CN116699825A - 检焦装置及显微成像设备 - Google Patents

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CN116699825A CN202310757191.5A CN202310757191A CN116699825A CN 116699825 A CN116699825 A CN 116699825A CN 202310757191 A CN202310757191 A CN 202310757191A CN 116699825 A CN116699825 A CN 116699825A
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李骏杨
刘长根
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Abstract

本申请涉及一种检焦装置和显微成像设备。检焦装置包括发射组件、接收组件、参考组件、二向色镜、物镜和控制器，发射组件发出的光线包括第一部分光线和第二部分光线，第一部分光线经过二向色镜和物镜抵达至样品、并经样品反射且透过物镜而抵达至接收组件，接收组件根据第一部分光线形成接收信号I1，第二部分光线经过二向色镜抵达至参考组件，参考组件根据第二部分光线形成参考信号I2，控制器用于根据接收信号计算出样品的焦面偏移量F、并能够形成F和I1/I2之间的关系曲线。如此可以消除光线的功率波动干扰所造成的影响，从而提高焦面偏移量F的计算精度，最终提高检焦装置的检焦精度。

Description

检焦装置及显微成像设备
技术领域
本申请涉及医疗器械技术领域，特别是涉及一种检焦装置及包含该检焦装置的显微成像设备。
背景技术
对于显微成像设备，其通常使用高倍率物镜通过显微成像原理对样品进行观察，由于高倍率物镜分辨率高且景深小，容易使得样品的某些区域偏离物镜的焦平面，如此导致图像采集模糊的情况，影响检测速度和图像采集质量。因此需要引进检焦装置对样品的各个区域是否处于物镜的焦平面内进行检测，以便移动样品而使偏离焦平面的区域重新处于焦平面内。但是，对于传统的检焦装置，通常存在检测精度偏低的缺陷。
发明内容
本申请解决的一个技术问题是如何提高检焦装置的检焦精度。
一种检焦装置，包括发射组件、接收组件、参考组件、二向色镜、物镜和控制器，所述发射组件发出的光线包括第一部分光线和第二部分光线，所述第一部分光线经过所述二向色镜和所述物镜抵达至样品、并经所述样品反射且透过所述物镜而抵达至所述接收组件，所述接收组件根据所述第一部分光线形成接收信号I1，所述第二部分光线经过所述二向色镜抵达至所述参考组件，所述参考组件根据所述第二部分光线形成参考信号I2，所述控制器用于根据所述接收信号计算出所述样品的焦面偏移量F、并能够形成F和I1/I2之间的关系曲线。
在其中一个实施例中，所述第一部分光线经所述二向色镜反射以抵达所述物镜，且所述第二部分光线经所述二向色镜透射以抵达所述参考组件；或者，所述第一部分光线经所述二向色镜透射以抵达所述物镜，且所述第二部分光线经所述二向色镜反射以抵达所述参考组件。
在其中一个实施例中，还包括承载台和支撑台，所述承载台用于承载样品，所述物镜设置在所述支撑台上，所述控制器能够控制所述支撑台带动所述物镜移动；和/或所述控制器能够控制所述承载台带动所述样品移动。
在其中一个实施例中，所述发射组件包括光源和准直元件，所述光源发出的所述第一部分光线和所述第二部分光线经所述准直元件抵达至所述二向色镜。
在其中一个实施例中，还包括如下方案中的至少一项：
所述发射组件还包括发射光阑，所述发射光阑位于所述光源和所述准直元件之间，所述发射光阑的通光孔为圆形或正多边形；
所述发射组件还包括发射滤光片，所述发射滤光片位于所述光源和所述准直元件之间，或者所述发射滤光片位于所述准直元件和所述二向色镜之间。
在其中一个实施例中，所述参考组件包括参考聚焦元件和参考探测器，所述第二部分光线通过所述参考聚焦元件抵达至所述参考探测器。
在其中一个实施例中，还包括如下方案中的至少一项：
所述参考组件还包括参考光阑，所述参考光阑位于所述参考聚焦元件和所述参考探测器之间，所述参考光阑的通光孔为圆形或正多边形；
所述参考组件还包括参考滤光片，所述参考滤光片位于所述参考聚焦元件和所述参考探测器之间，或者所述参考滤光片位于所述参考聚焦元件和所述二向色镜之间。
在其中一个实施例中，所述接收组件包括接收聚焦元件和接收探测器，所述第一部分光线通过所述接收聚焦元件抵达至所述接收探测器。
一种检焦装置，包括发射组件、接收组件、物镜和控制器，所述发射组件发出的光线经过所述物镜抵达至样品、并经所述样品反射且透过物镜抵达至所述接收组件，所述接收组件根据所述光线形成接收信号I，所述控制器用于根据所述接收信号I计算出所述样品的焦面偏移量F，且所述控制器能够形成F和I的关系曲线。
一种显微成像设备，包括权利上述中任一项所述的检焦装置。
本申请的一个实施例的一个技术效果是：鉴于检焦装置的控制器首先根据多个接收信号I1计算得出多个焦面偏移量F，并再通过直角坐标系形成焦面偏移量F和I1/I2之间变化曲线关系，继而通过变化曲线上F和I1/I2的一一对应关系，控制器可以根据不同的I1/I2值得出焦面偏移量F的值。由于焦面偏移量F既与样品的位置有关系，也与第一部分光线的功率波动干扰有关系，当控制器形成焦面偏移量F和I1/I2的关系曲线时，通过I1/I2的作用，可以有效消除第一部分光线的功率波动干扰所造成的影响，从而提高焦面偏移量F的计算精度，最终提高检焦装置的检焦精度。
附图说明
图1为一实施例提供的检焦装置的结构示意图。
图2为图1所示检焦装置的第一示例光路图。
图3为图1所示检焦装置检测光斑中心位于接收组件中心左侧的结构示意图。
图4为图1所示检焦装置检测光斑中心与接收组件中心重合的结构示意图。
图5为图1所示检焦装置检测光斑中心位于接收组件中心右侧的结构示意图。
图6为图1所示检焦装置的第二示例光路图。
图7为另一实施例提供的检焦装置的结构示意图。
图8为图7所示检焦装置的光路图。
具体实施方式
为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本申请的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请。但是本申请能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似改进，因此本申请不受下面公开的具体实施例的限制。
在本申请的描述中，需要理解的是，若有出现这些术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等，这些术语指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
此外，若有出现这些术语“第一”、“第二”，这些术语仅用于描述目的，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”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，若有出现术语“多个”，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，若有出现术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等，这些术语应做广义理解。例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，若有出现第一特征在第二特征“上”或“下”等类似的描述，其含义可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
需要说明的是，若元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。若一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。如若存在，本申请所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
参阅图1和图2，本申请一实施例提供的显微成像设备包括检焦装置10。检焦装置10包括发射组件110、接收组件120、参考组件130、二向色镜140、物镜150、承载台160和控制器170。承载台160用于承载被检测的样品30，控制器170与发射组件110、接收组件120、参考组件130和承载台160电性连接。控制器170可以为工控机，控制器170能够控制承载台160带动样品30移动，从而使得样品30的各个区域均能够位于物镜150的焦平面内，确保显微成像设备能够采集到样品30的清晰图像，提高显微成像设备的检测精度。显微成像设备可以应用于基因测序仪。
在一些实施例中，发射组件110发出的光线可以包括第一部分光线111和第二部分光线112，第一部分光线111和第二部分光线112两者的波长可以不相等。二向色镜140可以对某一波长范围内的光线进行反射，而对另外波长范围的光线进行透射。显然，当光线在二向色镜140上反射时，光线将无法透过二向色镜140，当光线在二向色镜140上透射时，光线将透过整个二向色镜140。第一部分光线111可以首先经过二向色镜140，然后经过物镜150以抵达至承载台160上的样品30，样品30对第一部分光线111进行反射，使得反射后的第一部分光线111透过物镜150抵达至接收组件120，接收组件120根据第一部分光线111形成接收信号I1。第二部分光线112经过二向色镜140抵达至参考组件130，参考组件130根据第二部分光线112形成参考信号I2。控制器170用于根据接收信号I1计算出样品30的焦面偏移量F，且控制器170能够形成F和I1/I2的关系曲线。
具体而言，当样品30内的某些区域偏离物镜150的焦平面，会导致显微成像设备无法采集到清晰的图像，故在显微成像设备的工作过程中，必须确保样品30的各区域均能够位于物镜150的焦平面内。例如，当样品30的某一区域相对焦平面更远离物镜150时，接收组件120上所形成的光斑如图3所示，光斑的中心位于接收组件120中心的左侧；当样品30的某一区域刚好位于焦平面所处位置时，接收组件120上所形成的光斑如图4所示，光斑的中心刚好与接收组件120的中心重合；当样品30的某一区域相对焦平面更靠近物镜150时，接收组件120上所形成的光斑如图5所示，光斑的中心位于接收组件120中心的右侧。接收组件120根据光斑中心相对接收组件120中心的偏移距离和偏移方向可以形成不同值的接收信号I1，该接收信号I1可以通过电流值来表征，接收组件120将接收信号I1反馈至控制器170，控制器170对接收信号I1进行转换、处理和计算，可以准确计算出样品30某一区域相对焦平面的实际偏离距离和偏移方向，即准确计算出样品30某一区域相对焦平面的实际焦面偏移量F。当然，参考信号I2也可以通过电流值来表征。
控制器170可以根据多个接收信号I1计算得出多个焦面偏移量F，并计算出接收信号I1与参考信号I2的比值I1/I2，比值I1/I2和焦面偏移量F形成一一对应关系，然后通过直角坐标系形成焦面偏移量F和I1/I2之间变化曲线关系，直角坐标系的横轴可以代表I1/I2的值，直角坐标系的纵轴可以代表焦面偏移量F的值。在焦面偏移量F和I1/I2之间的变化曲线关系建立之后，通过变化曲线上F和I1/I2的一一对应关系，控制器170可以根据不同的I1/I2值得出焦面偏移量F的值，从而使得控制器170是否需要驱动承载台160带动样品30运动合理距离以使待测区域位于物镜150的焦平面内。
假如检焦装置10的控制器170仅根据多个接收信号I1计算得出多个焦面偏移量F，并再通过直角坐标系形成焦面偏移量F和I1之间变化曲线关系，继而通过变化曲线上F和I1的一一对应关系，控制器170可以根据不同的I1值得出焦面偏移量F的值。鉴于光斑中心相对接收组件120中心的位置既与样品30的位置有关系，也与第一部分光线111的功率波动干扰有关系，当控制器170形成F和I1的关系曲线时，其并未消除第一部分光线111的功率波动干扰所造成的影响，从而导致焦面偏移量F的计算精度偏低，最终影响检焦装置10的检焦精度。
而对于上述实施例中的显微成像设备，检焦装置10的控制器170首先根据多个接收信号I1计算得出多个焦面偏移量F，并再通过直角坐标系形成焦面偏移量F和I1/I2之间变化曲线关系，继而通过变化曲线上F和I1/I2的一一对应关系，控制器170可以根据不同的I1/I2值得出焦面偏移量F的值。鉴于光斑中心相对接收组件120中心的位置既与样品30的位置有关系，也与第一部分光线111的功率波动干扰有关系，当控制器170形成F和I1/I2的关系曲线时，通过I1/I2的作用，可以有效消除第一部分光线111的功率波动干扰所造成的影响，从而提高焦面偏移量F的计算精度，最终提高检焦装置10的检焦精度。
在一些实施例中，例如，参阅图2，第一部分光线111经二向色镜140反射以抵达物镜150，并继续通过样品30反射且透过物镜150抵达至接收组件120，而第二部分光线112经二向色镜140透射以抵达参考组件130，使得发射组件110通过二向色镜140的反射光线形成接收信号I1，而发射组件110通过二向色镜140的透射光线形成参考信号I2。又如，参阅图6，第一部分光线111经二向色镜140透射以抵达物镜150，且第二部分光线112经二向色镜140反射以抵达参考组件130，使得发射组件110通过二向色镜140的透射光线形成接收信号I1，而发射组件110通过二向色镜140的反射光线形成参考信号I2。如此均可以使得检焦装置10的控制器170形成焦面偏移量F和I1/I2的关系曲线，进而提高焦面偏移量F的计算精度和检焦装置10的检焦精度。
在一些实施例中，检焦装置10还包括支撑台，支撑台用于承载物镜150，控制器170可以驱动支撑台运动，使得支撑台带动物镜150做同步运动。当样品30的某一区域偏移物镜150的焦平面时，一方面可以使得控制器170仅驱动承载台160运动，承载台160将带动样品30相对物镜150运动，继而使得样品30的待测区域位于物镜150的焦平面内；另一方面可以使得控制器170仅驱动支撑台运动，支撑台将带动物镜150相对样品30运动，继而使得样品30的待测区域位于物镜150的焦平面内；再一方面可以使得控制器170同时驱动承载台160和支撑台运动，同样可以使得样品30的待测区域位于物镜150的焦平面内。
参阅图2和图6，在一些实施例中，所述发射组件110包括光源113和准直元件114，光源113发出的第一部分光线111和第二部分光线112经准直元件114抵达至二向色镜140。例如光源113发出的光线透过准直元件114后可以形成平行光线，平行光线的其中一部分将形成第一部分光线111，剩余部分则可以形成第二部分光线112。光源113可以为氙灯、卤素灯、LED等、激光或者其他光源113等，光源113发射光线的波长需避免与样品30的激发光以及发射荧光的波长产生重叠。准直原件可以通过单片或多片透镜形成。
发射组件110还可以包括发射光阑和发射滤光片，发射光阑位于光源113和准直元件114之间，发射光阑的通光孔为圆形、椭圆形或正多边形等，通过发射光阑的作用，使得光源113发出光线的中间部分能透过发射光阑抵达至准直元件114。发射滤光片可以位于光源113和准直元件114之间，发射滤光片也可以位于准直元件114和二向色镜140之间，通过发射滤光片的过滤作用，可以对光源113发出的光线进行过滤处理。
参阅图2和图6，在一些实施例中，参考组件130包括参考聚焦元件131和参考探测器132，第二部分光线112通过参考聚焦元件131的汇聚作用后抵达至参考探测器132，参考探测器132将通过第二部分光线112形成参考信号I2。参考聚焦元件131可以通过单片或多片透镜形成。参考探测器132可以为光电二级管，参考探测器132也可以为单像元、二象元或多像元探测器等。
参考组件130还可以包括参考光阑和参考滤光片，参考光阑位于参考聚焦元件131和参考探测器132之间，参考光阑的通光孔为圆形、椭圆形或正多边形等，通过参考光阑的作用，使得经过二向色镜140的光线的中间部分能透过参考光阑抵达至参考聚焦元件131。参考滤光片可以位于参考聚焦元件131和参考探测器132之间，参考滤光片也可以位于参考聚焦元件131和二向色镜140之间，通过参考滤光片的过滤作用，可以对光源113发出的光线进行过滤处理，可以对从样品30反射回来的光线进行过滤处理，由此可以提高参考信号I2的检测精度。
参阅图2和图6，在一些实施例中，接收组件120包括接收聚焦元件121和接收探测器122，第一部分光线111通过接收聚焦元件121的汇聚作用后抵达至接收探测器122，接收探测器122将通过第一部分光线111形成接收信号I1。接收聚焦元件121可以通过单片或多片透镜形成。接收探测器122可以为光电二级管，接收探测器122也可以为单像元、二象元或多像元探测器等。
接收组件120还可以包括接收光阑和接收滤光片，接收光阑位于接收聚焦元件121和接收探测器122之间，接收光阑的通光孔为圆形或正多边形等，通过接收光阑的作用，使得从物镜150透出光线的中间部分能透过接收光阑抵达至接收聚焦元件121。接收滤光片可以位于接收聚焦元件121和接收探测器122之间，接收滤光片也可以位于接收聚焦元件121和物镜150之间，通过接收滤光片的过滤作用，可以对光源113发出的光线进行过滤处理，可以对未经物镜150透射而从样品30反射回来的光线进行过滤处理，由此可以提高接收信号I1的检测精度。
参阅图7和图8，本申请另一实施例提供的显微成像设备包括检焦装置20，检焦装置20包括发射组件210、接收组件220、物镜250、承载台260和控制器270。与上述实施例所提供的检焦装置10相互比较，该检焦装置20并未设置二向色镜。工作时，发射组件210发出的光线经过物镜250抵达至承载台260上的样品、并经样品反射且经过物镜250透射后抵达至接收组件220，接收组件220根据从物镜250透射回来的光线形成接收信号I，控制器270用于根据接收信号I计算出样品的焦面偏移量F，且控制器270能够形成F和I的关系曲线。鉴于该实施例的检焦装置20并未设置二向色镜，如此可以简化检焦装置20和显微成像设备的结构，从而实现检焦装置20和显微成像设备的小型化和轻量化设置。
发射组件210包括光源213和准直元件214，光源213发出的光线通过准直元件214抵达至透镜。光源213可以为氙灯、卤素灯、LED等、激光或者其他光源213等，光源213发射光线的波长需避免与样品的激发光以及发射荧光的波长产生重叠。准直原件可以通过单片或多片透镜形成。接收组件220包括接收聚焦元件221和接收探测器222，从样品反射并经物镜250透射后的光线通过接收聚焦元件221的汇聚作用后抵达至接收探测器222，接收探测器222将通过光线形成接收信号I。接收聚焦元件221可以通过单片或多片透镜形成。接收探测器222可以为光电二级管，接收探测器222也可以为单像元、二象元或多像元探测器等。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种检焦装置，其特征在于，包括发射组件、接收组件、参考组件、二向色镜、物镜和控制器，所述发射组件发出的光线包括第一部分光线和第二部分光线，所述第一部分光线经过所述二向色镜和所述物镜抵达至样品、并经所述样品反射且透过所述物镜而抵达至所述接收组件，所述接收组件根据所述第一部分光线形成接收信号I1，所述第二部分光线经过所述二向色镜抵达至所述参考组件，所述参考组件根据所述第二部分光线形成参考信号I2，所述控制器用于根据所述接收信号计算出所述样品的焦面偏移量F、并能够形成F和I1/I2之间的关系曲线。
2.根据权利要求1所述的检焦装置，其特征在于，所述第一部分光线经所述二向色镜反射以抵达所述物镜，且所述第二部分光线经所述二向色镜透射以抵达所述参考组件；或者，所述第一部分光线经所述二向色镜透射以抵达所述物镜，且所述第二部分光线经所述二向色镜反射以抵达所述参考组件。
3.根据权利要求1所述的检焦装置，其特征在于，还包括承载台和支撑台，所述承载台用于承载样品，所述物镜设置在所述支撑台上，所述控制器能够控制所述支撑台带动所述物镜移动；和/或所述控制器能够控制所述承载台带动所述样品移动。
4.根据权利要求1所述的检焦装置，其特征在于，所述发射组件包括光源和准直元件，所述光源发出的所述第一部分光线和所述第二部分光线经所述准直元件抵达至所述二向色镜。
5.根据权利要求4所述的检焦装置，其特征在于，还包括如下方案中的至少一项：
所述发射组件还包括发射光阑，所述发射光阑位于所述光源和所述准直元件之间，所述发射光阑的通光孔为圆形或正多边形；
所述发射组件还包括发射滤光片，所述发射滤光片位于所述光源和所述准直元件之间，或者所述发射滤光片位于所述准直元件和所述二向色镜之间。
6.根据权利要求1所述的检焦装置，其特征在于，所述参考组件包括参考聚焦元件和参考探测器，所述第二部分光线通过所述参考聚焦元件抵达至所述参考探测器。
7.根据权利要求6所述的检焦装置，其特征在于，还包括如下方案中的至少一项：
所述参考组件还包括参考光阑，所述参考光阑位于所述参考聚焦元件和所述参考探测器之间，所述参考光阑的通光孔为圆形或正多边形；
所述参考组件还包括参考滤光片，所述参考滤光片位于所述参考聚焦元件和所述参考探测器之间，或者所述参考滤光片位于所述参考聚焦元件和所述二向色镜之间。
8.根据权利要求1所述的检焦装置，其特征在于，所述接收组件包括接收聚焦元件和接收探测器，所述第一部分光线通过所述接收聚焦元件抵达至所述接收探测器。
9.一种检焦装置，其特征在于，包括发射组件、接收组件、物镜和控制器，所述发射组件发出的光线经过所述物镜抵达至样品、并经所述样品反射且透过物镜抵达至所述接收组件，所述接收组件根据所述光线形成接收信号I，所述控制器用于根据所述接收信号I计算出所述样品的焦面偏移量F，且所述控制器能够形成F和I的关系曲线。
10.一种显微成像设备，其特征在于，包括权利要求1至9中任一项所述的检焦装置。
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