CN113064264A - 显微光学系统像质补偿方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种显微光学系统像质补偿方法及装置，显微光学系统像质补偿装置包括固定架、物镜和偏心促动器。由于偏心促动器安装在物镜的外部，使得偏心促动器可对不同的物镜进行偏心补偿调节，可重复利用，降低了成本；并且偏心促动器外置设置，不会增加物镜外径、体积和重量，有利于物镜的小型化，物镜也具有更高的装配精度，同时外置的偏心促动器不受物镜的限制，具有更高的补充调节精度。

Description

显微光学系统像质补偿方法及装置

技术领域

本发明涉及光学系统像质补偿技术领域，具体涉及一种显微光学系统像质补偿方法及装置。

背景技术

高性能显微光学系统广泛应用于生物医学、半导体检测、计量学等领域。以生物医学中的基因测序仪荧光显微光学系统为例，随着测序通量的不断提升，需要荧光显微光学系统的视场越大、分辨率越高，并且在全视场内需要满足衍射极限的波像差、较高的焦距、畸变、场曲等像质要求，同时需要对四种碱基进行四色或二色荧光成像，满足宽谱段的要求。因此基因测序显微光学系统具有大数值孔径、大视场、宽波段、高成像像质等特点。

基因测序仪荧光显微光学系统研制过程中，为了实现全视场的波像差、焦距、畸变和场曲等指标，需要对光学设计、光学加工和光机装调等环节中的各种公差进行严格控制。为了降低严苛的加工、装配公差对研制难度、成本、周期的影响，可以采用像质补偿的方法以适当放宽相关公差。

现有专利技术的像质补偿技术主要集中在柔顺微动机构、变形镜等装置，补偿装置的结构复杂，加工时需要精密线切割等工艺，增加了成本，增大了镜头的外径、体积和重量，同时促动器集成在光学系统内部，无法重复利用，增加了光学系统的研制成本。

发明内容

本发明提供了一种调节精度高、结构紧凑的显微光学系统像质补偿方法及装置。

根据第一方面，一种实施例中提供一种显微光学系统像质补偿装置，包括：

固定架；

物镜，物镜包括镜筒、透镜和镜框，镜筒的上端安装在固定架的下端，透镜具有多个，每个透镜通过一个镜框安装在镜筒内；多个透镜中具有一个或多个偏心透镜和一个或多个轴向透镜，与偏心透镜连接的镜框为偏心镜框，偏心镜框与镜筒之间具有径向移动的间隙，镜筒上设有一组或多组径向的通孔，每组通孔包括位于一个圆周上的至少三个通孔，每个偏心镜框对应一组通孔；与轴向透镜连接的镜框为轴向镜框，轴向镜框与镜筒螺纹连接，并且轴向镜框的部分位于镜筒的外侧；

以及至少三个偏心促动器，至少三个偏心促动器安装在固定架的下端，并均匀围绕在物镜的四周，偏心促动器具有可伸缩和/或可升降的驱动端，驱动端用于穿过镜筒上的通孔驱动偏心透镜和偏心镜框径向移动。

进一步地，镜筒内位于最下端的透镜为轴向透镜，镜筒的下端设有外螺纹，轴向镜框设有内螺纹，轴向镜框螺纹连接在镜筒的下端。

进一步地，镜筒的下端端部还设有导向面，轴向镜框内设有对应的导向面，镜筒的导向面与轴向镜框的导向面接触为可滑动的导向连接。

进一步地，镜筒的下端内表面设有径向凸起，镜框上下层叠安装在镜筒内，镜筒的上端安装有压圈，压圈将镜框轴向压紧在镜筒内。

进一步地，透镜中还具有固定透镜，与固定透镜连接的镜框为固定镜框，固定镜框与偏心镜框上下层叠在镜筒内，固定镜框的外表面与镜筒的内表面接触连接。

进一步地，镜筒的上端固定有连接环，连接环上设有位于一个圆周上的若干个弧形槽孔，每个弧形槽孔内安装有固定螺钉，连接环通过螺钉连接安装在固定架上。

进一步地，偏心促动器包括安装架和偏心电机，偏心电机通过安装架安装在固定架的下端，偏心电机的驱动端为偏心促动器的驱动端。

进一步地，偏心促动器还包括升降电机，偏心电机可升降滑动的安装在安装架上，升降电机安装在安装架上，升降电机的驱动端与偏心电机连接，升降电机用于驱动偏心电机升降移动。

根据第二方面，一种实施例中提供一种显微光学系统像质补偿方法，包括如下步骤：

在物镜的上端基准面上放置平面反射镜，平面反射镜与光轴垂直；

干涉仪发射检测光，检测光经转折镜反射到平面反射镜上，平面反射镜的反射光经转折镜反射回干涉仪；

摆动物镜，当干涉仪的出射光自准直时，固定住物镜；

在物镜的下方放置球面反射镜，球面反射镜安装在一个调整台上；

干涉仪发射检测光，检测光经转折镜反射及物镜透射到球面反射镜上，球面反射镜反射的反射光经物镜透射及转折镜反射到干涉仪上；

通过调整台驱动球面反射镜移动和摆动，当干涉仪的出射光自准直时，固定住球面反射镜；

干涉仪发射检测光，检测光经转折镜反射及物镜透射到球面反射镜上，球面反射镜反射的反射光经物镜透射及转折镜反射到干涉仪上，干涉仪根据发射光和反射光形成相应的发射信号和反射信号；

处理器根据发射信号和反射信号计算出物镜的偏心补偿量和轴向补偿量；

控制偏心促动器驱动偏心透镜移动偏心补偿量，及调节轴向透镜移动轴向补偿量，完成像质补偿。

进一步地，球面反射镜的F数要小于等于物镜的F数。

依据上述实施例的显微光学系统像质补偿方法及装置，由于偏心促动器安装在物镜的外部，使得偏心促动器可对不同的物镜进行偏心补偿调节，可重复利用，降低了成本；并且偏心促动器外置设置，不会增加物镜外径、体积和重量，有利于物镜的小型化，物镜也具有更高的装配精度，同时外置的偏心促动器不受物镜的限制，具有更高的补充调节精度。

附图说明

图1为一种实施例中显微光学系统像质补偿装置的结构示意图；

图2为一种实施例中显微光学系统像质补偿装置的轴线剖视图；

图3为图2的局部放大图A；

图4为一种实施例中显微光学系统像质补偿装置的局部结构示意图；

图5为一种实施例中显微光学系统像质补偿方法的流程图；

图6为一种实施例中显微光学系统像质补偿方法的测试结构示意图。

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。其中不同实施方式中类似元件采用了相关联的类似的元件标号。在以下的实施方式中，很多细节描述是为了使得本申请能被更好的理解。然而，本领域技术人员可以毫不费力的认识到，其中部分特征在不同情况下是可以省略的，或者可以由其他元件、材料、方法所替代。在某些情况下，本申请相关的一些操作并没有在说明书中显示或者描述，这是为了避免本申请的核心部分被过多的描述所淹没，而对于本领域技术人员而言，详细描述这些相关操作并不是必要的，他们根据说明书中的描述以及本领域的一般技术知识即可完整了解相关操作。

另外，说明书中所描述的特点、操作或者特征可以以任意适当的方式结合形成各种实施方式。同时，方法描述中的各步骤或者动作也可以按照本领域技术人员所能显而易见的方式进行顺序调换或调整。因此，说明书和附图中的各种顺序只是为了清楚描述某一个实施例，并不意味着是必须的顺序，除非另有说明其中某个顺序是必须遵循的。

本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。

实施例一：

本实施例提供了一种显微光学系统像质补偿装置，本显微光学系统像质补偿装置主要用于基因测序中，基因测序显微光学系统需要补偿的像差主要为像散(Zernike的Z5项和Z6项)、彗差(Zernike的Z7项和Z8项)和球差(Zernike的Z9项)。本显微光学系统像质补偿装置能够用于调节物镜内透镜的偏心补偿和轴向补偿，其中偏心补偿用于补偿像散和彗差，轴向补偿用于补偿球差，以提高物镜的成像精度。

如图1所示，本实施例的显微光学系统像质补偿装置包括固定架10、物镜20和偏心促动器30。

固定架10的下端安装有一个多级台阶朝下凸起的圆环结构11。

如图2和图3所示，物镜20为显微物镜，物镜20包括镜筒21、透镜22和镜框23，其中透镜22包括一个偏心透镜22a、一个轴向透镜22b和多个固定透镜22c，偏心透镜22a位于自上而下的第二个透镜，轴向透镜22b为最下端的透镜，其他的均为固定透镜22c。镜框23为环形结构，每个透镜22分别通过一个镜框23安装在镜筒21内，透镜22通过粘胶的方式固定在镜框23上，其中镜框23包括偏心镜框23a、轴向镜框23b和固定镜框23c，偏心透镜22a固定在偏心镜框23a上，轴向透镜22b固定在轴向镜框23b上，固定透镜22c安装在固定镜框23c上。

镜筒21的下端内表面设有环形的径向凸起21a，一个偏心镜框23a和多个固定镜框23c上下层叠在镜筒21内，一个偏心镜框23a和多个固定镜框23c的下端通过径向凸起21a限位。其中，偏心镜框23a的外径小于镜筒21的内径，偏心镜框23a的外圆周表面小于镜筒21的内表面之间具有径向移动的间隙。固定镜框23c的外径等于或略小于镜筒21的内径，固定镜框23c的外表面与镜筒21的内表面接触连接，固定镜框23c与镜筒21之间无径向移动的间隙。镜筒21的上端安装有压圈24，压圈24设有外螺纹，镜筒21的上端内表面设有内螺纹，压圈24通过螺纹安装在镜筒21的上端，压圈24压在最上端的固定镜框23c上，压圈24将上下层叠的镜框23压紧在镜筒21内，主要用于压紧偏心镜框23a，避免偏心镜框23a径向移动。

镜筒21上设有一组径向的通孔21b，通孔21b具有三个，三个通孔21b均匀为一个圆周上，三个通孔21b与偏心镜框23a的外圆周表面对齐，使得穿过通孔21b可接触偏心镜框23a的外圆周表面。

轴向镜框23b套装在镜筒21的下端，轴向镜框23b具有朝上延伸的安装环，镜筒21的下端外表面设有外螺纹21c，轴向镜框23b的安装环内表面设有对应的内螺纹，轴向镜框23b与镜筒21螺纹连接，并且通过该螺纹连接调节轴向透镜22b的轴向位置。轴向镜框23b的上表面还形成一个限位轴肩，极限位置时，镜筒21的下端面抵靠在轴向镜框23b的限位轴肩上。

为了提高轴向调节的精度，在镜筒21的下端底部设有导向面21d，轴向镜框23b的安装环内表面设有对应的导向面，镜筒21的导向面21d与轴向镜框23b的导向面接触设置，导向面设置提高了轴向透镜22b轴向移动精度，避免了轴向透镜22b的径向误差。

如图1和图4所示，本实施例中，偏心促动器30具有三个，三个偏心促动器30安装在固定架10的圆环结构11的下端，三个偏心促动器30均匀围绕在物镜20的周围。偏心促动器30包括安装架31和偏心电机32，安装架31为L型板，安装架31的上端水平板安装在圆环结构11上，偏心电机32水平安装在安装架31的竖直板上，偏心电机32的驱动端朝向镜筒21的通孔21b，并且每个偏心电机32的驱动端与一个通孔21b对齐设置。偏心电机32的驱动端能够水平伸缩移动，偏心电机32的驱动端用于穿过镜筒21的通孔21b抵靠偏心镜框23a，进而三个偏心电机32驱动偏心镜框23a和偏心透镜22a的径向移动，以实现偏心透镜22a的偏心补偿。

为了使得偏心电机32的驱动端能够与镜筒21的通孔21b对齐。在镜筒21的上端固定安装有连接环12，连接环12通过焊接或螺钉与镜筒21固定，连接环12上设有位于一个圆周上的三个弧形槽孔12a，在三个弧形槽孔12a上分别安装有固定螺钉，圆环结构11的下端设有对应的螺钉孔，连接环12通过螺钉固定在圆环结构11上。由于连接环12上设有弧形槽孔12a，使得连接环12可相对圆环结构11旋转调节，从而能够将镜筒21的通孔21b调节至与偏心电机32的驱动端精确对齐。

在其他实施例中，偏心促动器30具有四个，镜筒21上的一组通孔21b包括对应的四个，四个偏心促动器30同样能够实现对偏心透镜22a的偏心补偿驱动。

在其他实施例中，偏心透镜22a包括2个或3个，则镜筒21上设有2组或3组通孔21b，每个偏心透镜22a对应有一组通孔21b。为了避免偏心透镜22a之间的相互影响，多个偏心透镜22a优先间隔开设置，偏心透镜22a之间设有固定透镜22c，从而避免偏心透镜22a调节的相互影响；或者多个偏心透镜22a的偏心框架23a单独固定，相互之间无接触。为了实现对多个偏心透镜22a的偏心补偿驱动，偏心促动器30还包括升降电机，偏心电机32通过导轨可升降的安装在安装架31上，升降电机固定安装在安装架31上，升降电机的驱动端与偏心电机32连接，升降电机用于驱动偏心电机32升降移动，使得偏心电机32的驱动端可对位于不同上下位置的偏心透镜22a进行偏心补偿。

在其他实施例中，轴向透镜22b也可为中间位置，轴向镜框23b设有外螺纹，镜筒21内设有内螺纹，轴向镜框23b与镜筒21螺纹连接，并且镜筒21上设避让口，轴向镜框23b具有延伸出该避让口的驱动部，同样可实现对轴向透镜22b的轴向调节。

在其他实施例中，透镜22仅包括一个或多个偏心透镜22a和一个或多个轴向透镜22b，不设置固定透镜。

本实施例提供的显微光学系统像质补偿装置，由于偏心促动器30安装在物镜20的外部，使得偏心促动器30可对不同的物镜20进行偏心补偿调节，可重复利用，降低了成本；并且偏心促动器30外置设置，不会增加物镜20外径、体积和重量，有利于物镜20的小型化，物镜20也具有更高的装配精度，同时外置的偏心促动器30不受物镜20的限制，具有更高的补充调节精度

实施例二：

本实施例提供了一种显微光学系统像质补偿方法，本显微光学系统像质补偿方法基于上述实施例中的显微光学系统像质补偿装置实现。

如图5和图6所示，本实施例的显微光学系统像质补偿方法主要包括如下步骤：

S01：干涉仪与物镜的位置标定；

在物镜20的上端基准面上放置平面反射镜40，平面反射镜40与物镜20的光轴垂直；

干涉仪50发射检测光，检测光经转折镜60反射到平面反射镜40上，平面反射镜40的反射光经转折镜反射回干涉仪50；

摆动物镜20，当干涉仪50的出射光自准直时，此时物镜20为零度入射角，固定住物镜20，完成干涉仪50与物镜20的位置标定。

S02：物镜与球面反射镜的位置标定；

在物镜20的下方放置球面反射镜70，球面反射镜70安装在一个调整台80上，调整台80具有6个自由度的驱动调节，调整台80能够调节球面反射镜70移动和摆动；球面反射镜70的F数要小于等于所述物镜20的F数，以保证物镜20足够的集光能力。

干涉仪50发射检测光，检测光经转折镜60反射及物镜20透射到球面反射镜70上，球面反射镜70反射的反射光经物镜20透射及转折镜60反射到干涉仪50上；

通过调整台80驱动球面反射镜70移动和摆动，当干涉仪50的出射光自准直时，固定住球面反射镜70，完成物镜20与球面反射镜70的位置标定。

S03：测量物镜的像散、彗差和球差，像质补偿。

当物镜20与干涉仪50和球面反射镜70的位置均已标定后，干涉仪50发射检测光，检测光经转折镜60反射及物镜20透射到球面反射镜70上，球面反射镜70反射的反射光经物镜20透射及转折镜60反射到干涉仪50上，干涉仪50根据发射光和反射光形成相应的发射信号和反射信号；

处理器根据发射信号和反射信号计算出物镜20的偏心补偿量和轴向补偿量；

控制偏心促动器30驱动偏心透镜22a移动偏心补偿量，及调节轴向透镜22b移动轴向补偿量，完成像质补偿。

上述步骤中偏心补偿量和轴向补偿量的计算过程原理如下：

物镜20的波像差主要成分包括像散Z5/Z6、彗差Z7/Z8、球差Z9等低阶项。物镜20的像散Z5/Z6、彗差Z7/Z8与偏心透镜22a的关系可以表示为

其中，x_lens1和y_lens1分别为一个偏心透镜22a的x向和y向偏移量，x_lens2和y_lens2分别为另一个偏心透镜22a的x向和y向偏移量，cij分别表示矩阵中的每一项，c没有具体含义，也可以用其他字母表示。

。上述矩阵可以通过光学设计软件CodeV得到，并通过实际测量进行修正。

偏心镜片22a通过三个(或四个)周向均布的偏心促动器30实现其偏心调整。采用三个偏心促动器30时，偏心镜片22a的偏心量和偏心促动器30位移量的关系可以表示为

其中M_{lensi_1}、M_{lensi_2}、M_{lensi_3}分别为三个偏心促动器30的位移量，dij分别表示矩阵中的每一项，d没有具体含义，也可以用其他字母表示。

工程应用时，也可以采用四个轴向均布的偏心促动器30进行调整，例如通过四个顶丝进行调整，此时偏心镜片22a的偏心量和偏心促动器30位移量的关系可以表示为。

其中，M_{lensi_1}、M_{lensi_2}分别为偏心促动器一和偏心促动器二的位移量，偏心促动器一对面的偏心促动器三、偏心促动器二对面的偏心促动器四的位移量分别为M_{lensi_3}＝-M_{lensi_1}、M_{lensi_4}＝-M_{lensi_2}，dij分别表示矩阵中的每一项，d没有具体含义，也可以用其他字母表示。

本实施例的显微光学系统像质补偿方法，相对干涉仪50与物镜20的位置进行对准标定，再对物镜20与球面反射镜70的位置进行对准标定，保证了干涉仪50、物镜20和球面反射镜70的位置精度，避免了装配误差；通过干涉仪50的发射光和回收的反射光能够准确的计算出偏心补偿量和轴向补偿量，再通过驱动偏心促进器30能够准确的补偿像散和彗差，再驱动调节轴向镜框23c能够准确的补偿球差，完成显微物镜20的像质补偿。

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)

1.一种显微光学系统像质补偿装置,其特征在于，包括：

固定架；

物镜，所述物镜包括镜筒、透镜和镜框，所述镜筒的上端安装在所述固定架的下端，所述透镜具有多个，每个所述透镜通过一个所述镜框安装在所述镜筒内；多个所述透镜中具有一个或多个偏心透镜和一个或多个轴向透镜，与所述偏心透镜连接的镜框为偏心镜框，所述偏心镜框与所述镜筒之间具有径向移动的间隙，所述镜筒上设有一组或多组径向的通孔，每组所述通孔包括位于一个圆周上的至少三个通孔，每个所述偏心镜框对应一组所述通孔；与所述轴向透镜连接的镜框为轴向镜框，所述轴向镜框与所述镜筒螺纹连接，并且所述轴向镜框的部分位于所述镜筒的外侧；

以及至少三个偏心促动器，所述至少三个偏心促动器安装在所述固定架的下端，并均匀围绕在所述物镜的四周，所述偏心促动器具有可伸缩和/或可升降的驱动端，所述驱动端用于穿过所述镜筒上的通孔驱动所述偏心透镜和偏心镜框径向移动。

2.如权利要求1所述的显微光学系统像质补偿装置，其特征在于，所述镜筒内位于最下端的透镜为所述轴向透镜，所述镜筒的下端设有外螺纹，所述轴向镜框设有内螺纹，所述轴向镜框螺纹连接在所述镜筒的下端。

3.如权利要求2所述的显微光学系统像质补偿装置，其特征在于，所述镜筒的下端端部还设有导向面，所述轴向镜框内设有对应的导向面，所述镜筒的导向面与所述轴向镜框的导向面为可滑动的导向连接。

4.如权利要求2所述的显微光学系统像质补偿装置，其特征在于，所述镜筒的下端内表面设有径向凸起，所述镜框上下层叠安装在所述镜筒内，所述镜筒的上端安装有压圈，所述压圈将所述镜框轴向压紧在所述镜筒内。

5.如权利要求4所述的显微光学系统像质补偿装置，其特征在于，所述透镜中还具有固定透镜，与所述固定透镜连接的镜框为固定镜框，所述固定镜框与所述偏心镜框上下层叠在所述镜筒内，所述固定镜框的外表面与所述镜筒的内表面接触连接。

6.如权利要求1所述的显微光学系统像质补偿装置，其特征在于，所述镜筒的上端固定有连接环，所述连接环上设有位于一个圆周上的若干个弧形槽孔，每个弧形槽孔内安装有固定螺钉，所述连接环通过螺钉连接安装在所述固定架上。

7.如权利要求1至6中任一项所述的显微光学系统像质补偿装置，其特征在于，所述偏心促动器包括安装架和偏心电机，所述偏心电机通过所述安装架安装在所述固定架的下端，所述偏心电机的驱动端为所述偏心促动器的驱动端。

8.如权利要求7所述的显微光学系统像质补偿装置，其特征在于，所述偏心促动器还包括升降电机，所述偏心电机可升降滑动的安装在所述安装架上，所述升降电机安装在所述安装架上，所述升降电机的驱动端与所述偏心电机连接，所述升降电机用于驱动所述偏心电机升降移动。

9.一种显微光学系统像质补偿方法,其特征在于，包括如下步骤：

在物镜的上端基准面上放置平面反射镜，所述平面反射镜与光轴垂直；

干涉仪发射检测光，检测光经转折镜反射到平面反射镜上，平面反射镜的反射光经转折镜反射回干涉仪；

摆动物镜，当干涉仪的出射光自准直时，固定住物镜；

在物镜的下方放置球面反射镜，球面反射镜安装在一个调整台上；

干涉仪发射检测光，检测光经转折镜反射及物镜透射到球面反射镜上，球面反射镜反射的反射光经物镜透射及转折镜反射到干涉仪上；

通过调整台驱动球面反射镜移动和摆动，当干涉仪的出射光自准直时，固定住球面反射镜；

干涉仪发射检测光，检测光经转折镜反射及物镜透射到球面反射镜上，球面反射镜反射的反射光经物镜透射及转折镜反射到干涉仪上，干涉仪根据发射光和反射光形成相应的发射信号和反射信号；

处理器根据发射信号和反射信号计算出物镜的偏心补偿量和轴向补偿量；

控制偏心促动器驱动偏心透镜移动偏心补偿量，及调节轴向透镜移动轴向补偿量，完成像质补偿。

10.如权利要求9所述的显微光学系统像质方法，其特征在于，所述球面反射镜的F数要小于等于所述物镜的F数。

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