基于磁性荧光微球的随机重构微尺寸测量装置及方法与流程

本发明属于工业样品微尺寸测量领域，主要涉及一种基于磁性荧光微球的随机重构微尺寸测量方法及装置。

背景技术：

目前磁性荧光微球主要应用于化学和生物医学领域，常用于生物样品的提纯，细胞分离以及单分子力谱等，而本发明将磁性荧光微球应用于工业样品尺寸三维测量。

目前最为有效的微尺寸工业样品三维测量方法是利用微型三坐标测量机和接触式探针传感系统相结合来进行测量。该测量方法测量原理为外部运动机构带动探针接触被测件产生触测信号，探针传感系统检测到该信号，并记录下此时探针测头的位置坐标。按照此实验过程更换位置再次进行测量，最终得到大量测头位置坐标，对位置坐标进行拟合重构得到被测工件的三维尺寸信息。

参考文献(武志超.基于三维微触觉测头的纳米坐标测量系统[D].天津大学,2011.)中论述了纳米坐标测量机及三维微触觉测头的发展现状，提到了多种应用于微尺寸工业样品测量的探针传感系统，其探针都具有细长杆状结构。

上述文献中所描述的现有探针不足之处在于：(1)探针制作难度大且其测头尺寸较大，应用范围受限；(2)测量受到被测工件深径比和探针固有频率限制；(3)测量依赖高精度运动机构的承载。

技术实现要素：

本发明的目的是针对上述现有技术存在的问题，设计提供一种基于磁性荧光微球的随机重构微尺寸测量装置及方法。

本发明所述的基于磁性荧光微球的随机重构微尺寸测量装置包括二向色镜2、物镜3、样品室5、两层可控磁极7、收集透镜9和CCD10；

沿光轴由上至下依次设有CCD10、收集透镜9、二向色镜2、物镜3和样品室5；

激发光光束1射至二向色镜2，经二向色镜2反射后，经过物镜3入射至样品室5中，样品室5内盛有含有多个磁性荧光微球6的溶液，

两层可控磁极7上下平行对齐且均匀设置在样品室5周围，

磁性荧光微球6在激发光光束1作用下激发出的荧光光束8依次经过物镜3和二向色镜2后经收集透镜9会聚，成像于CCD10。

基于上述装置的微尺寸测量方法为：

将被测样品4待测量的部分浸没在含有磁性荧光微球6的溶液中，调节激发光光束1的光强，并使激发光光束1射至二向色镜2，使得激发光光束1经物镜3能够照射磁性荧光微球6，并使其发射出荧光光束8，多次随机改变两层可控磁极7的磁场强度和磁场方向，使得样品室5内产生随机变化的磁场，控制磁性荧光微球6在溶液内随机移动；

磁场变化过程中，利用CCD10采集多幅不同时刻荧光光斑的像，

根据每一幅图像中荧光光斑的光强分布获得磁性荧光微球6沿光轴轴向的位置，根据每一幅图像中荧光光斑的位置获得磁性荧光微球6沿光轴径向的位置，

根据每一幅图像中磁性荧光微球6沿光轴轴向和径向的位置进行图像重构，获得样品信息，完成被测样品4的尺寸测量。

本发明的优点是：(1)形成了一种不含测杆的接触式探针，突破了传统探针长径比、频率响应等概念，扩大了测量应用范围和提高了测量速度；(2)并且在工作时不依赖高精度运动机构的承载，因此避免了机械振动导致的误差；(3)测头尺寸即磁性荧光微球尺寸很小，可以在极小的测量空间内展开测量。

附图说明

图1为基于磁性荧光微球的随机重构微尺寸测量装置三维示意图

图2为CCD采集一张照片并拟合磁性荧光微球位置示意图

图3为CCD多次采集并进行图像重构示意图

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式所述的基于磁性荧光微球的随机重构微尺寸测量装置包括：二向色镜2、物镜3、样品室5、两层可控磁极7、收集透镜9和CCD10；

沿光轴由上至下依次设有CCD10、收集透镜9、二向色镜2、物镜3和样品室5；

激发光光束1射至二向色镜2，经二向色镜2反射后，经过物镜3入射至样品室5中，样品室5内盛有含有大量磁性荧光微球6的溶液，

两层可控磁极7上下平行对齐且均匀设置在样品室5周围，

磁性荧光微球6在激发光光束1作用下激发出的荧光光束8依次经过物镜3和二向色镜2后经收集透镜9会聚，成像于CCD10。

上述装置的工作原理为：

样品室5中装有磁性荧光微球溶液，溶液中含有大量磁性荧光微球6，激发光1经过分束镜2反射，通过物镜3投射至样品室5，磁性荧光微球6在激发光的照射下产生荧光，荧光沿光路返回经过浸液物镜3，然后透过分束镜2被收集透镜8收集，CCD9用于采集图像。进行测量时，将被测样品4放入样品室5，通过可控磁极7施加随机变化的磁场，则大量的磁性荧光微球6就产生随机的运动，通过CCD10采集多幅照片，将采集得到的多张照片中的微球位置进行拟合得到磁性荧光微球6的径向位置，根据荧光光强大小得到磁性荧光微球6的轴向位置，并进行图像重构即可得到样品三维信息，完成测量。

图2所示为CCD一次采集后拟合磁性荧光微球6位置的图像。

如图3所示，当CCD进行多次采集后并拟合磁性荧光微球位置，而后进行图像重构得到就可以得到清晰地被测样品4的尺寸信息，样品轮廓如图中虚线所示。

本实施方式中，CCD10可采用CCD，每层可控磁极7的数量大于或等于两个。

可控磁极7的驱动方式为轴向采用电流矢量方法进行细分驱动，控制输入的各相励磁绕组中的电流，使其在零到最大相电流之间能有多个稳定的中间电流状态，所以相应的磁场矢量幅值和方向也存在多个稳定的中间状态，多个不同绕组的励磁电流产生的磁场进行矢量叠加，从而实现细分。其合成矢量幅值决定磁性荧光微球6的受力大小，而相邻两个合成磁场矢量夹角决定磁性荧光微球6的受力方向。同样的，在轴向方向上，平行对齐的上下两层励磁绕组的驱动电流成一定比例，轴向绕组的励磁电流产生的磁场在轴向上进行矢量叠加，从而实现轴向驱动。

具体实施方式二：本实施方式是基于实施方式一所述装置的微尺寸测量方法，该方法为：

将被测样品4待测量的部分浸没在含有磁性荧光微球6的溶液中，调节激发光光束1的光强，并使激发光光束1射至二向色镜2，使得激发光光束1经物镜3能够照射磁性荧光微球6，并使其发射出荧光光束8，多次随机改变两层可控磁极7的磁场强度和磁场方向，使得样品室5内产生随机变化的磁场，控制磁性荧光微球6在溶液内随机移动；

磁场变化过程中，利用CCD10采集多幅不同时刻荧光光斑的像，

根据每一幅图像中荧光光斑的光强分布获得磁性荧光微球6沿光轴轴向的位置，根据每一幅图像中荧光光斑的位置获得磁性荧光微球6沿光轴径向的位置，

根据每一幅图像中磁性荧光微球6沿光轴轴向和径向的位置进行图像重构，获得样品信息，完成被测样品4的尺寸测量。