CN115390233A - 光学显微镜的自动对焦装置及方法 - Google Patents

Abstract

光学显微镜的自动对焦装置及方法涉及仪器仪表技术领域，解决了多层成像面样本的显微镜无法实现自动对焦的问题，包括：入射光机构、传感器、电机和控制处理器，电机运转能够带动显微镜的显微物镜或用于放置多层成像面样本的载物台移动；入射光机构发出的光束入射到显微物镜上，通过显微物镜光束聚焦到多层成像面样本上，束经多层成像面样本反射后成像到传感器焦面上使传感器得到图像信息，控制处理器根据图像信息判断显微镜的对焦情况，若显微镜未完成对焦则控制处理器根据图像信息控制电机运转。本发明实现了多层成像面样本的显微镜自动对焦，而且具有多层成像面样本的远程、快速、清晰的在光学显微镜下的图像放大功能。

Description

光学显微镜的自动对焦装置及方法

技术领域

本发明涉及仪器仪表技术领域，具体涉及光学显微镜的自动对焦装置及方法。

背景技术

显微镜是很多行业中对产品质量和性能检测的一个重要仪器，它广泛的应用于各个的科学研究、教学实践、生产质量检测等领域。一般的显微测试是基于人工调节显微镜的对焦系统，反复的手工操作，直到调到被测对象的正焦位置，这样一个过程花费时间较长、效率低，并且，人员必须在显微镜旁边，不能远程调结。

随着人们对显微镜的自动化、智能化要求的提高，自动对焦技术的显得越来越重要了，尤其是有些场合需要人员离开。这就需要一种能够远程快速调焦的显微镜。自动对焦(Auto Focus)是利用物体光反射的原理，将样本反射的光图像被相机上的传感器CCD/CMOS接收，通过计算机处理，带动电动对焦装置进行对焦的方式叫自动对焦。

在当前显微镜应用领域中，如何保证图像的清晰度是关键。在显微镜对焦过程中，除样本外的背景物体会对样本成的像的干扰严重，使得样本形成多层物体的情况。依据现有的自动聚焦技术可轻松聚焦在单层成像面样本上，被广泛用于机器视觉、相机成像、遥感雷达等方面。除单层成像面样本外，还有一种多层成像面样本，如：薄膜晶体管TFT、多层PCB电路板等，现今显微镜应用领域中，多层成像面样本的显微镜自动对焦技术仍是广大科研工作人员需攻克的难题。上述“成像面”是表示样本上能成像的面。若被测样本在显微镜对焦观测时，只具有一个成像面(样本的上表面和下表面这两个表面之间不相互影响，即只观测上表面)，被测样本上表面作为成像面也作为待观测成像面，那么被测样本称为单层成像面样本；多层成像面样本为具有大于等于2个成像面的被测样本，此时通常被测样本上下表面对被测样本的显微成像结果均有影响，那么上下表面分别称为一层成像面。

发明内容

为了解决多层成像面样本的显微镜无法实现自动对焦的问题，本发明提供了光学显微镜的自动对焦装置及方法。

本发明为解决技术问题所采用的技术方案如下：

光学显微镜的自动对焦装置，包括：入射光机构、传感器、电机和控制处理器，控制处理器连接传感器和电机，电机运转能够带动显微镜的显微物镜或用于放置多层成像面样本的载物台移动；入射光机构发出的光束能够入射到显微物镜上，显微物镜能够将入射光机构入射到其上的光束聚焦到多层成像面样本上，聚焦到多层成像面样本上的光束经多层成像面样本反射后能够成像到传感器焦面上使传感器得到图像信息，传感器能够将图像信息发送至控制处理器；控制处理器能够根据图像信息判断显微镜的对焦情况，若显微镜未完成对焦则控制处理器根据图像信息控制电机运转。

所述的光学显微镜的自动对焦装置的对焦方法，包括如下步骤：

S1、控制处理器根据传感器发送的图像数据分析判断显微物镜是否聚焦到多层成像面样本的正确的成像面上，如果显微物镜被聚焦在正确的成像面上时，则光学显微镜的自动对焦完成，否则，进行S2；

S2、控制处理器根据图像信息和正确的成像面判断显微物镜或载物台的移动方向和移动距离，并根据移动方向和移动距离向电机发送移动信号，电机根据移动信号运动进而移动显微物镜或载物台，返回S1。

本发明的有益效果是：

本发明的光学显微镜的自动对焦装置及方法，解决了具有多层成像面样本的远程、快速、清晰的观测难题。本发明利用光学成像技术，直观地为适应多层成像面样本的显微放大检测技术的发展，提供了一种全新的光学显微镜自动对焦方法及装置，实现了多层成像面样本的显微镜自动对焦，而且实现了具有多层成像面样本的远程、快速、清晰的在光学显微镜下的图像放大功能。

附图说明

图1为本发明的光学显微镜的自动对焦装置的光路系统示意图。

图2为本发明的光学显微镜的自动对焦装置的第一透射光经显微物镜在样本表面不同位置的光路示意图。

图3为本发明的光学显微镜的自动对焦装置的第一透射光经显微物镜在样本表面不同位置的所成的图像示意图。

图4为本发明的光学显微镜的自动对焦装置的对焦方法的流程图。

图5为本发明的光学显微镜的自动对焦装置的多层成像面样本自动对焦成像结果。

图中：1、激光器，2、准直扩束镜，3、光阑，4、半反半透镜，5、集光器，6、显微物镜，7、多层成像面样本，8、载物台，9、成像透镜，10、传感器，11、电机，12、控制处理器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

多层成像面样本7的光学显微镜的自动对焦装置，包括入射光机构、传感器10、电机11和控制处理器12，控制处理器12连接传感器10和电机11，电机11连接显微镜的载物台8或显微镜的显微物镜6，载物台8用于放置样本，样本为多层成像面样本7。电机11能够带动载物台8或显微物镜6移动。控制处理器12能够接收传感器10发送的图像信息并据此控制电机11运动，通过电机11运动带动载物台8或显微物镜6移动，通过载物台8或显微物镜6的移动完成光学显微镜的对焦。入射光机构发出光束，入射光机构发出的光束入射到显微物镜6上，经显微物镜6聚焦后入射到多层成像面样本7上，多层成像面样本7反射光束，多层成像面样本7反射的光束成像到传感器10焦面上，传感器10得到图像信息，传感器10将其所得到的图像信息发送至控制处理器12，控制处理器12接收传感器10发送的图像信息并据此进行分析处理得到分析结果，控制处理器12根据分析结果通过控制电机11运动以实现光学显微镜的调焦。

入射光机构包括顺次设置的激光器1、准直扩束镜2和光阑3，激光器1发出的光束经过准直扩束镜2准直扩束得到准直光束，准直光束经过光阑3限束后照射到显微物镜6，准直光束的一半侧光束经过光阑3后的出射光束和准直光束的另一半侧光束经过光阑3后出射光束的光束形状不同、面积不同，即光束截面的形状和面积均不同。优选的是，光阑3采用矩形光阑，准直光束的一半侧光束能够通过矩形光阑，另一半侧光束不能通过矩形光阑或仅部分能够通过矩形光阑。多层成像面样本7中位于显微物镜6焦点上侧的成像面在传感器10上所成的像不同于位于显微物镜6焦点下侧的成像面在传感器10上所成的像，目的是根据位于显微物镜6焦点上下侧成像面的像不同，判断该如何调节显微物镜6或载物台8。本实施方式中准直光束的光斑为圆形光斑，传感器10对多层成像面样本7成像得到的图像包括非闭合圆环。光阑3在光路中是将经过准直扩束镜2后的光束二等分，也就是准直光束经光阑3后只通过准直光束的1/2，准直光束的一半侧光束能够通过光阑3，另一半侧光束不能通过光阑3，例如只有左半侧、右半侧、上半侧或下半侧穿过光阑3照射到显微物镜6上，图1中为准直光束的右半侧均被光阑3遮挡、左半侧通过光阑3，传感器10对多层成像面样本7成像得到的图像包括半圆形圆环。

自动对焦装置还包括半反半透镜4、集光器5、成像透镜9。如图1，激光器1、准直扩束镜2、光阑3、半反半透镜4、显微物镜6、多层成像面样本7和载物台8顺次设置，成像透镜9位于半反半透镜4和传感器10之间，集光器5与半反半透镜4相邻设置，用于收集下述第一反射光束。准直光束通过光阑3后入射到半反半透镜4上，在半反半透镜4上发生透射和反射，透射得到第一透射光束，反射得到第一反射光束，第一反射光束被集光器5收集，第一透射光束入射到显微物镜6上，经过显微物镜6聚集至多层成像面样本7上，在多层成像面样本7上发生反射得到第二反射光束，第二反射光束经过显微物镜6汇聚后入射到半反半透镜4上，经半反半透镜4发生透射得到第二透射光束、发生反射得到第三反射光束，第二透射光束不再被本发明利用，图1中未示出，第三反射光束入射到成像透镜9上，经成像透镜9汇聚后在传感器10上成像，传感器10得到图像信息。多层成像面样本7位于显微物镜6的物平面，显微物镜6的物平面与传感器10的焦平面为成像关系。

图2为经显微物镜6在多层成像面样本7表面a、b、c、d、e所处的位置的示意图，其中，c位于显微物镜6的焦点处，a位于b的上方，而b又处于显微物镜6的焦点上方；e位于d的下方，而d又处于显微物镜6的焦点下方。

图3为光束经显微物镜6在多层成像面样本7表面a、b、c、d、e所成的图像示意图，c的图像是一个圆点；a、b、d、e的图像均是半圆环。a和b处于显微物镜6的焦点上方，两图像的半圆环开口均向右，且a的半圆环直径大于b的半圆环直径；d和e处于显微物镜6的焦点下方，两图像的半圆环开口均向左(与a、b开口方向相反)，且e的半圆环直径大于d的半圆环直径。经光阑3二等分后的光经显微物镜6后在光轴上不同位置成像不同：沿着光线传输方向，位于焦点两侧位置所成的图像沿焦点呈旋转对称分布且方向相反。

基于光学显微镜的自动对焦装置的光学显微镜的自动对焦方法，如图4所示，包括如下步骤：

多层成像面样本7放置在载物台8上，选择适合放大倍率的显微物镜6后，显微镜运动复位，显微物镜6能够将入射光机构入射到其上的光束聚焦到多层成像面样本7上，显微物镜6可以是5X、10X、20X、50X等不同放大倍率的光学放大系统。传感器10用来接收一系列多层成像面样本7表面反射的图像，可以是线阵或面阵的CCD或CMOS。电机11采用伺服电机。

步骤一、对焦操作人员远程打开入射光机构、传感器10、电机11和控制处理器12，确认显微物镜6能够将入射光机构入射到其上的光束聚焦到多层成像面样本7上，确定显微物镜6在多层成像面样本7上正确的成像面(正确的成像面即为目标面)，对焦操作人员可远程确定显微物镜6所对焦多层成像面样本7的正确的成像面，并在控制处理器12上确定也就是输入显微物镜6所对焦多层成像面样本7的正确的成像面。入射光机构照射至多层成像面样本7，传感器10成像得到图像数据，并发送至控制处理器12。

步骤二、控制处理器12根据传感器10发送的图像数据进行分析判断，判断显微物镜6是否聚焦到多层成像面样本7正确的成像面上，如果显微物镜6被聚焦在正确的成像面上时，则光学显微镜的自动对焦完成。反之，显微物镜6尚未被聚焦到目标面，进行步骤三。

步骤三、控制处理器12根据图像信息和目标面判断显微物镜6或载物台8的移动方向和移动距离，并根据移动方向和移动距离向伺服电机发送移动信号，伺服电机移动显微物镜6或载物台8，传感器10得到新的图像数据并发送至控制处理器12，返回步骤二重新分析判断显微物镜6是否聚焦到正确的成像面上。

图5中多层成像面样本7具有四层成像面，为沿光线传输路径分别是top(顶层成像面)、layer1(第一中层成像面)、layer2(第二中层成像面)、bottle(底层成像面)，在图5中举例说明多层成像面样本7的正确的成像面layer1的自动对焦成像结果。

本发明的优势在于：本发明利用光学成像技术，直观地为适应多层成像面样本7的显微放大检测技术的发展，通过本发明可以实现具有多层成像面的样本的远程、快速、清晰的在光学显微镜下的图像放大功能。

本发明提及了光学显微镜的自动对焦装置及方法，解决了具有多层成像面样本7的远程、快速、清晰的观测难题。本发明利用光学成像技术，直观地为适应多层成像面样本7的显微放大检测技术的发展，提供了一种全新的光学显微镜自动对焦方法及装置，实现了多层成像面样本7的显微镜自动对焦，而且实现了具有多层成像面样本7的远程、快速、清晰的在光学显微镜下的图像放大功能。

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，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.光学显微镜的自动对焦装置，其特征在于，包括：入射光机构、传感器(10)、电机(11)和控制处理器(12)，控制处理器(12)连接传感器(10)和电机(11)，电机(11)运转能够带动显微镜的显微物镜(6)或用于放置多层成像面样本(7)的载物台(8)移动；入射光机构发出的光束能够入射到显微物镜(6)上，显微物镜(6)能够将入射光机构入射到其上的光束聚焦到多层成像面样本(7)上，聚焦到多层成像面样本(7)上的光束经多层成像面样本(7)反射后能够成像到传感器(10)焦面上使传感器(10)得到图像信息，传感器(10)能够将图像信息发送至控制处理器(12)；控制处理器(12)能够根据图像信息判断显微镜的对焦情况，若显微镜未完成对焦则控制处理器(12)根据图像信息控制电机(11)运转。

2.如权利要求1所述的光学显微镜的自动对焦装置，其特征在于，所述入射光机构包括顺次设置的激光器(1)、准直扩束镜(2)和光阑(3)，激光器(1)发出的光束经过准直扩束镜(2)准直扩束得到准直光束，准直光束经过光阑(3)限束后照射到显微物镜(6)，准直光束的一半侧光束和另一半侧光束经过光阑(3)后出射光束的光束形状不同、面积不同。

3.如权利要求2所述的光学显微镜的自动对焦装置，其特征在于，所述光阑(3)采用矩形光阑，准直光束的一半侧光束能够通过光阑(3)，另一半侧光束不能通过光阑(3)或仅部分能够通过光阑(3)。

4.如权利要求3所述的光学显微镜的自动对焦装置，其特征在于，所述光阑(3)采用矩形光阑(3)，准直光束的一半侧光束能够通过光阑(3)，另一半侧光束不能通过光阑(3)。

5.如权利要求2所述的光学显微镜的自动对焦装置，其特征在于，所述自动对焦装置还包括半反半透镜(4)和成像透镜(9)，准直扩束镜(2)、光阑(3)、半反半透镜(4)和显微物镜(6)顺次设置，成像透镜(9)位于半反半透镜(4)和传感器(10)之间；准直光束通过光阑(3)后入射到半反半透镜(4)上，经半反半透镜(4)透射得到第一透射光束，第一透射光束入射到显微物镜(6)上，经过显微物镜(6)聚集至多层成像面样本(7)上，在多层成像面样本(7)上发生反射得到第二反射光束，第二反射光束经过显微物镜(6)汇聚后依次经半反半透镜(4)反射、成像透镜(9)汇聚后在传感器(10)上成像，传感器(10)得到图像信息。

6.如权利要求1所述的光学显微镜的自动对焦装置，其特征在于，所述多层成像面样本(7)中位于显微物镜(6)焦点上侧的目标层在传感器(10)上所成的像不同于位于显微物镜(6)焦点下侧的目标层在传感器(10)上所成的像。

7.如权利要求1所述的光学显微镜的自动对焦装置，其特征在于，所述光束经多层成像面样本(7)反射、经显微物镜(6)汇聚后成像到传感器(10)焦面上。

8.如权利要求1至7中任意一项所述的光学显微镜的自动对焦装置的对焦方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、控制处理器(12)根据传感器(10)发送的图像数据分析判断显微物镜(6)是否聚焦到多层成像面样本(7)的正确的成像面上，如果显微物镜(6)被聚焦在正确的成像面上时，则光学显微镜的自动对焦完成，否则，进行S2；

S2、控制处理器(12)根据图像信息和正确的成像面判断显微物镜(6)或载物台(8)的移动方向和移动距离，并根据移动方向和移动距离向电机(11)发送移动信号，电机(11)根据移动信号运动进而移动显微物镜(6)或载物台(8)，返回S1。

9.如权利要求8所述的光学显微镜的自动对焦装置的对焦方法，其特征在于，进行S1之前还包括如下步骤：打开入射光机构、传感器(10)、电机(11)和控制处理器(12)，确认显微物镜(6)能够将入射光机构入射到其上的光束聚焦到多层成像面样本(7)上，确定显微物镜(6)在多层成像面样本(7)上正确的成像面。

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