本發(fā)明屬于工業(yè)樣品微尺寸測量領(lǐng)域，主要涉及一種基于磁性熒光微球的隨機(jī)重構(gòu)微尺寸測量方法及裝置。

背景技術(shù)：

目前磁性熒光微球主要應(yīng)用于化學(xué)和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，常用于生物樣品的提純，細(xì)胞分離以及單分子力譜等，而本發(fā)明將磁性熒光微球應(yīng)用于工業(yè)樣品尺寸三維測量。

目前最為有效的微尺寸工業(yè)樣品三維測量方法是利用微型三坐標(biāo)測量機(jī)和接觸式探針傳感系統(tǒng)相結(jié)合來進(jìn)行測量。該測量方法測量原理為外部運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)探針接觸被測件產(chǎn)生觸測信號(hào)，探針傳感系統(tǒng)檢測到該信號(hào)，并記錄下此時(shí)探針測頭的位置坐標(biāo)。按照此實(shí)驗(yàn)過程更換位置再次進(jìn)行測量，最終得到大量測頭位置坐標(biāo)，對位置坐標(biāo)進(jìn)行擬合重構(gòu)得到被測工件的三維尺寸信息。

參考文獻(xiàn)(武志超.基于三維微觸覺測頭的納米坐標(biāo)測量系統(tǒng)[D].天津大學(xué),2011.)中論述了納米坐標(biāo)測量機(jī)及三維微觸覺測頭的發(fā)展現(xiàn)狀，提到了多種應(yīng)用于微尺寸工業(yè)樣品測量的探針傳感系統(tǒng)，其探針都具有細(xì)長桿狀結(jié)構(gòu)。

上述文獻(xiàn)中所描述的現(xiàn)有探針不足之處在于：(1)探針制作難度大且其測頭尺寸較大，應(yīng)用范圍受限；(2)測量受到被測工件深徑比和探針固有頻率限制；(3)測量依賴高精度運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的承載。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，設(shè)計(jì)提供一種基于磁性熒光微球的隨機(jī)重構(gòu)微尺寸測量裝置及方法。

本發(fā)明所述的基于磁性熒光微球的隨機(jī)重構(gòu)微尺寸測量裝置包括二向色鏡2、物鏡3、樣品室5、兩層可控磁極7、收集透鏡9和CCD10；

沿光軸由上至下依次設(shè)有CCD10、收集透鏡9、二向色鏡2、物鏡3和樣品室5；

激發(fā)光光束1射至二向色鏡2，經(jīng)二向色鏡2反射后，經(jīng)過物鏡3入射至樣品室5中，樣品室5內(nèi)盛有含有多個(gè)磁性熒光微球6的溶液，

兩層可控磁極7上下平行對齊且均勻設(shè)置在樣品室5周圍，

磁性熒光微球6在激發(fā)光光束1作用下激發(fā)出的熒光光束8依次經(jīng)過物鏡3和二向色鏡2后經(jīng)收集透鏡9會(huì)聚，成像于CCD10。

基于上述裝置的微尺寸測量方法為：

將被測樣品4待測量的部分浸沒在含有磁性熒光微球6的溶液中，調(diào)節(jié)激發(fā)光光束1的光強(qiáng)，并使激發(fā)光光束1射至二向色鏡2，使得激發(fā)光光束1經(jīng)物鏡3能夠照射磁性熒光微球6，并使其發(fā)射出熒光光束8，多次隨機(jī)改變兩層可控磁極7的磁場強(qiáng)度和磁場方向，使得樣品室5內(nèi)產(chǎn)生隨機(jī)變化的磁場，控制磁性熒光微球6在溶液內(nèi)隨機(jī)移動(dòng)；

磁場變化過程中，利用CCD10采集多幅不同時(shí)刻熒光光斑的像，

根據(jù)每一幅圖像中熒光光斑的光強(qiáng)分布獲得磁性熒光微球6沿光軸軸向的位置，根據(jù)每一幅圖像中熒光光斑的位置獲得磁性熒光微球6沿光軸徑向的位置，

根據(jù)每一幅圖像中磁性熒光微球6沿光軸軸向和徑向的位置進(jìn)行圖像重構(gòu)，獲得樣品信息，完成被測樣品4的尺寸測量。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是：(1)形成了一種不含測桿的接觸式探針，突破了傳統(tǒng)探針長徑比、頻率響應(yīng)等概念，擴(kuò)大了測量應(yīng)用范圍和提高了測量速度；(2)并且在工作時(shí)不依賴高精度運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的承載，因此避免了機(jī)械振動(dòng)導(dǎo)致的誤差；(3)測頭尺寸即磁性熒光微球尺寸很小，可以在極小的測量空間內(nèi)展開測量。

附圖說明

圖1為基于磁性熒光微球的隨機(jī)重構(gòu)微尺寸測量裝置三維示意圖

圖2為CCD采集一張照片并擬合磁性熒光微球位置示意圖

圖3為CCD多次采集并進(jìn)行圖像重構(gòu)示意圖

具體實(shí)施方式

具體實(shí)施方式一：結(jié)合圖1至圖3說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式所述的基于磁性熒光微球的隨機(jī)重構(gòu)微尺寸測量裝置包括：二向色鏡2、物鏡3、樣品室5、兩層可控磁極7、收集透鏡9和CCD10；

沿光軸由上至下依次設(shè)有CCD10、收集透鏡9、二向色鏡2、物鏡3和樣品室5；

激發(fā)光光束1射至二向色鏡2，經(jīng)二向色鏡2反射后，經(jīng)過物鏡3入射至樣品室5中，樣品室5內(nèi)盛有含有大量磁性熒光微球6的溶液，

兩層可控磁極7上下平行對齊且均勻設(shè)置在樣品室5周圍，

磁性熒光微球6在激發(fā)光光束1作用下激發(fā)出的熒光光束8依次經(jīng)過物鏡3和二向色鏡2后經(jīng)收集透鏡9會(huì)聚，成像于CCD10。

上述裝置的工作原理為：

樣品室5中裝有磁性熒光微球溶液，溶液中含有大量磁性熒光微球6，激發(fā)光1經(jīng)過分束鏡2反射，通過物鏡3投射至樣品室5，磁性熒光微球6在激發(fā)光的照射下產(chǎn)生熒光，熒光沿光路返回經(jīng)過浸液物鏡3，然后透過分束鏡2被收集透鏡8收集，CCD9用于采集圖像。進(jìn)行測量時(shí)，將被測樣品4放入樣品室5，通過可控磁極7施加隨機(jī)變化的磁場，則大量的磁性熒光微球6就產(chǎn)生隨機(jī)的運(yùn)動(dòng)，通過CCD10采集多幅照片，將采集得到的多張照片中的微球位置進(jìn)行擬合得到磁性熒光微球6的徑向位置，根據(jù)熒光光強(qiáng)大小得到磁性熒光微球6的軸向位置，并進(jìn)行圖像重構(gòu)即可得到樣品三維信息，完成測量。

圖2所示為CCD一次采集后擬合磁性熒光微球6位置的圖像。

如圖3所示，當(dāng)CCD進(jìn)行多次采集后并擬合磁性熒光微球位置，而后進(jìn)行圖像重構(gòu)得到就可以得到清晰地被測樣品4的尺寸信息，樣品輪廓如圖中虛線所示。

本實(shí)施方式中，CCD10可采用CCD，每層可控磁極7的數(shù)量大于或等于兩個(gè)。

可控磁極7的驅(qū)動(dòng)方式為軸向采用電流矢量方法進(jìn)行細(xì)分驅(qū)動(dòng)，控制輸入的各相勵(lì)磁繞組中的電流，使其在零到最大相電流之間能有多個(gè)穩(wěn)定的中間電流狀態(tài)，所以相應(yīng)的磁場矢量幅值和方向也存在多個(gè)穩(wěn)定的中間狀態(tài)，多個(gè)不同繞組的勵(lì)磁電流產(chǎn)生的磁場進(jìn)行矢量疊加，從而實(shí)現(xiàn)細(xì)分。其合成矢量幅值決定磁性熒光微球6的受力大小，而相鄰兩個(gè)合成磁場矢量夾角決定磁性熒光微球6的受力方向。同樣的，在軸向方向上，平行對齊的上下兩層勵(lì)磁繞組的驅(qū)動(dòng)電流成一定比例，軸向繞組的勵(lì)磁電流產(chǎn)生的磁場在軸向上進(jìn)行矢量疊加，從而實(shí)現(xiàn)軸向驅(qū)動(dòng)。

具體實(shí)施方式二：本實(shí)施方式是基于實(shí)施方式一所述裝置的微尺寸測量方法，該方法為：

將被測樣品4待測量的部分浸沒在含有磁性熒光微球6的溶液中，調(diào)節(jié)激發(fā)光光束1的光強(qiáng)，并使激發(fā)光光束1射至二向色鏡2，使得激發(fā)光光束1經(jīng)物鏡3能夠照射磁性熒光微球6，并使其發(fā)射出熒光光束8，多次隨機(jī)改變兩層可控磁極7的磁場強(qiáng)度和磁場方向，使得樣品室5內(nèi)產(chǎn)生隨機(jī)變化的磁場，控制磁性熒光微球6在溶液內(nèi)隨機(jī)移動(dòng)；

磁場變化過程中，利用CCD10采集多幅不同時(shí)刻熒光光斑的像，

根據(jù)每一幅圖像中熒光光斑的光強(qiáng)分布獲得磁性熒光微球6沿光軸軸向的位置，根據(jù)每一幅圖像中熒光光斑的位置獲得磁性熒光微球6沿光軸徑向的位置，

根據(jù)每一幅圖像中磁性熒光微球6沿光軸軸向和徑向的位置進(jìn)行圖像重構(gòu)，獲得樣品信息，完成被測樣品4的尺寸測量。