CN111505819B - 显微仪器和利用数字序列图像进行重复定位与测量的方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种显微仪器，包括：成像物镜组，其中，成像物镜组包括沿光轴方向串联设置的多个不同焦距的成像物镜；分光元件，设置在多个不同焦距的成像物镜之间，用于将由成像物镜接收的光束进行多通道分光；以及多个光电成像装置，其中，每个光电成像装置分别设置在与所述光电成像装置相对应的光学通道的焦平面处；其中，每个光电成像装置用于将源自被测物体并被分光元件进行多通道分光后得到的光信号转换为电信号。本公开还提供了一种利用显微仪器获取的数字序列图像进行重复定位与测量的显微观测的方法。

Description

显微仪器和利用数字序列图像进行重复定位与测量的方法

技术领域

本公开涉及电子技术领域，更具体地，涉及一种显微仪器和一种利用显微仪器获取的数字序列图像进行重复定位与测量的显微观测的方法。

背景技术

人的眼睛一般不能直接观察到比0.1mm更小的物体的结构细节。人要想观察更小的物质结构，一般需要利用显微放大仪器。

显微镜(microscope)是一种借助物理方法产生物体放大影像的仪器。随着工业发展和技术进步，对仪器的改进可以提高放大倍数和增加分辨细微结构的能力，使得显微镜广泛地应用于生物、化学、物理、冶金、酿造等各种工业与科研活动，对人类的发展做出了巨大而卓越的贡献。

发明内容

本公开提供了一种显微仪器和一种利用显微仪器获取的数字序列图像进行重复定位与测量的显微观测的方法。

本公开的一个方面提供了一种显微仪器，包括：成像物镜组，其中，上述成像物镜组包括沿光轴方向串联设置的多个不同焦距的成像物镜；分光元件，设置在多个不同焦距的上述成像物镜之间，用于将由上述成像物镜接收的光束进行多通道分光；以及多个光电成像装置，其中，每个上述光电成像装置分别设置在与上述光电成像装置相对应的光学通道的焦平面处；其中，每个上述光电成像装置将源自被测物体并被上述分光元件进行多通道分光后得到的光信号转换为电信号。

根据本公开的实施例，上述成像物镜组包括不同焦距的第一成像物镜和第二成像物镜；上述分光元件设置在上述第一成像物镜和上述第二成像物镜之间；上述多个光电成像装置包括第一光电成像装置和第二光电成像装置，其中，上述第一光电成像装置设置在第一光学通道的焦平面处，上述第二光电成像装置设置在第二光学通道的焦平面处。

根据本公开的实施例，多个上述光电成像装置和上述成像物镜组及上述分光元件通过机械结构固定连接成第一整体结构。

根据本公开的实施例，显微仪器还包括移动机构，具有多维调节功能，并与上述第一整体结构通过机械结构连接。

根据本公开的实施例，显微仪器还包括：电子控制装置，用于根据每个上述光电成像装置转换得到的电信号生成数字序列图像文件，其中，上述数字序列图像文件中记录有与上述数字序列图像文件对应的空间位置相对关系信息。

根据本公开的实施例，上述电子控制装置还用于根据历史生成的数字序列图像文件控制上述移动机构进行多维移动，以实现重复定位观测。

根据本公开的实施例，显微仪器还包括：存储介质，用于存储与读取上述数字序列图像文件。

根据本公开的实施例，上述分光元件包括第一分光元件和第二分光元件；上述多个光电成像装置还包括第三光电成像装置，上述第三光电成像装置设置在第三光学通道的焦平面处；其中，在上述第三光电成像装置和上述第二分光元件之间还设置有第三成像物镜。

根据本公开的实施例，上述光电成像装置的数量与上述光学通道的数量相匹配。

本公开的另一个方面提供了一种利用上述的显微仪器进行重复定位与测量的显微观测的方法，包括：将被测物体放置在工作台上；将上述成像物镜组中的成像物镜的入光方向朝向上述被测物体；利用每个上述光电成像装置转换得到的电信号生成观测影像，以及在进行重复定位与测量时，通过上述显微仪器的电子控制装置根据历史生成的数字序列图像文件控制所述显微仪器的移动机构进行多维移动，使所述观测影像与所述历史生成数字序列图像匹配，实现重复定位观测。

附图说明

通过以下参照附图对本公开实施例的描述，本公开的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1示意性示出了根据本公开实施例的显微仪器的成像光路构成示意图；

图2示意性示出了根据本公开实施例的包括移动机构的显微仪器的示意图；

图3示意性示出了根据本公开实施例的包括移动机构和电子控制装置的显微仪器的示意图；

图4示意性示出了根据本公开实施例的电子控制装置通过无线模式控制移动机构的示意图；以及

图5示意性示出了根据本公开另一实施例的显微仪器的示意图。

具体实施方式

以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。

在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。

在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。

随着数字成像技术的快速发展，开始使用计算机来处理显微影像，使人们观察和分析显微影像的方式又前进了一步。

在工业显微测量领域，常规的光学显微镜的物距比较短，物镜的数量一般为单个，需要使显微镜的光学前端贴近目标物，通过将目标影像放大来观察、测量目标物的局部精细结构，因而使得显微镜的应用，尤其是在某些无法近距离贴近观测的环境里会受到应用限制。同时，由于显微镜是一种影像放大观测仪器，受放大效果的影响，在利用目标放大影像进行测量与定位的过程中，特别是在需要再次定位于目标物体的局部细节进行显微细节重现以及多次重复定位测量时，对显微镜重复观测时的定位与调整精度，以及自身调整效率都提出了较高的要求，而现有的常规显微镜装置难以直接满足这种再次定位重复测量的调整精度与调整效率的要求。

为了至少部分解决因工作物距较短而需要贴近观测物而导致使用环境受限的技术问题，或者常规显微镜所存在的难以实现高精度再次定位复现显微细节与快速重复测量的技术问题，本公开的实施例提供了一种新型的显微仪器。

本公开的实施例提供的显微仪器包括：成像物镜组，其中，上述成像物镜组包括沿光轴方向串联设置的多个不同焦距的成像物镜；分光元件，设置在多个不同焦距的上述成像物镜之间，用于将由上述成像物镜接收的光束进行多通道分光；以及多个光电成像装置，其中，每个上述光电成像装置分别设置在与光电成像装置相对应的光学通道的焦平面处；其中，每个上述光电成像装置将源自被测物体并被分光元件进行多通道分光后得到的光信号转换为电信号。

图1示意性示出了根据本公开实施例的显微仪器的成像光路构成示意图。

如图1所示，显微仪器100包括成像物镜组110，其中，成像物镜组110包括沿光轴方向串联设置的多个不同焦距的成像物镜，例如，成像物镜组110包括沿光轴方向串联设置的第一成像物镜111和第二成像物镜112。

根据本公开的实施例，第一成像物镜111的焦距可以大于第二成像物镜112的焦距，使得在观察被测物120时，相比于现有技术而言无需将显微仪器100的光学前端过于贴近被测物120。第一成像物镜111的焦距例如可以是100毫米，第二成像物镜112的焦距例如可以是10毫米。当然，本公开实施例中的成像物镜的焦距并不限于此，第一成像物镜111和第二成像物镜112的设计参数可以根据被测物的显微观测需要进行确定。

根据本公开的实施例，多个成像物镜的焦距可以沿光轴方向不断减小，光轴方向可以是以第一成像物镜111自身光轴为基准方向。

根据本公开的实施例，显微仪器100还包括分光元件130，设置在多个不同焦距的成像物镜之间，用于将由成像物镜接收的光束进行多通道分光。例如，分光元件130可以设置在第一成像物镜111和第二成像物镜112之间，用于将由靠近被测物的第一成像物镜111接收的光束进行多通道分光。其中，由分光元件130反射的光信号可以投向第一光电成像装置141，然后由第一光电成像装置141采集，其中，由分光元件130反射的光信号投向第一光电成像装置141，所形成的通道可以作为一个光学通道。透过分光元件130的光信号可以投向第二成像物镜112，光信号经过第二成像物镜112之后，可以由第二光电成像装置142采集，其中，透过分光元件130的光信号投向第二成像物镜112，光信号经过第二成像物镜112投向第二光电成像装置142，所形成的通道可以作为另一个光学通道。

根据本公开的实施例，分光元件130可以采用光学分光棱镜，也可以采用光学分束器，由具体工作环境应用需求确定。通过光学分光元件构成多个可以同时成像的光学通道，能够对同一目标物体同时形成不少于两个光学影像，且各个光学影像分别具有不同的光学放大倍率。

根据本公开的实施例，显微仪器100还包括多个光电成像装置140，每个光电成像装置分别设置在与光电成像装置相对应光学通道的焦平面处，其中，每个光电成像装置将源自被测物体并被分光元件130进行多通道分光的成像光信号转换为电信号。根据本公开的实施例，光电成像装置的数量与光学通道的数量相匹配。

例如，多个光电成像装置140包括第一光电成像装置141和第二光电成像装置142，其中，上述第一光电成像装置141设置在第一光学通道的焦平面处，上述第二光电成像装置142设置在第二光学通道的焦平面处。

由于第一成像物镜111和第二成像物镜112的焦距不同，通过分光元件130、光电成像装置141和光电成像装置142实现了对被测物120局部精细结构的不同放大倍率的同步观测及相应序列数字图像的同步记录。

根据本公开的实施例，每个光电成像装置可以包括光电成像器件及相关成像电路。可以在每个光学通道的焦平面处分别设置一个光电成像装置，同步获取每个光学通道的具有不同放大倍率的光学影像。例如，通过光电成像装置141可以采集在第一成像物镜111的焦距条件下的光学影像，通过光电成像装置142可以采集在第一成像物镜111的焦距和第二成像物镜112的焦距条件下的光学影像。

根据本公开的实施例，光学通道是在成像物镜和分光元件的安装位置设定之后，由于光信号的传输而形成的通道。

根据本公开的实施例，还提供了一种利用显微仪器进行显微观测的方法，包括：将被测物体放置在工作台上；将成像物镜组中的成像物镜的入光方向朝向被测物体；以及利用每个光电成像装置转换得到的电信号生成观测影像。根据本公开的实施例，观测影像可以通过显示模块进行显示。可以将利用每个光电成像装置转换得到的电信号分别生成的观测影像分别进行展示。

通过本公开实施例的显微仪器，由于显微仪器包括成像物镜组，成像物镜组包括沿光轴方向串联设置的多个不同焦距的成像物镜，通过将分光元件设置在多个不同焦距的成像物镜之间，使得分光元件将成像物镜接收的光束进行多通道分光。在多个不同焦距的成像物镜的情况下，通过对应的光电成像装置将光信号转换为电信号，能够实现对观测物局部精细结构的多通道不同放大倍率显微影像的同步观测及相应序列数字图像的同步记录。并且，该仪器具有较长的工作物距，能够满足那些无法贴近观测时的相对远程观测应用需要。所以至少部分地克服了因工作物距较短而需要贴近观测物而导致使用环境受限的技术问题，使得该显微仪器具有更广泛的使用环境，实现了对观测物局部精细结构的多通道不同放大倍率显微影像的同步观测及相应序列数字图像的同步记录的技术效果。

根据本公开的实施例，第一光电成像装置141和第一成像物镜111，分光元件130，以及第二光电成像装置142和第二成像物镜112可以通过机械结构固定连接成第一整体结构。

根据本公开的实施例，通过机械结构固定连接例如可以是通过结构连接配件同定在一起。根据本公开的实施例，显微仪器100还可以包括：移动机构150。根据本公开的实施例，第一整体结构可以安放在具有多维调节功能的移动机构150上，移动机构可以向三个正交方向平移与旋转。

图2示意性示出了根据本公开实施例的包括移动机构的显微仪器的示意图。

如图2所示，显微仪器100’除了包括如图1所示的成像物镜组110、分光元件130、多个光电成像装置140之外，根据本公开的实施例，显微仪器100’还可以包括：移动机构150。根据本公开的实施例，移动机构150可以设置在显微仪器100’的底座上。该移动机构150可以用于沿三个正交方向平移或旋转调节第一整体结构，以便于对被测物120进行观察。通过本公开的实施例，能够带动光学多通道显微成像镜头及光电成像装置整体移动，通过移动机构150的移动，实现对被测物显微观察位置的调整，以及显微影像清晰程度的调整。

根据本公开的实施例，移动机构150能够通过手动控制，或是电动控制方式实现，移动机构的调整控制方式、几何调整的移动步距与移动范围，以及移动精度与移动速度，可以由具体工作环境应用需求，以及多幅数字序列图像的关联关系参数确定。

图3示意性示出了根据本公开实施例的包括移动机构和电子控制装置的显微仪器的示意图。

如图3所示，显微仪器200除了包括如图2所示的成像物镜组110、分光元件130、多个光电成像装置140和移动机构150之外，显微仪器200还可以包括：电子控制装置160，用于根据每个光电成像装置140转换得到的电信号生成数字序列图像文件，其中，数字序列图像文件中记录有与数字序列图像文件对应的空间位置相对关系信息。

根据本公开的实施例，电子控制装置160可以将光电成像装置140输出的多幅数字序列图像进行实时显示与采集记录，并对所采集的多幅数字序列图像及其关联关系参数进行存储，关联关系参数可以是图像与空间位置信息的对应关系。电子控制装置160能够并行读入前期所保存的数字序列图像文件，将数字序列图像文件所包含的多幅数字序列图像及其关联关系参数进行回放显示。前期所保存的数字序列图像文件可以作为显微观察位置调整的参照，操控移动机构进行移动，完成对观测物局部精细结构的再次重复定位与重复观测。

根据本公开的实施例，电子控制装置160可以用于显示数字序列图像。电子控制装置160可以包含输入/输出端口与显示模块、供电与驱动电路模块，以及相关管理与操作软件。

根据本公开的实施例，显微仪器200还可以包括用于存储数字序列图像文件的存储介质。电子控制装置160可以访问用于存储数字序列图像文件的存储介质。

根据本公开的实施例，输入/输出端口与显示模块能够将获取的每个光学通道的不同放大倍率光学影像进行实时同步采集并显示，并能够根据控制指令，将实时显微影像转换为可存储的数字序列图像文件。进一步地，还可以将数字序列图像文件存储在存储介质中。

此外，电子控制装置160还能够读取来自于显微仪器自身或其它电子移动存储介质的数字序列图像文件，并由显示模块显示。

根据本公开的实施例，供电与驱动电路模块，以及相关管理与操作软件，能够完成对显微仪器200的供电与控制操作，实现数字序列图像的采集、光学多通道显微成像物镜的多维精密调整等功能。尤其是能够按照已读取的、由显示模块所显示的数字序列图像文件，利用人工目视判别方式或计算机图像自动识别方式，确定该数字序列图像文件中所记录的空间相对位置关联关系，并通过控制移动机构150进行多向移动，以调整光电成像装置和成像物镜，从而实现被测物120的显微细节快速复现与多次重复定位测量。

根据本公开的实施例，电子控制装置160可以用于根据历史生成的数字序列图像文件控制移动机构150进行多维移动，以实现重复定位观测。

根据本公开的实施例，电子控制装置160可以通过有线或者无线模式实现遥控操作，控制移动机构150进行多维移动。

在图3所示的实施例中，电子控制装置160通过有线模式实现遥控操作，控制移动机构150进行多维移动。

在图3所示的实施例中，被测物120经过成像物镜111成像，并被分光元件130将成像光路分成两个通道，其中一个通道的成像光线被光电成像装置141接收，另一个通道的成像光线又经过成像物镜112再次成像，然后被光电成像装置142接收。光电成像装置141和光电成像装置142可以将光信号转换为电信号，由电信号转化为数字图像信号后，在电子控制装置160上进行实时显示。同时，显微仪器200所包含的各个部组件构成一个整体结构，安装在多维移动机构150上进行位置精密调整。

图4示意性示出了根据本公开实施例的电子控制装置通过无线模式控制移动机构的示意图。根据本公开的实施例，移动机构150可以是多维高精度调整机构，在被观测的目标物经过该显微仪器200’初次显微观测并脱离该测试仪器之后，当需要对被测物120再次进行显微观测时，能够根据该显微仪器200’在初次观测中所采集并存储的多幅序列图像作为调整参照(即根据历史生成的数字序列图像文件控制移动机构进行多维移动)，使得显微仪器200’可以快速重新定位到初次观测时的观测部位，并再次进行显微观测，从而使被测物120在初次观测时的显微局部能够再次被准确定位，初次观测所获取的显微细节能够被仪器再次复现。从而解决了常规显微镜所存在的难以实现高精度再次定位复现显微细节与快速重复测量的技术问题。

图5示意性示出了根据本公开另一实施例的显微仪器的示意图。如图5所示，显微仪器300包括成像物镜组310、分光元件330、多个光电成像装置340、移动机构350和电子控制装置360。

根据本公开的实施例，成像物镜组310除了包括沿光轴方向串联设置的第一成像物镜311和第二成像物镜312之外，还可以包括第三成像物镜313。

根据本公开的实施例，分光元件330包括第一分光元件331和第二分光元件332。

根据本公开的实施例，多个光电成像装置340除了包括第一光电成像装置341和第二光电成像装置342之外，还包括第三光电成像装置343。第三光电成像装置343设置在第三光学通道的焦平面处；其中，在第三光电成像装置343和第二分光元件332之间设置有第三成像物镜313。

根据本公开的实施例，第一成像物镜311和第二成像物镜312可以沿光轴方向串联设置，第三成像物镜313可以沿第二分光元件332反射光光轴方向设置。

根据本公开的实施例，第三成像物镜313的安装位置与第二分光元件332的位置相匹配。第三成像物镜313可以用于对第二分光元件332反射的光进行成像。第一成像物镜311的安装位置与第一分光元件331的位置相匹配。第一成像物镜311可以用于对第一分光元件331反射的光进行成像。透过第一分光元件331的光可以经由第二分光元件332进行二次分光。

根据本公开的实施例，来自被测物320的成像光线经过第一成像物镜311后，被第一分光元件331将成像光线分成反射与透射两个通道，其中，被分光元件331反射的光线直接成像，而被分光元件331透射的光线，又被分光元件332分别分为反射与透射两个通道，这两个通道的反射成像光线与透射成像光线又分别经过第二成像物镜312、第三成像物镜313后各自成像，这三个通道的成像，分别被各自的光电成像装置接收并转换为数字图像信号后，在电子控制装置360上进行实时显示。

例如，第一成像物镜311的成像光路被第一分光元件331分光，反射的光线由第一光电成像装置341接收并转换为数字图像信号。透过第一分光元件331的光线被第二分光元件332分光，反射的光线由第三成像物镜313成像后被第三光电成像装置343接收并转换为数字图像信号。透过第二分光元件332的光线由第二成像物镜312成像后被第二光电成像装置342接收并转换为数字图像信号。

同时，显微仪器300所包含的各个部组件构成一个整体结构，安装在多维移动机构350上进行位置精密调整。

根据本公开的实施例，电子控制装置360可以通过有线或者无线模式实现遥控操作，控制移动机构350进行多维移动。

具体地，例如，图5示意性示出了根据本公开实施例的电子控制装置通过无线模式控制移动机构的示意图。

本公开还提供了一种存储介质，该存储介质可以是上述实施例中描述的显微仪器中所包含的；也可以是单独存在，而未装配入显微仪器中。上述存储介质承载有一个或者多个程序，当上述一个或者多个程序被执行时，实现根据本公开实施例的方法。

根据本公开的实施例，存储介质可以是非易失性的计算机可读存储介质。例如可以包括但不限于：便携式计算机磁盘、硬盘、随机访问存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、便携式紧凑磁盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本公开中，存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。

例如，根据本公开的实施例，存储介质可以包括ROM和/或RAM和/或ROM和RAM以外的一个或多个存储器。

本领域技术人员可以理解，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本公开中。特别地，在不脱离本公开精神和教导的情况下，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本公开的范围。

以上对本公开的实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本公开的范围。尽管在以上分别描述了各实施例，但是这并不意味着各个实施例中的措施不能有利地结合使用。本公开的范围由所附权利要求及其等同物限定。不脱离本公开的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本公开的范围之内。

Claims (6)

1.一种显微仪器，包括：

成像物镜组，其中，所述成像物镜组包括沿光轴方向串联设置的多个不同焦距的成像物镜，其中，多个所述成像物镜的焦距沿光轴方向不断减小；

分光元件，设置在多个不同焦距的所述成像物镜之间，用于将由所述成像物镜接收的光束进行多通道分光；

多个光电成像装置，其中，每个所述光电成像装置分别设置在与所述光电成像装置相对应的光学通道的焦平面处；每个所述光电成像装置用于将源自被测物体并被所述分光元件进行多通道分光后得到的光信号转换为电信号；多个所述光电成像装置和所述成像物镜组及所述分光元件通过机械结构固定连接成第一整体结构；

移动机构，具有多维调节功能，用于调节所述第一整体结构；其中，所述移动机构和所述第一整体结构通过机械结构连接；以及

电子控制装置，用于根据每个所述光电成像装置转换得到的电信号生成数字序列图像文件，其中，所述数字序列图像文件中记录有与所述数字序列图像文件对应的空间位置相对关系信息；所述电子控制装置还用于根据历史生成的数字序列图像文件控制所述移动机构进行多维移动，以实现重复定位观测。

2.根据权利要求1所述的仪器，其中，

所述成像物镜组包括不同焦距的第一成像物镜和第二成像物镜；

所述分光元件设置在所述第一成像物镜和所述第二成像物镜之间；

所述多个光电成像装置包括第一光电成像装置和第二光电成像装置，其中，所述第一光电成像装置设置在第一光学通道的焦平面处，所述第二光电成像装置设置在第二光学通道的焦平面处。

3.根据权利要求1所述的仪器，还包括：

存储介质，用于存储与读取所述数字序列图像文件。

4.根据权利要求2所述的仪器，其中，所述分光元件包括第一分光元件和第二分光元件；所述多个光电成像装置还包括第三光电成像装置，所述第三光电成像装置设置在第三光学通道的焦平面处；

其中，在所述第三光电成像装置和所述第二分光元件之间还设置有第三成像物镜。

5.根据权利要求1所述的仪器，其中，所述光电成像装置的数量与所述光学通道的数量相匹配。

6.一种利用权利要求1至5中任一项所述的显微仪器获取的数字序列图像进行重复定位与测量的显微观测的方法，包括：

将被测物体放置在工作台上；

将所述成像物镜组中的成像物镜的入光方向朝向所述被测物体；

利用每个所述光电成像装置转换得到的电信号生成观测影像；以及

在进行重复定位与测量时，通过所述显微仪器的电子控制装置根据历史生成的数字序列图像文件控制所述显微仪器的移动机构进行多维移动，使所述观测影像与所述历史生成数字序列图像匹配，以实现重复定位观测。

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