一种显微镜用投影裂像图案的光学模组及方法与流程

1.本发明涉及自动测量显微镜技术领域，尤其涉及一种显微镜用投影裂像图案的光学模组及方法。


背景技术：

2.相机自动聚焦技术是机器视觉领域内一个重要应用，在显微镜自动聚焦技术中，通常依靠被测对象的图像梯度判断清晰度高低，进而判断是否聚焦，在实际应用中被测对象自身表面纹理具有不确定性，若表面纹理较弱，则很有可能无法通过自身纹理判断是否已经聚焦，因此引入了裂像法辅助对焦技术，即主动在被测对象表面投影两个左右对称的图案，左右两个图案能随着对焦变化而上下错动，当两个图案对齐时则说明此时已经完成聚焦。
3.现有显微镜下裂像法只是在相机视场中一个固定局部区域投影图案，所以该辅助对焦技术仅仅在左右两个裂像图案交汇处区域有效，适用于对一个水平放置的平面物体做出评定，若被测对象具有一定高度差，此时显微镜下裂像法无法作用于所投影图案外的区域。
4.显微镜下的三维形貌重建是机器视觉领域内一个重要应用，基于聚焦法的三维重建技术能仅仅依靠一个摄像头完成深度重建，切合显微镜这一使用场景。该技术需要在不同高度处采集一组图像序列，通过聚焦评价算子计算局部区域不同高度的清晰度值，以绘制一条清晰度-深度曲线，通过判断波峰所在位置即可得到该区域的深度。
5.然而基于聚焦法的三维重建技术严重依赖于物体表面的纹理信息，在实际应用中，由于显微镜下的物体会有一些噪声或纹理较差的区域，在这些区域，聚焦评价算子从每张图像中计算出的焦点值很低，很难找到其峰值，所以该区域重建的深度往往准确度较低。结合裂像法的原理，可主动投影一个模板图案以增强物体表面纹理，从而提高聚焦法三维重建的精度，然而现有裂像法所用图案模板并不适用于聚焦法三维重建。综合上述问题，设计一种既能使裂像法作用于整个相机视场，其图案模板又能用于辅助聚焦法三维重建技术的光学模组，对提高显微镜下自动聚焦技术、聚焦法三维重建技术均有重要意义。


技术实现要素：

6.本发明提供了一种显微镜用投影裂像图案的光学模组及方法，以解决背景技术中提及的技术问题。
7.本发明的一个技术方案如下：一种显微镜用投影裂像图案的光学模组，包括散射光源、楔形镜阵列、图案模板、第一透镜组件、分光棱镜、第二透镜组件和第三透镜组件，所述楔形镜阵列安装在所述散射光源的光源出射口，所述图案模板安装在所述楔形镜阵列的背部，所述第一透镜组件安装在分光棱镜与所述楔形镜阵列之间，所述第二透镜组件安装在所述分光棱镜与被测物体之间，所述第三透镜组件安装在所述分光棱镜与相机之间，所述被测物体位于所述第二透镜组件的聚焦面上；
所述散射光源能够发出呈平面分布的、均匀的点光源，点光源通过楔形镜阵列以及图案模板形成裂像图案光源，所述第一透镜组件将裂像图案光源折射成平行光，所述分光棱镜将裂像图案光源反射至第二透镜组件，第二透镜组件将裂像图案投影在聚焦面上，所述相机通过第三透镜组件采集带有裂像图案的被测物体。
8.进一步地，所述楔形镜阵列包括多个呈阵列排布的楔形镜单元，所述图案模板的裂像图案与呈阵列排布的楔形镜单元对应。
9.进一步地，所述楔形镜单元包括两个三棱镜，两个所述三棱镜交错对向安装。
10.进一步地，所述图案模板的裂像图案为呈阵列排布的方格，所述方格的边长小于聚焦法中聚焦评价算子窗口大小的一半。
11.进一步地，所述第二透镜组件和第三透镜组件为相同规格的透镜。
12.进一步地，所述楔形镜阵列位于第一透镜组件的一倍焦距处。
13.进一步地，所述散射光源包括光源、透镜和导光组件，所述透镜安装在光源和导光组件之间，所述透镜用于将光源发射的光线转换为平行光，所述导光组件用于将平行光转换为均匀的点光源。
14.进一步地，所述导光组件采用毛玻璃。
15.本发明的另一个技术方案如下：一种显微镜中投影裂像图案的方法，采用上述任一所述的显微镜用投影裂像图案的光学模组，包括：s10：通过散射光源发射呈平面分布的、均匀的点光源；s20：点光源通过楔形镜阵列以及图案模板生成裂像图案光源；s30：通过第一透镜组件使从楔形镜阵列射出的裂像图案光源折射成平行光源；s40：裂像图案光源通过分光棱镜后被测物体反射，并经过第二透镜组件投影到聚焦面上；s50：当被测物体位于聚焦面上时，被测物体与投影的裂像图案反射至相机，相机通过第三透镜组件采集被测物体和裂像图案叠加后的图像。
16.进一步地，还包括在步骤s10之前执行的：通过透镜将光源发射的光线转换为平行光，通过所述导光组件将平行光转换为均匀的点光源。
17.本发明的有益效果：本发明通过楔形镜阵列和图案模板结合散射光源、第一透镜组件、分光棱镜、第二透镜组件和第三透镜组件，以解决了传统裂像法只能应用于平面对象这一问题，使得裂像法的应用范围更广，同时优化了裂像法所投影的图案，使得该光学模组也可以应用于基于聚焦法的三维重建。
附图说明
18.图1是本发明的整体结构示意图。
19.图2是本发明的楔形镜单元结构示例。
20.图3是本发明的图案模板的示意图。
21.图4是本发明的流程图。
具体实施方式
22.为了使本领域技术人员更好地理解本发明方案，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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。
23.在本发明的实施例中，图1是根据本发明一种显微镜用投影裂像图案的光学模组的具体结构提供的结构示意图，如图1所示，本发明具体包括：散射光源10、楔形镜阵列20、图案模板30、第一透镜组件40、分光棱镜50、第二透镜组件60和第三透镜组件70，所述楔形镜阵列20安装在所述散射光源10的光源出射口，所述图案模板30安装在所述楔形镜阵列20的背部，图案模板需要紧贴楔形镜阵列安装，使楔形镜传出的光线具有模板图案。所述第一透镜组件40安装在分光棱镜50与所述楔形镜阵列20之间，具体的，所述楔形镜阵列20位于第一透镜组件40的一倍焦距处。
24.所述第二透镜组件60安装在所述分光棱镜50与被测物体80之间，所述第三透镜组件70安装在所述分光棱镜50与相机90之间，所述被测物体80位于所述第二透镜组件60的聚焦面上。其中，所述第二透镜组件60和第三透镜组件70采用相同规格的透镜，所述第二透镜组件60和第三透镜组件70分别位于分光棱镜50的上下两侧，所述第二透镜组件60和第三透镜组件70同轴线布置。
25.本发明的光源传播路径为：所述散射光源10能够发出呈平面分布的、均匀的点光源，点光源通过楔形镜阵列20以及图案模板30形成裂像图案光源，所述第一透镜组件40将裂像图案光源折射成平行光，所述分光棱镜50将裂像图案光源反射至第二透镜组件60，第二透镜组件60将裂像图案投影在聚焦面上，所述相机90通过第三透镜组件70采集带有裂像图案的被测物体80。
26.其中，楔形镜阵列20包括多个呈阵列排布的楔形镜单元，所述图案模板30的裂像图案与呈阵列排布的楔形镜单元对应。使用多个楔形镜单元呈矩形排列组合，形成一个楔形镜阵列，因此能在共聚焦面形成多个独立的裂像图案，且其面积能覆盖整个相机视野。使用楔形镜阵列和图案模板来产生裂像图案，楔形镜阵列安装在距离透镜一倍焦距处的位置，光线经过楔形镜后将在聚焦面形成左右对齐的清晰图案，当相机离焦时会采集到左右错动的图像，因此可以实现相机辅助聚焦。
27.具体的，如图2所示，楔形镜单元包括两个三棱镜，两个所述三棱镜交错对向安装，使得相机离焦时投影出的左右模板图案能够超不同方向移动，以实现图像错动。如图3所示，所述图案模板30的裂像图案为呈阵列排布的方格，方格图案可以由使用金属镀层绘制，保证图案部分具有高反射率、低透光率。每个方格的位置与楔形镜单元的位置一一对应，以使得每个楔形镜单元投影的图案相同。模板图案可用于基于聚焦法的三维重建，因此所述方格的边长小于聚焦法中聚焦评价算子窗口大小的一半，绘制的方格边长应为10微米。
28.在本技术方案的一个实施例中，如图1所示，所述散射光源10包括光源101、透镜102和导光组件103，所述透镜102安装在光源101和导光组件103之间，所述透镜102用于将光源101发射的光线转换为平行光，为了使楔形镜阵列中每个楔形镜单元传入光线强度相同，使用透镜102将光源101传出的点光源变成均匀的平行光源。所述导光组件103用于将平行光转换为均匀的点光源，
其中，所述导光组件103采用毛玻璃。在光线经过楔形镜阵列之前，使用毛玻璃对步骤3的平行光源进行调制，平行光源将在毛玻璃处发生散射，因此能够产生呈平面分布的、均匀的点光源，使得最后进入每个楔形镜单元的光源为均匀的点光源。需要注意的是，本实施例中透镜102与第一透镜组件40采用相同规格的透镜。
29.本发明的另一个技术方案：一种显微镜中投影裂像图案的方法，采用上述任一所述的显微镜用投影裂像图案的光学模组，包括：s10：通过散射光源10发射呈平面分布的、均匀的点光源；s20：点光源通过楔形镜阵列20以及图案模板30生成裂像图案光源；s30：通过第一透镜组件40使从楔形镜阵列20射出的裂像图案光源折射成平行光源；s40：裂像图案光源通过分光棱镜50后被测物体80反射，并经过第二透镜组件60投影到聚焦面上；s50：当被测物体80位于聚焦面上时，被测物体80与投影的裂像图案反射至相机90，相机90通过第三透镜组件70采集被测物体80和裂像图案叠加后的图像。
30.在步骤s10之前需要进行：通过透镜102将光源101发射的光线转换为平行光，通过所述导光组件103将平行光转换为均匀的点光源。
31.本技术方案的有益效果与一种显微镜用投影裂像图案的光学模组相同，故在此不再赘述。
32.最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

技术特征：
1.一种显微镜用投影裂像图案的光学模组，其特征在于，包括散射光源（10）、楔形镜阵列（20）、图案模板（30）、第一透镜组件（40）、分光棱镜（50）、第二透镜组件（60）和第三透镜组件（70），所述楔形镜阵列（20）安装在所述散射光源（10）的光源出射口，所述图案模板（30）安装在所述楔形镜阵列（20）的背部，所述第一透镜组件（40）安装在分光棱镜（50）与所述楔形镜阵列（20）之间，所述第二透镜组件（60）安装在所述分光棱镜（50）与被测物体（80）之间，所述第三透镜组件（70）安装在所述分光棱镜（50）与相机（90）之间，所述被测物体（80）位于所述第二透镜组件（60）的聚焦面上；所述散射光源（10）能够发出呈平面分布的、均匀的点光源，点光源通过楔形镜阵列（20）以及图案模板（30）形成裂像图案光源，所述第一透镜组件（40）将裂像图案光源折射成平行光，所述分光棱镜（50）将裂像图案光源反射至第二透镜组件（60），第二透镜组件（60）将裂像图案投影在聚焦面上，所述相机（90）通过第三透镜组件（70）采集带有裂像图案的被测物体（80）。2.如权利要求1所述的显微镜用投影裂像图案的光学模组，其特征在于，所述楔形镜阵列（20）包括多个呈阵列排布的楔形镜单元，所述图案模板（30）的裂像图案与呈阵列排布的楔形镜单元对应。3.如权利要求2所述的显微镜用投影裂像图案的光学模组，其特征在于，所述楔形镜单元包括两个三棱镜，两个所述三棱镜交错对向安装。4.如权利要求2所述的显微镜用投影裂像图案的光学模组，其特征在于，所述图案模板（30）的裂像图案为呈阵列排布的方格，所述方格的边长小于聚焦法中聚焦评价算子窗口大小的一半。5.如权利要求1所述的显微镜用投影裂像图案的光学模组，其特征在于，所述第二透镜组件（60）和第三透镜组件（70）为相同规格的透镜。6.如权利要求1所述的显微镜用投影裂像图案的光学模组，其特征在于，所述楔形镜阵列（20）位于第一透镜组件（40）的一倍焦距处。7.如权利要求1所述的显微镜用投影裂像图案的光学模组，其特征在于，所述散射光源（10）包括光源（101）、透镜（102）和导光组件（103），所述透镜（102）安装在光源（101）和导光组件（103）之间，所述透镜（102）用于将光源（101）发射的光线转换为平行光，所述导光组件（103）用于将平行光转换为均匀的点光源。8.如权利要求7所述的显微镜用投影裂像图案的光学模组，其特征在于，所述导光组件（103）采用毛玻璃。9.一种显微镜中投影裂像图案的方法，其特征在于，采用权利要求1-8任一所述的显微镜用投影裂像图案的光学模组，包括：s10：通过散射光源（10）发射呈平面分布的、均匀的点光源；s20：点光源通过楔形镜阵列（20）以及图案模板（30）生成裂像图案光源；s30：通过第一透镜组件（40）使从楔形镜阵列（20）射出的裂像图案光源折射成平行光源；s40：裂像图案光源通过分光棱镜（50）后被测物体（80）反射，并经过第二透镜组件（60）投影到聚焦面上；s50：当被测物体（80）位于聚焦面上时，被测物体（80）与投影的裂像图案反射至相机
（90），相机（90）通过第三透镜组件（70）采集被测物体（80）和裂像图案叠加后的图像。10.如权利要求9所述的显微镜中投影裂像图案的方法，其特征在于，还包括在步骤s10之前执行的：通过透镜（102）将光源（101）发射的光线转换为平行光，通过所述导光组件（103）将平行光转换为均匀的点光源。

技术总结
本发明涉及自动测量显微镜技术领域，尤其涉及一种显微镜用投影裂像图案的光学模组，包括散射光源、楔形镜阵列、图案模板、第一透镜组件、分光棱镜、第二透镜组件和第三透镜组件，图案模板安装在楔形镜阵列的背部，第一透镜组件安装在分光棱镜与楔形镜阵列之间，第二透镜组件安装在分光棱镜与被测物体之间，第三透镜组件安装在分光棱镜与相机之间，被测物体位于第二透镜组件的聚焦面上；散射光源能够发出点光源，光源经过楔形镜阵列后将在共聚焦面形成左右对齐的清晰图案，当相机离焦时会采集到左右错动的图像，以此实现相机辅助聚焦。本发明优化了裂像法所投影的图案，使得该光学模组也可以应用于基于聚焦法的三维重建。以应用于基于聚焦法的三维重建。以应用于基于聚焦法的三维重建。


技术研发人员：陈家乐 张旭 浦栋麟
受保护的技术使用者：江苏集萃华科智能装备科技有限公司
技术研发日：2023.07.31
技术公布日：2023/10/19