CN104406519A - 一种放大倍率数字化测量方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明适用于成像装置计量检测技术领域，提供了一种放大倍率数字化测量装置，包括经过校准的标尺，标尺具有至少一个特征尺寸；图像传感器与显微成像系统相连接，用于采集所述标尺经显微成像系统的物镜或者整个显微系统所成的图像并输出图像数据；图像处理器与图像传感器相连接，用于对图像数据进行处理，得到显微成像系统的物镜或整个显微成像系统的放大倍率。本发明通过上述装置对显微成像系统的放大倍率进行测量，测量精度高，装置结构简单、便携、适用性广。消除了传统方法的人为瞄准误差及方法误差；可同时测量物镜放大倍率和整体放大倍率；可满足包括有测量功能和无测量功能显微镜在内的各类显微成像系统放大倍率的数字化测量。

Description

一种放大倍率数字化测量方法和装置

技术领域

本发明属于成像装置计量检测领域，特别涉及一种放大倍率数字化测量方法和装置。

背景技术

显微镜及显微成像系统广泛应用于生物医药、微电子、食品、精密制造等各个产业领域，帮助人们实现对微观世界的探索和认知，在科研、生产、生活各个方面发挥着重要作用。放大倍率决定了显微镜或显微成像系统的观测能力，是其最主要和最重要的特征参数之一。科研及生产实践中经常需要对样品的某些特征(如缺陷、结构尺寸)进行评定，需要准确测定显微镜放大倍率，而市场上很多显微仪器的放大倍率与其标称的名义值不一致。因此，对显微镜或显微成像系统的放大倍率进行测量具有十分重要的意义。

显微镜放大倍率包括物镜放大倍率和整体放大倍率(目镜放大倍率×物镜放大倍率)，传统的放大倍率测量方法适用于物镜放大倍率的测量，可分为两类：一种是利用目镜上的分化板或刻度线与经物镜成像的标尺刻度的像进行比较；另一种是借助光学系统将被测标尺经物镜后所成的像显示到投影屏上，量出投影屏上像的尺寸与标尺实际尺寸进行比较。前者需要显微镜目镜拥有读数功能，且由于需要估读，测量误差较大，人眼瞄准读数费时费力，后者需要复杂的系统，不利于校准工作开展，且两种方法都只能对物镜放大倍率进行测定。已知的可用来测量光学显微镜总体放大倍数的方法中，多用倍率计连接到目镜上，利用刻线人工瞄准，存在方法误差和人为读数误差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种放大倍率数字化测量装置，旨在通过简单的设备实现高精度快速测量显微成像系统的物镜或整个显微成像系统的放大倍率，消除人为误差或读数方法误差。

本发明是这样实现的，一种放大倍率数字化测量装置，包括：

经过校准的标尺，供待测的显微成像系统成像，所述标尺具有至少一个特征尺寸；

图像传感器，与所述显微成像系统相连接，用于采集所述标尺经显微成像系统的物镜或者整个显微系统所成的图像并输出图像数据；

图像处理器，与所述图像传感器相连接，用于对所述图像数据进行处理，得到显微成像系统的物镜或整个显微成像系统的放大倍率。

本发明的另一目的在于提供一种测量显微成像系统放大倍率的方法，包括下述步骤：

将经过校准的标尺置于所述显微成像系统的载物台上，所述标尺具有至少一个特征尺寸；

将图像传感器连接至所述显微成像系统，采集所述标尺经过所述显微成像系统的物镜或整个显微成像系统所成的图像，并将图像数据传送至图像处理器；

通过所述图像处理器对所述图像数据进行处理，获取所述显微成像系统的物镜或整个显微成像系统的放大倍率。

本发明通过上述装置对显微成像系统的放大倍率进行测量，采用图像传感器直接采集图像，并经过图像处理器计算放大倍率，测量精度高，装置结构简单、便携、适用性广。消除了传统方法的人为瞄准误差，不需要借助分划刻线与标尺特征刻线进行比较，消除了因分划刻线与标尺特征刻线不符合带来的方法误差；可同时测量物镜放大倍率和整体放大倍率；对被测显微系统无限制要求，可满足包括有测量功能和无测量功能显微镜在内的各类显微成像系统放大倍率的数字化测量。

附图说明

图1是本发明实施例提供的放大倍率数字化测量装置的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的放大倍率数字化测量装置的连接件结构示意图；

图3是本发明实施例提供的放大倍率数字化测量装置的线纹尺结构示意图；

图4是本发明实施例提供的放大倍率数字化测量装置的圆形图案标尺结构示意图；

图5是本发明实施例提供的放大倍率数字化测量方法的流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行详细描述：

本发明实施例提供一种放大倍率数字化测量装置，用于检测显微成像系统的放大倍率，其包括物镜的放大倍率和整体放大倍率。参考图1，该装置包括经过校准的标尺101，图像传感器102及图像处理器103。该图像传感器102可以通过连接件104与显微成像系统105相连接，可以理解，该连接件104可以是独立的器件，也可以是预先固定在显微成像系统105或者图像传感器102上的连接装置。在该装置中，标尺101作为测量放大倍率的成像对象，放置于显微成像系统105的载物台106上，通过待测的显微成像系统105成像，标尺101具有至少一个预先标定的特征尺寸l，即已知尺寸大小，图像处理器103连接于显微成像系统105上，其镜头的光轴与显微成像系统105的镜头的光轴共线。图像传感器102采集标尺经过显微成像系统105所成的图像，即标尺101的图像经图像传感器105的镜头再次成像在其探测器上，并且转换为电信号，被输出至图像处理器103，图像处理器103对图像数据进行处理，得到显微成像系统105的物镜或整个显微成像系统的放大倍率。可以理解，该图像处理器103存储了一系列数据及算法，例如标尺101的特征尺寸，接收的图像数据与图像大小的换算算法，图像大小与放大倍率的换算算法等，在图像处理器103接收到图像传感器102输出的电信号后，调用各数据及算法进行计算，得到放大倍率。

在本实施例中，该装置既可以测量物镜的放大倍率，又可以测量整体放大倍率。当测量物镜的放大倍率时，只需要摘下目镜，将图像传感器102通过连接件104连接至物镜，采集物镜所成的图像，并输出给图像处理器103。当测量整体放大倍率时，不需要摘下目镜，直接将图像传感器102通过连接件104连接显微成像系统105，采集系统所成的图像，并输出给图像处理器103。当然，在测量物镜放大倍率和整体放大倍率时，图像传感器102的连接位置可以固定不变，只是在测量整体放大倍率时，目镜会缩进连接件104中。

进一步地，该连接件104可以采用双套管结构，如图2，连接件104包括两个相互套合的第一套管1041和第二套管1042，第一套管1041连接图像传感器102，第二套管1042连接显微成像系统105，第一套管1041和第二套管1042可通过螺纹连接，能够相对旋转以调节图像传感器102与显微成像系统105的镜头之间的距离，以实现清晰成像。

进一步参考图3，本实施例采用的标尺101可以为线纹尺，设有一字排列的若干条刻线，至少一组相邻刻线间的距离已知，即具有至少一个一维特征尺寸l。显微成像系统对该标尺101成像，即对该一维特征尺寸成像。具体可以采集一个一维特征尺寸的图像，也可以采集多个一维特征尺寸的图像获得多个放大倍率，并取其平均值。

进一步参考图4，标尺101还可以采用圆形图案标尺，具有至少一个代表圆直径的二维特征尺寸l，即至少有一个圆形图案，且该圆形的直径已知。显微成像系统105对预成像的圆形图案成像，图像传感器102会采集该圆形图案的图像，图像处理器103则提取不同方向的二维特征尺寸的图像数据，获得不同方向的直径长度，针对显微成像系统畸变的影响，获得不同方向上的放大倍率，并根据不同方向的放大倍率确定平均放大倍率。采用圆形图案标尺的益处在于，对于镜头畸变较大的显微镜，显微镜视场平面内各个方向上的放大倍率不一致，选用圆直径作为二维特征尺寸，可综合评定视场平面不同方向上的平均放大倍率，得到较为稳定的测量结果。而对于镜头畸变较小的显微镜优选采用线纹尺进行放大倍率测量。

进一步地，图像传感器102可以包括成像镜头和探测器，成像镜头优选采用物方远心镜头或定倍镜头，其本身的放大倍率固定，不随物距的变化而改变，以保证获得固定的图像像素与实际尺寸变换比例系数，进而获得稳定的放大倍率。成像镜头可以是定焦距或变焦距的成像透镜或透镜组，探测器件可以是电荷耦合器件、CMOS器件或数码相机。

进一步地，图像处理器103可以是数字信号处理器与可编程专用集成电路的组合，也可以是通用图像处理卡和计算机组合构成。

本发明进一步提供一种采用上述放大倍率数字化测量装置进行显微成像系统的放大倍率的测量方法，该方法主要包括下述步骤：

在步骤S101中，将经过校准的标尺101置于显微成像系统105的载物台106上，所述标尺101具有至少一个特征尺寸l；

在步骤S102中，将图像传感器102连接至显微成像系统105，采集标尺101经过显微成像系统105的物镜或整个显微成像系统105所成的图像，并将图像数据传送至图像处理器103；

在步骤S103中，通过图像处理器103对图像数据进行处理，获取显微成像系统105的物镜或整个显微成像系统105的放大倍率。

在本实施例中，标尺101可以采用线纹尺或圆形图案标尺，根据显微成像系统的镜头畸变情况选择，以消除畸变导致的测量误差。

进一步地，图像传感器102的镜头采用上述的物方远心镜头或定倍镜头，其本身放大倍率不随物距的变化而改变，以保证获得固定的图像像素与实际尺寸变换比例系数，进而获得稳定的放大倍率。

进一步地，图像传感器102通过上述的连接件104与显微成像系统105连接，并且可以通过连接件104调节图像传感器102与显微成像系统105的镜头之间的距离。

采用该系统可以实现物镜放大倍率和整体放大倍率的测量，如上所述，在测量物镜放大倍率时，先将显微成像系统105的目镜摘除，再将图像传感器连接于显微成像系统，采集物镜所成的像。在测量整体镜放大倍率时，不需要摘取目镜，直接将图像传感器102连接于显微成像系统105，采集整个显微成像系统所成的像。

进一步地，该图像传感器102采集标尺通过显微成像系统105所成的图像，其采集到的图像是标尺图像经过自身镜头的再次成像，因此，需要对图像传感器102进行标定，即确定图像传感器102所成的像与标尺特征尺寸的映射关系，并将该映射关系存储在图像处理器103中。具体的，本实施例可以通过下述方法建立映射关系并确定放大倍率。

对图像传感器102的标定：

使用图像传感器102直接对标尺进行成像，假设特征尺寸为L，首先将标尺沿图像传感器的物方成像平面上的水平方向(假设为u方向)摆放，提取标尺特征尺寸图像在图像平面u方向所占的像素数P_u，然后再将标尺沿图像传感器的物方成像平面上的垂直方向(假设为v方向)摆放，提取标尺特征尺寸图像在图像平面v方向所占的像素数P_v，由以下公式分别得到u、v两个方向的像素与标尺物理尺寸的转换比例系数：

a_u＝L/P_u

a_v＝L/P_v

使用该标定后的图像传感器测量其它特征图像时，图像处理器先提取特征图像在u、v方向上所占的像素数p_u和p_v，由下式得到特征图像经过显微成像系统所成的像的尺寸：

L’＝sqrt[(a_u×p_u)²+(a_v×p_v)²]

进而确定显微成像系统的放大倍率：β＝L’/l。其中，l为标尺的被测特征尺寸。

本发明通过上述装置对显微成像系统的放大倍率进行测量，采用图像传感器直接采集图像，并经过图像处理器计算放大倍率，测量精度高，装置结构简单、便携、适用性广。消除了传统方法的人为瞄准误差，不需要借助分划刻线与标尺特征刻线进行比较，消除了因分划刻线与标尺特征刻线不符合带来的方法误差；可同时测量物镜放大倍率和整体放大倍率；对被测显微系统无限制要求，可满足包括有测量功能和无测量功能显微镜在内的各类显微成像系统放大倍率的数字化测量。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种放大倍率数字化测量装置，其特征在于，包括：

经过校准的标尺，供待测的显微成像系统成像，所述标尺具有至少一个特征尺寸；

图像传感器，与所述显微成像系统相连接，用于采集所述标尺经显微成像系统的物镜或者整个显微系统所成的图像并输出图像数据；

图像处理器，与所述图像传感器相连接，用于对所述图像数据进行处理，得到显微成像系统的物镜或整个显微成像系统的放大倍率。

2.如权利要求1所述的放大倍率数字化测量装置，其特征在于，所述图像传感器通过连接件与所述显微成像系统相连接，所述图像传感器的光轴与所述显微成像系统的光轴共线，所述连接件包括两个相互套合的第一套管和第二套管，所述第一套管和第二套管可相对旋转以调节所述图像传感器与所述显微成像系统的镜头之间的距离。

3.如权利要求1所述的放大倍率数字化测量装置，其特征在于，所述标尺为线纹尺，具有至少一个一维特征尺寸。

4.如权利要求1所述的放大倍率数字化测量装置，其特征在于，所述标尺为圆形图案标尺，具有至少一个代表圆直径的二维特征尺寸。

5.一种测量显微成像系统放大倍率的方法，其特征在于，包括下述步骤：

将经过校准的标尺置于所述显微成像系统的载物台上，所述标尺具有至少一个特征尺寸；

将图像传感器连接至所述显微成像系统，采集所述标尺经过所述显微成像系统的物镜或整个显微成像系统所成的图像，并将图像数据传送至图像处理器；

通过所述图像处理器对所述图像数据进行处理，获取所述显微成像系统的物镜或整个显微成像系统的放大倍率。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述标尺为线纹尺，具有至少一个一维特征尺寸，所述图像传感器采集所述一维特征尺寸的图像，所述图像处理器对所述一维特征尺寸的图像数据进行处理，得到所述放大倍率。

7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述标尺为圆形图案标尺，具有至少一个代表圆直径的二维特征尺寸，所述图像传感器采集在视场平面不同方向二维特征尺寸的图像，所述图像处理器对所述二维特征尺寸的图像数据进行处理，针对所述显微成像系统畸变的影响，获得不同方向上的放大倍率及平均放大倍率。

8.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述图像传感器与所述显微成像系统的镜头之间的距离可调。

9.如权利要求5所述的方法，其特征在于，通过图像传感器采集所述标尺经过所述显微成像系统的物镜所成的图像的步骤中，先将所述显微成像系统的目镜摘除，再将所述图像传感器连接于所述显微成像系统，采集所述物镜所成的像。

10.如权利要求5所述的方法，其特征在于，通过图像传感器采集所述标尺经过整个显微成像系统的所成的图像的步骤中，直接将所述图像传感器连接于显微成像系统，采集整个显微成像系统所成的像。