用于對(duì)數(shù)碼顯微鏡進(jìn)行測(cè)量校準(zhǔn)的校準(zhǔn)板及其使用方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于對(duì)數(shù)碼顯微鏡進(jìn)行測(cè)量校準(zhǔn)的校準(zhǔn)板、利用該校準(zhǔn)板對(duì)數(shù)碼顯微鏡進(jìn)行測(cè)量校準(zhǔn)的方法、以及包括該校準(zhǔn)板的數(shù)碼顯微鏡系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]在數(shù)碼顯微鏡(在本專利中，數(shù)碼顯微鏡指“帶有成像系統(tǒng)的顯微鏡”)中，經(jīng)物鏡放大的標(biāo)本圖像被內(nèi)置的數(shù)碼相機(jī)捕捉和放大，然后顯示在顯示器上。顯微鏡使用者往往會(huì)有要在所顯示的圖像上直接進(jìn)行尺寸測(cè)量的需求。對(duì)此可采用以下兩種基本的方法。
[0003]一種方法稱為理論校準(zhǔn)，它是通過將顯微鏡物鏡的放大倍率(通?？逃≡谖镧R上)、數(shù)碼相機(jī)的適配透鏡的放大倍率和顯示器的放大倍率彼此相乘而得到總的放大倍率，然后用由軟件測(cè)得的顯示器圖像的尺寸除以總的放大倍率以得出標(biāo)本的實(shí)際尺寸。這種方法的缺點(diǎn)在于，使用者需要知道目前安裝在顯微鏡上的是哪些部件，并且需要知道對(duì)每個(gè)可更換的顯微鏡部件的總放大倍率的影響，以及它們彼此之間是如何相互作用的。另一個(gè)大的缺點(diǎn)是，理論校準(zhǔn)無法考慮到各單個(gè)裝置的制造公差。
[0004]另一種方法稱為測(cè)量校準(zhǔn)，它是利用數(shù)碼顯微鏡的軟件提供像素映射功能以測(cè)量圖像的像素距離。為了將像素距離轉(zhuǎn)換成標(biāo)本上的實(shí)際距離，使用者需要對(duì)一尺寸已知的物體進(jìn)行測(cè)量。通過該基準(zhǔn)物體能精確地建立起顯示器屏幕上的像素距離與標(biāo)本上的實(shí)際距離之間的關(guān)系并通過顯微鏡軟件記錄下來。然后，可利用該校準(zhǔn)系統(tǒng)來測(cè)量感興趣的標(biāo)本。上述基準(zhǔn)物體被稱作校準(zhǔn)板。測(cè)量校準(zhǔn)不需要使用者知道顯微鏡的太多信息，但需要利用顯微鏡的軟件對(duì)實(shí)際尺寸已知的基準(zhǔn)物體生成圖像。然后，軟件測(cè)量該圖像中的兩個(gè)特征之間的像素距離，并借助于使用者輸入的實(shí)際(已知)距離建立起映射關(guān)系。
[0005]市面上最常用的一種典型的校準(zhǔn)板在其上包含分度線標(biāo)尺圖案。當(dāng)測(cè)量校準(zhǔn)開始時(shí)，使用者將校準(zhǔn)板置于顯微鏡的載物臺(tái)上。然后，選擇一個(gè)物鏡、聚焦并移動(dòng)校準(zhǔn)板直至標(biāo)尺的圖像清晰地出現(xiàn)在顯示器中。在顯示器上選擇標(biāo)尺的起點(diǎn)和終點(diǎn)，并由軟件讀出它們之間的像素距離D_pixel。在顯示器上數(shù)一下在所選擇的起點(diǎn)和終點(diǎn)之間有幾個(gè)標(biāo)尺刻度，由于每個(gè)標(biāo)尺刻度所代表的實(shí)際距離是已知的，所以可計(jì)算出所選擇的起點(diǎn)和終點(diǎn)之間的實(shí)際距離D_real。用上述像素距離除以實(shí)際距離即可得出放大倍率M= (D_pixel/D_real)并保存在顯微鏡軟件中，由此完成對(duì)選定物鏡的測(cè)量校準(zhǔn)。最后可切換至別的物鏡并重復(fù)上述步驟，直至所有的物鏡都被校準(zhǔn)。利用標(biāo)尺進(jìn)行的上述測(cè)量校準(zhǔn)的缺點(diǎn)在于，校準(zhǔn)過程需要人的過多介入(選擇標(biāo)尺的起點(diǎn)和終點(diǎn))，并且校準(zhǔn)精度取決于人的操作，如果人在測(cè)量基準(zhǔn)物體時(shí)出現(xiàn)錯(cuò)誤，則會(huì)影響校準(zhǔn)精度。
[0006]作為測(cè)量校準(zhǔn)的一個(gè)例子，在Μ.T.Postek 的題為“Critical Issues in ScanningElectron Microscopes Metrology，，(Journal of Research of the Nat1nal Inst, ofStandards&Techno1.Vol.99, N0.5, 1994 年 10 月，第 658-660 頁(yè))的文章中提出利用間距放大基準(zhǔn)物作為放大倍率校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)，其優(yōu)點(diǎn)是能夠提高校準(zhǔn)精度，因?yàn)殚g距基準(zhǔn)物包含多個(gè)可重復(fù)的相同特征(線段或線條)。與被校準(zhǔn)的顯微鏡的類型或型號(hào)無關(guān)地，這些線條看上去彼此相同。這十分有利于獲取存在于顯微鏡圖像中的這些結(jié)構(gòu)的間距值?？烧J(rèn)為圖像中相鄰的線條特征上的任意等同點(diǎn)之間的距離即為間距值。這些點(diǎn)可利用視頻信號(hào)中的最大或最小亮度、視頻信號(hào)中的任意重復(fù)特征等設(shè)立或標(biāo)記出來。這種方法中的圖像識(shí)別是基于信號(hào)強(qiáng)度-最大亮度和最小亮度來提取周期，不是一種基于幾何特征的精確計(jì)算算法，而亮度很容易受到各種誤差的影響。
[0007]作為測(cè)量校準(zhǔn)的又一個(gè)例子，在美國(guó)專利申請(qǐng)US2005220362中公開了一種改進(jìn)的顯微鏡放大倍率的精確校準(zhǔn)方法，其中用顯微鏡觀察或收集的測(cè)試物體的圖像尺寸除以測(cè)試物體的真實(shí)尺寸所獲得的商被計(jì)算為放大倍率。該方法包括以下步驟:用具有測(cè)試間距值的衍射光柵作為測(cè)試物體以獲得放大倍率基準(zhǔn)；在衍射光柵的圖像和顯微鏡獲得的視頻信號(hào)之一中分布30-70%幅度的亮度等級(jí)；對(duì)亮度分布的每個(gè)所形成的“孤島”計(jì)算視頻信號(hào)“質(zhì)心”的位置；將相鄰“質(zhì)心”之間的平均距離視為測(cè)試物體的顯微鏡圖像中的光柵間距；以及將該平均間距尺寸除以真實(shí)的光柵間距而得到顯微鏡的放大倍率。該方法的缺點(diǎn)是，放大倍率是僅根據(jù)一維的尺寸信息計(jì)算出的，并且信號(hào)“質(zhì)心”易于受到某些誤差源的影響。因此，計(jì)算的精度和可靠性有限。
[0008]在日本專利申請(qǐng)JP2004078162中公開了一種放大倍率計(jì)算方法。其原理是通過變焦將尺寸已知的圓形物體與目鏡前的圓形標(biāo)線板重疊來確定放大倍率。但是，這種方法具有明顯的缺點(diǎn)，它屬于人工校準(zhǔn)測(cè)量，而非自動(dòng)校準(zhǔn)測(cè)量，并且只適用于可變焦的連續(xù)變倍顯微鏡，不適用于多鏡頭的非連續(xù)變倍顯微鏡，并且計(jì)算精度低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)中的一個(gè)或多個(gè)缺點(diǎn)而提供一種用于對(duì)數(shù)碼顯微鏡(即“帶有成像系統(tǒng)的顯微鏡”)進(jìn)行測(cè)量校準(zhǔn)的校準(zhǔn)板，利用其能夠?qū)?shù)碼顯微鏡進(jìn)行自動(dòng)、簡(jiǎn)便、可靠和精確的測(cè)量校準(zhǔn)。
[0010]根據(jù)本發(fā)明的用于對(duì)數(shù)碼顯微鏡進(jìn)行測(cè)量校準(zhǔn)的校準(zhǔn)板包括至少一個(gè)形成有表面構(gòu)造的校準(zhǔn)區(qū)，所述表面構(gòu)造包括周期性地排布的多個(gè)格子單元，其中，每個(gè)格子單元的邊界的至少一部分和/或頂點(diǎn)的至少一部分能夠由所述數(shù)碼顯微鏡的光學(xué)成像系統(tǒng)識(shí)別出。
[0011]根據(jù)如上所述的校準(zhǔn)板，各個(gè)格子單元的大小和形狀可相同。
[0012]根據(jù)如上所述的校準(zhǔn)板，各個(gè)格子單元可都呈正方形。
[0013]根據(jù)如上所述的校準(zhǔn)板，所述多個(gè)格子單元能以國(guó)際象棋棋盤的樣式排布。
[0014]根據(jù)如上所述的校準(zhǔn)板，所述多個(gè)格子單元可為在一維方向上分布的條紋。
[0015]根據(jù)如上所述的校準(zhǔn)板，每個(gè)格子單元的能夠由所述數(shù)碼顯微鏡的光學(xué)成像系統(tǒng)識(shí)別出的所述邊界的至少一部分的兩側(cè)可具有互不相同的反射率。
[0016]根據(jù)如上所述的校準(zhǔn)板，每個(gè)格子單元的整體和與其鄰接的區(qū)域或與其鄰接的格子單元可具有互不相同的反射率。
[0017]根據(jù)如上所述的校準(zhǔn)板，每個(gè)格子單元和與其鄰接的區(qū)域或與其鄰接的格子單元可分別具有通過光刻形成的反射率不同的表面。
[0018]根據(jù)如上所述的校準(zhǔn)板，所述校準(zhǔn)板可包括多個(gè)不同的所述校準(zhǔn)區(qū)，各個(gè)不同的所述校準(zhǔn)區(qū)內(nèi)的格子單元的大小互不相同。
[0019]根據(jù)如上所述的校準(zhǔn)板，在至少一個(gè)所述校準(zhǔn)區(qū)的至少一個(gè)格子單元內(nèi)可形成有子表面構(gòu)造，所述至少一個(gè)格子單元內(nèi)的子表面構(gòu)造也包括周期性地排布的多個(gè)格子單元，其中所述子表面構(gòu)造的每個(gè)格子單元的邊界的至少一部分和/或頂點(diǎn)的至少一部分能夠由所述數(shù)碼顯微鏡的光學(xué)成像系統(tǒng)識(shí)別出。
[0020]根據(jù)如上所述的校準(zhǔn)板，所述校準(zhǔn)板還可包括對(duì)所有波長(zhǎng)的可見光都具有相同反射率的均勻反射區(qū)。
[0021]根據(jù)如上所述的校準(zhǔn)板，所述均勻反射區(qū)可由形成在所述校準(zhǔn)板表面上的金屬覆層或光學(xué)反射覆層形成。
[0022]本發(fā)明還涉及一種數(shù)碼顯微鏡系統(tǒng)，其包括數(shù)碼顯微鏡和如上所述的校準(zhǔn)板。
[0023]根據(jù)如上所述的數(shù)碼顯微鏡系統(tǒng)，所述數(shù)碼顯微鏡可具有可移動(dòng)的載物臺(tái)，所述校準(zhǔn)板安裝在所述載物臺(tái)上，并且能夠隨所述載物臺(tái)移動(dòng)而使其校準(zhǔn)區(qū)位于所述數(shù)碼顯微鏡的物鏡視野中。
[0024]本發(fā)明還涉及一種利用如上所述的校準(zhǔn)板對(duì)數(shù)碼顯微鏡進(jìn)行測(cè)量校準(zhǔn)的方法，其包括以下步驟:
[0025]a)將所述校準(zhǔn)板的一個(gè)校準(zhǔn)區(qū)作為目標(biāo)校準(zhǔn)區(qū)置于所述數(shù)碼顯微鏡的物鏡視野中，并利用所述數(shù)碼顯微鏡生成所述目標(biāo)校準(zhǔn)區(qū)的數(shù)碼圖像，其中，所述數(shù)碼顯微鏡的光學(xué)成像系統(tǒng)識(shí)別出所述目標(biāo)校準(zhǔn)區(qū)中的各個(gè)格子單元的邊界的至少一部分和/或各個(gè)格子單元的頂點(diǎn)的至少一部分和/或各個(gè)格子單元之間的交點(diǎn)的至少一部分并反映在所述數(shù)碼圖像中；
[0026]b)確定各個(gè)格子單元的被識(shí)別出的所述邊界的至少一部分和/或各個(gè)格子單元的頂點(diǎn)的至少一部分和/或各個(gè)格子單元之間的交點(diǎn)的至少一部分在所述數(shù)碼圖像中的圖像位置或圖像相對(duì)位置關(guān)系；
[0027]c)根據(jù)各個(gè)格子單元的被識(shí)別出的所述邊界的至少一部分和/或各個(gè)格子單元的頂點(diǎn)的至少一部分和/或各個(gè)格子單元之間的交點(diǎn)的至少一部分的所述圖像位置或圖像相對(duì)位置關(guān)系，以及各個(gè)格子單元的所述邊界的至少一部分和/或各個(gè)格子單元的頂點(diǎn)的至少一部分和/或各個(gè)格子單元之間的交點(diǎn)的至少一部分的預(yù)設(shè)位置或預(yù)設(shè)相對(duì)位置關(guān)系，進(jìn)行計(jì)算得出所述數(shù)碼顯微鏡的放大倍率，以此實(shí)現(xiàn)所述數(shù)碼顯微鏡的測(cè)量校準(zhǔn)。
[0028]根據(jù)如上所述的方法，在所述校準(zhǔn)板包括多個(gè)不同校準(zhǔn)區(qū)且各個(gè)不同校準(zhǔn)區(qū)的格子單元的大小互不相同的情況下，所述方法在所述步驟a)之前還可包括:移動(dòng)所述校準(zhǔn)板以從其多個(gè)不同校準(zhǔn)區(qū)中選擇一個(gè)校準(zhǔn)區(qū)作為置于物鏡視野中的所述目標(biāo)校準(zhǔn)區(qū)，其中所選擇的校準(zhǔn)區(qū)在物鏡視野中的格子單元的數(shù)量在一預(yù)定的范圍內(nèi)。
[0029]根據(jù)如上所述的方法，在所述目標(biāo)校準(zhǔn)區(qū)的至少一個(gè)格子單元包括子表面構(gòu)造