CN110487725B - 能够自动聚焦的检测装置及相应的自动聚焦方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种自动聚焦的检测装置及自动聚焦方法，其中检测装置，包括激光发射源、检测芯片、物镜，物镜处于激光发射源与检测芯片之间，用于将平行光束聚焦；光强度检测模块，与物镜相对设置，以接收并检测平行光束经过物镜及检测芯片后的光强度；运算控制模块，与光强度检测模块通讯连接，用于接收光强度检测模块检测到的信号并进行运算获取光强度变化范围；物镜高度调整部件，与运算控制模块控制连接，以获取光强度变化范围并根据光强度变化范围调整物镜与检测芯片之间的相对高度，以使平行光束聚焦于检测区域平面上。本发明通讯数据量相对较小，对设备的硬件及软件要求相对较低，能够节约制造及使用成本。
Description
技术领域
本发明属于微液滴芯片检测技术领域，具体涉及一种能够自动聚焦的检测装置及相应的自动聚焦方法。
背景技术
微液滴微流控(droplet-based microfluidics)是近年来在微流控芯片上发展起来的一种操控微小体积液体的技术平台，其原理为：将两种互不相溶的液体，例如其中的一种为油相、另一种为水相，油相和水相同时进入微通道后，在微通道的作用下，水相以微小体积(10-15～10-9L)单元的形式分布于油相中，形成一系列离散的微液滴，每个液滴作为一个微反应器，完成一组化学或生物反应。
对于微流控芯片而言，要求微液滴以一字排开的方式流过检测区域，所以检测沟道(21)宽度与微液滴直径接近，对于前期检测而言，要求物镜将光源发射的平行光聚焦，使焦点正好打在芯片沟道的水平面上，此时检测的信号灵敏度以及信号强度最好，这需要物镜能够控制以实现自动聚焦，目前为了实现自动聚焦，多采用在光源位置添加成像装置，实时拍摄芯片沟道图片，然后调节物镜的垂直位置，根据返回的沟道图片的清晰度，来确定聚焦位置，这种聚焦方式需要安装价格相对较高的成像设备，以及依靠较大数据的传输，同时要求计算机具有较为复杂的图像处理分析算法，也即目前的检测装置或者方法对设备的硬件及软件要求较高，导致相应的成本偏高。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于提供一种能够自动聚焦的检测装置及相应的自动聚焦方法，通讯数据量相对较小，对设备的硬件及软件要求相对较低，能够节约制造及使用成本。
为了解决上述问题，本发明提供一种能够自动聚焦的检测装置，所述检测装置包括：激光发射源，用于产生平行光束；检测芯片，其上具有检测区域平面，所述检测区域平面上构造有检测沟道，其在水平方向上相对于所述激光发射源的位置能够被调整；物镜，其处于所述激光发射源与所述检测芯片之间，用于将所述平行光束聚焦；光强度检测模块，其与所述物镜相对设置，以接收并检测所述平行光束经过所述物镜及检测芯片后的光强度；运算控制模块，其与所述光强度检测模块通讯连接，用于接收所述光强度检测模块检测到的信号并进行运算获取光强度变化范围；物镜高度调整部件，其与所述运算控制模块控制连接，以获取所述光强度变化范围并根据所述光强度变化范围调整所述物镜与所述检测芯片之间的相对高度，以使所述平行光束聚焦于所述检测区域平面上。
优选地，所述物镜高度调整部件包括第一步进电机，所述第一步进电机的输出轴与第一丝杆同轴连接，所述物镜通过安装连接件螺纹连接在所述第一丝杆上。
优选地，所述检测装置还包括芯片位置调整部件，所述芯片位置调整部件包括用于承载所述检测芯片的载物台以及用于驱动所述载物台在水平方向往复运动的驱动部件。
优选地，所述驱动部件包括第二步进电机，所述第二步进电机的输出轴与第二丝杆同轴连接，所述载物台螺纹连接在所述第二丝杆上。
优选地，所述检测装置还包括主控部件，所述主控部件与所述运算控制模块通讯连接，以接受所述运算控制模块的控制指令，且所述主控部件还与所述第一步进电机、第二步进电机通讯连接，以控制所述第一步进电机、第二步进电机运转。
优选地，所述检测装置还包括滤波片，所述滤波片设置于所述光强度检测模块的检测端处。
优选地，所述激光发射源包括能够产生单色激光的激光器。
优选地，所述检测芯片为半透明或全透明材质。
本发明还提供一种自动聚焦方法，包括以下步骤：实时检测并记录检测芯片直线运动过程中的光强度变化范围；当所述检测芯片后一次直线运行过程中的光强度变化范围大于前一次直线运行过程中的光强度变化范围时，控制物镜朝向所述检测芯片一侧运动，直至所述检测芯片后一次直线运行过程中的光强度变化范围小于前一次直线运行过程中的光强度变化范围时，控制物镜停止朝向所述检测芯片一侧运动；
当所述检测芯片后一次直线运行过程中的光强度变化范围小于前一次直线运行过程中的光强度变化范围时，控制物镜远离所述检测芯片一侧运动，并定位所述物镜处于前一次直线运行过程中物镜所处的位置。
优选地，所述直线运动包括沿第一方面的直线运动及沿第二方向的直线运动，所述第一方向与所述第二方向相反。
本发明提供的一种能够自动聚焦的检测装置及相应的自动聚焦方法，利用所述物镜在聚焦于所述检测区域平面上时具有的光强度最大的特性，并充分利用光束在平面以及在检测沟道的两侧产生反射、折射在光强度上存在跃变现象，并对此现象进行分析，从而根据光强度变化范围调整所述物镜与所述检测芯片之间的相对高度，从而能够极为便捷的将经由所述物镜的平行光束聚焦于所述检测区域平面上，而无需如现有技术中那样采用价格昂贵的成像设备及较高要求的软件硬件配置即可实现聚焦位置的准确确定，通讯数据量相对较小，且能够节约制造及使用成本。
附图说明
图1为本发明实施例的能够自动聚焦的检测装置的结构示意图；
图2为采用本发明实施例的能够自动聚焦的检测装置在自动聚焦过程中运算控制模块根据光强度检测模块检测的数据绘制的图形。
附图标记表示为：
1、激光发射源；2、检测芯片；21、检测沟道；3、物镜；4、光强度检测模块。
具体实施方式
结合参见图1至图2所示，根据本发明的实施例，提供一种能够自动聚焦的检测装置，包括：激光发射源1，用于产生平行光束；检测芯片2，其上具有检测区域平面，所述检测区域平面上构造有检测沟道21，用于承载待检测微液滴，所述检测芯片2在水平方向上相对于所述激光发射源1的位置能够被调整，可以理解的是，所述检测芯片2相对于所述激光发射源1产生平动，从而使所述激光发射源1所产生的激光能够照射于所述检测芯片2的不同区域，并能够经由所述检测沟道21；物镜3，处于所述激光发射源1与所述检测芯片2之间，用于将所述平行光束聚焦；光强度检测模块4，与所述物镜3相对设置，以接收并检测所述平行光束经过所述物镜3及检测芯片2后的光强度；运算控制模块(图未示出)，与所述光强度检测模块4通讯连接，用于接收所述光强度检测模块4检测到的信号并进行运算获取光强度变化范围；物镜高度调整部件(图未示出)，与所述运算控制模块控制连接，以获取所述光强度变化范围并根据所述光强度变化范围调整所述物镜3与所述检测芯片2之间的相对高度，以使所述平行光束聚焦于所述检测区域平面上。该技术方案中，利用所述物镜3在聚焦于所述检测区域平面上时具有的光强度最大的特性，并充分利用光束在平面以及在检测沟道21的两侧产生反射、折射在光强度上存在跃变现象，并对此现象进行分析，从而根据光强度变化范围调整所述物镜3与所述检测芯片2之间的相对高度，从而能够极为便捷的将经由所述物镜3的平行光束聚焦于所述检测区域平面上，而无需如现有技术中那样采用价格昂贵的成像设备及较高要求的软件硬件配置即可实现聚焦位置的准确确定，通讯数据量相对较小，且能够节约制造及使用成本。
作为所述物镜高度调整部件的一种具体实施方式，优选地，所述物镜高度调整部件包括第一步进电机(图未示出)，所述第一步进电机的输出轴与第一丝杆(图未示出)同轴连接，所述物镜通过安装连接件(图未示出)螺纹连接在所述第一丝杆上，如此，当所述第一步进电机运行时，所述输出轴将带动所述第一丝杆旋转，所述第一丝杆带动所述安装连接件沿着所述第一丝杆的轴向往复运动，而可以理解，所述第一丝杆的轴向处于竖直方向上。
同样道理，所述检测装置还包括芯片位置调整部件(图未示出)，所述芯片位置调整部件包括用于承载所述检测芯片2的载物台(图未示出)以及用于驱动所述载物台在水平方向往复运动的驱动部件(图未示出)，所述载物台上可以构造有通孔(图中未示出)，所述检测芯片2覆盖于所述通孔上。
具体的，例如所述驱动部件包括第二步进电机(图未示出)，所述第二步进电机的输出轴与第二丝杆(图未示出)同轴连接，所述载物台螺纹连接在所述第二丝杆上，如此，当所述第二步进电机运行时，所述输出轴将带动所述第二丝杆旋转，所述第二丝杆带动所述载物台沿着所述第二丝杆的轴向往复运动，而可以理解，所述第二丝杆的轴向处于水平方向上。
进一步的，所述检测装置还包括主控部件(图未示出)，所述主控部件与所述运算控制模块通讯连接，以接受所述运算控制模块的控制指令，且所述主控部件还与所述第一步进电机、第二步进电机通讯连接，以控制所述第一步进电机、第二步进电机运转。
所述检测装置还包括滤波片(图未示出)，所述滤波片设置于所述光强度检测模块4的检测端处，以保证所述光强度检测模块4只接收所述激光发射源1发射出的特定颜色激光，同时还可以降低外界可见光对聚焦光线信号造成干扰，保证检测结果的准确。最好的，所述激光发射源1包括能够产生单色激光的激光器。
所述检测芯片2为半透明材质或全透明材质，例如常见的聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚二甲基硅氧烷、聚乙烯、环烯烃共聚物、二氧化硅等。
而可以理解的是，前述的激光发射源1、物镜3、光强度检测模块4皆可以采用现有技术中的相关部件即可，本发明更为重要的是提出了一种如何通过获取光强度变化范围进而判断物镜3的实际位置与聚焦之间的相关性，进而调整物镜3相对于所述检测芯片2的相对位置，并最终实现将平行光束极为便利快捷的聚焦于所述检测芯片2的检测区域平面上。
根据本发明的实施例，还提供一种自动聚焦方法，包括以下步骤：
实时检测并记录检测芯片2直线运动过程中的光强度变化范围；
当所述检测芯片2后一次直线运行过程中的光强度变化范围大于前一次直线运行过程中的光强度变化范围时，控制物镜3朝向所述检测芯片2一侧运动，直至所述检测芯片2后一次直线运行过程中的光强度变化范围小于前一次直线运行过程中的光强度变化范围时，控制物镜3停止朝向所述检测芯片2一侧运动；当所述检测芯片2后一次直线运行过程中的光强度变化范围小于前一次直线运行过程中的光强度变化范围时，控制物镜3远离所述检测芯片2一侧运动，并定位所述物镜3处于前一次直线运行过程中物镜3所处的位置。
进一步的，所述直线运动包括沿第一方面的直线运动及沿第二方向的直线运动，所述第一方向与所述第二方向相反，以图1所示方位为例，所述第一方向为水平向左，而所述第二方向为水平向右，如此，实现所述检测芯片2在单次直线左右往复运动时，能够进行两次光强度的检测，进而极大的提升检测速度及效率。
以下结合具体的实施例对本发明的技术方案进行详细描述。
放置所述检测芯片2于预设位置，打开所述激光发射源1，此时所述物镜3将平行光束聚焦照射在芯片表面，但是物镜3此时的聚焦位置可能不是最佳位置(可能处于所述检测芯片2的前侧或者后侧，而不在所述检测区域平面上)，因此需要进行自动聚焦的操作。
以图1所示方位为参考，初始的检测沟道21处于检测区域的右侧，也即左侧平面处于检测区域内，此时控制检测芯片2由右向左(第一方向)水平直线运动，所述检测沟道21的左侧壁首先将进入检测区域，激光光束照射涵盖所述检测沟道21的全宽后，所述检测沟道21的右侧壁进入检测区域，随后，所述检测芯片2的右侧平面进入所述检测区域内，在这个过程中，无论所述激光光束的焦点处于所述检测芯片2的下方还是上方还是所述检测区域平面上，其光强度最终都会由于其经历了所述检测沟道21左右侧壁的反射及折射而形成W形状，具体的，如图1中实线示出了光束焦点处于所述检测区域平面上的波形，虚线示出了光束焦点处于所述检测芯片2的上方的波形，而点划线则示出了光束焦点处于所述检测芯片2的下方的波形，但这个过程中，可以明确的是，所述光强度的变化范围将存在明显的跃变，如图2示出，当光束焦点处于所述检测区域平面上时，其光强度的变化范围最大，且明显大于光束焦点不处于所述检测区域平面上的时候，本发明正是利用了此种现象实现物镜的自动聚焦。
具体的，仍以图1示出的具体方位为例，检测区域初始位于检测沟道左侧，也即光点照射所述检测芯片2的平面区域上，此时的光强度检测模块4检测的光强度较高，如图2中区域11示出。此时控制所述检测芯片2向左水平缓慢移动，由于检测芯片2的半透明材质，当光点照射在沟道的左侧边沿(左侧壁)时，会发生较强的折射、反射等光学现象，此时光强度检测模块4所检测的光强度将发生变化(一定程度变弱，且在聚焦时变弱程度明显加强)，如图2中区域12示出。所述检测芯片2继续左移动，光点照射在沟道内部(沟道底壁)，此时同样会发生较强的折射、反射等光学现象但光强度将略高于左侧边沿处，图图2中区域15示出；所述检测芯片2继续左移，光点最终会照射沟道的右侧边沿(右侧壁)，此时再次发生较强的折射、反射等光学现象，类似于在所述左侧边沿处，此时光强度检测模块4所检测的光强度将发生变化，如图2中区域13示出；进一步的，所述检测芯片2继续左移，所述检测芯片2的右侧平面区域将进入检测区域，此时芯片结构较为平整，反射、折射效果较弱，此时的光强度检测模块4检测的光强度较高，如图2中区域14示出，由此形成前述的W形的光强度曲线。
当得到完整过程的光强曲线(也即前述的W形的光强度曲线)后，控制所述检测芯片2运动到最初位置，也就是向右运动归位，这个过程中可以选择检测所述检测芯片2右移过程中的实时光强度，当然，也可以不检测，而仅检测单一方向上的光强度。这一过程可以反复进行多次。
假定第一次检测芯片左移运动中获取的光强度曲线为图2中的点划线示出曲线(也即焦点处于所述检测芯片2的下方)，继续进行第二次检测芯片的左移运动，此时获取的光强度曲线处于图2中点划线与实线之间的位置，则说明第一次左移运动后的物镜高度调整部件的调整方向是正确的，此时继续沿着前一次调整的方向调整即可，假定前一次调整的方向是物镜3靠近所述检测芯片2的方向，那么物镜3在第二次左移运动后将再次靠近所述检测芯片2的方向运动，直到第N次左移运动获得的光强度曲线低于了第N-1次获取的光强度曲线，由此可以得知，第N-1次左移运动后相应的物镜3的光束聚焦于检测芯片2的检测区域平面上，因此，控制物镜3恢复到第N-1次(也即前一次)左移运动时对应的高度位置即可。
本领域的技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各有利方式可以自由地组合、叠加。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种自动聚焦方法，其特征在于，采用能够自动聚焦的检测装置执行，所述检测装置包括：
激光发射源(1)，用于产生平行光束；
检测芯片(2)，其上具有检测区域平面，所述检测区域平面上构造有检测沟道(21)，其在水平方向上相对于所述激光发射源(1)的位置能够被调整；
物镜(3)，其处于所述激光发射源(1)与所述检测芯片(2)之间，用于将所述平行光束聚焦；
光强度检测模块(4)，其与所述物镜(3)相对设置，以接收并检测所述平行光束经过所述物镜(3)及检测芯片(2)后的光强度；
运算控制模块，其与所述光强度检测模块(4)通讯连接，用于接收所述光强度检测模块(4)检测到的信号并进行运算获取光强度变化范围；
物镜高度调整部件，其与所述运算控制模块控制连接，以获取所述光强度变化范围并根据所述光强度变化范围调整所述物镜(3)与所述检测芯片(2)之间的相对高度，以使所述平行光束聚焦于所述检测区域平面上；
所述自动聚焦方法包括以下步骤：实时检测并记录检测芯片(2)直线运动过程中的光强度变化范围；当所述检测芯片(2)后一次直线运行过程中的光强度变化范围大于前一次直线运行过程中的光强度变化范围时，控制物镜(3)朝向所述检测芯片(2)一侧运动，直至所述检测芯片(2)后一次直线运行过程中的光强度变化范围小于前一次直线运行过程中的光强度变化范围时，控制物镜(3)停止朝向所述检测芯片(2)一侧运动；
当所述检测芯片(2)后一次直线运行过程中的光强度变化范围小于前一次直线运行过程中的光强度变化范围时，控制物镜(3)远离所述检测芯片(2)一侧运动，并定位所述物镜(3)处于前一次直线运行过程中物镜(3)所处的位置。
2.根据权利要求1所述的自动聚焦方法，其特征在于，所述物镜高度调整部件包括第一步进电机，所述第一步进电机的输出轴与第一丝杆同轴连接，所述物镜通过安装连接件螺纹连接在所述第一丝杆上。
3.根据权利要求2所述的自动聚焦方法，其特征在于，还包括芯片位置调整部件，所述芯片位置调整部件包括用于承载所述检测芯片(2)的载物台以及用于驱动所述载物台在水平方向往复运动的驱动部件。
4.根据权利要求3所述的自动聚焦方法，其特征在于，所述驱动部件包括第二步进电机，所述第二步进电机的输出轴与第二丝杆同轴连接，所述载物台螺纹连接在所述第二丝杆上。
5.根据权利要求4所述的自动聚焦方法，其特征在于，还包括主控部件，所述主控部件与所述运算控制模块通讯连接，以接受所述运算控制模块的控制指令，且所述主控部件还与所述第一步进电机、第二步进电机通讯连接，以控制所述第一步进电机、第二步进电机运转。
6.根据权利要求1所述的自动聚焦方法，其特征在于，还包括滤波片，所述滤波片设置于所述光强度检测模块(4)的检测端处。
7.根据权利要求1所述的自动聚焦方法，其特征在于，所述激光发射源(1)包括能够产生单色激光的激光器。
8.根据权利要求1所述的自动聚焦方法，其特征在于，所述检测芯片(2)为半透明或全透明材质。
9.根据权利要求1所述的自动聚焦方法，其特征在于，所述直线运动包括沿第一方面的直线运动及沿第二方向的直线运动，所述第一方向与所述第二方向相反。
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