[发明专利]计量级3D超景深显微系统及检测方法

说明书

本发明公开了一种计量级3D超景深显微系统及检测方法，涉及光电无损3D检测技术领域；该显微系统包括光学显微镜、光谱共焦传感器或白光干涉传感器、xyz轴电动位移平台以及控制模块和PC处理器；xyz轴电动位移平台包括xy轴平移台和z轴升降模块，光学显微镜配置有照明光源和图像采集单元，控制模块包括xyz电动控制单元、与光谱共焦传感器或白光干涉传感器连接的处理器及电源模块，图像采集单元用于采集目标检测区域的图像信息，并将图像信息传输至PC处理器；通过实施本技术方案，能够无损观察样品，并能够超大面积对材料表面的微观状态进行拍照、3D真彩色成像及3D精准测量，实现计量级的检测精度，并保有微观样品的细节与真实颜色，具有很好的应用前景。

技术领域

本发明涉及光电无损3D检测技术领域，更具体地讲，涉及一种计量级3D超景深显微系统及检测方法。

背景技术

非接触式3D表面检测技术描述了在天然或加工表面上，通过使用非破坏性光学技术捕获物体表面上点的3D空间坐标，实现微米或纳米尺度特征的测量和表征；与接触式表面检测技术相比，光学检测系统具有重大优势，其不会损坏待测物体，并且能够穿过透明介质进行测量，因此应用领域已取得快速发展，广泛应用于MEMS、半导体、纳米材料、生物医学、工业探测及计量等技术领域；最常见的光学检测技术主要包括光谱共焦轮廓仪技术、白光干涉显微技术以及激光共聚焦显微技术，其中每种技术都存在着自己的特定的优缺点：

白光干涉显微技术：白光干涉显微镜采用光干涉的原理来成像，通过纳米垂直扫描器与干涉物镜使z轴分辨率达到0.1nm，具有非常高的3D高精度量测，然而该类仪器价格过高，仅仅适合极小众用户。通过该方法，仅能得到灰度图像和黑白3D模型，并没有展示材料表观真实纹理和真实色彩，对于平整样品的不同成分之间的界面无法分辨，只能做尺度定量检测而无法定性检测，并且白光干涉仪无法检测到陡峭角度，受表面反射率限制，使用范围受限；

光谱共焦轮廓仪技术：该方法通过白光光谱色散与共焦的原理，利用共焦与光谱仪技术，对样品表面扫描，得到样品表面的尺寸点云数据后进行三维建模；可以实现z轴纳米级的检测精度；该方法与白光干涉显微镜一样，仅能得到灰度图像和黑白3D模型，并没有展示材料表观真实纹理和真实色彩，对于平整样品的不同成分之间的界面无法分辨，故只能做定量检测；适用范围受限。值得一提的是，光谱共焦扫描方式的优点在于成本相对低廉，从而该方法在轮精细廓测量过程中仍然具有普遍的实用性；

激光共聚焦显微技术：该方法通过激光与小孔共焦成像的原理，对样品表面扫描，得到样品表面的微观形貌点云数据后进行三维建模，可以实现z轴纳米级的检测精度，具有较高的3D高精度量测；然而该类仪器存在以下技术问题：价格过于昂贵，仅仅适合极小众用户，通过该方法，仅能得到灰度图像和黑白3D模型，并没有展示材料微观真实色彩，其大面积3D图像采集是通过多个3D图像拼接为一个超大3D模型的原理，算法本身会带入新的误差，导致精度下降，故其比较适合小范围的观测。

根据上述现有光学检测技术存在的技术问题，本发明人提出了一种3D超景深显微技术，利用显微镜的小景深，通过焦平面的上下平移，得到物体的微观三维空间结构信息，并实现光学多层景深合成，并在此基础上得到真实色彩、显微细节的3D模型，该方法成本相对较低。但本申请发明人在实现本发明实施例的过程中，发现上述3D超景深显微技术局限在于：光学显微镜受照明方式和光学镜头场曲、畸变、算法和光学景深算法的限制，图像存在一定畸变；且该类仪器对于光滑表面(如镜面或陶瓷)及透明样品(如玻璃)无法实施有效检测，对于对比度低的浅色样品检测精度明显下降；且需要大面积3D图像采集，则是采用多个3D模型拼接为一个超大3D模型的原理，算法本身会带入新的误差，导致其检测精度无法满足日益发展的检测需求；由此，针对上述技术问题，亟需研究设计一种计量级 3D超景深显微系统及检测方法，满足相对成本较低，既能够大面积检测3D微纳尺寸，又能够反应样品真实细节和真实颜色的显微系统，可以全面观测目标，满足日益复杂的精细检测要求。

发明内容