用于操纵对象以进行成像的系统和方法与流程

本发明涉及成像领域，且具体地但非排他性地涉及用于将对象对准到成像装置视域，以便在不同的角度位置对被转动的对象进行成像的系统和方法。

背景技术：

在许多应用中，诸如微缺陷检测、精确操纵、和原位材料表征等的应用，在小尺度下以高的放大倍率和大的视区对对象进行成像是理想的。显微成像技术是其中一种适于这些应用的技术。这是因为显微成像装置可对微米或纳米尺寸的样本对象以高达纳米级的分辨率进行成像，并且通过移动样本台并对在不同位置下的样本对象在同一平面上成像，可获得大的显微视区。

尽管有这些优点，但是大部分现有的显微镜系统仅可从一个固定的方向进行成像。因此，样本对象的一些其它表面没有成像，导致信息丢失。更重要的是，从单一表面所获得的信息通常是不完整的，且因此不能完全反映对象的整体特性。

技术实现要素：

根据本发明的第一方面，提供一种用于操纵对象以便由成像装置进行成像的方法，所述方法包括以下步骤：将对象围绕旋转轴线旋转到多个角度位置；在所述多个角度位置中的每一个获取对象的图像；以及对所述多个角度位置确定对象所需的相应平移，所述平移沿着大体垂直于旋转轴线的平面；其中相应的平移被布置成将对象对准到旋转轴线上以便保持对象处于成像装置的视域内。

在第一方面的一个实施例中，所述旋转轴线大体垂直于成像装置的成像轴线，以及所述平面大体平行于所述成像装置的成像轴线。

在第一方面的一个实施例中，所述多个角度位置包括第一角度位置、第二角度位置和第三角度位置，其中第一角度位置和第二角度位置之间的角度间隔与第二角度位置和第三角度位置之间的角度间隔相同。

在第一方面的一个实施例中，在步骤(c)中在多个角度位置的每一个中确定对象所需平移的步骤包括：将在对象空间中的对象的位置映射到在图像空间中的图像上该对象的位置；以及基于对象在图像空间中在图像中的位置差异来确定对象在对象空间中所需的平移。

在第一方面的一个实施例中，基于下述公式将在对象空间中的对象位置[x_N，y_N，z_N]^T映射到在图像空间中的图像上该对象的位置[x_M，y_M，z_M]^T：

其中

θ_x，θ_y和θ_z是对象空间相对于图像空间分别围绕在图像空间中的旋转轴线X_M，Y_M和Z_M的旋转角度；[x_T，y_T，z_T]^T是对象空间和图像空间之间的平移；以及u是图像中像素的尺寸。

在第一方面的一个实施例中，在对象空间中的对象的位置是对象的目标点在对象空间中的位置。

在第一方面的一个实施例中，该方法还包括使用Canny边缘检测算法在对象空间中选择对象的目标点的步骤。

在第一方面的一个实施例中，对于特定角度间隔的对象所需的平移是基于下述公式来确定的：

其中[x_n0，y_n0，z_n0]^T是对象的将被对准的点在对象空间中的坐标；u是像素在图像空间中的尺寸；Δx_f是在第一角度位置的图像中和在第二角度位置的图像中的对象的位置差异；Δx_b是在第二角度位置的图像中的对象和在第三角度位置的图像中的对象的位置差异；以及α是在第一和第二角度位置之间的角度间隔。

在第一方面的一个实施例中，所述方法还包括以下步骤：将位置差异与误差阈值ε_mag进行比较，以确定所确定的平移是否足以将对象移动到优化的位置。

在第一方面的一个实施例中，所述误差阈值ε_mag被限定为：

其中u是像素在图像空间中的尺寸；R_a是在成像装置的视域中的对象的变动性容差的指标；而TP是在图像空间中测得的图像高度。

在第一方面的一个实施例中，在确定所述位置差异大于误差阈值ε_mag时：基于所确定的平移将所述对象平移到一个新的位置；以及在对象平移到新位置后对于同一角度间隔重复步骤(a)至(c)。

在第一方面的一个实施例中，在确定所述位置差异小于误差阈值ε_mag时：以一个或多个另外的角度间隔重复步骤(a)至(c)。

在第一方面的一个实施例中，所述角度间隔小于一个或多个另外的角度间隔。优选地，所述另外的角度间隔以递增顺序布置，即，角度间隔从一个增加到另一个。

在第一方面中的一个实施例中，所述角间隔和一个或多个另外的角度间隔分别小于90度。任选地，所述角度间隔和一个或多个另外的角度间隔可大于或等于90度。

在第一方面的一个实施例中，该方法还包括在以一个或多个另外的角度间隔重复步骤(a)至(c)之后，将所述成像装置的放大倍率调节到第二值。

在第一方面的一个实施例中，所述第二值等于所述成像装置的工作放大倍率。

在第一方面的一个实施例中，该方法还包括在步骤(a)之前将所述成像装置的放大倍率调节到第一值。

在第一方面的一个实施例中，所述第一值小于所述成像装置的工作放大倍率。

在第一方面的一个实施例中，该方法进一步包括以下步骤：(d)通过基于在所述多个角度位置所确定的平移来将对象旋转和平移以在不同的角度位置对对象进行成像。

在第一方面的一个实施例中，在步骤(d)中将所述对象围绕旋转轴线旋转至少一圈，以获得在不同角度位置处的对象的多个图像。

在第一方面的一个实施例中，在步骤(d)中将所述对象连续地围绕旋转轴线旋转。

在第一方面的一个实施例中，所述对象的平移和旋转是独立的。

在第一方面的一个实施例中，在对所述对象进行成像的步骤(d)中，该成像在成像装置的工作放大倍率下进行。

在第一方面的一个实施例中，所述对象包括将由成像装置进行成像的一个或多个微米或纳米结构。

在第一方面的一个实施例中，该方法还包括以下步骤：当对象基于在每个不同的角度位置所确定的平移而被旋转和平移时，测量所述对象的旋转特性。

在第一方面的一个实施例中，所述成像装置是光学显微镜或电子显微镜。

在第一方面的一个实施例中，所述方法基本上是自动化的。

根据本发明的第二方面，提供一种用于操纵对象以便由成像装置进行成像的系统，所述系统包括：平移和旋转组件，其被布置成使得对象围绕旋转轴线旋转并使得对象沿着大体垂直于所述旋转轴线的平面平移；控制器，其被布置成控制所述平移和旋转组件，并控制成像装置的操作；其中所述控制器被布置成操作所述平移和旋转组件和所述成像装置，以执行根据本发明第一方面的方法。

在第二方面的一个实施例中，所述旋转轴线大体垂直于成像装置的成像轴线，并且所述平面大体平行于所述成像装置的成像轴线。

在第二方面的一个实施例中，所述成像装置是光学显微镜或电子显微镜。

在第二方面的一个实施例中，所述平移和旋转组件具有三个或更多个自由度。

在第二方面的一个实施例中，所述平移和旋转组件包括可独立操作的平移模块和旋转模块。

本发明的其中一个目的是解决上述的需求，以克服或大体上改善上述缺点，或者，更一般地提供一种用于将对象对准到成像装置的视域以便对在不同角度位置的对象进行成像的系统和方法。本发明的另外一个目的是提供使得能够允许自动全取向(例如，360度)成像的旋转对准系统。

附图说明

现在将通过示例的方式参照附图对本发明的实施例进行描述，其中：

图1是根据本发明一个实施例的旋转对准机器人的图片；

图2A是示出图1所示机器人旋转运动的图片；

图2B是示出图1所示机器人的水平平移运动的图片；

图2C是示出图1所示机器人的竖直平移运动的图片；

图3是示出要被成像的对象在旋转期间的曲线运动轨迹的示图，其中对象行进到显微镜视域之外；

图4A是示出根据本发明一个实施例包括图1所示的旋转对准机器人和显微镜的实验装置的图片；

图4B是示出图4A所示装置中的对象的对象空间以及该对象的图像的图像空间的图片；

图5A是示出在旋转之前在对象空间中的对象的初始位置点P的曲线图；

图5B是示出在顺时针旋转α度之后的对象空间中的对象位置点P的曲线图；

图5C是示出在逆时针旋转α度之后的对象空间中的对象位置点P的曲线图；

图5D是示出对于在图5A至图5C中的在对象空间中的对象位置点P而言的在图像空间中的相应位置点P的曲线图；

图6是示出根据本发明一个实施例的控制对象自动对准的方法的框图；

图7A是玻璃微吸管的示例性显微镜图像；

图7B是图7A的处理后的图像，其示出使用Canny边缘检测算法的对象检测；

图8是示出用于对准对象以便进行成像的对准方法的框图；

图9A是在对准前的微吸管在旋转角度-15°，0°和15°下的一系列显微镜图像；

图9B是在对准后的微吸管在旋转角度-15°，0°和15°下的一系列显微镜图像；

图10A是示出在一个完整的自动对准过程中的每个对准步骤中的微吸管尖端的位置偏移的曲线图；

图10B是示出图10A的放大部分的曲线图；

图10C是示出在图10A的每个对准步骤中的对象的要被对准的点的轨迹的曲线图；以及

图11是在对准后的在显微镜下从不同的方向观察到的不对称指针的一系列图像。

具体实施方式

参照图1，提供了根据本发明一个实施例的旋转对准机器人100。如图1所示，机器人100包括旋转和平移组件，其与用于固定样本对象104的台102连接。转动和平移组件通过支撑臂108连接到底座支架106。旋转和平移组件包括第一线性定位器110、第二线性定位器112和旋转定位器114。在一个示例中，线性定位器110，112是来自Attocube公司的型号为ECS3030的定位器，而旋转定位器114是来自Attocube公司的型号为ECR3030的定位器。在该实施例中，样本台102安装到第一线性定位器110，第一线性定位器110安装到第二线性定位器112，以及第二线性定位器112安装到旋转定位器114。优选地，第一和第二线性定位器110，112的移动方向是相互垂直的和独立的。第一和第二线性定位器110，112被布置成使得样本对象104(更具体地，样本对象104的点)沿着大体垂直于旋转定位器114的旋转轴线的平面平移。在该实施例中，机器人100包括三个自由度，包括两个相互垂直的平移自由度和一个旋转自由度。

优选地，机器人100还包括控制器(未示出)，其控制平移和旋转组件以便在成像期间将对象对准到旋转轴线，从而保持对象处于显微镜的视域内。在一个实施例中，控制器还控制显微镜的操作。在该实施例中，机器人100适于与显微镜配合。具体地，该显微镜是光学显微镜或电子显微镜。当与显微镜一起使用时，机器人100优选被定位成使得旋转定位器114的旋转轴线大体垂直于显微镜的成像轴线，并且所述平面大体平行于显微镜的成像轴线。

在其它实施例中，机器人可仅包括使得对象沿着该平面平移的一个平移模块，而不是具有两个线性定位器。此外，在替代性的结构中，机器人可包括另外的平移模块和/或旋转模块，以使得机器人的自由度大于三。在本实施例中使用的显微镜可以是光学或电子显微镜。在其它实施例中，也可以使用不是显微镜的其它成像装置。

图2A至图2C示出根据本发明一个实施例的图1所示机器人100的平移和旋转运动。在图2A中，机器人100的旋转定位器114被布置成围绕旋转轴线旋转。优选地，旋转定位器114被布置成当其旋转时使得第一和第二线性定位器110，112旋转。在图2B中，第一线性定位器110被布置成使得样本对象沿着线性的水平方向X平移并因此使得样本对象沿着线性的水平方向X移动。在图2C中，第二线性定位器112被布置成使得样本对象沿着线性的竖直方向Y平移并因此使得样本对象沿着线性的竖直方向Y移动。优选地，当第二线性定位器112移动时，第一线性定位器110被布置成与第二线性定位器112一起沿着竖直方向Y移动。

在本实施例中，图2A至图2C中的平移和旋转运动优选是相互独立的。在一个实施例中，图2A至图2C中的机器人100的移动和旋转速度是通过改变输入脉冲频率来控制的。在一个示例中，第一和第二线性定位器110，112的行程范围、分辨率和可重复性分别为20毫米，1纳米和50纳米；而旋转定位114的行程范围、分辨率和可重复性分别为360°(无穷的)，1μ°，和在整个范围的5％。考虑到在一些示例中光学显微镜的极限分辨率为大约200纳米，在上述示例中的机器人能够满足显微镜成像的分辨率要求。

本发明的发明人通过实验和试验想到了为了使用显微镜实现全取向成像，样本对象应被转动至少360°。然而，对样本对象旋转至少360°的一个严重的问题是，如图3所示，如果样本不位于旋转轴线上，则所述样本会移出显微镜的视域(FOV)。本发明的发明人认识到样本对象的对准对于使用显微镜实现全取向成像而言是关键的。但是本发明的发明人同样意识到，显微镜只能提供2D图像，而且通过显微镜观察是很难直接确定样本对象的精确位置的。因此，本发明的发明人提出基于从三个显微镜图像获得的信息将样本对象对准在显微镜视域内，以允许使用显微镜对对象进行全取向成像的下述对准策略。在下文中，这种策略被称为“三重图像对准(TIA)”。

I.对准原理

图4A示出根据本发明一个实施例的实验装置，其具有图1所示旋转对准机器人100和显微镜402。如图4A所示，机器人100被布置在显微镜402的平台上。机器人100和显微镜402与控制器404连接，控制器404又连接到图像处理系统(例如，计算机)。

如图4A和图4B所示，建立两个坐标系{M}和{N}来说明对准原理。显微镜图像坐标{M}(即，在图像空间中)被建立在显微镜402的成像空间中，其中原点处于显微镜图像的左下角处。X_M和Z_M是分别沿着图像的短边和长边延伸的轴线，而Y_M是平行于显微镜402的成像轴线(诸如光学显微镜的光学轴线)延伸的轴线。机器人坐标{N}(即，在对象空间中)被建立在机器人100中，其中原点位于第一线性定位器110的外表面上的旋转轴线处。X_N和Y_N是分别平行于第一和第二线性定位器110，112的移动方向延伸的轴线。当旋转定位器114围绕Z_n轴线旋转时，X_N和Y_N轴线也将旋转。

假设样本对象上的点在{N}中具有坐标(x_N，y_N，z_N)并且同一点在{M}中具有坐标(x_M，y_M，z_M)，则两个坐标可基于以下的公式相互映射：

在(1)中，

其中θ_x，θ_y和θ_z分别是{N}相对于{M}围绕轴线X_M，Y_M和Z_M的旋转角度；(x_T，y_T，z_T)^T是两个坐标系{N}和{M}之间的平移部分；而u是每个像素在显微镜图像中表示的物理距离(μm)。

图5A至图5D示出当对象旋转时点P在坐标{N}和{M}中的运动。点P优选是取自对象的将要被对准的点。如图5A所示，在对象上的点P在{N}中具有初始坐标(x_n0，y_n0，z_n0)。当旋转定位器分别以顺时针和逆时针的方式旋转角度α(如图5B和图5C所示)时，点P在旋转之前在{M}中的坐标(x_o，y_o，z_o)^T，点P在顺时针(或向前)旋转α度之后的坐标(x_f，y_f，z_f)^T和点P在逆时针(或向后)旋转α度之后的坐标(x_b，y_b，z_b)^T可由以下的公式(6)，(7)和(8)表示：

其中θ_x0，θ_y0，θ_z0表示{N}相对于{M}分别围绕X_M-轴线、Y_M-轴线，Z_M-轴线的初始旋转角度。

接下来，限定Δx_f和Δx_b，其代表在旋转定位器分别顺时针和逆时针旋转α度之后点P在显微镜图像上的位移：

在实践中，θ_x0，θ_y0和θ_z0可通过调节机器人的位置和取向而减小到零。具体地，可通过将机器人的支架的底平面布置成平行于图像平面而使θ_x0减小到零。可通过将机器人的支架的两个垂直边缘布置成分别平行于图像平面的两个垂直侧面而使θ_y0减小到零。可通过转动旋转定位器来使X_M-轴线平行于X_N-轴线而使θ_z0减小到零。通过进行这些调节，公式(9)和(10)可被表示为：

通过对上述两个公式(11)和(12)求解，将要被对准的点P在{N}中的坐标(x_n0，y_n0，z_n0)可被表示为：

在公式(13)中，Δx_f和Δx_b可通过使用图像处理方法从显微镜图像测得；u(μm/像素)表示各像素的尺寸，并且可基于显微镜的放大倍率来算出。因此，点P在{N}中的坐标(x_n0，y_n0)可通过将这些参数代入公式(13)中来算出。

使用这种TIA方法的实施例，机器人100可通过将第一线性定位器110移动-x_n0以及将第二线性定位器112移动-y_n0而将样本对象对准到旋转定位器114的旋转轴线。

II.基于视觉的控制系统

图6是示出根据本发明实施例的对象的自动对准控制的框图。在本实施例中，对准是基于使用可操作地与机器人100相关联的显微镜在三个不同的角度位置处获得的显微镜图像的。样本对象上的将要被对准的点的位置通过图像处理方法而获得，并且被用作反馈信号以控制对准。如图6所示，与机器人100连接的控制器602被布置成基于上述对准算法来处理在三个不同的角度位置处所获得的该三幅图像，并且被布置成自动地确定定位器及因此样本对象所需的适当对准。

为了进行演示，在本实施例中，如图7A至图7B所示，微吸管被用作样本对象，而微吸管的尖端被选择成为将要被对准的点。在一个实施例中，利用Canny边缘检测来对图7A的显微镜图像进行处理。图7B示出经处理的显微镜图像。如图7B所示，x₁是通过检测从图像顶部到图像底部的像素值来计算的，而x₂是通过检测从图像底部到图像顶部的像素值来计算的。尖端在{M}中的坐标可由下式计算：

其中TP，x₁，x₂分别表示图像的高度、尖端的上边缘与图像的上边缘之间的距离，以及尖端的底部边缘与图像的底部边缘之间的距离。

基于公式(14)，可以确定在旋转之前的要被对准的点在{M}中的坐标(x_o)，在顺时针旋转之后的要被对准的点在{M}中的坐标(x_f)，和在逆时针旋转之后的要被对准的点在{M}中的坐标(x_b)。通过将这些值代入公式(9)和(10)，Δx_f和Δx_b的值可以被计算出来。在此之后，在旋转轴线和样本对象之间的相对位置，即(x_n0，y_n0)，可通过将Δx_f和Δx_b代入到公式(13)中来确定。最后，控制系统将使得第一线性定位器移动-x_n0以及使得第二线性定位器移动-y_n0来将样本自动对准到旋转轴线。

在本实施例的实验中，可使用一个简单的开关控制器来控制机器人的移动。此外，机器人本身可具有光电传感反馈以便提高精度。

III.具有三个环路的对准策略

虽然在TIA过程的一次迭代之后，样本对象可被认为是对准到旋转轴线。但是，可以重复TIA过程，以便进一步提高精度并消除测量误差。图8是根据本发明实施例的基于上述TIA过程的三个环路的对准策略。图8的策略可在图1中的机器人100或其它控制系统中实施。

参照图8，其提供一种用于操纵对象以便由成像装置进行成像的方法，所述方法包括以下步骤：将对象围绕旋转轴线旋转到多个角度位置；在多个角度位置中的每一个对对象拍摄(或获取)图像；以及对于该多个角度位置确定对象所需的相应平移，所述平移沿着大体垂直于旋转轴线的平面；其中所述相应的平移被布置成将对象对准到旋转轴线上，以保持对象处于成像装置的视域内。

在图8的实施例中的三个环路对准策略包括位移环路(最内的环路)，角度环路(中间环路)和放大倍率环路(最外的环路)。

在位移环路中，样本对象通过TIA过程被对准，并且通过与误差阈值比较来对用于对准样本对象的位移进行评估。更具体地，位移环路包括捕获所述样本的初始显微镜图像并计算将要被对准的点P在{M}中的X_M坐标x_o的步骤。接下来，旋转定位器顺时针旋转α度的角度。然后捕获第二显微镜图像并计算点P的X_M坐标x_f。接下来，旋转定位器在相反的方向上旋转2α度的角度。然后捕获第三显微镜图像并计算点P的X_M坐标x_b。然后，基于TIA过程的先前所示实施例中的公式计算三个X_M坐标之间的差异Δx_f和Δx_b。最后，可根据公式(13)来计算样本对象的坐标(x_n0，y_n0)，并且使得第一线性定位器移动-x_n0，以及使得第二线性定位器移动-y_n0。然后通过顺时针旋转α度的角度使得旋转定位器返回到原来的角度位置。

在其它实施例中，在位移环路中的操作步骤可以有所不同，但仍然在本发明的范围之内。例如，旋转定位器可以任何顺序旋转以获得不同的角度位置的三幅图像。此外，坐标x_o，x_f，x_b的计算不需要在每次捕获图像之后都执行，而是可在捕获两幅或更多幅图像之后执行。

在角度环路中，使用一系列不同的增量旋转角度α₁，α₂，...，α_j(α₁＜α₂＜…＜α_j，j＝1，2，...)来进一步对准样本。优选地，这些旋转角度都不大于90度。换言之，角度环路被布置成以增加幅度的不同旋转角度(两个角度位置之间的角度间隔)重复位移环路。为了防止样本对象移出显微镜的视域，最初选择小的旋转角度α1。在此之后，由于较大的α(α＜90°)将导致公式(9)和(10)中的Δx_f和Δx_b较大，因此一个或多个逐渐增加的旋转角度αj被选择以改善对准精度。在这种情况下，从Δx_f和Δx_b测得的误差将变得更小，并且对准精度可以被提高。

在放大倍率环路中，如果显微镜的初始放大倍率小于M_{mag_w}的话，样本对象就在适于样本观察的工作放大倍率(M_{mag_w})下被对准。更具体地，为了进一步提高定位精度，TIA对准过程将被重复(在M_{mag_w}下以α＝90°重复)，这是因为较大的显微镜放大倍率在计算要被对准的点在{M}中的位置时将导致较高的分辨率。

图8中的三个环路对准过程的实施例可通过以下步骤概括。首先，显微镜的放大倍率被调节成M₁。该算法以对准角度α₁进行对准，直到位移可接受以将样本对象保持在显微镜的视域内。在以角度α₁完成对准过程之后，该算法然后以一系列的增量对准角度α_j(α₁＜α_j)重复对准过程，直到α达到90°。最后，该算法将显微镜的放大倍率调节到M_{mag_w}，并且以α＝90°重复对准过程。

IV.实验及结果

为了验证图8实施例中的对准策略和其相关的对准系统的性能，进行了实验。在一个实施例中，对准系统是图1或图4所示的系统。在实验中，将具有10μm尖端直径的玻璃微吸管用作样本对象，以及将微吸管的尖端的中心用作将要被对准的点。

在实验中，用于对准的初始放大倍率M₁在位移环路和角度环路中被设定为M₁＝200。在角度环路中，增量角度α分别被设定为α₁＝15°，α₂＝45°和α₃＝90°。在放大倍率回路中，用于观察样本对象的显微镜的工作放大倍率M_{mag_w}被设定为M_{mag_w}＝1000。误差阈值ε_mag是对应于显微镜的放大倍率的可调节的值，并且被限定为：

其中u(μm/像素)表示各像素的物理距离；TP是在{M}中测得的显微图像(单位：像素)的高度；而R_a(R_a＞1)是用于描述样本在显微镜视域中的变动性容差的比值(较高的R_a表示较少的变动)。由于u在不同的放大倍率下会改变，因此误差阈值ε_mag可基于放大倍率被调节。

在实验中，R_a被设定为40。这意味着如果样本对象在图像空间中的位移小于ε_mag，则样本的变动范围应该小于显微镜图像高度的1/40。在这种情况下，在旋转定位器及因此对象的旋转过程中，可确保样本对象被保持在显微镜的视域内。实验中的误差阈值ε_mag对于放大倍率M₁＝200和M_{mag_w}＝1000而言分别为ε_{mag_200}＝30.9μm和ε_{mag_1000}＝6.4μm，并且它们是基于显微镜的图像分析来进行计算的。在其它示例中，可选择较高的R_a以实现更高的对准精度。

为了评估对准的质量，所述三幅图像之间的最大位移S被限定为：

S＝u·[Max(x_P(0)，x_P(a)，x_P(-α))-Min(x_P(0)，x_P(a)，x_P(-α))] (16)

其中x_P(0)，x_P(α)，x_P(-α)是在为0°，α和-α度的旋转角度下要被对准的点的X_M坐标。

首先，在放大倍率M₁＝200下以α₁＝15°实施对准过程。图9A示出在-15°，0°和15°的旋转角度下在对准之前的三幅初始图像。如表I所示，在初始状态下，S等于484μm，其大于误差阈值ε_{mag_200}＝30.9μm。因此，将自动执行对准过程。微吸管尖端在{N}中的坐标(x_n0，y_n0)可利用公式(13)计算，并且被计算为：

(x_n0，y_n0)＝(-288，935)μm (17)

在确定坐标(x_n0，y_n0)后，算法使得第一线性定位器移动-935μm以及使得第二线性定位器移动288μm，以便将样本对象对准到机器人的旋转轴线。

此后，如图9(b)所示，微吸管的图像再次在-15，0°和15°下被检查。这一次，S等于17μm，其小于误差阈值30.9μm。这意味着以放大倍率M₁＝200和对准角度α₁＝15°的对准已经完成。

表1示出在不同对准角度下在对准之前和之后的详细测量值。所示结果表明在执行第一对准环路(位移环路)之后，三幅图像之间的位置偏移S可从484μm减小至17μm(～96.5％)。

表I

接下来，在角度环路中，如之前那样在相同的放大倍率M₁＝200下执行对准。在该示例中，使用了三个不同的角度(α₁＝15°，α₂＝45°，以及α₃＝90°)来进行三个不同的对准，并且如表II中所列出的那样，在每个步骤中微吸管的尖端的微吸管尖端位移S被确定为小于ε_{mag_200}＝30.9μm，。

在以α₁＝15°的第一对准步骤之后，尖端的位移已经从初始值484μm减小到17μm。然而，在旋转α₂＝45°之后，仍存在49μm的位移。然后，在以α₂＝45°对准之后，尖端的位移减小到5μm。然而，对于角度α₃＝90°而言，仍存在112μm的位移。并且在以α₃＝90°对准之后，尖端的位移减小到11μm。

表II

表II中的这些结果表明了当样本旋转更大的角度时能够从显微镜获得较大的位移S。根据图5所示的原理，坐标主要是基于来自显微镜图像的两个参数Δx_f和Δx_b来计算的，并且当旋转角度从0°增大到90°时，在大多数情况下这两个值也增加。因此，当通过将Δx_f和Δx_b代入公式(13)以计算(x_n0，y_n0)时，计算精度也应该增加。这表明了可以通过在角度环路中以增量的方式改变旋转角度来获得更高的对准精度。

由于对准的最终目标是通过旋转样本对象来以全取向(即，不同的角度位置)观察样本对象，因此在放大倍率回路中，显微镜的放大倍率被改变成工作放大倍率M_{mag_w}＝1000。在这情况下，由于增加的放大倍率导致样本图像的放大，因此样本将有较大的机被旋转出显微镜视域。因此，利用公式(15)，使用新的误差阈值ε_{mag_1000}＝6.4μm来评估对准效果。如表III所示，在M₁＝200下对准之后，所述位移为11μm，并且这大于ε_{mag_1000}。因此，应该自动在M_{mag_w}＝1000下重复进行对准。

在放大倍率回路中只选择α＝90°，这是因为在M₁＝200下对准之后，要被对准的点已被对准成靠近旋转轴线。因此，对于该环路而言，没有必要从小的对准角度重新启动对准过程以防止样本移离显微镜的视域。表III示出了在该放大倍率对准环路之后，位移可从11μm减小至6.1μm，即减少约45％。

表III

上述实验不仅证实了用于高放大倍率的对准策略的操作，并且也展示了在图8所示的实施例中的三种环路对准策略的效率。

在对准过程中，在三幅图像中的对象点的最大位移S被用作与误差阈值进行比较的参数。这种布置的优点在于，所述位移能够容易地且迅速地被估算，这对于实现高对准效率而言是至关重要的因素。但是，位移仍然可能不能完全反映在一圈(360°)中的对准质量。

为了更准确地评估对准质量，在对准完成之后，机器人使得样本对象旋转一整圈(360°)，并且在每30度的旋转下捕获样本对象的显微镜图像。限定了两个参数以基于所获得的12幅图像来估算360度的对准质量。该两个参数是最大的位移S_M360和位置标准偏差S_DM360：其中X[i](i＝1，2，...，12)是对于12幅图像的将要被对准的点在{M}中的位置，其在公式(19)和(20)中示出：

S_M360＝u·[Max(x_P[12])-Min(x_P[12])] (19)

参数S_M360表示在一圈(360°)中在这些图像之间的最大差值，并且其被用于估算样本在显微镜视域中的最大移动范围。如果S_M360小于显微镜图像的高度，被那么在旋转过程中样本将被保持在视域中。参数S_DM360表示将要对准的点的坐标的标准偏差，并且其被用于在一圈的旋转过程中估算样本对象的干扰情况。如果S_DM360小，那么样本将在旋转过程中具有小的变动性。简而言之，较小的S_M360和S_DM360表明更好的对准效果。

表IV示出了S_M360和S_DM360在所有上述对准过程中的值，而图10A和10B(图10A的放大部分)示出针对不同对准步骤的不同旋转角度的位移的曲线图。该结果表明了最大位移S_M360的初始值是2142μm。在四个对准步骤之后，该值已经逐渐减小到416μm，221μm，57μm和56.5μm。同时，标准偏差S_DM360也已经从781μm减小至155μm，85μm，19μm，并且在四个对准步骤之后最后减小至16.6μm。此外，还基于实验数据来计算将要被对准的点在{N}中的坐标，并且在每次对准之后的样本的轨迹在图10C中示出。从图10C可以看出对准是高效的，这是因为位移只通过使用几个对准步骤就可容易地减小到接近零。

表IV

虽然在第四步骤结束时对准仍具有一定的误差，但是该对准足够精确以确保样本对象在旋转期间被保持在显微镜的视域内。换言之，对准误差对于全取向显微镜应用而言是可接受的。

上述结果证实了，如在图8的实施例所示的三个环路对准策略可通过仅使用三幅图像来在360°获得合理的对准质量。它也表明这种方法能够以高效率在显微镜下对准样本，这是因为在每个对准步骤中只需要三幅图像。

在本发明的实施例中，对准算法是基于所选择的将要被对准的点来实现的。因此，该算法可应用于具有不同形状或结构的样本，同时仍能实现相同的效果。为了验证这一点，在图11中展示了对于具有非对称结构的指针的对准。

在图11的展示中，指针的最右边的点被选择为将要被对准的点。然后，按照与如图8的实施例所示相同的过程实施对准。在这之后，在一圈(360°)内每30°以放大倍率M＝100获取指针的图像。这些图像的图片被显示在图11中。对于图11中的12幅图像而言，最大位移(S_M360)和标准偏差(S_DM360)分别是89μm和27μm。与上述指针的大小相比，上述误差可以忽略不计。这表明了在图8中所提出的对准策略对于不对称对象也是有效的。

在本发明的实施例中用于对准对象以便成像的系统和方法有很多优点。例如，该系统和方法可自动地将样本对象对准到系统的旋转轴线，并且因此，在显微镜下从全取向观察样本变得可能。考虑到在显微镜下从多个方向对小的样本进行成像的显著挑战，上述是特别重要的，因为在旋转运动过程中将难以把对象保持在显微镜的视域内。

在本发明的实施例中用于对准对象以便成像的方法可通过使用最少三幅显微镜图像来实施。因此，该方法可容易地通过利用简单的实验程序来实施，并且是高效的。在本发明实施例的对准策略中使用了三个环路(即，位移环路，角度环路，以及放大倍率环路)以便逐步提高对准精度。所示的结果表明，在全取向成像期间样本可被保持在显微镜视域的中心区域内。

在本发明的实施例中用于对准对象以便成像的方法是基于将要被对准的目标点的。因此，该方法的实施独立于样本的结构，并且对于具有对称或不对称几何形状的样本而言同样有效。

在本发明的实施例中用于对准对象以便成像的方法在小尺度下在许多方面是非常有意思的。它不仅允许在显微镜下的全取向成像，而且还提供在小尺度下进行其它基础研究的可能性，诸如微缺陷检测、微表征等。示例性的应用包括在显微镜下从不同的方向检测对象中的微米级或纳米级的缺陷，从不同取向对微米级或纳米级尺寸的样本的不同区域的原位表征，对管状样本(诸如纳米线、碳纤维、光导纤维)在扭转载荷下的机械性能的研究等等。

本领域内的技术人员理解到的是，在不偏离如广泛描述的本发明的精神或范围的情况下，可对如在具体实施例所示的本发明进行许多变化和/或修改。因此，本实施例应该被视为在所有方面都是说明性的而非限制性的。

除非另有说明，否则对本文所包含的现有技术所作的任何参考不应被视为承认该信息是公知常识。