基于經典光學方法的物體表面微觀結構的三維成像

閆 寒,張 權,孫臘珍 ,葉 萌 ,趙金玉,鄭 振,史 斌

(中國科學技術大學物理學院,安徽合肥230026)

1 引 言

觀察物體表面微觀結構的實驗儀器在物理學、材料科學、生命科學等學科中一直都發揮著重要的作用[1-2].同時,隨著精確定量計算能力的提高,僅僅拍攝和觀測二維的顯微圖像已不能夠滿足定量計算處理的需求,構建物體表面微觀結構的三維圖像的重要性逐漸凸顯出來[3].例如,運用統計方法定量計算物體表面粗糙程度,測量精密加工的零件的誤差,觀察薄膜生長的厚度情況,等等.一些實驗裝置如STM顯微鏡,可以很好地滿足呈現三維結構的要求[4-5];但是,傳統的光學顯微鏡只能輸出二維圖像,因此通過傳統的光學顯微方法能夠觀察到物體表面定性的起伏趨勢,卻不能定量地測量起伏的高度.為此,我們自行設計了實驗儀器和數據處理程序,構建了樣品的表面微觀三維結構,給出了直觀的三維圖像.

2 實驗原理

本實驗設計的原理是光的漫反射性質[6-7],如圖1所示.當平行的勻強光線與水平面法線成角θ照射在漫反射物體表面時,物體表面的照度和cosθ成正比.

當被照平面不是水平的,如圖2所示,那么其表面照度與cos(θ-θ0)成正比,其中θ0為斜面相對于水平面的傾角.

圖1 平行光照射水平物體表面

圖2 平行光照射傾斜物體表面

從不同角度用平行光源對物體表面進行照射,并記錄其亮度變化,通過分析亮度與照射角度的關系,就可以確定其空間中的取向.具體方法是,對數據進行 y=a+b cos(θ-θ0)形式的擬合,其中 y為亮度,θ為拍攝的角度,a,b,θ0為擬合中計算的參量,其中θ0即為該處物體表面的傾角.對于三維的情況,傾角有2個自由度θ和φ,其選取方法如圖3所示.這時擬合公式變為 y=a+b cos(θ-θ0)cos(φ-φ0). 計算擬合使用的函數為Mathematica的Statistics軟件包,使用其中的NonlinearFit函數.

實驗中,考慮較大的有起伏的物體表面,可以將其劃分為多個小面元.若每個小面元足夠小,則可以認為在誤差范圍內它們各自不再有起伏.只要確定每個小面元的空間取向,就可以構建出該物體表面的三維結構.

3 實驗儀器

圖3為儀器設計簡圖,圖4為儀器實際照片.

待測物:固定在平臺上,待測物和采集裝置相對位置是固定的.

光源支架:光源支架可以沿2個自由度轉動,分別記為θ和φ.

光源:光源為均勻的平行光源,由光源支架支撐,并可以靈活轉動,使得光源可以從各個方向照射樣品.

采集裝置:由透鏡、CCD攝像機與暗箱組成,用于拍攝在光源照射下的物體表面照度[8].

圖3 儀器設計簡圖

圖4 儀器實物照片

4 程序設計

程序設計思想如下:把拍攝的多張圖片亮度轉化為數值.不同圖片的同一位置像素的亮度值變化就代表了該處小面元在不同光照角度情況下的照度變化.通過分析上述數值的變化,就可以得出該位置的小面元的空間取向.

在實際的程序設計中,還要考慮由計算得到的各個面元空間取向的誤差帶來的物體表面的變形.程序設計的整體流程如圖5所示[9-10].

圖5 程序設計流程圖

5 實驗方法及結果分析

在黑暗的環境中,打開光源,使其照射在待測物體上,轉動光源支架,在光源處于不同角度時,拍攝圖像,記錄相應的光源角度,即角θ和φ,每個樣品分別從42個不同的角度照射并拍攝.圖片拍攝完成后,將每張圖片及其對應的角度輸入計算機,進行處理,得到最終三維成像的結果.

實驗采用了2組樣品,均為規律的纖維編織物.圖6為光從不同角度照射第一組樣品(棉布)拍攝的2幅樣圖,由于物體表面起伏而造成亮度變化.經過程序處理后得到的圖7為高度分布圖,圖8為更加直觀的三維圖像.圖9為光從不同角度照射第二組樣品(尼龍布)拍攝的2幅樣圖.經過程序處理后得到的圖10為高度分布圖,圖11為更加直觀的三維圖像.可以看到,拍攝的圖片經過程序處理轉換成了象形的三維圖像.三維圖像中包含每個點的高度信息,可以用于進一步的定量分析,從而實現設計該實驗的主要目的.

圖6 第一組樣品示例圖片

圖7 第一組樣品的高度分布

圖8 第一組樣品的三維圖形

圖9 第二組樣品示例圖片

圖10 第二組樣品的高度分布

該實驗方案對物體表面的放大率主要取決于圖片拍攝裝置的放大率.我們認為該裝置的拍攝部分如果能夠與顯微鏡結合起來,可以達到較大的放大率.

圖11 第二組樣品的三維圖形

將二維圖像轉換為三維圖像,誤差會增大,表現是三維圖像的清晰度比二維圖像要差.這是因為在處理過程中,三維圖像的每個點取向數據是由二維圖像對應的1個小面元得到的.所以拍攝二維圖像的CCD鏡頭分辨率是影響三維圖像清晰度的最主要因素.保證三維成像的質量的另一個關鍵因素是在光源移動時,要保證被拍攝物體與攝像裝置沒有相對的位移,即使是很小的偏移不同圖像的同一位置對應的不是物體的同一位置,會造成處理數據時產生較大的誤差.

6 結束語

設計了初步的光學法三維成像的方案.該方法進一步拓寬了光學成像方法的應用.該方案實驗設備成本較低,易于組裝,因此適合物理化學、生命科學等領域的實驗.

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