CN113741019A - 一种色差对焦模块、系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种色差对焦模块、系统及方法，涉及光学仪器技术领域。一种色差对焦模块，用于显微镜对被观测物体的自动对焦，显微镜内具有观测被观测物体的光路，包括：发光单元；轴向色差单元，包括光纤和第一镜片组，光纤插设于第一镜片组中，光纤与发光单元连接，接收发光单元发出的光；分光单元，分光单元与光纤连接，将光纤中的光经显微镜光路传递至被观测物体，并接收被观测物体反射的光；垂轴色差单元，被观测物体反射的光经过垂轴色差单元后产生垂轴色差分布；接收单元，接收单元接收经过垂轴色差单元的光。通过分析接收到的色差分布就可以计算出被测物体的离焦量，从而驱动显微镜实现自动对焦。

Description

一种色差对焦模块、系统及方法
技术领域
本发明属于光学仪器技术领域，具体涉及一种色差对焦模块、系统及方法。
背景技术
在工业机台中，由自动对焦系统和显微镜系统共同组成，显微镜系统提供一套落射照明，并成像的系统。自动对焦系统使显微镜在驱动系统支持下，始终对准物面，实现清晰成像，检测缺陷。
目前工业机台显微镜的自动对焦系统，多数采用WDI和MSG的激光对焦模块，该类系统的特点是采用635nm激光光源，这样在被测物体表面，会形成一个635nm的亮斑，如果采用635nm截止的方法，则成像波段只能到600nm，整体成像偏蓝绿色，影响成像色彩的分布，成像质量差，影响判读结果。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中存在的上述问题，提出了一种不会影响显微镜成像质量的色差对焦模块、方法及应用了该色差对焦模块的显微镜系统。
本发明的目的可通过下列技术方案来实现：一种色差对焦模块，用于显微镜对被观测物体的自动对焦，显微镜内具有观测被观测物体的光路，包括：
发光单元；
轴向色差单元，包括光纤和第一镜片组，所述光纤插设于所述第一镜片组中，所述光纤与所述发光单元连接，接收所述发光单元发出的光；
分光单元，所述分光单元与所述光纤连接，将光纤中的光经显微镜光路传递至被观测物体，并接收被观测物体反射的光；
垂轴色差单元，所述被观测物体反射的光经过所述垂轴色差单元后产生垂轴色差分布；
接收单元，所述接收单元接收经过所述垂轴色差单元的光。
作为本发明的进一步改进，所述分光单元设置为分色分光镜。
作为本发明的进一步改进，所述分色分光镜反射的光的波长处于700nm-1000nm或436nm-700nm或360nm-436nm之间。
作为本发明的进一步改进，所述光纤设置为单根或多根，当所述光纤设置为多根时，所述光纤排列成一排。
作为本发明的进一步改进，还包括第二镜片组，所述第二镜片组设置在所述垂轴色差单元与所述接收单元之间。
作为本发明的进一步改进，经过第二镜片组后光的垂轴色差ΔY处于1nm-6nm之间。
作为本发明的进一步改进，所述接收单元为CMOS图像传感器，所述CMOS图像传感器与所述第二镜片组光轴的夹角设置为θ，θ＝ΔL1(f2/f1)2，其中，ΔL1为第一镜片组的轴向色差，f2为第二镜片组的焦距，f1为第一镜片组的焦距。
本发明还提供一种色差对焦系统，包括显微镜和上述任一项所述的色差对焦模块。
本发明还提供一种色差对焦方法，包括以下步骤：
步骤S1：发光单元发出白光；
步骤S2：白光经光纤传输到分光单元，在经过第一镜片组后产生轴向色差；
步骤S3：分光单元将具有轴向色差的光经显微镜内光路传输到被观测物体，并接收反射回来的光；
步骤S4：被观测物体反射回来的光经过垂轴色差单元后产生垂轴色差；
步骤S5：接收单元接收具有轴向色差和垂轴色差的光；
步骤S6：根据接收到的色差信息计算出被观测物体的离焦量。
作为本发明的进一步改进，所述步骤S4与所述步骤S5之间还包括步骤S41：产生垂轴色差的光经过第二镜片组扩大垂轴色差的分布。
基于上述技术方案，本发明实施例至少可以产生如下技术效果：
1、通过设置轴向色差单元、垂轴色差单元产生同时具有轴向色差和垂轴色差的光，并通过接收单元来接收，之后通过分析接收到的色差分布就可以计算出被测物体的离焦量，从而驱动显微镜实现自动对焦；
2、通过设置分光单元为分色分光镜，使得只有一定波长范围的光可以通过显微镜光路传递到被测物体上，以适应不同的显微镜系统；
3、通过设置分色分光镜传递的光的波长范围为700nm-1000nm或436nm-700nm或360nm-436nm，实现近红外，可见光，近紫外三种不同工作模式的切换；
4、通过设置光纤为单根或多根，可以实现单点对焦和多点对焦的切换；
5、通过在垂轴色差单元与接收单元之间设置第二镜片组，使得各波段的光成像在CMOS上，呈现离散的分布，同时扩大垂轴色差的分布；
6、通过设置经过第二镜片组后光的垂轴色差ΔY处于1nm-6nm之间使得垂轴色差ΔY合适普通CMOS的大小；
7、通过设置CMOS图像传感器与第二镜片组光轴的夹角为θ＝ΔL1(f2/f1)2，CMOS能完整的接收各波段的光；
8、通过提出一种色差对焦方法，解决了激光对焦会产生亮斑或图像偏蓝青色的问题，实现了让显微镜能自动对焦的同时不降低显微镜的成像质量。
附图说明
图1是色差对焦模块的示意图。
图2是应用色差对焦模块的显微镜系统示意图。
图中，100、发光单元；200、轴向色差单元；210、光纤；220、第一镜片组；300、分光单元；400、垂轴色差单元；410、第二镜片组；500、接收单元。
具体实施方式
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”、“一”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
以下是本发明的一个具体实施例，并结合附图1-2，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这个实施例。
本发明公开了一种色差对焦模块，包括：发光单元100、轴向色差单元200、分光单元300、垂轴色差单元400以及接收单元500。发光单元100发出白光，经轴向色差单元200产生轴向色差分布，分光单元300将光经显微镜光路传递至被测物体，并接收一定波长范围内被测物体反射的光，被测物体反射的光经过垂轴色差单元400后产生垂轴色差分布，接收单元500接收上述具有轴向色差和垂轴色差的光。通过设置轴向色差单元200、垂轴色差单元400产生同时具有轴向色差和垂轴色差的光，并通过接收单元500来接收，之后通过分析接收到的色差分布就可以计算出被测物体的离焦量，从而驱动显微镜实现自动对焦。
发光单元100设置为LED灯珠，其发出白光。轴向色差单元200包括光纤210和第一镜片组220，光纤210插设于第一镜片组220中，光纤210一端与发光单元100连接，接收发光单元100发出的光，光纤210另一端与分光单元300连接。第一镜片组220的焦距为f1由多片平行排列的凹透镜或凸透镜组成，当白光通过第一镜片组220后会产生轴向色差ΔL1，轴向色差也称作纵向色差。光纤210可以设置为单根或多根。多根光纤可以排列成一排也可以呈其他分布。本发明中的光纤还可以使用星点孔板代替，星点孔板上的孔可以是单个也可以是多个，多个孔可以成规则排列也可以随机排列。通过设置光纤210为单根或多根可以实现单点对焦或多点对焦的切换。
在本实施例中，分光单元300设置为一个宽光谱分色分光镜，将波长范围在700nm-1000nm的光传递给被测物体，并将返回的光传递给垂轴色差单元400。显微镜物镜的焦距为f物，则物方的轴向色差分布数据ΔL物＝ΔL1/(f物/f1)2。物方的轴向色差ΔL物决定了整个对焦系统的灵敏度。本发明还可以使用紫光波段360-436nm以及可见光波段436-700nm的分色分光镜，以适应各类不同的系统。通过更换不同的分色分光镜实现近红外，可见光，近紫外三种不同工作模式的切换。
垂轴色差单元400，设置为一个棱镜，使从被测物体返回的光经过棱镜，使各波段的光分开，产生垂轴色差分布，便于在接收单元500中测量。
在垂轴色差单元400与接收单元500之间还设置有第二镜片组410，第二镜片组410的焦距为f2，由多片平行排列的凹透镜或凸透镜组成，经过棱镜的光在通过第二镜片组后，光的垂轴色差ΔY处于1nm-6nm之间。垂轴色差也称为放大率色差该值的选取是本发明色差对焦模块的设计核心，通过调整棱镜的材料和棱镜角度以及第二镜片组410的轴向色差ΔL2，使得ΔY的大小能被普通的CMOS图像传感器接收。
接收单元500，用于接收经过第二镜片组410的光。在本实施例接收单元500设置为一个CMOS图像传感器。CMOS图像传感器与第二镜片组410光轴的夹角设置为θ，θ＝ΔL1(f2/f1)2，其中，ΔL1为第一镜片组220的轴向色差，f2为第二镜片组410的焦距，f1为第一镜片组220的焦距。通过设置CMOS图像传感器与第二镜片组410光轴的夹角为θ，使得CMOS能完整的接收各波段的光。
本发明还提供一种色差对焦方法，包括以下步骤：
步骤S1：发光单元100发出白光；
步骤S2：白光经光纤210传输到分色分光镜，在经过第一镜片组220后产生轴向色差；
步骤S3：分光单元300将一定波长范围内的光经显微镜内光路传输到被测物体；
步骤S4：被测物体反射回来的光经过垂轴色差单元400后产生垂轴色差；
步骤S41：产生垂轴色差的光经过第二镜片组410扩大垂轴色差的分布；
步骤S5：接收单元500接收具有轴向色差和垂轴色差的光；
步骤S6：根据接收到的色差信息计算出被测物体的离焦量。
本发明还提供一种色差对焦系统，包括显微镜和上述的色差对焦模块。根据色差对焦模块接收到的色差信息计算出被测物体的离焦量，使显微镜在驱动系统的作用下进行自动对焦。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (10)

1.一种色差对焦模块，用于显微镜对被观测物体的自动对焦，显微镜内具有观测被观测物体的光路，其特征在于，包括：
发光单元；
轴向色差单元，包括光纤和第一镜片组，所述光纤插设于所述第一镜片组中，所述光纤与所述发光单元连接，接收所述发光单元发出的光；
分光单元，所述分光单元与所述光纤连接，将光纤中的光经显微镜光路传递至被观测物体，并接收被观测物体反射的光；
垂轴色差单元，所述被观测物体反射的光经过所述垂轴色差单元后产生垂轴色差分布；
接收单元，所述接收单元接收经过所述垂轴色差单元的光。
2.根据权利要求1所述的色差对焦模块，其特征在于，所述分光单元设置为分色分光镜。
3.根据权利要求2所述的色差对焦模块，其特征在于，所述分色分光镜反射的光的波长处于700nm-1000nm或436nm-700nm或360nm-436nm之间。
4.根据权利要求1所述的色差对焦模块，其特征在于，所述光纤设置为单根或多根，当所述光纤设置为多根时，所述光纤排列成一排。
5.根据权利要求1所述的色差对焦模块，其特征在于，还包括第二镜片组，所述第二镜片组设置在所述垂轴色差单元与所述接收单元之间。
6.根据权利要求5所述的色差对焦模块，其特征在于，经过第二镜片组后光的垂轴色差ΔY处于1nm-6nm之间。
7.根据权利要求5所述的色差对焦模块，其特征在于，所述接收单元为CMOS图像传感器，所述CMOS图像传感器与所述第二镜片组光轴的夹角设置为θ，θ＝ΔL1(f2/f1)2，其中，ΔL1为第一镜片组的轴向色差，f2为第二镜片组的焦距，f1为第一镜片组的焦距。
8.一种色差对焦系统，其特征在于，包括显微镜和权利要求1-7中任一项所述的色差对焦模块。
9.一种色差对焦方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：发光单元发出白光；
步骤S2：白光经光纤传输到分光单元，在经过第一镜片组后产生轴向色差；
步骤S3：分光单元将具有轴向色差的光经显微镜内光路传输到被观测物体，并接收反射回来的光；
步骤S4：被观测物体反射回来的光经过垂轴色差单元后产生垂轴色差；
步骤S5：接收单元接收具有轴向色差和垂轴色差的光；
步骤S6：根据接收到的色差信息计算出被观测物体的离焦量。
10.根据权利要求9所述的一种色差对焦方法，其特征在于，所述步骤S4与所述步骤S5之间还包括步骤S41：产生垂轴色差的光经过第二镜片组扩大垂轴色差的分布。
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