CN107238919B - 用于图像扫描的方法和装置 - Google Patents

Abstract

提供了一种估计图像扫描装置(100)中的目标的焦点对准水平的方法，其中图像扫描装置包括：第一行扫描检测器(2)，其被构造成获得目标的一个或多个图像扫描行；和第二行扫描检测器(3)，其被构造成获得目标的一个或多个焦点扫描行。该方法包括：利用第一行扫描检测器(2)获得目标的至少一个图像扫描行，至少一个图像扫描行中的每一者是在相应的焦点水平处获得的；利用第二行扫描检测器(3)来获得目标的至少一个焦点扫描行，至少一个焦点扫描行的每一者是在相应的焦点水平处获得的；至少利用所述至少一个焦点扫描行来计算至少一个焦点参数；以及利用计算出的焦点参数来估计所述目标的一个或多个标称焦点对准水平。

Description

用于图像扫描的方法和装置

技术领域

本发明涉及用于图像扫描的方法和装置，尤其涉及但不限于虚拟显微镜的使用。

背景技术

图1示出了现有技术公知的用于图像扫描的虚拟显微镜的典型布置。该布置包括成像透镜1，成像透镜1将源自于滑板6的光聚焦到行扫描检测器2上。成像透镜和行扫描检测器一起构成了成像系统。由于检测器2是行扫描检测器，所以图像区域7是线型。为了在滑板6的较大面积上生成扩展图像，使滑板相对于成像透镜和行扫描检测器移动，如箭头8所示。从该意义上讲，滑板被行扫描检测器“扫描”。

行扫描检测器通常用于对在滑板上准备的样品进行成像。该样品可以为例如生物标本。通常，待成像样品将具有不均匀的表面形态，该样品的聚焦变动(focus variation)大于成像系统的景深。通常，滑板的单次扫描宽度大约为1mm且长度在2mm和60mm之间。在1mm的级别上，样品的焦距几乎不超过成像系统的焦深(通常大约为1μm)。然而，在诸如20mm的较大距离上，样品的聚焦变动会超过成像系统的景深。因此，存在这样的问题：由于样品的表面形态的变化，行扫描检测器在扫描样品的同时所生成的输出图像很可能具有焦点对准区域以及焦点未对准区域。这是不可接受的，尤其在需要样品的精确分析的情况下。

已经进行了各种尝试来克服该问题。例如，US7518652披露了焦点地图的使用，其中在扫描期间成像系统的焦点的调节是预先确定的。然而，这要求在扫描开始之前对整个样品进行非常耗时的分析，否则仅样品上的特定点被取得，因此点之间的区域不可能具有好的聚焦。

US7485834披露了在样品扫描的过程中暂时地改变成像透镜的焦点以查看是否存在更好的焦点位置。然而，随着样品的扫描速度增大，这意味着移动成像透镜来搜索更好的焦点位置的时间更短。这意味着不得不将扫描速度保持在一定速度以下，或者不得不在更多条成像行上方改变成像透镜的位置，这样更难以在整个范围内对图像进行插值。这两种方案都不可取。

US7330574公开了一种2D成像检测器，其在扫描方向上倾斜，使得在扫描期间成像系统的最佳焦点平面与样品的表面相交。对于每帧图像，样品移动一帧或少量帧，从而构建样品的3D扫描，该3D扫描能够用于焦点计算。这是在扫描之前完成的，就好像在扫描期间执行该处理，2D扫描仪所要求的数据率将更大。

因此，存在如下需求：改进成像扫描期间样品的聚焦使得能够快速地且焦点对准地扫描样品。

发明内容

依照本发明的第一方案，提供一种估计图像扫描装置中的目标的焦点对准水平的方法，其中所述图像扫描装置包括第一行扫描检测器和第二行扫描检测器，所述第一行扫描检测器被构造成获得所述目标的一个或多个图像扫描行，所述第二行扫描检测器被构造成获得所述目标的一个或多个焦点扫描行，所述方法包括：利用所述第一行扫描检测器来获得目标的至少一个图像扫描行，至少一个图像扫描行的每一者是在相应的焦点水平处获得的；利用第二行扫描检测器来获得所述目标的至少一个焦点扫描行，至少一个焦点扫描行的每一者是在相应的焦点水平处获得的；至少利用所述至少一个焦点扫描行来计算至少一个焦点参数；以及利用计算出的焦点参数来估计所述目标的一个或多个标称焦点对准水平。

此处，术语“水平”能够视为类似于“位置”，使得标称焦点对准水平是当对目标进行成像时所述图像扫描装置的焦平面的位置。优选地，第一行扫描检测器可操作以获得所述目标的期望焦点对准的输出图像，并且因此，该方法优选地还包括：将第一行扫描检测器的焦点水平调节至所述目标的标称焦点对准水平。换言之，调节第一行扫描检测器的位置，使得第一行扫描检测器处于所述图像扫描装置的焦平面并且使目标因此焦点对准。

有益地，本发明能快速且容易地获得目标的焦点对准水平，从而允许获得目标的焦点对准图像。当目标相对于图像扫描装置移动而使得第一和第二行扫描检测器一次“扫描”目标一行时，这样尤其有益。目标(可以为例如滑板上的生物标本)可以具有起伏结构，该起伏结构具有变化的形态，当图像扫描装置对变化的形态进行扫描时，起伏结构将改变其焦点对准水平。因此，能够快速且精确地估计焦点对准水平是有益的。

至少一个焦点参数是在特定焦点水平处将行扫描检测器的焦点水平与图像扫描行“焦点对准”程度的度量关联起来的手段。焦点参数可以呈多种形式，但是优选的是焦点参数是具有表示焦点对准水平的最大值的“聚焦评价”值。聚焦评价值将图像扫描行“焦点对准”程度映射到数值标度上。例如，完全地焦点对准的图像扫描行将具有聚焦评价值“1”，而完全地非焦点对准的图像扫描行将具有聚焦评价值“0”。

利用第二行扫描检测器获得至少一个焦点扫描行意味着，不必通过使第一行扫描检测器移动到获得焦点对准水平为止来得到焦点对准水平。这是非常耗时的操作且是不期望发生的。例如，通过使用仅一个行扫描检测器，在检测器移动到获得期望的焦点水平时“牺牲”了行图像。单独的焦点行扫描的使用允许快速估计焦点对准水平，而无需行图像的所述“牺牲”。

本发明的方法包括：至少利用所述至少一个焦点扫描行来计算至少一个焦点参数。重要的是，至少一个焦点参数是从至少一个焦点扫描行获得的从而估计焦点对准水平。在一些实施例中，可仅利用从一个或多个焦点扫描行获得的一个或多个焦点参数而无需使用图像扫描行来估计焦点对准水平。当目标在由行扫描检测器所成像的整个区域上基本均匀时，这样效果最佳。然而，还可以通过将从至少一个焦点扫描行计算得到的焦点参数与从至少一个图像扫描行计算得到的焦点参数进行比较来估计焦点对准水平。在一些实施例中，可以利用多个焦点扫描行来获得多于一个焦点参数，而可利用单个图像扫描行来计算仅一个焦点参数。相反的情形也是正确的。在其它实施例中，可以利用多个焦点扫描行来计算多个焦点参数，并且可利用多个图像扫描行来计算多个焦点参数。方法可使用上述可能的任意组合。

该方法还可包括利用所述至少一个图像扫描行或另外地所述焦点扫描行来计算至少一个另外的焦点参数的步骤。例如，另外的焦点参数可以从图像扫描行获得。通过确保至少一个焦点扫描行的焦点水平不同于至少一个图像扫描行的焦点水平，能够将该另外的焦点参数与利用焦点扫描行计算出的焦点参数进行比较，从而估计焦点对准水平。优选地，将焦点参数归一化(通常归一化为从图像扫描行计算得到的焦点参数)。在不同焦点水平的两个焦点参数的同时计算允许尤其快速且精确的焦点对准水平估计。可替代地，可以从焦点水平与第一焦点扫描行的焦点水平不同的另外的焦点扫描行来获得另外的焦点参数。然后，可以利用来自焦点扫描行的两个焦点参数来估计焦点对准水平。

计算步骤还可以包括：利用相应的至少一个图像扫描行和至少一个焦点扫描行来计算所述第一行扫描检测器和所述第二行扫描检测器中的每一者的至少一个焦点参数。例如，可利用图像扫描行获得第一行扫描检测器的焦点参数，并且可利用焦点扫描行获得第二行扫描检测器的焦点参数。可对这些焦点参数进行比较以便估计焦点对准水平。可替代地，例如，可以为第二行扫描检测器获得多个焦点参数，并且可以为第一行扫描检测器获得多个焦点参数。作为另一实例，可以为第二行扫描检测器计算多个焦点参数，并且可以为第一行扫描检测器计算单个焦点参数。

通过确保第一行扫描检测器的焦点水平和第二行扫描检测器的焦点水平不同(例如，第二行扫描检测器可置于比第一行扫描检测器距目标短的光路路径处)，可以利用为第一和第二行扫描检测器计算出的焦点参数来估计标称焦点对准水平。可以简单地比较焦点参数以便估计焦点对准水平。例如，如果焦点扫描行的聚焦评价值小于图像扫描行的聚焦评价值，则焦点对准水平在第一行扫描检测器之上(即，第一行扫描检测器位于目标和焦点对准水平之间)，或者已经处于焦点对准水平。因此，通过使用与第一行扫描检测器处于不同焦点水平处的第二行扫描检测器，同时获得两个可比较的焦点参数，并且能够快速地估计目标的焦点对准水平。

获得至少一个焦点扫描行的步骤通常包括：调制第二行扫描检测器的焦点水平，使得在不同焦点水平处获得多个焦点扫描行。在这种情况下，通常计算多个焦点参数，即对于第二行扫描检测器的多个焦点水平中的每一者计算一个焦点参数。这些多个焦点参数优选地被归一化成从图像扫描行获得的焦点参数并且用于生成“聚焦评价曲线”，该曲线绘制了在每个焦点水平处获得的聚焦评价对焦点水平。然后，该曲线的最大值能够用于估计目标的焦点对准水平，并且第一行扫描检测器朝向该最大值移动。有益地，调制第二行扫描检测器的焦点水平免除了对处于不同焦点水平的多个行扫描检测器的需要，这将减少入射到第一行扫描检测器上的光量从而降低图像质量。

存在多种调制第二行扫描检测器的焦点水平的方法，下文将更加详细的讨论。

图像扫描行和焦点扫描行可以从穿过目标且具有平面法线(限定光轴)的平面内的共同位置获得，第一和第二行扫描检测器中的每一者沿着光轴接收图像信息，从而生成所述相应的图像扫描行和焦点扫描行。可利用分束器将图像信息反射至所述行扫描检测器中的一者。这确保在分束器生成目标上的同一空间位置处的两个图像时第一和第二行扫描检测器中的每一者同时对目标上的同一空间位置进行成像。分束器还可用于将图像信息引导至处于与第一和第二行扫描检测器的焦点水平不同的另外焦点水平的第三行扫描检测器，使得能够计算出另外的焦点参数。有益的是，用作分束器意味着，计算出的焦点参数不受目标中的空间变化影响，从而简化焦点对准水平估计并且提高其精度。然而，可设想反射图像信息的其它方式。

可替代地，图像扫描行和焦点扫描行可以从目标上的不同位置获得，并且所述第一和第二行扫描检测器沿着不同的光轴从目标获得图像信息。虽然这意味着第一和第二行扫描检测器同时对目标的不同空间区域进行成像，但是这确实确保每个检测器被充分照射(不同于使用分束器)，从而提高图像质量。这点对于来自第一行扫描检测器的输出图像尤其重要。

第一和第二行扫描检测器可以彼此相邻地设置，或者可选地可以利用诸如转动反射镜等反射镜将图像信息反射到所述行扫描检测器中的一者上。在第一和第二行扫描检测器接收来自目标的沿着不同光轴的图像信息时，使用反射镜将光反射到行扫描检测器中的一者上有益地不减弱另外行扫描检测器的照射。

该方法还可以包括：使反射镜绕定心于行扫描检测器(图像信息反射到该行扫描检测器上)(优选地为第二行扫描检测器)的光轴上的点旋转，从而提供处于不同焦点水平的目标的焦点扫描行。以与上述相似的方式，此处焦点参数可用于生成聚焦评价曲线，聚焦评价曲线绘制了各焦点水平处的焦点扫描行的聚焦评价值。然后，聚焦评价曲线的峰值提供了目标的标称焦点对准水平，并且第一行扫描检测器朝向该最大值移动。

可替代地，反射镜可绕着从行扫描检测器(图像信息反射到该行扫描检测器上)的光轴偏移的点旋转。有益地，这利用反射镜的相同转动角提供了更大的焦点水平变化。

如果目标相对于图像扫描装置移动(在扫描期间)，则目标优选地依照反射镜的旋转移动使得从目标上的共同位置获得焦点行扫描。这确保诸如聚焦评价值等焦点参数不受目标中的空间变化影响。这允许更精确地估计焦点对准水平。

作为旋转反射镜的可选方案，该方法可包括：使第二行扫描检测器相对于目标移动，从而获得处于不同焦点水平的多个焦点行扫描。优选地，第二行扫描检测器沿第二行扫描检测器的光轴来回移动。以与上述相似的方式，此处焦点参数可用于通过绘制各焦点水平处的焦点扫描行的聚焦评价值来形成聚焦评价曲线。然后，聚焦评价曲线的峰值提供了目标的估计标称焦点对准水平。

作为另一可选方案，该方法可以包括调制焦点水平作为第二行扫描检测器的整个扫描行上的位置的函数的步骤。例如，第二行扫描检测器可绕与其光轴垂直的轴线旋转。这提供了沿着检测器的扫描行的差别焦点，这能够用于计算第二行扫描检测器的一个或多个焦点参数。作为可选方案，第二行扫描检测器可设置成与光轴成角度，使得第二行扫描检测器上的每个位置处于不同的焦点水平。然后，可以计算每个焦点水平处的焦点参数。

当目标在将要由行检测器成像的整个区域(行)上的空间中基本均匀时(即，在目标上不存在与目标的其余部分相比特别细节的区域，并且形态基本不变)，调制焦点水平作为第二行扫描检测器的整个扫描行上的位置的函数从而估计目标的标称焦点对准水平，这样做是非常有效的。然而，如果样品具有将仅在第一和第二检测器的一端处成像的细节区域，则这会不期望地使估计的标称焦点对准水平偏离正确水平。为了抵抗这点，该方法还可以包括：利用来自至少一个焦点或图像扫描行中的一者或每一者的图像数据来生成细节参数，以及在计算一个或多个焦点参数时使用细节参数。因此，焦点参数被“归一化”成目标中的细节的水平。细节参数通常为作为行扫描检测器上的位置的函数的目标内的标称不均匀水平。例如，如果在样品的左侧存在大量的细节，则细节参数将在检测器的左侧处有峰值。优选地，第一行扫描检测器生成细节参数。通常，细节参数和焦点参数为同一参数，其中焦点参数是由焦点扫描行计算出的，并且细节参数由图像扫描行计算出。

行扫描检测器可以为多通道检测器，该方法还包括计算检测器的不同通道的焦点对准水平。通常，多通道检测器将为RGB检测器。由于彩色光的不同频率，RGB通道中的每一者都具有不同的焦点水平。该特征能够用于评估每个通道的焦点参数，并且在估计目标的标称焦点对准水平时使用通道的一个或多个焦点参数。评估每个通道的焦点参数提供了增量的数据点，从而提高估计的焦点对准水平的精度。

如果目标相对于图像扫描装置移动，则可在来自第一和第二行扫描检测器的扫描行的数据之间施加时移，其中时移是目标和图像扫描装置之间的相对运动的函数。有益地，这确保来自第一和第二行扫描检测器的扫描行的数据来自目标上的同一空间位置。这提高了焦点对准水平估计的精度，这是因为焦点参数(例如聚焦评价值)不受目标上的空间变化的影响。

图像扫描行可从目标上的多个位置获得从而形成长条。优选地，这是通过使目标相对于第一和第二行扫描检测器移动而使得检测器对目标一次成像一行来实现的。优选地，行扫描检测器各自包括传感器线性阵列从而一次扫描目标的一行。通常，目标在与至少一个行扫描检测器的光轴垂直的平面中移动。优选地，在长条的形成过程中将第一行扫描检测器的焦点水平实时地调节成标称焦点对准水平，以使长条内的图像扫描行是在不同焦点水平处获得的。有益的是，这允许目标的快速的、焦点对准的扫描。如果需要，可暂时放缓扫描速度，从而允许第一行扫描检测器有时间调节至焦点对准位置。然而，通常假设在少量图像行上焦点对准水平基本不变，因此这不总是必要的。

根据本发明的第二方案，提供一种图像扫描装置，包括：第一行扫描检测器，其被构造成获得目标的一个或多个图像扫描行；第二行扫描检测器，其被构造成获得目标的一个或多个焦点扫描行；以及处理器，其被构造成：利用第一行扫描检测器来获得相应焦点水平处的目标的至少一个图像扫描行；利用第二行扫描检测器来获得相应焦点水平处的目标的至少一个焦点扫描行；至少利用所述至少一个焦点扫描行来计算至少一个焦点参数；以及利用计算出的焦点参数来估计目标的一个或多个标称焦点对准水平。

优选地，图像扫描装置还包括第一聚焦设备，所述第一聚焦设备被构造成改变所述目标和所述第一行扫描检测器之间的焦点水平，并且所述处理器被进一步构造成操作第一聚焦设备以使第一行扫描检测器的焦点水平移至估计的标称焦点对准水平。这确保了，一旦已经估计出焦点对准水平，则第一行扫描检测器能够移至所述水平从而使目标的图像焦点对准。

优选地，图像扫描装置还包括：目标台，其用于保持目标；成像光学器件，其用于将目标的图像提供给第一和第二行扫描检测器；以及驱动系统，其用于使第一行扫描检测器获得来自目标的不同位置的图像信息。例如，成像光学器件可以包括透镜，透镜用于将源自目标的光线聚集到第一和第二行扫描检测器上。在第一和第二行扫描检测器中每一者被布置成对目标上的共同位置进行成像的情况下，成像光学器件可以包括分束器，分束器将来自目标的图像信息的一部分引导至第一行扫描检测器以及将一部分引导至第二行扫描检测器。在第一和第二行扫描检测器位于成像光学器件的不同的相应光轴上的情况下，成像光学器件优选地包括反射镜，反射镜被布置成将来自目标的图像信息的一部分引导至第一或第二行扫描检测器中的一者。

优选地，驱动系统可操作以使目标相对于第一和第二行扫描检测器移动，使得第一和第二行扫描检测器接收来自整个目标的图像信息。例如，驱动系统可操作以移动目标台，第一和第二行扫描检测器和成像光学器件保持静止；或者可操作以移动第一和第二行扫描检测器以及成像光学器件，目标保持静止。

在成像光学器件包括反射镜的情况下，图像扫描装置还可以包括反射镜驱动器，所述反射镜驱动器适于旋转反射镜，从而将不同的图像信息引导至所述行扫描检测器。反射镜的旋转意味着，获得处于不同焦点水平的焦点扫描行，并且在相应的行扫描检测器的一个或多个焦点参数的生成过程中使用这些焦点扫描行。优选地，反射镜驱动器依照驱动系统操作，使得焦点行扫描从目标上的共同位置获得。

图像扫描装置还可以包括检测器驱动器，检测器驱动器适于使第二行扫描检测器沿着其相应的光轴来回移动。以与反射镜驱动器相似的方式，这意味着生成了处于不同焦点水平的焦点扫描行，该焦点扫描行用于生成焦点参数。

可替代地，图像扫描装置还可以包括检测器驱动器，检测器驱动器适于使第二行扫描检测器旋转从而调制焦点水平作为第二行扫描检测器的整个扫描行上的位置的函数。而且，这生成了不同焦点水平处的多个焦点扫描行。

该装置还可以包括用于提供另外的焦点扫描行的第三行扫描检测器。优选地，第三行扫描检测器与第一和第二行扫描检测器处于不同的焦点水平处，每个检测器处于不同的焦点水平。通常，利用另外的焦点扫描行为第三行扫描检测器计算至少一个焦点参数。这提供了用于精确地估计焦点对准水平的更多数据点。

第一和第二行扫描检测器中的一者或每一者可以是多通道检测器。优选地，多通道检测器是可操作用于检测红光、绿光和蓝光的RGB检测器。

通常，第一和第二行扫描检测器的焦点水平是能独立受控的。而且第一和第二行扫描检测器优选是相同的，从而检测器的差异不会影响焦点参数。优选地，该装置是虚拟显微镜。

本领域技术人员将理解的是，在第一和第二方案中所描述的行扫描检测器可以由任何适合的成像检测器替代。

根据本发明的第三方案，提供一种计算机程序产品，其包括适于执行根据第一方案所述的方法的程序代码装置。

附图说明

现在将参考附图来描述本发明，其中：

图1示出了本领域已知的图像扫描装置；

图2示出了根据本发明的第一实施例的图像扫描装置；

图3A至图3D示出了根据本发明的第一实施例的聚焦评价曲线；

图4A至图4D示出了根据本发明的第二实施例的聚焦评价曲线；

图5示出了根据本发明的第三实施例的图像扫描装置；

图6A至图6C示出了根据本发明的第三实施例的聚焦评价曲线；

图7A和图7B示出了根据本发明的第五实施例的检测器布局；

图8示出了根据本发明的第六实施例的图像扫描装置；

图9示出了根据本发明的第七实施例的图像扫描装置；

图10示出了根据本发明的第八实施例的图像扫描装置；

图11示出了根据本发明的第八实施例的聚焦评价曲线；

图12示出了根据本发明的第九实施例的图像扫描装置；

图13示出了根据本发明的第十实施例的图像扫描装置；

图14示出了根据本发明的第十一实施例的图像扫描装置；

图15示出了根据本发明的第十一实施例的扫描行；

图16A至图16C示出了根据本发明的第十一实施例的聚焦评价和焦点位置曲线；以及

图17示出了根据本发明的第十二实施例的聚焦评价和细节评价曲线。

具体实施方式

在下面通篇说明书中，相似的附图标记表示相似的部件。来自一个实施例的特征可与来自任何其它实施例的特征组合。

图2示出了根据本发明的虚拟显微镜的第一实施例的示意图。第一实施例的图像扫描装置100包括成像行扫描检测器2和聚焦行扫描检测器3。样品(未示出)的图像通过透镜1成像到成像行扫描检测器2上。通常，样品相对于装置100在与成像行扫描检测器2的光轴垂直的平面中移动，使得样品被成像为一系列行扫描。期望的是，成像行扫描检测器2被置于成像透镜1的焦平面中，使得图像在整个扫描中都是焦点对准的。分束器6设置在成像透镜1和成像行扫描检测器3之间并且将成像束分成两束并且在共轭平面7中生成处于样品的同一空间位置的第二图像。聚焦行扫描检测器3位于与成像行扫描检测器的焦点水平不同的焦点水平8处，使得成像行扫描检测器2和聚焦行扫描检测器3生成不同焦点水平的图像扫描行。在图2中，焦点水平8使得与聚焦行扫描检测器相比光传播得更远才到达成像行扫描检测器(焦点水平8位于共轭平面7之下)处，但是本领域技术人员将理解到，聚焦行扫描检测器8也可位于共轭平面7之上。

然后，对成像行扫描检测器2和聚焦行扫描检测器3二者计算“聚焦评价”值。该计算通常基于相邻像素之差的平方和，但是可以例如，基于通过高通或带通频率滤波器的功率使用可选的计算方法。聚焦评价值是从行扫描检测器获得的图像扫描行的焦点对准程度的度量并且在焦点对准水平处具有最大值。该值提供了取决于图像信息内的细微细节量的数值，较大的聚焦评价值表示图像信息内更细微的细节。例如，通过用在检测器2、3处获得的聚焦评价值除以在成像行扫描检测器2处获得的聚焦评价值将聚焦扫描行检测器的聚焦评价值归一化成成像扫描行检测器的聚焦评价值。通过比较两个值，可以估计将要在哪个方向求得成像检测器的最优焦点水平，并且调节装置的焦点以与聚焦行扫描检测器相比给予成像行扫描检测器更大的聚焦评价。

在聚焦行扫描检测器位于处于共轭平面之下的焦点水平8处的情况下，当聚焦行扫描检测器3的聚焦评价给出小于成像行扫描检测器2的评价值时，则最优焦点位于成像行扫描检测器上方或者最优焦点已经在成像行扫描检测器处(图3A、图3B)。当两个聚焦评价值相似时(通常差值小于5％)，则最优焦点在成像行扫描检测器稍下方(图3C)。当聚焦行扫描检测器的评价值大于成像行扫描检测器的评价值时，最优焦点在成像检测器下方(图3D)。利用该信息，可以将成像行扫描检测器保持在最优焦点处或在最优焦点稍上方。如果两个检测器之间的焦距足够小，则由于该方法所产生的焦点位置的任何误差将足够小而使得焦点质量不受损。

在本发明的上述第一实施例中，简单地比较成像和聚焦行扫描检测器之间的聚焦评价值，从而估计焦点对准水平。在图3A至图3D中所看到的聚焦评价曲线是为了示例的目的。比较协议(comparison protocol)描述如下：

一般地，如果成像行扫描检测器的聚焦评价比焦点检测器的聚焦评价大预定量(通常为5％)，则将成像行扫描检测器的焦点水平移离聚焦行扫描检测器的焦点水平(即，使焦点对准水平与聚焦行扫描检测器比起来更靠近成像行扫描检测器的焦点水平)。如果成像行扫描检测器的聚焦评价比聚焦行扫描检测器的聚焦评价小预定量(通常为5％)，则使成像行扫描检测器的焦点水平移向聚焦行扫描检测器的焦点水平。如果成像行扫描检测器的聚焦评价比聚焦行扫描检测器的聚焦评价大且差值小于预定量(通常差值小于5％)，则使成像行扫描检测器的焦点水平移向聚焦行扫描检测器的焦点水平。

应理解的是，“预定量”可根据应用而不同。优选地，为使成像行扫描检测器相应地移动所需的焦点水平之差的量值通常为零。

在本发明的第二实施例中，成像行扫描检测器2和聚焦行扫描检测器3均为颜色敏感RGB检测器。该实施例利用成像透镜1的残余色差。每个检测器对样品上的同一空间区域进行成像，但是处于不同的焦点水平，并且检测器内的每个红色、绿色或蓝色的通道具有不同的焦点水平。每个检测器上的每个通道计算聚焦评价值，并且随后将聚焦评价归一化成成像行扫描检测器2上具有最大聚焦评价的通道。这使得能绘制出沿着归一化聚焦评价曲线的多个点，如图4A至图4D中所看到的。

能够简单地比较从不同的通道获得的聚焦评价值(无需绘制聚焦评价曲线)，从而估计焦点对准水平。例如，图4B示出了绿色通道处于焦点对准水平的成像行扫描检测器。这可以区别于位于焦点对准水平下方的成像行扫描检测器(在图4A中看到)，因为在图4B中两个检测器上的蓝色通道的评价值相似，而在图4A中情况并非如此。用于比较RGB通道的评价值的协议能够描述如下：

(i)测量两个检测器上的每个通道的聚焦评价值。

(ii)选择两个最大的成像行扫描检测器聚焦评价通道。

(iii)选择具有最大聚焦评价的成像行扫描检测器通道作为主通道而其它通道作为辅通道。

(iv)将每个通道的聚焦评价归一化成主成像行扫描检测器通道聚焦评价值。

(v)如果成像行扫描检测器的主聚焦评价比聚焦行扫描检测器的主聚焦评价大第一预定量(例如，5％)，则将成像行扫描检测器的焦点水平移离聚焦行扫描检测器的焦点水平。

(vi)如果成像行扫描检测器的主聚焦评价比聚焦行扫描检测器的主聚焦评价小第一预定量，则将成像行扫描检测器的焦点水平移向聚焦行扫描检测器的焦点水平。

(v)如果成像行扫描检测器的主聚焦评价大于聚焦行扫描检测器的主聚焦评价但是差值小于第一预定量并且聚焦行扫描检测器的辅焦点水平在两个检测器的焦点水平之间并且成像行扫描检测器的辅聚焦评价小于聚焦行扫描检测器的辅聚焦评价，则将成像行扫描检测器的焦点水平移向聚焦行扫描检测器的焦点水平。

(vi)如果成像行扫描检测器的主聚焦评价大于聚焦行扫描检测器的主聚焦评价但是差值小于第一预定量并且成像行扫描检测器的辅焦点水平在两个检测器的焦点水平之间并且成像行扫描检测器的辅聚焦评价大于聚焦行扫描检测器的辅聚焦评价，则将成像行扫描检测器的焦点水平移向聚焦行扫描检测器的焦点水平。

图5示出了根据本发明的第三实施例的装置200的示意图。类似于第一实施例，成像行扫描检测器2用于通过透镜1对源自样品(未示出)的光进行成像。通常，样品相对于系统200在与成像行扫描检测器2的光轴垂直的平面中移动，使得样品被成像为一系列行扫描。第一分束器6用于将光引导到第一聚焦行扫描检测器3，如第一实施例那样。然而，当前描述的第三实施例还包括接收来自第二分束器11的光的第二聚焦行扫描检测器9。

分束器6产生共轭平面7a并且分束器11产生共轭平面7b。如第一实施例中，第一聚焦行扫描检测器位于共轭平面7a之下。第二聚焦行扫描检测器9位于共轭平面7b之上，如图5中所看到的(即，共轭平面7b位于第二聚焦行扫描检测器和样品之间)。

由于分束器，每个成像检测器2、3、9同时对样品的同一空间位置进行成像。由于第二聚焦行扫描检测器9的存在，能够同时在三个不同的焦点水平计算三个聚焦评价值，每个检测器处于一个焦点水平。聚焦评价值被归一化成成像扫描行检测器2的聚焦评价值(例如，通过用每个聚焦评价值除以从成像行扫描检测器2获得的聚焦评价值)，并且用三个测量值来绘制呈归一化聚焦评价值形式的焦点参数(纵坐标)对焦点水平(横坐标)的曲线图。在图6A-图6C中示出了该“聚焦评价曲线”。聚焦评价曲线的最大值利用曲线最大值与横坐标的交叉提供了样品的焦点对准水平，并且使成像行扫描检测器移向该最大值。

在第四实施例中，作为提供第一和第二聚焦行扫描检测器的可选方案，在图2中示意性地示出的装置100还可以包括检测器驱动器(未示出)，检测器驱动器可操作以使聚焦检测器3沿着聚焦检测器3的光轴3a来回移动。这允许在共轭平面7之上以及之下的不同焦点水平获得一系列的聚焦评价值。然后，可以将聚焦评价值归一化成成像行扫描检测器的聚焦评价值，并且利用来自聚焦检测器3的数据来生成聚焦评价曲线。聚焦评价曲线的最大值表示样品的焦点对准水平，并且成像行扫描检测器2以与上述相似的方式移向焦点对准水平。

在本发明的第五实施例中，第一聚焦行扫描检测器3和第二聚焦行扫描检测器9位于成像行扫描检测器2附近，如图7A和图7B所示。聚焦行扫描检测器通常位于成像行扫描检测器的任一侧，但是这不是必要的。在当前描述的第五实施例中，每个行扫描检测器位于图像平面15内，如图7A所示。成像透镜1通常是旋转对称的，这形成了圆形图像平面15。两个聚焦行扫描检测器位于不同于成像行扫描检测器的焦点水平处，并且彼此处于不同的焦点水平(清晰地显示在图7B中)。

由于聚焦行扫描检测器3、9沿着不同于成像行扫描检测器2的光轴接收图像信息，这有益地意味着每个检测器被充分照射。然而，这还意味着，检测器2、3、9所成像的样品的空间区域不同。这意味着，时间上同时获得的聚焦评价值不仅受焦点和焦点水平影响，而且受所成像的每个区域的空间内容的影响。这能够通过如下方法来克服：将从检测器2、3、9中的每一者收集到的图像数据进行时移，使得来自样品上的同一空间区域的图像数据能够在检测器2、3和9之间进行比较。如图7A中所看到的，随着目标相对于行扫描检测器移动(箭头8所示)，光将首先入射到检测器3上，随后是检测器2，最后是检测器9。利用基于扫描速度的时延处理，能够在检测器2、3和9所提供的不同焦点水平处对来自目标的同一空间区域进行比较。

虽然图7A和图7B示出了两个聚焦行扫描检测器，但是本领域技术人员将理解的是，可以使用一个、或三个以上的聚焦行扫描检测器。

通常，由于行扫描检测器的物理尺寸及其相对于图像平面15的封装，不可能将聚焦行扫描检测器设置在成像行扫描检测器附近，如图7A中所看到的。在使用高放大率的成像系统的情况下，虽然场数值孔径较高，但是图像数值孔径低并且共轭长度较长。这允许反射镜5和14偏轴设置以将图像信息反射至聚焦行扫描检测器3和9，如图8中示意性地示出了根据本发明的第六实施例的装置300。此处，“偏轴”是指偏离成像行扫描检测器2的光轴2a的偏轴。

优选地，反射镜5和14是转动反射镜，被置于光束路径中并且将光束引导至偏轴的聚焦行扫描检测器3和9，但是有益地允许全部的光入射到成像行扫描检测器2上。该设置等同于将聚焦行扫描检测器与成像行扫描检测器相邻放置，如图8中的标记4和13所示，两个标记分别显示出了在不存在反射镜的情况下检测器3和9的虚拟位置。

以与本发明的第三实施例相似的方式，聚焦行扫描检测器3、9处于与成像行扫描检测器2的焦点水平不同的焦点水平。然后，可以将被归一化为成像行扫描检测器2聚焦评价值的聚焦评价值用于生成聚焦评价曲线以估计焦点对准水平，如上所述。

图9示出了根据本发明的第七实施例的装置400，其中仅使用一个聚焦行扫描检测器3，聚焦行扫描检测器3处于与成像行扫描检测器2的焦点水平不同的焦点水平。此处，通过以与本发明的第一实施例相同的方式将成像行扫描检测器和聚焦行扫描检测器的归一化聚焦评价值进行比较，能够估计出样品的焦点对准水平。

图10示意性地示出了根据本发明的第八实施例的装置500。以与上述相似的方式，转动反射镜5与成像行扫描检测器2的光轴2a偏轴地设置并且将来自样品(未示出)的图像信息反射到聚焦行扫描检测器3。装置还包括检测器驱动器(未示出)，检测器驱动器可操作以使聚焦行扫描检测器3沿聚焦行扫描检测器3的光轴3a来回移动。双头箭头16示出该移动。通过使聚焦行扫描检测器3以此方式沿聚焦行扫描检测器3的光轴3a移动，能够在不同焦点水平获得多个聚焦评价值。如上所述，对这些聚焦评价值进行时移，使得能够相对于样品上的同一空间区域将来自聚焦行扫描检测器3的聚焦评价值与来自成像行扫描检测器2的聚焦评价值进行比较。然后，将来自聚焦行扫描检测器3的聚焦评价值归一化成来自成像行扫描检测器2的聚焦评价值，并且利用这些数据来生成评价焦点曲线，如图11所示。通过使曲线最大值与横坐标交叉能够由聚焦评价曲线估计出样品的标称焦点对准水平，并且使成像行扫描检测器移向该焦点水平。通常，期望至少三个数据点来生成精确度可接受的聚焦评价曲线。将来自聚焦行扫描检测器3的聚焦评价值归一化为成像行扫描检测器2的聚焦评价值是可选的，并且如果样品是基本均匀的，则可能不需要这样。

本发明的第八实施例的装置500的一个问题在于，必须移动聚焦行扫描检测器3以便改变焦距按光放大率的平方放大成景深。作为实例，在光放大率为40x的系统中，场焦点的1μm变化产生了聚焦行扫描检测器3的焦点位置的1.6mm变化。在本发明的第九实施例600中，用旋转的转动反射镜17替代转动反射镜，转动反射镜17绕转动点20旋转，在转动点20处聚焦行扫描检测器3的主光线与转动反射镜5交叉。该装置600示意性地示于图12中。

转动反射镜17的旋转使得图像划出以点20为中心的弧18。聚焦检测器3保持静止。这意味着，由于转动反射镜17的这种旋转，聚焦行扫描检测器将成像有样品的不同部分(空间位置)，但是因为图像平面19保持与所划的弧18正切，所以改变了聚焦行扫描检测器3所成像的样品的焦点水平。如果转动反射镜17的旋转与样品8的运动同步，则在转动过程中改变焦点的同时样品空间位置能够保持在焦点检测器上。随后，这将能从同一空间位置生成聚焦评价曲线，这有益地从聚焦评价值去除了样品影响。一旦生成曲线，则能够将转动反射镜17设定回原角度，并且对新的测量重复该过程。如上所述，聚焦评价曲线能够用于确定样品的焦点对准水平。

在本发明的第十实施例700(在图13中示意性地示出)中，转动反射镜17绕着从主光线与转动反射镜20的交叉处偏移的点23旋转。这意味着，对于反射镜的同一转动角，产生聚焦行扫描检测器3处图像的焦点水平的较大变化，如图13所看到的。这是因为，旋转不仅由于以旋转点23为中心的所划弧18上的切线19而且由于沿弧18的位移而产生了焦点变化。

图14示出了根据本发明的第十一实施例的装置800。该布置类似于图10所示的布置；然而，聚焦行扫描检测器绕与聚焦行扫描检测器3的线(光轴)垂直的轴线21旋转。因此，聚焦行扫描检测器3产生了沿着检测器7的线的差别焦点22，如图15中示意性示出的。在可选实施例中，聚焦行扫描检测器相对于其光轴倾斜以实现沿着检测器的线的差别焦点。如果样品沿着聚焦行扫描检测器3的线是空间频率(细节)均匀的，则聚焦行扫描检测器3的聚焦评价函数将沿着聚焦行扫描检测器的长度有峰值，焦点对准平面与聚焦行扫描检测器3交叉。

在图16A至图16C中给出了这种情况的实例。在图16A中，聚焦行扫描检测器在沿着聚焦行扫描检测器3的标度上的近似-5处与样品焦点对准平面相交。这是聚焦评价曲线的峰值所在处，表示成像行扫描检测器2处于焦点对准平面下方(即，在样品和焦点对准平面之间)。图16C示出了成像行扫描检测器位于焦点对准平面上方(即，焦点对准平面在样品和检测器2之间)以及聚焦评价曲线在沿着检测器3的标度上的近似+5处出现峰值的情况。图16B示出了成像行扫描检测器位于焦点对准平面中的情况。

如果样品不是空间均匀的，则该过程(沿着聚焦行扫描检测器3的线产生差别焦点)可以给出误导性结果。例如，如果仅在检测器2和3的一侧存在细节，则即使成像检测器2可能处于正确的焦点水平，聚焦行扫描检测器评价曲线的峰值也能从聚焦行扫描检测器3的中心偏移并且朝向细节的位置偏置。然而，可以利用在成像行扫描检测器2处收集的图像数据来校正这种情况。在第十二实施例中，可以利用该图像数据以类似于从聚焦行扫描检测器图像数据获得的聚焦评价值的方式来计算“细节评价”值。“细节评价”是与从聚焦行扫描检测器获得的聚焦评价相同的焦点参数。因此，细节评价值能够按与聚焦评价值相似的方式被视为取决于图像信息中的细微细节量的数值。在可选的实施例中，细节评价是不同于聚焦评价的焦点参数并且被归一化为利用聚焦行扫描检测器获得的聚焦评价值。

能够用聚焦评价值对这些细节评价值进行加权，这将提供经校正的评价函数，从而给出正确的焦点读数并且防止不正确的焦点测量。

图17A至图17C示出了细节评价值的使用实例。此处，在图像的左侧存在更多的细节，并且因此细节评价曲线在检测器的左侧出现峰值。聚焦评价曲线对应于图16A至图16C所看到的聚焦评价曲线，并且涉及到成像行扫描检测器处于焦点对准平面中、在焦点对准平面上方还是下方。然而，由于细节位于图像的左侧，所以即使当实际的焦点峰值位于聚焦行扫描检测器的右侧时，测量得到的聚焦评价峰值(利用来自聚焦行扫描检测器3的聚焦评价值生成)也在聚焦行扫描检测器3的左侧出现峰值(参见图17C)。这意味着，如果要直接使用测量得到的聚焦评价值，则系统甚至会测量错误的方向来得到成像行扫描检测器2的最优焦点。

如果使用细节评价值，例如，用测量到的评价除以细节评价，则可以恢复将给出正确焦点位置的聚焦评价。例如，从图17B中能够看出，测量评价和细节评价曲线在横坐标上的0处重合，这将给出处于焦点对准的成像行扫描检测器的正确焦点位置。

在上述实施例中的任一个实施例中所给出的特征不限于单个实施例并且可用于任何其它实施例。

Claims (25)

1.一种估计图像扫描装置中的目标的焦点对准水平的方法，其中所述图像扫描装置包括第一行扫描检测器和第二行扫描检测器，所述第一行扫描检测器被构造成获得所述目标的一个或多个图像扫描行，所述第二行扫描检测器被构造成获得所述目标的一个或多个焦点扫描行，所述方法包括：

利用所述第一行扫描检测器来获得所述目标的至少一个图像扫描行，至少一个图像扫描行中的每一者是在相应的焦点水平处获得的；

利用所述第二行扫描检测器来获得所述目标的至少一个焦点扫描行，至少一个焦点扫描行中的每一者是在相应的焦点水平处获得的，并且其中所述至少一个图像扫描行的焦点水平不同于所述至少一个焦点扫描行的焦点水平；

至少利用所述至少一个焦点扫描行来计算至少一个焦点参数；以及

利用计算出的焦点参数来估计所述目标的标称焦点对准水平；

其中所述图像扫描行和焦点扫描行是从所述目标中的不同位置获得的，并且图像信息是利用所述第一行扫描检测器和所述第二行扫描检测器从所述目标沿着不同光轴获得的，从而生成相应的图像扫描行和焦点扫描行；

其中利用反射镜将图像信息反射到所述第二行扫描检测器；以及

其中所述反射镜旋转以提供处于不同焦点水平的所述目标的焦点扫描行，所述反射镜绕着定心于所述第二行扫描检测器的光轴上的点旋转，或者所述反射镜绕着从所述第二行扫描检测器的光轴偏移的点旋转。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括利用所述至少一个图像扫描行或另外地所述焦点扫描行来计算至少一个另外的焦点参数的步骤。

3.根据权利要求1所述的方法，其中计算步骤包括利用相应的至少一个图像扫描行和至少一个焦点扫描行来计算所述第一行扫描检测器和第二行扫描检测器中的每一者的至少一个焦点参数。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中获得至少一个焦点扫描行的步骤包括：调制所述第二行扫描检测器的焦点水平，使得在不同焦点水平处获得多个焦点扫描行。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中图像扫描行和焦点扫描行是从穿过所述目标且具有平面法线的平面内的共同位置获得的，所述平面法线限定光轴，所述第一行扫描检测器和所述第二行扫描检测器中的每一者沿着所述光轴接收图像信息从而生成所述相应的图像扫描行和焦点扫描行。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，还包括：使所述目标依照所述反射镜的旋转而移动，使得从所述目标上的共同位置获得所述焦点扫描行。

7.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，还包括：使所述第二行扫描检测器相对于所述目标移动从而获得处于不同焦点水平的多个焦点扫描行。

8.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，还包括：旋转所述第二行扫描检测器以调制所述焦点水平作为在所述第二行扫描检测器的整个扫描行上的位置的函数。

9.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，还包括：利用来自所述至少一个焦点扫描行或图像扫描行中的一者或每一者的图像数据来生成细节参数；并且在计算所述焦点参数时使用所述细节参数。

10.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中当所述行扫描检测器是多通道检测器时，所述方法包括计算所述检测器的不同通道的焦点对准水平，在估计步骤中评估每个通道的焦点参数并且使用所述通道的一个或多个焦点参数。

11.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，还包括：使所述第二行扫描检测器沿着所述第二行扫描检测器的光轴来回移动，以在所述第一行扫描检测器的所述焦点水平的共轭平面之上以及之下的不同焦点水平获得多个焦点扫描行的聚焦评价值，其中所述聚焦评价值具有表示焦点对准水平的最大值。

12.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中所述至少一个焦点参数是具有表示焦点对准水平的最大值的聚焦评价值。

13.根据权利要求12所述的方法，其中所述聚焦评价值是归一化值。

14.根据权利要求3所述的方法，其中所述至少一个焦点参数是具有表示焦点对准水平的最大值的聚焦评价值，其中按一量且沿一方向根据所述第一行扫描检测器和所述第二行扫描检测器的聚焦评价值之差值的量值和符号来修正所述第一行扫描检测器的焦点水平。

15.根据权利要求13或14所述的方法，其中所述方法还包括：通过使所述第一行扫描检测器移动来将所述第一行扫描检测器的焦点水平调节至标称焦点对准水平。

16.根据权利要求13或14所述的方法，其中在来自第一行扫描检测器和第二行扫描检测器的扫描行的数据之间应用时移，并且所述时移是所述目标和所述图像扫描装置之间的相对运动的函数。

17.根据权利要求13或14所述的方法，其中图像扫描行是从所述目标上的多个位置处获得的从而形成长条。

18.根据权利要求17所述的方法，其中，在长条形成期间将所述第一行扫描检测器的焦点水平实时地调节至所述标称焦点对准水平，使得所述长条内的图像扫描行是在不同焦点水平处获得的。

19.一种图像扫描装置，包括：

第一行扫描检测器，其被构造成获得目标的一个或多个图像扫描行；

第二行扫描检测器，其被构造成获得所述目标的一个或多个焦点扫描行；

成像光学器件，其用于将所述目标的图像提供给所述第一行扫描检测器和所述第二行扫描检测器，其中所述第一行扫描检测器和所述第二行扫描检测器位于所述成像光学器件的不同的相应光轴上，其中所述成像光学器件包括反射镜，所述反射镜被布置成将来自所述目标的所述图像信息的一部分引导至所述第二行扫描检测器；

反射镜驱动器，其适于旋转所述反射镜，从而将不同的图像信息引导至所述第二行扫描检测器；

驱动系统，其用于使所述第一行扫描检测器从所述目标上的不同位置获得图像信息，其中所述反射镜驱动器依照所述驱动系统而操作，使得所述焦点扫描行是从所述目标上的共同位置获得的；

以及处理器，其被构造成：

利用所述第一行扫描检测器来获得处于相应的焦点水平处的所述目标的至少一个图像扫描行；

利用所述第二行扫描检测器来获得处于相应的焦点水平处的所述目标的至少一个焦点扫描行，并且其中所述至少一个图像扫描行的焦点水平不同于所述至少一个焦点扫描行的焦点水平；

至少利用所述至少一个焦点扫描行来计算至少一个焦点参数；以及

利用计算出的焦点参数来估计所述目标的标称焦点对准水平。

20.根据权利要求19所述的图像扫描装置，还包括第一聚焦设备，所述第一聚焦设备被构造成改变所述目标和所述第一行扫描检测器之间的焦点水平，其中所述处理器被进一步构造成：

操作所述第一聚焦设备以将所述第一行扫描检测器的焦点水平移至估计的标称焦点对准水平。

21.根据权利要求19或20所述的图像扫描装置，其中，所述图像扫描装置还包括目标台，其用于保持所述目标，其中所述目标台依照所述反射镜的旋转而移动，使得所述焦点扫描行是从所述目标上的共同位置获得的。

22.根据权利要求19或20所述的图像扫描装置，还包括检测器驱动器，所述检测器驱动器适于使所述第二行扫描检测器沿其相应的光轴移动。

23.根据权利要求19或20所述的图像扫描装置，还包括检测器驱动器，所述检测器驱动器适于旋转所述第二行扫描检测器，从而调制所述焦点水平作为所述第二行扫描检测器的整个扫描行上的位置的函数。

24.根据权利要求19或20所述的图像扫描装置，其中所述反射镜适于绕着从所述第二行扫描检测器的光轴偏移的点旋转。

25.根据权利要求19或20所述的图像扫描装置，其中所述第一行扫描检测器和第二行扫描检测器的焦点水平相对于彼此是能独立受控的。

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