CN110727093A - 多光谱显微自动聚焦装置及方法 - Google Patents

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孔令华
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Abstract

本发明具体涉及一种多光谱显微自动聚焦装置及方法，该装置包括：复色光照明模块、纵向色散增强型光学成像模块、多光谱图像传感器，高精度载物台，图像分析及载物台控制系统，所述图像分析及载物台控制系统用于根据获得的离焦量值及离焦方向信号调节高精度载物台至光学成像系统的聚焦面，完成自动聚焦。该装置能实现一次成像即可快速获取样本离焦量及离焦方向，该方法能实现毫米量级大纵向测量范围的显微自动聚焦，相比传统显微自动聚焦方法，一方面，无需复杂的焦面搜索算法和昂贵的外部辅助设备，另一方面，提高了对焦效率和对焦精度。

Description

多光谱显微自动聚焦装置及方法
技术领域
本发明属于光学显微成像领域，涉及一种显微自动聚焦装置和方法，尤其涉及一种基于多光谱显微自动聚焦装置和方法。
背景技术
现有显微自动聚焦技术还存在诸多不足。被动式的显微自动聚焦技术直接根据成像结果进行调焦，其需要复杂的焦面搜索算法和图像清晰度评价算法。主动式的显微自动聚焦技术需结合外部辅助设备进行离焦量和离焦方向的检测，装置往往结构复杂，价格昂贵，且需要高精度的校准过程。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种多光谱显微自动聚焦装置，以及一种显微自动聚焦方法。该装置及在该装置上实施的显微自动聚焦方法，能实现毫米量级大纵向测量范围的显微自动聚焦，相比传统传统显微自动聚焦方法，一方面，无需复杂的焦面搜索算法和昂贵的外部辅助设备，另一方面，提高了对焦效率和对焦精度。
本发明的目的是这样实现的：
所述多光谱显微自动聚焦装置，包括复色光照明模块、纵向色散增强型光学成像模块、图像分析及载物台控制模块。
上述复色光照明模块按照光路传播方向依次设置有：复色光源、聚光镜、均匀准直光透镜组、半反半透分光镜、带纵向色散的物镜。
上述纵向色散增强型光学成像模块按照光路传播方向依次设置有：高精度载物台、带纵向色散的物镜、半反半透分光镜、带纵向色散的管镜、多光谱图像传感器。
上述复色光照明模块与纵向色散增强型光学成像模块共用半反半透分光镜、带纵向色散的物镜。
上述图像分析及载物台控制模块按照控制信号传递方向，依次为：多光谱图像传感器，图像分析及载物台控制系统，高精度载物台。
上述纵向色散增强型光学成像模块和所述图像分析及载物台控制模块共用多光谱图像传感器和高精度载物台。
图像分析及载物台控制系统根据获得的离焦量值及离焦方向信号调节高精度载物台至光学成像系统聚焦面，完成自动聚焦。
所述纵向色散增强型光学成像模块，包括至少一个带纵向色散的物镜，或者包括至少一个带纵向色散的管镜，或是其他的有益组合。
所述纵向色散增强型光学成像模块对于不同波段光信号具有不同的焦距或者像距，即在同一物距下，不同波段物体清晰成像轴向位置不同，可以根据多光谱图像传感器清晰成像波段反推物体表面高度。
所述纵向色散增强型光学成像模块需消除横向色散。
所述多光谱图像传感器可零时差同时采集N(N≥2)幅不同中心波长光谱波段的样品灰度图像In，1≤n≤N。
在上述多光谱显微自动聚焦装置上实现的多光谱显微自动聚焦方法，包括以下操作步骤：
步骤1，将待测样本放置于高精度载物台上；
步骤2，调节所述高精度载物台，使得多光谱成像传感器某个成像光谱波段对样品清晰成像；
步骤3，通过所述多光谱图像传感器获取N(N≥2)幅不同中心波长光谱波段下的样品灰度图像In，1≤n≤N；
步骤4，计算每幅光谱灰度图像的清晰度值Fn，所述清晰度值Fn可根据Laplacian函数，Brenner函数，Tenengrad函数等图像清晰度评价函数进行计算；
步骤5，对清晰度最大的两相邻光谱波段下的灰度图像清晰度值Fn进行做差处理，获取离焦差动信号FD＝Fn-1-Fn；
步骤6，通过预先刻度的离焦差动信号FD与离焦量关系曲线，计算获取离焦量值及离焦方向信号；
步骤7，图像分析及载物台控制系统根据获得的离焦量值及离焦方向信号调节高精度载物台至光学成像系统聚焦面，完成自动聚焦。
上述的多光谱显微自动聚焦方法，还包括样品离焦方向的判断方法，具体来说：
1)以样品聚焦时，图像清晰度值最大的光谱波段为中心波段；
2)如果清晰度最大的两相邻光谱波段其一为中心波段，且中心波段为较长波段，且中心波段的光谱图像清晰度值大于另一波段光谱图像清晰度值，则该点处在光学成像系统的正离焦面，且离焦量较小；
3)如果清晰度最大的两相邻光谱波段其一为中心波段，且中心波段为较长波段，且中心波段的光谱图像清晰度值小于另一波段光谱图像清晰度值，则该点处在光学成像系统的正离焦面，且离焦量较大；
4)如果清晰度最大的两相邻光谱波段其一为中心波段，且中心波段为较短波段，且中心波段的光谱图像清晰度值大于另一波段光谱图像清晰度值，则该点处在光学成像系统的负离焦面，且离焦量较小；
5)如果清晰度最大的两相邻光谱波段其一为中心波段，且中心波段为较短波段，且中心波段的光谱图像清晰度值小于另一波段光谱图像清晰度值，则该点处在光学成像系统的负离焦面，且离焦量较大；
6)如果清晰度最大的两相邻光谱波段不包括中心波段，且两波段小于中心波段，则该点处在光学成像系统的正离焦面，且离焦量很大；
7)如果清晰度最大的两相邻光谱波段不包括中心波段，且两波段大于中心波段，则该点处在光学成像系统的负离焦面，且离焦量很大。
本发明同现有的显微自动聚焦技术相比，基于多光谱色散原理，能实现一次成像即可快速获取样本离焦量及离焦方向，该方法能实现毫米量级大纵向测量范围的显微自动聚焦，相比传统显微自动聚焦方法，一方面，无需复杂的焦面搜索算法和昂贵的外部辅助设备，另一方面，提高了对焦效率和对焦精度。
附图说明
图1是多光谱显微自动聚焦装置的结构示意图。
图中：1-复色光源、2-聚光镜、3-均匀准直光透镜组、4-半反半透分光镜、5-带纵向色散的物镜、6-高精度载物台、7-带纵向色散的管镜、8-多光谱图像传感器、9-图像分析及载物台控制系统。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合说明书附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
具体实施例一
本具体实施例为装置实施例。
本具体实施例的多光谱显微自动聚焦装置结构示意图如图1所示，该装置包括：复色光照明模块、纵向色散增强型光学成像模块、图像分析及载物台控制模块。
所述复色光照明模块按照光路传播方向依次设置有：复色光源1、聚光镜2、均匀准直光透镜组3、半反半透分光镜4、带纵向色散的物镜5。
所述纵向色散增强型光学成像模块按照光路传播方向依次设置有：高精度载物台6、带纵向色散的物镜5、半反半透分光镜4、带纵向色散的管镜7、多光谱图像传感器8。
所述复色光照明模块与纵向色散增强型光学成像模块共用半反半透分光镜4、带纵向色散的物镜5。
所述图像分析及载物台控制模块按照控制信号传递方向，依次为：多光谱图像传感器8，图像分析及载物台控制系统9，高精度载物台6。
所述纵向色散增强型光学成像模块和所述图像分析及载物台控制模块共用所述多光谱图像传感器8和高精度载物台6。
图像分析及载物台控制系统9根据获得的离焦量值及离焦方向信号调节高精度载物台6至光学成像系统聚焦面，完成自动聚焦。
所述纵向色散增强型光学成像模块，包括至少一个带纵向色散的物镜5，或者包括至少一个带纵向色散的管镜7，或是其他的有益组合。
所述纵向色散增强型光学成像模块对于不同波段光信号具有不同的焦距或者像距，即在同一物距下，不同波段物体清晰成像轴向位置不同，可以根据多光谱图像传感器清晰成像波段反推物体表面高度。
所述纵向色散增强型光学成像模块需消除横向色散。
所述多光谱图像传感器8可零时差同时采集N(N≥2)幅不同中心波长光谱波段的样品灰度图像In，1≤n≤N。
具体实施例二
本实施例为在具体实施例一所述的装置上实现的方法实施例。
本实施例的多光谱显微自动聚焦方法，包括以下步骤：
步骤1，将待测样本放置于高精度载物台6上；
步骤2，调节所述高精度载物台6，使得多光谱成像传感器8某个成像光谱波段对样品清晰成像；
步骤3，通过所述多光谱图像传感器8获取N(N≥2)幅不同中心波长光谱波段下的样品灰度图像In，1≤n≤N；
步骤4，计算每幅光谱灰度图像的清晰度值Fn，所述清晰度值Fn可根据Laplacian函数，Brenner函数，Tenengrad函数等图像清晰度评价函数进行计算；
步骤5，对清晰度最大的两相邻光谱波段下的灰度图像清晰度值Fn进行做差处理，获取离焦差动信号FD＝Fn-1-Fn；
步骤6，通过预先刻度的离焦差动信号FD与离焦量关系曲线，计算获取离焦量值及离焦方向信号；
步骤7，图像分析及载物台控制系统9根据获得的离焦量值及离焦方向信号调节高精度载物台6至光学成像系统聚焦面，完成自动聚焦。
本实施例的多光谱显微自动聚焦方法，还包括样品离焦方向的判断方法，具体来说：
1)以样品聚焦时，图像清晰度值最大的光谱波段为中心波段；
2)如果清晰度最大的两相邻光谱波段其一为中心波段，且中心波段为较长波段，且中心波段的光谱图像清晰度值大于另一波段光谱图像清晰度值，则该点处在光学成像系统的正离焦面，且离焦量较小；
3)如果清晰度最大的两相邻光谱波段其一为中心波段，且中心波段为较长波段，且中心波段的光谱图像清晰度值小于另一波段光谱图像清晰度值，则该点处在光学成像系统的正离焦面，且离焦量较大；
4)如果清晰度最大的两相邻光谱波段其一为中心波段，且中心波段为较短波段，且中心波段的光谱图像清晰度值大于另一波段光谱图像清晰度值，则该点处在光学成像系统的负离焦面，且离焦量较小；
5)如果清晰度最大的两相邻光谱波段其一为中心波段，且中心波段为较短波段，且中心波段的光谱图像清晰度值小于另一波段光谱图像清晰度值，则该点处在光学成像系统的负离焦面，且离焦量较大；
6)如果清晰度最大的两相邻光谱波段不包括中心波段，且两波段小于中心波段，则该点处在光学成像系统的正离焦面，且离焦量很大；
7)如果清晰度最大的两相邻光谱波段不包括中心波段，且两波段大于中心波段，则该点处在光学成像系统的负离焦面，且离焦量很大。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的技术人员应当理解：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；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种多光谱显微自动聚焦装置，其特征在于，包括复色光照明模块、纵向色散增强型光学成像模块、图像分析及载物台控制模块，
所述复色光照明模块按照光路传播方向依次设置有：复色光源(1)、聚光镜(2)、均匀准直光透镜组(3)、半反半透分光镜(4)、带纵向色散的物镜(5)，
所述纵向色散增强型光学成像模块按照光路传播方向依次设置有：高精度载物台(6)、带纵向色散的物镜(5)、半反半透分光镜(4)、带纵向色散的管镜(7)、多光谱图像传感器(8)；
所述图像分析及载物台控制模块按照控制信号传递方向依次设置有多光谱图像传感器(8)，图像分析及载物台控制系统(9)，高精度载物台(6)；
所述复色光照明模块与纵向色散增强型光学成像模块共用所述半反半透分光镜(4)、带纵向色散的物镜(5)；
所述纵向色散增强型光学成像模块和所述图像分析及载物台控制模块共用所述多光谱图像传感器(8)和高精度载物台(6)；
所述图像分析及载物台控制系统(9)可根据每幅光谱灰度图像的清晰度值Fn获得离焦量值及离焦方向信号，进而调节高精度载物台(6)至光学成像系统的聚焦面，完成自动聚焦。
2.根据权利要求1所述的多光谱显微自动聚焦装置，其特征在于：所述纵向色散增强型光学成像模块，包括至少一个带纵向色散的物镜(5)，或者包括至少一个带纵向色散的管镜(7)。
3.根据权利要求1所述的多光谱显微自动聚焦装置，其特征在于：所述纵向色散增强型光学成像模块需消除横向色散。
4.根据权利要求1所述的多光谱显微自动聚焦装置，其特征在于：所述多光谱图像传感器(8)可零时差同时采集N幅不同中心波长光谱波段的样品灰度图像In，其中，N≥2，1≤n≤N。
5.一种多光谱显微自动聚焦方法，其特征在于：使用权利要求1至4中任一项所述的多光谱显微自动聚焦装置，包括如下步骤：
步骤1，将待测样本放置于高精度载物台(6)上；
步骤2，调节所述高精度载物台(6)，使得多光谱成像传感器(8)在某个成像光谱波段对样品清晰成像；
步骤3，通过所述多光谱图像传感器(8)获取N幅不同中心波长光谱波段下的样品灰度图像In，1≤n≤N，N≥2；
步骤4，计算每幅光谱灰度图像的清晰度值Fn，所述清晰度值Fn可根据Laplacian函数，Brenner函数，Tenengrad函数中任一项图像清晰度评价函数进行计算；
步骤5，对清晰度最大的两相邻光谱波段下的灰度图像清晰度值Fn进行做差处理，获取离焦差动信号FD＝Fn-1-Fn；
步骤6，通过预先刻度的离焦差动信号FD与离焦量关系曲线，计算获取离焦量值及离焦方向信号；
步骤7，通过图像分析及载物台控制系统(9)根据获得的离焦量值及离焦方向信号调节高精度载物台(6)至光学成像系统聚焦面，完成自动聚焦。
6.根据权利要求5所述的多光谱显微自动聚焦方法，其特征在于：还包括对样品离焦方向的判断方法，具体判断过程如下：
1)以样品聚焦时，图像清晰度值最大的光谱波段为中心波段；
2)如果清晰度最大的两相邻光谱波段其一为中心波段，且中心波段为较长波段，且中心波段的光谱图像清晰度值大于另一波段光谱图像清晰度值，则该点处在光学成像系统的正离焦面，且离焦量较小；
3)如果清晰度最大的两相邻光谱波段其一为中心波段，且中心波段为较长波段，且中心波段的光谱图像清晰度值小于另一波段光谱图像清晰度值，则该点处在光学成像系统的正离焦面，且离焦量较大；
4)如果清晰度最大的两相邻光谱波段其一为中心波段，且中心波段为较短波段，且中心波段的光谱图像清晰度值大于另一波段光谱图像清晰度值，则该点处在光学成像系统的负离焦面，且离焦量较小；
5)如果清晰度最大的两相邻光谱波段其一为中心波段，且中心波段为较短波段，且中心波段的光谱图像清晰度值小于另一波段光谱图像清晰度值，则该点处在光学成像系统的负离焦面，且离焦量较大；
6)如果清晰度最大的两相邻光谱波段不包括中心波段，且两波段小于中心波段，则该点处在光学成像系统的正离焦面，且离焦量很大；
7)如果清晰度最大的两相邻光谱波段不包括中心波段，且两波段大于中心波段，则该点处在光学成像系统的负离焦面，且离焦量很大。
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