CN116165767A - 一种自动聚焦系统和方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种自动聚焦系统和方法，该系统包括：光源系统，用于发射信号光照射在被测样品表面，并将信号光被被测样品反射的反射光进行分光，得到第一探测光束和第二探测光束；双通道共焦探测系统，用于将第一探测光束转换为第一电信号，将第二探测光束转换为第二电信号；高速信号处理系统，用于将第一电信号转换为第一数字信号，将第二电信号转换为第二数字信号，根据第一数字信号和第二数字信号携带的光强度信息，确定被测样品表面相对显微成像系统中物镜的离焦距离和离焦方向；中央控制系统，用于根据离焦距离和离焦方向调整被测样品表面与物镜之间的距离，直至离焦距离和离焦方向为零。

Description

一种自动聚焦系统和方法

技术领域

本公开涉及光学成像技术领域，尤其涉及一种自动聚焦系统和方法。

背景技术

在显微成像系统中，成像透镜的最前端与被测样品之间存在一个最佳距离，在该位置处能够采集到一幅具有高对比度的清晰图像，因此，这个最佳距离定义为该成像透镜的工作距离。如果成像透镜和物体之间的距离偏离该工作距离，采集到的图像是一幅对比度较差的模糊图像，偏离工作距离越大，采集的图像越模糊。

目前，比较成熟的自动聚焦技术包括：图像式自动聚焦、激光光斑式自动聚焦、线阵传感器式自动聚焦等技术。

以上三种自动聚焦的方式本质上都可以归类为图像式自动聚焦，均通过采用阵列传感器检测样品图像、激光光斑、条纹图样的图像等因离焦而产生的模糊或者放大的原理来实现测量。由于需要对二维或者一维图像进行实时处理，因此，这三种自动聚焦方式的聚焦速度受到一定限制。

发明内容

本公开提供了一种自动聚焦系统和方法，以至少解决现有技术中存在的以上技术问题。

根据本公开的第一方面，提供了一种自动聚焦系统，所述系统包括光源系统、双通道共焦探测系统、高速信号处理系统和中央控制系统，其中：

光源系统，用于发射信号光照射在被测样品表面，并将所述信号光被所述被测样品反射的反射光进行分光，得到第一探测光束和第二探测光束；

双通道共焦探测系统，用于将所述第一探测光束转换为第一电信号，将所述第二探测光束转换为第二电信号；

高速信号处理系统，用于将所述第一电信号转换为第一数字信号，将所述第二电信号转换为第二数字信号，根据所述第一数字信号和第二数字信号携带的光强度信息，确定所述被测样品表面相对显微成像系统中物镜的离焦距离和离焦方向；

所述中央控制系统，用于根据所述离焦距离和离焦方向调整所述被测样品表面与所述物镜之间的距离，直至所述离焦距离和离焦方向为零。

在一可实施方式中，所述光源系统包括：信号光源、第一分光束镜和第二分光束镜，其中：

所述信号光源用于发射所述信号光，所述信号光经过所述第一分光束镜透射后得到第一光束，所述第一光束经过所述第二分光束镜的反射后得到第二光束，所述第二光束垂直照射在所述被测样品的表面。

在一可实施方式中，所述光源系统还包括中性分光束镜；

所述第二光束被所述被测样品反射得到第三光束，所述第三光束经过所述第二分光束镜的反射后得到第四光束，所述第四光束经过所述第一分光束镜的反射后得到第五光束，所述第五光束入射到所述中性分光束镜；

所述中性分光束镜用于对所述第五光束进行分光得到所述第一探测光束和第二探测光束。

在一可实施方式中，所述第二光束、第三光束的光路与所述显微成像系统的主光轴的重合；

所述第一光束和第四光束的光路重合。

在一可实施方式中，所述双通道共焦探测系统包括第一光敏元件和第二光敏元件；

所述第一光敏元件位于所述物镜的焦点成像位置，所述第二光敏元件位于远离所述物镜的焦点成像位置；

所述第一光敏元件用于将所述第一探测光束转换为第一电信号；

所述第二光敏元件用于将所述第二探测光束转换为第二电信号。

在一可实施方式中，所述高速信号处理系统包括：放大器和模数转换器；

所述放大器用于将所述第一电信号和第二电信号进行放大处理；

所述模数转换器用于将放大处理后的第一电信号转换为第一数字信号，将放大处理后的和第二电信号转换为第二数字信号。

在一可实施方式中，所述高速信号处理系统还包括：计算单元；

所述计算单元用于基于所述第一数字信号和第二数字信号的光强度差值计算所述离焦方向和离焦距离。

在一可实施方式中，所述自动聚焦系统还包括：微型精密电机；

所述中央控制系统，还用于根据所述高速信号处理系统反馈的所述离焦距离和离焦方向，驱动所述微型精密电机带动所述光源系统、所述双通道共焦探测系统和所述显微成像系统沿所述显微成像系统的主光轴进行移动。

在一可实施方式中，所述移动的步长由所述显微成像系统的放大倍数确定。

在一可实施方式中，所述光源系统还包括照明光源，用于发射照明光照射在被测样品表面，以用于所述显微成像系统进行图像采集；

所述中央控制系统，还用于在所述高速信号处理系统反馈的所述离焦距离和离焦方向为零时，控制所述光源系统关闭所述信号光源打开所述照明光源。

根据本公开的第二方面，提供了一种自动聚焦方法，所述方法包括：

向被测样品表面照射信号光；

对被测样品反射的反射光进行分光，得到第一探测光束和第二探测光束；

将所述第一探测光束转换为第一电信号，将所述第二探测光束转换为第二电信号；

将所述第一电信号转换为第一数字信号，将所述第二电信号转换为第二数字信号；

根据所述第一数字信号和第二数字信号携带的光强度信息，确定所述被测样品表面相对显微成像系统中物镜的离焦距离和离焦方向；

根据所述离焦距离和离焦方向调整所述被测样品表面与所述物镜之间的距离，直至所述离焦距离和离焦方向为零。

在一可实施方式中，向被测样品表面照射信号光，包括：

通过信号光源发射信号光；

所述信号光经过第一分光束镜透射后得到第一光束，所述第一光束经过第二分光束镜的反射后得到第二光束，所述第二光束垂直照射在所述被测样品的表面。

在一可实施方式中，对被测样品反射的反射光进行分光，得到第一探测光束和第二探测光束，包括：

所述第二光束被所述被测样品反射得到第三光束，所述第三光束经过所述第二分光束镜的反射后得到第四光束，所述第四光束经过所述第一分光束镜的反射后得到第五光束，所述第五光束入射到中性分光束镜；

通过中性分光束镜将所述第五光束进行分光得到所述第一探测光束和第二探测光束。

在一可实施方式中，所述第二光束、第三光束的光路与所述显微成像系统的主光轴重合；

所述第一光束和第四光束的光路重合。

在一可实施方式中，将所述第一探测光束转换为第一电信号，将所述第二光束转换为第二电信号，包括：

通过第一光敏元件将所述第一探测光束转换为第一电信号，通过第二光敏元件将所述第二探测光束转换为第二电信号；

所述第一光敏元件位于所述物镜的焦点成像位置，所述第二光敏元件位于远离所述物镜的焦点成像位置。

在一可实施方式中，将所述第一电信号转换为第一数字信号，将所述第二电信号转换为第二数字信号，包括；

分别将所述第一电信号和第二电信号进行放大处理；

将放大处理后的第一电信号转换为第一数字信号，将放大处理后的和第二电信号转换为第二数字信号。

在一可实施方式中，所述根据所述第一数字信号和第二数字信号携带的光强度信息，确定所述被测样品表面相对显微成像系统中物镜的离焦距离和离焦方向，包括：

基于所述第一数字信号和第二数字信号的光强度差值计算所述离焦方向和离焦距离。

在一可实施方式中，所述根据所述离焦距离和离焦方向调整所述被测样品与所述物镜之间的距离，包括：

根据所述离焦距离和离焦方向，驱动微型精密电机带动所述显微成像系统、信号光源、第一分光束镜、第二分光束镜、中性分光束镜、第一光敏元件和第二光敏元件沿主光轴进行移动。

在一可实施方式中，所述移动的步长由所述显微成像系统的放大倍数确定。

在一可实施方式中，所述方法还包括：

当所述离焦距离和离焦方向为零时，停止向所述被测样品表面照射信号光，改为向所述被测样品表面照射照明光，以使所述显微成像系统对所述被测样本表面进行图像采集。

本公开的自动聚焦系统和方法，能够协同显微成像系统实现快速且准确的自动聚焦。自动聚焦系统包括：光源系统、双通道共焦探测系统、高速信号处理系统和中央控制系统。通过光源系统进行分光，通过双通道共焦探测系统将两个光信号转换为电信号，高速信号处理系统将电信号快速处理为两个携带光强度信息的数字信号，并基于两路数字信号携带的光强度信息可准确地计算出被测样品表面相对于物镜的离焦方向和离焦距离，从而调节物镜与被测样品表面之间的距离为工作距离，使得测样品表面处于物镜的最佳聚焦位置，显微成像系统在此时可以采集到被测样品表面最清晰的图像。

应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本公开的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本公开的范围。本公开的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。

附图说明

通过参考附图阅读下文的详细描述，本公开示例性实施方式的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本公开的若干实施方式，其中：

在附图中，相同或对应的标号表示相同或对应的部分。

图1示出了本公开实施例的自动聚焦系统的示意图一；

图2示出了本公开另一实施例的自动聚焦系统的示意图二；

图3示出了本公开实施例的第一光敏元件和第二光敏元件位置的示意图；

图4示出了本公开实施例的自动聚焦方法实现流程示意图；

图5示出了本公开实施例向被测样品表面照射信号光的实现流程示意图；

图6示出了本公开实施例对被测样品反射的反射光进行分光的实现流程示意图；

图7示出了本公开实施例将电信号转换为数字信号的实现流程示意图。

具体实施方式

为使本公开的目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开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公开一部分实施例，而非全部实施例。基于本公开中的实施例，本领域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，都属于本公开保护的范围。

本公开提供一种自动聚焦系统，通过与显微成像系统协同配合，自动调节显微成像系统中物镜与被测样品之间的距离，保证显微成像系统的物镜处于最佳聚焦位置，确保能够采集到最清晰的图像。具体的，如图1所示，自动聚焦系统包括：光源系统10、双通道共焦探测系统20、高速信号处理系统30和中央控制系统40，其中：

光源系统10，用于发射信号光照射在被测样品表面，并将信号光被被测样品反射的反射光进行分光，得到第一探测光束和第二探测光束。

在本示例中，信号光为单色激光，单色激光具有较好的方向性和较高的亮度，能为双通道共焦探测系统提供稳定的光信号输出。被测样品可以是不透明、半透明、透明材质的物品，其样品表面可以是平整的，也可以是不平整的，本公开对被测样品的材质以及表面平整程度不做限制。

双通道共焦探测系统20，用于将第一探测光束转换为第一电信号，将第二探测光束转换为第二电信号。

双通道共焦探测系统20包括两个通道，分别为长通道和短通道。其中，第一探测光束进入长通道后，被转换为第一电信号；第二探测光束进入短通道后，被转换为第二电信号。

高速信号处理系统30，用于将第一电信号转换为第一数字信号，将第二电信号转换为第二数字信号，根据第一数字信号和第二数字信号携带的光强度信息，确定被测样品表面相对显微成像系统中物镜的离焦距离和离焦方向。

高速信号处理系统30接收第一电信号和第二电信号，并分别转换为第一数字信号和第二数字信号。其中，第一数字信号携带了第一探测光束的光强度信息、第二数字信号携带了第二探测光束的光强度信息，根据第一电信号和第二电信号的光强度信息可计算被测样品表面相对于物镜的离焦距离和离焦方向。

显微成像系统包括显微镜的物镜和目镜，通常被测样品都被放置在物镜与目镜的主光轴上。离焦距离是指被测样品的表面与物镜焦点的距离，离焦方向是指被测样品相对于物镜焦点的正负方向，即在主光轴上，以物镜的焦点为中心的两个相反方向。

中央控制系统40，用于根据离焦距离和离焦方向调整被测样品表面与物镜之间的距离，直至离焦距离和离焦方向为零。

在本示例中，中央控制系统按照离焦距离和离焦方向沿着显微成像系统的主光轴进行移动，调整被测样品表面与物镜之间的距离。每移动一次，即可进行离焦距离和离焦方向的计算，根据计算结果，再次进行移动，直到计算得到的离焦距离和离焦方向为零。当被测样品表面相对于物镜的离焦距离和离焦方向为零时，即意味着被测样品表面与物镜之间的距离为物镜的工作距离，测样品表面处于物镜的最佳聚焦位置，实现了自动聚焦。

本公开提供一种自动聚焦系统，能够协同显微成像系统实现快速且准确的自动聚焦。自动聚焦系统包括：光源系统10、双通道共焦探测系统20、高速信号处理系统30和中央控制系统40。通过光源系统10进行分光，通过双通道共焦探测系统20将两个光信号转换为电信号，高速信号处理系统30将电信号快速处理为两个携带光强度信息的数字信号，并基于两路数字信号携带的光强度信息可准确地计算出被测样品表面相对于物镜的离焦方向和离焦距离，从而调节物镜与被测样品表面之间的距离为工作距离，使得测样品表面处于物镜的最佳聚焦位置，显微成像系统在此时可以采集到被测样品表面最清晰的图像。

在一个示例中，如图2所示，光源系统10包括：信号光源101、第一分光束镜102和第二分光束镜103，其中：

信号光源101用于发射信号光，信号光经过第一分光束镜102透射后得到第一光束，第一光束经过第二分光束镜103的反射后得到第二光束，第二光束垂直照射在所述被测样品的表面。

在本示例中，信号光源101包括单色半导体激光光源和光源驱动器(图中未示出)，光源驱动器控制单色半导体激光光源发射单色激光作为信号光。

分光束镜是一种镀膜玻璃，通过在光学玻璃表面镀上一层或多层薄膜形成的，用于将入射光束分成具有一定光强比的透射与反射的两束光或多束光。在公开中采用的分光束镜是将膜层镀在45°的直角棱镜斜面上，再胶合一个同样形状的棱镜形成的，因此，第一分光束镜102和第二分光束镜103能将入射的信号光分成透射和反射的两束光。此外，本公开对第一分光束镜102和第二分光束镜103的透射率和反射率比(T：R)不做限制，可根据实际情况调整分光束镜的透射率和反射率比。例如，第一分光束镜102的T：R为60：40，即光线经过第一分光束镜102分光后，透射光的比例为60％，反射光的比例为40％；第二分光束镜103的T：R为20：80，即光线经过第二分光束镜103分光后，透射光的比例为20％，反射光的比例为80％。

在本示例中，信号光照射在第一分光束镜102后被分成两束光线，舍弃反射光保留透射光，即第一光束，使得第一光束照射在第二分光束镜103上；第二分光束镜103将第一光束分成透射光和反射光，此时，舍弃透射光保留反射光，即第二光束，使得第二分光束镜103的第二光束垂直照射在被测样品的表面。

在一个示例中，如图2所示，光源系统10还包括中性分光束镜104；第二光束被被测样品反射得到第三光束，第三光束经过第二分光束镜103的反射后得到第四光束，第四光束经过第一分光束镜102的反射后得到第五光束，第五光束入射到中性分光束镜104；中性分光束镜104用于对第五光束进行分光得到第一探测光束和第二探测光束。

中性分光束镜104是指能将一束光线均分成光谱成分相同的两束光的分光束镜，即在一定的波长区域内，如在可见光区内，中性分光束镜104对各波长的透射率和反射率比为50:50。

承接上一个示例，由于第二光束垂直照射在被测样品的表面，因此第二光束在被被测样品反射后，第三光束原路返回并照射在第二分光束镜103上，第二分光束镜103将反射光分成两束光线，舍弃透射光保留反射光，即第四光束，并使得第四光束照射在第一分光束镜102上；第一分光束镜102继续将第四光束分光，并将反射的第五光束光照射在中性分光束镜104上；中性分光束镜104将第五光束均分为两束光，分别为第一探测光束和第二探测光束。

在一个示例中，如图2所示，第二光束、第三光束的光路与显微成像系统的主光轴的重合；第一光束和第四光束的光路重合。

在本示例中，通过设置第一分光束镜102和第二分光束镜103的位置和角度(例如，光线入射分光束镜的角度为45°)，使得去往被测样品的第二光束与被被测样品反射的第三光束光路重合，能够最大程度的简化光源系统中镜片的种类和数量。同时，还利用了第二分光束镜103的透射，使得被测样品反射的光线能沿着主光轴进入显微成像系统进行成像，在保证聚焦精度的同时，简化自动聚焦系统的结构。

在现有的自动聚焦技术中，还包括一种激光测距式的自动聚焦。激光测距式自动聚焦采用和成像光路共轴的激光测距仪来测量样品的距离，从而实现自动聚焦，但是采用激光测距的自动聚焦方式不适用于透明样品和表面不平整样品。

因此，在本公开的一个示例中，通过在第一分光束镜102和中性分光束镜104之间的任一位置设置一汇聚透镜(图中未示出)以解决上述问题。汇聚透镜又称正透镜，这种透镜通常中间较厚，边缘较薄，对光束有汇聚作用。汇聚透镜归属于光源系统10，用于将分散的第五光束汇聚成一束光。

在本示例中，如若被测样品是透明材质或表面不平整，或者信号光的传播介质中有杂质时，信号光会由于被测样品的表面不同角度的反射、折射、反射等作用而分散成多束光线。因此，在第五光束照射到中性分光束镜104之前，需要通过汇聚透镜将分散的多束光汇聚成一束光。

在一个示例中，如图3所示，双通道共焦探测系统20包括第一光敏元件201和第二光敏元件202；第一光敏元件201位于物镜的焦点成像位置，第二光敏元件202位于远离物镜的焦点成像位置；第一光敏元件201用于将第一探测光束转换为第一电信号；第二光敏元件202用于将第二探测光束转换为第二电信号。

光敏元件是一种基于半导体光电效应的光电转换传感器，又称光电敏感器，例如：光敏电阻、光敏面等。

在本示例中，如图3所示，物镜左侧的焦点(实心点)在经过物镜的折射后，在物镜右侧的主光轴上得到物镜焦点的成像(空心点)，则该点即为物镜的焦点成像位置，物镜右侧的主光轴上除了该焦点成像位置以外的任一位置均为远离焦点成像位置。在一个示例中，可在包含焦点成像位置(即实心点)且垂直于主光轴的平面上任选一点作为长通道中光敏元件的位置，那么该光敏元件即位于焦点成像位置；在包含任一远离焦点成像位置且垂直于主光轴的平面上任选一点作为短通道中光敏元件的位置，那么该光敏元件即位于远离焦点成像位置，并且，这两个光敏元件需要分别设置在中性分光束镜104的透射光路和反射光路上。如图3所示，若第一光敏元件201位于焦点成像位置，则第二光敏元件202位于远离焦点成像位置；若第一光敏元件201位于远离焦点成像位置，则第二光敏元件202位于焦点成像位置。

当光线照射在光敏元件上时，会引起光敏元件的电阻阻值产生变化，导致电压或者电流产生变化，即电信号。因此，当第一探测光束照射到第一光敏元件201上时，第一光敏元件201将该光信号转换第一电信号；当第二探测光束照射到第二光敏元件202上时，第二光敏元件202将该光信号转换第二电信号。其中，当光敏元件为光敏面时，通过调节光敏面的位置，使得光束照射在光敏面的中心位置，保证光敏面完全能接收光束，将全部的光信号转换为电信号。

在一个示例中，如图2所示，高速信号处理系统30包括：放大器301和模数转换器302；放大器301用于将第一电信号和第二电信号进行放大处理；模数转换器302用于将放大处理后的第一电信号转换为第一数字信号，将放大处理后的和第二电信号转换为第二数字信号。

在本示例中，放大器301是一种增加信号幅度或功率的装置，通过放大器301将第一电信号和第二电信号进行放大处理。模数转换器302是将连续变量的模拟信号转换为离散的数字信号的器件，模数转换器302将放大处理后的第一电信号转换为第一数字信号，以及将放大处理后的和第二电信号转换为第二数字信号。

在一个示例中，如图2所示，高速信号处理系统30还包括：计算单元303；计算单元303用于基于第一数字信号和第二数字信号的光强度差值计算离焦方向和离焦距离。

第一数字信号和第二数字信号分别携带了第一探测光束的光强度信息和第二探测光束的光强度信息。由于两束光的光强度信息不同，因此，计算单元303根据第一数字信号和第二数字信号的光强度的差值，计算被测样品表面相对于物镜的离焦方向和离焦距离。

在一个示例中，如图2所示，自动聚焦系统还包括：微型精密电机50；中央控制系统40，还用于根据高速信号处理系统30反馈的离焦距离和离焦方向，驱动微型精密电机50带动光源系统10、双通道共焦探测系统20和显微成像系统沿主光轴进行移动。

中央控制系统40根据高速信号处理系统30反馈的离焦距离和离焦方向，驱动微型精密电机50带动光源系统10、双通道共焦探测系统20和显微成像系统按照离焦距离和离焦方向，相对于被测样品在主光轴上进行移动，调节物镜与被测样品之间的距离。

在一个示例中，移动的步长由显微成像系统的放大倍数确定。

移动的步长是指微型精密电机50带动光源系统10、双通道共焦探测系统20和显微成像系统每移动一次的距离。例如，移动的步长为0.05um是指微型精密电机50带动光源系统10、双通道共焦探测系统20和显微成像系统，沿着显微成像系统的主光轴移动0.05um。

显微成像系统的放大倍数的变化会影响成像参数的大小，例如景深。景深是指在摄影机镜头或其他成像器前沿能够取得清晰图像的成像所测定的被摄物体前后距离范围。通常显微成像系统的放大倍数越大，景深的范围越小，对物镜的工作距离的精度要求就越高，相应的，微型精密电机50的移动步长就需要越小。

假设景深为1um，当微型精密电机50移动的步长大于等于1um时，则无法捕捉到图像呈现最清晰时对应的工作距离；如果移动的步长比较小，例如为0.1um时，可以微型精密电机50可以带动光源系统10、双通道共焦探测系统20和显微成像系统一步一步地移动，直至找到图像呈现最清晰时的工作距离。

再例如，当显微成像系统的放大倍数为100倍时，景深的范围只有0.06um，移动的步长要更小(至少要比0.06um小)。因此，移动的步长可以由显微成像系统的放大倍数确定。

同时，微型精密电机50的移动步长还与高速信号处理系统30的计算离焦方向和离焦距离的次数密切相关。微型精密电机50每带动光源系统10、双通道共焦探测系统20和显微成像系统移动一次，高速信号处理系统30就会进行一次离焦距离和离焦方向的计算。移动的步长越小，高速信号处理系统计算的精度越高，相应的计算的次数也就越多。

因此，为了保证自动聚焦系统能够快速确定物镜最佳的工作距离，根据显微成像系统的放大倍数和高速信号处理系统的计算离焦方向和离焦距离的次数，并结合实际情况，共同确定合适的移动步长，使得自动聚焦系统能协同显微成像系统快速且精准地移动到物镜的最佳聚焦位置。

在一个示例中，光源系统10还包括照明光源，用于发射照明光照射在被测样品表面，以用于显微成像系统进行图像采集；中央控制系统40，还用于在高速信号处理系统30反馈的离焦距离和离焦方向为零时，控制光源系统10关闭信号光源101打开照明光源。

照明光源包括白光卤素光源、光源控制器和光纤。照明光源采用科勒照明的方式，白光卤素光源经过光纤进入科勒照明透镜组后到达被测样品表面，为显微成像系统在进行图像采集时提供均匀的照明光源。在高速信号处理系统30反馈的离焦距离和离焦方向为零时，即显微成像系统的物镜到达最佳聚焦位置，中央控制系统40控制光源系统10关闭信号光源打开照明光源，显微成像系统立体照明光源进行图像采集。

本公开还提供了一种自动聚焦方法，如图4所示，该方法包括：

步骤401：向被测样品表面照射信号光。

在本示例中，信号光为单色激光，单色激光具有较好的方向性和较高的亮度，能为双通道共焦探测系统提供稳定的光信号输出。

步骤402：对被测样品反射的反射光进行分光，得到第一探测光束和第二探测光束。

在本示例中，被测样品可以是不透明、半透明、透明材质的物品，其样品表面可以是平整的，也可以是不平整的，本公开对被测样品的材质以及表面平整程度不做限制。

步骤403：将第一探测光束转换为第一电信号，将第二探测光束转换为第二电信号。

步骤404：将第一电信号转换为第一数字信号，将第二电信号转换为第二数字信号。

步骤405：根据第一数字信号和第二数字信号携带的光强度信息，确定被测样品表面相对显微成像系统中物镜的离焦距离和离焦方向。

显微成像系统包括显微镜的物镜和目镜，通常被测样品都被放置在物镜与目镜的主光轴上。离焦距离是指被测样品的表面与物镜焦点的距离，离焦方向是指被测样品相对于物镜焦点的正负方向，即在主光轴上，以物镜的焦点为中心的两个相反方向。

步骤406：根据离焦距离和离焦方向调整被测样品表面与物镜之间的距离，直至离焦距离和离焦方向为零。

在本示例中，根据离焦距离和离焦方向且沿着显微成像系统的主光轴进行移动，调整被测样品表面与物镜之间的距离。每移动一次，即可进行离焦距离和离焦方向的计算，根据计算结果，再次进行移动，直到计算得到的离焦距离和离焦方向为零。当被测样品表面相对于物镜的离焦距离和离焦方向为零时，即意味着被测样品表面与物镜之间的距离为物镜的工作距离，测样品表面处于物镜的最佳聚焦位置，实现了自动聚焦。

本公开提供一种自动聚焦方法，能够实现显微成像系统快速且准确的自动聚焦。通过被测样品反射回的信号光进行分光，并将两个光信号转换为电信号，将电信号快速处理为两个携带光强度信息的数字信号，并基于两路数字信号携带的光强度信息可准确地计算出被测样品表面相对于物镜的离焦方向和离焦距离，从而调节物镜与被测样品表面之间的距离为工作距离，使得测样品表面处于物镜的最佳聚焦位置，显微成像系统在此时可以采集到被测样品表面最清晰的图像。

在一个示例中，向被测样品表面照射信号光的实现过程，如图5所示，包括：

步骤501：通过信号光源发射信号光。

在本示例中，信号光源包括单色半导体激光光源和光源驱动器，光源驱动器控制单色半导体激光光源发射单色激光作为信号光。

步骤502：信号光经过第一分光束镜透射后得到第一光束，第一光束经过第二分光束镜的反射后得到第二光束，第二光束垂直照射在被测样品的表面。

分光束镜是一种镀膜玻璃，通过在光学玻璃表面镀上一层或多层薄膜形成的，用于将入射光束分成具有一定光强比的透射与反射的两束光或多束光。在公开中采用的分光束镜是将膜层镀在45°的直角棱镜斜面上，再胶合一个同样形状的棱镜形成的。

在本示例中，第一分光束镜和第二分光束镜能将入射的信号光分成透射和反射的两束光。此外，本公开对第一分光束镜和第二分光束镜的透射率和反射率比(T：R)不做限制，可根据实际情况调整分光束镜的透射率和反射率比。例如，第一分光束镜的T：R为60：40，即光线经过第一分光束镜分光后，透射光的比例为60％，反射光的比例为40％；第二分光束镜的T：R为20：80，即光线经过第二分光束镜分光后，透射光的比例为20％，反射光的比例为80％。

在本示例中，信号光照射在第一分光束镜后被分成两束光线，舍弃反射光保留透射光，即第一光束，使得第一光束照射在第二分光束镜上；第二分光束镜将第一光束分成透射光和反射光，此时，舍弃透射光保留反射光，即第二光束，使得第二分光束镜的第二光束垂直照射在被测样品的表面。

在一个示例中，对被测样品反射的反射光进行分光，得到第一探测光束和第二探测光束的实现过程，如图6所示，包括：

步骤601：第二光束被被测样品反射得到第三光束，第三光束经过第二分光束镜的反射后得到第四光束，第四光束经过第一分光束镜的反射后得到第五光束，第五光束入射到中性分光束镜。

中性分光束镜是指能将一束光线均分成光谱成分相同的两束光的分光束镜，即在一定的波长区域内，如在可见光区内，中性分光束镜104对各波长的透射率和反射率比为50:50。

步骤602：通过中性分光束镜将第五光束进行分光得到第一探测光束和第二探测光束。

承接上一个示例，由于第二光束垂直照射在被测样品的表面，因此第二光束在被被测样品反射后，第三光束原路返回并照射在第二分光束镜上，第二分光束镜将反射光分成两束光线，舍弃透射光保留反射光，即第四光束，并使得第四光束照射在第一分光束镜上；第一分光束镜继续将第四光束分光，并将反射的第五光束光照射在中性分光束镜上；中性分光束镜将第五光束均分为两束光，分别为第一探测光束和第二探测光束。

在一个示例中，第二光束、第三光束的光路与显微成像系统的主光轴重合；第一光束和第四光束的光路重合。

在本示例中，通过设置第一分光束镜和第二分光束镜的位置和角度(例如，光线入射分光束镜的角度为45°)，使得去往被测样品的第二光束与被被测样品反射的第三光束光路重合。同时，还利用了第二分光束镜的透射，使得被测样品反射的光线能沿着主光轴进入显微成像系统进行成像。

在一个示例中，在第五光束入射到中性分光束镜之前，通过汇聚透镜将分散的第五光束汇聚成一束光。

汇聚透镜又称正透镜，这种透镜通常中间较厚，边缘较薄，对光束有汇聚作用。

在本示例中，如若被测样品的表面不平整，或者信号光的传播介质中有杂质时，信号光会由于被测样品的表面不同角度的反射，杂质的折射、反射等作用而分散成多束光线。因此，在第五光束射到中性分光束镜之前，需要通过汇聚透镜将分散的第五光束光汇聚成一束光。

在一个示例中，将第一探测光束转换为第一电信号，将第二光束转换为第二电信号的实现过程，包括：通过第一光敏元件将第一探测光束转换为第一电信号，通过第二光敏元件将第二探测光束转换为第二电信号；第一光敏元件位于物镜的焦点成像位置，第二光敏元件位于远离物镜的焦点成像位置。

光敏元件是一种基于半导体光电效应的光电转换传感器，又称光电敏感器，例如：光敏电阻、光敏面等。

在本示例中，物镜左侧的焦点在经过物镜的折射后，在物镜右侧的主光轴上得到物镜焦点的成像，则该点即为物镜的焦点成像位置，物镜右侧的主光轴上除了该焦点成像位置以外的任一位置均为远离焦点成像位置。在一个示例中，可在包含焦点成像位置且垂直于主光轴的平面上任选一点作为长通道中光敏元件的位置，那么该光敏元件即位于焦点成像位置；在包含任一远离焦点成像位置且垂直于主光轴的平面上任选一点作为短通道中光敏元件的位置，那么该光敏元件即位于远离焦点成像位置，并且，这两个光敏元件需要分别设置在中性分光束镜的透射光路和反射光路上。若第一光敏元件位于焦点成像位置，则第二光敏元件位于远离焦点成像位置；若第一光敏元件位于远离焦点成像位置，则第二光敏元件位于焦点成像位置。

当光线照射在光敏元件上时，会引起光敏元件的电阻阻值产生变化，导致电压或者电流产生变化，即电信号。因此，当第一探测光束照射到第一光敏元件上时，第一光敏元件将该光信号转换第一电信号；当第二探测光束照射到第二光敏元件上时，第二光敏元件将该光信号转换第二电信号。其中，当光敏元件为光敏面时，通过调节光敏面的位置，使得光束照射在光敏面的中心位置，保证光敏面完全能接收光束，将全部的光信号转换为电信号。

在一个示例中，将第一电信号转换为第一数字信号，将第二电信号转换为第二数字信号的实现过程，如图7所示，包括；

步骤701：分别将第一电信号和第二电信号进行放大处理。

在本示例中，通过放大器将第一电信号和第二电信号进行放大处理，放大器是一种增加信号幅度或功率的装置。

步骤702：将放大处理后的第一电信号转换为第一数字信号，将放大处理后的和第二电信号转换为第二数字信号。

在本示例中，通过模数转换器将放大处理后的第一电信号转换为第一数字信号，以及将放大处理后的和第二电信号转换为第二数字信号，模数转换器是将连续变量的模拟信号转换为离散的数字信号的器件。

在一个示例中，根据第一数字信号和第二数字信号携带的光强度信息，确定被测样品表面相对显微成像系统中物镜的离焦距离和离焦方向的实现过程，包括：基于第一数字信号和第二数字信号的光强度差值计算离焦方向和离焦距离。

第一数字信号和第二数字信号分别携带了第一探测光束的光强度信息和第二探测光束的光强度信息。由于两束光的光强度信息不同，根据第一数字信号和第二数字信号的光强度的差值，计算被测样品表面相对于物镜的离焦方向和离焦距离。

在一个示例中，根据离焦距离和离焦方向调整被测样品与物镜之间的距离的实现过程，包括：根据离焦距离和离焦方向，驱动微型精密电机带动显微成像系统、信号光源、第一分光束镜、第二分光束镜、中性分光束镜、第一光敏元件和第二光敏元件沿主光轴进行移动。

在本示例中，根据离焦距离和离焦方向，通过驱动微型精密电机带动信号光源、第一分光束镜、第二分光束镜、汇聚透镜、中性分光束镜、第一光敏元件、第二光敏元件以及显微成像系统沿主光轴进行移动，以调节物镜与被测样品之间的距离。

在一个示例中，移动的步长由显微成像系统的放大倍数确定。

移动的步长是指微型精密电机信号光源、第一分光束镜、第二分光束镜、汇聚透镜、中性分光束镜、第一光敏元件、第二光敏元件以及显微成像系统每移动一次的距离。例如，移动的步长为0.05um是指微型精密电机带动信号光源、第一分光束镜、第二分光束镜、汇聚透镜、中性分光束镜、第一光敏元件、第二光敏元件以及显微成像系统沿着主光轴移动0.05um。

显微成像系统的放大倍数的变化会影响成像参数的大小，例如景深。景深是指在摄影机镜头或其他成像器前沿能够取得清晰图像的成像所测定的被摄物体前后距离范围。通常显微成像系统的放大倍数越大，景深的范围越小，对物镜的工作距离的精度要求就越高，相应的，微型精密电机的移动步长就需要越小。

假设景深为1um，当微型精密电机移动的步长大于等于1um时，则无法捕捉到图像呈现最清晰时对应的工作距离；如果移动的步长比较小，例如为0.1um时，可以微型精密电机可以带动信号光源、第一分光束镜、第二分光束镜、汇聚透镜、中性分光束镜、第一光敏元件、第二光敏元件以及显微成像系统一步一步地移动，直至找到图像呈现最清晰时的工作距离。

再例如，当显微成像系统的放大倍数为100倍时，景深的范围只有0.06um，移动的步长要更小(至少要比0.06um小)。因此，移动的步长可以由显微成像系统的放大倍数确定。

同时，微型精密电机的移动步长还与计算离焦方向和离焦距离的次数密切相关。微型精密电机每带动信号光源、第一分光束镜、第二分光束镜、汇聚透镜、中性分光束镜、第一光敏元件、第二光敏元件以及显微成像系统移动一次，就会进行一次离焦距离和离焦方向的计算。移动的步长越小，计算的精度越高，相应的计算的次数也就越多。

因此，为了实现快速确定物镜最佳的工作距离，根据显微成像系统的放大倍数和计算离焦方向和离焦距离的次数，并结合实际情况，共同确定合适的移动步长，实现将显微成像系统快速且精准地移动到最佳聚焦位置。

在一个示例中，当离焦距离和离焦方向为零时，停止向被测样品表面照射信号光，改为向被测样品表面照射照明光，以使显微成像系统对被测样本表面进行图像采集。

在本示例中，在离焦距离和离焦方向为零时，即显微成像系统的物镜到达最佳聚焦位置，此时，停止向被测样品表面照射信号光，改向被测样品表面照射照明光，以用于显微成像系统立体进行图像采集。

应该理解，可以使用上面所示的各种形式的流程，重新排序、增加或删除步骤。例如，本发公开中记载的各步骤可以并行地执行也可以顺序地执行也可以不同的次序执行，只要能够实现本公开公开的技术方案所期望的结果，本文在此不进行限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示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”的特征可以明示或隐含地包括至少一个该特征。在本公开的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

以上所述，仅为本公开的具体实施方式，但本公开的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本公开揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本公开的保护范围之内。因此，本公开的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (20)

1.一种自动聚焦系统，其特征在于，所述系统包括光源系统、双通道共焦探测系统、高速信号处理系统和中央控制系统，其中：

光源系统，用于发射信号光照射在被测样品表面，并将所述信号光被所述被测样品反射的反射光进行分光，得到第一探测光束和第二探测光束；

双通道共焦探测系统，用于将所述第一探测光束转换为第一电信号，将所述第二探测光束转换为第二电信号；

高速信号处理系统，用于将所述第一电信号转换为第一数字信号，将所述第二电信号转换为第二数字信号，根据所述第一数字信号和第二数字信号携带的光强度信息，确定所述被测样品表面相对显微成像系统中物镜的离焦距离和离焦方向；

所述中央控制系统，用于根据所述离焦距离和离焦方向调整所述被测样品表面与所述物镜之间的距离，直至所述离焦距离和离焦方向为零。

2.根据权利要求1所述的自动聚焦系统，其特征在于，所述光源系统包括：信号光源、第一分光束镜和第二分光束镜，其中：

所述信号光源用于发射所述信号光，所述信号光经过所述第一分光束镜透射后得到第一光束，所述第一光束经过所述第二分光束镜的反射后得到第二光束，所述第二光束垂直照射在所述被测样品的表面。

3.根据权利要求2所述的自动聚焦系统，其特征在于，所述光源系统还包括中性分光束镜；

所述第二光束被所述被测样品反射得到第三光束，所述第三光束经过所述第二分光束镜的反射后得到第四光束，所述第四光束经过所述第一分光束镜的反射后得到第五光束，所述第五光束入射到所述中性分光束镜；

所述中性分光束镜用于对所述第五光束进行分光得到所述第一探测光束和第二探测光束。

4.根据权利要求3所述的自动聚焦系统，其特征在于，所述第二光束、第三光束的光路与所述显微成像系统的主光轴的重合；

所述第一光束和第四光束的光路重合。

5.根据权利要求1所述的自动聚焦系统，其特征在于，所述双通道共焦探测系统包括第一光敏元件和第二光敏元件；

所述第一光敏元件位于所述物镜的焦点成像位置，所述第二光敏元件位于远离所述物镜的焦点成像位置；

所述第一光敏元件用于将所述第一探测光束转换为第一电信号；

所述第二光敏元件用于将所述第二探测光束转换为第二电信号。

6.根据权利要求1所述的自动聚焦系统，其特征在于，所述高速信号处理系统包括：放大器和模数转换器；

所述放大器用于将所述第一电信号和第二电信号进行放大处理；

所述模数转换器用于将放大处理后的第一电信号转换为第一数字信号，将放大处理后的和第二电信号转换为第二数字信号。

7.根据权利要求1所述的自动聚焦系统，其特征在于，所述高速信号处理系统还包括：计算单元；

所述计算单元用于基于所述第一数字信号和第二数字信号的光强度差值计算所述离焦方向和离焦距离。

8.根据权利要求1所述的自动聚焦系统，其特征在于，所述自动聚焦系统还包括：微型精密电机；

所述中央控制系统，还用于根据所述高速信号处理系统反馈的所述离焦距离和离焦方向，驱动所述微型精密电机带动所述光源系统、所述双通道共焦探测系统和所述显微成像系统沿所述显微成像系统的主光轴进行移动。

9.根据权利要求8所述的自动聚焦系统，其特征在于，所述移动的步长由所述显微成像系统的放大倍数确定。

10.根据权利要求1所述的自动聚焦系统，其特征在于，所述光源系统还包括照明光源，用于发射照明光照射在被测样品表面，以用于所述显微成像系统进行图像采集；

所述中央控制系统，还用于在所述高速信号处理系统反馈的所述离焦距离和离焦方向为零时，控制所述光源系统关闭所述信号光源打开所述照明光源。

11.一种自动聚焦方法，其特征在于，所述方法包括：

向被测样品表面照射信号光；

对被测样品反射的反射光进行分光，得到第一探测光束和第二探测光束；

将所述第一探测光束转换为第一电信号，将所述第二探测光束转换为第二电信号；

将所述第一电信号转换为第一数字信号，将所述第二电信号转换为第二数字信号；

根据所述第一数字信号和第二数字信号携带的光强度信息，确定所述被测样品表面相对显微成像系统中物镜的离焦距离和离焦方向；

根据所述离焦距离和离焦方向调整所述被测样品表面与所述物镜之间的距离，直至所述离焦距离和离焦方向为零。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述向被测样品表面照射信号光，包括：

通过信号光源发射信号光；

所述信号光经过第一分光束镜透射后得到第一光束，所述第一光束经过第二分光束镜的反射后得到第二光束，所述第二光束垂直照射在所述被测样品的表面。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述对被测样品反射的反射光进行分光，得到第一探测光束和第二探测光束，包括：

所述第二光束被所述被测样品反射得到第三光束，所述第三光束经过所述第二分光束镜的反射后得到第四光束，所述第四光束经过所述第一分光束镜的反射后得到第五光束，所述第五光束入射到中性分光束镜；

通过中性分光束镜将所述第五光束进行分光得到所述第一探测光束和第二探测光束。

14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述第二光束、第三光束的光路与所述显微成像系统的主光轴重合；

所述第一光束和第四光束的光路重合。

15.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述将所述第一探测光束转换为第一电信号，将所述第二光束转换为第二电信号，包括：

通过第一光敏元件将所述第一探测光束转换为第一电信号，通过第二光敏元件将所述第二探测光束转换为第二电信号；

所述第一光敏元件位于所述物镜的焦点成像位置，所述第二光敏元件位于远离所述物镜的焦点成像位置。

16.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述将所述第一电信号转换为第一数字信号，将所述第二电信号转换为第二数字信号，包括；

分别将所述第一电信号和第二电信号进行放大处理；

将放大处理后的第一电信号转换为第一数字信号，将放大处理后的和第二电信号转换为第二数字信号。

17.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述根据所述第一数字信号和第二数字信号携带的光强度信息，确定所述被测样品表面相对显微成像系统中物镜的离焦距离和离焦方向，包括：

基于所述第一数字信号和第二数字信号的光强度差值计算所述离焦方向和离焦距离。

18.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述根据所述离焦距离和离焦方向调整所述被测样品与所述物镜之间的距离，包括：

根据所述离焦距离和离焦方向，驱动微型精密电机带动所述显微成像系统、信号光源、第一分光束镜、第二分光束镜、中性分光束镜、第一光敏元件和第二光敏元件沿主光轴进行移动。

19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述移动的步长由所述显微成像系统的放大倍数确定。

20.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

当所述离焦距离和离焦方向为零时，停止向所述被测样品表面照射信号光，改为向所述被测样品表面照射照明光，以使所述显微成像系统对所述被测样本表面进行图像采集。

Images