显微扫描平台xy平面的平面度校准方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及显微扫描精度技术领域，特别是涉及显微扫描平台XY平面的平面度校准方法。
【背景技术】
[0002]显微是观察微观世界的常用工具，目前广泛用于生物医药诊断研究和工业生产中。目前自动显微的使用越来越广泛，即载玻片在载物台上的移动、镜头与样本之间的聚焦、样本图像的拍摄都由自动化的XY轴平台、Z轴镜头驱动和数码相机联动完成。
[0003]通常显微观察样本都放置在载玻片上(25mm x 75mm)透射光照明(生物样本居多)或直接放置在载物台上由落射光照明(工业用居多)，如果样本平面的公差在镜头的焦平面的景深范围内，理论上对样本的三个点聚焦后可以计算出整个样本的平面Z轴高度，得到平面高度后与XY平台联动可以实现连续快速扫描。
[0004]实现用单一聚焦平面连续扫描有以下前提:
[0005]首先，保证Z轴步进精度小于镜头的焦面景深(100X油镜焦面景深为0.2um);
[0006]其次，还需保证样本平面的平面度在镜头的焦面景深内；
[0007]并且，还得保证XY平台的平面度在镜头的焦面景深内。
[0008]第一个前提:可以使用压电陶瓷镜头驱动器，Z轴的定位精度可以达到20nm。
[0009]第二个前提:细胞涂片或组织切片厚度为3-lOum，载玻片平面度小于0.2um,镜头聚焦样本后，在景深范围内可得到清晰像。
[0010]第三个前提:XY扫描平台移动行程最少为Y方向25mm，X方向75mm，一般为X100mm, Y 75mm，XY与样本接触物多放在各种原理的高精平台上，但由于行程范围、装配等因素，整个移动的高度差(平面度)约在2um左右，已经超过了镜头的焦面景深，连续扫描时部分区域会出现失焦的现象。
[0011]如果使用更高精度导轨的平台，成本支出会直线上升，且硬件复杂度也会增加(如使用磁悬浮导轨)。
【发明内容】
[0012]为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了显微扫描平台XY平面的平面度校准方法，其目的在于以降低的成本实现显微扫描的高精度连续扫描，从而提高显微的扫描精度。
[0013]本发明所采用的技术方案是:显微扫描平台XY平面的平面度校准方法，包括以下步骤:
[0014]第一步，生成扫描坐标系S:在控制单元，例如电脑或者控制面板上，定义显微扫描平台平面的坐标系，将显微平台的工作面积按镜头与相机所对应的拍摄面积划分成扫描单位；
[0015]第二步，计算标准波纹片的扫描修正值:选择一个标准条纹玻片，置入显微平台，并在该坐标系中取三点聚焦扫描得到一个理论扫描平面，计算每个扫描点与该理论扫描平面高的差值，即扫描高度修正值En，并将计算得到的每一个坐标点对于的修正值，以文件形式存储在控制单元内的存储单元；
[0016]第三步，获取标准波纹片的扫描修正坐标系:根据第二步得到的扫描修正值，计算出扫描平台坐标系中的每一个坐标点η的扫描修正值坐标Dn (X，y，z);并将该标准玻片对应的的修正坐标值Dn (X，y, z)记录入控制单元中的存储单元，等待调用；
[0017]第四步，实际样本扫描:以扫描坐标系S的坐标为准，任取三点作为基本平面的计算点，反向加载控制单元的存储单元中记录的该坐标点对应的标准条纹玻片的扫描修正坐#Dn(x，y，z)，或者根据修正值En计算理论平面扫描高度，以便在扫描样本各点时加上对应的扫描修正值进行扫描，并将修正后的实际扫描聚焦高度Zn值传输给控制单元；
[0018]第五步:扫描成像:所述控制单元下达指令给显微镜头的驱动器，驱动器驱动显微镜头至实际扫描聚焦高度&进行扫描聚焦，从而扫描成像。
[0019]进一步地，本发明的第一步定义显微扫描品台平面的坐标系，其中将扫描平面定义为扫描镜头的平面的所在的X轴和Y轴组成的平面，Z轴为扫描镜头的伸缩方向，其任意位置η处的坐标为Sn (X，y, ζ)，从而便于将显微控制单元与扫描镜头的伸缩很好地连接起来，便于显微扫描时，将物体成像系统的扫描镜头联系起来，实现单一聚焦平面连续扫描时，一方面，可以将Z轴步进精度与扫描镜头的焦面景深联系起来；其次，还可以调节样本平面的平面度与镜头的焦面景深的关系；并且，还可以调节XY平台的平面度在镜头的焦面景深内能够调节从而便于调节显微成像的精度。
[0020]更进一步地，扫描修正值的计算包括以下步骤:Α、在该坐标系内进行聚焦，并采集聚焦若干个坐标，将采集到的坐标带入下列平面方程公式，
[0021]Ax+By+Cz+D = O (I)
[0022]即确定该扫描理论平面的平面系数A、B、C、D的数值，将A、B、C、D作为修正参数使用；
[0023]B、显微扫描聚焦在该坐标系内的任意位置处η中的1、j、k位置处进行分别进行一次聚焦扫描，并将实际聚焦扫描高度&以及这些位置处的坐标传输至控制单元中的存储单元,包括
[0024]Ζ;、Z.p Zk、Si (X，y，z)、Sj (X，y，z)、Sk(x，y，z)；
[0025]C、将步骤B中采集到的数值
[0026]Zi' Zp Zk、Si (x，y, ζ)、Sj (x，y, ζ)、Sk (χ，y, ζ)代入公式(I)中，见下式:
[0027]AXi+Byi+CZi+D = O
[0028]Axj+Byj+Cz j+D = 0
[0029]Axk+Byk+Czk+D = 0 (2)
[0030]计算出1、j、k对应位置处的理论聚焦高度ZPn;
[0031]D、设定任意位置处η的扫描修正值为En，则可以推导出标准条纹玻片的扫描修正值公式
[0032]En= Zn-ZPn (3)
[0033]得到标准波纹片的扫描修正值En。
[0034]再进一步地，第四步在进行样本检测时，在扫描坐标系&中，任选三点设为Sp(X，y，ζ)、Sq(x，y，χ)、Sjx，y，ζ)，并将其--代入公式(I)，得到以下方程组(4):
[0035]Axp+Byp+Czp+D = O
[0036]Axq+Byq+Czq+D = O
[0037]Axr+Byr+Czr+D = O (4)
[0038]根据上述方程组，计算出实际的聚焦高度ZPn，即ZPp、ZPq、ZPr0
[0039]又进一步地，本发明在第一四步进行检测样本时，根据实际聚焦扫描高度公式
[0040]Zn= ZP n+En (5)
[0041]计算得到实际的聚焦扫描高度Zn，即Zp、Zq、Z-
[0042]进一步地，根据上述的计算结果，驱动镜头至扫描高度Zp、Zq、Zp便可进行连续扫描，无需进行显微结构上的更改，实现了显微结构的扫描精度的提升，不但节约了成本，还改进了其性能。
[0043]进一步地，第二步的三个扫描聚焦点和第四步的样本检测时的三个扫描聚焦点Sp (X，y，z)、Sq (X，y，χ)、Sr (x, y，ζ)，其分别构成的三角形面积在标准波纹片上最大，以便获取更为精密的精度。
[0044]与现有技术相比，本发明的有益效果是:本发明首先将显微平台的工作面积按镜头与相机所对应的拍摄面积划分成扫描单位，生成扫描坐标系。
[0045]其次，通过对标准波纹片在这一坐标系中获取扫描修正值，具体的方法是:在这个坐标系中取三点聚焦得到一个理论扫描平面，计算各个扫描点与这个理论扫描平面高的差值，即扫描高度修正值。
[0046]最后，在显微的样本扫描过程中，也即实际扫描过程中，以扫描坐标系坐标为准，任取三点作为基本平面的计算点，反向加载修正值后计算理论平面扫描高度，在扫描样本各点时加上修正值进行扫描，从而保证了实现用单一聚焦平面连续扫描有以下前提:
[0047]首先，保证Z轴步进精度小于镜头的焦面景深(100Χ油镜焦面景深为0.2um);
[0048]其次，还需保证样本平面的平面度在镜头的焦面景深内；
[0049]并且，还得保证XY平台的平面度在镜头的焦面景深内。
[0050]最终实现了，显微在无需做结构上的改进的前提条件下，也能实现其扫描样本时的高精度连续扫描，从而提高了其连续扫描性能。
[0051]本发明的显微扫描平台XY平面的平面度校准方法，降低了成本显微的改进成本，并实现了显微扫描的高精度连续扫描，从而提高显微的连续扫描性能。使得XY平台能够适应连续扫描使用，而得粗精度XY平台适用于高精度连续扫描，从而降低了高精度扫描仪的制造成本。
【附图说明】
[0052]图1为显微扫描平台XY平面的平面度校准方法的一个实施例的流程图；
[0053]图2为显微扫描平台XY平面的平面度校准方法的坐标系建立的步骤流程图；
[0054]图3为显微扫描平台XY平面的结构示意图，其中301为XY平台样本放置区，横轴为X轴，代表理论平面；竖轴为Y轴，代表扫描聚焦点偏离理论平面的偏离距离，Z代表扫描时镜头的聚焦高度；
[0055]图4为显微扫描平台XY平面生成的扫面单位坐标系的一个实施例；
[0056]图