平台平面与实际光学平台相对于光轴的倾斜平面形成的倾角，此倾角可以由两标定板的物距之差与两标定板距离的比值来表示。而在认定光轴垂直的状态下两标定板物距之差就是驱动显微系统镜筒做直线运动的电机步长，所以待测量的显微系统的光轴垂直度就是步长与两标定板距离的比值。

[0017] 本发明的优点和积极效果：

[0018] 1、使用传统的机械方式只能测量显微系统镜筒外径相对于光学平台的垂直度，即认为是显微系统光轴相对于光学平台的垂直度。但因为显微系统镜筒外径实际中并不与显微系统光轴完全平行，所以本发明中使用光路延伸臂法的测量方式克服了传统的机械方式的缺陷，真正弥补了测量显微系统光轴相对于光学平台垂直度的空白。

[0019] 2、使用光路延伸臂法测量显微系统光轴相对于光学平台的垂直度，测量精度高、定位准确。经实验表明，在2倍物镜、分辨率为1620×1236的CCD条件下采集的图像，用基于图像梯度的清晰度评价函数TenenGrad函数在一定标准范围内能区分两幅图像清晰度的最小步长是50um，具体判定标准就是将采集到的一系列图像的清晰度评价函数值归一化，归一化的函数值在1%以内即认为两幅图像的清晰程度不可区分，在其之外即认为可以区分。实验结果显示，在最小步长为50um时，两幅图像的归一化函数值刚好在1%之外，就是说50um是两幅图像可以区分的最小步长。将两个标定板之间的距离设为30cm，那么显微-4系统光轴的垂直度就是50/300000=1.67×10 ，而对于规格为300×200mm的直角靠尺，它的最高精度是6um，故相对的测量精度就是6/300=0.02，所以采用光路延伸臂法的精度远远高于简单的机械方式的精度。

附图说明

[0020] 图1是本发明确定光轴倾斜面的原理示意图。

[0021] 图2是本发明的测量原理示意图。

[0022] 图1中，1和2是位于不同位置的待测显微镜系统，3是待测1mm标准球，4和5是CCD接收面上的两个标准球成像，

[0023] 图2中各部分含义如下：

[0024] 6：理想光学平台平面

[0025] 7：实际光学平台相对于光轴的倾斜平面

[0026] 8-9：两块完全相同的标定板

[0027] 10-11：光源

[0028] 12-13：分束镜

[0029] 14-15：45°反射镜

[0030] 16：可旋转全反射镜

[0031] 17：待测显微镜系统

[0032] 18：CCD接收面 。

具体实施方式

[0033] 实施例1

[0034] 1、 确定光轴倾斜面

[0035] 用光路延伸臂法测量光轴垂直度，首先要确定显微系统光轴倾斜的方向，以确定标定板的放置方向。如图1，为了准确得到光轴倾斜面，具体方法是：将一个1mm标准球3（选择标准球尺寸的标准是它在显微系统所成像的球心不能超出视场）作为被测物在显微系统1下成像，调整标准球使其球心成像在视场中心，使用电机驱动装置驱动镜头在垂直于物平面的直线方向平行移动，此实施例中就是电机驱动显微镜头在Z轴上向远离XY平面的方向移动，因为显微系统光轴与XY平面的不垂直，显微镜头在远离XY平面运动的过程中（图中显示为从位置1到位置2），CCD接收面上球心就会在视场中向对应的方向移动，那么球心的移动方向就是显微系统光轴的倾斜面。如图1所示，此例中显微系统光轴向Y轴正方向倾斜，因此电机驱动显微镜头向Z轴正向移动时，CCD接收面上显示的标准球球心就会向Y轴负方向移动，在图中显示标准球在XY平面所成图像从位置4移动至位置5。通过这种方法可以确定显微系统光轴的倾斜方向，从而得到光轴倾斜面与物平面（光学平台）的交线，为标定板的放置提供准确方位。本例中即可确定显微系统光轴在Y轴倾斜，在下一步搭建光路时标定板就放在位置4和位置5对应的物面（光学平台）连线上。

[0036] 2、 搭建光路

[0037] 搭建如图2所示光路，图中17是待测显微镜系统，理想状态下显微系统光轴是与光学平台完全垂直的，光学平台就是图中6的理想状态，因为实际中显微系统光轴的不垂直，故实际中的光学平面相对于显微系统光轴就呈现7所示的倾斜状态（实际是显微系统镜头倾斜，为了便于理解示意图中显微镜头不变，光学平台平面相对倾斜）。此光路中采用LED光源10和11反射式照明，使用12、13分束镜将反射光线垂直光学平面射出，并由45°的反射镜14、15接收，反射出平行光线。显微系统正下方是可旋转的反射镜16，只在一面涂有全反膜，将可以反射光线的一面朝向反射镜14并旋转至与反射镜14平行，反射光线垂直进入显微系统，即可采集到标定板8的像，将16旋转至与反射镜15平行，得到标定板9的成像。

[0038] 3、 分析计算，此过程分为三步：

[0039] 第一，设定步长。本实施例中电机要以一定步长驱动显微系统运动，再通过下面的步骤保证显微系统光轴垂直，因此步长是光轴垂直度的重要参考标准。步长过大垂直度误差偏大、精度差，步长过小显微系统采集图像的清晰度不易分辨、容易造成误判，所以要试验多个步长选定合适的步长值驱动电机运动。具体方法是对若干步长值进行试验，在每一个步长下，采集标定板成像最清晰位置前后的9幅图像，计算每幅图像的清晰度评价函数值，进行归一化比较，选取清晰度能够分辨的最小步长作为驱动电机运动的步长。这里判定清晰度能够分辨的标准就是各幅图像归一化后的清晰度评价函数值相差1%以上。最终选定步长S作为合适的步长。

[0040] 第二，计算标定板8的清晰度评价函数值。将旋转反射镜16调整至与反射镜14平行，使得显微系统的CCD接收面18上可以采集到标定板8的像。保持显微系统17光轴倾斜姿态不变，使用电机驱动装置以步长S驱动显微系统镜头17在垂直于光学平台的直线上移动（此直线以电机驱动装置的光栅尺为准）。显微系统的CCD接收面连接计算机处理系统，每移动一次镜头用计算机视觉中的基于图像灰度的图像清晰度评价函数计算出当前图像的清晰度评价函数值，这样在稍大于显微系统的景深范围内即可得到一系列标定板8所成图像的清晰度评价函数值，统计这些函数值的大小以及每幅图像的对应位置，清晰度评价函数值最大者对应的显微系统镜头17的位置即认定为图像的最清晰位置，记录下此时的清晰度评价函数值。

[0041] 第三，调整光轴垂直，计算垂直度。将反射镜16旋转90°，使标定板9能在CCD接收面18上成像。同样以步长S驱动显微系统镜头17在垂直于光学平台的直线上移动，采集标定板9所成的一系列图像，并且通过清晰度评价函数值的比较找到标定板9成像的最清晰位置。

[0042] 因为标定板8、9完全相同，故它们在相同的物距下成像的清晰程度也是相同的，使用同样的清晰度评价函数得到标定板9的图像的清晰度评价函数值也是相同的。但实际测量中采集到的两幅最清晰图像计算出的清晰度评价函数值不可能完全相同，所以将两幅图像的清晰度评价函数值进行归一化比较，二者差别在1%以内即认为两幅图像的清晰度不可区分，两标定板物距相同。图2中标定板8的物距L1=AE+EF+FG，标定板9的物距是L2=AB+BC+CD，因此当L1越接近于L2时，两块标定板所成图像的清晰度评价函数值就是越相近的。当标定板9能在CCD接收面18上成像后，对采集到的标定板9的图像计算清晰度评价函数值，与之前记录的标定板8所成最清晰图像时的清晰度评价函数值做归一化比较，如果二者差别在1%以内即认为两幅最清晰图像的清晰度不可区分、光轴垂直；如果差别在1%以外则认为光轴不垂直与光学平台，需要调整显微系统光轴使其更加垂直，继续以上步骤进行测量。当采集到的两个标定板成的最清晰图像的清晰度评价函数值差别在1%以内时，则认定显微系统光轴垂直于光学平台，设两标定板距离GD=L，所以此显微系统光轴与光学平台之间的垂直度h即为h=S/L。

[0043] 4、 实例说明

[0044] 我们在实验室现有条件下做了如下实验，具体过程如下：

[0045] 一、显微系统采用2倍物镜镜头，分辨率为1620×1236的CCD，将此显微系统固定在垂直于光学平台的Z轴上，此轴可由精度为um级的电机驱动；

[0046] 二、本实施例中采用的清晰度评价函数TenenGrad梯度函数公式为[0047]

[0048] 和 分别是Sobel算子计算的图像在水平方向和垂直方向的梯度。

[0049] 三、分别以60um、50um、40um、30um、20um、10um作为测试步长采集标定板在最清晰位置附近的9幅图像，计算每幅图像的TenenGrad梯度函数值，得到结果如表1所示，[0050] 表1

[0051]

[0052] 对每组步长值下计算得出的TenenGrad梯度函数值进行归一化，得到结果如表2所示

[0053] 表2

[0054]

[0055] 从表2数据可以看出，当步长为50um、60um时采集的图像归一化后的清晰度评价函数值都相差在1%以上，并且50um是符合条件的最小步长，所以在此选定50um作为电机驱动显微系统沿Z轴移动的步长值。

[0056] 四、两 标定 板 之间 的距 离 设为30cm，则此 显 微系 统的 垂 直度 是-450/300000=1.67×10 。

[0057] 上述数据表明，由本发明阐述方法测量显微系统垂直度精度远高于机械方式的精度。