利用普通光学显微镜实现对微小物体三维体表参数的测量

　　0　引　言

　　样品表面的形态参数测量,是生命科学、材料、纳米技术等领域的重要任务之一。在对样品表面形态参数测量的手段中[1,2],目前较成熟的是基于扫描电镜(SEM)的3D测量和重建方法[3]。基于扫描电镜的使用已经在对微小样品的3D重建和测量取得了很好的效果[4—6],但其对尺寸较大的样品的测量有较大的限制。基于此,本文对尺寸在毫米量级的样品,根据双眼视觉差异形成立体像的原理,组建了一个由测量样品平台和普通光学显微镜及CCD组成的测量系统,利用这个系统获得具有合适夹角的两幅图像,通过3D建模软件方便地实现样品的表面参数测量及3D重建。

　　1　测量原理

　　正常人的眼睛是通过双眼视觉差异获得三维立体图像信息的[7]。同一个物体在我们的左右两只眼睛分别显示出一个平面图像。由于这两幅图像出自同一个物体,且两眼处在同一平面上,距离也较小,故这两幅平面图像非常相似,但由于两眼的观察角度并不完全相同,所以这两幅图像又有所差异。因此,立体物在两眼视网膜上的视像就有差异,大脑便可根据这种差异来判断出被观察物体不同点的空间位置,从而在大脑形成三维图像,我们便看到了物体的三维立体图像。依据这个原理,如果通过光学仪器获得同一立体物的两幅具有合适夹角的图像(即类似双眼视觉差异获得的两幅图像),通过合适的软件合成,便有可能获得被观察物体的立体图像,并实现三维图像表面形态参数的测量。

　　事实上,已有不少软件能通过合适的建模实现三维重建。利用软件实现三维图像的准确重建,与获得的同一物体的两幅相似图像间的夹角是否合适密切相关。利用奥地利Alicona公司的Mex4.0三维重建软件,基于普通光学显微镜,本文研究了同一物体的两幅相似图像间的夹角对三维重建的影响,并实现了三维物体表面参数的测量。2　测量系统与方法

　　2.1　测量系统组成

　　本实验所构建的图像信息获取系统示意图如图1所示。其中自制的载物台除了可上下升降外,还可绕与物镜的光轴方向垂直的固定轴转动,使得置放于其上的样品,可按测量要求绕该固定轴转到合适的角度,如图2所示。在实验中,在载物台转轴固定的情况下,物体转动时,始终保证样品表面上的某一点落在载物台转轴上。测量系统中以冷光卤素灯DDL为光源,由一端集成为圆环状的光纤束将光导入到半球型漫反射罩的内圈边缘上,漫反射罩可以使光均匀地照射在样品上。所用显微镜由德国蔡司公司生产,型号为:Carl Zeiss Stemi 2000-C(目镜放大倍数为10×),物镜组放大倍数可调节为:0. 4×、0.5×、2.5×、3.2×,显微镜的总放大倍数对应为为4×、5×、…、25×、32×;所用CCD为加拿大VI-TANA公司生产的PixeLINK显微数字摄像头,型号:PL-A662(最高分辨率:1600×1200点/英寸)。