本發(fā)明屬于工業(yè)樣品微尺寸測量技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

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)動機(jī)構(gòu)帶動探針接觸被測件產(chǎn)生觸測信號，探針傳感系統(tǒng)檢測到該信號，并記錄下此時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。

2011年發(fā)表的一篇名稱為《基于三維微觸覺測頭的納米坐標(biāo)測量系統(tǒng)》的文獻(xiàn)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)。

2011年發(fā)表的一篇名稱為《一種基于單球測量的光面環(huán)規(guī)測量方法》的文獻(xiàn)中介紹了一種光面環(huán)規(guī)的單球測量法的基本原理和操作方法。連桿底部安裝標(biāo)準(zhǔn)球構(gòu)成一個單球探針，探針觸碰被測件發(fā)生位移，位移傳感器記錄下偏移位移，綜合標(biāo)準(zhǔn)球半徑，偏移位移可得到環(huán)規(guī)內(nèi)徑。

但是上述文獻(xiàn)中所描述的現(xiàn)有測量方法不足之處在于：

(1)探針不易實(shí)現(xiàn)微型化，測頭尺寸較大，應(yīng)用范圍受限；

(2)測量受到探針固有頻率限制；

(3)測量依賴高精度運(yùn)動機(jī)構(gòu)的承載；

(4)掃描測量速度低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明是為了解決現(xiàn)有微尺寸工業(yè)樣品三維測量方法中，探針不易實(shí)現(xiàn)微型化、測量受到探針固有頻率限制、測量依賴高精度運(yùn)動機(jī)構(gòu)的承載且掃描測量速度低的問題，現(xiàn)提供基于磁性熒光微球的單粒子磁場導(dǎo)向微尺寸測量裝置及基于該裝置的測量方法。

基于磁性熒光微球的單粒子磁場導(dǎo)向微尺寸測量裝置，該裝置包括：二向色鏡2、物鏡3、樣品室5、磁性熒光微球6、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)盛有含有磁性熒光微球6的溶液，

兩層可控磁極7均勻的設(shè)置在樣品室5周圍，兩層可控磁極7相互對齊且沿光軸軸向設(shè)置，

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會聚，成像于CCD10。

基于上述裝置的測量方法，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)，激發(fā)光光束1射至二向色鏡2，二向色鏡2的反射光經(jīng)物鏡3照射至磁性熒光微球6，使磁性熒光微球6發(fā)射出熒光8；

改變兩層可控磁極7的磁場強(qiáng)度和方向，使得磁性熒光微球6能夠沿被測樣品4待測量部分的邊緣進(jìn)行移動,微球的運(yùn)動路徑為待測樣品待測部分的輪廓；

利用CCD10采集多幅磁性熒光微球6在不同位置所成的像，

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。

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)樣品微尺寸測量。

本發(fā)明中所述的基于磁性熒光微球的單粒子磁場導(dǎo)向微尺寸測量裝置及基于該裝置的測量方法，將待測樣品浸沒在含有單個磁性熒光微球的溶液中，外界施加特定變化的磁場，使單個磁性熒光微球在溶液內(nèi)沿樣品邊緣進(jìn)行移動，磁性熒光微球在激發(fā)光的作用下磁性熒光微球發(fā)出熒光，用相機(jī)采集圖像并擬合出微球徑向位移，根據(jù)采集到的熒光光強(qiáng)得到其軸向位移，采集多幅照片，將采集得到的多張照片中的微球位置進(jìn)行擬合并進(jìn)行圖像重構(gòu)即可得到樣品信息，完成樣品三維測量。

本發(fā)明突破了傳統(tǒng)探針長徑比、頻率響應(yīng)等概念，不依賴高精度運(yùn)動機(jī)構(gòu)的承載，實(shí)現(xiàn)對被測樣品的快速掃描測量，克服了微球的位置的不確定性帶來的測量時間的增加。

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；

(2)在工作時不依賴高精度運(yùn)動機(jī)構(gòu)的承載，因此避免了機(jī)械振動導(dǎo)致的誤差；

(3)實(shí)現(xiàn)對被測樣品的快速掃描測量，克服了微球的位置的不確定性帶來的測量時間的增加；

(4)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為具體實(shí)施方式一所述的基于磁性熒光微球的單粒子磁場導(dǎo)向微尺寸測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為相機(jī)采集一張照片并擬合磁性熒光微球位置示意圖；

圖3為相機(jī)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)施方式一：參照圖1具體說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式所述的基于磁性熒光微球的單粒子磁場導(dǎo)向微尺寸測量裝置，該裝置包括：二向色鏡2、物鏡3、樣品室5、磁性熒光微球6、兩層可控磁極7、收集透鏡9和CCD10(Charge Coupled Device，電荷藕合器件圖像傳感器)；

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)盛有含有磁性熒光微球6的溶液，

兩層可控磁極7均勻的設(shè)置在樣品室5周圍，兩層可控磁極7相互對齊且沿光軸軸向設(shè)置，

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會聚，成像于CCD10。

在實(shí)際應(yīng)用時，將被測樣品4浸在工作液中，利用兩層可控磁極7對單個磁性熒光微球6施加特定變化的磁場，使該單個磁性熒光微球6在溶液內(nèi)沿被測樣品4待測量部分的邊緣進(jìn)行移動，磁性熒光微球6在激發(fā)光光束1的作用下發(fā)出熒光，該熒光磁性熒光微球6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會聚，成像于CCD10，CCD10采集的圖像中含有熒光光斑的位置和光強(qiáng)信息，并擬合出微球徑向位移對采集得到的照片中的熒光光斑進(jìn)行擬合得到磁性熒光微球的徑向位移，根據(jù)采集到的熒光光斑光強(qiáng)大小得到其軸向位移沿光軸方向的位移，采集多幅照片，將采集得到的多張照片中的微球位置進(jìn)行擬合并進(jìn)行圖像重構(gòu)即可得到樣品信息，完成樣品三維測量。

具體實(shí)施方式二：本實(shí)施方式是對具體實(shí)施方式一所述的基于磁性熒光微球的單粒子磁場導(dǎo)向微尺寸測量裝置作進(jìn)一步說明，本實(shí)施方式中，所用磁性熒光微球6粒徑尺寸小于50微米。

具體實(shí)施方式三：本實(shí)施方式是對具體實(shí)施方式一所述的基于磁性熒光微球的單粒子磁場導(dǎo)向微尺寸測量裝置作進(jìn)一步說明，本實(shí)施方式中，每層可控磁極7的數(shù)量大于兩個。

具體實(shí)施方式四：參照圖2和圖3具體說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式是基于具體實(shí)施方式一所述的基于磁性熒光微球的單粒子磁場導(dǎo)向微尺寸測量裝置的測量方法，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)，激發(fā)光光束1射至二向色鏡2，二向色鏡2的反射光經(jīng)物鏡3照射至磁性熒光微球6，使磁性熒光微球6發(fā)射出熒光8；

改變兩層可控磁極7的磁場強(qiáng)度和方向，使得磁性熒光微球6能夠沿被測樣品4待測量部分的邊緣進(jìn)行移動，微球的運(yùn)動路徑為待測樣品待測部分的輪廓；

利用CCD10采集多幅磁性熒光微球6在不同位置所成的像，

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。

本實(shí)施方式中，在實(shí)際應(yīng)用時，將被測樣品4浸沒在含有磁性熒光微球6的溶液中，利用兩層可控磁極7對單個磁性熒光微球6施加特定變化的磁場，使該單個磁性熒光微球6在溶液內(nèi)沿被測樣品4的邊緣進(jìn)行移動，磁性熒光微球6在激發(fā)光光束1的作用下發(fā)出熒光，該熒光依次經(jīng)過浸液物鏡3和二向色鏡2后被收集透鏡9收集，利用CCD10采集收集透鏡9呈現(xiàn)出的圖像該圖像中含有熒光光斑的位置和光強(qiáng)信息，并擬合出微球徑向位移對采集得到的照片中的熒光光斑進(jìn)行擬合得到磁性熒光微球的徑向位移，根據(jù)采集到的熒光光斑光強(qiáng)大小得到其軸向位移沿光軸方向的位移，采集多幅照片，將采集得到的多張照片中的微球位置進(jìn)行擬合并進(jìn)行圖像重構(gòu)即可得到樣品信息，完成樣品三維測量。

兩層可控磁極7的驅(qū)動方式分為軸向采用電流矢量方法進(jìn)行細(xì)分驅(qū)動，控制輸入的各相勵磁繞組中的電流，使其在零到最大相電流之間能有多個穩(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穩(wěn)定的中間狀態(tài)，多個不同繞組的勵磁電流產(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受力大小，而相鄰兩個合成磁場矢量夾角決定受力方向。同樣的在軸向，平行對齊的上下兩層勵磁繞組的驅(qū)動電流成一定比例，軸向繞組的勵磁電流產(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。

其中，在控制磁性熒光微球6運(yùn)動的同時，還需要根據(jù)CCD10所采集到的圖片確定磁性熒光微球6的位置，進(jìn)而控制磁場變化來驅(qū)動磁性熒光微球6的移動方向，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)反饋控制。液體中可以區(qū)分的并能控制的參與成像的磁性熒光微球只有一個。

如圖2所示，相機(jī)一次采集并擬合出的磁性熒光微球6位置的圖像。

如圖3所示，當(dāng)相機(jī)進(jìn)行多次采集后并擬合磁性熒光微球位置，而后進(jìn)行圖像隨機(jī)重構(gòu)得到就可以得到清晰地被測樣品4的輪廓，樣品輪廓如圖所示。