CN111220069A - 一种多通道共轭窄带差动显微自动对焦装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多通道共轭窄带差动显微自动对焦装置及方法，该装置的信号分析处理模块通过读取由离焦量测量辅助相机和带有N个窄带波段透光微孔的挡光片结合采集到的一帧样品离焦图像，并对N个不同窄带波段的平均灰度值I_n进行差动处理得归一化差动信号，根据预先刻度的样品差动信号与离焦量之间的对应关系，便可快速获取样品当前离焦量大小及方向，载物台驱动控制模块根据实测离焦量将载物台快速移至样品聚焦面，实现自动对焦同时，信号分析处理模块通过图像获取相机所获取的样品图像为清晰聚焦图像。结构简单、安装方便，对焦范围大，对焦精度高，对焦效率高，进一步提高了显微自动对焦技术现有水平，能更好的满足市场需求。

Description

一种多通道共轭窄带差动显微自动对焦装置及方法

技术领域

本发明属于显微光学成像与检测技术领域，具体涉及一种多通道共轭窄带差动显微自动对焦装置及方法。

背景技术

现有的显微自动对焦方法各存在自己的不足与适用范围。被动式显微自动对焦方法是直接根据成像结果进行调焦，主要包括离焦深度法和对焦深度法，被动式显微自动对焦方法主要存在的问题是，往往需要复杂的焦面搜索算法和图像清晰度评价算法。主动式显微自动对焦方法是通过借助额外硬件辅助设备来进行离焦量大小与方向的检测，往往需要复杂的安装过程或高精度的校准过程。如偏心光束法，在±500μm的工作范围内对焦精度可高达0.1μm。偏心光束法线性度好，测量范围大，但在实际光学系统中，入射激光束的直径对系统的灵敏度有一定影响；临界角法结构简单、灵敏度高，但工作范围太窄；激光三角法光学结构比较复杂，且对拦光板的位置安装精度要求较高；倾斜摄像头法由于需要特定的图像处理，对焦精度往往依赖于图像清晰度评价算法，速度与精度无法兼顾，且倾斜相机的倾斜角度需要高精度的标定过程。

因此，为进一步提高显微自动对焦技术现有水平，更好的满足市场需求，本发明将提供一种多通道共轭窄带差动显微自动对焦装置及方法。

发明内容

本发明目的在于提供一种多通道共轭窄带差动显微自动对焦装置及方法，用于解决上述现有技术中存在的技术问题之一：被动式显微自动对焦方法是直接根据成像结果进行调焦，主要包括离焦深度法和对焦深度法，被动式显微自动对焦方法主要存在的问题是，往往需要复杂的焦面搜索算法和图像清晰度评价算法。主动式显微自动对焦方法是通过借助额外硬件辅助设备来进行离焦量大小与方向的检测，往往需要复杂的安装过程或高精度的校准过程。如偏心光束法，在±500μm的工作范围内对焦精度可高达0.1μm。偏心光束法线性度好，测量范围大，但在实际光学系统中，入射激光束的直径对系统的灵敏度有一定影响；临界角法结构简单、灵敏度高，但工作范围太窄；激光三角法光学结构比较复杂，且对拦光板的位置安装精度要求较高；倾斜摄像头法由于需要特定的图像处理，对焦精度往往依赖于图像清晰度评价算法，速度与精度无法兼顾，且倾斜相机的倾斜角度需要高精度的标定过程。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种多通道共轭窄带差动显微自动对焦装置，包括复色光照明模块、光学成像模块、离焦量测量模块及载物台驱动控制模块；

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、聚光镜、均匀准直光透镜、第一半反半透分光镜、物镜、待观测样品、高精度载物台；其中，复色光源经聚光镜、均匀准直光透镜作用后可获取均匀平行复色光，后由第一半反半透分光镜反射向下经物镜到达样品表面；

所述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、待观测样品、物镜、第一半反半透分光镜、第二半反半透分光镜、管镜、图像获取相机；所述图像获取相机与信号分析处理模块相连；所述复色光照明模块与所述光学成像模块共用所述第一半反半透分光镜和物镜；其中，样品反射光束沿原路返回到第一半反半透分光镜，透过向上到达第二半反半透分光镜，经第二半反半透分光镜分光后，一路反射光经管镜进入图像获取相机，便于实时观测样品清晰图像；

所述离焦量测量模块按照光路传播方向依次设置有：第二半反半透分光镜、色散管镜、含有N个仅能透过窄带波段光的透光微孔的挡光片、离焦量测量辅助相机，其中N≥2；所述离焦量测量辅助相机与信号分析处理模块相连；所述离焦量测量模块与所述光学成像模块共用第二半反半透分光镜；其中，为增强轴向色散，适当增大轴向测量范围，在挡光片之前设置了一款纵向色散增强型的色散管镜；

所述载物台驱动控制模块包含有：信号分析处理模块、电机驱动控制模块、高精度载物台；所述信号分析处理模块将计算所得差动信号给所述电机驱动控制模块；所述电机驱动控制模块根据接收的差动信号给电机发送相应脉冲指令来驱动压电陶瓷电机带动所述高精度载物台移至样品最佳对焦位置。

通过上述方案，首先，复色光源经光学整形系统获取均匀平行光后由第一半反半透分光镜反射向下，后经物镜到达待观测样品表面，样品反射光束沿原路返回到第一半反半透分光镜，透过向上到达第二半反半透分光镜，经第二半反半透分光镜分光后，一路反射光经管镜进入图像获取相机，实现样品图像的在线观测；另一路反射光透过向上经色散管镜进入离焦量测量辅助相机(又称工业相机)，结合N(N≥2)个不同窄带波段透光微孔获取样品当下一帧离焦灰度图像，接着经由信号分析处理模块作去噪归一化处理并获取其中N个不同窄带波段微孔透光信号强度，即N个关于光轴对称分布的透光微孔对应区域像素平均灰度值In，两两相差得差动信号δI_nn’，其中，n≠n’,n∈N。根据预先刻度的通过透光微孔的光强差信号(又称差动信号)与离焦量之间的对应关系，即可快速获取样品在本帧图像采集时离焦量δZ大小及方向。电机驱动控制模块根据实测离焦量将载物台快速移至样品聚焦面，实现自动对焦。此时，信号分析处理模块通过图像获取相机所获取的样品图像为样品清晰聚焦图像。

优选的，在所述离焦量测量模块中，所述含有N个透光微孔的挡光片与离焦量测量辅助相机的连接方式为：含有N个透光微孔的挡光片与离焦量测量辅助相机的图像传感器紧密贴合，两者之间距离越小越好，其中N≥2；

所述挡光片大小要完全覆盖所述离焦量测量辅助相机的图像传感器有效面积；所述挡光片除了N个能透过不同窄带波段的微孔，所述挡光片其余部分不透光；其中N个带有窄带滤镜的透光微孔直径d相同，所述直径d大小在10～500微米之间，它们构成N个与物面共轭的透窄带波段光信号的微孔简称N个共轭透光微孔。

通过上述方案，含有N个透光微孔的挡光片与相机图像传感器紧密结合的原因：为尽可能保证挡光片与相机的感光面能同时落在像方共轭面上。

含有N个透光微孔的挡光片要能完全覆盖离焦量测量辅助相机的图像传感器有效面积的原因：如果挡光片不能完全覆盖图像传感器有效面积，则会有部分杂散光的衍射使得系统失去针孔效应。

优选的，所述色散管镜为纵向色散强、横向色散弱的纵向色散管镜。

通过上述方案，可以使复色光源色散开来，进一步增大系统轴向离焦量测量范围。

优选的，所述离焦量测量模块的离焦量测量辅助相机的图像传感器、以及与所述图像传感器紧密贴合的带有N个透光微孔的阻挡片安装在与样品待测表面共轭位置，因此相机14和11的图像传感器都与样品待测表面共轭。相机14与待测表面共轭标志是，在共轭位置，绿色波段透光微孔对应像素平均灰度值I达到最大值。

通过上述方案，要求三者共轭是为了实现图像获取相机与离焦量测量辅助相机和待观测样品享有同一聚焦面，即当系统测量出样品处于聚焦面时，此时图像获取相机获取的样品图象也是最清晰的。

一种多通道共轭窄带差动显微自动对焦方法，采用上述的一种多通道共轭窄带差动显微自动对焦装置，其具体步骤如下：

步骤1，将待观测样本放置于所述高精度载物台；

步骤2，调节所述高精度载物台，使样品表面处于系统离焦量测量范围之内；

步骤3，所述信号分析处理模块读取离焦量测量辅助相机结合N个不同波段透光微孔采集到的一帧样品离焦图像L，对该帧图像L进行去噪归一化处理，获取其中N个窄带波段微孔透光信号强度，即N个孤立透光微孔对应区域像素平均灰度值I_n；

步骤4，所述信号分析处理模块对N个不同窄带波段的平均灰度值I_n进行差动处理，即：使它们两两相差获得差动信号δI_nn’，其中，n≠n’,n∈N，n’∈N；

步骤5，根据预先刻度的样品差动信号δI_nn’与离焦量δZ之间的对应关系，建立样品在本帧图像L采集时刻离焦量δZ大小及方向，其中，n≠n’,n∈N,n’∈N；

步骤6，所述信号分析处理模块根据测得的离焦量δZ，调节所述高精度载物台移动消除离焦量，实现自动对焦；

步骤7，所述信号分析处理模块这时候通过所述图像获取相机获取的样品图像为聚焦清晰图像。

通过上述方案，步骤2是为了保证待测样品位于系统线性工作范围内某一离焦位置；步骤3、4和5结合具体表述的是，接着由内嵌N个窄带滤镜的挡光片与工业相机结合构成的离焦量测量传感器获取样品图像，后经信号分析处理模块进行图像分析处理得其中N个窄带波段微孔透光信号强度，即N个孤立透光微孔对应区域像素平均灰度值In，做差处理得差动信号δI_nn’，根据预先刻度的样品差动信号δI_nn’与离焦量δZ之间的对应关系，快速获取样品在本帧图像采集时刻所在离焦量δZ大小及方向；步骤6是根据实测离焦量在线消除离焦量的过程，聚焦结果将以步骤7所述形式：实时显示样品所在位置图像。

优选的，还包括对待观测样品离焦量测量的定性判断方法，具体判断过程特征如下：比较去噪归一化后的蓝波段透光微孔的透光强度I蓝和红波段透光微孔的透光强度I红，透光强度也即透光微孔对应区域像素平均灰度值，通过比较它们大小判断离焦情况：

如果在误差范围内它们相等，即归一化差动信号δI_nn’为零，则待观测样品当前表面处于焦面；

如果在误差范围内I蓝＞I红，则待观测样品当前表面离开焦面接并近物镜端；

如果在误差范围内I蓝＜I红，则待观测样品当前表面离开焦面并远离物镜端。

通过上述方案，可实现系统在线性工作范围内对样品离焦方向做快速判断。

优选的，还包括建立归一化差动信号δI_nn’与样品离焦量δZ关系的刻度过程，具体刻度步骤为：

刻度步骤1，选择高精度载物台表面为参考面，调节参考面高度，使得参考面位于物镜焦面，将该位置记为参考位置，此时δZ为0，读取此位置差动信号δI_nn’，其中，n≠n’,n∈N,n’∈N；

刻度步骤2，调节所述高精度载物台，获取一系列离焦位置δZ及其对应的差动信号δI_nn’，其中，n≠n’,n∈N,n’∈N。

刻度步骤3，建立差动信号δI_nn’与离焦量δZ的关系曲线，该曲线即为预先刻度曲线，其中，n≠n’,n∈N,n’∈N；

刻度步骤4，选择差动信号δI_nn’与离焦量δZ的关系曲线中线性度较好部分，该部分为所述离焦量测量模块的工作范围，其中，n≠n’,n∈N,n’∈N。

通过上述方案，显微自动对焦的核心是离焦量的检测，离焦量测量的核心是差动信号δI_nn’与离焦量δZ之间映射关系的标定，以上是差动信号δI_nn’与离焦量δZ之间映射关系标定过程的详细步骤，需要预先刻度下来，这样根据这条映射关系，通过当前实测的差动信号便可快速获得离焦信息。

本发明的有益技术效果是：复色光源经光学整形系统获取均匀平行光后由第一半反半透分光镜反射向下，后经物镜到达待观测样品表面，样品反射光束沿原路返回到第一半反半透分光镜，透过向上到达第二半反半透分光镜，经第二半反半透分光镜分光后，一路反射光经管镜进入图像获取相机，实现样品图像的在线观测；另一路反射光透过向上经色散管镜进入离焦量测量辅助相机(又称工业相机)，结合N(N≥2)个不同窄带波段透光微孔获取样品当下一帧离焦灰度图像，接着经由信号分析处理模块作去噪归一化处理并获取其中N个不同窄带波段微孔透光信号强度，即N个关于光轴对称分布的透光微孔对应区域像素平均灰度值In，两两相差得差动信号δI_nn’，其中，n≠n’,n∈N。根据预先刻度的通过透光微孔的光强差信号(又称差动信号)与离焦量之间的对应关系，即可快速获取样品在本帧图像采集时离焦量δZ大小及方向。电机驱动控制模块根据实测离焦量将载物台快速移至样品聚焦面，实现自动对焦。此时，信号分析处理模块通过图像获取相机所获取的样品图像为样品清晰聚焦图像。

将两个或多个不同中心波长的窄带滤镜作为透光微孔，并关于光轴对称安放于相机图像传感器的前端构成离焦量测量传感器。相比传统的显微自动对焦方法，该方法结构简单、安装方便，无需复杂的焦面搜索算法和庞大的硬件辅助设备，对焦范围大，对焦精度高，对焦效率高。进一步提高了显微自动对焦技术现有水平，更好的满足市场需求。

附图说明

图1显示为本发明的实施例1的结构示意图。

图2显示为本发明的实施例1的含有N个透光微孔的挡光片的示意图。

图3显示为本发明的实施例2的步骤流程示意图。

图4显示为本发明的实施例2的去噪归一化示意图，其中，灰度均值I_b(I_blue,I蓝),I_r(I_red，I红)及它们两相差构成的差动信号I_d。

其中，1-复色光源、2-聚光镜、3-均匀准直光透镜组、4-第一半反半透分光镜、5-压电陶瓷电机、6-物镜、7-待测样品、8-高精度载物台、9-第二半反半透分光镜、10-管镜、11-图像获取相机、12-色散管镜、13-含有N个透光微孔的挡光片、14-离焦量测量辅助相机、15-图像分析处理模块。

具体实施方式

下面结合本发明的附图1-4，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

如图1所示，一种多通道共轭窄带差动显微自动对焦装置，包括复色光照明模块、光学成像模块、离焦量测量模块及载物台驱动控制模块；

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3、第一半反半透分光镜4、物镜6、待观测样品7、高精度载物台8；其中，复色光源经聚光镜、均匀准直光透镜作用后可获取均匀平行复色光，后由第一半反半透分光镜反射向下经物镜到达样品表面；

所述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8、待观测样品7、物镜6、第一半反半透分光镜4、第二半反半透分光镜9、管镜10、图像获取相机11；所述图像获取相机与信号分析处理模块相连；所述复色光照明模块与所述光学成像模块共用所述第一半反半透分光镜和物镜；其中，样品反射光束沿原路返回到第一半反半透分光镜，透过向上到达第二半反半透分光镜，经第二半反半透分光镜分光后，一路反射光经管镜进入图像获取相机，便于实时观测样品清晰图像；

所述离焦量测量模块按照光路传播方向依次设置有：第二半反半透分光镜9、管镜10、含有N个仅能透过窄带波段光的透光微孔的挡光片13、离焦量测量辅助相机14，其中N≥2；所述离焦量测量辅助相机与信号分析处理模块相连；所述离焦量测量模块与所述光学成像模块共用第二半反半透分光镜；其中，为增强轴向色散，适当增大轴向测量范围，在挡光片之前设置了一款纵向色散增强型的色散管镜；

所述载物台驱动控制模块包含有：信号分析处理模块15、电机驱动控制模块、高精度载物台；所述信号分析处理模块将计算所得差动信号给所述电机驱动控制模块；所述电机驱动控制模块根据接收的差动信号给电机发送相应脉冲指令来驱动压电陶瓷电机5带动所述高精度载物台移至样品最佳对焦位置。本实施例的工作原理简述：复色光源经光学整形系统获取均匀平行光后由第一半反半透分光镜反射向下，后经物镜到达待观测样品表面，样品反射光束沿原路返回到第一半反半透分光镜，透过向上到达第二半反半透分光镜，经第二半反半透分光镜分光后，一路反射光经管镜进入图像获取相机，实现样品图像的在线观测；另一路反射光透过向上经色散管镜进入离焦量测量辅助相机(又称工业相机)，结合N(N≥2)个不同窄带波段透光微孔获取样品当下一帧离焦灰度图像，接着经由信号分析处理模块作去噪归一化处理并获取其中N个不同窄带波段微孔透光信号强度，即N个关于光轴对称分布的透光微孔对应区域像素平均灰度值In，两两相差得差动信号δI_nn’，其中，n≠n’,n∈N。根据预先刻度的通过透光微孔的光强差信号(又称差动信号)与离焦量之间的对应关系，即可快速获取样品在本帧图像采集时离焦量δZ大小及方向。电机驱动控制模块根据实测离焦量将载物台快速移至样品聚焦面，实现自动对焦。此时，信号分析处理模块通过图像获取相机所获取的样品图像为样品清晰聚焦图像。在本实施例的基础上优选的，在所述离焦量测量模块中，所述含有N个透光微孔的挡光片13与离焦量测量辅助相机14的连接方式为：含有N个透光微孔的挡光片13与离焦量测量辅助相机14的图像传感器紧密贴合，两者之间距离越小越好，其中N≥2；

所述挡光片13大小要完全覆盖所述离焦量测量辅助相机14的图像传感器有效面积；所述挡光片13除了N个能透过不同窄带波段光的微孔，所述挡光片13其余部分不透光；其中N个带有窄带滤镜的透光微孔直径d相同，所述直径d大小在10～500微米之间，它们构成N个与物面共轭的透窄带波段光信号的微孔简称N个共轭透光微孔。

通过上述方案，含有N个透光微孔的挡光片与相机图像传感器紧密结合的原因：为尽可能保证挡光片与相机的感光面能同时落在像方共轭面上。

含有N个透光微孔的挡光片要能完全覆盖离焦量测量辅助相机14的图像传感器有效面积的原因：如果挡光片不能完全覆盖图像传感器有效面积，则会有部分杂散光的衍射使得系统失去针孔效应。

在本实施例的基础上优选的，所述色散管镜12为纵向色散强、横向色散弱的纵向色散管镜。

通过上述方案，可以使复色光源色散开来，进一步增大系统轴向离焦量测量范围。

在本实施例的基础上优选的，所述离焦量测量模块的离焦量测量辅助相机14的图像传感器、以及与所述图像传感器紧密贴合的带有N个透光微孔的阻挡片13安装在与样品待测表面共轭位置，因此相机14和11的图像传感器都与样品待测表面共轭。相机14与待测样品表面共轭标志是，在共轭位置，绿色波段透光微孔对应像素平均灰度值I达到最大值。

通过上述方案，要求三者共轭是为了实现图像获取相机与离焦量测量辅助相机和待观测样品享有同一聚焦面，即当系统测量出样品处于聚焦面时，此时图像获取相机获取的样品图象也是最清晰的。

实施例2：

如图3所示，在实施例1的基础上进一步的，提供一种多通道共轭窄带差动显微自动对焦方法，采用上述的一种多通道共轭窄带差动显微自动对焦装置，其具体步骤如下：

步骤1，将待观测样本放置于所述高精度载物台8；

步骤2，调节所述高精度载物台8，使样品表面处于系统离焦量测量范围之内；

步骤3，所述信号分析处理模块15读取离焦量测量辅助相机14结合N个不同波段透光微孔采集到的一帧样品离焦图像L，对该帧图像L进行去噪归一化处理，获取其中N个窄带波段微孔透光信号强度，即N个孤立透光微孔对应区域像素平均灰度值I_n；

步骤4，所述信号分析处理模块15对N个不同窄带波段的平均灰度值I_n进行差动处理，即：使它们两两相差获得差动信号δI_nn’，其中，n≠n’,n∈N，n’∈N；

步骤5，根据预先刻度的样品差动信号δI_nn’与离焦量δZ之间的对应关系，建立样品在本帧图像L采集时刻离焦量δZ大小及方向，其中，n≠n’,n∈N,n’∈N；

步骤6，所述信号分析处理模块15根据测得的离焦量δZ，调节所述高精度载物台8移动消除离焦量，实现自动对焦；

步骤7，所述信号分析处理模块15这时候通过所述图像获取相机11获取的样品图像为聚焦清晰图像。

本实施例的工作原理简述：步骤2是为了保证待测样品位于系统线性工作范围内某一离焦位置；步骤3、4和5结合具体表述的是，接着由内嵌N个窄带滤镜的挡光片与工业相机结合构成的离焦量测量传感器获取样品图像，后经信号分析处理模块15进行图像分析处理得其中N个窄带波段微孔透光信号强度，即N个孤立透光微孔对应区域像素平均灰度值In，做差处理得差动信号δI_nn’，根据预先刻度的样品差动信号δI_nn’与离焦量δZ之间的对应关系，快速获取样品在本帧图像采集时刻所在离焦量δZ大小及方向；步骤6是根据实测离焦量在线消除离焦量得过程，聚焦结果将以步骤7所述形式：实时显示样品所在位置图像。

如图4所示，在本实施例的基础上优选的，还包括对待观测样品7离焦量测量的定性判断方法，具体判断过程特征如下：比较去噪归一化后的蓝波段透光微孔的透光强度I蓝和红波段透光微孔的透光强度I红，透光强度也即透光微孔对应区域像素平均灰度值，通过比较它们大小判断离焦情况：

如果在误差范围内它们相等，即归一化差动信号δI_nn’为零，则待观测样品7当前表面处于焦面；

如果在误差范围内I蓝＞I红，则待观测样品7当前表面离开焦面接并近物镜6端；

如果在误差范围内I蓝＜I红，则待观测样品7当前表面离开焦面并远离物镜6端。

通过上述方案，可实现系统在线性工作范围内对样品离焦方向做快速判断。

在本实施例的基础上优选的，还包括建立归一化差动信号δI_nn’与样品离焦量δZ关系的刻度过程，具体刻度步骤为：

刻度步骤1，选择高精度载物台8表面为参考面，调节参考面高度，使得参考面位于物镜焦面，将该位置记为参考位置，此时δZ为0，读取此位置差动信号δI_nn’，其中，n≠n’,n∈N,n’∈N；

刻度步骤2，调节所述高精度载物台8，获取一系列离焦位置δZ及其对应的差动信号δI_nn’，其中，n≠n’,n∈N,n’∈N。

刻度步骤3，建立差动信号δI_nn’与离焦量δZ的关系曲线，该曲线即为预先刻度曲线，其中，n≠n’,n∈N,n’∈N；

刻度步骤4，选择差动信号δI_nn’与离焦量δZ的关系曲线中线性度较好部分，该部分为所述离焦量测量模块的工作范围，其中，n≠n’,n∈N,n’∈N。

通过上述方案，显微自动对焦的核心是离焦量的检测，离焦量测量的核心是差动信号δI_nn’与离焦量δZ之间映射关系的标定，以上是差动信号δI_nn’与离焦量δZ之间映射关系标定过程的详细步骤，需要预先刻度下来，这样根据这条映射关系，通过当前实测的差动信号便可快速获得离焦信息。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“逆时针”、“顺时针”“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种多通道共轭窄带差动显微自动对焦装置，其特征在于，包括复色光照明模块、光学成像模块、离焦量测量模块及载物台驱动控制模块；

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(3)、第一半反半透分光镜(4)、物镜(6)、待观测样品(7)、高精度载物台(8)；

所述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(8)、待观测样品(7)、物镜(6)、第一半反半透分光镜(4)、第二半反半透分光镜(9)、管镜(10)、图像获取相机(11)；所述图像获取相机(11)与信号分析处理模块(15)相连；所述复色光照明模块与所述光学成像模块共用所述第一半反半透分光镜(4)和物镜(6)；

所述离焦量测量模块按照光路传播方向依次设置有：第二半反半透分光镜(9)、色散管镜(12)、含有N个仅能透过窄带波段光的透光微孔的挡光片(13)、离焦量测量辅助相机(14)，其中N≥2；所述离焦量测量辅助相机(14)与信号分析处理模块(15)相连；所述离焦量测量模块与所述光学成像模块共用第二半反半透分光镜(9)；

所述载物台驱动控制模块包含有：信号分析处理模块、电机驱动控制模块、高精度载物台；所述信号分析处理模块将计算所得差动信号给所述电机驱动控制模块；所述电机驱动控制模块根据接收的差动信号给电机发送相应的脉冲指令来驱动压电陶瓷电机带动所述高精度载物台移至样品最佳对焦位置。

2.根据权利要求1所述的一种多通道共轭窄带差动显微自动对焦装置，其特征在于，在所述离焦量测量模块中，所述含有N个透光微孔的挡光片(13)与离焦量测量辅助相机(14)的连接方式为：含有N个透光微孔的挡光片(13)与离焦量测量辅助相机(14)的图像传感器紧密贴合，其中N≥2；

所述挡光片(13)大小要完全覆盖所述离焦量测量辅助相机(14)的图像传感器有效面积；所述挡光片(13)除了N个能透过不同窄带波段光的微孔，所述挡光片(13)其余部分不透光；其中N个带有窄带滤镜的透光微孔直径d相同，所述直径d大小在10～500微米之间。

3.根据权利要求1所述的一种多通道共轭窄带差动显微自动对焦装置，其特征在于，所述色散管镜(12)为纵向色散管镜。

4.根据权利要求1所述的一种多通道共轭窄带差动显微自动对焦装置，其特征在于，所述离焦量测量模块的离焦量测量辅助相机(14)的图像传感器、以及与所述图像传感器紧密贴合的带有N个透光微孔的阻挡片(13)安装在与样品待测表面共轭位置。

5.一种多通道共轭窄带差动显微自动对焦方法，其特征在于，采用权利要求1-4任意一项所述的一种多通道共轭窄带差动显微自动对焦装置，其具体步骤如下：

步骤1，将待观测样本放置于所述高精度载物台(8)；

步骤2，调节所述高精度载物台(8)，使样品表面处于系统离焦量测量范围之内；

步骤3，所述信号分析处理模块(15)读取离焦量测量辅助相机(14)结合N个不同波段透光微孔采集到的一帧样品离焦图像L，对该帧图像L进行去噪归一化处理，获取其中N个窄带波段微孔透光信号强度，即N个孤立透光微孔对应区域像素平均灰度值I_n；

步骤4，所述信号分析处理模块(15)对N个不同窄带波段的平均灰度值I_n进行差动处理，即：使它们两两相差获得差动信号δI_nn’，其中，n≠n’,n∈N，n’∈N；

步骤5，根据预先刻度的样品差动信号δI_nn’与离焦量δZ之间的对应关系，建立样品在本帧图像L采集时刻离焦量δZ大小及方向，其中，n≠n’,n∈N,n’∈N；

步骤6，所述信号分析处理模块(15)根据测得的离焦量δZ，调节所述高精度载物台(8)移动消除离焦量，实现自动对焦；

步骤7，所述信号分析处理模块(15)通过所述图像获取相机(11)获取的样品图像为聚焦清晰图像。

6.根据权利要求5所述的一种多通道共轭窄带差动显微自动对焦方法，其特征在于，还包括对待观测样品(7)离焦量测量的定性判断方法，具体判断过程特征如下：比较去噪归一化后的蓝波段透光微孔的透光强度I蓝和红波段透光微孔的透光强度I红，透光强度也即透光微孔对应区域像素平均灰度值，通过比较它们大小判断离焦情况：

如果在误差范围内它们相等，即归一化差动信号δI_nn’为零，则待观测样品(7)当前表面处于焦面；

如果在误差范围内I蓝＞I红，则待观测样品(7)当前表面离开焦面接并近物镜(6)端；

如果在误差范围内I蓝＜I红，则待观测样品(7)当前表面离开焦面并远离物镜(6)端。

7.根据权利要求6所述的一种多通道共轭窄带差动显微自动对焦方法，其特征在于，还包括建立归一化差动信号δI_nn’与样品离焦量δZ之间对应关系的刻度过程，具体刻度步骤为：

刻度步骤1，选择高精度载物台(8)表面为参考面，调节参考面高度，使得参考面位于物镜焦面，将该位置记为参考位置，此时δZ为0，读取此位置差动信号δI_nn’，其中，n≠n’,n∈N,n’∈N；

刻度步骤2，调节所述高精度载物台(8)，获取一系列离焦位置δZ及其对应的差动信号δI_nn’，其中，n≠n’,n∈N,n’∈N。

刻度步骤3，建立差动信号δI_nn’与离焦量δZ的关系曲线，该曲线即为预先刻度曲线，其中，n≠n’,n∈N,n’∈N；

刻度步骤4，选择差动信号δI_nn’与离焦量δZ的关系曲线中线性度较好部分，该部分为所述离焦量测量模块的工作范围，其中，n≠n’,n∈N,n’∈N。

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