CN115598821A - 一种光学对焦装置、对焦方法及显微镜 - Google Patents

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CN115598821A CN202211361524.4A CN202211361524A CN115598821A CN 115598821 A CN115598821 A CN 115598821A CN 202211361524 A CN202211361524 A CN 202211361524A CN 115598821 A CN115598821 A CN 115598821A
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Abstract

本发明公开了一种光学对焦装置、对焦方法及显微镜，用于显微镜对焦的光学对焦装置包括处理器及用于辅助对焦的辅助光路，辅助光路的发射光路向显微镜的物镜发射光束，辅助光路的接收光路上配置有一相机，接收光路将透过物镜后被一样品反射的光束导向相机；辅助光路配置有至少一种可调的光学元件，处理器被配置为根据显微镜的参数，调节可调的光学元件以使辅助光路具有预设的线性工作范围，该线性工作范围的预设值根据显微镜参数而确定。本发明基于传统偏心光束法光路设置可调光学元件，实现实时调节自动对焦模块的对焦精度和线性工作范围，以适配不同的离焦量和对焦精度需求，对不同物镜的通用性强，响应速度快，对焦效率高。

Description

一种光学对焦装置、对焦方法及显微镜
技术领域
本申请涉及显微镜领域，尤其涉及一种光学对焦装置、对焦方法及显微镜。
背景技术
偏心光束法是显微镜中应用广泛的一种主动式自动对焦方法。它通过将样品离焦量转化为辅助对焦光路中相机接收到的光斑质心的变化，建立起两者之间的线性关系，从而可以通过检测光斑质心，判断离焦量。
传统偏心光束法的光路如图7所示，其对焦原理如图8所示，通过光路设计使辅助对焦光路中相机接收到的光斑信息与样品离焦状态存在一一对应的关系，其中半圆光斑的方向对应于样品离焦的方向，光斑的质心坐标对应于离焦量δ：Centroid(Xcentroid,Ycentroid)＝Aδ(A为与光路设计相关的参数，当辅助光路中各元件参数经设计确定后，对于同一物镜，A为一固定常数)。图9为一基于偏心光束法的辅助对焦光路中，光斑质心随离焦量变化的曲线，其中，[-L,L]代表了对焦模块的线性工作范围，当离焦量δ>L或δ<-L时，辅助对焦光路的光斑尺寸会超出接收相机的sensor面，光斑质心与离焦量的线性对应关系被破坏，辅助对焦光路无法再准确判断光斑质心位置，自动对焦模块无法确定离焦量；-L至L之间线段的斜率代表了对焦精度，斜率越大，相同离焦量引起的光斑质心变化量越大，则对焦精度越高，但对应的线性工作范围越小。
基于偏心光束法的光学自动对焦方法虽然由于其精度高、响应速度快、对焦效率高等特点应用广泛，但在实际应用中，由于光路设计和相机传感器尺寸等限制，对于基于偏心光束法的自动对焦模块来说，对焦精度和线性工作范围这两点通常难以兼顾。传统偏心光束法很难同时具有高对焦精度和大线性工作范围；同时又由于显微物镜(特别是高倍物镜)的景深通常较小，即很小的离焦量就会导致图像模糊，因此显微镜对对焦精度的要求通常很高，对应的对焦模块的线性工作范围就会小。当样品离焦量超出线性工作范围很多时，通常需要很多次的电机运动来完成对焦，导致响应速度慢，对焦效率大幅降低，影响用户体验。
以上背景技术内容的公开仅用于辅助理解本发明的发明构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，也不必然会给出技术教导；在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日之前已经公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本申请的新颖性和创造性。
发明内容
本发明的目的是提供一种兼顾线性工作范围和对焦精度的光学对焦装置和对焦方法，结构简洁、响应速度快。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种用于显微镜对焦的光学对焦装置，包括处理器及用于辅助对焦的辅助光路，所述辅助光路包括发射光路和接收光路，所述接收光路上配置有一相机，所述发射光路被配置为向显微镜的物镜发射光束，所述接收光路被配置为将透过所述物镜后被一样品反射的光束导向所述相机；
所述辅助光路配置有至少一种可调的光学元件，所述处理器被配置为根据显微镜的参数，调节所述可调的光学元件以使所述辅助光路具有预设的线性工作范围，该线性工作范围的预设值根据显微镜参数而确定。
进一步地，承前所述的任一技术方案或多个技术方案的组合，所述可调的光学元件为可变光阑。
进一步地，承前所述的任一技术方案或多个技术方案的组合，所述可变光阑设置在所述辅助光路的发射光路上，所述处理器被配置为通过以下方式调节所述可变光阑的通光口径：
确定所述辅助光路所需达到的线性工作范围；
计算出达到所述线性工作范围的所述辅助光路所需的光束半径；
根据所述辅助光路的光束半径设置所述可变光阑的通光口径。
进一步地，承前所述的任一技术方案或多个技术方案的组合，所述处理器还被配置为通过以下方式调节所述可变光阑的通光口径：
确定所述辅助光路所需达到的对焦精度；
计算出达到所述对焦精度的所述辅助光路所需的光束半径；
根据所述辅助光路的光束半径设置所述可变光阑的通光口径。
进一步地，承前所述的任一技术方案或多个技术方案的组合，通过以下方式设置所述可变光阑的光束半径：
若所需的光束半径的计算结果在预设的界限范围内，则以所述光束半径的计算结果作为所述可变光阑的通光口径；或者，
若所需的光束半径的计算结果小于预设的界限范围的下限值，则以所述界限范围的下限值作为所述可变光阑的通光口径；或者，
若所需的光束半径的计算结果大于预设的界限范围的上限值，则以所述界限范围的上限值作为所述可变光阑的通光口径。
进一步地，承前所述的任一技术方案或多个技术方案的组合，所述可调的光学元件为变焦镜头。
进一步地，承前所述的任一技术方案或多个技术方案的组合，所述变焦镜头设置在所述辅助光路的接收光路上，且所述变焦镜头设置在所述相机的入光侧，所述处理器被配置为通过以下方式调节所述变焦镜头的焦距：
确定所述辅助光路所需达到的线性工作范围；
计算出达到所述线性工作范围的所述辅助光路所需的放大率；
根据所述辅助光路的放大率和所述物镜的焦距计算所述变焦镜头所需的焦距。
进一步地，承前所述的任一技术方案或多个技术方案的组合，所述处理器还被配置为通过以下方式调节所述变焦镜头的焦距：
确定所述辅助光路所需达到的对焦精度；
计算出达到所述对焦精度的所述辅助光路所需的放大率；
根据所述辅助光路的放大率和所述物镜的焦距计算所述变焦镜头所需的焦距。
进一步地，承前所述的任一技术方案或多个技术方案的组合，通过以下方式确定所述辅助光路的放大率：
根据所述变焦镜头的焦距范围和所述物镜的焦距，确定所述辅助光路的放大率的界限范围；
若所述辅助光路所需的放大率的计算结果在所述界限范围内，则以所述放大率的计算结果作为所述辅助光路的放大率；或者，
若所述辅助光路所需的放大率的计算结果小于所述界限范围的下限值，则以所述界限范围的下限值作为所述辅助光路的放大率；或者，
若所述辅助光路所需的放大率的计算结果大于所述界限范围的上限值，则以所述界限范围的上限值作为所述辅助光路的放大率。
进一步地，承前所述的任一技术方案或多个技术方案的组合，所述可调的光学元件包括设置在所述辅助光路的发射光路上的可变光阑和设置在所述辅助光路的接收光路上的变焦镜头，所述处理器被配置为通过以下方式调节所述可变光阑的通光口径和所述变焦镜头的焦距：
确定所述辅助光路所需达到的线性工作范围；
计算出达到所述线性工作范围的所述辅助光路所需的光束半径与放大率的乘积值；
在满足所述乘积值的条件下，在所述光束半径与放大率各自的界限范围内选取所述辅助光路所需的光束半径和放大率；
按照所述光束半径的选取结果设置所述可变光阑的通光口径，以及根据所述放大率的选取结果和所述物镜的焦距设置所述变焦镜头的焦距。
进一步地，承前所述的任一技术方案或多个技术方案的组合，所述处理器还被配置为通过以下方式调节所述可变光阑的通光口径和所述变焦镜头的焦距：
确定所述辅助光路所需达到的对焦精度；
计算出达到所述对焦精度的所述辅助光路所需的光束半径与放大率的乘积值；
在满足所述乘积值的条件下，在所述光束半径与放大率各自的界限范围内选取所述辅助光路所需的光束半径和放大率；
按照所述光束半径的选取结果设置所述可变光阑的通光口径，以及根据所述放大率的选取结果和所述物镜的焦距设置所述变焦镜头的焦距。
进一步地，承前所述的任一技术方案或多个技术方案的组合，所述辅助光路的发射光路包括按序设置的光源、准直透镜和刀口光阑；
所述接收光路包括按序设置的分光镜组件，其中，所述分光镜组件设置在所述刀口光阑与所述显微镜的物镜之间。
进一步地，承前所述的任一技术方案或多个技术方案的组合，所述分光镜组件包括第一分光镜和第二分光镜，其中，所述第一分光镜设置在所述刀口光阑与所述第二分光镜之间，所述第二分光镜被配置为将穿过所述第一分光镜的光束导向所述物镜，所述第一分光镜被配置为将所述样品处反射的且受所述第二分光镜导向的光束导向所述相机的镜头。
进一步地，承前所述的任一技术方案或多个技术方案的组合，所述处理器还被配置为在调节至所述辅助光路具有预设的线性工作范围之后，对所述物镜和样品进行对焦，再根据显微镜的参数，调节所述可调的光学元件以使所述辅助光路具有预设的对焦精度。
进一步地，承前所述的任一技术方案或多个技术方案的组合，所述处理器还被配置为在调节至所述辅助光路具有预设的对焦精度之后，对所述物镜和样品进行对焦。
进一步地，承前所述的任一技术方案或多个技术方案的组合，所述处理器还被配置为触发所述相机以捕获图像，并计算出所述图像的光斑质心，以确定对应的离焦向量，并根据所述离焦向量生成驱动物镜和/或样品的指令，以使所述物镜和样品对焦。
根据本发明的另一方面，提供了一种用于显微镜对焦的光学对焦方法，包括：
在显微镜中设置用于辅助对焦的辅助光路，所述辅助光路中配置有一相机及至少一种可调的光学元件；
根据显微镜的参数，调节该可调的光学元件以使所述辅助光路具有预设的线性工作范围，该线性工作范围的预设值根据显微镜参数而确定；
触发所述辅助光路的相机以捕获第一图像；
计算所述第一图像的光斑质心，以确定对应的离焦向量；
根据所述离焦向量驱动显微镜的物镜和/或样品，以使显微镜对焦于样品。
进一步地，承前所述的任一技术方案或多个技术方案的组合，所述光学对焦方法还包括：
计算所述辅助光路当前的实际对焦精度，若所述实际对焦精度不满足当前使用的物镜的对焦精度需求，则执行所述显微镜的第二次对焦，包括：
根据显微镜的参数，调节该可调的光学元件以使所述辅助光路具有预设的对焦精度，该对焦精度的预设值根据显微镜参数而确定；
触发所述相机以捕获第二图像；
计算所述第二图像的光斑质心，以确定对应的新离焦向量；
根据所述新离焦向量驱动所述物镜和/或样品，以使显微镜对焦于样品。
进一步地，承前所述的任一技术方案或多个技术方案的组合，所述可调的光学元件为设置在所述辅助光路的发射光路上的可变光阑，通过以下方式调节所述可变光阑的通光口径：
计算出达到预设线性工作范围的所述辅助光路所需的光束半径及/或计算出达到预设对焦精度的所述辅助光路所需的光束半径；
根据所述辅助光路所需的光束半径的计算结果调节所述可变光阑的通光口径。
进一步地，承前所述的任一技术方案或多个技术方案的组合，所述可调的光学元件为设置在所述辅助光路的接收光路上的变焦镜头，通过以下方式设置所述变焦镜头的焦距：
计算出达到预设线性工作范围的所述辅助光路所需的放大率及/或计算出达到预设对焦精度的所述辅助光路所需的放大率；
根据所述辅助光路所需的放大率的计算结果和所述物镜的焦距设置所述变焦镜头的焦距。
根据本发明的另一方面，提供了一种显微镜，包括如上所述的光学对焦装置。
根据本发明的再一方面，提供了一种计算机程序产品，具有可运行的程序代码，当所述程序代码在处理器上运行时，执行如上所述的光学对焦方法。
本发明提供的技术方案带来的有益效果如下：
a.基于传统偏心光束法光路设置可调光学元件，实现实时调节自动对焦模块的对焦精度和线性工作范围，以适配不同的离焦量和对焦精度需求，对不同物镜的通用性强；
b.先以辅助光路的线性工作范围为目标来调节可调光学元件，实现一次对焦；在物镜的最大离焦量下至多再以辅助光路的对焦精度为目标来调节可调光学元件，实现二次对焦即可完成显微镜对焦，对焦效率高；
c.通过确定辅助光路所需的线性工作范围来计算可调光学元件所需的工作参数，无需设计牺牲线性工作范围的光路来步进调节，响应速度快，对焦效率高；
d.只需两次检测和电机驱动即可使辅助光路能够兼顾两个关键性能参数即线性工作范围和对焦精度的前提下完成对焦；
e.仅需在传统偏心光束法光路中设置一到两个可调光学元件，相比于额外增加一条如图11所示的optical path 2的光路的解决方案，本发明的解决方案的体积增大量可忽略不计，光路简洁，结构简单，成本更低。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案或常规的技术方案，下面将对实施例或常规技术方案描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的一个示例性实施例提供的用于显微镜对焦的光学对焦装置的第一种结构示意图；
图2是图1所示光学对焦装置的光学对焦方法流程示意图；
图3是本发明的一个示例性实施例提供的用于显微镜对焦的光学对焦装置的第二种结构示意图；
图4是图3所示光学对焦装置的光学对焦方法流程示意图；
图5是本发明的一个示例性实施例提供的用于显微镜对焦的光学对焦装置的第三种结构示意图；
图6是图5所示光学对焦装置的光学对焦方法流程示意图；
图7是传统偏心光束法的辅助对焦光路的结构设计示意图；
图8是传统偏心光束法的对焦原理示意图；
图9是基于偏心光束法的辅助对焦光路中光斑质心随离焦量变化的曲线；
图10是牺牲线性工作范围的光路设计采用步进方式对焦的示意图；
图11是偏心光束法采用两条放大率不同的辅助对焦光路的光路结构示意图；
图12是对应图11的辅助对焦光路的光斑质心随离焦量变化的曲线；
图13是执行本发明实施例所描述的方法的系统1300的示意图。
其中，附图标记包括：110-可变光阑，121-相机，122-光源，123-准直透镜，124-刀口光阑，125-变焦镜头，126-第一分光镜，127-第二分光镜，132-物镜，134-样品，136-样品台，140-处理器。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明，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一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
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”等是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。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的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”以及他们的任何变形，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、装置、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、产品或设备固有的其他步骤或单元。
为了改善对焦精度和线性工作范围之间的矛盾，提出过一种方案如图10所示，在光路设计上保证了高对焦精度但牺牲了线性工作范围，当离焦量超出线性工作范围时(δ>L或δ<-L)，则设置一个固定的步进m，使对焦电机移动n个m的距离(n＝1,2,3…)，电机每移动一个距离m，相机就采集一次光斑进行分析，直至样品离焦量减小至线性工作范围以内，再通过检测光斑质心，完成对焦。但是这种方案为了高对焦精度，牺牲线性工作范围，当离焦量超出线性工作范围时，通过多次检测和电机运动将离焦量减小到线性工作范围以内，再完成对焦，导致响应速度慢、对焦效率低。
提出的另一种方案如图11所示，设计采用两条放大率不同的辅助对焦光路，其中一条光路(图11中的optical path 1)对应放大率大的光路，对焦精度高，但线性工作范围小；另一条光路(图11中的optical path 2)对应放大率小的光路，对焦精度低，但线性工作范围更大，通过两条光路的配合，如图12所示，在保证高对焦精度的同时扩大线性工作范围。但这种方案仍无法在满足对焦精度需求的同时，线性工作范围覆盖不同物镜的自由工作距离，通常需要多次检测与电机运动才能完成对焦，效率较低；且由于光路设计固定，对不同物镜的通用性不佳(不同物镜的自由工作距离及景深不同，即其需要的对焦精度与线性工作范围不同)。
在本发明的一个实施例中，提供了一种用于显微镜对焦的光学对焦装置，包括处理器140及用于辅助对焦的辅助光路，所述辅助光路包括发射光路和接收光路，所述接收光路上配置有一相机121，所述发射光路被配置为向显微镜的物镜132发射光束，所述接收光路被配置为将透过所述物镜132后被一样品134反射的光束导向所述相机121；
本实施例中的辅助光路是在显微镜内增设的光路，目的是为了辅助显微镜对焦，工作原理是通过将样品离焦量转化为辅助光路中的相机121接收到的光斑质心的变化，建立起两者之间的线性关系，从而通过检测光斑质心来判断离焦量，然后驱动电机完成对焦。在利用辅助光路来实现对焦的过程中，辅助光路有两个关键性能参数：一个是对焦精度，对应其能检测到的最小的离焦量，当离焦量小于对焦精度时，光学对焦装置会认为样品对焦良好，不会重新对焦；另一个关键参数是线性工作范围，对应其能线性工作的范围，也即当样品离焦量在这个范围内时，离焦量与光斑质心是一一对应符合线性关系的，辅助光路可以根据光斑质心判断离焦量，当离焦量过大，超出线性工作范围，则对焦装置无法根据光斑质心判断离焦量。但是对焦精度和线性工作范围两者很难兼顾，对焦精度越高，则对应的线性工作范围越小；线性工作范围越大，则对应的对焦精度越低。为了兼顾辅助光路的对焦精度和线性工作范围，本发明在辅助光路中设置了至少一种可调的光学元件，并基于此提出了快速响应的高效率对焦解决方案：
辅助对焦的思路为先以辅助光路的线性工作范围为目标来调节辅助光路上的可调光学元件，由于辅助光路的发射光路的光束入射到样品台136上的样品134处会形成光斑，利用相机121采集光斑图像并计算光斑质心，以确定对应的离焦向量。根据离焦向量移动物镜132和样品134中的至少一者以进行对焦后，若辅助光路当前的对焦精度满足要求，则完成对焦；否则再以辅助光路的对焦精度为目标来调节辅助光路上的可调光学元件，然后利用相机121再次采集光斑图像并再次计算光斑质心，以确定对应的离焦向量，以使得当前的辅助光路能够兼顾两个关键性能参数即线性工作范围和对焦精度，在此状态下，再一次根据新确定的离焦向量进行对焦操作即可完成显微镜对焦操作。
上述的以辅助光路的线性工作范围为目标和以辅助光路的对焦精度为目标，是处理器140根据显微镜的参数而分别确立的目标，即辅助光路所需达到的线性工作范围和辅助光路所需达到的对焦精度，具体计算方法在下文详述。
在本发明的一个实施例中，可调的光学元件为可变光阑110和变焦镜头125，如图1所示，所述可变光阑110设置在所述辅助光路的发射光路上，变焦镜头125设置在所述辅助光路的接收光路上。在一个具体的实施例中，所述辅助光路如图1所示，其发射光路包括按序设置的光源122、准直透镜123和刀口光阑124，所述可变光阑110设置在准直透镜123与刀口光阑124之间，并且可变光阑110在处理器140的控制下可以实现电动调节；
所述辅助光路的接收光路包括按序设置的分光镜组件：第一分光镜126和第二分光镜127，如图1所示，第一分光镜126和第二分光镜127依次设置在所述刀口光阑124的出光侧，图1所示的光路如下：光源122发出的光通过准直透镜123、可变光阑110、刀口光阑124后，由第一分光镜126透射、由第二分光镜127反射至物镜132，最终到达样品134；虚线光路为被样品134反射的光通过物镜132到达第二分光镜127，并依次被第二分光镜127、第一分光镜126反射至变焦镜头125，最后进入相机121成像。本发明并不限定可变光阑110设置在如图1所示的位置，其也可以设置在刀口光阑124与第一分光镜126之间，也可以设置在第一分光镜126与第二分光镜127之间。
本实施例通过调节可变光阑110和变焦镜头125使辅助光路兼顾对焦精度和线性工作范围，最终实现显微镜对焦，参见图2，具体光学对焦的步骤如下：
第一步、确定辅助光路预设的线性工作范围：获取显微镜的基本参数，包括显微镜的调焦行程和使用中的物镜132的光学参数(自由工作距离)，这两个参数可以确定辅助光路所需达到的线性工作范围，即作为线性工作范围的预设值。
第二步、通过以下公式计算出达到第一步确定的线性工作范围的辅助光路所需的光束半径和放大率的乘积值即K*d：
Figure BDA0003922201900000111
其中，δmax1为第一步确定的辅助光路所需达到的线性工作范围，K为辅助光路的放大率，其中K＝f2/f1，f1为物镜焦距，f2为辅助光路中镜头125的焦距，d为辅助光路的光束半径，n1为与显微镜物镜、相机传感器和像素尺寸相关的第一常数，当光路中各元件参数设计确定后，n1为固定的常数。
第三步、K、d各自有界限范围，其中，辅助光路的放大率的界限范围取决于变焦镜头的焦距f2的界限范围和物镜焦距f1，在满足第二步计算出的辅助光路所需的光束半径和放大率的乘积值的前提下，在K、d各自的界限范围内，选择辅助光路的光束半径和放大率。
第四步、按照选择的辅助光路的光束半径设置可变光阑110的通光口径，按照选择的放大率以及当前使用的物镜的焦距，计算相应的变焦镜头的焦距，根据计算结果来设置变焦镜头125的焦距。
第五步、执行一次对焦动作：触发相机121以捕获第一图像，计算所述第一图像的光斑质心，以确定对应的离焦向量；根据所述离焦向量驱动显微镜的物镜和/或样品，以使显微镜对焦于样品。正如上文提及，当样品离焦量在线性工作范围内时，离焦量与光斑质心是一一对应符合线性关系的，辅助光路可以根据光斑质心确定离焦量，然后以此作为物镜与样品之间的纠偏距离。移动物镜与样品中的至少一者，使其对焦。
第六步、判断辅助光路当前的实际对焦精度是否满足当前使用的物镜的对焦精度需求，若满足需求，则完成此次对焦；若不满足需求，则执行以下第七步至第九步。实际对焦精度可以通过以下公式计算：
Figure BDA0003922201900000121
其中，δmin1为辅助光路当前的实际对焦精度，K为辅助光路的放大率即f2/f1，f1为物镜焦距，f2为辅助光路中镜头125的焦距，d为辅助光路的光束半径，n2为与显微镜物镜、相机传感器和像素尺寸相关的第二常数，当光路中各元件参数设计确定后，n2为固定的常数。
根据第二步计算得到的光束半径和放大率的乘积值即K*d，可以计算得到辅助光路当前的实际对焦精度δmin1。由δmax1、δmin1的计算公式可以看出，辅助光路的光束半径和放大率越大，则δmax1、δmin1越小，δmin1越小，辅助光路的对焦精度就越高，δmax1越小，辅助光路的线性工作范围就越小；反之，δmin1越大，对焦精度就越低，δmax1越大，线性工作范围就越大。因此，通过调节可变光阑110的通光口径和变焦镜头125的焦距，可线性调节辅助光路的对焦精度和线性工作范围。
本实施例中以是否满足
Figure BDA0003922201900000122
来判定是否满足当前使用的物镜的对焦精度需求，其中，DOF(Depth Of Field)为显微镜的景深参数值，若此不等式成立，则满足需求，否则判定为不满足需求。
第七步、确定辅助光路所需达到的对焦精度，即确定对焦精度的预设值，具体如下：获取显微镜参数，包括但不限于使用中的物镜132的数值孔径(NA)，以确定显微镜的DOF值，可以按照DOF的二分之一作为所需达到的对焦精度的上限值来确定辅助光路所需达到的对焦精度δmin2。
第八步、通过以下公式计算出达到第七步确定的对焦精度的所述辅助光路所需的光束半径与放大率的乘积值：
Figure BDA0003922201900000123
其中，δmin2为辅助光路所需达到的对焦精度，K为辅助光路的放大率即f2/f1，f1为物镜焦距，f2为辅助光路中镜头125的焦距，d为辅助光路的光束半径，n2为与显微镜物镜、相机传感器和像素尺寸相关的第二常数，当光路中各元件参数设计确定后，n2为固定的常数。
这里得到的辅助光路所需的光束半径与放大率的乘积值K*d目的是满足辅助光路达到所需对焦精度的条件，与第二步中满足辅助光路达到所需线性工作范围有所区别。
第九步、与第三步、第四步、第五步同理，在满足第八步计算出的辅助光路所需的光束半径和放大率的乘积值的前提下，在K、d各自的界限范围内，选择辅助光路的光束半径和放大率。
按照选择的辅助光路的光束半径设置可变光阑110的通光口径，按照选择的放大率以及当前使用的物镜的焦距，计算相应的变焦镜头的焦距，根据计算结果来设置变焦镜头125的焦距。
再一次执行对焦动作：触发相机121以捕获第二图像，计算所述第二图像的光斑质心，以确定对应的离焦向量；根据所述离焦向量驱动显微镜的物镜和/或样品，以使显微镜对焦于样品。由于此次是在先调节至具有足够的线性工作范围的基础上再调节至具有足够的对焦精度，因此，样品离焦量依然保持在线性工作范围内时，辅助光路可以根据光斑质心确定离焦量，然后以此作为物镜与样品之间的纠偏距离。移动物镜与样品中的至少一者，使其对焦。
综上，本实施例通过调整可变光阑110的通光口径可以快速变换辅助光路的光束半径，通过调整变焦镜头125可以快速变换辅助光路的放大率，两者协同变化，从而实现实时调节自动对焦模块的对焦精度和线性工作范围，以适配不同的离焦量和对焦精度需求，对不同物镜的通用性强。在保证高对焦精度的同时，能够实现较大的线性工作范围，在物镜的最大离焦量下，一般也只需两次检测和电机运动即可完成对焦，提高了响应速度，使得对焦效率高。
以上以可变光阑110和变焦镜头125作为辅助光路中的可调的光学元件，对光路对焦的过程进行了详细的说明。但是本发明并不限定可调光学元件为可变光阑110和变焦镜头125的组合。
在本发明的一个实施例中，可调的光学元件为可变光阑110，如图3所示，其设置位置与上述实施例相同。不同的是，本实施例中的相机121的聚焦镜头(图2中的镜头125)被配置有固定的焦距，即对应上一实施例的公式中的镜头的焦距f2为非变量，对于确定当前使用中的物镜，物镜焦距f1同样为定值，因此，辅助光路的放大率K＝f2/f1也为定值。
图3所示的光学对焦装置对应的光学对焦的步骤如图4所示，与上一实施例不同的是，本实施例中对应第二步通过相同的公式确定的是辅助光路的光束半径d，第三步根据所述辅助光路的光束半径设置所述可变光阑110的通光口径，具体为若光束半径d的计算结果在其固有的界限范围内，则将该计算结果作为所述可变光阑110的通光口径；若光束半径d的计算结果小于该界限范围的下限值，则以所述界限范围的下限值作为所述可变光阑110的通光口径；若光束半径d的计算结果大于该界限范围的上限值，则以所述界限范围的上限值作为所述可变光阑110的通光口径。
同样的方式执行第五步、第六步、第七步和第八步，有区别的同样是f1、f2为定值，所以第八步中通过相同的公式计算得到的是辅助光路的光束半径d，同样根据其计算结果与其固有的界限范围的大小关系，确定并调节可变光阑110的通光口径；然后再一次执行对焦动作。
在本发明的另一个实施例中，可调的光学元件为变焦镜头125，如图5所示，其设置位置与图1所示的第一个实施例相同。再未设置可变光阑110的情况下，即对应第一实施例的公式中的辅助光路的光束半径d为非变量。
图5所示的光学对焦装置对应的光学对焦的步骤如图6所示，与上一实施例不同的是，本实施例中对应第二步通过相同的公式确定的是辅助光路的放大率K，在使用中的物镜132确定的情况下，即根据辅助光路的放大率和物镜132的焦距计算变焦镜头125所需的焦距f2。第三步设置所述变焦镜头125的焦距：根据所述变焦镜头125的焦距范围和所述物镜132的焦距，确定所述辅助光路的放大率的界限范围；若所述辅助光路所需的放大率的计算结果在所述界限范围内，则以所述放大率的计算结果作为所述辅助光路的放大率；若所述辅助光路所需的放大率的计算结果小于所述界限范围的下限值，则以所述界限范围的下限值作为所述辅助光路的放大率；若所述辅助光路所需的放大率的计算结果大于所述界限范围的上限值，则以所述界限范围的上限值作为所述辅助光路的放大率。
换而言之，若变焦镜头125所需的焦距f2的计算结果在变焦镜头125固有的界限范围内，则将变焦镜头125的焦距调节至该计算结果；若焦距f2的计算结果小于其固有的界限范围的下限值，则将变焦镜头125的焦距调节至该界限范围的下限值；若焦距f2的计算结果大于其固有的界限范围的上限值，则将变焦镜头125的焦距调节至该界限范围的上限值。
同样的方式执行第五步、第六步、第七步和第八步，有区别的同样是辅助光路的光束半径d为定值，所以第八步中通过相同的公式计算得到的是辅助光路的放大率K，即变焦镜头125所需的焦距f2，同样根据其计算结果与其固有的界限范围的大小关系，确定并调节变焦镜头125的焦距；然后再一次执行对焦动作。
根据本发明的再一方面，提供了一种计算机程序产品，具有可运行的程序代码，当所述程序代码在处理器上运行时，执行如上所述的光学对焦的步骤。
一些实施例涉及一种包括应用光学对焦装置、光学对焦方法的显微镜。可选地，显微镜可以是执行如结合图2、图4、图6中的一个或多个方法流程的系统的一部分或连接到该系统。图13示出被配置为执行本发明所描述的方法的系统1300的示意图。系统1300包括显微镜1310和计算机系统1320。显微镜1310配置为拍摄图像，并连接到计算机系统1320。计算机系统1320被配置为执行本发明所描述的方法的至少一部分。计算机系统1320可以被配置为执行机器学习算法。计算机系统1320和显微镜1310可以是单独的实体，但也可以集成到一个公用外壳中。计算机系统1320可以是显微镜1310的中央处理系统的一部分并且/或者，计算机系统1320可以是显微镜1310的子组件的一部分，例如显微镜1310的传感器、执行器、照相机或照明单元等。
计算机系统1320可以是具有一个或多个处理器和一个或多个存储装置的本地计算机装置(例如个人电脑、笔记本、平板电脑或移动电话)，或者也可以是分布式计算机系统(例如，具有分布在各个位置、例如本地客户端和/或一个或多个远程服务器场所和/或数据中心的一个或多个处理器和一个或多个存储装置)。计算机系统1320可以包括任何电路或电路的组合。在一个实施例中，计算机系统1320可以包括一个或多个可以是任何类型的处理器。如本发明所使用的，处理器可以指任何类型的计算电路，例如但不限于微处理器、微控制器、复杂指令集计算(CISC)微处理器、精简指令集计算(RISC)微处理器、超长长指令字(VLIW)微处理器、图形处理器、数字信号处理器(DSP)、多核处理器、例如显微镜或显微镜组件(例如相机)的现场可编程门阵列(FPGA)或任何其他类型处理器或处理电路。可以包括在计算机系统1320中的其他类型的电路可以是定制电路、专用集成电路(ASlC)等，例如在移动电话、平板电脑、笔记本电脑、双向无线电和类似电子系统之类的无线装置中使用的一个或多个电路(例如通信电路)。计算机系统1320可以包括一个或多个存储设备，其可以包括一个或多个适合特定应用的存储元件，例如形式为随机存取存储器(RAM)的主存储器、一个或多个硬盘驱动器和/或一个或多个处理可移除的媒体介质、例如光盘(CD)、闪存卡、数字视频磁盘(DVD)等的驱动器。计算机系统1320还可以包括显示装置、一个或多个扬声器以及键盘和/或控制器，其可以包括鼠标、轨迹球、触摸屏、语音识别装置或允许系统用户将信息输入到计算机系统1320或从计算机系统1320接收信息的任何其它装置。
方法步骤中的一些或全部可以通过(或使用)硬件设备(例如，处理器、微处理器、可编程计算机或电子电路)来执行。在一些实施例中，这种设备可以执行最重要的方法步骤中的一个或多个。
取决于某些实施要求，本发明的实施例可以在硬件或软件中实施。可以使用存储在其上的电子可读控制信号的非暂时性存储介质(诸如数字存储介质、例如软盘、DVD、蓝光、CD、ROM、PROM和EPROM、EEPROM或FLASH)进行该实施，该电子可读控制信号与可编程计算机系统协作(或能够协作)，从而执行相应的方法。因此，数字存储介质可以是计算机可读的。
本发明的一些实施例包括具有电子可读控制信号的数据载体，该电子可读控制信号能够与可编程计算机系统协作，从而执行本发明描述的方法之一。
通常，本发明的实施例可以实施为具有程序代码的计算机程序产品，当计算机程序产品在计算机上运行时，该程序代码可运行，以用于执行所述方法之一。程序代码例如可以存储在机器可读载体上。
其他实施例包括存储在机器可读载体上的、用于执行本发明所述方法之一的计算机程序。
换而言之，本发明的实施例因此是一种计算机程序，其具有当计算机程序在计算机上运行时用于执行本发明所述方法之一的程序代码。
因此，本发明的又一实施例是一种存储介质(或数据载体或计算机可读介质)，其包括存储在其上的计算机程序，该计算机程序用于在其由处理器执行时执行本发明所述方法之一。数据载体、数字存储介质或记录介质通常是有形的和/或非暂时性的。本发明的又一个实施例是如本发明所述的设备，其包括处理器和存储介质。
因此，本发明的又一实施例是表示用于执行本发明所述方法之一的计算机程序的数据流或信号序列。数据流或信号序列例如可以配置为经由数据通信连接、例如经由互联网来传输。
又一实施例包括处理装置、例如计算机或可编程逻辑装置，其配置为或适于执行本发明所述方法之一。
又一实施例包括一种计算机，该计算机上安装了用于执行本发明所述方法之一的计算机程序。
本发明的又一实施例包括一种设备或系统，其配置为将用于执行本发明所述方法之一的计算机程序(例如，以电子方式或光学方式)传送给接收器。接收器例如可以是计算机、移动装置、存储装置等。该设备或系统例如可以包括用于将计算机程序传输到接收器的文件服务器。
在一些实施例中，可编程逻辑器件(例如，现场可编程门阵列)可以用于执行本发明所述方法的一些或全部功能。在一些实施例中，现场可编程门阵列可以与微处理器协作，以便执行本发明所述方法之一。通常，该方法优选地由任何硬件设备执行。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
如本发明所使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关联的所列项目的任何和所有组合，并且可以缩写为“/”。
以上所述仅是本发明的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (22)

1.一种用于显微镜对焦的光学对焦装置，其特征在于，包括处理器(140)及用于辅助对焦的辅助光路，所述辅助光路包括发射光路和接收光路，所述接收光路上配置有一相机(121)，所述发射光路被配置为向显微镜的物镜(132)发射光束，所述接收光路被配置为将透过所述物镜(132)后被一样品(134)反射的光束导向所述相机(121)；
所述辅助光路配置有至少一种可调的光学元件，所述处理器(140)被配置为根据显微镜的参数，调节所述可调的光学元件以使所述辅助光路具有预设的线性工作范围。
2.根据权利要求1所述的光学对焦装置，其特征在于，所述可调的光学元件为可变光阑(110)。
3.根据权利要求2所述的光学对焦装置，其特征在于，所述可变光阑(110)设置在所述辅助光路的发射光路上，所述处理器(140)被配置为通过以下方式调节所述可变光阑(110)的通光口径：
确定所述辅助光路所需达到的线性工作范围；
计算出达到所述线性工作范围的所述辅助光路所需的光束半径；
根据所述辅助光路的光束半径设置所述可变光阑(110)的通光口径。
4.根据权利要求3所述的光学对焦装置，其特征在于，所述处理器(140)还被配置为通过以下方式调节所述可变光阑(110)的通光口径：
确定所述辅助光路所需达到的对焦精度；
计算出达到所述对焦精度的所述辅助光路所需的光束半径；
根据所述辅助光路的光束半径设置所述可变光阑(110)的通光口径。
5.根据权利要求3或4所述的光学对焦装置，其特征在于，通过以下方式设置所述可变光阑(110)的光束半径：
若所需的光束半径的计算结果在预设的界限范围内，则以所述光束半径的计算结果作为所述可变光阑(110)的通光口径；或者，
若所需的光束半径的计算结果小于预设的界限范围的下限值，则以所述界限范围的下限值作为所述可变光阑(110)的通光口径；或者，
若所需的光束半径的计算结果大于预设的界限范围的上限值，则以所述界限范围的上限值作为所述可变光阑(110)的通光口径。
6.根据权利要求1所述的光学对焦装置，其特征在于，所述可调的光学元件为变焦镜头(125)。
7.根据权利要求6所述的光学对焦装置，其特征在于，所述变焦镜头(125)设置在所述辅助光路的接收光路上，且所述变焦镜头(125)设置在所述相机(121)的入光侧，所述处理器(140)被配置为通过以下方式调节所述变焦镜头(125)的焦距：
确定所述辅助光路所需达到的线性工作范围；
计算出达到所述线性工作范围的所述辅助光路所需的放大率；
根据所述辅助光路的放大率和所述物镜(132)的焦距计算所述变焦镜头(125)所需的焦距。
8.根据权利要求7所述的光学对焦装置，其特征在于，所述处理器(140)还被配置为通过以下方式调节所述变焦镜头(125)的焦距：
确定所述辅助光路所需达到的对焦精度；
计算出达到所述对焦精度的所述辅助光路所需的放大率；
根据所述辅助光路的放大率和所述物镜(132)的焦距计算所述变焦镜头(125)所需的焦距。
9.根据权利要求7或8所述的光学对焦装置，其特征在于，通过以下方式确定所述辅助光路的放大率：
根据所述变焦镜头(125)的焦距范围和所述物镜(132)的焦距，确定所述辅助光路的放大率的界限范围；
若所述辅助光路所需的放大率的计算结果在所述界限范围内，则以所述放大率的计算结果作为所述辅助光路的放大率；或者，
若所述辅助光路所需的放大率的计算结果小于所述界限范围的下限值，则以所述界限范围的下限值作为所述辅助光路的放大率；或者，
若所述辅助光路所需的放大率的计算结果大于所述界限范围的上限值，则以所述界限范围的上限值作为所述辅助光路的放大率。
10.根据权利要求1所述的光学对焦装置，其特征在于，所述可调的光学元件包括设置在所述辅助光路的发射光路上的可变光阑(110)和设置在所述辅助光路的接收光路上的变焦镜头(125)，所述处理器(140)被配置为通过以下方式调节所述可变光阑(110)的通光口径和所述变焦镜头(125)的焦距：
确定所述辅助光路所需达到的线性工作范围；
计算出达到所述线性工作范围的所述辅助光路所需的光束半径与放大率的乘积值；
在满足所述乘积值的条件下，在所述光束半径与放大率各自的界限范围内选取所述辅助光路所需的光束半径和放大率；
按照所述光束半径的选取结果设置所述可变光阑(110)的通光口径，以及根据所述放大率的选取结果和所述物镜(132)的焦距设置所述变焦镜头(125)的焦距。
11.根据权利要求10所述的光学对焦装置，其特征在于，所述处理器(140)还被配置为通过以下方式调节所述可变光阑(110)的通光口径和所述变焦镜头(125)的焦距：
确定所述辅助光路所需达到的对焦精度；
计算出达到所述对焦精度的所述辅助光路所需的光束半径与放大率的乘积值；
在满足所述乘积值的条件下，在所述光束半径与放大率各自的界限范围内选取所述辅助光路所需的光束半径和放大率；
按照所述光束半径的选取结果设置所述可变光阑(110)的通光口径，以及根据所述放大率的选取结果和所述物镜(132)的焦距设置所述变焦镜头(125)的焦距。
12.根据权利要求1或2或3或4或6或7或8或10或11所述的光学对焦装置，其特征在于，所述辅助光路的发射光路包括按序设置的光源(122)、准直透镜(123)和刀口光阑(124)；
所述接收光路包括按序设置的分光镜组件，其中，所述分光镜组件设置在所述刀口光阑(124)与所述显微镜的物镜(132)之间。
13.根据权利要求12所述的光学对焦装置，其特征在于，所述分光镜组件包括第一分光镜(126)和第二分光镜(127)，其中，所述第一分光镜(126)设置在所述刀口光阑(124)与所述第二分光镜(127)之间，所述第二分光镜(127)被配置为将穿过所述第一分光镜(126)的光束导向所述物镜(132)，所述第一分光镜(126)被配置为将所述样品(134)处反射的且受所述第二分光镜(127)导向的光束导向所述相机(121)的镜头。
14.根据权利要求1或2或3或4或6或7或8或10或11所述的光学对焦装置，其特征在于，所述处理器(140)还被配置为在调节至所述辅助光路具有预设的线性工作范围之后，对所述物镜(132)和样品(134)进行对焦，再根据显微镜的参数，调节所述可调的光学元件以使所述辅助光路具有预设的对焦精度。
15.根据权利要求14所述的光学对焦装置，其特征在于，所述处理器(140)还被配置为在调节至所述辅助光路具有预设的对焦精度之后，对所述物镜(132)和样品(134)进行对焦。
16.根据权利要求14所述的光学对焦装置，其特征在于，所述处理器还被配置为触发所述相机(121)以捕获图像，并计算出所述图像的光斑质心，以确定对应的离焦向量，并根据所述离焦向量生成驱动物镜(132)和/或样品(134)的指令，以使所述物镜(132)和样品(134)对焦。
17.一种用于显微镜对焦的光学对焦方法，其特征在于，包括：
在显微镜中设置用于辅助对焦的辅助光路，所述辅助光路中配置有一相机及至少一种可调的光学元件；
根据显微镜的参数，调节该可调的光学元件以使所述辅助光路具有预设的线性工作范围；
触发所述辅助光路的相机以捕获第一图像；
计算所述第一图像的光斑质心，以确定对应的离焦向量；
根据所述离焦向量驱动显微镜的物镜和/或样品，以使显微镜对焦于样品。
18.根据权利要求17所述的光学对焦方法，其特征在于，还包括：
计算所述辅助光路当前的实际对焦精度，若所述实际对焦精度不满足当前使用的物镜的对焦精度需求，则执行所述显微镜的第二次对焦，包括：
根据显微镜的参数，调节该可调的光学元件以使所述辅助光路具有预设的对焦精度；
触发所述相机以捕获第二图像；
计算所述第二图像的光斑质心，以确定对应的新离焦向量；
根据所述新离焦向量驱动所述物镜和/或样品，以使显微镜对焦于样品。
19.根据权利要求17或18所述的光学对焦方法，其特征在于，所述可调的光学元件为设置在所述辅助光路的发射光路上的可变光阑，通过以下方式调节所述可变光阑的通光口径：
计算出达到预设线性工作范围的所述辅助光路所需的光束半径及/或计算出达到预设对焦精度的所述辅助光路所需的光束半径；
根据所述辅助光路所需的光束半径的计算结果调节所述可变光阑的通光口径。
20.根据权利要求17或18所述的光学对焦方法，其特征在于，所述可调的光学元件为设置在所述辅助光路的接收光路上的变焦镜头，通过以下方式设置所述变焦镜头的焦距：
计算出达到预设线性工作范围的所述辅助光路所需的放大率及/或计算出达到预设对焦精度的所述辅助光路所需的放大率；
根据所述辅助光路所需的放大率的计算结果和所述物镜的焦距设置所述变焦镜头的焦距。
21.一种显微镜，其特征在于，包括如权利要求1至16中任一项所述的光学对焦装置。
22.一种计算机程序产品，具有可运行的程序代码，其特征在于，当所述程序代码在处理器上运行时，执行如权利要求17至20中任一项所述的光学对焦方法。
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