CN109283672B - 自动对焦装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自动对焦装置，包括：发射模块，其包括光源；反射模块，其包括反射镜，反射镜的边缘与光源的光轴相切，用于产生半圆形的偏心光束；准直镜模块，其包括准直镜，准直镜安装在反射镜与物镜的光路之间，并且准直镜的中心轴与物镜的光轴重合，光源与准直镜的反射焦点重合；以及接收模块，其包括光电传感器、信号处理电路和信号输出端。本发明通过反射镜的边缘与光源的光轴相切，巧妙地使得光源和光电传感器都能处于准直镜的焦点上，简化了光路设计，降低了硬件成本，提高了准确度。另外，本自动对焦装置通过对测量光的反射光进行处理运算，计算出离焦量，进而快速调整物镜的位置，减少了对焦所需的时间，提高自动对焦的速度和精度。

Description

自动对焦装置

技术领域

本发明涉及显微成像技术，具体涉及一种用于基因测序仪或显微镜的自动对焦装置。

背景技术

随着生物技术的发展，对显微成像的要求也越来越高，需要对目标进行扫描成像。但是高倍数大数值孔径的物镜景深很小，通常只有几个微米，样本表面的起伏波动对成像有很大的影响，因此需要一个快速高精度的实时自动对焦装置。

目前用于显微镜以及基因测序仪的自动对焦方法大概分为两种，一种是使用图像分析方法找到最佳焦面，该方法需要进行后期的图像处理，缺点是速度慢，硬件以及算法成本高，无法实时对焦。特别是对于基因测序仪，芯片具有淬灭性，不能采取拍摄多张图片的方式；另外一种是使用激光三角测距法，该方法缺点是精度低。

现有技术中有一种对焦方法是采集多幅图像后通过不同的算法进行图像后处理，进而确定焦面的位置，如申请号为201510330475.1的发明专利《无刀口后焦偏置的偏心光束法主动离焦量探测装置及方法》、申请号为201510330496.3的发明专利《基于偏心光束法的自动对焦显微镜及其对焦方法》及申请号为201410183535.7的发明专利《用于显微镜的自动对焦方法和装置》，上述三种方法缺点是成本高、速度慢、不能实时对焦。

现有技术中的另一对焦方法是通过测距传感器测量计算物镜与样本的垂直距离实现自动对焦调整，如申请号为201310704218.0的发明专利《一种实时对焦的装置及方法》，该方法使用的测距传感器位于物镜一侧，对于高倍的物镜而言，物镜工作距离很短，测量光束不能接近物镜。这种方法实则为延时对焦，精度不高。

发明内容

本申请提供一种快速、高精度的实时自动对焦装置。

一种实施例中提供一种自动对焦装置，包括：

发射模块，其包括光源；

反射模块，其包括反射镜，反射镜的边缘与光源的光轴相切，用于产生半圆形的偏心光束；

准直镜模块，其包括准直镜，准直镜安装在反射镜与物镜的光路之间，并且准直镜的中心轴与物镜的光轴重合，光源与准直镜的反射焦点重合；

以及接收模块，其包括光电传感器、信号处理电路和信号输出端，光电传感器位于准直镜的焦点处，光电传感器、信号处理电路和信号输出端依次信号连接，光电传感器用于接收样本反射的信号光并生成相应的光信号，信号处理电路用于处理运算光信号，信号输出端用于输出处理后的光信号。

进一步地，光电传感器为二像元光电二极管，二像元光电二极管的两个像元以物镜的光轴为中心对称分布，二像元光电二极管根据两个像元的感光输出两路光信号。

进一步地，信号处理电路对二像元光电二极管输出的两路光信号进行放大、过滤和运算，运算包括求差、求和及差和求除运算，并分别运算得到求差信号、求和信号以及差和求除信号，信号输出端输出求差信号、求和信号以及差和求除信号。

进一步地，求差信号为DIFF＝M*(S1-S2)，求和信号为SUM＝M*(S1+S2)，差和求除信号为DIV＝(S1-S2)/(S1+S2)，其中，S1和S2为二像元光电二极管输出的两路光信号，M为放大倍数，并且M≥5000。

进一步地，自动对焦装置还包括基座，基座设有容置腔体，发射模块、反射模块和接收模块均安装在基座的容置腔体内；准直镜模块安装在基座外侧，并延伸至基座的容置腔体内；接收模块的信号输出端穿出基座的容置腔体，露出于基座的外侧。

进一步地，发射模块还包括散热器和可变光阑，散热器贴合在光源的后端，可变光阑贴合在光源的前端，可变光阑具有一个或多个可变孔径的通光孔。

进一步地，发射模块还包括驱动电路，驱动电路与光源连接，用于驱动控制光源发光；光源为发光二极管、激光或汞灯。

进一步地，反射模块还包括承载座，反射镜安装在承载座上，基座的容置腔体内设有安装槽，承载座可调节的安装在基座的安装槽内。

进一步地，承载座的底面设有插销孔，安装槽的底面设有腰型槽，承载座的插销孔与安装槽的腰型槽通过插销可滑动的连接。

进一步地，承载座滑动方向的两端分别通过螺钉和弹簧与安装槽连接，并且承载座与基座的安装槽侧壁之间设有用于旋转的间隙。

进一步地，准直镜模块还包括套筒和压圈，基座上设有从外侧延伸至容置腔体的通孔，套筒的一端安装在基座的通孔内，压圈安装在套筒的另一端，准直镜内压圈封装在套筒的腔体内。

进一步地，二像元光电二极管的前端安装有用于屏蔽杂散光的遮光筒。

进一步地，接收模块还包括壳体，光电传感器、信号处理电路和信号输出端均安装在壳体内，并且光电传感器和信号输出端分别伸出壳体的前后面，壳体左右两端分别通过螺钉可调节的安装在基座的容置腔体内。

在另一种实施例中，自动对焦装置还包括物镜、物镜驱动模块和处理模块，物镜驱动模块与物镜连接，并与处理模块信号连接，处理模块还与信号输出端信号连接，用于获取处理后的光信号及计算物镜的离焦量，并根据计算的离焦量控制物镜驱动模块驱动物镜自动对焦。

进一步地，处理模块控制物镜驱动模块驱动物镜自动对焦，具体为：

若求和信号小于阈值，则判定样本超出工作范围，不进行对焦；

若求和信号大于等于阈值，则判定需要对焦，控制物镜驱动模块驱动物镜移动对焦，物镜的移动速度V＝K*DIV；当样本在焦面时，DIV为0，完成对焦；

其中，阈值为求和信号峰值的10％，K为预设的恒定值。

进一步地，物镜的移动速度V不小于10mm/s。

依据上述实施例的自动对焦装置，由于通过反射镜的边缘与光源的光轴相切，巧妙地使得光源和光电传感器都能处于准直镜的焦点上，简化了光路设计，降低了硬件成本，提高了准确度。另外，本自动对焦装置通过对测量光的反射光进行处理运算，计算出离焦量，进而快速调整物镜的位置，减少了对焦所需的时间，提高自动对焦的速度和精度。

附图说明

图1为一种实施例中自动对焦装置的立体结构示意图；

图2为一种实施例中自动对焦装置的俯视结构示意图；

图3为一种实施例中自动对焦装置隐藏基座的爆炸结构示意图；

图4为一种实施例中承载座的仰视图；

图5为一种实施例中自动对焦装置隐藏反射模块的结构示意图；

图6为一种实施例中不同离焦量下到达二像元光电二极管的光斑形状；

图7为一种实施例中信号处理电路图；

图8为一种实施例中的光路图；

图9为另一实施例中自动对焦装置的结构框图；

图10为另一种实施例中离焦量与输出信号关系图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。

实施例一：

在本实施例中提高了一种自动对焦装置，本自动对焦装置用于显微镜以及基因测序仪等仪器上进行实时自动对焦。

如图1和图2所示，自动对焦装置主要包括基座1、发射模块2、反射模块3、准直镜模块4和接收模块5。

基座1为一个盒体结构，中部具有用于容置安装部件的容置腔体。

如图3所示，发射模块2包括光源21、散热器22和可变光阑23，光源21为发光二极管、激光、汞灯等光源，光源21的波段包括但不限于近红外、可见光，光源21用于发射测量光。在本实施例中，光源21为LED。散热器22贴合在光源21的后端，散热器22具有若干散热片，用于对光源21散热。可变光阑23具有一个或多个可变孔径的通光孔，可变光阑23贴合在光源21的前端，可变光阑23的中心通孔与光源21的中心轴重合，通过调节通光孔的大小调节光源21发光面的孔径。

为了控制光源21发光及光强，发射模块2还包括驱动电路24，驱动电路24与光源21和可变光阑23连接，驱动电路24中的可变电阻可改变输出的驱动电流及驱动驱动电压，实现对光源21照明功率的调节。

如图3所示，反射模块3包括反射镜31和承载座32，反射镜31安装在承载座32上，承载座32为方形块，基座1的容置腔体内设有方形的安装槽，并且安装槽的长宽均比承载座32大，从而承载座32安装在安装槽内后可以移动及轻微转动。具体的，如图4所示，承载座32的底面设有插销孔321，如图5所示，基座1的安装槽的底面设有腰型槽111，承载座32的插销孔321与安装槽11的腰型槽111通过插销连接，承载座32通过插销沿着安装槽11的腰型槽111滑动。

如图3所示，为了调节及固定承载座32在基座1的安装槽内的位置，承载座32滑动方向的两端分别通过螺钉和弹簧322与安装槽11侧壁连接，可通过螺钉调节承载座32的位置，弹簧322起预紧作用。

反射镜31倾斜安装在承载座32上，反射镜31的边缘与光源21的光轴相切，优选的，反射镜31的边缘位于光源21的光轴和物镜6的光轴交汇处，并且反射镜31与光源21的光轴成一定夹角设置，使得反射镜31可产生半圆形的偏心光束。图2示出了光路图，发射模块2射出的光柱恰好射到反射镜31的边缘，而光柱的中心轴(光轴)与反射镜31的边缘相切，这样光柱有一半光被反射至准直镜模块4，而另一半光没有被反射，而被反射的光恰好是一个半圆光柱。

如图3所示，准直镜模块4包括准直镜41、套筒42和压圈43，本实施例中，套筒42独立于基座1，基座1的侧面设有从外端延伸至容置腔体的通孔，套筒42的一端安装在基座1的通孔内，准直镜41安装在套筒42的腔体内，压圈43安装在套筒42的另一端，并将准直镜41封在套筒42的腔体内。在其他实施例中，套筒42与基座1为一体式结构，套筒42为基座1延伸出的筒体。

参见图8，本实施例中，准直镜41位于反射镜31和物镜6的光路之间，准直镜41的中心轴与物镜6的光轴重合，并且光源21与准直镜41的经过反射镜31反射的焦点重合，从而使得光源21通过反射镜31反射进入准直镜41后，其光线能够平行进入物镜6。

如图3所示，接收模块5包括光电传感器51、信号处理电路52和信号输出端53，光电传感器51、信号处理电路52和信号输出端53依次信号连接，光电传感器51为二像元光电二极管，二像元光电二极管的两个像元以物镜6的光轴为中心对称分布，根据不同的离焦量，样本反射到二像元光电二极管的光斑形状就会不一样，输出的信号就会不同，二像元光电二极管根据两个像元的感光输出两路光信号S1和S2，并且二像元光电二极管也位于准直镜41的焦点处，保证二像元光电二极管能够接收到穿过准直镜41的样本9反射光。由于二像元光电二极管与光源21(LED发光面)具有共轭关系(从光源到样本物面、从样本物面到二像元光电二极管，这两条光路是完全相同的，即光源与二像元光电二极管具有共轭关系，可以理解为二像元光电二极管上所成的像就是光源)。因此，前述反射镜31反射出的半圆光柱，经样本反射回光电传感器51后，又会变回接近圆形的光斑成像在二像元光电二极管上。二像元光电二极管实际上分为两片传感器，光斑在两片传感器上成像，于是两片传感器就输出两个信号S1和S2。

如图6所示，当样本离焦量分别是-60μm、0、60μm时(从左到右)，二像元光电二极管的两个像元分别探测到的光斑强度。图中灰色区域代表了光照射的区域，可知离焦量不同时，二像元光电二极管探测到的光强也不一样。

信号处理电路52包括放大模块、过滤模块和运算模块，放大模块用于分别放大两路光信号，放大倍数M≥5000，过滤模块用于对放大的两路信号进行滤波处理，如图7所示，运算模块用于对放大的两路信号进行求差、求和及差和求除运算，并得到求差信号、求和信号以及差和求除信号。求差信号为DIFF＝M*(S1-S2)，求和信号为SUM＝M*(S1+S2)，差和求除信号为DIV＝(S1-S2)/(S1+S2)。

信号输出端53用于输出和输入电压，包括输出求差信号、求和信号以及差和求除信号，根据输出信号，可以知道物面的离焦量，即可驱动物镜6完成对焦动作。具体地，求和信号用于阈值判定；求差信号用于辅助光路调节，移动二像元光电二极管的位置使得差信号调零，该行为在对焦前的调试过程中完成；差和求除信号用于计算离焦量。

为了更好的安装接收模块5，接收模块5还包括壳体54，光电传感器51、信号处理电路52和信号输出端53均安装在壳体54内，并且光电传感器51和信号输出端53分别伸出壳体54的前后面，壳体54左右两端分别通过螺钉可调节的安装在基座1的容置腔体内，并且一端的螺钉延伸至基座1外侧，并安装有旋钮55，通过旋钮55可调节壳体54左右移动，进而调节光电传感器51与准直镜41的焦点重合。

为了更好的过滤屏蔽杂散光，在光电传感器51的前端贴合安装有遮光筒56，可有效防止杂散光的干扰。

如图8所示，本实施例自动对焦装置的光路图，光源21发射的测量光照射到反射镜31上，反射镜31将测量光反射到准直镜41上，准直镜41将光变成平行测量光进入物镜6中，穿过物镜6的测量光被样本9反射回物镜6，并穿过准直镜41射到光电传感器51上，形成完整的测量光路。

本实施例的自动对焦装置，通过反射镜31的边缘与光源21的光轴相切，巧妙地使得光源21和光电传感器51都能处于准直镜41的焦点上，简化了光路设计，降低了硬件成本，提高了准确度。另外，本自动对焦装置通过对测量光的反射光进行处理运算，计算出离焦量，进而快速调整物镜的位置，减少了对焦所需的时间，提高自动对焦的速度和精度。

实施例二：

本实施例提供了一种自动对焦装置，如图9所示，本自动对焦装置在上述实施例一的自动对焦装置基础上增加了物镜6、物镜驱动模块7和处理模块8。

驱动模块7与物镜6连接，并与所述处理模块8信号连接。处理模块8为基因测序仪的处理器，或者为单独的处理器，处理模块8还与基座1上的信号输出端53信号连接，处理模块8用于获取处理后的光信号及计算物镜6的离焦量，并根据计算的离焦量控制物镜驱动模块7驱动物镜6自动对焦。

如图10所示，本实施例的输出信号DIV与离焦量的关系图，从DIV信号得知当前的离焦量，进而进行自动对焦。

处理模块8控制物镜驱动模块7驱动物镜6自动对焦的原理步骤为：

若求和信号SUM小于阈值，则判定样本超出工作范围，不进行对焦；

若求和信号SUM大于等于阈值，则判定需要对焦，控制物镜驱动模块7驱动物镜6移动对焦，物镜6的移动速度V＝K*DIV＝K*(S1-S2)/(S1+S2)；当样本在焦面时，S1和S2相等，则DIV为0，完成对焦；

其中，阈值为求和信号SUM峰值的10％，K为预设的恒定值，K的值可根据实际需求设置，并且保证物镜6的移动速度V不小于10mm/s。

本实施例的自动对焦装置，具有如下优点：

1)速度快：本自动对焦装置无需经过图像处理，信号实时输出，电路处理时间远低于毫秒量级，对焦速度的快慢取决于物镜驱动模块的速度；

2)成本低；本自动对焦装置结构简单，算法简洁，不需要复杂的图像处理电路；

3)精度高；本自动对焦装置的精度取决于电路的噪声影响，至少达到0.1μm。

以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。

Claims (9)

1.一种自动对焦装置，其特征在于，包括：

发射模块，其包括光源；

反射模块，其包括反射镜，所述反射镜的边缘与光源的光轴相切，用于产生半圆形的偏心光束；

准直镜模块，其包括准直镜，所述准直镜安装在所述反射镜与物镜的光路之间，并且所述准直镜的中心轴与物镜的光轴重合，所述光源与准直镜的反射焦点重合；

以及接收模块，其包括光电传感器、信号处理电路和信号输出端，所述光电传感器位于所述准直镜的焦点处，所述光电传感器、信号处理电路和信号输出端依次信号连接，所述光电传感器用于接收样本反射的信号光并生成相应的光信号，所述信号处理电路用于处理运算所述光信号，所述信号输出端用于输出处理后的所述光信号；所述光电传感器为二像元光电二极管，所述二像元光电二极管的两个像元以所述物镜的光轴为中心对称分布，所述二像元光电二极管根据两个像元的感光输出两路光信号。

2.如权利要求1所述的自动对焦装置，其特征在于，所述信号处理电路对二像元光电二极管输出的两路光信号进行放大、过滤和运算，所述运算包括求差、求和及差和求除运算，并分别运算得到求差信号、求和信号以及差和求除信号，所述信号输出端输出求差信号、求和信号以及差和求除信号。

3.如权利要求2所述的自动对焦装置，其特征在于，所述求差信号为DIFF＝M*(S1-S2)，所述求和信号为SUM＝M*(S1+S2)，所述差和求除信号为DIV＝(S1-S2)/(S1+S2)，其中，S1和S2为二像元光电二极管输出的两路光信号，M为放大倍数，并且M≥5000。

4.如权利要求1所述的自动对焦装置，其特征在于，还包括基座，所述基座设有容置腔体，所述发射模块、反射模块和接收模块均安装在所述基座的容置腔体内；所述准直镜模块安装在所述基座外侧，并延伸至所述基座的容置腔体内；所述接收模块的信号输出端穿出所述基座的容置腔体，露出于所述基座的外侧。

5.如权利要求1所述的自动对焦装置，其特征在于，所述发射模块还包括散热器和可变光阑，所述散热器贴合在所述光源的后端，所述可变光阑贴合在所述光源的前端，所述可变光阑具有一个或多个可变孔径的通光孔。

6.如权利要求4所述的自动对焦装置，其特征在于，所述反射模块还包括承载座，所述反射镜安装在所述承载座上，所述基座的容置腔体内设有安装槽，所述承载座可调节的安装在所述基座的安装槽内。

7.如权利要求4所述的自动对焦装置，其特征在于，所述准直镜模块还包括套筒和压圈，所述基座上设有从外侧延伸至容置腔体的通孔，所述套筒的一端安装在所述基座的通孔内，所述压圈安装在所述套筒的另一端，所述准直镜被所述压圈封装在所述套筒的腔体内；所述接收模块还包括壳体，所述光电传感器、信号处理电路和信号输出端均安装在所述壳体内，并且所述光电传感器和信号输出端分别伸出所述壳体的前后面，所述壳体左右两端分别通过螺钉可调节的安装在基座的容置腔体内。

8.如权利要求3所述的自动对焦装置，其特征在于，还包括物镜、物镜驱动模块和处理模块，所述物镜驱动模块与物镜连接，并与所述处理模块信号连接，所述处理模块还与信号输出端信号连接，用于获取处理后的所述光信号及计算物镜的离焦量，并根据计算的离焦量控制所述物镜驱动模块驱动物镜自动对焦。

9.如权利要求8所述的自动对焦装置，其特征在于，所述处理模块控制所述物镜驱动模块驱动物镜自动对焦，具体为：

若所述求和信号小于阈值，则判定样本超出工作范围，不进行对焦；

若所述求和信号大于等于阈值，则判定需要对焦，控制物镜驱动模块驱动物镜移动对焦，物镜的移动速度V＝K*DIV；当样本在焦面时，DIV为0，完成对焦；

其中，所述阈值为求和信号峰值的10％，K为预设的恒定值。

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