CN107728304A - 一种多焦点频域oct自适应调焦装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多焦点频域OCT自适应调焦装置，涉及光学成像技术领域，包括电动升降器，所述载物板的上方依次设置有物镜、第一半透半反镜、目镜以及第二半透半反镜，所述光圈的下方设置有聚光镜，所述聚光镜旁设置有白光灯源，所述白光灯源通过电线与电脑电性连接；所述第一半透半反镜旁设置有第一光纤准直镜、第二光纤准直镜、第三光纤准直镜以及第四光纤准直镜，所述第一光纤准直镜、第二光纤准直镜、第三光纤准直镜、第四光纤准直镜分别通过电线与一光开关连接。本发明的有益之处是，保障显微成像系统获取高清晰图像，同时实现在景深范围内增大清晰视场面积和较高的调焦精度。

Description

一种多焦点频域OCT自适应调焦装置及其方法

技术领域

本发明涉及光学成像技术领域，尤其是一种多焦点频域OCT自适应调焦装置及其方法。

背景技术

传统的显微镜的对焦一般是通过人工进行调整，这样的对焦过程，对焦需要一定的操作技巧，如果操作者经验不足，往往是无法确定焦点的，在调整时无法判断是升高还是降低物镜到样品的距离，造成一定的不便。目前提出的自动对焦系统主要有基于外部辅助测量设备的自动对焦系统和基于图像质量评价的自动调焦系统。前者是通过光学系统与被成像目标距离来实现自动对焦，但这种方法安装调试复杂和系统结构复杂，因此较少使用。后者是使用自动对焦评价函数对所采集图像的质量来搜索焦点位置，该系统实现简单，使用方便，被运用较多。目前基于图像质量评价的自动调焦系统主要采用电机驱动平台移动和利用电动变焦镜头，并使用对焦评价函数对运动进行反馈，使得被观察物体调整到显微镜的景深内。这两种方法都受到电机运动过程中电机精度，迟滞误差和响应速度等的限制，会引起调焦误差。同时电动变焦镜头的焦距变化，导致显微成像系统成像特性发生变化，不能保证调焦前后的放大倍率一致。

随着显微系统设备不断发展和改进，显微镜的景深范围不断提高，为显微镜在各方面的运用提供极大的帮助。因此，为了在调焦前后不改变显微系统放大倍率，同时提高自动调焦的速度、精度和增大系统景深利用率，本发明提供了一种多焦点频域OCT自适应调焦方法及其装置。

发明内容

本发明克服了现有技术中的缺点，提供一种多焦点频域OCT自适应调焦装置及其方法，保障显微成像系统获取高清晰图像，同时实现在景深范围内增大清晰视场面积和较高的调焦精度。

为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种多焦点频域OCT自适应调焦装置，包括电动升降器，所述电动升降器包括载物板，所述电动升降器与一频域OCT系统电性连接，所述载物板上设置有光圈以及用于固定待检样品的固定夹，所述载物板的上方依次设置有物镜、第一半透半反镜、目镜以及第二半透半反镜，所述光圈的下方设置有聚光镜，所述聚光镜旁设置有白光灯源，所述白光灯源通过电线与电脑电性连接；所述第一半透半反镜旁设置有第一光纤准直镜、第二光纤准直镜、第三光纤准直镜以及第四光纤准直镜，所述第一光纤准直镜、第二光纤准直镜、第三光纤准直镜、第四光纤准直镜分别通过电线与一光开关连接，所述频域OCT系统设置有频域OCT系统开孔，所述频域OCT系统开孔与所述光开关对应，所述光开关与所述频域OCT系统连接，所述频域OCT系统通过电线与所述电脑连接；所述第二半透半反镜旁还设置有第一会聚透镜，所述第一会聚透镜的后方设置有第一CCD相机，所述第一CCD相机通过电线与所述电脑连接。

进一步地，所述电动升降器内设置有电机，所述电机与所述频域OCT系统电性连接，所述电机上连接有螺杆，所述螺杆与所述载物板螺纹连接。

进一步地，所述载物板上设置有用于调节所述光圈大小的光圈调整旋钮。

进一步地，所述第一半透半反镜与水平线的夹角成45°。

进一步地，所述频域OCT系统包括壳体，所述壳体形成空腔，所述空腔内并排设置有第一宽带光源和第二宽带光源，所述第一宽带光源和第二宽带光源后方依次设置有2×1光纤耦合器以及2×2光纤耦合器，所述2×2光纤耦合器上连接有参考端部分、样品端部分以及光谱仪部分，所述参考端部分包括第二偏振控制器、第五光纤准直器、第二会聚透镜以及反射镜，所述样品端部分包括第一偏振控制器，所述光谱仪部分包括光纤固定器、准直透镜、透射光栅、第三会聚透镜以及第二CCD相机。

进一步地，所述的一种多焦点频域OCT自适应调焦装置，调焦方法如下：

(1)将待检样品平放于电动升降器的载物板上，并用固定夹进行固定；

(2)在电脑的Labview的自适应对焦程序中输入物镜数值孔径、焦距、入射光波长、物镜放大倍率、待检样品与物镜之间介质的折射率以及显微镜的横向分辨率，通过Labview的自适应对焦程序可计算出所选物镜和目镜组合的景深和焦距；

(3)Labview的自适应对焦程序中标定焦点位置F和景深范围d1-d2，Labview的自适应对焦程序开始工作，控制光开关先后出光，采集干涉信号，干涉信号被第二CCD相机接收，由光信号转成电信号，通过Labview的自适应对焦程序采集电信号，将采集到的电信号数据进行傅里叶变换(FFT)，在Labview的自适应对焦程序中显示出焦点标定位置，4个不同点的位置；

(4)Labview的自适应对焦程序通过将4个不同点的位置与焦点标定位置两两作差，情况一：如果4个差值都小于8μm，Labview的自适应对焦程序判断待检样品是平整的，Labview的自适应对焦程序将计算电动升降器到焦点的距离，最后Labview的自适应对焦程序驱动电动升降器，电动升降器将待检样品一步移至焦平面处，完成对焦；情况二：如果4个差值都大于或等于8μm，Labview的自适应对焦程序判断待检样品是不平整的，Labview的自适应对焦程序将运用自适应算法选择电动升降器移动距离，最后电动升降器驱动电动升降器，其将待检样品一步移至景深范围内，使待检样品尽量多的视场都是清晰的，完成自适应对焦。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供一种精度更高的自适应自动调焦方法和显微装置，通过引入相干光产生干涉来分析待检样品与显微系统焦点的距离和分析待检样品的平整度与显微系统的景深关系来自适应自动调焦，有效提高调焦精度、速度和增大清晰的视场面积。

附图说明

图1为本发明一种多焦点频域OCT自适应调焦装置调焦方法的流程图；

图2为本发明装置光路结构图；

图3是所述电动升降器的结构示意图；

图4为本发明频域OCT系统光路结构图；

图5为频域OCT基本原理图；

图6为Labview的自适应对焦程序运算结果坐标图。

1-聚光镜、2-光圈、3-固定夹、4-电动升降器、41-载物板，42-电机，43-螺杆，5-光圈调整旋钮、6-物镜、7-第一半透半反镜、8-目镜、9-第二半透半反镜、10-眼球、11-第一会聚透镜、12-第一CCD相机、13-电脑、14-频域OCT系统、15-第一光纤准直镜、16-第二光纤准直镜、17-第三光纤准直镜、18-第四光纤准直镜、19-光开关、20-白光光源、21-第一宽带光源、22-第二宽带光源、23-2×1光纤耦合器、24-2×2光纤耦合器、25-频域OCT系统开孔、26-第一偏振控制器、27-第二偏振控制器、28-第五光纤准直器、29-第二会聚透镜、30-反射镜、31-光纤固定器、32-准直透镜、33-透射光栅、34-第三会聚透镜、35-第二CCD相机。

具体实施方式

以下对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

如图2和图3所示，一种多焦点频域OCT自适应调焦装置，包括电动升降器4，电动升降器4包括载物板41，电动升降器4与一频域OCT系统14电性连接，载物板41上设置有光圈2以及用于固定待检样品的固定夹3，电动升降器4内设置有电机42，电机42与频域OCT系统14电性连接，电机42上连接有螺杆43，螺杆43与载物板41螺纹连接，电机42通过电线接收频域OCT系统14进行正转或反转，从而控制螺杆43正向转动或反向转动，令载物板41上升或下降，此外，在载物板41上设置有用于调节光圈2大小的光圈调整旋钮5，可调节光圈2的大小。

载物板41的上方依次设置有物镜6、第一半透半反镜7、目镜8以及第二半透半反镜9，第一半透半反镜7具有高反红外光透白光的特性，优选地，第一半透半反镜7与水平线的夹角成45°，在光圈2的下方设置有聚光镜1，聚光镜1旁设置有白光灯源20，白光灯源20通过电线与电脑13电性连接；第一半透半反镜7旁设置有第一光纤准直镜15、第二光纤准直镜16、第三光纤准直镜17以及第四光纤准直镜18，第一光纤准直镜15、第二光纤准直镜16、第三光纤准直镜17、第四光纤准直镜18分别通过电线与一光开关19连接，频域OCT系统14设置有频域OCT系统开孔25，频域OCT系统开孔25与光开关19对应，光开关19与频域OCT系统14连接，频域OCT系统14通过电线与电脑13连接；第二半透半反镜9旁还设置有第一会聚透镜11，第一会聚透镜11的后方设置有第一CCD相机12，第一CCD相机12通过电线与电脑13连接。

优选地，频域OCT系统14包括壳体，壳体形成空腔，如图4所示，空腔内并排设置有第一宽带光源21和第二宽带光源22，第一宽带光源21和第二宽带光源22后方依次设置有2×1光纤耦合器23以及2×2光纤耦合器24，2×2光纤耦合器24上连接有参考端部分、样品端部分以及光谱仪部分，参考端部分包括第二控制器27、第五光纤准直器28、第二会聚透镜29以及反射镜30，样品端部分包括第一偏振控制器26、第二偏振控制器27，光谱仪部分包括光纤固定器31、准直透镜32、透射光栅33、第三会聚透镜34以及第二CCD相机35。

如图1所示，一种多焦点频域OCT自适应调焦装置，调焦方法如下：

(1)将待检样品平放于电动升降器4的载物板41上，并用固定夹3进行固定；

(2)在电脑13的Labview的自适应对焦程序中输入物镜6数值孔径、焦距、入射光波长、物镜6放大倍率、待检样品与物镜6之间介质的折射率以及显微镜的横向分辨率，通过Labview的自适应对焦程序可计算出所选物镜6和目镜8组合的景深和焦距；

(3)Labview的自适应对焦程序中标定焦点位置F和景深范围d1-d2，Labview的自适应对焦程序开始工作，控制光开关19先后出光，采集干涉信号，干涉信号被第二CCD相机接收，由光信号转成电信号，通过Labview的自适应对焦程序采集电信号，将采集到的电信号数据进行傅里叶变换(FFT)，在Labview的自适应对焦程序中显示出焦点标定位置，4个不同点的位置；

(4)Labview的自适应对焦程序通过将4个不同点的位置与焦点标定位置两两作差，情况一：如果4个差值都小于8μm，Labview的自适应对焦程序判断待检样品是平整的，Labview的自适应对焦程序将计算电动升降器4到焦点的距离，最后Labview的自适应对焦程序通过频域OCT系统14驱动电动升降器4，电动升降器4将待检样品一步移至焦平面处，完成对焦；情况二：如果4个差值都大于或等于8μm，Labview的自适应对焦程序判断待检样品是不平整的，Labview的自适应对焦程序将运用自适应算法选择电动升降器4移动距离，最后通过频域OCT系统14驱动电动升降器，其将待检样品一步移至景深范围内，使待检样品尽量多的视场都是清晰的，完成自适应对焦。

图4中示出了本发明的频域OCT系统14的光路图，整个频域OCT系统14的光路主要分为两个，一个是显微光路，一个是自适应调焦光路。自适应调焦光路描述如下：第一宽带光源21和第二宽带光源22分别产生光束经过2×1光纤耦合器23，进入2×2光纤耦合器24按光纤耦合器的分光比，部分光束进入参考端光路，部分光束进入样品端光路。进入参考端的光束通过第二偏振控制器27从第五光纤准直器28出射平行参考光，参考光经第一会聚透镜29聚焦于反射镜30，参考光原路返回光纤耦合器24中；进入样品端的光束通过第一偏振控制器26，经过频域OCT系统开孔25进入光开关19，光开关19按时间顺序先后开启第一光纤准直器15、第二光纤准直器16、第三光纤准直器17、第四光纤准直器18所在光路的开关，出射的样品光经第一半透半反镜7反射到物镜6会聚在待检样品的4个不同的点上，待检样品光的后向反射光原路返回到光纤耦合器24，同时与反射回来的参考光在光纤耦合器24中发生干涉，带有待检样品深度信息的干涉光经光纤耦合器24进入光纤固定器31，干涉光束经准直透镜32平行，平行光束经透射光栅33分光，不同波长的光被第二会聚透镜34会聚到第二CCD相机35上，被第二CCD相机35收集；显微光路描述如所述：白色光源20产生白光经聚光镜1，白光经光圈2照射在待检样品上，然后先后经物镜6，反透镜7，目镜8，光束经第二半透半反镜9部分光透射进入眼球10成像，部分光反射经第一会聚透镜11会聚成像到第一CCD相机12上。

频域OCT系统14基本原理：频域OCT技术是基于低相干光的干涉理论，其物理基础是使用宽带光源照明的迈克尔逊干涉仪，原理结构如图5(a)所示，宽带光源发出的具有一定频带宽度的低相干光经过分束器分光后分别入射到样品端和参考端，样品后向散射光和参考光的反射光产生干涉，干涉光通过透射光栅分为不同波长的干涉光，之后衍射到数字化CCD相机上。图5(b)是采集到光谱的干涉信号，对其进行傅里叶变换，可获得不同深度位置的信息(如图5(c)所示)。根据图5(a)的成像方式，从参考臂和反射臂反射回来的光在半反半透镜叠加并干涉，由于探测器为平方律探测器，其干涉光强：

化简后可以表示为：

这里I₁和I₂是参考光和探测光的直流信号，z＝z₁+z₂为干涉光程差，也可以定义为以等光程面的探测深度，θ为干涉的初相位差。当干涉光经过光栅分光后，将光从位置空间转换到波矢空间，线阵CCD每个线阵单元接收到的信号是不同波矢的光谱信号：I(k_i，z)＝A₀γ₁γ₂cos(2k_iz+θ)，线阵CCD接收到的光谱干涉信号通过傅立叶变换到位置空间，按照理想情况，谐波信号的傅立叶变换是一个δ函数:傅立叶变换后，不同深度的信号能够在空间分开。

平整度算法：基于频域OCT原理，傅里叶变换可以将焦点到高反红外光透白光的反透镜的距离△F，4个光路的不同点到反红外光透白光的反透镜的距离Δz₁，Δz₂，Δz₃，Δz₄在程序坐标图中显示，平整度判断系数Δ＝8um，平整度判断表达式：

在Labview程序中1表示TURE，0表示FALSE，判断结果输出进入下一步计算。

自适应算法：在程序中已经算出4个光路的不同点到反红外光透白光的反透镜的距离Δz₁，Δz₂，Δz₃，Δz₄，并在程序坐标图上显示。同时焦点F，和景深前后两点d₁，d₂也在坐标图中标出来(如图6所示)。先是根据显微景深计算公式：再找出4个不同点中两点的距离差最大的点的位置，并求距离差最大的值ΔZ和4个点两两的距离差的平均值自适应算法表达式如下：

得出H值，程序输出反馈给精密电动升降器移动距离ΔS₂＝H。

本发明结合频域OCT系统14和电动升降器4，使得对焦精度比其他方法高。频域OCT系统14的纵向分辨率0.5um,电动升降器14精度达0.8nm,速度可达3mm/s，量程达80mm,所以本发明装置精度精高，速度快，工作效率高。

本发明引入了平整度算法，不仅为自适应对焦算法提供判断依据，而且在检测工序中附加了样品平整度检测的功能。同时本显微系统可提供人眼直接观察对焦好的待检样品和相机拍摄两种观察方式。与其他方法及装置相比，本发明实现了一装置多功能化，装置高度集成化。

最后应说明的是：以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但是凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种多焦点频域OCT自适应调焦装置，其特征在于，包括电动升降器，所述电动升降器包括载物板，所述电动升降器与一频域OCT系统电性连接，所述载物板上设置有光圈以及用于固定待检样品的固定夹，所述载物板的上方依次设置有物镜、第一半透半反镜、目镜以及第二半透半反镜，所述光圈的下方设置有聚光镜，所述聚光镜旁设置有白光灯源，所述白光灯源通过电线与电脑电性连接；所述第一半透半反镜旁设置有第一光纤准直镜、第二光纤准直镜、第三光纤准直镜以及第四光纤准直镜，所述第一光纤准直镜、第二光纤准直镜、第三光纤准直镜、第四光纤准直镜分别通过电线与一光开关连接，所述频域OCT系统设置有频域OCT系统开孔，所述频域OCT系统开孔与所述光开关对应，所述光开关与所述频域OCT系统连接，所述频域OCT系统通过电线与所述电脑连接；所述第二半透半反镜旁还设置有第一会聚透镜，所述第一会聚透镜的后方设置有第一CCD相机，所述第一CCD相机通过电线与所述电脑连接。

2.根据权利要求1所述的一种多焦点频域OCT自适应调焦装置，其特征在于，所述电动升降器内设置有电机，所述电机与所述频域OCT系统电性连接，所述电机上连接有螺杆，所述螺杆与所述载物板螺纹连接。

3.根据权利要求2所述的一种多焦点频域OCT自适应调焦装置，其特征在于，所述载物板上设置有用于调节所述光圈大小的光圈调整旋钮。

4.根据权利要求1所述的一种多焦点频域OCT自适应调焦装置，其特征在于，所述第一半透半反镜与水平线的夹角成45°。

5.根据权利要求1所述的一种多焦点频域OCT自适应调焦装置，其特征在于，所述频域OCT系统包括壳体，所述壳体形成空腔，所述空腔内并排设置有第一宽带光源和第二宽带光源，所述第一宽带光源和第二宽带光源后方依次设置有2×1光纤耦合器以及2×2光纤耦合器，所述2×2光纤耦合器上连接有参考端部分、样品端部分以及光谱仪部分，所述参考端部分包括第二偏振控制器、第五光纤准直器、第二会聚透镜以及反射镜，所述样品端部分包括第一偏振控制器，所述光谱仪部分包括光纤固定器、准直透镜、透射光栅、第三会聚透镜以及第二CCD相机。

6.根据权利要求1所述的一种多焦点频域OCT自适应调焦装置，其特征在于，调焦方法如下：

(1)将待检样品平放于电动升降器的载物板上，并用固定夹进行固定；

(2)在电脑的Labview的自适应对焦程序中输入物镜数值孔径、焦距、入射光波长、物镜放大倍率、待检样品与物镜之间介质的折射率以及显微镜的横向分辨率，通过Labview的自适应对焦程序可计算出所选物镜和目镜组合的景深和焦距；

(3)Labview的自适应对焦程序中标定焦点位置F和景深范围d1‐d2，Labview的自适应对焦程序开始工作，控制光开关先后出光，采集干涉信号，干涉信号被第二CCD相机接收，由光信号转成电信号，通过Labview的自适应对焦程序采集电信号，将采集到的电信号数据进行傅里叶变换(FFT)，在Labview的自适应对焦程序中显示出焦点标定位置，4个不同点的位置；

(4)Labview的自适应对焦程序通过将4个不同点的位置与焦点标定位置两两作差，情况一：如果4个差值都小于8μm，Labview的自适应对焦程序判断待检样品是平整的，Labview的自适应对焦程序将计算电动升降器到焦点的距离ΔS₁，最后Labview的自适应对焦程序驱动电动升降器，电动升降器将待检样品一步移至焦平面处，完成对焦；情况二：如果4个差值都大于或等于8μm，Labview的自适应对焦程序判断待检样品是不平整的，Labview的自适应对焦程序将运用自适应算法选择电动升降器移动距离ΔS₂，最后电动升降器驱动电动升降器，其将待检样品一步移至景深范围内，使待检样品尽量多的视场都是清晰的，完成自适应对焦。