CN104913731A

CN104913731A - 一种激光差动共焦显微测控***

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Publication number: CN104913731A
Application number: CN201410647640.1A
Authority: CN
Inventors: 徐云鹏
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-11-16
Filing date: 2014-11-16
Publication date: 2015-09-16

Abstract

本发明公开了一种激光差动共焦显微测控***，该***使用物面扫描方式，通过对载物台的控制实现二维扫描，使用压电陶瓷驱动的物镜驱动器进行轴向扫描，这两个部件都有对应的位置传感器输出与位置相关的电压信号，***采集并处理测控***返回的图像信息，实现对样品的高精度扫描三维成像。本发明集中了高分辨率、高精度、具有绝对位置瞄准、双极性跟踪能力及测量范围大等优点，可以广泛应用于生物医学工程、材料工程、微电子制造、基因工程和精密测量等领域。

Description

一种激光差动共焦显微测控***

技术领域

本发明属于共焦显微领域，尤其涉及一种激光差动共焦显微测控***，该***功能良好，性能稳定，具有高分辨率、高精度、绝对位置瞄准、双极性跟踪能力及测量范围大等优点，可以广泛应用于生物医学工程、材料工程、微电子制造、基因工程和精密测量等领域。

背景技术

随着航空航天、汽车工业和先进制造业的飞速发展，对大尺寸自由曲面高精度实时三维形貌测量的要求越来越迫切。传统的接触式形貌测量方法测量范围有限，容易对被测物体表面造成损伤，而且测量速度慢、效率低，测量过程难以实现自动化。光学非接触三维形貌测量由于具有非接触、自动化、高精度、高效率等优点，被广泛应用于工件的加工制造、缺陷检测和文物保护等领域。随着激光技术、计算机技术的不断发展，20世纪80年代第一台商业化共焦显微镜问世，真正实现了三维立体成像。共焦显微镜具有极其明显的优点：共焦显微镜能对物体的不同层面进行逐层扫描，从而获得大量的物体断层图像；获得的数据可以利用计算机进行图像处理；同时，共焦显微镜具有较高的横向分辨率和纵向分辨率；对于透明和半透明物体，可以得到其内部的结构图像；还可以对活体细胞进行观察，获取活细胞内的信息，并对获得的信息进行定量分析。

相比较传统的光学显微技术，共焦光路可以进行三维成像，其轴向定位测量主要通过其“钟形”轴向定焦曲线实现，但现有共焦光路利用光强度响应直接进行测量时，存在多方面不足，如信噪比低，易受环境背景光干扰；线性度差，易受强度响应曲线ab段的非线性影响，降低层析精度；测量无绝对零点，不便于进行绝对跟踪测量；易受样品倾斜和表面粗糙特性影响，不利于微纳尺度的高精度测量；横向分辨能力与轴向分辨力不匹配，轴向分辨能力已达纳米量级，而横向分辨力仅达0.4μm左右（针对可见光），其结果严重限制了共焦显微***空间分辨能力的提高等等。

由于存在上述原理性缺陷，现有共焦显微镜已不能满足当代科学研究对光学高分辨和高层析成像能力的测量需求，在日益精细的微光机电微纳器件测试、集成电路晶圆及掩模板的几何尺寸及缺陷检测、激光核聚变空心透明靶球内外轮廓及壁厚高分辨检测、材料亚表面缺陷检测等众多测试领域，不仅要求共焦显微***具有极高的轴向分辨能力，而且还要求具有极高的横向分辨能力，并且在某些场合还要求能进行层析成像，即对透明样品内外精细几何尺寸进行高分辨成像。因而，改善共焦显微***分辨能力和层析成像能力，成为显微成像技术领域亟待解决的理论和技术问题，对促进微光机电技术、生化技术、生物医学、微电子学和材料学等高新领域研究具有重要推动作用。

发明内容

针对上述现有技术存在的缺陷和不足，本发明的目的在于，提供一种激光差动共焦显微测控***，该***功能良好，性能稳定，具有高分辨率、高精度、绝对位置瞄准、双极性跟踪能力及测量范围大等优点，可以广泛应用于生物医学工程、材料工程、微电子制造、基因工程和精密测量等领域。

为了实现上述任务，本发明采用如下的技术解决方案：

一种激光差动共焦显微测控***，其特征在于，包括光强传感***、数据采集***、扫描***、控制***、主控计算机以及显示***，所述光强传感***将光强转化为容易处理的电压信号，由所述数据采集***获得，同时交给所述主控计算机进行数据处理；该主控计算机通过控制***对所述扫描***进行控制，实现对样品的扫描，同时，所述采集***获得此时的位置信号交给主控计算机，主控计算机处理完成后由所述显示***进行显示输出。

在该激光差动共焦显微测控***中，所述控制***包括二维平移台控制单元、物镜驱动控制单元、激光控制单元、白光控制单元以及供电单元，该二维平移台控制单元选用P-563.3CD型纳米平移台，该物镜驱动控制单元选用P-725.4CD型物镜驱动器，所述物镜驱动控制单元和二维平移台控制单元通过USB串口与主控计算机连接；所述激光控制单元选用长春新产业激光有限公司405nm带光纤耦合激光器，该激光控制单元通过RS232串口与主控计算机相连；所述的白光控制单元选用直流调压光纤光源GCI-0601完成光源亮度从0%到100%连续可调，该白光控制单元中的白光CCD通过USB串口与主控计算机相连。

在该激光差动共焦显微测控***中，所述数据采集***的数据采集卡选用X 系列PCI-e总线型NI-6353，该数据采集***具有数据采集、模拟输出以及数字输出功能，通过数据采集功能获取光强信息和位置信息，使用模拟输出功能和数字输出功能实现扫描控制；该测控***使用物面扫描方式，将样品置于载物台上，通过对载物台的控制实现二维扫描；该测控***使用压电陶瓷驱动的物镜驱动器进行轴向扫描，二维扫描与轴向扫面的部件都有对应的位置传感器输出与位置相关的电压信号。

本发明的有益效果是：

本测控***包括两种信号：控制信号和数据信号。控制信号包括：样品扫描运动控制信号（平面扫描和轴向扫描），模式切换控制信号以及激光控制信号。数据信号包括：光强信号和样品位置信号。运动控制信号由工控机通过USB端口控制运动控制器控制二维平移台和物镜驱动器的运动，另外，模拟控制信号由多功能数据采集发出，通过BNC接口连接到运动控制器，控制运动。模式切换控制信号由多功能数据采集卡的数字输出端发出，控制继电器，继而控制白光的导通与关闭，以配合白光模式和激光模式的转换。工控机通过RS232通信端口控制激光器的开关与功率控制。光强信号包括前焦光强信号和后焦光强信号，位置信号包括平移台位置信号（X,Y位置）和轴向位置信号（Z位置），这写信号都是由数据采集卡进行采集通过PCI-e总线传送给上位机。

测量时，首先通过显微镜底座升降台调整样品位置进行粗调，然后使用物镜驱动器进行微调。设定好扫描位置后，进行扫描模式和扫描参数的设置，点击开始扫描，***开始扫描，在扫描过程中，将获取到的信号经过位图显示进行实时显示，直至扫描任务结束。扫描结束后，进入数据处理模块完成三维重建。检测结果表明，该***运行稳定，能够获得清晰的样品扫描图像，并且能够根据获得的数据信息进行三维重建。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的解释说明。

图1是测控***总体框图；

图2是显微镜测控结构图；

图3是差动共焦显微镜控制箱结构；

图4是控制器内部寄存器结构；

图5是控制方式转换结构图；

图6是软件***功能模块简图；

图7是白光观察测控流程。

具体实施方式

本发明的测控***包括六个***：光强传感***、数据采集***、扫描***、控制***、主控计算机以及显示***。光强传感***将光强转化为容易处理的电压信号，由数据采集***获得，同时交给主控计算机进行数据处理。另一方面，主控计算机通过控制***对扫描***进行控制，实现对样品的扫描，同时，采集***获得此时的位置信号交给主控计算机。主控计算机处理完成后由显示***进行显示输出，测控***总体框如图1所示。

通过分析，本测控***使用物面扫描方式，样品置于载物台上，通过对载物台的控制实现二维扫描，使用压电陶瓷驱动的物镜驱动器进行轴向扫描，同时，这两个部件都有对应的位置传感器输出与位置相关的电压信号。数据采集***的核心部件是多功能数据采集卡，多功能卡有三个功能：数据采集、模拟输出以及数字输出。通过数据采集功能获取光强信息和位置信息，使用模拟输出功能和数字输出功能实现扫描控制，***显微镜测控结构如图2所示，图中虚线为控制信号，实线为测量信号。

物镜驱动器带动物镜Z向运动，用于实现Z向扫描。驱动器控制器通过USB串口与工控机连接，可以通过软件命令驱动物镜Z向运动，读取当前位置，也可以通过数据采集卡模拟输出功能，驱动物镜按一定波形运动，通过模拟输入功能采集当前驱动器的位置传感信号。二维平移台带动样品在X/Y方向上运动，实现平面扫描。连接与测控方法与物镜驱动相同。

数据采集卡装入工控机内部，通过总线技术将采到的数据传送到工控机内存。同时，使用总线技术，将工控机内存中的数据串写入板载缓存中，进而发出对应的波形信号，数据采集与模拟输出过程以外部触发脉冲的上升沿或下降沿作为开始标志，以此作为两个任务的同步信号。同时，使用数据采集卡的数字输出功能产生TTL电平控制继电器的通断以此实现白光的上层控制。激光控制器通过RS232串口与工控机相连，可以通过软件命令改变激光功率，读取当前功率。

利用差动共焦曲线的过零点可以实现***的实时采集。为了配合***的过零点的实时采集，设计了过零触发模块，该***采用硬件过零触发瞄准测量的方法，硬件过零触发瞄准测量的方法，其原理是通过对差动共焦轴向响应曲线进行过零比较，产生触发脉冲，利用触发脉冲作为控制信号，结合微位移驱动技术，精确获取差动共焦显微测量***物镜的高精度定位，同时为了提高抗干扰能力，研究了使用光强阈值控制比较器使能的方法来判断传感器光强信号是否可信。由于共焦响应存在旁瓣信号以及样品远离物镜焦点位置时接近于零的探测器信号，将会引起虚假的过零触发信号。为了避免这些信号的干扰，通过电阻分压设定光强信号电压的阈值。为了减小信号传输的时间，采用两路光强直接进行比较的方法。根据比较器的原理，得到的结果与用上述两个信号相减然后进行过零比较一致，省去了信号在减法电路中传输的环节。

测控***包括二维平移台控制单元、物镜驱动控制单元、激光控制单元、白光控制单元以及供电单元。同时，数据采集卡的接线端使用的是NI公司的接线端子。为了配合***的整体性设计，本***还包括了差动共焦显微测控***控制箱。用作照明的白光光源采用大恒新纪元科技股份有限公司（大恒光电）的直流调压光纤光源GCI-0601，该光源采用150W EKE石英卤素灯，色温为3200K（最大光强时），光源亮度从0%到100%连续可调（旋钮），采用光纤光束，使得出射光斑的均匀性较好，满足本项目的需求。

为提升***设计的模块化程度，激光采用光纤导入的方式，在探测光路中为了提高共焦显微镜的分辨率而使用了短波长光源，差动共焦扫描成像部分采用采用405nm波长的激光器作为差动共焦显微镜的光源，本***采用了长春新产业激光有限公司405nm带光纤耦合激光器，该激光器光束功率稳定性<3%，温漂<50urad/°C，偏振100:1，光漂< 0.5mrad，最大功率30mW，功率在0%~100%范围内连续可变，并可以采用软件对激光器的输出功率进行自动调节，方便***的自动化控制，满足本发明需要。

在显微镜***中，需要220V交流供电的器件包括白光控制器，激光控制器；需要低压直流供电的包括光电倍增管，过零触发电路以及***指示灯。低压直流供电使用220V交流供电，±15V/2A，﹢12V/2A和﹢5V/2A直流输出的集成一体化线性航天朝阳电源。该电源具有良好抗干扰性能，以及低纹波的特点，图3是差动共焦显微镜控制箱结构。控制箱中的白光控制器经过继电器***连入测控***中，通过数据采集卡的数字输出功能实现白光/激光的软件切换。同时，朝阳电源为光电倍增管，触发电路以及***指示灯提供了直流电源。外部信号通过屏蔽同轴线缆接入控制箱并与接线盒相连，同时模拟输出端口通过同轴线缆输出到对外接口，供外部使用。

物镜驱动器的控制方式同样有两种：数字控制方式和模拟控制方式。数字控制方式使用USB端口通信，数字控制方式使用上位机指令控制物镜驱动器的移动，该方式的优点是控制精度高，但是USB的通信方式的通信速度较慢。模拟输入控制方式是使用外部模拟信号控制物镜驱动器的移动，模拟控制方式的优点为控制速度块。同时，外部模拟信号使用多功能数据采集卡的模拟输出功能产生，只要数据采集卡的采样精度足够高，平移台的移动精度便可以得到保证。

步进运动方式的控制方式使用数字控制方式，数字控制方式能够实现物镜的高精度定位，同时，数字控制方式操作简单，指令周期与扫描时间相匹配，因此，在样品定焦，层析扫描和传感扫描模式下，物镜的步进控制使用数字控制方式便成为最优选择。振荡运动方式的控制方式可以由数字控制和模拟控制两种方式实现。震荡运动的数字控制方式是由控制器内部寄存器完成，图4是控制器内部寄存器结构。物镜驱动器的内部由五部分组成：波表，波形选择器，波形发生器，偏置以及波形开关。波形设置过程也跟这五部分紧密相关。第一步，使用波形指令定义寄存器内波形数据，波形将被写入所选择的波表所对应的非易失性存储器中；第二步，将选择的波表与波形发生器连接；第三部，通过波形发生器可以对波形的重复次数和发生速率进行调整，启动波形发生器，波形发生器开始输出，在波形发生器开始工作之后，数据记录仪也自动开始工作，记录波形发生器的工作状态。另外，可以通过指令对波形发生器进行偏置操作。

模拟控制方式不同于数字控制方式，它使用外部模拟信号对物镜驱动器进行运动控制，这需要对控制器内部的寄存器参数进行设置，使控制器进入模拟控制模式，控制器数模控制方式转换的结构如图5所示，图中控制器中有模拟和数字两种控制方式。通过指令实现对控制方式的转换，控制源则是模拟输入端口的信号。

显微镜软件***用于实现对显微镜硬件***的控制，如样品扫描时二维扫描平移台的步进驱动、光束扫描时振镜的驱动、物镜驱动器的步进驱动、激光和白光的光源切换、激光功率控制、CCD图像采集参数控制；用于实现对光强、扫描位置传感信号的采集；用于实现上述同能的同步协调；用于实现数据处理、保存、显示。为实现上述功能，设计了软件***功能模块如图6所示。显微镜类模块由各个硬件类模块、数据处理模块和协调模块组成，主要功能是将上述硬件模块作为整体协调控制实现显微镜的观察测量功能，对采集数据进行处理，用于后续分析显示。

测量显示模块主要包括显微镜操作控制模块和实时数据显示模块，是操作者与显微镜的交互模块，主要功能是通过Windows控件来控制显微镜各硬件的功能参数，设定显微镜观察测量模式和参数，实时显示显微镜白光CCD图像或激光扫描图像。

数据分析显示模块主要包括数据文件类模块、三维显示类模块、数据分析模块和图像超分辨复原模块，以及协调模块，主要功能是通过数据文件类读写显微镜的测量数据，在Windows视图以二维图形形式显示数据，通过三维显示类模块以三维形式对测量数据显示，通过图像复原模块处理图像数据，获得超分辨图像，通过数据分析模块实现基本测量功能。数学模块是各种数学算法的集合，包括高斯滤波算法、多项式拟合算法、排序算法、最小二乘算法，以及一维傅里叶变换及其逆变换算法，二维傅里叶变换及其逆变换算法，数字卷积算法、数字互相关算法，对数据处理、数据分析、图像复原提供底层算法支持。

白光观察功能测控流程相对简单，如图7所示：硬件初始化部分包括CCD初始化，物镜驱动器初始化并运行到驱动器半行程，二维平移台初始化并运行到半行程。启动白光观察通过软件调用数据采集卡的数字输出功能关闭激光打开白光实现。对焦和对准通过手动调解显微镜载物台实现，不经过软件，图7是白光观察测控流程。差动共焦显微术因其像方采用相对于共焦位置前后对称离焦分布的两个探测器，具有对应共焦点的过零点和近似线性的轴向响应区，故可以实现层析拟合、过零触发和传感测量三种测量模式。此外还可以实现轴向（Z向）和横向（X方向，Y方向）的扫描。

除了上述以外本发明所属技术领域的普通技术人员也都能理解到，在此说明和图示的具体实施例都可以进一步变动结合。虽然本发明是就其较佳实施例予以示图说明的，但是熟悉本技术的人都可理解到，在所述权利要求书中所限定的本发明的精神和范围内，还可对本发明作出种种改动和变动。

Claims

1.一种激光差动共焦显微测控***，其特征在于，包括光强传感***、数据采集***、扫描***、控制***、主控计算机以及显示***，所述光强传感***将光强转化为容易处理的电压信号，由所述数据采集***获得，同时交给所述主控计算机进行数据处理；该主控计算机通过控制***对所述扫描***进行控制，实现对样品的扫描，同时，所述采集***获得此时的位置信号交给主控计算机，主控计算机处理完成后由所述显示***进行显示输出。

2.如权利要求1所述的一种激光差动共焦显微测控***，其特征在于，所述控制***包括二维平移台控制单元、物镜驱动控制单元、激光控制单元、白光控制单元以及供电单元，该二维平移台控制单元选用P-563.3CD型纳米平移台，该物镜驱动控制单元选用P-725.4CD型物镜驱动器，所述物镜驱动控制单元和二维平移台控制单元通过USB串口与主控计算机连接；所述激光控制单元选用长春新产业激光有限公司405nm带光纤耦合激光器，该激光控制单元通过RS232串口与主控计算机相连；所述的白光控制单元选用直流调压光纤光源GCI-0601完成光源亮度从0%到100%连续可调，该白光控制单元中的白光CCD通过USB串口与主控计算机相连。

3.如权利要求1所述的一种激光差动共焦显微测控***，其特征在于，所述数据采集***的数据采集卡选用X 系列PCI-e总线型NI-6353，该数据采集***具有数据采集、模拟输出以及数字输出功能，通过数据采集功能获取光强信息和位置信息，使用模拟输出功能和数字输出功能实现扫描控制。

4.如权利要求1所述的一种激光差动共焦显微测控***，其特征在于，该测控***使用物面扫描方式，将样品置于载物台上，通过对载物台的控制实现二维扫描；该测控***使用压电陶瓷驱动的物镜驱动器进行轴向扫描，二维扫描与轴向扫面的部件都有对应的位置传感器输出与位置相关的电压信号。