CN109425952A - 自动对焦方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自动对焦方法和装置，自动对焦方法，包括如下步骤：光源发射的照明光在样本上反射成信号光；信号光经半反射半透射分成的第一信号光和第二信号光，在反射光聚焦位置后端获取反射的第一信号光，在透射光聚焦位置前端获取透射的第二信号光；并计算得到驱动信号S；根据驱动信号S计算出样本的离焦量；根据离焦量驱动物镜对焦。由于将样本反射的信号光分成两路信号光，并在不同的位置获取两路信号光，经处理后获得两个信号，通过计算两个信号之差得出样本的离焦量，得知离焦量后就能够驱动物镜进行准确对焦。该对焦方法和装置简化了光路设计，信号计算处理更为简单，能够快速精确的计算出离焦量，使得物镜能够快速精确的自动对焦。

Description

自动对焦方法和装置

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方法和装置。

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，这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，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方法和装置。

一方面，一种实施例中提供一种自动对焦方法，包括如下步骤：

光源发射的照明光透过准直镜和物镜照射在样本上反射成信号光；

信号光透过物镜和准直镜后经半反射半透射分成第一信号光和第二信号光，在反射光聚焦位置后端获取反射的第一信号光，在透射光聚焦位置前端获取透射的第二信号光；

对第一信号光和第二信号光处理得到第一信号S1和第二信号S2，并计算第一信号和第二信号的差值得到驱动信号S；

根据驱动信号S计算出样本的离焦量；

根据离焦量驱动物镜对焦。

进一步地，对第一信号光和第二信号光先后进行放大和滤波处理得到第一信号和第二信号。

进一步地，物镜对焦驱动速度V＝k*(S-S0)，其中k为预设的恒定值，S0为对焦时的目标信号值。。

另一方面，一种实施例中提供一种自动对焦装置，包括：

发射模块，其包括用于发射照明光的光源；

第一半透半反模块，其包括用于反射照明光和透射样本反射的信号光的第一半透半反镜；

物镜，其安装在第一半透半反镜反射照明光的光路上；

准直镜，其安装在第一半透半反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光聚焦位置重合；

第二半透半反模块，其包括用于将信号光分成第一信号光和第二信号光的第二半透半反镜，第二半透半反镜安装在第一半透半反镜的透射光路上；

用于接收第一信号光及输出第一信号的第一接收模块，其安装在第二半透半反镜的反射光路上，并位于第二半透半反镜反射光聚焦位置的后端；

用于接收第二信号光及输出第二信号的第二接收模块，其安装在第二半透半反镜的透射光路上，并位于第二半透半反镜透射光聚焦位置的前端；

以及主控电路模块，其分别与第一接收模块和第二接收模块信号连接，用于获取第一信号和第二信号及计算输出驱动信号，驱动信号为第一信号和第二信号的差值，所述驱动信号用于驱动所述物镜对焦。

进一步地，自动对焦装置还包括基座，基座设有容置腔体和从外侧延伸至与容置腔体导通的通孔，发射模块、第一半透半反模块、第二半透半反模块和主控电路模块均安装在基座的容置腔体内；准直镜安装在基座通孔的外侧；主控电路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，第一接收模块包括第一光电二极管、第一信号处理电路和第一承载板，第一光电二极管和第一信号处理电路安装在第一承载板上，第一光电二极管的接收端面向第一半透半反镜设置，第一信号处理电路与第一光电二极管信号连接，用于对接收的第一信号光进行放大和滤波处理得到第一信号；

第二接收模块包括第二光电二极管、第二信号处理电路和第二承载板，第二光电二极管和第二信号处理电路安装在第二承载板上，第二光电二极管的接收端面向第二半透半反镜设置，第二信号处理电路与第二光电二极管信号连接，用于对接收的第二信号光进行放大和滤波处理得到第二信号；

第一承载板和第二承载板均安装在基座的容置腔体内。

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，第一半透半反模块还包括第一承载座，第一半透半反镜通过第一承载座安装在基座的容置腔体内；第二半透半反模块还包括第二承载座，第二半透半反镜通过第二承载座安装在基座的容置腔体内。

进一步地，主控电路模块包括信号连接的主控电路和连接端子，主控电路分别与第一信号处理电路和第二信号处理电路信号连接，连接端子穿出基座的容置腔体，露出于基座的外侧，主控电路用于获取第一信号和第二信号并计算两者的差值，连接端子为主控电路模块的信号输出端，用于输出驱动信号。

在其他实施例中，自动对焦装置还包括物镜驱动模块和控制器，物镜驱动模块与物镜连接，并与控制器信号连接，控制器还与主控电路模块的信号输出端信号连接，用于获取驱动信号及计算样本的离焦量，并根据计算的离焦量控制物镜驱动模块驱动物镜对焦。

依据上述实施例的自动对焦方法和装置，由于将样本反射的信号光分成两路信号光，并且在不同的位置获取两路信号光，经处理后获得两个信号，通过计算两个信号之差，可以得出样本的离焦量，得知离焦量后就能够驱动物镜进行准确对焦。该对焦方法和装置简化了光路设计，信号计算处理更为简单，能够快速精确的计算出离焦量，使得物镜能够快速精确的自动对焦。

附图说明

图1为实施例一中自动对焦装置的立体结构示意图；

图2为实施例一中自动对焦装置的俯视结构示意图；

图3为实施例一中自动对焦装置隐藏基座的结构示意图；

图4为实施例一中自动对焦装置的光路图；

图5为实施例二中自动对焦装置的结构框图；

图6为实施例二中离焦量与输出信号关系图；

图7为实施例三中自动对焦方法的流程图；

图8为实施例三中信号处理电路图。

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：

在本实施例中提供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、第一半透半反模块3、准直镜4、第二半透半反模块5、第一接收模块6、第二接收模块7、主控电路模块8和物镜9。

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，还设有从外侧延伸至与容置腔体导通的通孔。

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用于发射照明光，即为测量光。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(图中未示出)，驱动电路与光源21连接，驱动电路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2和图3所示，第一半透半反模块3包括第一半透半反镜31和第一承载座32，第一半透半反镜31可反射光源21发射的照明光，并且可透射样本10(物面)反射照明光形成的信号光。第一半透半反镜31安装在第一承载座32上，第一承载座32安装在基座1的容置腔体内，第一半透半反镜31与光源21的光轴呈45°夹角设置，从而可将光源21发射的照明光反射90°至从基座1的通孔射出。

半透半反镜可以允许一部分光线透过并反射另一部分光线。本实施例中的半透半反镜允许50％的光线透过并反射50％的光线。

物镜9安装在第一半透半反镜31反射照明光的光路上，物镜9一端面向基座1的通孔，另一端面向样品10设置。

准直镜4安装在基座1的通孔外侧，准直镜4位于第一半透半反镜31和物镜9的光路之间，准直镜4的中心轴与物镜9的光轴重合，并且光源21与准直镜4的经过第一半透半反镜31反射的聚焦位置重合(即光源21位于准直透镜4的焦点处)，从而使得光源21通过第一半透半反镜31反射进入准直镜4后，其光线能够平行进入物镜9。

如图2和图3所示，第二半透半反模块5包括第二半透半反镜51和第二承载座52，第二半透半反镜51可将样本10反射的信号光反射成为第一信号光和透射成为第二信号光。第二半透半反镜51安装在第二承载座52上，第二承载座52安装在基座1的容置腔体内，第二半透半反镜51与第一半透半反镜31平行设置，第二半透半反镜51与样本10反射的信号光呈45°夹角设置。

如图2和图3所示，第一接收模块6包括第一光电二极管61、第一信号处理电路62和第一承载板63，第一光电二极管61和第一信号处理电路62安装在第一承载板63上，第一光电二极管61安装在第二半透半反镜51的反射光路上，并且位于第二半透半反镜51反射光聚焦位置的后端，第一光电二极管61用于接收第二半透半反镜51反射的第一信号光。第一信号处理电路62与第一光电二极管61信号连接，第一信号处理电路62用于将接收的第一信号光先后进行放大和滤波处理得到第一信号S1。

如图2和图3所示，第二接收模块7包括第二光电二极管71、第二信号处理电路72和第二承载板73，第二光电二极管71和第二信号处理电路72安装在第二承载板73上，第二光电二极管71安装在第二半透半反镜51的透射光路上，并且位于第二半透半反镜51透射光聚焦位置的前端，第二光电二极管71用于接收第二半透半反镜51透射的第二信号光。第二信号处理电路72与第二光电二极管71信号连接，第二信号处理电路72用于将接收的第二信号光先后进行放大和滤波处理得到第二信号S2。

如图2和图3所示，主控电路模块8包括信号连接的主控电路81和连接端子82，主控电路81分别与第一信号处理电路62和第二信号处理电路72信号连接，主控电路81安装在基座1的容置腔体内，连接端子82穿出基座1的容置腔体，露出于基座1的外侧，主控电路81用于获取第一信号和第二信号并计算两者的差值得到驱动信号S(S＝S1-S2)，连接端子82为主控电路模块8的信号输出端，可输出和输入电压，主要用于输出驱动信号S。

如图4所示，本实施例自动对焦装置的光路图，光源21发射的照明光照射到第一半透半反镜31上，第一半透半反镜31将照明光反射到准直镜4上，准直镜4将光变成平行照明光进入物镜9中，穿过物镜9的照明光射在样本10上，样本10反射的信号光先后穿过物镜9、准直镜4和第一半透半反镜31透射到第二半透半反镜51上，第二半透半反镜51将信号光反射成第一信号光和透射成第二信号光，第一光电二极管61位于第二半透半反镜51的反射光聚焦位置后端接收第一信号S1，第二光电二极管71位于第二半透半反镜51的透射光聚焦位置前端接收第二信号S2，形成完整的测量光路。

本实施例的自动对焦装置，设置了两个平行的半透半反镜，位于后端的第二半透半反镜51将样本10反射的信号光分成两路信号光，在第二半透半反镜51的反射光路和透射光路上分别设有两个接收模块，并且两个接收模块分别位于反射光聚焦位置后端和透射光聚焦位置前端，从而能够错开空间分别接收两路信号光，经处理后获得两个信号，通过计算两个信号之差，可以得出样本10的离焦量，得知离焦量后就能够驱动物镜9进行准确对焦。本装置设计简单，处理计算简易，能够快速准确的得出样本的离焦量，进而能够快速地驱动物镜准确对焦。

实施例二：

本实施例提供了一种自动对焦装置，如图5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驱动模块11和控制器12。

驱动模块11与物镜9连接，并与控制器12信号连接。控制器12为基因测序仪的处理器，或者为单独的处理器，控制器12还与基座1上的连接端子82信号连接，控制器12用于获取处理后的驱动信号S及根据驱动信号S计算样本10的离焦量，并根据计算的离焦量控制物镜驱动模块11驱动物镜9自动对焦。

如图6所示，本实施例的第一信号S1(信号一)、第二信号S2(信号二)和驱动信号S(信号差)与离焦量的关系图，从信号差得知当前的离焦量，进而进行自动对焦。

控制器12控制物镜驱动模块11驱动物镜9自动对焦的原理步骤为：

物镜9的驱动速度为V＝k*(S-S0)，S0为对焦时的目标信号值，k是一恒定值；

样本10到达正确的焦面时，其驱动速度为0，保持不动即完成对焦动作；

其中，S0和k均预先设定存储在主控电路81和控制器12内，k是一恒定值，可根据实际需求设置。

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，实时对焦时间少于10ms；

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：本自动对焦装置的分辨率可达到0.1μm。

实施例三：

本实施例提供了一种自动对焦方法，本方法基于实施例二的自动对焦装置实现。

如图7所示，本实施例的自动对焦方法包括如下步骤：

S001：照明光反射成信号光；

光源21发射照明光，照明光先经过第一半透半反镜31反射，再先后经过准直镜4和物镜9照射在样本10上，样本10将照明光反射成信号光。

S002：获取第一信号光和第二信号光；

通过设置在第二半透半反镜51反射聚焦位置后端的第一光电二极管61获取信号光反射成的第一信号光；通过设置在第二半透半反镜51透射聚焦位置前端的第二光电二极管71获取信号光透射成的第二信号光。

S003：计算驱动信号S

如图8所示，与第一光电二极管61信号连接的第一信号处理电路62对第一信号光进行放大和滤波处理得到第一信号S1；与第二光电二极管71信号连接的第二信号处理电路72对第二信号光进行放大和滤波处理得到第二信号S2。

与第一信号处理电路62和第二信号处理电路72信号连接的主控电路81计算第一信号S1和第二信号S2的差值得到驱动信号S(S＝S1-S2)。

S004：计算离焦量；

控制器12根据从主控电路81输出的驱动信号S，计算出样本的离焦量。

S005：驱动对焦；

控制器12根据计算出的离焦量及预先设置的对焦时的目标信号值S0，控制物镜驱动模块11驱动物镜9快速对焦。

具体为：物镜9的驱动速度为V＝k*(S-S0)，k是一恒定值；

物镜9到达正确的位置时，样本10位于焦面，其驱动速度为0，保持不动即完成对焦动作。

其中，S0和k均预先设定存储在主控电路81和控制器12内，k的值可根据实际需求设置，并且保证物镜9对焦所用时间少于10ms。

本实施例提供的一种自动对焦方法：由于将样本10反射的信号光分成两路信号光，并且在不同的位置获取两路信号光，经处理后获得两个信号，通过计算两个信号之差，可以得出样本10的离焦量，得知离焦量后就能够驱动物镜9进行准确对焦，该对焦方法简化了光路设计，信号计算处理更为简单，能够快速精确的计算出离焦量，使得物镜能够快速精确的自动对焦。

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 (10)

1.一种自动对焦方法，其特征在于，包括如下步骤：

光源发射的照明光透过准直镜和物镜照射在样本上反射成信号光；

所述信号光透过物镜和准直镜后经半透半反镜分成第一信号光和第二信号光，在反射光聚焦位置后端获取反射的所述第一信号光，在透射光聚焦位置前端获取透射的所述第二信号光；

对所述第一信号光和第二信号光处理得到第一信号S1和第二信号S2，并计算所述第一信号和第二信号的差值得到驱动信号S；

根据所述驱动信号S计算出样本的离焦量；

根据所述离焦量驱动物镜对焦。

2.如权利要求1所述的自动对焦方法，其特征在于，对所述第一信号光和第二信号光均进行放大和滤波处理得到所述第一信号和第二信号。

3.如权利要求2所述的自动对焦方法，其特征在于，所述物镜对焦驱动速度V＝k*(S-S0)，其中k为预设的恒定值，S0为对焦时的目标信号值。

4.一种自动对焦装置，其特征在于，包括：

发射模块，其包括用于发射照明光的光源；

第一半透半反模块，其包括用于反射照明光和透射样本反射的信号光的第一半透半反镜；

物镜，其安装在所述第一半透半反镜反射照明光的光路上；

准直镜，其安装在所述第一半透半反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光聚焦位置重合；

第二半透半反模块，其包括用于将信号光分成第一信号光和第二信号光的第二半透半反镜，所述第二半透半反镜安装在所述第一半透半反镜的透射光路上；

用于接收第一信号光及输出第一信号的第一接收模块，其安装在所述第二半透半反镜的反射光路上，并位于所述第二半透半反镜反射光聚焦位置的后端；

用于接收第二信号光及输出第二信号的第二接收模块，其安装在所述第二半透半反镜的透射光路上，并位于所述第二半透半反镜透射光聚焦位置的前端；

以及主控电路模块，其分别与所述第一接收模块和第二接收模块信号连接，用于获取第一信号和第二信号及计算输出驱动信号，所述驱动信号为第一信号和第二信号的差值，所述驱动信号用于驱动所述物镜对焦。

5.如权利要求4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和从外侧延伸至与所述容置腔体导通的通孔，所述发射模块、第一半透半反模块、第二半透半反模块和主控电路模块均安装在所述基座的容置腔体内；所述准直镜安装在所述基座通孔的外侧；所述主控电路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。

6.如权利要求5所述的自动对焦装置，其特征在于，所述第一接收模块包括第一光电二极管、第一信号处理电路和第一承载板，所述第一光电二极管和第一信号处理电路安装在所述第一承载板上，所述第一光电二极管的接收端面向所述第二半透半反镜设置，所述第一信号处理电路与第一光电二极管信号连接，用于对接收的所述第一信号光进行放大和滤波处理得到第一信号；

所述第二接收模块包括第二光电二极管、第二信号处理电路和第二承载板，所述第二光电二极管和第二信号处理电路安装在所述第二承载板上，所述第二光电二极管的接收端面向所述第二半透半反镜设置，所述第二信号处理电路与第二光电二极管信号连接，用于对接收的所述第二信号光进行放大和滤波处理得到第二信号；

所述第一承载板和第二承载板均安装在所述基座的容置腔体内。

7.如权利要求4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。

8.如权利要求5所述的自动对焦装置，其特征在于，所述第一半透半反模块还包括第一承载座，所述第一半透半反镜通过所述第一承载座安装在所述基座的容置腔体内；所述第二半透半反模块还包括第二承载座，所述第二半透半反镜通过所述第二承载座安装在所述基座的容置腔体内。

9.如权利要求6所述的自动对焦装置，其特征在于，所述主控电路模块包括信号连接的主控电路和连接端子，所述主控电路分别与所述第一信号处理电路和第二信号处理电路信号连接，所述连接端子穿出所述基座的容置腔体，露出于所述基座的外侧，所述主控电路用于获取第一信号和第二信号并计算两者的差值，所述连接端子为主控电路模块的信号输出端，用于输出驱动信号。

10.如权利要求4所述的自动对焦装置，其特征在于，还包括物镜驱动模块和控制器，所述物镜驱动模块与物镜连接，并与所述控制器信号连接，所述控制器还与主控电路模块的信号输出端信号连接，用于获取驱动信号及计算所述样本的离焦量，并根据计算的离焦量控制所述物镜驱动模块驱动物镜对焦。