CN113885188A - 一种显微镜锁焦方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于显微镜技术领域，公开了一种显微镜锁焦方法及系统，所述方法包括：获取光电探测器上形成的第一光斑的第一质心位置，获取光电探测器上形成的第二光斑的第二质心位置，所述第二光斑为所述载玻片发生位移偏差时，载玻片反射入射光束所形成的第二反射光束在光电探测器上形成的光斑；对第一质心位置和第二质心位置进行差值处理得到物镜所需的补偿距离；控制物镜移动单元根据所述补偿距离移动物镜。有益效果：本发明的锁焦方法和系统，简化了光学结构，相对于现有技术的锁焦系统，本发明的锁焦方法和系统无需多组镜片去进行光学放大和成像聚焦，降低了锁焦系统的加工难度和生产成本。

Description

一种显微镜锁焦方法及系统
技术领域
本发明涉及显微镜技术领域，特别是涉及一种显微镜锁焦方法及系统。
背景技术
对于需要较长采样时间的成像系统，其分辨率越高，成像系统的抗干扰能力便越低，即某一固定的对焦区域会因外界的各种扰动而发生漂移，采样图片的清晰度会受到影响。为了在连续成像时始终获得高品质图像，需要使用自动锁焦技术。
现有的自动锁焦技术一般利用光线在载玻片上的反射光在光电探测器上形成的光斑来计算物镜的补偿距离。但是现有的锁焦系统在获取光斑的过程中需要使用复杂的光路结构对反射光进行放大和矫正，使得锁焦系统需要设置多组光学镜片并以高精度的加工保证锁焦系统的多组光学镜片不会将误差逐级放大。同时，数量较多的光学镜片提高了装调精度，增加了调试步骤，不利于产品的标准化生产。
因此需要对现有锁焦方法和系统进行改进，使锁焦方法和系统使用更少数量的光学镜片，降低锁焦系统的加工成本并提高装调和调试的效率，使产品能够标准化生产。
发明内容
本发明的目的是：对现有锁焦方法和系统进行改进，使锁焦方法和系统使用更少数量的光学镜片，降低锁焦系统的加工成本并提高装调和调试的效率，使产品能够标准化生产。
为了实现上述目的，本发明提供了一种显微镜锁焦方法，包括：
获取光电探测器上形成的第一光斑的第一质心位置，其中，所述第一光斑由载玻片反射入射光束所形成的第一反射光束依次经过物镜、二向色镜、第一透镜组、分光镜、第二透镜组后在光电探测器上形成的光斑；所述入射光束由光源发出后依次经过分光镜、第一透镜组、二向色镜和物镜，所述入射光束经过物镜后汇聚于物镜下方的载玻片的下表面；所述第一透镜组用于矫正光斑的位置和放大载玻片的位移偏差，所述第二透镜组用于矫正光斑的形状和大小。
获取光电探测器上形成的第二光斑的第二质心位置，其中，所述第二光斑为所述载玻片发生位移偏差时，载玻片反射入射光束所形成的第二反射光束在光电探测器上形成的光斑。
对第一质心位置和第二质心位置进行差值处理得到物镜所需的补偿距离。
控制物镜移动单元根据所述补偿距离移动物镜。
进一步的，所述入射光束和分光镜的夹角为四十五度。
进一步的，所述入射光束和二向色镜的夹角为四十五度。
进一步的，所述第一透镜组按照入射光线的传播方向依次设置有第一负焦距透镜、第一正焦距透镜、第二负焦距透镜；所述第一负焦距透镜和第二负焦距透镜用于放大载玻片的位移偏差，所述第一正焦距透镜用于矫正光斑的位置。
进一步的，所述第二透镜按照第一反射光束的传播方向依次设置有第二正焦距透镜和第三负焦距透镜，所述第二正焦距透镜用于矫正光斑的形状，所述第三负焦距透镜用于调整光斑的大小。
进一步的，所述光电探测器包括但不限于线阵CCD、面阵CCD或PSD位置探测器中的一种。
本发明还公开了一种显微镜锁焦系统，包括光源、分光镜、第一透镜组、二向色镜、物镜、第二透镜组、光电探测器和物镜移动单元。
所述光源，用于生成入射光束，所述入射光束依次经过分光镜、第一透镜组、二向色镜、物镜并汇聚于物镜下方的载玻片的下表面；所述入射光束经载玻片反射后形成反射光束，所述反射光束依次经过物镜、二向色镜、第一透镜组、分光镜、第二透镜组并在光电探测器上形成光斑；所述光斑包括第一光斑和第二光斑，所述第一光斑为载玻片未发生位移偏差时，载玻片反射入射光束所述形成的第一反射光束在光电探测器上形成的光斑；所述第二光斑为所述载玻片发生位移偏差时，载玻片反射入射光束所形成的第二反射光束在光电探测器上形成的光斑。
所述第一透镜组用于矫正光斑的位置和放大载玻片的位移偏差。
所述第二透镜组用于矫正光斑的形状和大小。
所述光电探测器用于接收载玻片所形成的反射光束获取反射光束所形成光斑的质心位置，并根据第一质心位置和第二质心位置进行差值处理获取物镜所需的补偿距离，所述光电探测器还用于将补偿距离反馈到物镜移动单元。
所述物镜移动单元用于根据所述补偿距离移动物镜。
进一步的，所述入射光束和第一分光镜的夹角为四十五度。
进一步的，所述入射光束和二向色镜的夹角为四十五度。
进一步的，所述光电探测器包括但不限于线阵CCD、面阵CCD或PSD位置探测器中的一种。
本发明公开了一种显微镜锁焦方法和系统与现有技术相比，其有益效果在于：本发明的锁焦方法和系统，简化了光学结构，相对于现有技术的锁焦系统，本发明的锁焦方法和系统无需多组镜片去进行光学放大和成像聚焦，降低了锁焦系统的加工难度和生产成本；由于使用了较少数量的镜片，因此所需要调节矫正的镜片数量少，进一步的，本发明的第一透镜组和第二透镜组采用的原理都是利用平行光束进行放大后、再次矫正，锁焦系统只有一片透镜发挥了聚焦的作用，因此只需对系统的一片镜片进行精密调节即可，所以降低了装调难度。
附图说明
图1是本发明一种显微镜锁焦方法的流程示意图；
图2是本发明一种显微镜锁焦系统的结构示意图。
图中，1、光源；2、分光镜；3、第一透镜组；4、二向色镜；5、物镜移动单元；6、物镜；7、载玻片；8、第二透镜组；9、光电探测器；10、入射光束；11、反射光束；12、第一负焦距透镜；13、第一正焦距透镜；14、第二负焦距透镜；15、第二正焦距透镜；16、第三负焦距透镜。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本发明的锁焦方法和系统针对于现有技术中使用复杂光路实现锁焦的技术进行了改进，可以应用于不同需要自动锁焦的场景，包括但不限于背景技术中所提到的需要连续成像获得高品质的图像。进一步的本发明的技术方案可以应用于使用显微镜获取图像的场景，可以适配于各种型号的显微镜，在安装时可以安装于物镜转轮下方或显微镜的物镜转轮中。本领域技术人员可以根据本发明所公开的方法和系统自行搭建相应的锁焦系统并按照锁焦方法进行操作实现自动锁焦。
实施例1：
参照附图1和附图2，本发明公开了一种显微镜锁焦方法，包括：
步骤S1，获取光电探测器9上形成的第一光斑的第一质心位置，其中，所述第一光斑由载玻片7反射入射光束10所形成的第一反射光束依次经过物镜6、二向色镜4、第一透镜组3、分光镜2、第二透镜组8后在光电探测器9上形成的光斑；所述入射光束10由光源1发出后依次经过分光镜2、第一透镜组3、二向色镜4和物镜6，所述入射光束10经过物镜6后汇聚于物镜6下方的载玻片7的下表面；所述第一透镜组3用于矫正光斑的位置和放大载玻片7的位移偏差，所述第二透镜组8用于矫正光斑的形状和大小。
步骤S2，获取光电探测器9上形成的第二光斑的第二质心位置，其中，所述第二光斑为所述载玻片7发生位移偏差时，载玻片7反射入射光束10所形成的第二反射光束在光电探测器9上形成的光斑。
步骤S3，对第一质心位置和第二质心位置进行差值处理得到物镜6所需的补偿距离。
步骤S4，控制物镜移动单元5根据所述补偿距离移动物镜6。
在步骤S1中，获取第一光斑的第一质心位置可以理解为对锁焦系统的初始调试。光源1发出的入射光束10依次经过分光镜2、第一透镜组3、二向色镜4和物镜6，所述入射光束10经过物镜6后汇聚于物镜6下方的载玻片7的下表面；当入射光束10达到载玻片7下表面时会发生反射形成反射光束11，将调试过程中的反射光束11记为第一反射光束，所述第一反射光束会沿入射光束10的反方向传播，所述第一反射光束依次经过物镜6、二向色镜4、第一透镜组3、分光镜2、第二透镜组8后在光电探测器9上形成的光斑。将调试阶段的光斑记为第一光斑，所述第一光斑的第一质心位置对应第一反射光束的质心。
本领域技术人员知晓光电探测器9上包括若干个像素点，光电探测器9的探测精度取决于其像素尺寸，探测范围取决于像素数。因此本领域技术人员可以根据需要选取适当像素尺寸和像素数的光电探测器9。
在本发明的实施例中，可以采用的光电探测器9包括线阵CCD、面阵CCD或PSD位置探测器；本领域技术人员可以根据需要选取不同型号的光电探测器9，并不限于本实施例中所提到的三种光电探测器9。
结合上述的光电探测器9的介绍，本领域技术人员知晓，第一质心位置对应光电探测器9上的一个像素点，因此当知晓多个光斑的质心位置时可以探寻光斑质心位置和载玻片7位移偏差的关系，进而根据这一关系计算物镜6所需要的补偿距离。
在步骤S2中，获取光电探测器9上形成的第二光斑的第二质心位置，其中，所述第二光斑为所述载玻片7发生位移偏差时，载玻片7反射入射光束10所形成的第二反射光束在光电探测器9上形成的光斑。
需要说明的是载玻片7可能发生微小的震动，使载玻片7产生位移偏差，所述位移偏差的范围是纳米级的。当载玻片7发生位移偏差时，由于位移偏差很小，因此需要对位移偏差进行放大处理。在本发明的光路中，所述第一透镜组3用于矫正光斑的位置和放大载玻片7的位移偏差，所述第二透镜组8用于矫正光斑的形状和大小。
优选的，在本发明的实施例中，所述第一透镜组3按照入射光线的传播方向依次设置有第一负焦距透镜12、第一正焦距透镜13、第二负焦距透镜14；所述第一负焦距透镜12和第二负焦距透镜14用于放大载玻片7的位移偏差，所述第一正焦距透镜13用于矫正光斑的位置。
在本实施例中，所述第一透镜组用于矫正光斑位置并放大光斑轴向位移。所述第一透镜组的镜片数量优选为三片，本领域技术人员可以根据实际需要增加或减少镜片的数量，因此其它镜片数量的第一透镜组仍然在本发明的保护范围中。
优选的，在本发明的实施例中，所述第二透镜按照第一反射光束的传播方向依次设置有第二正焦距透镜15和第三负焦距透镜16，所述第二正焦距透镜15用于矫正光斑的形状，所述第三负焦距透镜16用于调整光斑的大小。
在本实施例中，所述第二透镜组用于矫正光斑质量并调节光斑汇聚尺寸。所述第二透镜组的镜片数量优选为两片，本领域技术人员可以根据实际需要增加或减少镜片的数量，因此其它镜片数量的第二透镜组仍然在本发明的保护范围中。
在本实施例中，第一透镜组3合可以将载玻片7上产生的纳米级位移震动，进行横向位移放大处理，使纳米级的移动量叠加成毫米级的移动量，也就是说，第二光斑最终在光电探测器9上发生了明显的移动量，有利于光电探测器9识别光斑信号的差异。但放大的光斑信号会因能量分布不均匀，导致光电探测器9识别光斑信号时，出现很大的测量误差，因此第二透镜组8将光斑能量重新进行分布，使其在光电探测器9上形成稳定的高斯能量分布曲线，提高了测量精度，减少了外界因素(如电磁扰动等)对光斑横向位移探测的干扰。
结合附图可知在本发明的光路中只使用了两个透镜组，所使用透镜组的数量远远小于现有技术中的透镜组数量，之所以只是用了两个透镜组是因为本发明的光路结构与现有技术有实质性的改进。第一透镜组3的一端设置有分光镜2，另一端设置有二向色镜4；光源1发出的光经过分光镜2和第一透镜组3后，通过二向色镜4将入射光线导入到物镜6中，物镜6中的入射光线到底载玻片7后发生反射，反射光束11沿入射光束10传播路径的返方向传播，并在反射光束11经过第一透镜组3后通过分光镜2导入到第二透镜组8，经过第二透镜组8后到底光电探测器9。本发明充分利用了分光镜2和二向色镜4引导光路的传播，使光路只在数量较少的光学镜片间传播，发生偏转的次数少，在入射光线到底载玻片7时只发生了一次偏转，在反射光束11到到达光电探测器9时只发生了两次偏转。相对现有技术中使用大量光学镜片，多次偏转的复杂光路设计，降低了锁焦系统的加工成本，同时本发明的光路设计更加紧凑合理，锁焦系统所占用的空间较小，方便锁焦系统安装到不同的显微镜。
在步骤S3中，对第一质心位置和第二质心位置进行差值处理得到物镜6所需的补偿距离。
结合步骤S1中的说明，可知，第一质心位置和第二质心位置分别对应光电探测器9上的两个像素点，且第一质心位置为预先进行测量获取的，因此可以将第一质心位置记为零点位置。
以横向像素数为1024的线阵CCD进行举例说明。将第一质心位置(零点位置)设置在光电探测器9的像素中心位置，即第一质心位置在第512个像素点处，可记为X0；当光斑在光电探测器9上进行移动时，可以得到第二光斑的第二质心位置，即读出一个新的像素位置，可记为X1，X1为该位置对应的像素点的序号，那么此时光斑位置的变化量ΔX为(X1－X0)＊单像素尺寸。然后将ΔX除以自动锁焦光学系统的放大倍率β就可以得出显微物镜6需要补偿距离(该放大倍率β由实际的显微物镜6和光学镜组的放大率决定)。
在步骤S4中，控制物镜移动单元5根据所述补偿距离移动物镜6。根据步骤3得到的补偿举例可以使用物镜移动单元5移动物镜6，实现自动锁焦功能。
本领域技术人员可以利用光电探测器9搭载的处理器计算得到补偿距离，然后将补偿距离反馈到物镜移动单元5使物镜移动单元5完成物镜6的微小移动。所述物镜移动单元5可以实现纳米级精度的位移调节。
在本实施例中，所述入射光束10和分光镜2的夹角为四十五度。当夹角为四十五度时装置的体积更小，且光路更短，容易实现产品的布局。
在本实施例中，所述入射光束10和二向色镜4的夹角为四十五度。当夹角为四十五度时装置的体积更小，且光路更短，容易实现产品的布局。
实施例2：
在实施例1的基础上，本发明还公开了一种显微镜锁焦系统，可以应用实施例1的锁焦方法实现锁焦，包括光源1、分光镜2、第一透镜组3、二向色镜4、物镜6、第二透镜组8、光电探测器9和物镜移动单元5。
所述光源1，用于生成入射光束10，所述入射光束10依次经过分光镜2、第一透镜组3、二向色镜4、物镜6并汇聚于物镜6下方的载玻片7的xia表面；所述入射光束10经载玻片7反射后形成反射光束11，所述反射光束11依次经过物镜6、二向色镜4、第一透镜组3、分光镜2、第二透镜组8并在光电探测器9上形成光斑；所述光斑包括第一光斑和第二光斑，所述第一光斑为载玻片7未发生位移偏差时，载玻片反射入射光束10所述形成的第一反射光束在光电探测器9上形成的光斑；所述第二光斑为所述载玻片7发生位移偏差时，载玻片7反射入射光束10所形成的第二反射光束在光电探测器9上形成的光斑。
所述第一透镜组3用于矫正光斑的位置和放大载玻片7的位移偏差。
所述第二透镜组8用于矫正光斑的形状和大小。
所述光电探测器9用于接收载玻片7所形成的反射光束11获取反射光束11所形成光斑的质心位置，并根据第一质心位置和第二质心位置进行差值处理获取物镜6所需的补偿距离。
所述物镜移动单元5用于根据所述补偿距离移动物镜6。
在本实施例中，所述入射光束10和第一分光镜2的夹角为四十五度。
在本实施例中，所述入射光束10和二向色镜4的夹角为四十五度。
在本实施例中，所述光电探测器9为线阵CCD、面阵CCD或PSD位置探测器中的一种。
由于实施2是在实施例1的锁焦方法上构建的锁焦系统，因此一些充分的技术特征不再赘述，本领域技术人员可以将锁焦方法应用于锁焦系统，从而实现自动锁焦。
综上，本发明实施例提供了一种显微镜锁焦方法和系统，有益效果在于：
1.简化了光学结构，相对于现有技术的锁焦系统，本发明的锁焦方法和系统无需多组镜片去进行光学放大和成像聚焦，因此简化了光学结构。
2.降低了装调精度，因第一透镜组3和第二透镜组8采用的原理都是利用平行光束进行放大后、再次矫正，锁焦系统只有第三负焦距透镜发挥了聚焦的作用，因此只需对系统的一片镜片进行精密调节即可，所以降低了装调难度。
3.可在不改变锁焦系统构成的前提下，实现与不同成像镜头的适配，本发明的锁焦系统可以与所有不同倍数的显微物镜6去配合使用，也包括一些复消色差透镜系统或数值孔径＞0.5的透镜系统。
以上所述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替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种显微镜锁焦方法，其特征在于，包括：
获取光电探测器上形成的第一光斑的第一质心位置，其中，所述第一光斑由载玻片反射入射光束所形成的第一反射光束依次经过物镜、二向色镜、第一透镜组、分光镜、第二透镜组后在光电探测器上形成的光斑；所述入射光束由光源发出后依次经过分光镜、第一透镜组、二向色镜和物镜，所述入射光束经过物镜后汇聚于物镜下方的载玻片的下表面；所述第一透镜组用于矫正光斑的位置和放大载玻片的位移偏差，所述第二透镜组用于矫正光斑的形状和大小；
获取光电探测器上形成的第二光斑的第二质心位置，其中，所述第二光斑为所述载玻片发生位移偏差时，载玻片反射入射光束所形成的第二反射光束在光电探测器上形成的光斑；
对第一质心位置和第二质心位置进行差值处理得到物镜所需的补偿距离；
控制物镜移动单元根据所述补偿距离移动物镜。
2.根据权利要求1所述的一种显微镜锁焦方法，其特征在于，所述入射光束和分光镜的夹角为四十五度。
3.根据权利要求1所述的一种显微镜锁焦方法，其特征在于，所述入射光束和二向色镜的夹角为四十五度。
4.根据权利要求1所述的一种显微镜锁焦方法，其特征在于，所述第一透镜组按照入射光线的传播方向依次设置有第一负焦距透镜、第一正焦距透镜、第二负焦距透镜；所述第一负焦距透镜和第二负焦距透镜用于放大载玻片的位移偏差，所述第一正焦距透镜用于矫正光斑的位置。
5.根据权利要求1所述的一种显微镜锁焦方法，其特征在于，所述第二透镜按照第一反射光束的传播方向依次设置有第二正焦距透镜和第三负焦距透镜，所述第二正焦距透镜用于矫正光斑的形状，所述第三负焦距透镜用于调整光斑的大小。
6.根据权利要求1所述的一种显微镜锁焦方法，其特征在于，所述光电探测器包括但不限于线阵CCD、面阵CCD或PSD位置探测器中的一种。
7.一种显微镜锁焦系统，其特征在于，包括光源、分光镜、第一透镜组、二向色镜、物镜、第二透镜组、光电探测器和物镜移动单元；
所述光源，用于生成入射光束，所述入射光束依次经过分光镜、第一透镜组、二向色镜、物镜并汇聚于物镜下方的载玻片的下表面；所述入射光束经载玻片反射后形成反射光束，所述反射光束依次经过物镜、二向色镜、第一透镜组、分光镜、第二透镜组并在光电探测器上形成光斑；所述光斑包括第一光斑和第二光斑，所述第一光斑为载玻片未发生位移偏差时，载玻片反射入射光束所述形成的第一反射光束在光电探测器上形成的光斑；所述第二光斑为所述载玻片发生位移偏差时，载玻片反射入射光束所形成的第二反射光束在光电探测器上形成的光斑；
所述第一透镜组用于矫正光斑的位置和放大载玻片的位移偏差；
所述第二透镜组用于矫正光斑的形状和大小；
所述光电探测器用于接收载玻片所形成的反射光束获取反射光束所形成光斑的质心位置，并根据第一质心位置和第二质心位置进行差值处理获取物镜所需的补偿距离；所述光电探测器还用于将补偿距离反馈到物镜移动单元；
所述物镜移动单元用于根据所述补偿距离移动物镜。
8.根据权利要求7所述的一种显微镜锁焦系统，其特征在于，所述入射光束和第一分光镜的夹角为四十五度。
9.根据权利要求7所述的一种显微镜锁焦系统，其特征在于，所述入射光束和二向色镜的夹角为四十五度。
10.根据权利要求7所述的一种显微镜锁焦系统，其特征在于，所述光电探测器包括但不限于线阵CCD、面阵CCD或PSD位置探测器中的一种。
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