CN114047203A - 一种基于光谱共焦的内同轴式自动对焦装置、方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光谱共焦的内同轴式自动对焦装置，包括：沿测距光路依次设置的复色光源、色散透镜组、光线准直透镜组、第一分光镜和显微物镜；色散透镜组用于测距光线分束；光线准直透镜组使目标波长的光束平行准直；物镜将不同波长的光束聚焦于光轴上的不同位置，并使目标波长的光束与射入目镜的成像光线的焦平面重合；第一分光镜实现测距光线的光路与成像光线的光路耦合同轴；光谱仪采集聚焦于待测面的测距光线的光谱信息，以使得待测面处于目标波长的光束的焦平面，实现显微对焦。其实现了自动对焦系统光路和显微镜系统光路高度耦合同轴，结构简单紧凑，提高了光学元件可集成化程度，基于光谱共焦的检测方法提高了自动对焦的速度和精度。

Description

一种基于光谱共焦的内同轴式自动对焦装置、方法及系统

技术领域

本发明属于自动光学检测技术领域，尤其涉及到一种基于光谱共焦的内同轴式自动对焦装置、一种基于光谱共焦的内同轴式自动对焦方法以及一种基于光谱共焦的内同轴式自动对焦系统。

背景技术

自动对焦装置，是AOI检测的前提与核心。AOI设备对待测样品（显示平板、晶圆、PCB等）进行检测时，需要获取目标区域清晰的显微放大图像，再通过图像处理技术，识别目标区域的缺陷。而由于目标样品自身结构等原因，不同目标区域的高度差异可能会超出显微镜系统的景深范围，因此需要自动对焦装置对目标区域进行离焦测量，并将所得信息反馈给中央处理单元，以驱动显微物镜（或整个显微镜系统）进行对焦，获取清晰的图像。

现有自动对焦装置，通常可分为外挂式布局和内同轴式布局两种。

外挂式布局，自动对焦系统光路独立于显微镜系统光路。目前，外挂式布局常见的方法有三角测距法和光谱共焦法两种。

三角测距法的原理图如图1所示，当待测面处于基准面位置时，入射光束在其表面的焦斑A，被成像镜头成像至探测器上的A＇位置。当待测面发生位移，入射光束在其表面的焦斑B，被成像镜头成像至探测器上的B＇位置。待测面沿Y轴发生的位移y和焦斑像点A＇与B＇之间位移x具有如下关系：

；

其中，f为成像镜头焦距，如此即可通过探测器上焦斑像点的移动距离获取待测面的离焦情况。

光谱共焦法的光路原理图如图2所示，（参考文献：高鑫，邓文怡，牛春晖.基于彩色共焦的位移测量系统研究.光学技术，38(1),2012）。点复色光，通过色散透镜后，不同波长的光束被聚焦到不同深度的平面上。依据光路可逆原理，当待测面位于某一焦点位置时，相应波长的焦斑经色散透镜和分光镜后，会通过针孔耦合进光谱仪中。如此，可测定待测面的离焦情况。

内同轴式布局，自动对焦系统光路与显微镜系统光路深度耦合同轴。

日本中央精机株式会社AF系列产品的光路原理图如图3所示，光源将光栅组件上的特殊图案经反射镜、半透半反镜和物镜投射到待测面上。待测面反射回的光束，经物镜、分光镜和光程差棱镜投射到线阵传感器上，通过对比线阵传感器两部分的图像对比度，可获取待测面的离焦情况。

加拿大WDI公司ATF系列产品的光路原理图如图4所示，LED线光源发出的光束，经分光镜（Beamsplitter）被物镜聚焦到待测面上。待测面上反射回的光束，经物镜收集和耦合滤波（Coupling filter）之后，进入传感器（Sensor）中。通过传感器获取待测表面光斑的形貌，来判断待测面的离焦情况。

在上述现有的自动对焦装置中，外挂式结构复杂、成本高，采用三角测距法的光路斜入斜收可能导致视野盲区，测量精度较差；而内同轴式结构也通过三角测距法测距，或者不同成像面的光斑形貌判断离焦信息，其面阵图像处理过程时间较长，难以快速准确地实现自动对焦。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提出了一种基于光谱共焦的内同轴式自动对焦装置、一种基于光谱共焦的内同轴式自动对焦方法以及一种基于光谱共焦的内同轴式自动对焦系统，其实现了自动对焦系统光路和显微镜系统光路高度耦合同轴，结构简单紧凑，提高了光学元件可集成化程度，基于光谱共焦的检测方法提高了自动对焦的速度和精度。

一方面，本发明实施例提供了一种基于光谱共焦的内同轴式自动对焦装置，包括：沿测距光路依次设置的复色光源、色散透镜组、光线准直透镜组、第一分光镜和显微物镜；其中，所述色散透镜组用于测距光线的分束；所述光线准直透镜组用于使目标波长的光束平行准直；所述物镜用于将所述不同波长的光束分别聚焦于光轴上的不同位置，并使所述目标波长的光束与射入显微目镜的成像光线的焦平面重合，收集待测面反射的所述测距光线和所述成像光线；所述第一分光镜用于实现所述测距光线的光路与所述成像光线的光路耦合同轴；所述对焦装置还包括设置于所述复色光源与所述色散透镜组之间的光谱仪，用于采集聚焦于所述待测面的所述测距光线的光谱信息；所述对焦装置依据所述光谱信息调整所述目镜和所述物镜的间距使得所述待测面处于所述目标波长的光束的焦平面，以实现显微对焦。

在本发明的一个实施例中，所述基于光谱共焦的内同轴式自动对焦装置还包括：第二分光镜，设置于所述复色光源和所述色散透镜组之间，所述测距光线透过所述第二分光镜后到达所述色散透镜组，且返回的所述测距光线由所述第二分光镜反射后到达所述光谱仪。

在本发明的一个实施例中，所述基于光谱共焦的内同轴式自动对焦装置还包括：空间滤波元件，设置于所述第二分光镜和所述光谱仪之间，对返回的所述测距光线进行滤波并通过聚焦于所述待测面的所述测距光线；透镜，设置于所述空间滤波元件与所述光谱仪之间，将通过所述空间滤波元件的所述测距光线耦合进所述光谱仪中。

在本发明的一个实施例中，所述基于光谱共焦的内同轴式自动对焦装置还包括：光纤耦合器，一端分别通过光纤连接所述复色光源和所述光谱仪，另一端输出所述入射光线，以及对返回的所述测距光线进行滤波，将聚焦于所述待测面的所述测距光线通过光纤传输至所述光谱仪。

在本发明的一个实施例中，所述基于光谱共焦的内同轴式自动对焦装置还包括：沿着所述成像光线的光路依次设置的滤光镜、目镜和成像探测器；其中，所述待测面反射的所述成像光线透过所述第一分光镜后由所述滤光镜进行滤波，仅通过所述目标波长的所述成像光线；所述目镜将通过所述滤光镜的所述成像光线耦合进所述成像探测器中；所述成像探测器对所述目标波长的所述成像光线进行成像。

在本发明的一个实施例中，所述调整所述目镜和所述物镜的间距使得所述待测面处于所述目标波长的光束的焦平面，包括：调整由所述复色光源、所述色散透镜组、所述光线准直透镜组、所述第一分光镜和所述物镜构成的测距系统整体相对于所述待测面移动，使所述待测面处于所述目标波长的光束的焦平面。

在本发明的一个实施例中，所述依据所述光谱信息调整所述目镜和所述物镜的间距使得所述待测面处于所述目标波长的光束的焦平面，包括：依据所述光谱信息计算出所述待测面相对于所述目标波长的光束的焦平面的目标位移；根据所述目标位移调整调整所述目镜和所述物镜的间距，使得所述待测面处于所述目标波长的光束的焦平面。

另一方面，本发明实施例提出一种基于光谱共焦的内同轴式自动对焦方法，包括：提供复色测距光线并进行分束；使目标波长的光束平行准直；将不同波长的光束分别聚焦于光轴上的不同位置，并使所述目标波长的光束与成像光线的焦平面重合，收集待测面反射的所述测距光线和所述成像光线；使所述成像光线的光路与所述测距光线的光路耦合同轴；采集聚焦于所述待测面的所述测距光线的光谱信息，依据所述光谱信息使所述待测面处于所述目标波长的光束的焦平面，以实现显微对焦。

在本发明的一个实施例中，所述采集聚焦于所述待测面的所述测距光线的光谱信息，包括：利用空间滤波元件对所述待测面反射的所述测距光线进行滤波，仅通过聚焦于所述待测面的所述测距光线；将通过所述空间滤波元件的所述测距光线耦合进光谱仪中得到所述光谱信息。

在本发明的一个实施例中，所述采集聚焦于所述待测面的所述测距光线的光谱信息，包括：利用光纤耦合器对所述待测面反射的所述测距光线进行滤波，仅通过聚焦于所述待测面的所述测距光线；通过光纤将进入所述光线耦合器的所述测距光线传递至光谱仪中得到所述光谱信息。

在本发明的一个实施例中，所述基于光谱共焦的内同轴式自动对焦方法还包括：对所述待测面反射的所述成像光线进行滤波，仅通过所述目标波长的所述成像光线；将所述目标波长的所述成像光线耦合进成像探测器中得到待测面图像。

在本发明的一个实施例中，在所述采集聚焦于所述待测面的所述测距光线的光谱信息之前，还包括：获取所述待测面图像，判断所述待测面图像是否清晰；若判断不清晰则采集聚焦于所述待测面的所述测距光线的光谱信息；如判断清晰则移动所述待测面进入下一检测区域。

在本发明的一个实施例中，所述使所述待测面处于所述目标波长的光束的焦平面，包括：调整所述测距光线的光路整体相对于所述待测面移动，使所述待测面处于所述目标波长的光束的焦平面。

在本发明的一个实施例中，所述依据所述光谱信息使所述待测面处于所述目标波长的光束的焦平面，包括：依据所述光谱信息计算出所述待测面相对于所述目标波长的光束的焦平面之间的目标位移；根据所述目标位移调整所述测距光线的光路整体相对于所述待测面移动，使所述待测面处于所述目标波长的光束的焦平面。

又一方面，本发明实施例提出一种基于光谱共焦的内同轴式自动对焦系统，包括：上位机；驱动机构，连接所述上位机；基于光谱共焦的内同轴式自动对焦装置，分别连接所述上位机和所述驱动机构；所述基于光谱共焦的内同轴式自动对焦装置用于执行上述任意一个实施例中所述的基于光谱共焦的内同轴式自动对焦方法。

由上可知，通过本发明所构思的上述方案与现有技术相比，至少可以具有如下一个或多个有益效果：

（1）通过色散透镜组对测距光线进行分束，光线准直透镜组使目标波长的光束平行准直，并使目标波长两侧的光束分别变成发散光束和汇聚光束，物镜将不同波长的光束聚焦于光轴上的不同位置，色散透镜组与物镜的光路之间设置分光镜，使所述测距光线的光路与所述成像光线的光路耦合同轴，实现了自动对焦装置的内同轴式结构布局，并且测距中心与显微成像视野中心重合，相比于外挂式自动对焦装置的光路结构简单紧凑，集成化、模块化程度高；

（2）待测面反射的测距光线沿着原光路返回，经空间滤波后耦合进光谱仪中，得到聚焦于待测面的测距光线的光谱信息，以此计算得到待测面的离焦信息，能够实现快速自动对焦，相比于现有技术中通过不同成像面的光斑形貌判断离焦信息的方式能够避免面阵图像处理过程，仅通过分析光线波长即可得到离焦信息，能够减少自动对焦时间，相比于三角测距的检测方法能够提成自动对焦的精度，提高位移分辨率。

通过以下参考附图的详细说明，本发明的其他方面的特征变得明显。但是应当知道，该附图仅仅为解释的目的设计，而不是作为本发明的范围的限定。还应当知道，除非另外指出，不必要依比例绘制附图，它们仅仅力图概念地说明此处描述的结构和流程。

附图说明

图1为现有技术中的三角测距法的原理图；

图2为现有技术中的光谱共焦法的原理图；

图3为现有技术中的内同轴式结构的一种自动对焦装置结构示意图；

图4为现有技术中的内同轴式结构的另一种自动对焦装置结构示意图；

图5为本发明实施例提供的一种基于光谱共焦的内同轴式自动对焦装置的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的另一种基于光谱共焦的内同轴式自动对焦装置的结构示意图；

图7为本发明实施例提供的一种基于光谱共焦的内同轴式自动对焦方法的流程图；

图8为本发明实施例提供的另一种基于光谱共焦的内同轴式自动对焦方法的流程图；

图9为本发明实施例提供的一种基于光谱共焦的内同轴式自动对焦系统的结构示意图；

图10为本发明实施例提供的一种基于光谱共焦的内同轴式自动对焦方法的具体执行步骤示意图

附图标记说明

01、19：复色光源；02：第二分光镜；03：色散透镜组；04：负透镜组；05：第一分光镜；06：物镜；07、08、09：焦平面；10：滤波原件；11：透镜；12、24：光谱仪；13：滤光镜；14：目镜；15：成像探测器；16、17、18：分束光线； 20、23：光纤；21：光纤耦合器；22：光纤耦合器输出端；

S1至S6：基于光谱共焦的内同轴式自动对焦方法的步骤；

30：基于光谱共焦的内同轴式自动对焦系统；31：上位机；32：驱动机构。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以互相组合。下面将参考附图并结合实施例来说明本发明。

为了使本领域普通技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，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的一部分实施例，而不是全部的实施例，都应当属于本发明的保护范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等适用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应当理解这样使用的术语在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外。术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备国有的其他步骤或单元。

还需要说明的是，本发明中多个实施例的划分仅是为了描述的方便，不应构成特别的限定，各种实施例中的特征在不矛盾的情况下可以相结合，相互引用。

如图5所示，本发明第一实施例提出一种基于光谱共焦的内同轴式自动对焦装置，例如包括：复色光源01、色散透镜组03、光线准直透镜组04、物镜06、第一分光镜05和光谱仪12。

其中，复色光源01提供复色测距光线，色散透镜组03、光线准直透镜组04、第一分光镜05和物镜06沿着所述测距光线的光路依次设置。复色光源01发出的复色测距光线被色散透镜组03分束，不同波长的光束以不同的会聚角出射；如图1中所示波长为λ1的光束16（外侧光束）、波长为λ2的光束17（中间光束）和波长为λ3的光束18（内侧光束），λ1>λ2>λ3。

在一个实施方式中，光线准直透镜组04例如为负透镜组，设置于色散透镜组03第一分光镜05之间，使所述不同波长的光束中目标波长的光束平行准直。例如将波长为λ2（中间波长）的光束17准直，而将波长为λ1（波长较长）的光束16变成发散光，将波长为λ3（波长较短）的光束18变成会聚光。在另一实施方式中，如图2所示，光线准直透镜组04为正透镜组，也可达到与负透镜组相同的使目标波长的光束平行准直的效果。值得一提的是，光线准直透镜组04和色散透镜组03可以分别设置为单独的镜头装置，也可以集成设置于同一个镜头装置中。

第一分光镜05例如设置于光线准直透镜组04与物镜06之间，波长为λ3、λ2和λ1的光束经第一分光镜05反射后由物镜06进行汇聚，在主光轴上沿Z轴正向的不同位置依次形成焦点，它们对应的焦平面分别为平面08、平面07和平面09。待测面例如位于平面07位置时，波长为λ2的光束会在其表面形成焦斑，而波长为λ3和λ1的光束则为弥散的圆斑；待测面反射的测距光线被物镜06收集，经由第一分光镜05反射后沿着原光路依次返回光线准直透镜组04和色散透镜组03，最后由设置于复色光源01和色散透镜组03之间的光谱仪12获取，并分析得到反射回的所述测距光线的光谱信息。

承上所述，待测面反射的测距光线在耦合进光谱仪12之前例如还进行滤波处理，主要通过聚焦于待测面的波长的所述测距光线，在一个实施方式中，复色光源01和色散透镜组03之间设置有第二分光镜02，该第二分光镜02也为半透半反镜，复色光源01发出的入射光线可以透过第二分光镜02后到达色散透镜组03，并且待测面反射的测距光线由第二分光镜02反射后到达光谱仪12。

进一步的，第二分光镜02和光谱仪12之间例如还设置有空间滤波元件10，例如为一小孔结构或狭缝等空间滤波结构，其对待测面反射回的测距光线进行空间滤波并主要通过聚焦于待测面的反射光线，以此实现光路共焦。举例而言，待测面位于平面07时，波长为λ2的反射光线穿过小孔被光谱仪12获取，而波长为λ3和λ1则不能通过小孔，同样的，待测面位于平面08时，仅波长为λ3的光线穿过小孔，待测面位于平面09时，仅波长为λ1的反射光线穿过小孔。进一步的，空间滤波元件10与光谱仪12之间还设置有透镜11，使穿过空间滤波元件10的光束准直，耦合进入光谱仪12中。

如此一来，当待测面位于平面07位置时，光谱仪12采集的光谱中波长为λ ₂的谱线强度最高。同样的，依据上述基本原理，当待测面位于平面08位置时，光谱仪12采集的光谱中波长为λ ₃的谱线强度最高；而当待测面位于平面09位置时，光谱仪采集的光谱中波长为λ ₁的谱线强度最高。根据上述测距系统的基本工作原理，建立了光谱与待测面空间位置（沿Z轴方向）确定且唯一的关系，即通过读取光谱仪12采集的光谱中，谱线强度最强的那一支谱线所对应的波长，即获取待测面在空间中（沿Z轴方向）的实际位置信息。

如此一来，以光谱共焦的方式获取待测面聚焦的光线波长，以得到待测面的离焦信息，而自动对焦装置例如可以根据该离焦信息移动测距系统调整测距光线的焦平面，能够实现快速自动对焦，相比于现有技术中通过不同成像面的光斑形貌判断离焦信息的方式能够避免面阵图像处理过程，仅通过分析光线波长即可得到离焦信息，能够减少自动对焦时间；而相比于三角测距的检测方法能够提成自动对焦的精度，提高位移分辨率。

需要说明的是，本实施例的自动对焦装置例如还设置有照明光源（图中未示出），用于提供成像光线，该成像光线经由所述待测面反射后在成像探测器中成像，以组成显微镜系统。该显微镜系统自身也具有其确定且唯一的焦平面，由于显微镜放大倍率增大后其景深会迅速下降，即只有在显微镜焦平面前后±d范围内（即沿Z轴方向的±d范围内）的表面才能清晰成像至成像探测器，如果待测面的位置超过这一范围则不能在成像探测器上清晰成像。

在一个实施方式中，自动对焦装置例如还包括：沿着所述成像光线的光路依次设置的滤光镜13、目镜14和成像探测器15，待测面反射的成像光线透过第一分光镜05后由滤光镜13进行滤波，然后由目镜14耦合进成像探测器15中成像。具体的，如图1中所示布局，测距系统的光路与显微镜系统的光路通过第一分光镜05耦合同轴，并共用物镜06。在这样的布局下，由于波长为λ ₂的测距光束17经光线准直透镜组04变换后为平行光，则其通过第一分光镜05和物镜06后，其焦点恰好位于显微镜系统的焦平面，即测距系统中目标波长（λ ₂）的光线与显微镜系统中成像光线的焦平面（07）重合。

在本实施方式中，待测面位于平面07位置时其表面可经显微镜系统清晰成像至成像探测器15，也就是说，显微镜系统仅可采集到平面07位置前后±d范围内的表面的清晰的像，此时称显微镜系统为对焦状态。假如平面08位置和平面09位置超过±d这一范围，显微镜则不能采集它们表面清晰的图像，此时称显微镜系统为失焦状态。由于各种原因，待测面并不是时刻处于平面07位置前后±d范围内，当待测面超出这一范围，显微镜系统失焦，即需要自动对焦装置进行对焦处理。

如此一来，自动对焦系统光路和显微镜系统光路在第一分光镜05和物镜06段实现耦合同轴，实现了测距中心与显微成像视野中心重合，光路结构简单紧凑，集成化、模块化程度高。

在一个实施方式中，如图6所示，自动对焦装置例如通过将光纤耦合器21设置于色散透镜组03一侧，复色光源19发出的复色光束经由光纤20进入光纤耦合器21中，从光纤耦合器输出端22出射的测距复色光，经色散透镜组03、负透镜组04、分光镜05和物镜06后，在光轴上沿Z轴正向的不同位置形成焦点。待测面反射回的测距光线中，聚焦于待测面的测距光线由光纤耦合器输出端22进入光纤耦合器21中，最终由光纤23耦合进光谱仪24中；而其它波长的光束，由于在待测面上是弥散圆斑，因此会在光纤耦合器输出端22处被滤除。因此，本实施方式提出的自动对焦装置能够与前述采用滤波原件10的实施方式到达同样的技术效果。

综上所述，本发明第一实施例提出的一种基于光谱共焦的内同轴式自动对焦装置，通过色散透镜组对测距光线进行分束，光线准直透镜组使目标波长的光束平行准直，并使目标波长两侧的光束分别变成发散光束和汇聚光束，物镜将不同波长的光束聚焦于光轴上的不同位置，色散透镜组与物镜的光路之间设置分光镜，使所述测距光线的光路与所述成像光线的光路耦合同轴，实现了自动对焦装置的内同轴式结构布局，并且测距中心与显微成像视野中心重合，相比于外挂式自动对焦装置的光路结构简单紧凑，集成化、模块化程度高；待测面反射的测距光线沿着原光路返回，经空间滤波后耦合进光谱仪中，得到聚焦于待测面的测距光线的光谱信息，以此计算得到待测面的离焦信息，能够实现快速自动对焦，相比于现有技术中通过不同成像面的光斑形貌判断离焦信息的方式能够避免面阵图像处理过程，仅通过分析光线波长即可得到离焦信息，能够减少自动对焦时间，相比于三角测距的检测方法能够提成自动对焦的精度，提高位移分辨率。

如图7所示，本发明第二实施例提出一种基于光谱共焦的内同轴式自动对焦方法，例如包括：步骤S1，提供复色测距光线并进行分束；步骤S2，使目标波长的光束平行准直；步骤S3，将不同波长的光束分别聚焦于光轴上的不同位置，并使所述目标波长的光束与成像光线的焦平面重合，收集待测面反射的所述测距光线和所述成像光线；步骤S4，使所述成像光线的光路与所述测距光线的光路耦合同轴；步骤S5，采集聚焦于所述待测面的所述测距光线的光谱信息，依据所述光谱信息使所述待测面处于所述目标波长的光束的焦平面，以实现显微对焦。

在一个实施方式中，所述采集聚焦于所述待测面的所述测距光线的光谱信息，包括：利用空间滤波元件对所述待测面反射的所述测距光线进行滤波，仅通过聚焦于所述待测面的所述测距光线；将通过所述空间滤波元件的所述测距光线耦合进光谱仪中得到所述光谱信息。

在一个实施方式中，所述采集聚焦于所述待测面的所述测距光线的光谱信息，包括：利用光纤耦合器对所述待测面反射的所述测距光线进行滤波，仅通过聚焦于所述待测面的所述测距光线；通过光纤将进入所述光线耦合器的所述测距光线传递至光谱仪中得到所述光谱信息。

进一步的，如图8所示，基于光谱共焦的内同轴式自动对焦方法例如还包括：步骤S6，对所述待测面反射的所述成像光线进行滤波，仅通过所述目标波长的所述成像光线；将所述目标波长的所述成像光线耦合进成像探测器中得到待测面图像。

在一个实施方式中，在所述采集聚焦于所述待测面的所述测距光线的光谱信息之前，所述基于光谱共焦的内同轴式自动对焦方法还包括：获取所述待测面图像，判断所述待测面图像是否清晰；若判断不清晰则采集聚焦于所述待测面的所述测距光线的光谱信息；如判断清晰则移动所述待测面进入下一检测区域。

在一个实施方式中，所述使所述待测面处于所述目标波长的光束的焦平面，包括：调整所述测距光线的光路整体相对于所述待测面移动，使所述待测面处于所述目标波长的光束的焦平面。

在一个实施方式中，所述依据所述光谱信息使所述待测面处于所述目标波长的光束的焦平面，包括：依据所述光谱信息计算出所述待测面相对于所述目标波长的光束的焦平面之间的目标位移；根据所述目标位移调整所述测距光线的光路整体相对于所述待测面移动，使所述待测面处于所述目标波长的光束的焦平面。

本发明第二实施例公开的基于光谱共焦的内同轴式自动对焦方法适用于前述第一实施例所述的基于光谱共焦的内同轴式自动对焦装置，具体的基于光谱共焦的内同轴式自动对焦装置的结构及其实现的功能可参考第一实施例所述的装置，故在此不再进行详细讲述，且本实施例的有益效果同前述第一实施例的有益效果相同，为了简洁，不在此赘述。

如图9所示，本发明第三实施例提出一种基于光谱共焦的内同轴式自动对焦系统30，例如包括：上位机31、驱动机构32和前述实施例中所述的基于光谱共焦的内同轴式自动对焦装置，其中，驱动机构32连接上位机31，所述基于光谱共焦的内同轴式自动对焦装置分别连接上位机31和驱动机构32，该基于光谱共焦的内同轴式自动对焦系统30用于执行前述第二实施例中所述的基于光谱共焦的内同轴式自动对焦方法。

提到的上位机例如为CPU(中央处理单元)、个人计算机、手持设备、便携式设备、平板型设备、多处理器系统、基于微处理器的系统、可编辑的消费电子设备、网络PC、小型计算机、大型计算机、或者包括以上任何系统或设备的分布式计算环境等等。

值得一提的是，基于光谱共焦的内同轴式自动对焦装置的结构及其实现的功能可参考第一实施例所述的装置，基于光谱共焦的内同轴式自动对焦方法可参考第二实施例所述的方法，且本实施例的有益效果同前述第一实施例的有益效果相同。

具体的，自动对焦装置的工作流程如图10所示，待测面的某一区域处于显微镜系统的视野内，显微镜系统对该区域进行图像采集，并上传至CPU进行分析。如果CPU判断图像是清晰的（此时的待测面例如恰好处于平面07位置），则CPU会将该图像存储，并发出指令使待测面沿X轴方向或Y轴方向移动特定距离，以使得待测面的下一个区域处于显微镜系统的视野内。CPU收到待测面移动完成的指令后，会向成像探测器15发出采集图像并上传的指令。成像探测器15完成待测面该区域的图像采集后，上传至CPU以判断该图像是否清晰，如果判断该图像不清晰，那么此时待测面的位置应该是超出平面07位置前后±d范围的，则CPU向测距系统发出指令对待测面的实际位置进行测量，CPU通过光谱仪12获取当前状态的光谱信息，可以计算出当前待测面相较于平面07位置的相对位移数值，并将该位移数值反馈给驱动电机32，驱动测距系统或者测距系统和显微镜系统的整体沿Z轴移动相应距离，使当前待测面再次处于显微镜的景深范围内（焦平面位置前后±d范围）。驱动电机32完成驱动后，向CPU反馈，随后CPU再次向显微镜系统发出图像采集并上传的指令，此时，显微镜系统即可采集当前待测面的清晰图像。

重复以上流程，即可对待测面整个区域进行自动对焦，并采各区域的集清晰图像。

此外，可以理解的是，前述各个实施例仅为本发明的示例性说明，在技术特征不冲突、结构不矛盾、不违背本发明的发明目的前提下，各个实施例的技术方案可以任意组合、搭配使用。

在本发明所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和/或方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元/模块的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多路单元或模块可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元/模块可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元/模块显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多路网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元/模块来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元/模块可以集成在一个处理单元/模块中，也可以是各个单元/模块单独物理存在，也可以两个或两个以上单元/模块集成在一个单元/模块中。上述集成的单元/模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用硬件加软件功能单元/模块的形式实现。

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，本领域的普通技术人员应当理解：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 (15)

1.一种基于光谱共焦的内同轴式对焦装置，其特征在于，包括：沿测距光路依次设置的复色光源、色散透镜组、光线准直透镜组、第一分光镜和显微物镜，其中，

所述色散透镜组用于测距光线的分束；

所述光线准直透镜组用于使目标波长的光束平行准直；

所述物镜用于将不同波长的光束分别聚焦于光轴上的不同位置，并使所述目标波长的光束与射入显微目镜的成像光线的焦平面重合，收集待测面反射的所述测距光线和所述成像光线；

所述第一分光镜用于实现所述测距光线的光路与所述成像光线的光路耦合同轴；

所述对焦装置还包括设置于所述复色光源与所述色散透镜组之间的光谱仪，用于采集聚焦于所述待测面的所述测距光线的光谱信息；

所述对焦装置依据所述光谱信息调整所述目镜和所述物镜的间距使得所述待测面处于所述目标波长的光束的焦平面，以实现显微对焦。

2.根据权利要求1所述的基于光谱共焦的内同轴式对焦装置，其特征在于，还包括：

第二分光镜，设置于所述复色光源和所述色散透镜组之间，所述测距光线透过所述第二分光镜后到达所述色散透镜组，且返回的所述测距光线由所述第二分光镜反射后到达所述光谱仪。

3.根据权利要求2所述的基于光谱共焦的内同轴式对焦装置，其特征在于，还包括：

空间滤波元件，设置于所述第二分光镜和所述光谱仪之间，对返回的所述测距光线进行滤波并通过聚焦于所述待测面的所述测距光线；

透镜，设置于所述空间滤波元件与所述光谱仪之间，将通过所述空间滤波元件的所述测距光线耦合进所述光谱仪中。

4.根据权利要求1所述的基于光谱共焦的内同轴式对焦装置，其特征在于，还包括：

光纤耦合器，一端分别通过光纤连接所述复色光源和所述光谱仪，另一端输出所述入射光线，以及对返回的所述测距光线进行滤波，将聚焦于所述待测面的所述测距光线通过光纤传输至所述光谱仪。

5.根据权利要求1所述的基于光谱共焦的内同轴式对焦装置，其特征在于，还包括：

沿着所述成像光线的光路依次设置的滤光镜、目镜和成像探测器；

其中，所述待测面反射的所述成像光线透过所述第一分光镜后由所述滤光镜进行滤波，仅通过所述目标波长的所述成像光线；

所述目镜将通过所述滤光镜的所述成像光线耦合进所述成像探测器中；

所述成像探测器对所述目标波长的所述成像光线进行成像。

6.根据权利要求1所述的基于光谱共焦的内同轴式对焦装置，其特征在于，所述调整所述目镜和所述物镜的间距使得所述待测面处于所述目标波长的光束的焦平面，包括：

调整由所述复色光源、所述色散透镜组、所述光线准直透镜组、所述第一分光镜和所述物镜构成的测距系统整体相对于所述待测面移动，使所述待测面处于所述目标波长的光束的焦平面。

7.根据权利要求1所述的基于光谱共焦的内同轴式对焦装置，其特征在于，所述依据所述光谱信息调整所述目镜和所述物镜的间距使得所述待测面处于所述目标波长的光束的焦平面，包括：

依据所述光谱信息计算出所述待测面相对于所述目标波长的光束的焦平面的目标位移；

根据所述目标位移调整调整所述目镜和所述物镜的间距，使得所述待测面处于所述目标波长的光束的焦平面。

8.一种基于光谱共焦的内同轴式对焦方法，其特征在于，包括：

提供复色测距光线并进行分束；

使目标波长的光束平行准直；

将不同波长的光束分别聚焦于光轴上的不同位置，并使所述目标波长的光束与成像光线的焦平面重合，收集待测面反射的所述测距光线和所述成像光线；

使所述成像光线的光路与所述测距光线的光路耦合同轴；

采集聚焦于所述待测面的所述测距光线的光谱信息，依据所述光谱信息使所述待测面处于所述目标波长的光束的焦平面，以实现显微对焦。

9.根据权利要求8所述的基于光谱共焦的内同轴式对焦方法，其特征在于，所述采集聚焦于所述待测面的所述测距光线的光谱信息，包括：

利用空间滤波元件对所述待测面反射的所述测距光线进行滤波，仅通过聚焦于所述待测面的所述测距光线；

将通过所述空间滤波元件的所述测距光线耦合进光谱仪中得到所述光谱信息。

10.根据权利要求8所述的基于光谱共焦的内同轴式对焦方法，其特征在于，所述采集聚焦于所述待测面的所述测距光线的光谱信息，包括：

利用光纤耦合器对所述待测面反射的所述测距光线进行滤波，仅通过聚焦于所述待测面的所述测距光线；

通过光纤将进入所述光线耦合器的所述测距光线传递至光谱仪中得到所述光谱信息。

11.根据权利要求8所述的基于光谱共焦的内同轴式对焦方法，其特征在于，还包括：

对所述待测面反射的所述成像光线进行滤波，仅通过所述目标波长的所述成像光线；

将所述目标波长的所述成像光线耦合进成像探测器中得到待测面图像。

12.根据权利要求11所述的基于光谱共焦的内同轴式对焦方法，其特征在于，在所述采集聚焦于所述待测面的所述测距光线的光谱信息之前，还包括：

获取所述待测面图像，判断所述待测面图像是否清晰；

若判断不清晰则采集聚焦于所述待测面的所述测距光线的光谱信息；

如判断清晰则移动所述待测面进入下一检测区域。

13.根据权利要求8所述的基于光谱共焦的内同轴式对焦方法，其特征在于，所述使所述待测面处于所述目标波长的光束的焦平面，包括：

调整所述测距光线的光路整体相对于所述待测面移动，使所述待测面处于所述目标波长的光束的焦平面。

14.根据权利要求8所述的基于光谱共焦的内同轴式对焦方法，其特征在于，所述依据所述光谱信息使所述待测面处于所述目标波长的光束的焦平面，包括：

依据所述光谱信息计算出所述待测面相对于所述目标波长的光束的焦平面之间的目标位移；

根据所述目标位移调整所述测距光线的光路整体相对于所述待测面移动，使所述待测面处于所述目标波长的光束的焦平面。

15.一种基于光谱共焦的内同轴式对焦系统，其特征在于，包括：

上位机；

驱动机构，连接所述上位机；

基于光谱共焦的内同轴式对焦装置，分别连接所述上位机和所述驱动机构；

所述基于光谱共焦的内同轴式对焦装置用于执行权利要求8至14中任意一项所述的基于光谱共焦的内同轴式对焦方法。

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