CN110849260A - 测距装置、电子显微镜及显微镜物距调节方法 - Google Patents

Abstract

本申请实施例提供一种测距装置、电子显微镜及显微镜物距调节方法，其中，测距装置包括：两个单色光源，以测距装置的主光轴为对称轴呈轴对称排布；两个单色光源同向发光，发出的中心光线与主光轴平行；透镜组件，其光轴与主光轴重合，位于单色光源的发光侧；标志物，设置在主光轴上，位于透镜组件与单色光源之间；图像采集器，其光轴与主光轴重合，位于透镜组件远离单色光源的一侧；透镜组件将标志物在焦平面所呈的像映射到图像采集器的第一区域，将标志物在透镜组件的像平面所呈的像映射到图像采集器的第二区域；根据第二区域与第一区域边界之间的差确定焦平面与像平面之间的距离。本申请实施例提供的测距装置具有较高的测量精度，且成本较低。

Description

测距装置、电子显微镜及显微镜物距调节方法

技术领域

本申请涉及光学测距技术，尤其涉及一种测距装置、电子显微镜及显微镜物距调节方法。

背景技术

光学测距是一种非接触式的测距方法，能够实现远距离测量，且适用的领域较广。光学测距的方法主要包括：脉冲法、相位法、透镜成像法和三角测量法。其中，脉冲法是通过计算激光从发射到接收的时间来计算距离，适合远距离测量，但精度不高。相位法是在脉冲法的基础上，通过调制光的相位来计算距离，相位法所采用的测量设备成本较高。透镜成像法是利用凸透镜成像原理，根据像距、物距、像高与物高之间的对应关系进行测距，但需采用激光发生器作为测量光源，其成本较高。三角测量法是激光发生器的光轴与图像采集器的光轴之间呈锐角，通过待测物的位移变化与图像采集器上的位移变化之间的对应关系来进行测距，采用激光发生器也会导致成本较高。

发明内容

本申请实施例提供一种测距装置、电子显微镜及显微镜物距调节方法，具有较高的测量精度，还能够降低成本。

本申请第一方面实施例提供一种测距装置，包括：

两个单色光源，以测距装置的主光轴为对称轴呈轴对称排布；两个单色光源同向发光，发出的中心光线与主光轴平行；

透镜组件，其光轴与主光轴重合，位于所述单色光源的发光侧；

标志物，设置在所述主光轴上，位于所述透镜组件与单色光源之间；

图像采集器，其光轴与主光轴重合，位于所述透镜组件远离单色光源的一侧；所述透镜组件将所述标志物在焦平面所呈的像映射到图像采集器的第一区域，将所述标志物在透镜组件的像平面所呈的像映射到图像采集器的第二区域；根据第二区域与第一区域边界之间的差确定焦平面与像平面之间的距离

本申请第二面实施例提供一种电子显微镜，包括：如上所述的测距装置；所述标志物为探针，所述探针用于承载待观测物。

本申请第三方面实施例提供一种采用如上所述测距装置的显微镜物距调节方法，其特征在于，包括：

根据图像采集器采集到的图像确定物距调节差值；所述物距调节差值为透镜组件的焦平面与标志物像平面之间的距离；

根据所述物距调节差值调节显微镜的物距，直至所述焦平面与像平面重合。

本申请实施例所提供的技术方案，通过沿主光轴依次设置单色光源、标志物、透镜组件和图像采集器，单色光源的数量为两个，以主光轴为对称轴呈轴对称排布，其余各部件的中心或光轴均与主光轴重合；单色光源同向发光，发光方向与主光轴平行；标志物位于单色光源与透镜组件之间，图像采集器位于透镜组件远离单色光源的一侧；透镜组件将标志物在焦平面所呈的像映射到图像采集器的第一区域，将标志物在透镜组件的像平面所呈的像映射到图像采集器的第二区域，根据第二区域与第一区域边界之间的差就可以确定焦平面与像平面之间的距离，以根据焦平面与像平面之间的距离来调节标志物的位置，直至焦平面与像平面重合，此时在图像采集器上呈现标志物最清晰的像。本实施例所提供的上述方案，利用光的直线传播原理以及透镜成像原理来测量焦平面与像平面之间的距离，具有较高的测量精度，而且结构较为简单，采用单色光源能大幅度降低成本。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本申请实施例一提供的测距装置的结构示意图；

图2为本申请实施例二提供的测距方法的流程图。

附图标记：

1-单色光源；2-标志物；3-透镜组件；31-焦平面；32-像平面；4-图像采集器；41-第一区域；42-第二区域；5-滤光片。

具体实施方式

为了使本申请实施例中的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本申请的示例性实施例进行进一步详细的说明，显然，所描述的实施例仅是本申请的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例一

本实施例提供一种利用光学器件进行测距的装置，能够应用于电子显微镜中，对待测物的偏差距离进行测量，以根据该偏差距离调整待测物的位置，当调整到位后能够得到清晰的图像。与已有的几种测距方式相比，本实施例所提供的测距装置具有测量精度高、成本低、结构简单等优点。

图1为本申请实施例一提供的测距装置的结构示意图。如图1所示，本实施例提供的测距装置包括：单色光源1、标志物2、透镜组件3和图像采集器4。装置具有一个主光轴，以上各器件沿着主光轴延伸的方向依次设置。

其中，单色光源1的数量为两个，设置在主光轴的最左侧。两个单色光源1以主光轴为对称轴呈轴对称排布，即：两个单色光源1分别设置在主光轴的上下两侧，两个单色光源1之间具有一定的距离。两个单色光源1均朝向右侧发光，发出的中心光线与主光轴平行。中心光线即沿单色光源1的中心线方向出射的光线。

透镜组件3的光轴与主光轴重合，透镜组件3位于单色光源1的发光侧，即：位于单色光源1的右侧。透镜组件3的功能是改变光线的传播方向，对发散的光线进行汇聚，光线穿过透镜组件3之后的传播方向上下颠倒。

标志物2设置在透镜组件3与单色光源1之间，即位于透镜组件3的物方侧。透镜组件3的焦点所在的平面为焦平面31，标志物2具体位于单色光源1与焦平面31之间。标志物2的截面可以为圆形、方形、椭圆形或其他形状，其中心位于焦平面31上。本实施例中，标志物2以主光轴为对称轴呈上下轴对称。

图像采集器4设置在透镜组件3远离单色光源1的一侧，即：透镜组件3的像方侧，也即透镜组件3的右侧。图像采集器4的光轴与主光轴重合。

两个单色光源1发出的光照射在标志物2上，在标志物2的右侧会出现本影区和半影区。本影区和半影区在焦平面31上所成的像通过透镜组件3折射后映射在图像采集器4上，在图像采集器4上显示为第一区域41。透镜组件3的像平面32也位于标志物2与透镜组件3之间。本影区和半影区在像平面32上所成的像通过透镜组件3折射后映射在图像采集器4上，在图像采集器4上显示为第二区域42。根据第二区域42与第一区域41边界之间的差就可以确定焦平面31与像平面32之间的距离。

焦平面31与像平面32之间的距离作为偏差距离，根据该偏差距离调节标志物2的位置，直至调整到焦平面31与像平面32重合，此时在图像采集器4上能够得到标志物最清晰的图像。

将上述技术方案应用在电子显微镜中，标志物2为探针，探针为细长条的圆柱形结构，其上附着有待观测物。通过移动探针的位置，调节探针与透镜组件3之间的距离来调节图像采集器4上图像的清晰度。当标志物2移动至使焦平面31与像平面32重合时，此时在图像采集器4上能够得到待观测物最清晰的图像。

本实施例所提供的技术方案，通过沿主光轴依次设置单色光源、标志物、透镜组件和图像采集器，单色光源的数量为两个，以主光轴为对称轴呈轴对称排布，其余各部件的中心或光轴均与主光轴重合；单色光源同向发光，发光方向与主光轴平行；标志物位于单色光源与透镜组件之间，图像采集器位于透镜组件远离单色光源的一侧；透镜组件将标志物在焦平面所呈的像映射到图像采集器的第一区域，将标志物在透镜组件的像平面所呈的像映射到图像采集器的第二区域，根据第二区域与第一区域边界之间的差就可以确定焦平面与像平面之间的距离，以根据焦平面与像平面之间的距离来调节标志物的位置，直至焦平面与像平面重合，此时在图像采集器上呈现标志物最清晰的像。本实施例所提供的上述方案，利用光的直线传播原理以及透镜成像原理来测量焦平面与像平面之间的距离，具有较高的测量精度，而且结构较为简单，采用单色光源能大幅度降低成本。

在上述技术方案的基础上，对上述各部件的实现方式进行详细说明和优化。单色光源1具体为长条形状，其长度方向与主光轴垂直。两个单色光源1之间留有间隙，单色光源1与主光轴之间的距离大于标志物的直径。单色光源1发出的光为可见光，可以为蓝光、白光等。

本实施例中，标志物2为电子显微镜中的探针，其截面为圆形。探针的直径小于单色光源1的长度。

透镜组件3为单只透镜、无限远光学透镜组或准直透镜。本实施例中，采用无限远光学透镜组，可采用本领域常用的方式来实现，用于将焦平面31和像平面32上的像汇聚至图像采集器4上。例如：从焦点处发出的光线射向透镜组件3后变为平行光，再射向图像采集器4。透镜组件3的焦距为d，即：透镜组件3与焦平面31之间的距离。

图像采集器4可以为位敏检测器(Position Sensitive Detector，简称：PSD)、电荷耦合元件(Charge-coupled Device，简称：CCD)感光阵列或互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor，简称：CMOS)感光阵列。

进一步的，还包括：滤光片5，设置在透镜组件3与图像采集器4之间。滤光片5的中心频率与单色光源1的中心频率相同，以使单色光源1发出光线能够穿过滤光片5，而滤除其余频率的光线，能够提高在图像采集器4上成像的清晰度，尤其是提高第一区域41和第二区域42边界的清晰度。滤光片5的尺寸大于透镜组件3的尺寸，以对从透镜组件3出射的全部光线进行滤波，提高测距装置的抗干扰能力。

对于上述测距装置，当焦平面31与像平面32之间的距离发生变化时，第一区域41与第二区域42边界之间的距离也随之改变，通过测量第一区域41与第二区域42边界之间的距离就能够计算得到焦平面31与像平面32之间的距离，作为偏差距离，用于指导在电子显微镜上调节探针位置的操作。

第二区域42与第一区域41边界之间的差与焦平面31和像平面32之间的距离一一对应，对应关系如下：

其中，ΔD'为第二区域42与第一区域41边界之间的差，ω为透镜组件3的光学放大倍数，L1为单色光源1的长度，L2为单色光源1与标志物2之间的距离，Δd为焦平面31和像平面32之间的距离。

ΔD'可通过图像采集器4获取到的图像来获得，例如通过计算图像上某一区域的像素个数再乘以图像采集器4中像素的宽度就可以获得。再通过上述公式即可计算得到焦平面31和像平面32之间的距离Δd。

本实施例还提供其它的两组距离对应关系：

本影区在图像采集器4上呈现的区域和第二区域42的边界之间的距离与像平面32和标志物2中心之间的距离的对应关系如下：

其中，ΔD为第二区域42与本影区在图像采集器4上呈现的区域边界之间的差，ω为透镜组件3的光学放大倍数，L1为单色光源1的长度，L2为单色光源1与标志物2之间的距离，d2为像平面32和标志物2中心之间的距离。

本影区在图像采集器4上呈现的区域宽度与像平面32和标志物2中心之间的距离的对应关系如下：

其中，D为本影区在图像采集器4上呈现的区域宽度，ω为透镜组件3的光学放大倍数，d1为单色光源1与主光轴之间的距离，r为标志物2的半径，L2为单色光源1与标志物2之间的距离，d2为像平面32和标志物2中心之间的距离。

通过以上各距离的对应关系，可以设定测距装置中各部件的位置及各部件之间的距离，以在图像采集器上呈现最清晰的像。

本实施例还提供一种电子显微镜，包括上述内容所提供的测距装置，其中，标志物为探针，探针用于承载待观测物。本实施例所提供的电子显微镜具有与上述测距装置相同的技术效果。

实施例二

本实施例还提供一种应用上述任一内容所提供的测距装置的显微镜物距调节方法，该方法可以由处理器来执行，该处理器可以为预设在显微镜中的处理器，也可以为外置的处理器。该处理器与图像采集器4相连，以获取图像采集器4采集到的图像。处理器还与显微镜中的探针调节装置相连，用于驱动该调节装置移动。

图2为本申请实施例二提供的测距方法的流程图。如图2所示，本实施例所提供的测距方法，包括：

步骤101、根据图像采集器采集到的图像确定物距调节差值，该物距调节差值为透镜组件的焦平面与标志物像平面之间的距离。

确定物距调节差值的方式具体可以为：

根据图像采集器采集到的图片确定标志物在焦平面所呈的像映射到图像采集器的第一区域与标志物在像平面所呈的像映射到图像采集器的第二区域边界之间的差值。

根据该差值及如下公式确定物距调节差值：

其中，ΔD'为第二区域与第一区域边界之间的差，ω为透镜组件的光学放大倍数，L1为单色光源的长度，L2为单色光源与标志物之间的距离，Δd为焦平面和像平面之间的距离。

步骤102、根据物距调节差值调节显微镜的物距，直至焦平面与像平面重合。

显微镜的物距为标志物(即：探针)与透镜组件之间的距离。具体的调节方式可根据显微镜已有的结构来执行。

本实施例所提供的技术方案，应用上述测距装置，通过沿主光轴依次设置单色光源、标志物、透镜组件和图像采集器，单色光源的数量为两个，以主光轴为对称轴呈轴对称排布，其余各部件的中心或光轴均与主光轴重合；标志物位于单色光源与透镜组件的焦平面之间，透镜组件将标志物在焦平面所呈的像映射到图像采集器的第一区域，将标志物在透镜组件的像平面所呈的像映射到图像采集器的第二区域，第二区域与第一区域边界之间的差与焦平面和像平面之间的距离一一对应，通过测量第二区域与第一区域边界之间的差就可以得到焦平面与像平面之间的距离，以根据焦平面与像平面之间的距离来调节标志物的位置，直至焦平面与像平面重合，此时在图像采集器上呈现标志物最清晰的像。本实施例所提供的上述方案，利用光的直线传播原理以及透镜成像原理来测量焦平面与像平面之间的距离，具有较高的测量精度，而且结构较为简单，采用单色光源能大幅度降低成本。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或可以互相通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种测距装置，其特征在于，包括：

两个单色光源，以测距装置的主光轴为对称轴呈轴对称排布；两个单色光源同向发光，发出的中心光线与主光轴平行；

透镜组件，其光轴与主光轴重合，位于所述单色光源的发光侧；

标志物，设置在所述主光轴上，位于所述透镜组件与单色光源之间；

图像采集器，其光轴与主光轴重合，位于所述透镜组件远离单色光源的一侧；所述透镜组件将所述标志物在焦平面所呈的像映射到图像采集器的第一区域，将所述标志物在透镜组件的像平面所呈的像映射到图像采集器的第二区域；根据第二区域与第一区域边界之间的差确定焦平面与像平面之间的距离。

2.根据权利要求1所述的测距装置，其特征在于，所述单色光源为长条形状，所述单色光源的长度方向垂直于主光轴；两个单色光源之间留有间隙。

3.根据权利要求2所述的测距装置，其特征在于，所述标志物的截面为圆形，所述标志物的直径小于所述单色光源的长度，也小于单色光源与主光轴之间的距离。

4.根据权利要求3所述的测距装置，其特征在于，根据第二区域与第一区域边界之间的差确定焦平面与像平面之间的距离，具体为根据如下公式来确定焦平面与像平面之间的距离：

其中，ΔD'为第二区域与第一区域边界之间的差，ω为所述透镜组件的光学放大倍数，L1为所述单色光源的长度，L2为所述单色光源与标志物之间的距离，Δd为所述焦平面和像平面之间的距离。

5.根据权利要求1所述的测距装置，其特征在于，还包括：

滤光片，设置在透镜组件与图像采集器之间；所述滤光片的中心频率与单色光源的中心频率相同；所述滤光片的尺寸大于透镜组件。

6.根据权利要求1所述的测距装置，其特征在于，所述透镜组件为无限远光学透镜组，用于将焦平面和像平面上的像进行汇聚并映射至图像采集器上。

7.根据权利要求1所述的测距装置，其特征在于，所述图像采集器为位敏检测器PSD、电荷耦合元件CCD感光阵列或互补金属氧化物半导体CMOS感光阵列。

8.一种电子显微镜，其特征在于，包括：如权利要求1-7任一项所述的测距装置；所述测距装置中的标志物为探针，所述探针用于承载待观测物。

9.一种采用如权利要求1-7任一项所述测距装置的显微镜物距调节方法，其特征在于，包括：

根据图像采集器采集到的图像确定物距调节差值；所述物距调节差值为透镜组件的焦平面与标志物像平面之间的距离；

根据所述物距调节差值调节显微镜的物距，直至所述焦平面与像平面重合。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，根据图像采集器采集到的图像确定物距调节差值，包括：

根据图像采集器采集到的图片确定标志物在焦平面所呈的像映射到图像采集器的第一区域与标志物在像平面所呈的像映射到图像采集器的第二区域边界之间的差值；

根据所述差值及如下公式确定物距调节差值：

其中，ΔD'为第二区域与第一区域边界之间的差，ω为透镜组件的光学放大倍数，L1为单色光源的长度，L2为单色光源与标志物之间的距离，Δd为焦平面和像平面之间的距离。

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