CN104317041B - 一种自聚焦光路系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自聚焦光路系统，其包括对焦光源、集光镜、挡片、聚光镜、第一物镜或第一物镜组件、第二物镜及相机，所述集光镜位于所述对焦光源和挡片之间，所述挡片位于所述聚光镜和集光镜之间，所述对焦光源位于所述集光镜的焦面上，所述挡片位于所述聚光镜物方焦平面上。与现有技术相比，本发明的自聚焦光路系统，其对焦精准，也可缩短对焦回程距离，节约对焦时间，并且能够有效避免第一物镜或第一物镜组件与探测目标相撞的情况出现。

Description

一种自聚焦光路系统

【技术领域】

本发明涉及显微镜领域，尤其涉及一种自聚焦光路系统。

【背景技术】

光学显微镜由载物台、照明系统、物镜，目镜和调焦机构等组成。利用调焦控制器可以驱动调焦机构，使物镜升降运动，从而使被观察物体能清晰成象。

以前在电动平移台上下移动物镜进行自动对焦过程中，相机为了准确判定最佳清晰成像点，电动平移台在移动到最佳对焦点后还会移动一段距离S，在使用高倍物镜时，由于物镜工作距离很短，在移动S这段距离时可能会出现物镜与探测目标相撞的情况；并且由于电动平移台在整个过程中移动较慢，对焦过程中较费时间，如果平移台移动较快又会影响对焦精度和出现物镜与探测目标相撞的情况。

因此，有必要对现有技术提出一种新的改进方案。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种自聚焦光路系统，其对焦精准，节约对焦时间，并且能够避免物镜与探测目标相撞的情况出现。

为了解决上述问题，本发明提供了一种自聚焦光路系统，其包括对焦光源、集光镜、挡片、聚光镜、第一物镜或第一物镜组件、第二物镜及相机，所述集光镜位于所述对焦光源和挡片之间，所述挡片位于所述聚光镜和集光镜之间，所述对焦光源位于所述集光镜的焦面上，所述挡片位于所述聚光镜物方焦平面上，

自聚焦时，所述对焦光源打开，所述对焦光源产生的光束依次经过所述集光镜、所述挡片、所述聚光镜、第一物镜或第一物镜组件投射到探测目标上以形成挡片像，在探测目标上的挡片像再经第一物镜或第一物镜组件和第二物镜成像在相机上，所述相机感应所述挡片像得到挡片图像，

基于挡片图像的清晰度来逐步调整第一物镜或第一物镜组件的位置直到所述挡片图像的清晰度为最高。

作为本发明一个优选的实施例，其还包括有：图像处理单元、对焦控制单元和对焦驱动单元，

所述对焦驱动单元，以预定步长来逐步调整所述第一物镜或第一物镜组件相对于所述探测目标的距离，所述相机在所述第一物镜或第一物镜组件的每个位置都得到该位置对应的挡片图像，

所述图像处理单元对第一物镜或第一物镜组件的每个位置的挡片图像进行图像分析以得到所述挡片图像的清晰度，

所述对焦控制单元基于第一物镜或第一物镜组件的各个位置的挡片图像的清晰度找到最高清晰度的挡片图像对应的第一物镜或第一物镜组件的位置，并控制所述对焦驱动单元将第一物镜或第一物镜组件调整至最高清晰度的挡片图像对应的第一物镜或第一物镜组件的位置。

作为本发明一个优选的实施例，自聚焦开始时，所述对焦控制单元控制所述对焦驱动单元将第一物镜或第一物镜组件驱动至远离所述探测目标的初始位置，

在自聚焦开始后，所述对焦控制单元控制所述对焦驱动单元以预定步长将第一物镜或第一物镜组件逐步朝向所述探测目标移动，此时所述对焦控制单元基于依次得到的第一物镜或第一物镜组件的各个位置的挡片图像的清晰度确定所述挡片图像的清晰度是否已经经过最高值，在确定所述挡片图像的清晰度已经最高值后，所述对焦控制单元控制所述对焦驱动单元以预定步长将第一物镜或第一物镜组件逐步远离所述探测目标移动直到到达最高清晰度的挡片图像对应的第一物镜或第一物镜组件的位置。

进一步的，本发明一种自聚焦光路系统，其包括对焦光源、集光镜、第一挡片、第二挡片、聚光镜、第一物镜或第一物镜组件、第二物镜及相机，所述集光镜位于所述对焦光源和第一挡片之间，所述第一挡片和第二挡片位于所述聚光镜和集光镜之间，所述对焦光源位于所述集光镜的焦面上，所述第一挡片位于所述聚光镜物方焦平面上，

自聚焦时，所述对焦光源打开，所述对焦光源产生的光束依次经过所述集光镜、第一挡片、第二挡片、聚光镜、第一物镜或第一物镜组件投射到探测目标上以形成第一挡片像和第二挡片像，在探测目标上的第一挡片像和第二挡片像再经第一物镜或第一物镜组件和第二物镜成像在相机上，所述相机感应所述第一挡片像和第二挡片像得到第一挡片图像和第二挡片图像，

基于第一挡片图像和第二挡片图像的清晰度来逐步调整第一物镜或第一物 镜组件的位置直到第一挡片图像的清晰度为最高。

作为本发明一个优选的实施例，其还包括有：图像处理单元、对焦控制单元和对焦驱动单元，

所述对焦驱动单元，以预定步长来逐步调整所述第一物镜或第一物镜组件相对于所述探测目标的距离，所述相机在所述第一物镜或第一物镜组件的每个位置都得到该位置对应的第一挡片图像和第二挡片图像，

所述图像处理单元对第一物镜或第一物镜组件的每个位置的第一挡片图像和第二挡片图像进行图像分析以得到第一挡片图像的清晰度和第二挡片图像的清晰度，

所述对焦控制单元基于第一物镜或第一物镜组件的各个位置的第二挡片图像和第一挡片图像的清晰度找到最高清晰度的第一挡片图像对应的第一物镜或第一物镜组件的位置，并控制所述对焦驱动单元将第一物镜或第一物镜组件调整至最高清晰度的第一挡片图像对应的第一物镜或第一物镜组件的位置。

作为本发明一个优选的实施例，自聚焦开始时，所述对焦控制单元控制所述对焦驱动单元将第一物镜或第一物镜组件驱动至远离所述探测目标的初始位置，

在自聚焦开始后，所述对焦控制单元控制所述对焦驱动单元以第一预定步长将第一物镜或第一物镜组件逐步朝向所述探测目标移动，此时所述对焦控制单元基于依次得到的第一物镜或第一物镜组件的各个位置的第二挡片图像的清晰度确定所述第二挡片图像的清晰度是否已经经过最高值，在确定所述第二挡片图像的清晰度已经最高值后，所述对焦控制单元控制所述对焦驱动单元以第二预定步长将第一物镜或第一物镜组件逐步朝向所述探测目标移动，此时所述对焦控制单元基于依次得到的第一物镜或第一物镜组件的各个位置的第一挡片图像的清晰度确定所述第一挡片图像的清晰度是否已经经过最高值，在确定所述第一挡片图像的清晰度已经最高值后，所述对焦控制单元控制所述对焦驱动单元以第一预定步长将第一物镜或第一物镜组件逐步远离所述探测目标移动直到到达最高清晰度的第一挡片图像对应的第一物镜或第一物镜组件的位置。

作为本发明一个优选的实施例，在自聚焦完成后，关闭对焦光源，开启照明光源。

作为本发明一个优选的实施例，所述照明光源产生的光束经第二集光镜后 通过孔径光阑，经所述孔径光阑限制的光束通过所述聚光镜将光束成像在所述第一物镜或第一物镜组件的后焦面上，聚集到所述第一物镜或第一物镜组件后焦面上的光束通过所述第一物镜或第一物镜组件平行出射到探测目标上以在探测目标上形成均匀的光斑。

作为本发明一个优选的实施例，所述挡片为一个半圆片，所述挡片平面垂直于光轴，所述挡片位于所述光轴上方，所述光轴穿过所述挡片的圆心，所述挡片上开设有通孔，所述通孔占所述挡片的二分之一，所述挡片与所述第一物镜或物镜组件的物平面是呈共轭关系。

作为本发明一个优选的实施例，所述第一挡片和第二挡片均为半圆片，所述第一挡片和第二挡片的大小和形状相同，

所述第一挡片位于光轴的正上方，其平面与光轴垂直，

所述第二挡片位于光轴的正下方，其平面与光轴垂直，所述第一挡片和第二挡片沿光轴方向上相距△L呈平行设置，所述第一挡片和第二挡片之间的垂直距离等于第一挡片或第二挡片直径的三分之一。

作为本发明一个优选的实施例，自聚焦过程中图像清晰度的算法包括空域评价函数算法和频域评价函数算法，

所述空域评价函数算法的计算过程如下：所述挡片像中的每个象素点为(x,y)，梯度值为|▽f(x,y)︱，取挡片像中每一象素点的梯度值的总和为：

$\mathrm{\Σ}|\▿f(x,y)|=\mathrm{\Σ}\sqrt{{\left(\frac{\∂x}{\∂y}\right)}^2+{\left(\frac{\∂f}{\∂y}\right)}^2},$

用差分绝对值代替乘方和开方,即对点(x,y)及其邻近点的灰度作差分运算,提取该点灰度值的变化大小,得出图像灰度差分绝对值之和算子：

G＝|f(x,y)-f(x+1,y)|+f(x,y)-f(x,y+1)|

$D_0=\max \underset{x}{\mathrm{\Σ}}\underset{y}{\mathrm{\Σ}}G$

其中，D₀所对应的位置即为聚焦位置；

所述频域评价函数算法过程如下：所述挡片像的大小为M×N，其中M为挡片像的行数，N为挡片像的列数，则二维离散傅里叶变换为：

$F(u,v)=\frac{1}{\mathrm{MN}}\underset{y=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}f(x,y)\exp [-j2\mathrm{\π}(\frac{x}{M^u}+\frac{y}{N^v})]$

其傅里叶谱为

|F(u,v)|＝[R²(u,v)+I²(u,v)]^1/2

能量谱为：

P(u,v)＝|F(u,v)|²＝R²(u,v)+I²(u,v)

$F_0=\max \underset{u}{\mathrm{\Σ}}\underset{v}{\mathrm{\Σ}}P(u,v)$

其中，R(u,v)和I(u,v)分别是傅里叶变换的实部和虚部；F₀所对应的位置即为聚焦位置。

作为本发明一个优选的实施例，其还包括电磁控制单元，当自聚焦完成后，所述电磁控制单元控制所述挡片远离所述自聚焦光路系统，所述对焦光源实现照明。

作为本发明一个优选的实施例，所述电磁控制单元包括电磁铁，当自聚焦完成后，所述地磁控制单元控制所述电磁铁通电，所述电磁铁产生磁性吸附所述挡片，使得挡片远离所述自聚焦光路系统，所述对焦光源实现照明。

与现有技术相比，本发明的自聚焦光路系统，其对焦精准，也可缩短对焦回程距离，节约对焦时间，并且能够有效避免第一物镜或第一物镜组件与探测目标相撞的情况出现。

关于本发明的其他目的，特征以及优点，下面将结合附图在具体实施方式中详细描述。

【附图说明】

结合参考附图及接下来的详细描述，本发明将更容易理解，其中同样的附图标记对应同样的结构部件，其中：

图1是本发明的自聚焦光路系统在一个具体实施例中的结构示意图；

图2是图1中挡片的结构示意图；

图3是本发明的自聚焦光路系统与照明光源结合的结构示意图；

图4是图3的照明光源的光路原理示意图；

图5是本发明的自聚焦光路系统在另一个具体实施例中的结构示意图；

图6是图5中挡片的结构示意图；

图7是图6的右视图；

图8是承载本发明的自聚焦光路系统的承载主体部的结构示意图；

图9是本发明的自聚焦光路系统位于图8中承载主体部上的结构示意图；

图10是本发明的自聚焦光路系统在再一个具体实施例中的结构示意图；

图11是图10中环形光源的结构示意图；

图12为图11的剖视图，

其中，1为对焦光源、2为集光镜、3为挡片、311为通孔、4为聚光镜、5为第一物镜或第一物镜组件、6为探测目标、7为第二物镜、8为相机、9为第一分光镜、10为第一反射镜、11为第二反射镜、12为第二分光镜、13为光轴、14为第一挡片、15为第二挡片、16为照明光源、17为第二集光镜、18为第三反射镜、19为孔径光阑、20为第四反射镜、21为视场光阑、22为平板、221为开孔、23为光束、24为第一物镜或第一物镜组件的后焦面、25为环形光源、251为PCB板、252为LED芯片、253为内环挡板、254为外环挡板、255为第一环形通道、256为第三通道、26为环形单透镜、261为第二环形通道、27为暗场环形抛物面反射镜。

【具体实施方式】

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指与所述实施例相关的特定特征、结构或特性至少可包含于本发明至少一个实现方式中。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非必须都指同一个实施例，也不必须是与其他实施例互相排斥的单独或选择实施例。此外，表示一个或多个实施例的方法、流程图或功能框图中的模块顺序并非固定的指代任何特定顺序，也不构成对本发明的限制。

请参阅图1，其为本发明的自聚焦光路系统的结构示意图。所述自聚焦光路系统包括对焦光源1、集光镜2、挡片3、聚光镜4、第一物镜或第一物镜组件5、第二物镜7及相机8。所述集光镜2位于所述对焦光源1和挡片3之间，所述挡片3位于所述聚光镜4和集光镜2之间，所述对焦光源1位于所述集光镜4的焦面上，所述挡片3位于所述聚光镜4物方焦平面上。自聚焦时，所述对焦光源1打开，所述对焦光源1产生的光束依次经过所述集光镜2、所述挡片3、所述聚光镜4、第一物镜或第一物镜组件5投射到探测目标6上以形成挡片像，在 探测目标6上的挡片像再经第一物镜或第一物镜组件5和第二物镜7成像在相机8上，所述相机8感应所述挡片像得到挡片图像，基于挡片图像的清晰度来逐步调整第一物镜或第一物镜组件5的位置直到所述挡片图像的清晰度为最高。

本发明的自聚焦光路系统还包括图像处理单元(未图示)、对焦控制单元(未图示)和对焦驱动单元(未图示)。

所述对焦驱动单元，以预定步长来逐步调整所述第一物镜或第一物镜组件5相对于所述探测目标6的距离，所述相机8在所述第一物镜或第一物镜组件5的每个位置都得到该位置对应的挡片图像。

所述图像处理单元对第一物镜或第一物镜组件5的每个位置的挡片图像进行图像分析以得到所述挡片图像的清晰度。

所述对焦控制单元基于第一物镜或第一物镜组件5的各个位置的挡片图像的清晰度找到最高清晰度的挡片图像对应的第一物镜或第一物镜组件5的位置，并控制所述对焦驱动单元将第一物镜或第一物镜组件5调整至最高清晰度的挡片图像对应的第一物镜或第一物镜组件5的位置。自聚焦开始时，所述对焦控制单元控制所述对焦驱动单元将第一物镜或第一物镜组件5驱动至远离所述探测目标6的初始位置。

在自聚焦开始后，所述对焦控制单元控制所述对焦驱动单元以预定步长将第一物镜或第一物镜组件5逐步朝向所述探测目标6移动，此时所述对焦控制单元基于依次得到的第一物镜或第一物镜组件5的各个位置的挡片图像的清晰度确定所述挡片图像的清晰度是否已经经过最高值，在确定所述挡片图像的清晰度已经最高值后，所述对焦控制单元控制所述对焦驱动单元以预定步长将第一物镜或第一物镜组件5逐步远离所述探测目标6移动直到到达最高清晰度的挡片图像对应的第一物镜或第一物镜组件5的位置。

在该实施例中所述探测目标6为被检测物，在其他实施例中，该探测目标不仅限于被检测物。

请参阅图2，其为图1中挡片的结构示意图。如图1至图2所示，在该实施例中，所述挡片3为一个半圆片，所述半圆片3平面垂直于光轴13，所述半圆片3位于所述光轴13上方，所述光轴13穿过所述半圆片3的圆心，所述挡片3上开设有通孔311，所述通孔311占所述半圆片3的二分之一，所述半圆片3与所述第一物镜或物镜组件5的物平面是呈共轭关系。

自调焦时，首先将所述对焦光源1打开，所述对焦光源1产生的光束经所述集光镜2折射后变成平行光束投射到所述挡片3上，部分光束被所述挡片3遮挡，部分光束通过所述挡片3上的通孔311经聚光镜4投射到所述第一物镜或第一物镜组件5上，再经所述第一物镜或第一物镜组件5成像到被检测物6上以形成挡片像，此时挡片像在被检测物6上显示为亮面和暗面(未图示)，在被检测物6上的挡片像由被检测物6反射通过第一物镜或第一物镜组件5和第二物镜7成像在相机8上，所述相机8感应所述挡片像得到挡片图像，然后基于挡片图像的清晰度来逐步调整第一物镜或第一物镜组件5的位置直到所述挡片图像的清晰度为最高，此时即是对焦最准确的时候，关闭所述对焦光源1，完成调焦。

在自聚焦完成后，关闭对焦光源，开启照明光源。请参阅图3，其为本发明的自聚焦光路系统与照明光源结合的结构示意图。在自聚焦完成后，关闭对焦光源1，开启照明光源16。所述照明光源16产生的光束经第二集光镜17后通过孔径光阑19，经所述孔径光阑19限制的光束通过所述聚光镜4将光束成像在所述第一物镜或第一物镜组件5的后焦面上，聚集到所述第一物镜或第一物镜组件5后焦面上的光束通过所述第一物镜或第一物镜组件5平行出射到探测目标6上以在探测目标6上形成均匀的光斑。

请参阅图4，其为图3的照明光源的光路原理示意图。所述聚光镜4和第一物镜或第一物镜组件5之间设置有视场光阑21，所述照明光源16发出的光束23经过所述第二集光镜17、孔径光阑19、聚光镜4及视场光阑21成像在所述第一物镜或第一物镜组件5的后焦面24上。

在一个实施例中，本发明的自聚焦光路系统还包括电磁控制单元，所述电磁控制单元(未图示)包括电磁铁(未图示)，当自聚焦完成后，所述电磁控制单元控制所述电磁铁通电，所述电磁铁产生磁性吸附所述挡片3，使得挡片3远离所述自聚焦光路系统，此时所述对焦光源1可作为照明光源实现照明作用，不仅实现了对焦精准，而且可实现对焦光源和照明光源合二为一，节约了资源，降低了生产成本，也提高了生产效率。

请参阅图5，图5为本发明的自聚焦光路系统在另一个具体实施例中的结构示意图。如图5所示，自聚焦光路系统包括对焦光源1、集光镜2、第一挡片14、第二挡片15、聚光镜4、第一物镜或第一物镜组件5、第二物镜7及相机8。所 述集光镜2位于所述对焦光源1和第一挡片14之间，所述第一挡片14和第二挡片15位于所述聚光镜4和集光镜2之间，所述对焦光源1位于所述集光镜2的焦面上，所述第二挡片15位于所述聚光镜4物方焦平面上。

自聚焦时，所述对焦光源1打开，所述对焦光源1产生的光束依次经过所述集光镜2、第一挡片14、第二挡片15，所述聚光镜4、第一物镜或第一物镜组件5投射到探测目标6上以形成第一挡片像和第二挡片像，在探测目标6上的第一挡片像和第二挡片像再经第一物镜或第一物镜组件5和第二物镜7成像在相机8上，所述相机8感应所述第一挡片像和第二挡片像得到第一挡片图像和第二挡片图像，基于第一挡片图像和第二挡片图像的清晰度来逐步调整第一物镜或第一物镜组件5的位置直到第一挡片图像的清晰度为最高。

在该实施例中，所述自聚焦光路系统还包括图像处理单元(未图示)、对焦控制单元(未图示)和对焦驱动单元(未图示)。

所述对焦驱动单元，以预定步长来逐步调整所述第一物镜或第一物镜组件5相对于所述探测目标6的距离，所述相机8在所述第一物镜或第一物镜组件5的每个位置都得到该位置对应的第一挡片图像和第二挡片图像。

所述图像处理单元对第一物镜或第一物镜组件5的每个位置的第一挡片图像和第二挡片图像进行图像分析以得到第一挡片图像的清晰度和第二挡片图像的清晰度。

所述对焦控制单元基于第一物镜或第一物镜组件5的各个位置的第二挡片图像和第一挡片图像的清晰度找到最高清晰度的第一挡片图像对应的第一物镜或第一物镜组件5的位置，并控制所述对焦驱动单元将第一物镜或第一物镜组件5调整至最高清晰度的第一挡片图像对应的第一物镜或第一物镜组件5的位置。

自聚焦开始时，所述对焦控制单元控制所述对焦驱动单元将第一物镜或第一物镜组件5驱动至远离所述探测目标6的初始位置，

在自聚焦开始后，所述对焦控制单元控制所述对焦驱动单元以第一预定步长将第一物镜或第一物镜组件5逐步朝向所述探测目标6移动，此时所述对焦控制单元基于依次得到的第一物镜或第一物镜组件5的各个位置的第二挡片图像的清晰度确定所述第二挡片图像的清晰度是否已经经过最高值，在确定所述第二挡片图像的清晰度已经最高值后，所述对焦控制单元控制所述对焦驱动单 元以第二预定步长将第一物镜或第一物镜组件5逐步朝向所述探测目标6移动，此时所述对焦控制单元基于依次得到的第一物镜或第一物镜组件5的各个位置的第一挡片图像的清晰度确定所述第一挡片图像的清晰度是否已经经过最高值，在确定所述第一挡片图像的清晰度已经最高值后，所述对焦控制单元控制所述对焦驱动单元以第一预定步长将第一物镜或第一物镜组件5逐步远离所述探测目标6移动直到到达最高清晰度的第一挡片图像对应的第一物镜或第一物镜组件5的位置。

请参阅图6，其为图5中挡片的结构示意图。请参阅图7，其为图6的右视图。如图5至7所示，在该实施例中，所述挡片为两个半圆片，其分别为第一挡片14和第二挡片15，所述第一挡片14和第二挡片15的大小和形状相同。

所述第一挡片14位于光轴13的正上方，其平面与光轴13垂直，所述第二挡片15位于光轴的正下方，其平面与光轴13垂直，所述第一挡片14和第二挡片15沿光轴13方向上相距△L呈平行设置，所述第一挡片14和第二挡片15之间的垂直距离等于第一挡片14或第二挡片15直径的三分之一。

本发明在进行自聚焦的过程中，自聚焦过程中图像清晰度的算法包括空域评价函数算法和频域评价函数算法。

所述空域评价函数算法的计算过程如下：所述挡片像中的每个象素点为(x,y)，梯度值为|▽f(x,y)︱，取挡片像中每一象素点的梯度值的总和为：

$\mathrm{\Σ}|\▿f(x,y)|=\mathrm{\Σ}\sqrt{{\left(\frac{\∂x}{\∂y}\right)}^2+{\left(\frac{\∂f}{\∂y}\right)}^2},$

用差分绝对值代替乘方和开方,即对点(x,y)及其邻近点的灰度作差分运算,提取该点灰度值的变化大小,得出图像灰度差分绝对值之和算子：

G＝|f(x,y)-f(x+1,y)|+|f(x,y)-f(x,y+1)|

$D_0=\max \underset{x}{\mathrm{\Σ}}\underset{y}{\mathrm{\Σ}}G$

其中，D₀所对应的位置即为聚焦位置；

所述频域评价函数算法过程如下：所述挡片像的大小为M×N，其中M为挡片像的行数，N为挡片像的列数，则二维离散傅里叶变换为：

$F(u,v)=\frac{1}{\mathrm{MN}}\underset{y=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}f(x,y)\exp [-j2\mathrm{\π}(\frac{x}{M^u}+\frac{y}{N^v})]$

其傅里叶谱为

|F(u,v)|＝[R²(u,v)+I²(u,v)]^1/2

能量谱为：

P(u,v)＝|F(u,v)|²＝R²(u,v)+I²(u,v)

$F_0=\max \underset{u}{\mathrm{\Σ}}\underset{v}{\mathrm{\Σ}}P(u,v)$

其中，R(u,v)和I(u,v)分别是傅里叶变换的实部和虚部；F₀所对应的位置即为聚焦位置。

本发明中，所述对焦光源1和照明光源16都为面光源。

需要说明的是，本发明中，在所述挡片3与聚光镜4之间设置有第一分光镜9，在所述聚光镜4和第一物镜或第一物镜组件5之间设置有第一反射镜10、第二反射镜11和第二分光镜12，在所述第二集光镜17和第一分光镜9之间设置有第三反射镜18和第四反射镜20。其中，加入的第一反射镜10、第二反射镜11、第三反射镜18及第四反射镜20能使整个物空间理想成像，并且物与像大小相等、形状对称，不影响光学照明效果，起到光路无损偏折的效果；加入的第一分光镜9和第二分光镜12是一种半反半透的平面镜，它能按一定比例反射和透射入射光，能起到光路复用的作用。本发明加入的第一反射镜10、第二反射镜11、第三反射镜18、第四反射镜20、第一分光镜9和第二分光镜12在不影响效果的情况下，使光路结构更加紧凑。本发明对加入的反射镜和分光镜的数量、形状及设置位置不做限制，可根据实际情况而定。

请参阅图8，其为承载本发明的自聚焦光路系统的承载主体部的结构示意图。在该实施例中，所述承载本体部为平板22，所述平板22上开设有若干个开孔221。请参阅图9，其为本发明的自聚焦光路系统位于图8中承载主体部上的结构示意图。所述平板22上通过开孔221固定安装有所述对焦光源1、集光镜2、照明光源16、第二集光镜17、孔径光阑19、聚光镜4、第二物镜7及相机8。其中该平板22上通过开孔221还固定安装有第一反射镜10、第二反射镜11、第三反射镜18、第四反射镜20、第一分光镜9及第二分光镜12。在一个实施例中，所述对焦光源1、集光镜2、第二集光镜17、孔径光阑19、聚光镜4、第二物镜7、相机8、第一反射镜10、第二反射镜11、第三反射镜18、第四反射镜20、第一分光镜9及第二分光镜12是先固定于所述固定装置上，然后再通过所 述固定装置将其固定于所述平板22上的。

请继续参阅图3。本发明中所述对焦光源1和照明光源16产生的光束，其通过各光学部件的光轴13形成的平面与所述平板22的平面相平行。

在一个实施例中，所述平板22上连接有盖板(未图示)。所述盖板是通过紧固件与平板22上的开孔221连接进而来实现固定，在该实施例中，所述盖板是覆盖所述对焦光源1、集光镜2、第二集光镜17、孔径光阑19、聚光镜4、第二物镜7、相机8、第一反射镜10、第二反射镜11、第三反射镜18、第四反射镜20、第一分光镜9及第二分光镜12的。在另一实施例中，该盖板还同时覆盖住平板22裸露出来的部分。

本发明将上述光学元件固定在一块竖直放置的光学平板22上，光学元件之间取消筒装式结构，采用开放式结构，这给安装、调试带来了极大的便捷，同时在光学平板22及光学元件上加入盖子，既不影响内部光路的正常工作也不影响外部美观。

请参阅图10，其为本发明的自聚焦光路系统在再一个具体实施例中的结构示意图。在该实施例中，所述照明系统还包括暗场照明装置，所述暗场照明装置包括环形光源25和环形单透镜26。

请参阅图11，其为图10中环形光源的结构示意图。请参阅图12，其为图11的剖视图。如图11至12所示，所述环形光源25，其包括环形PCB板251及均匀安装于所述PCB板151上的若干个LED芯片252，自所述PCB板251内环和外环边缘处沿所述LED芯片252发光方向延伸有内环挡板253和外环挡板254，所述内环挡板253内侧形成连通的第一环形通道255。

所述环形单透镜26具有第二环形通道261，所述环形单透镜26位于所述环形光源25和第一物镜或第一物镜组件5的后焦面之间，以使得所述环形光源25成像在所述第一物镜或第一物镜组件5的后焦面上。所述环形光源25产生的光线在所述内环挡板253和外环挡板254之间传播，所述照明光源16产生的光线从所述第一环形通道255和第二环形通道261传播，使得所述环形光源25产生的光束和照明光源16产生的光束相互独立传播，进而实现明场照明与该暗场照明相互独立。设所述环形单透镜26的焦距为f，所述环形光源25距所述环形单透镜26距离为2f，所述环形单透镜26距所述第一物镜或第一物镜组件5的后焦面距离为2f，以使得所述环形光源25成像在所述第一物镜或第一物镜组件5 的后焦面上，然后再经位于所述第一物镜或第一物镜组件5下端面的暗场环形抛物面反射镜27将成像在所述第一物镜或第一物镜组件5的后焦面上的光斑反射到所述探测目标6上。所述环形光源25的第一环形通道255内直径大于或略大于所述环形单透镜26的第二环形通道261内直径。

请继续参阅图9。所述环形光源25及环形单透镜26(未图示)通过固定装置固定安装在所述平板22上。

本发明的自聚焦光路系统，其对焦精准，也可缩短对焦回程距离，节约对焦时间，并且能够有效避免第一物镜或第一物镜组件与探测目标相撞的情况出现。

上文对本发明进行了足够详细的具有一定特殊性的描述。所属领域内的普通技术人员应该理解，实施例中的描述仅仅是示例性的，在不偏离本发明的真实精神和范围的前提下做出所有改变都应该属于本发明的保护范围。本发明所要求保护的范围是由所述的权利要求书进行限定的，而不是由实施例中的上述描述来限定的。

Claims (13)

1.一种自聚焦光路系统，其特征在于，其包括对焦光源、集光镜、挡片、聚光镜、第一物镜或第一物镜组件、第二物镜及相机，所述集光镜位于所述对焦光源和挡片之间，所述挡片位于所述聚光镜和集光镜之间，所述对焦光源位于所述集光镜的焦面上，所述挡片位于所述聚光镜物方焦平面上，

自聚焦时，所述对焦光源打开，所述对焦光源产生的光束依次经过所述集光镜、所述挡片、所述聚光镜、第一物镜或第一物镜组件投射到探测目标上以形成挡片像，在探测目标上的挡片像再经第一物镜或第一物镜组件和第二物镜成像在相机上，所述相机感应所述挡片像得到挡片图像，

基于挡片图像的清晰度来逐步调整第一物镜或第一物镜组件的位置直到所述挡片图像的清晰度为最高。

2.根据权利要求1所述的自聚焦光路系统，其特征在于：其还包括有：图像处理单元、对焦控制单元和对焦驱动单元，

所述对焦驱动单元，以预定步长来逐步调整所述第一物镜或第一物镜组件相对于所述探测目标的距离，所述相机在所述第一物镜或第一物镜组件的每个位置都得到该位置对应的挡片图像，

所述图像处理单元对第一物镜或第一物镜组件的每个位置的挡片图像进行图像分析以得到所述挡片图像的清晰度，

所述对焦控制单元基于第一物镜或第一物镜组件的各个位置的挡片图像的清晰度找到最高清晰度的挡片图像对应的第一物镜或第一物镜组件的位置，并控制所述对焦驱动单元将第一物镜或第一物镜组件调整至最高清晰度的挡片图像对应的第一物镜或第一物镜组件的位置。

3.根据权利要求2所述的自聚焦光路系统，其特征在于：

自聚焦开始时，所述对焦控制单元控制所述对焦驱动单元将第一物镜或第一物镜组件驱动至远离所述探测目标的初始位置，

在自聚焦开始后，所述对焦控制单元控制所述对焦驱动单元以预定步长将第一物镜或第一物镜组件逐步朝向所述探测目标移动，此时所述对焦控制单元基于依次得到的第一物镜或第一物镜组件的各个位置的挡片图像的清晰度确定所述挡片图像的清晰度是否已经经过最高值，在确定所述挡片图像的清晰度已经最高值后，所述对焦控制单元控制所述对焦驱动单元以预定步长将第一物镜或第一物镜组件逐步远离所述探测目标移动直到到达最高清晰度的挡片图像对应的第一物镜或第一物镜组件的位置。

4.一种自聚焦光路系统，其特征在于，其包括对焦光源、集光镜、第一挡片、第二挡片、聚光镜、第一物镜或第一物镜组件、第二物镜及相机，所述集光镜位于所述对焦光源和第一挡片之间，所述第一挡片和第二挡片位于所述聚光镜和集光镜之间，所述对焦光源位于所述集光镜的焦面上，所述第一挡片位于所述聚光镜物方焦平面上，

自聚焦时，所述对焦光源打开，所述对焦光源产生的光束依次经过所述集光镜、第一挡片、第二挡片、聚光镜、第一物镜或第一物镜组件投射到探测目标上以形成第一挡片像和第二挡片像，在探测目标上的第一挡片像和第二挡片像再经第一物镜或第一物镜组件和第二物镜成像在相机上，所述相机感应所述第一挡片像和第二挡片像得到第一挡片图像和第二挡片图像，

基于第一挡片图像和第二挡片图像的清晰度来逐步调整第一物镜或第一物镜组件的位置直到第一挡片图像的清晰度为最高。

5.根据权利要求4所述的自聚焦光路系统，其特征在于：其还包括有：图像处理单元、对焦控制单元和对焦驱动单元，

所述对焦驱动单元，以预定步长来逐步调整所述第一物镜或第一物镜组件相对于所述探测目标的距离，所述相机在所述第一物镜或第一物镜组件的每个位置都得到该位置对应的第一挡片图像和第二挡片图像，

所述图像处理单元对第一物镜或第一物镜组件的每个位置的第一挡片图像和第二挡片图像进行图像分析以得到第一挡片图像的清晰度和第二挡片图像的清晰度，

所述对焦控制单元基于第一物镜或第一物镜组件的各个位置的第二挡片图像和第一挡片图像的清晰度找到最高清晰度的第一挡片图像对应的第一物镜或第一物镜组件的位置，并控制所述对焦驱动单元将第一物镜或第一物镜组件调整至最高清晰度的第一挡片图像对应的第一物镜或第一物镜组件的位置。

6.根据权利要求5所述的自聚焦光路系统，其特征在于：

自聚焦开始时，所述对焦控制单元控制所述对焦驱动单元将第一物镜或第一物镜组件驱动至远离所述探测目标的初始位置，

在自聚焦开始后，所述对焦控制单元控制所述对焦驱动单元以第一预定步长将第一物镜或第一物镜组件逐步朝向所述探测目标移动，此时所述对焦控制单元基于依次得到的第一物镜或第一物镜组件的各个位置的第二挡片图像的清晰度确定所述第二挡片图像的清晰度是否已经经过最高值，在确定所述第二挡片图像的清晰度已经最高值后，所述对焦控制单元控制所述对焦驱动单元以第二预定步长将第一物镜或第一物镜组件逐步朝向所述探测目标移动，此时所述对焦控制单元基于依次得到的第一物镜或第一物镜组件的各个位置的第一挡片图像的清晰度确定所述第一挡片图像的清晰度是否已经经过最高值，在确定所述第一挡片图像的清晰度已经最高值后，所述对焦控制单元控制所述对焦驱动单元以第一预定步长将第一物镜或第一物镜组件逐步远离所述探测目标移动直到到达最高清晰度的第一挡片图像对应的第一物镜或第一物镜组件的位置。

7.根据权利要求1所述的自聚焦光路系统，其特征在于：在自聚焦完成后，关闭对焦光源，开启照明光源。

8.根据权利要求7所述的自聚焦光路系统，其特征在于：所述照明光源产生的光束经第二集光镜后通过孔径光阑，经所述孔径光阑限制的光束通过所述聚光镜将光束成像在所述第一物镜或第一物镜组件的后焦面上，聚集到所述第一物镜或第一物镜组件后焦面上的光束通过所述第一物镜或第一物镜组件平行出射到探测目标上以在探测目标上形成均匀的光斑。

9.根据权利要求1所述的自聚焦光路系统，其特征在于：所述挡片为一个半圆片，所述挡片平面垂直于光轴，所述挡片位于所述光轴上方，所述光轴穿过所述挡片的圆心，所述挡片上开设有通孔，所述通孔占所述挡片的二分之一，所述挡片与所述第一物镜或物镜组件的物平面是呈共轭关系。

10.根据权利要求4所述的自聚焦光路系统，其特征在于：所述第一挡片和第二挡片均为半圆片，所述第一挡片和第二挡片的大小和形状相同，

所述第一挡片位于光轴的正上方，其平面与光轴垂直，

所述第二挡片位于光轴的正下方，其平面与光轴垂直，所述第一挡片和第二挡片沿光轴方向上相距△L呈平行设置，所述第一挡片和第二挡片之间的垂直距离等于第一挡片或第二挡片直径的三分之一。

11.根据权利要求1所述的自聚焦光路系统，其特征在于：自聚焦过程中图像清晰度的算法包括空域评价函数算法和频域评价函数算法，

所述空域评价函数算法的计算过程如下：所述挡片像中的每个象素点为(x,y)，梯度值为|▽f(x,y)︱，取挡片像中每一象素点的梯度值的总和为：

$\mathrm{\Σ}|\▿f(x,y)|=\mathrm{\Σ}\sqrt{{\left(\frac{\∂x}{\∂y}\right)}^2+{\left(\frac{\∂f}{\∂y}\right)}^2},$

用差分绝对值代替乘方和开方,即对点(x,y)及其邻近点的灰度作差分运算,提取该点灰度值的变化大小,得出图像灰度差分绝对值之和算子：

G＝|f(x,y)-f(x+1,y)|+|f(x,y)-f(x,y+1)|

$D_0=max\underset{x}{\Σ}\underset{y}{\Σ}G$

其中，D₀所对应的位置即为聚焦位置；

所述频域评价函数算法过程如下：所述挡片像的大小为M×N，其中M为挡片像的行数，N为挡片像的列数，则二维离散傅里叶变换为：

$F(u,v)=\frac{1}{MN}\underset{x=0}{\overset{M-1}{\Σ}}\underset{y=0}{\overset{N-1}{\Σ}}f(x,y)\exp \[-j2\mathrm{\π}(\frac{x}{M^u}+\frac{y}{N^v})\]$

其傅里叶谱为

|F(u,v)|＝[R²(u,v)+I²(u,v)]^1/2

能量谱为：

P(u,v)＝|F(u,v)|²＝R²(u,v)+I²(u,v)

$F_0=max\underset{u}{\Σ}\underset{v}{\Σ}P(u,v)$

其中，R(u,v)和I(u,v)分别是傅里叶变换的实部和虚部；F₀所对应的位置即为聚焦位置。

12.根据权利要求1所述的自聚焦光路系统，其特征在于：其还包括电磁控制单元，当自聚焦完成后，所述电磁控制单元控制所述挡片远离所述自聚焦光路系统，所述对焦光源实现照明。

13.根据权利要求12所述的自聚焦光路系统，其特征在于：所述电磁控制单元包括电磁铁，当自聚焦完成后，所述电磁控制单元控制所述电磁铁通电，所述电磁铁产生磁性吸附所述挡片，使得挡片远离所述自聚焦光路系统，所述对焦光源实现照明。