CN109375355A - 共聚焦三维测量装置及其多孔径尼普科夫圆盘 - Google Patents

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CN109375355A CN201811221733.2A CN201811221733A CN109375355A CN 109375355 A CN109375355 A CN 109375355A CN 201811221733 A CN201811221733 A CN 201811221733A CN 109375355 A CN109375355 A CN 109375355A
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Abstract

本发明涉及一种共聚焦三维测量装置及其多孔径尼普科夫圆盘，由于在多孔径尼普科夫圆盘上至少设有一个环形的扫描带，不同的扫描带中的透过孔的直径不同，这样，就可以根据显微物镜的放大倍率而选择具有合适直径的透光孔的扫描带来过滤和聚焦光线，从而使得合适直径的透光孔处于工作状态，使得测量装置的分辨力和精度指标达到最优状态。由此可见，本发明的一种共聚焦三维测量装置中的多孔径尼普科夫圆盘能够提高测量分辨力和精度。

Description

共聚焦三维测量装置及其多孔径尼普科夫圆盘
技术领域
本发明涉及一种共聚焦三维测量装置及其多孔径尼普科夫圆盘。
背景技术
传统光学显微镜由于受光学衍射极限的影响，其理论分辨力只能达到光源波长量级，一般为几百纳米。现代纳米技术的发展对测量设备的分辨力提出了更高的要求，虽然扫描电镜和扫描隧道显微镜可以实现很高的分辨力，可达0.01nm量级，但其使用具有一定的局限性，主要表现为测量范围小、需在真空环境下测量以及对活细胞样品的破坏性等。共聚焦显微镜因其独特的光学层析能力、高横向分辨力特性及对活体细胞表面及内部结构的三维测量能力而被广泛应用于生物医学、精密测量、材料科学等领域。近年来，随着共聚焦显微镜在关键器件上出现的一系列创新技术，其成像质量、分辨力、测量速度及自动化水平不断提高，整体性能也得到了全方位的提升。
共聚焦显微镜目前主要分为激光扫描共聚焦显微镜和转盘式共聚焦显微镜。转盘式共聚焦显微镜可采用激光或白光作为光源，具有多通道、扫描速度快等特点，可解决活细胞的快速时空成像问题。其核心器件为一个具有针孔阵列的尼普科夫扫描盘，扫描盘的针孔以阿基米德线的方式均匀排布。测量时，通过扫描盘的转动实现同一焦面的图像采集。传统的转盘式共聚焦显微镜转盘上的共焦针孔仅有一种尺寸，该尺寸的最优参数往往根据最大倍率的物镜进行设计，在使用其他低倍率物镜时难以实现最佳的共焦性能，而高倍率物镜视场小，观察范围有限。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种共聚焦三维测量装置及其多孔径尼普科夫圆盘，能够提高测量分辨力和精度。
为实现上述目的，本发明提供一种共聚焦三维测量装置中的多孔径尼普科夫圆盘，包括圆形基盘，圆形基盘上至少设有一个环形的扫描带，扫面带上分布有多个透光孔组，各透光孔组绕圆形基盘的圆心螺旋对称地分布，不同透光孔组中的透光孔沿不同的阿基米德螺线段分布，所述扫描带区域除透光孔之外的部分不透光。
优选地，所述圆形基盘上设有多个扫面带，不同的扫描带中的透光孔组数量与透光孔直径均不同。
优选地，所述圆形基盘包括由透光材料制成的基体以及镀覆在基体表面的遮光膜。
优选地，所述圆形基盘由不透光的材料制成。
与本发明的一种共聚焦三维测量装置中的多孔径尼普科夫圆盘相应地，本发明还提供一种共聚焦三维测量装置，包括：
光源模块、分光镜、图像采集模块、共聚焦扫描模块、显微物镜和三维运动平台；
所述三维运动平台用于承载待检测样品；
所述共聚焦扫描模块包括上述技术方案或其任一优选的技术方案所述的多孔径尼普科夫圆盘、第一透镜和第二透镜，第一透镜位于所述分光镜和多孔径尼普科夫盘之间，第二透镜位于多孔径尼普科夫盘和显微物镜之间；所述多孔径尼普科夫圆盘由旋转驱动机构驱动而旋转；
所述分光镜接收光源模块发出的光线并将部分光线反射向第一透镜，光线依次经过第一透镜、多孔径尼普科夫盘上的透光孔、第二透镜和显微物镜之后照射在三维运动平台上的待检测样品上，样品将光线反射并依次经过显微物镜、第二透镜、多孔径尼普科夫盘上的透光孔、第一透镜、分光镜之后射入到图像采集模块中。
优选地，所述第一透镜和第二透镜同轴设置，所述多孔径尼普科夫圆盘的轴线相对第一透镜的轴线倾斜设置。
优选地，所述多孔径尼普科夫圆盘还由直线驱动机构驱动而能够靠近或远离第一透镜的轴线。
优选地，所述图像采集模块包括CCD相机和第三透镜，从分光镜进入到图像采集模块中的光线经过第三透镜会聚到CCD相机中。
优选地，所述光源模块包括光源和第四透镜，光源发出的光经第四透镜转换成平行光之后射向分光镜。
优选地，所述显微物镜为消色差物镜、半复消色差物镜或复消色差物镜。
如上所述，本发明涉及的一种共聚焦三维测量装置及其多孔径尼普科夫圆盘，具有以下有益效果：由于在多孔径尼普科夫圆盘上至少设有一个环形的扫描带，不同的扫描带中的透过孔的直径不同，这样，就可以根据显微物镜的放大倍率而选择具有合适直径的透光孔的扫描带来过滤和聚焦光线，从而使得合适直径的透光孔处于工作状态，使得测量装置的分辨力和精度指标达到最优状态。由此可见，本发明的一种共聚焦三维测量装置中的多孔径尼普科夫圆盘能够提高测量分辨力和精度。本发明的一种共聚焦三维测量装置当然也具有上述有益效果，此处不再赘述。
附图说明
图1显示为多孔径尼普科夫圆盘的俯视图。
图2-1显示为透光孔处于聚焦工作状态的原理图。
图2-2显示为透光孔处于离焦工作状态的原理图。
图3显示为尼普科夫盘旋转时透光孔移动轨迹的示意图。
图4显示为共聚焦三维测量装置的结构示意图。
图5显示为共聚焦扫描模块的结构示意图。
图6显示为图像采集模块的结构示意图。
图7显示为光源模块的结构示意图。
图8-1显示为消色差物镜的结构示意图。
图8-2显示为半复消色差物镜的结构示意图。
图8-3显示为复消色差物镜的结构示意图。
元件标号说明
1 共聚焦扫描模块
11 多孔径尼普科夫圆盘
111 透光孔
111a 孔径较小透光孔
111b 孔径较大透光孔
112 阿基米德螺线
113 安装孔
114 测量光斑
115 遮光膜
116 石英玻璃
12 旋转驱动机构
13 电机固定座
14 直线驱动机构
15 第一透镜
16 第二透镜
2 图像采集模块
21 CCD相机
22 相机数据线
23 第三透镜
3 光源模块
31 光源
32 电源线
33 第四透镜
34 光阑
4 分光镜
5 显微物镜
51 双胶合透镜
52 前端透镜
53 三胶合透镜
54 月形透镜
6 待检测样品
7 三维运动平台
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
如图1所示，本发明提供一种共聚焦三维测量装置中的多孔径尼普科夫圆盘，包括圆形基盘，圆形基盘上至少设有一个环形的扫描带，扫面带上分布有多个透光孔111组，各透光孔111组绕圆形基盘的圆心螺旋对称地分布，不同透光孔111组中的透光孔111沿不同的阿基米德螺线112段分布，所述扫描带区域除透光孔111之外的部分不透光。
在本发明的一种共聚焦三维测量装置中的多孔径尼普科夫圆盘中，请参考图2-1、图2-2和图4，多孔径尼普科夫圆盘11用于过滤和会聚射向显微物镜5或者从显微物镜5返回的光线。由于在多孔径尼普科夫圆盘11上至少设有一个环形的扫描带，不同的扫描带中的透过孔的直径不同，这样，就可以根据显微物镜5的放大倍率而选择具有合适直径的透光孔111的扫描带来过滤和聚焦光线，从而使得合适直径的透光孔111处于工作状态，使得测量装置的分辨力和精度指标达到最优状态。由此可见，本发明的一种共聚焦三维测量装置中的多孔径尼普科夫圆盘能够提高测量分辨力和精度。
在本发明的一种共聚焦三维测量装置中的多孔径尼普科夫圆盘中，为了适应显微物镜5的不同放大倍率，如图1所示，所述圆形基盘上设有多个扫面带，每个扫描带中均包括多个绕圆形基盘的轴线旋转对称的透光孔111组，同一透光孔111组中的各透光孔111的圆心在同一的阿基米德曲线段上，各阿基米德曲线段所在的阿基米德曲线均通过圆形基盘的圆心。如图1所示，不同的扫描带中的透光孔111组数量与透光孔111直径均不同。同一扫描带中的各透光孔111的直径与相邻透光孔111之间的距离根据该扫面带所要适应的显微物镜5放大倍率而适应确定，各透光孔111的直径与相邻透光孔111之间的距离的大小应该使得测量装置在其所对应的显微物镜5放大倍率时具有最佳的分辨力和精度指标。
本发明的一种共聚焦三维测量装置中的多孔径尼普科夫圆盘中，扫描带区域中除了透光孔111以外的部分均不能透过光线，为了便于制造所述多孔径尼普科夫圆盘11，作为一种优选的实施方式，所述圆形基盘包括由透光材料制成的基体以及镀覆在基体表面的遮光膜115，可以采用石英玻璃116制造圆形基盘的基体，采用MEMS技术加工，石英玻璃116经平整处理和化学机械抛光后，采用碳酸钙进行清洗，然后进行物理清洁；在石英玻璃116上通过等离子体化学气相沉积形成一层硅薄膜作为遮光膜115，然后通过甩胶、光刻、显影形成所需图形，以光刻胶作为保护膜，采用化学刻蚀或干法刻蚀加工出透光孔111。圆形基盘也可以由不透光的材料制成，采用不透光的金属片或非金属薄片加工，利用激光打孔或其他打孔方式，加工出图1中所示的不同孔径的透光孔111而形成扫描带R1和扫描带R2，以及安装孔113。为确保尼普科夫盘不受外界扰动或温度变化的影响，所选的基体材料应当具有高刚度、低热膨胀系数，同时还需确保有良好的遮光性能。
与本发明的一种共聚焦三维测量装置中的多孔径尼普科夫圆盘相应地，本发明还提供一种共聚焦三维测量装置，包括：
光源31模块3、分光镜4、图像采集模块2、共聚焦扫描模块1、显微物镜5和三维运动平台7；
所述三维运动平台7用于承载待检测样品6；
如图5所示，所述共聚焦扫描模块1包括上述技术方案或其任一优选的技术方案所述的多孔径尼普科夫圆盘11、第一透镜15和第二透镜16，第一透镜15位于所述分光镜4和多孔径尼普科夫盘之间，第二透镜16位于多孔径尼普科夫盘和显微物镜5之间；所述多孔径尼普科夫圆盘11由旋转驱动机构12驱动而旋转；
所述分光镜4接收光源31模块3发出的光线并将部分光线反射向第一透镜15，光线依次经过第一透镜15、多孔径尼普科夫盘上的透光孔111、第二透镜16和显微物镜5之后照射在三维运动平台7上的待检测样品6上，样品将光线反射并依次经过显微物镜5、第二透镜16、多孔径尼普科夫盘上的透光孔111、第一透镜15、分光镜4之后射入到图像采集模块2中。
如图1所示，孔径较小透光孔111a在圆形基盘上形成扫描带R1，孔径较大透光孔111b在圆形基盘上形成扫描带R2，扫描带R1和扫描带R2中的透光孔111以阿基米德螺线112的方式均匀排列，并以圆周阵列的形式分布在各自的扫描带上。可以根据显微物镜5的可用放大倍率参数，设计更多透光孔111直径尺寸的扫描带，以匹配更多种放大倍率的显微物镜5，扫描带的数量可以是2种、3种甚至更多。透光孔111的直径一般设计为25微米、50微米或同量级的尺寸，相邻透光孔111之间的间隔根据透光孔111直径及所设计的共焦系统参数以最优的尺寸间距设置。圆形基盘上还设有用于和旋转驱动机构12连接的安装孔113，旋转机构驱动圆形基盘旋转，旋转速度与图像采集模块2的采样频率精确匹配，同时还需与三维运动平台7的纵向驱动速度相匹配，从而使得图像采集模块2能够采集待检测样品6上连续完整的物像。
在利用本发明的一种用于共聚焦三维测量装置检测待检测工件时，将待检测工件放置在三维运动平台7上，请参考图4，光源31模块3发出的光线经分光镜4反射后，进入共聚焦扫描模块1，然后经显微物镜5汇聚后照射到位于三维运动平台7上的待检测样品6表面。待检测样品6表面反射的光再次进入显微物镜5和共聚焦扫描模块1，如图2-1和图2-2以及图4所示，经共聚焦扫描模块1的共焦作用后过滤除了从待检测样品6表面处于显微物镜5焦平面(如图1所示，测量光斑114与显微物镜5的焦平面相对应)以外区域反射回来的光线，未被滤除的光线穿过分光镜4，进入图像采集模块2，图像采集模块2将采集到的光学层析图像存储在计算机供后续处理和重构。系统工作时，利用三维运动平台7带动待检测样品6进行横向的平移以定位被测特征位置，然后三维运动平台7带动待检测样品6纵向移动，并配合共聚焦扫描模块1和图像采集模块2实现层析扫描成像。共聚焦扫描模块1中多孔径尼普科夫圆盘11的转速应与图像采集模块2中CCD相机21的采样频率精确匹配，同时还需与三维运动平台7的纵向驱动速度相匹配。在完成各纵向扫描层的图像采集后，利用相关的图像重构算法即可还原样品表面被测特征的形貌信息。CCD相机21应具有高灵敏度和较大动态范围，以及较小的像元尺寸和像元间距，以便获取较高的系统测量分辨率。同时，应具有较大的靶面尺寸，以获取较大的单视场测量范围。
如图4所示，多孔径尼普科夫圆盘11位于成像系统中与被测样品焦平面共轭的位置，从样品反射的光返回多孔径尼普科夫圆盘11上的透光孔111时，透光孔111所起到的共焦作用原理如图2-1和图2-2所示。从显微物镜5焦平面反射的光经第二透镜16汇聚后可穿过透光孔111，如图2-1所示，然后经第一透镜15、分光镜4和第三透镜23后进入CCD相机21；从显微物镜5非焦平面反射的光经第二透镜16汇聚后被多孔径尼普科夫圆盘11上不透光的部分遮挡，无法进入CCD相机21，如图2-2所示。因此，CCD相机21经多孔径尼普科夫圆盘11的共焦作用后仅能采集到位于显微物镜5焦平面反射的信号，有效消除了来自显微物镜5非焦平面反射信号的干扰，因而提高了信号的信噪比，使成像质量和分辨力得到提升。测量时，多孔径尼普科夫圆盘11由旋转驱动机构12驱动而旋转，由于多孔径尼普科夫圆盘11上的透光孔111呈阿基米德螺线112的方式排列，并以圆周阵列方式分布，多孔径尼普科夫圆盘11旋转时，透光孔111移动的轨迹方向如图3所示(图3中箭头方向为透光孔111移动的轨迹方向)，箭头指向的阴影部分恰好可以被箭头尾部的透光孔111覆盖，因此当CCD相机21以与多孔径尼普科夫圆盘11转速相匹配的频率曝光时，可以获得整个焦平面的图像。
在利用本发明的一种共聚焦三维测量装置中，多孔径尼普科夫圆盘11用于过滤除了从待检测样品6表面处于显微物镜5焦平面以外区域反射回来的光线，如图4所示，所述第一透镜15和第二透镜16同轴设置，第一透镜15和第二透镜16的轴线沿竖直方向延伸，为了防止多孔径尼普科夫圆盘11上表面的区域(该区域为两个处于透过孔之间的位置)光线从第一透镜15经过分光镜4进入到图像采集模块2而干扰成像效果，所述多孔径尼普科夫圆盘11的轴线相对第一透镜15的轴线倾斜设置，多孔径尼普科夫圆盘11的盘面与水平方向之间具有15度左右的夹角。
为了便于调整多孔径尼普科夫圆盘11上扫描带的位置，使得不同的扫描带能够对准显微物镜5而适应显微物镜5的不同放大倍率，如图4所示，作为一种优选的实施方式，所述多孔径尼普科夫圆盘11还由直线驱动机构14驱动而能够靠近或远离第一透镜15的轴线，驱动所述多孔径尼普科夫圆盘11的旋转机构为一旋转电机，安装在固定座13上，固定座13由直线驱动机构14驱动而能够平移运动。
作为一种优选的实施方式，如图4和图6所示，所述图像采集模块2包括CCD相机21和第三透镜23，从分光镜4进入到图像采集模块2中的光线经过第三透镜23会聚到CCD相机21中。如图4和图7所示，所述光源31模块3包括光源31和第四透镜33，光源31发出的光经第四透镜33转换成平行光之后射向分光镜4。
在本发明的一种共聚焦三维测量装置中，所述显微物镜5用于放大待检测样品6表面处于显微物镜5焦平面内的物像，显微物镜5可以是图8-1所示的消色差物镜、8-2所示的半复消色差物镜或图8-3所示的复消色差物镜。消色差物镜主要由双胶合透镜51和前端透镜52构成，其结构如图8-1所示。半复消色差物镜和复消色差物镜主要由双胶合透镜51、前端透镜52、三胶合透镜53和月形透镜54构成，其结构分别如图8-2和图8-3所示。复消色差物镜的成像效果要优于半复消色差物镜和消色差物镜，但其制造成本也更高。使用时，物镜应根据所搭建成像系统的实际需求选择。
在本发明的一种共聚焦三维测量装置中，如图4所示，入射光线经透镜汇聚后照射到多孔径尼普科夫盘的扫描带R1或扫描带R2上，然后经第二透镜16准直后穿过扫描带上的透光孔111照射到被测样品表面，由样品表面反射的光经第二透镜16汇聚后返回多孔径尼普科夫盘，位于显微物镜5焦平面的光线穿过多孔径尼普科夫盘上的透光孔111后最终进入图像采集模块2，而位于显微物镜5焦平面外的光线到达多孔径尼普科夫盘时被盘上的遮光部分遮挡而无法进入图像采集模块2，从而起到增强焦面图像信噪比的效果。
如图6所示，图像采集模块2包括CCD相机21、相机数据线22和第三透镜23。从样品焦平面反射的光线经第三透镜23汇聚后照射到CCD相机21的感光阵列，CCD相机21将采集到的图像信息经相机数据线22传输到上位机进行存储和处理。CCD相机21应具有较高的灵敏度、传输帧率和图像分辨率，以便满足高速、高分辨率采样的要求。如图7所示，光源31模块3包括光源31、电源线32、第四透镜33和光阑34。光源31可选择白光或单色光，光源31发出的光经第四透镜33准直后通过光阑34，以调整出射孔径及滤除边缘的杂散光。
本发明的一种共聚焦三维测量装置及其多孔径尼普科夫圆盘11，在一个多孔径尼普科夫圆盘11上实现了多种孔径的透光孔111扫描带，根据所选显微物镜5的倍率，使能相应尺寸的透光孔111扫描带，使系统分辨力和精度达到最优。通过多孔径尼普科夫圆盘11的移动，可方便进行扫描带之间的切换，切换过程简单，操作方便。
综上所述，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种共聚焦三维测量装置中的多孔径尼普科夫圆盘，其特征是，包括圆形基盘，圆形基盘上至少设有一个环形的扫描带，扫面带上分布有多个透光孔(111)组，各透光孔(111)组绕圆形基盘的圆心螺旋对称地分布，不同透光孔(111)组中的透光孔(111)沿不同的阿基米德螺线(112)段分布，所述扫描带区域除透光孔(111)之外的部分不透光。
2.根据权利要求1所述的用于共聚焦三维测量装置中的多孔径尼普科夫圆盘，其特征在于：所述圆形基盘上设有多个扫面带，不同的扫描带中的透光孔(111)组数量与透光孔(111)直径均不同。
3.根据权利要求1所述的用于共聚焦三维测量装置中的多孔径尼普科夫圆盘，其特征在于：所述圆形基盘包括由透光材料制成的基体以及镀覆在基体表面的遮光膜(115)。
4.根据权利要求1所述的用于共聚焦三维测量装置中的多孔径尼普科夫圆盘，其特征在于：所述圆形基盘由不透光的材料制成。
5.一种共聚焦三维测量装置，其特征是，包括：
光源(31)模块(3)、分光镜(4)、图像采集模块(2)、共聚焦扫描模块(1)、显微物镜(5)和三维运动平台(7)；
所述三维运动平台(7)用于承载待检测样品(6)；
所述共聚焦扫描模块(1)包括如权利要求1至4任一项所述的多孔径尼普科夫圆盘(11)、第一透镜(15)和第二透镜(16)，第一透镜(15)位于所述分光镜(4)和多孔径尼普科夫盘之间，第二透镜(16)位于多孔径尼普科夫盘和显微物镜(5)之间；所述多孔径尼普科夫圆盘(11)由旋转驱动机构(12)驱动而旋转；
所述分光镜(4)接收光源(31)模块(3)发出的光线并将部分光线反射向第一透镜(15)，光线依次经过第一透镜(15)、多孔径尼普科夫盘上的透光孔(111)、第二透镜(16)和显微物镜(5)之后照射在三维运动平台(7)上的待检测样品(6)上，样品将光线反射并依次经过显微物镜(5)、第二透镜(16)、多孔径尼普科夫盘上的透光孔(111)、第一透镜(15)、分光镜(4)之后射入到图像采集模块(2)中。
6.根据权利要求5所述的共聚焦三维测量装置，其特征在于：所述第一透镜(15)和第二透镜(16)同轴设置，所述多孔径尼普科夫圆盘(11)的轴线相对第一透镜(15)的轴线倾斜设置。
7.根据权利要求5所述的共聚焦三维测量装置，其特征在于：所述多孔径尼普科夫圆盘(11)还由直线驱动机构(14)驱动而能够靠近或远离第一透镜(15)的轴线。
8.根据权利要求5所述的共聚焦三维测量装置，其特征在于：所述图像采集模块(2)包括CCD相机(21)和第三透镜(23)，从分光镜(4)进入到图像采集模块(2)中的光线经过第三透镜(23)会聚到CCD相机(21)中。
9.根据权利要求5所述的共聚焦三维测量装置，其特征在于：所述光源(31)模块(3)包括光源(31)和第四透镜(33)，光源(31)发出的光经第四透镜(33)转换成平行光之后射向分光镜(4)。
10.根据权利要求5所述的共聚焦三维测量装置，其特征在于：所述显微物镜(5)为消色差物镜、半复消色差物镜或复消色差物镜。
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