CN103399397B - 用于图像扫描系统的预测聚焦 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于在图像扫描系统中实现预测聚焦的装置。该装置包括光路径长度改变板和图像传感器。在一个实施例中，该板包括多个路径长度改变部件。该板还包括中心区域，该中心区域构造成在穿过该中心区域的光路径长度中提供基本恒定的变化，使得穿过其中的图像可被聚焦捕获。由于具有光接收表面，每个路径长度改变部件构造成在穿过该光接收表面的光路径长度中提供基本不均匀的改变，使得图像的聚焦平面倾斜，这样投射到成像传感器上的图像可被用于预测实现聚焦所需要的光调节量。通过使用多于一个的路径长度改变部件，可实现多于一个聚焦平面倾斜方向的预测聚焦。

Description

用于图像扫描系统的预测聚焦

技术领域

本发明涉及一种用于在图像扫描系统中实现预测聚焦的装置。例如显微镜系统的该图像扫描系统被构造成光栅扫描样品，其中该样品分成视场(fieldofview)阵列。

背景技术

在某些实际的成像应用中，期望通过将样品分成视场(FoV)阵列并且以光栅扫描的方式来扫描该视场阵列而扫描该样品。在出现在一个视场阵列上的图像被捕获之前，进行聚焦以便使得该图像处于已聚焦状态。也就是说，将聚焦单独应用到每个FoV。这种实际成像应用的一个实例涉及临床病理学。一个具有用于扫描和检查的组织或细胞的病理学幻灯片典型地具有5cm乘2cm的面积，而可由显微镜进行成像的FoV的直径约为1mm左右。由于要求得到高分辨率图像，以便很好地显示组织和细胞的细节，采用了高放大物镜。这些透镜的视野深度非常窄，这样微小的样本表面起伏或载物台(stage)倾斜度可以使得图像模糊。因此，要求对每个FoV进行聚焦。这种实际成像应用的另一个例子涉及在晶片上采用较高的放大度数成像半导体晶圆，以便在每个半导体晶片(semiconductordie)上显示较小的特征。

EP2390706和US7232980提出了一种图像扫描系统，其采用与原来的成像传感器分开的专用自动聚焦成像传感器，用于实现FoV的聚焦。这种分开的专用自动聚焦成像传感器的出现有助于使得该图像扫描系统可以实现高速扫描。为了确定多少光调节来实现聚焦，该专用自动聚焦成像传感器倾斜，使得该自动聚焦成像传感器并不与该图像扫描系统的光轴垂直。US7232980进一步提出了该图像扫描系统的可替换实现方式，其中假定将光路径长度改变部件设置在该自动聚焦成像传感器前面，那么该专用自动聚焦成像传感器可定位成与该光轴垂直。该光路径长度改变部件有效地转动穿过其中的图像的聚焦平面，因此引入了与为实现聚焦而倾斜该自动聚焦成像传感器的效果基本类似的效果。

然而，在EP2390706和US7232980的说明书中，该自动聚焦成像传感器仅仅是在一个方向物理倾斜，或者该光路径长度改变部件仅能在一个方向上转动该聚焦平面。为了实现聚焦精度提升或可靠性变大，如果可以在多个方向上实现聚焦是有利的。假定通过采用多个自动聚焦成像传感器或者采用多个光学器件可以实现多个方向，则其中的每个是光路径改变部件和自动聚焦成像传感器的级联。然而，其实现成本必然增加。

期望采用单个自动聚焦成像传感器同时提供多个方向。由于FoV的高速扫描对于许多成像应用是令人满意的，因此可将预测聚焦有利地应用在高速图像扫描系统中，以确保高清晰图像可在这种高速系统中获得。本领域中需要一种装置，其采用单个自动聚焦成像传感器但却能提供用于在图像扫描系统中实现预测聚焦的多个方向。该图像扫描系统的实例是显微镜系统。

发明内容

本发明公开了一种用于在图像扫描系统中实现预测聚焦的装置。该图像扫描系统构造成通过将样品分成FoV阵列来扫描该样品，其中聚焦单独施加给每个FoV，并且以光栅扫描的方式进行扫描设置为行FoV的FoV阵列。

该预测聚焦装置包括光路径改变板和成像传感器，这两者都定位成基本与该图像扫描系统的光轴垂直。对于该光路径长度改变板，沿着光轴方向行进穿过其中的单个光束在由该板引入的光路径长度上经历一个改变。该成像传感器用于在这种光束行进通过该板之后感测由该光束形成的图像。该光路径长度改变板包括位于该板上的多个光路径改变部件。

该路径改变部件定位成基本远离该板中心，以便形成该板的中心区域。每个路径长度改变部件具有光接收表面，构造成当第一多个光束在沿着光轴的方向上行进穿过光接收表面时，在穿过该光接收表面的光路径长度上提供基本不均匀的改变。每个路径长度改变部件进一步这样进行构造，使得由第一多个光束形成的第一图像的聚焦平面相对于该成像传感器以某个倾斜角转动。此外，第一图像的聚焦平面或者绕着垂直于光轴的第一参考轴旋转，或者绕着既垂直于光轴也垂直于第一参考轴的第二参考轴来转动。有第一多个光束形成并且投射到成像传感器上的第一投射图像因而可用于预测为实现聚焦所要求的光调节量。

中心区域和路径长度改变部件定位成位于该板上，并且这样进行构造，使得出现在第一FoV上的图像由该中心区域接收，第一FoV成为样品上的一个FoV中；出现在样品上与第一FoV相邻的第二FoV上的图像由路径长度改变部件中的一个部件的光接收表面来接收。当出现在第一FoV上的图像被捕获以用于成像时，可以使得在穿过该板之后出现在第二FoV上的图像基本同时被图像传感器捕获，用于预测为出现在第二FoV上的图像实现聚焦而所需要的光调节量。

可选地，中心区域被构造成在第二多个光束沿着光轴的方向上行进进入中心区域时，在穿过该中心区域的光路径长度上提供基本恒定的改变。中心区域进一步这样进行构造，使得由第二多个光束形成的第二图像具有聚焦平面，其可选的可通过装置的聚焦机构进行调整，以与成像传感器重合，由此使得要被聚焦的第二图像被成像传感器捕获。

优选的是，至少一个路径长度改变部件构造成绕着第一参考轴旋转第一图像的聚焦平面，并且至少一个路径长度改变部件构造成绕着第二参考轴旋转第一图像的聚焦平面。

该装置还可包括聚焦控制器，用于根据该成像传感器所捕获的第一投射图像预测实现聚焦所需的光调节量。该聚焦机构可以包括移动物镜的致动器，以便驱动该样品处于已被聚焦状态。

优选的是，该预测聚焦装置还如下构造。路径长度改变部件中的第一个，称作第一路径长度改变部件，构造成绕着第一旋转轴旋转第一图像的聚焦平面，其中该第一旋转轴或者是第一参考轴或者第二参考轴。结果是，第一图像的第一聚焦带在被用于预测所需要的光调节量的成像传感器捕获时具有沿着第一旋转轴的方向。该路径长度改变部件的第二个，称作第二路径长度改变部件，构造成绕着与第一旋转轴垂直的第二旋转轴旋转的记忆图像的聚焦平面。接下来第一图像的第二聚焦带在被用于预测所需要的光调节量的成像传感器捕获时具有沿着第二旋转轴的方向。第一路径长度改变部件定位成与中心区域相邻，这样第三FoV(其上出现的图像由第一路径长度改变部件接收)是第一FoV前面的一行。第二路径长度改变部件位于与该中心区域相邻，这样，第四FoV(其上出现的图像由第二路径长度改变部件接收)是第一FoV前面的一个FoV。

当出现在当前成像FoV上的图像穿过中心区域时，执行下面的两个动作。第一，通过分析捕获穿过第一路径长度改变部件之后的这种图像所得到的第一聚焦带，预测在当前成像FoV前面的一行FoV上出现的图像实现聚焦所需要的光调节量。第二，通过分析在穿过第二路径长度改变部件之后捕获这种图像所得到的第二聚焦带，重新检查紧靠当前成像FoV前面的FoV上出现的图像实现聚焦所需要的已经预测的光调节量。该第二聚焦带在方向上垂直于第一聚焦带。

该预测聚焦装置还可如下构造。该路径长度改变部件的第三个，称作第三路径长度改变部件，构造成绕着第三旋转轴旋转第一图像的聚焦平面，其中该第三旋转轴或者是第一参考轴或者是第二参考轴。该路径长度改变部件的第四个，称作第四路径长度改变部件，构造成绕着垂直于第三旋转轴的第四旋转轴旋转第一图像的聚焦平面。该第三路径长度改变部件定位成与中心区域相邻，这样第五FoV(其上出现的图像由第三路径长度改变部件接收)是第一Fov后面的一行。该第四路径长度改变部件定位成与中心区域相邻，这样第六FoV(其上出现的图像由第四路径长度改变部件接收)是第一Fov后面的FoV。结果是，在样品在正向扫描方向上光栅扫描时以及在反向扫描方向上进行光栅扫描时均可实现预测和重新检查。

可选的，当在当前成像FoV上出现的图像穿过中心区域时，通过对捕获穿过第四路径长度改变部件之后的这种图像所得到的附加聚焦带进行分析，评估紧靠当前成像FoV后面的FoV上出现的图像上已经执行的聚焦的准确性。

可选地，第三旋转轴是第一旋转轴，第四旋转轴是第二旋转轴。

如所公开的，由于包括预测聚焦装置，优选的，该图像扫描系统进一步包括初始传感器，用于对出现在当前成像FoV上的图像进行成像。该初始传感器相对于捕获出现在当前成像FoV上的图像的成像传感器具有一个或多个好处。该一个或多个好处包括下面项中的一个或多个：成像分辨率更高；成像分辨率可控；光敏性更高；成像噪声值更低；以及在专用波长范围内的光谱敏感性更高。

本发明还公开了一种图像扫描系统中用于获得预测聚焦的装置，其中用于图像扫描系统中的光路径长度改变板不包括中心区域。

附图说明

图1示出了根据本发明一实施例的具有用于实现预测聚焦的单元的图像扫描系统。

图2示出根据本发明一实施例的光路径长度改变板，该光路径长度改变板提供了多个路径长度改变部件，每个路径长度改变部件使得聚焦平面以特定方向倾斜，其中该光路径长度改变板使用在图1所示的图像扫描系统中。

图3示出路径长度改变部件和图像传感器可用于通过分析在被捕获的图像中最尖锐部的位置来预测聚焦是否实现。

图4示出不同的FoV由光路径长度改变板的不同的部分(中心区域和不同的路径长度改变部件)来接收。

图5a提供了一个实施例，用以演示在以正向扫描方向光栅扫描该样品时预测聚焦、聚焦预测的重新检查和聚焦性能的评估是如何可实现的。

图5b提供了一种实施例，用以演示在以反向扫描方向光栅扫描该样品时预测聚焦、聚焦预测的重新检查和聚焦性能的评估是如何可实现的。

图6示出根据本发明一实施例的光路径长度改变板，该光路径长度改变板提供了多个路径长度改变部件，每个路径长度改变部件使得聚焦平面以特定方向倾斜，其中该路径长度改变部件与图2中所示的改变部件定向不同。

图7示出根据本发明另一实施例的光路径长度改变板，该光路径长度改变板不具有中心区域。

图8示出光学设备的实例，该光学设备与图7的路径长度改变板一起使用，以在入射光束出现在板上之前从该入射光束中去掉当前成像FoV上出现的图像。

图9提供光路径长度改变板的实例，其中其中心区域被加厚。

图10提供光路径长度改变板的另一实例，其中其中心区域被加厚。

具体实施方式

本发明的一方面在于提供一种用于在图像扫描系统中实现预测聚焦的装置。该图像扫描系统构造成通过将该样品分成FoV阵列而扫描该样品。聚焦单独施加到每个FoV上，作为FoV行设置的FoV阵列以光栅扫描方式进行扫描。图1示出一种图像扫描系统，其包括根据所公开的装置的实施例。

图像扫描系统100构造成扫描放置在样品座185上的样品180。样品座185由座驱动器172驱动，以便以光栅扫描的方式移动该样品180，并且使得样品180上的FoV为成像精确定位。FoV由采用聚光透镜142所产生的探照光束186进行照射，以便将光源140所产生的光束进行聚集。在穿过FoV之后，探照光束186承载FoV上出现的图像，并由物镜144进行处理，用于放大该图像。

该图像扫描系统100还包括用于实现预测聚焦的装置190。该预测聚焦装置190采用用于光学调节探照光束186的聚焦机构，以便使得样品180上的FoV可以聚焦。作为一个实施例，聚焦机构可由致动器135来实现，用于移动物镜144、使得物镜144与样品180之间的距离被调节以便使得样品180的FoV可以被聚焦。

在探照光束186由致动器135光学调节之后，分光器106引导探照光束186的第一部分，通常为其次要部分，到预测聚焦装置190中的光学器件级联上，用于预测光调节量。探照光束186的剩余部分，通常为其主要部分，指向第一中继透镜146，使得FoV上出现并由探照光束186的这种剩余部分承载的图像聚焦到用于成像的初始传感器160上。

根据本发明的实施例，该预测聚焦装置190包括光路径长度改变板110和成像传感器120，两者均定位成基本与图像扫描系统100的光轴105垂直。板110这样进行构造，使得在沿着光轴105的方向行进通过板110的单个光束在由板110引入的光路径长度中经历改变。成像传感器120用于捕获在该光束行进通过板110之后由探照光束186的第一部分形成的图像。光轴105构造成指向探照光束186的第一部分行进的方向。探照光束186的第一部分穿过第二中继透镜107，用于将探照光束186的第一部分聚焦到成像传感器120上。

图2更详细地示出光路径长度改变板110。该光路径长度改变板110包括板110上的多个路径长度改变部件231-234。尽管图2示出存在四个路径长度改变部件231-234，但是本发明并不局限于这个特定数量的路径长度改变部件。根据本发明，并且如下文说明书中可以明显表示的，至少两个路径长度改变部件用于光路径长度改变板。路径长度改变部件231-234定位成基本远离板的中心，以便形成板110的中心区域210。将路径长度改变部件231作为全部路径长度改变部件231-234的代表进行演示。该改变部件231具有光接收表面。此外，改变部件231构造成在第一多个光束在沿着光轴105的方向上行进到光接收表面241时提供穿过光接收表面241的光路径长度。改变部件231的这种设置的期望结果是由第一多个光束形成的第一图像的聚焦平面以倾斜角相对于成像传感器120进行旋转，因此使得由第一多个光束形成并投射到成像传感器120上的第一投射图像可以用于预测实现聚焦所需要的光调节量。聚焦控制器130可用于根据所述第一投射图像预测该光调节量。

图3示出通过具有与成像传感器倾斜的聚焦平面而容易预测该光调节量。路径长度改变部件310位于成像传感器120的图像传感部320的前面。当将要被捕获的图像聚焦时，图像产生第一聚焦平面330。由于第一聚焦平面330相对于图像传感部320具有倾斜角，因此所得的捕获图像具有不均匀清晰度。该不均匀度反映在第一清晰度曲线380中。如第一清晰度曲线380所示，所捕获的图像的最尖锐部分的位置出现的在特定的参考位置390上。该参考位置390可由本领域技术人员在实现聚焦的假设情况下来预测出。当将要捕获的图像未聚焦时，得到第二聚焦平面335。第二聚焦平面335偏离于第一聚焦平面330的位置，结果是形成与第一清晰度曲线380不同的对应的第二清晰度曲线385。参考位置390和第二清晰度曲线385中示出的最高的尖锐点位置之间的距离，与最高的尖锐点的偏移方向一起，可用于估计实现聚焦所要求的光功率量。

参考图2。对于特定的路径长度改变部件231，穿过其中的光束的聚焦平面绕着第一参考轴264旋转，其中第一参考轴264垂直于光轴105。穿过路径长度改变部件233的光束的聚焦平面也绕着第一参考轴264进行旋转。同样值得注意的是，穿过路径长度改变部件231，233中任一个的光束的聚焦平面在沿着第二参考轴262的方向上倾斜。第二参考轴262与光轴105垂直。此外，第一参考轴264和第二参考轴262互相垂直。以类似的方式，用于穿过路径长度改变部件232，234中任一个的光束的聚焦平面绕着第二参考轴262旋转。等效地，该聚焦平面在沿着第一参考轴264的方向上倾斜。概括而言，每个路径长度改变部件231-234或者绕着第一参考轴264或者绕着第二参考轴262旋转。

有利的是，优选的是路径长度改变部件231-234中的至少一个构造成绕着第一参考轴264旋转第一图像的聚焦平面，路径长度改变部件231-234中的至少一个构造成绕第二参考轴262旋转第一图像的聚焦平面。这种设置能够使用单个成像传感器120，同时可以具有用于实现聚焦的多个方向(在沿着第一参考轴264和沿着第二参考轴262的方向上的聚焦平面倾斜来提供)。

图4描述了板110的不同元件(中心区域210和路径长度改变部件231-234)和样本180上的不同FoV之间的对应关系。不同的FoV包括成像FoV461和多个聚焦FoV471-474。出现在成像FoV461上的图像将要进行聚焦并且将要成像，同时预测聚焦装置190将要预测用于聚焦至少一个聚焦FoV471-474中的图像所要求的光调节量。板110进一步构造如下。中心区域210和所有的路径长度改变部件231-234位于板110上并且这样进行构造：出现在第一FoV上的图像，其中第一FoV是样本180上的一个FoV，由中心区域210接收，指示第一FoV将要被成像以使得第一FoV对应于成像FoV461；并且在样本180上的与第一FoV相邻的第二FoV上出现的图像由路径长度改变部件231-234中的一个部件的光接收表面接收，这样第二FoV对应于该聚焦FoV471-474中的一个。其带来如下优点。当出现在第一FoV上的图像由用于成像的成像传感器120捕获时，可以使得在穿过板110之后出现在第二FoV上的图像基本同时由成像传感器120捕获，用于预测为实现出现在第二FoV上的图像上的聚焦而要求的光调节量。

注意，成像传感器120或初始传感器160可用于捕获在成像FoV461上出现的图像。然而，优选并且高度期望的是，使用初始传感器160代替成像传感器120来捕获成像FoV461的图像，这是因为如下的一个或多个优点。该一个或多个优点包括下列中的一个或多个：成像分辨率更高；成像分辨率可控；光敏性更高；成像噪声值更低；以及专用波长范围上光谱敏感性更高。

在成像传感器120用于捕获成像FoV461上出现的图像的情况下，优选地，中心区域210被构造成在第二多个光束沿着光轴105的方向上行进进入中心区域210时，在穿过该中心区域210的光路径长度上提供基本恒定的改变。关于中心区域210的这样的构造的所需结果是由第二多个光束形成的第二图像具有聚焦平面，其可选地可调整以与成像传感器120重合。由此使得要被聚焦的第二图像被用于成像的成像传感器120捕获。这种光调节还由致动器135实现。还应注意到路径长度改变部件231-234提供光路径长度的改变，从而经过这些改变部件231-234中的任意个的图像的焦平面偏移离开板110。为了识别这种偏移的发生，优选地，板110的中心区域210加厚，从而成像FoV461上出现的图像在聚焦FoV471-474的聚焦探测范围内具有对应的焦平面。这种板的一个实例如图9中所示。光路径长度改变板900具有多个路径长度改变部件931-934和已加厚的中心区域910。中心区域910通过包含从板900的膨胀部940的表面945升起的中心区域910的上表面915加厚，其中上表面915被构造为接收用于中心区域910的光。

在另一选择中，初始传感器160用于成像在成像FoV461上出现的图像。其遵循成像传感器120仅用于捕获每个路径长度改变部件231-234上出现的图像。这种情况下，成像传感器120可以通过包括多个组件图像感应部件实现。组件图像感应部件中的每一个都被构造成在穿过路径长度改变部件中的一个之后捕获图像。分配组件图像感应部件以捕获成像FoV461上出现的图像并非是必要的。

在预测聚焦装置的优选结构中，预测聚焦包括两个阶段：预测阶段和重新检查阶段。可选地，在对成像FoV成像之后可以包含评估聚焦性能的阶段。图5a给出了这样的实例，其演示出当样本180在正向扫描方向511上被光栅扫描时，焦距预测、聚焦预测的重新检查和聚焦性能的评估是如何可实现的。在图5b中，给出了另一个类似的实施例，其给定为在反向扫描方向512上进行光栅扫描。

如本文中所使用的，正向扫描方向511限定为这样的扫描方向：当样本180放置在样本座185上时，样本180的FoV从左至右并从上到下进行扫描。同样，反向扫描方向512在本说明书和所附权利要求的本文中限定为这样的方向，使得样本180在放置在样本座185上时，样本180的FoV从右至左并且从下至上进行扫描。如本文中所使用的那样，特定的第一FoV位于特定的第二FoV“前面”表示样本上第一FoV和第二FoV之间的位置关系，并且从某种意义上解释为在正向扫描方向样本的光栅扫描中，第二FoV在第一FoV聚焦和成像之前进行聚焦和成像(如以上限定的成像FoV)。同样，本文中限定为特定的第一FoV在特定的第二FoV“后面”表示样本上第一FoV和第二FoV之间的位置关系，并且从某种意义上解释为在正向扫描方向样本的光栅扫描中，第一FoV在第二FoV聚焦和成像之前进行聚焦和成像(如成像FoV)。注意，正向扫描方向，而不是反向扫描方向，在解释“前面”和“后面”的意思中进行参考。

参考图5a。多个FoV在正向扫描方向511上进行光栅扫描。当前被聚焦和成像的FoV是成像FoV461(称作当前成像FoV)。聚焦FoV471-474与当前成像FoV461相邻。

预测阶段演示如下。注意聚焦FoV472是当前成像FoV461前面的一排，这样当当前成像FoV461被已聚焦成像时，聚焦FoV472上的图像未被聚焦和成像。在当前成像FoV461被成像的同时，聚焦FoV472上的图像可以穿过板110的路径长度改变部件232，这样，为了聚焦的目的，该图像的聚焦平面相对于成像传感器120倾斜。聚焦平面在方向552上倾斜，并且该倾斜由聚焦平面绕着第一旋转轴旋转而提供，该第一旋转轴或者是第一参考轴264或者是第二参考轴262。因此得到第一聚焦带542。如本文所用的那样，聚焦带是在由用于聚焦FoV的图像传感器120捕获的图像之上基本具有最高清晰度的带。第一聚焦带542用于预测光调节量，其中该光调节量要求为在座驱动器172启动一排样品180并且将样本180定位成初始聚焦FoV472成为用于成像的当前成像FoV时使得聚焦FoV472上的图像进行聚焦。

重新检查的阶段演示如下。由于正向扫描方向511上的光栅扫描，在原始聚焦FoV472变成用于成像的当前成像FoV之前，必须使得该原始聚焦FoV472首先变成聚焦FoV471。出现在聚焦FoV471上的图像穿过板110的路径长度改变部件231，使得该图像聚焦平面在方向551上倾斜。该倾斜由聚焦平面绕着第二旋转轴旋转而提供，该第二旋转轴垂直于该第一旋转轴。产生第二聚焦带541，其具有沿着第二旋转轴的方向。当所要求的用于实现聚焦的光调节量已经在预测阶段进行预测时，该第二聚焦带541用于重新检查该预测量是否令人满意地实现聚焦，并且通过分析该第二聚焦带541来精确协调该预测量，该第二聚焦带541具有垂直于方向552的方向551。用于第一聚焦带542和第二聚焦带541的一对正交方向551、552的使用具有如下优点。由于第一聚焦带542是窄带，有可能该聚焦带542缺少是聚焦预测准确所必须的对比细节。该情况例如在聚焦FoV472的特定区域是空的情况下发生，该特定区域上获得第一聚焦带542。另一方面，第一聚焦带542和第二聚焦带541缺少对比细节的可能性显著降低许多。因此通过重新检查阶段，可以增强聚焦预测精度和鲁棒性。

通过聚焦FoV472，471而实现的功能可等效演示如下。当出现在当前成像FoV461上的图像穿过中心区域210时，也会发生下面的两个动作。首先，实现聚焦出现在聚焦FoV472上的图像所需要的光调节量通过分析第一聚焦带542而进行预测，其中聚焦FoV472是当前成像FoV461前面的一排，第一聚焦带542通过捕获穿过路径长度改变部件232之后的这种图像而获得。第二，要求实现聚焦出现在聚焦FoV231上的图像所需要的已经预测的功率调节量通过分析第二聚焦带541而进行重新检查，其中聚焦FoV231是当前成像FoV461前面，例如紧靠前面的一个FoV，第二聚焦带541通过捕获在穿过路径长度改变部件231之后的这种图像得到。第二聚焦带541在方向上垂直于第一聚焦带542。

可选的评估阶段表示如下。聚焦FoV473(其是当前成像FoV461后面的一个FoV)上出现有在当前成像FoV461成像之前已经被捕获的图像。当出现在当前成像FoV461上的图像穿过中心区域210时，可以通过分析附加聚焦带543评估在聚焦FoV473上出现的图像上已经进行的聚焦的准确性，所述附加聚焦带543在穿过路径长度改变部件233之后通过捕获这种图像(出现在聚焦FoV473上)获得。一旦已经进行的聚焦的准确性低于可接受的值，则聚焦控制器130可以指示座驱动器172使一个FoV移动返回，从而原始聚焦FoV473成为当前成像FoV461，用于重新聚焦和重新捕获该当前成像FoV461上的图像。

参考图5b，其中光栅扫描在反向扫描方向512上完成。该聚焦FoV474是在当前成像FoV461后面的一排，同时聚焦FoV473是当前成像FoV461后面的一个FoV。该聚焦FoV474的功能与聚焦FoV472在预测阶段的相同，而聚焦FoV473的功能与聚焦FoV471在重新检查阶段相同。接下来是通过在板110中包括四个路径长度改变部件431-434，因此对于样本180光栅扫描的正向扫描方向511和反向扫描方向512均可实现预测阶段和重新检查阶段。

在一个实施例中，如图5a和5b所示，对应于聚焦FoV474的第三聚焦带544基本平行于第一聚焦带542，对应于聚焦FoV473的第四聚焦带543基本平行于第二聚焦带541。接下来是，穿过路径改变部件234的图像的聚焦平面在沿着第一旋转轴的方向上进行旋转。同样，穿过路径改变部件233的图像的聚焦平面在沿着第二旋转轴的方向上进行旋转。

如图4、5a和5b所示，板110具有四个路径长度改变部件231-234，其被构造为使得这些路径长度改变部件231-234中的任意相邻的两个具有相互垂直的聚焦带。如上面讨论的，四个改变部件231-234的这种安排允许在样品180的光栅扫描中沿正向扫描方向511和反向扫描方向512支持预测聚焦。如果正向扫描方向511或反向扫描方向512中的扫描被称作x方向的扫描，则前述安排的另一优点在于也支持预设聚焦用于在y方向上扫描，也就是，沿FoV的阵列中的列而非行进行扫描。沿y方向的扫描为图像扫描系统100的实现提供额外的选项。例如相比于正向扫描方向511或反向扫描方向512中的光栅扫描的慢速扫描选项，沿y方向的扫描可以被构造为快速扫描的选项。

图6提供了与图2中所示的板不同的光路径长度改变板的另一个实例。光路径长度改变板600包括多个路径长度改变部件631-634。改变部件631-634定向为不同于图2中所示的板110的改变部件231-234。图10提供了光路径长度改变板的另一个实例。板1000具有多个路径长度改变部件1031-1034和被加厚的中心区域1010。

图7提供光路径长度改变板的另一个构造。该构造与图2所示的板110的不同之处为原始的位于板110中的中心区域210基本上从该构造中移除。该构造的优点在于，成像传感器120能够被制造得更小，由此减少实现图像扫描系统100的成本。

参照图7，光路径长度改变板700包括多个路径长度改变部件731-734.改变部件731-734被紧密地包裹，从而在板700上基本没有中心区域。光轴105、第一参考轴264和第二参考轴262也显示在图7中作为参考。板700的改变部件731、732、733、734分别对应于板110的改变部件231、232、233、234。具有使用板700的预测聚焦装置的图像扫描系统的操作基本上与使用图2的板110的图像扫描系统100的操作相同，只除了当前成像FoV461上出现的图像不穿过任何中心区域而是由初始传感器160成像或捕获。但是，由于板700中没有中心区域，需要光学设备以在承载当前FoV461的图像和聚焦FoV471-474的图像的光束出现在板700上之前，处理这些光束。具体地，光学设备被构造为基本上从这些光束去除当前成像FoV461上出现的图像。图8示出了该光学设备的实例。光学设备820(其为透镜和反射镜的组合)用于处理从分光器810(对应于图1中的分光器106)反射的光束。处理的光束出现在构造为板700的光路径长度改变板830。

本发明可以以其他特定的形式来实施而不脱离其精神或主要特点。本实施例因此考虑为作为演示的各个方面并且不是限制性的。本发明的范围由所附权利要求来显示，而不是由前面的说明书来显示，并且因此进入到权利要求等效物意思和范围内的所有改变旨在包括其中。

Claims (20)

1.一种用于在图像扫描系统中实现预测聚焦的装置，该图像扫描系统构造成通过将样本分成视场(FoV)阵列而扫描该样本，其中聚焦单独施加到每个FoV上，并且其中作为FoV行设置的FoV阵列以光栅扫描方式进行扫描，该装置包括：

光路径长度改变板，该光路径长度改变板在板上包括多个路径长度改变部件，该板定位成垂直于该图像扫描系统的光轴，借此在沿着光轴的方向上行进通过该板的单个光束在由该板引入的光路径长度上经过一个变化；以及

成像传感器，该成像传感器定位成垂直于光轴，用于感测在光束行进通过该板之后由这种光束形成的图像；

其中：

该路径长度改变部件定位成远离该板中心，以便形成该板的中心区域；

每个路径长度改变部件具有光接收表面并构造成当第一多个光束在沿着光轴的方向上行进到光接收表面时，在穿过该光接收表面的光路径长度上提供不均匀的变化，这样由第一多个光束形成的第一图像的聚焦平面以相对于成像传感器一个倾斜角度而旋转，该第一图像的聚焦平面或者绕着第一参考轴或者绕着第二参考轴进行旋转，其中第一参考轴垂直于光轴，第二参考轴既垂直于光轴也垂直于第一参考轴，借此使得由第一多个光束形成并投射到成像传感器上的第一投射图像用于预测实现聚焦所需的光调节量；以及

该中心区域和该路径长度改变部件位于该板上，并且这样进行构造：出现在第一FoV上的图像由中心区域接收，出现在第二FoV上的图像由一个路径长度改变部件的光接收表面接收，其中所述第一FoV是样本上的一个FoV，第二FoV与样本上的第一FoV相邻，借此当出现在第一FoV上的图像被捕获以用于成像时，可以使得在穿过该板之后的第二FoV上出现的图像同时由成像传感器捕获，用于预测在第二FoV上出现的图像实现聚焦所需要的光调节量。

2.如权利要求1的装置，其中：

该路径长度改变部件的至少一个部件构造成绕着第一参考轴旋转该第一图像的聚焦平面；以及

该路径长度改变部件的至少一个部件构造成绕着第二参考轴旋转该第一图像的聚焦平面。

3.如权利要求1的装置，其中该装置还包括聚焦控制器，用于根据成像传感器捕获的第一投射图像来预测实现聚焦所需的光调节量，并且其中该聚焦机构包括移动物镜的致动器，以便通过调节物镜与样品之间的距离驱动样本被聚焦。

4.如权利要求1的装置，其中：

该路径长度改变部件的第一个，称作第一路径长度改变部件，构造成绕着第一旋转轴旋转第一图像的聚焦平面，借此作为成像传感器所捕获的用于预测所需要的光调节量的第一图像的第一聚焦带具有沿着第一旋转轴的方向，其中第一旋转轴或者为第一参考轴或者为第二参考轴；

该路径长度改变部件的第二个，称作第二路径长度改变部件，构造成绕着第二旋转轴旋转第一图像的聚焦平面，借此作为成像传感器所捕获的用于预测所需要的光调节量的第一图像的第二聚焦带具有沿着第二旋转轴的方向，其中第二旋转轴垂直于第一旋转轴；

该第一路径长度改变部件定位成与中心区域相邻，使得第三FoV是第一FoV前面的一行，其中第三FoV上出现的图像由第一路径长度改变部件接收；

第二路径长度改变部件定位成与中心区域相邻，使得第四FoV是第一Fov前面的一个FoV，其中该第四FoV上出现的图像由第二路径长度改变部件接收；

由此，当出现在当前成像FoV上的图像穿过该中心区域时，通过分析在穿过该第一路径长度改变部件之后捕获这种图像所得到的第一聚焦带而预测实现当前成像FoV前面的一行FoV上出现的图像聚焦所需要的光调节量，并且通过分析在穿过该第二路径长度改变部件之后捕获这种图像所得到的第二聚焦带而重新检查实现紧靠当前成像FoV前面的FoV上出现的图像聚焦所需要的已经预测的光调节量，第二聚焦带在方向上垂直于第一聚焦带。

5.如权利要求4的装置，其中：

该路径长度改变部件的第三个，称作第三路径长度改变部件，构造成绕着第三旋转轴旋转第一图像的聚焦平面，该第三旋转轴或者为第一参考轴或者为第二参考轴；

该路径长度改变部件的第四个，称作第四路径长度改变部件，构造成绕着第四旋转轴旋转第一图像的聚焦平面，其中第四旋转轴垂直于第三旋转轴；

该第三路径长度改变部件定位成与中心区域相邻，这样第五FoV是第一FoV后面的一行，其中第五FoV上出现的图像由第三路径长度改变部件接收；

该第四路径长度改变部件定位成与中心区域相邻，这样第六FoV是第一FoV后面的一个FoV，其中第六FoV上出现的图像由第四路径长度改变部件接收；

由此当样本在正向扫描方向进行光栅扫描以及样本在反向扫描方向进行光栅扫描时均可实现预测和重新检查。

6.如权利要求5的装置，当在当前成像FoV上出现的图像穿过中心区域时，通过对捕获穿过第四路径长度改变部件之后的这种图像所得到的附加聚焦带进行分析，评估紧靠当前成像FoV后面的FoV上出现的图像上已经执行的聚焦的准确性。

7.如权利要求5的装置，其中该第三旋转轴是第一旋转轴，并且第四旋转轴是第二旋转轴。

8.如权利要求1的装置，其中中心区域被构造成在第二多个光束沿着光轴的方向行进进入中心区域时，对穿过该中心区域的光路径长度提供恒定的改变，使得由第二多个光束形成的第二图像具有聚焦平面，其可选地通过装置的聚焦机构进行调整，以与成像传感器重合，由此使得要被聚焦的第二图像被成像传感器捕获。

9.一种图像扫描系统，构造成通过将样本分成视场(FoV)阵列而扫描该样本，其中聚焦单独施加到每个FoV上并且其中作为FoV行设置的FoV阵列以光栅扫描方式进行扫描，该图像扫描系统包括：

根据权利要求1的用于在图像扫描系统中实现预测聚焦的装置；以及

用于成像出现在第一FoV上的图像的初始传感器。

10.如权利要求9的图像扫描系统，其中该初始传感器在捕获第一FoV上出现的图像方面相对于成像传感器具有一个或多个优点，所述一个或多个优点包括：成像分辨率更高、成像分辨率可控、光敏性更高、成像噪声值更低、以及在专用波长范围上光谱敏感性更高中的一个或多个。

11.一种图像扫描系统，构造成通过将样本分成视场(FoV)阵列而扫描该样本，其中聚焦单独施加到每个FoV上并且其中作为FoV行设置的FoV阵列以光栅扫描方式进行扫描，该图像扫描系统包括：

根据权利要求4的用于在图像扫描系统中实现预测聚焦的装置；以及

用于成像出现在第一FoV上的图像的初始传感器。

12.如权利要求11的图像扫描系统，其中该初始传感器在捕获第一FoV上出现的图像方面相对于成像传感器具有一个或多个优点，所述一个或多个优点包括：成像分辨率更高、成像分辨率可控、光敏性更高、成像噪声值更低、以及在专用波长范围上光谱敏感性更高中的一个或多个。

13.一种图像扫描系统，构造成通过将样本分成视场(FoV)阵列而扫描该样本，其中聚焦单独施加到每个FoV上并且其中作为FoV行设置的FoV阵列以光栅扫描方式进行扫描，该图像扫描系统包括：

根据权利要求5的用于在图像扫描系统中实现预测聚焦的装置；以及

用于成像出现在第一FoV上的图像的初始传感器。

14.一种图像扫描系统，该图像扫描系统构造成通过将样本分成视场(FoV)阵列而扫描该样本，其中聚焦单独施加到每个FoV上，并且其中作为FoV行设置的FoV阵列以光栅扫描方式进行扫描，该图像扫描系统构造成达到预测聚焦，该图像扫描系统包括：

光路径长度改变板，该光路径长度改变板在板上包括多个路径长度改变部件，该板定位成垂直于该图像扫描系统的光轴，借此在沿着光轴的方向上行进通过该板的单个光束在由该板引入的光路径长度上经过一个变化；

成像传感器，该成像传感器位于垂直于光轴，用于感测在光束行进通过该板之后由这种光束形成的图像；以及

初始传感器，用于在所述图像实现聚焦之后成像出现在FoV中的一个上的图像，所述FoV中的一个被称作第一FoV；

其中：

每个路径长度改变部件具有光接收表面并构造成当第一多个光束在沿着光轴的方向上行进到光接收表面时，在穿过该光接收表面的光路径长度上提供不均匀的变化，这样由第一多个光束形成的第一图像的聚焦平面以相对于成像传感器一个倾斜角度而旋转，该第一图像的聚焦平面或者绕着第一参考轴或者绕着第二参考轴进行旋转，其中第一参考轴垂直于光轴，第二参考轴既垂直于光轴也垂直于第一参考轴，借此使得由第一多个光束形成并投射到成像传感器上的第一投射图像用于预测实现聚焦所需的光调节量；以及

该路径长度改变部件位于该板上，并且这样进行构造：出现在第二FoV上的图像由一个路径长度改变部件的光接收表面接收，第二FoV与样本上的第一FoV相邻，借此当出现在第一FoV上的图像被用于成像的初始传感器捕获以用于成像时，可以使得在穿过该板之后的第二FoV上出现的图像同时由成像传感器捕获，用于预测在第二FoV上出现的图像上实现聚焦所需要的光调节量。

15.如权利要求14的图像扫描系统，其中：

该路径长度改变部件的至少一个部件构造成绕着第一参考轴旋转第一图像的聚焦平面；以及

该路径长度改变部件的至少一个部件构造成绕着第二参考轴旋转第一图像的聚焦平面。

16.如权利要求14的图像扫描系统，其中该图像扫描系统还包括聚焦控制器，用于根据成像传感器捕获的第一投射图像来预测实现聚焦所需的光调节量，并且其中该聚焦机构包括移动物镜的致动器，以便通过调节物镜与样品之间的距离驱动样本被聚焦。

17.如权利要求14的图像扫描系统，其中：

该路径长度改变部件的第一个，称作第一路径长度改变部件，构造成绕着第一旋转轴旋转第一图像的聚焦平面，借此作为成像传感器所捕获的用于预测所需要的光调节量的第一图像的第一聚焦带具有沿着第一旋转轴的方向，其中第一旋转轴或者为第一参考轴或者为第二参考轴；

该路径长度改变部件的第二个，称作第二路径长度改变部件，构造成绕着第二旋转轴旋转第一图像的聚焦平面，借此作为成像传感器所捕获的用于预测所需要的光调节量的第一图像的第二聚焦带具有沿着第二旋转轴的方向，其中第二旋转轴垂直于第一旋转轴；

该第一路径长度改变部件定位成使得第三FoV是第一FoV前面的一行，其中第三FoV上出现的图像由第一路径长度改变部件接收；

第二路径长度改变部件定位成使得第四FoV是第一Fov前面的一个FoV，其中该第四FoV上出现的图像由第二路径长度改变部件接收；

由此，当出现在当前成像FoV上的图像由初始传感器捕获时，通过分析在穿过该第一路径长度改变部件之后由捕获这种图像所得到的第一聚焦带而预测实现当前成像FoV前面的一行FoV上出现的图像聚焦所需要的光调节量，并且通过分析在穿过该第二路径长度改变部件之后由捕获这种图像所得到的第二聚焦带而重新检查实现紧靠当前成像FoV前面的FoV上出现的图像聚焦所需要的已经预测的光调节量，第二聚焦带在方向上垂直于第一聚焦带。

18.如权利要求17的图像扫描系统，其中：

该路径长度改变部件的第三个，称作第三路径长度改变部件，构造成绕着第三旋转轴旋转第一图像的聚焦平面，该第三旋转轴或者为第一参考轴或者为第二参考轴；

该路径长度改变部件的第四个，称作第四路径长度改变部件，构造成绕着第四旋转轴旋转第一图像的聚焦平面，其中第四旋转轴垂直于第三旋转轴；

该第三路径长度改变部件定位成使得第五FoV是第一FoV后面的一行，其中第五FoV上出现的图像由第三路径长度改变部件接收；

该第四路径长度改变部件定位成使得第六FoV是第一FoV后面的一个FoV，其中第六FoV上出现的图像由第四路径长度改变部件接收；

由此当样本在正向扫描方向进行光栅扫描以及样本在反向扫描方向进行光栅扫描时均可实现预测和重新检查。

19.如权利要求18的图像扫描系统，当在当前成像FoV上出现的图像由初始传感器捕获时，通过对捕获穿过第四路径长度改变部件之后的这种图像所得到的附加聚焦带进行分析，评估紧靠当前成像FoV后面的FoV上出现的图像上已经执行的聚焦的准确性。

20.如权利要求18的图像扫描系统，其中该第三旋转轴是第一旋转轴，并且第四旋转轴是第二旋转轴。