用于对数码显微镜进行测量校准的校准板及其使用方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于对数码显微镜进行测量校准的校准板、利用该校准板对数码显微镜进行测量校准的方法、以及包括该校准板的数码显微镜系统。
【背景技术】
[0002]在数码显微镜(在本专利中，数码显微镜指“带有成像系统的显微镜”)中，经物镜放大的标本图像被内置的数码相机捕捉和放大，然后显示在显示器上。显微镜使用者往往会有要在所显示的图像上直接进行尺寸测量的需求。对此可采用以下两种基本的方法。
[0003]一种方法称为理论校准，它是通过将显微镜物镜的放大倍率(通常刻印在物镜上)、数码相机的适配透镜的放大倍率和显示器的放大倍率彼此相乘而得到总的放大倍率，然后用由软件测得的显示器图像的尺寸除以总的放大倍率以得出标本的实际尺寸。这种方法的缺点在于，使用者需要知道目前安装在显微镜上的是哪些部件，并且需要知道对每个可更换的显微镜部件的总放大倍率的影响，以及它们彼此之间是如何相互作用的。另一个大的缺点是，理论校准无法考虑到各单个装置的制造公差。
[0004]另一种方法称为测量校准，它是利用数码显微镜的软件提供像素映射功能以测量图像的像素距离。为了将像素距离转换成标本上的实际距离，使用者需要对一尺寸已知的物体进行测量。通过该基准物体能精确地建立起显示器屏幕上的像素距离与标本上的实际距离之间的关系并通过显微镜软件记录下来。然后，可利用该校准系统来测量感兴趣的标本。上述基准物体被称作校准板。测量校准不需要使用者知道显微镜的太多信息，但需要利用显微镜的软件对实际尺寸已知的基准物体生成图像。然后，软件测量该图像中的两个特征之间的像素距离，并借助于使用者输入的实际(已知)距离建立起映射关系。
[0005]市面上最常用的一种典型的校准板在其上包含分度线标尺图案。当测量校准开始时，使用者将校准板置于显微镜的载物台上。然后，选择一个物镜、聚焦并移动校准板直至标尺的图像清晰地出现在显示器中。在显示器上选择标尺的起点和终点，并由软件读出它们之间的像素距离D_pixel。在显示器上数一下在所选择的起点和终点之间有几个标尺刻度，由于每个标尺刻度所代表的实际距离是已知的，所以可计算出所选择的起点和终点之间的实际距离D_real。用上述像素距离除以实际距离即可得出放大倍率M= (D_pixel/D_real)并保存在显微镜软件中，由此完成对选定物镜的测量校准。最后可切换至别的物镜并重复上述步骤，直至所有的物镜都被校准。利用标尺进行的上述测量校准的缺点在于，校准过程需要人的过多介入(选择标尺的起点和终点)，并且校准精度取决于人的操作，如果人在测量基准物体时出现错误，则会影响校准精度。
[0006]作为测量校准的一个例子，在Μ.T.Postek 的题为“Critical Issues in ScanningElectron Microscopes Metrology，，(Journal of Research of the Nat1nal Inst, ofStandards&Techno1.Vol.99, N0.5, 1994 年 10 月，第 658-660 页)的文章中提出利用间距放大基准物作为放大倍率校准的标准，其优点是能够提高校准精度，因为间距基准物包含多个可重复的相同特征(线段或线条)。与被校准的显微镜的类型或型号无关地，这些线条看上去彼此相同。这十分有利于获取存在于显微镜图像中的这些结构的间距值。可认为图像中相邻的线条特征上的任意等同点之间的距离即为间距值。这些点可利用视频信号中的最大或最小亮度、视频信号中的任意重复特征等设立或标记出来。这种方法中的图像识别是基于信号强度-最大亮度和最小亮度来提取周期，不是一种基于几何特征的精确计算算法，而亮度很容易受到各种误差的影响。
[0007]作为测量校准的又一个例子，在美国专利申请US2005220362中公开了一种改进的显微镜放大倍率的精确校准方法，其中用显微镜观察或收集的测试物体的图像尺寸除以测试物体的真实尺寸所获得的商被计算为放大倍率。该方法包括以下步骤:用具有测试间距值的衍射光栅作为测试物体以获得放大倍率基准；在衍射光栅的图像和显微镜获得的视频信号之一中分布30-70%幅度的亮度等级；对亮度分布的每个所形成的“孤岛”计算视频信号“质心”的位置；将相邻“质心”之间的平均距离视为测试物体的显微镜图像中的光栅间距；以及将该平均间距尺寸除以真实的光栅间距而得到显微镜的放大倍率。该方法的缺点是，放大倍率是仅根据一维的尺寸信息计算出的，并且信号“质心”易于受到某些误差源的影响。因此，计算的精度和可靠性有限。
[0008]在日本专利申请JP2004078162中公开了一种放大倍率计算方法。其原理是通过变焦将尺寸已知的圆形物体与目镜前的圆形标线板重叠来确定放大倍率。但是，这种方法具有明显的缺点，它属于人工校准测量，而非自动校准测量，并且只适用于可变焦的连续变倍显微镜，不适用于多镜头的非连续变倍显微镜，并且计算精度低。
【发明内容】
[0009]本发明的目的在于克服上述现有技术中的一个或多个缺点而提供一种用于对数码显微镜(即“带有成像系统的显微镜”)进行测量校准的校准板，利用其能够对数码显微镜进行自动、简便、可靠和精确的测量校准。
[0010]根据本发明的用于对数码显微镜进行测量校准的校准板包括至少一个形成有表面构造的校准区，所述表面构造包括周期性地排布的多个格子单元，其中，每个格子单元的边界的至少一部分和/或顶点的至少一部分能够由所述数码显微镜的光学成像系统识别出。
[0011]根据如上所述的校准板，各个格子单元的大小和形状可相同。
[0012]根据如上所述的校准板，各个格子单元可都呈正方形。
[0013]根据如上所述的校准板，所述多个格子单元能以国际象棋棋盘的样式排布。
[0014]根据如上所述的校准板，所述多个格子单元可为在一维方向上分布的条纹。
[0015]根据如上所述的校准板，每个格子单元的能够由所述数码显微镜的光学成像系统识别出的所述边界的至少一部分的两侧可具有互不相同的反射率。
[0016]根据如上所述的校准板，每个格子单元的整体和与其邻接的区域或与其邻接的格子单元可具有互不相同的反射率。
[0017]根据如上所述的校准板，每个格子单元和与其邻接的区域或与其邻接的格子单元可分别具有通过光刻形成的反射率不同的表面。
[0018]根据如上所述的校准板，所述校准板可包括多个不同的所述校准区，各个不同的所述校准区内的格子单元的大小互不相同。
[0019]根据如上所述的校准板，在至少一个所述校准区的至少一个格子单元内可形成有子表面构造，所述至少一个格子单元内的子表面构造也包括周期性地排布的多个格子单元，其中所述子表面构造的每个格子单元的边界的至少一部分和/或顶点的至少一部分能够由所述数码显微镜的光学成像系统识别出。
[0020]根据如上所述的校准板，所述校准板还可包括对所有波长的可见光都具有相同反射率的均匀反射区。
[0021]根据如上所述的校准板，所述均匀反射区可由形成在所述校准板表面上的金属覆层或光学反射覆层形成。
[0022]本发明还涉及一种数码显微镜系统，其包括数码显微镜和如上所述的校准板。
[0023]根据如上所述的数码显微镜系统，所述数码显微镜可具有可移动的载物台，所述校准板安装在所述载物台上，并且能够随所述载物台移动而使其校准区位于所述数码显微镜的物镜视野中。
[0024]本发明还涉及一种利用如上所述的校准板对数码显微镜进行测量校准的方法，其包括以下步骤:
[0025]a)将所述校准板的一个校准区作为目标校准区置于所述数码显微镜的物镜视野中，并利用所述数码显微镜生成所述目标校准区的数码图像，其中，所述数码显微镜的光学成像系统识别出所述目标校准区中的各个格子单元的边界的至少一部分和/或各个格子单元的顶点的至少一部分和/或各个格子单元之间的交点的至少一部分并反映在所述数码图像中；
[0026]b)确定各个格子单元的被识别出的所述边界的至少一部分和/或各个格子单元的顶点的至少一部分和/或各个格子单元之间的交点的至少一部分在所述数码图像中的图像位置或图像相对位置关系；
[0027]c)根据各个格子单元的被识别出的所述边界的至少一部分和/或各个格子单元的顶点的至少一部分和/或各个格子单元之间的交点的至少一部分的所述图像位置或图像相对位置关系，以及各个格子单元的所述边界的至少一部分和/或各个格子单元的顶点的至少一部分和/或各个格子单元之间的交点的至少一部分的预设位置或预设相对位置关系，进行计算得出所述数码显微镜的放大倍率，以此实现所述数码显微镜的测量校准。
[0028]根据如上所述的方法，在所述校准板包括多个不同校准区且各个不同校准区的格子单元的大小互不相同的情况下，所述方法在所述步骤a)之前还可包括:移动所述校准板以从其多个不同校准区中选择一个校准区作为置于物镜视野中的所述目标校准区，其中所选择的校准区在物镜视野中的格子单元的数量在一预定的范围内。
[0029]根据如上所述的方法，在所述目标校准区的至少一个格子单元包括子表面构造