CN117908219A - 一种对焦模组、自动对焦显微成像系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种对焦模组、自动对焦显微成像系统及方法。本发明所述的对焦模组包括：光程差元件，所述光程差元件接收总对焦光束并进行处理，得到至少三束具有光程差的对焦光束；所述光程差元件为X合光棱镜、梯形棱镜、三角棱镜、六边形棱镜中的任意一种；对焦传感器组，用于分别接收所述对焦光束。本发明所述的对焦模组具有对焦准确度高，结构紧凑的优点。

Description

一种对焦模组、自动对焦显微成像系统及方法

技术领域

本发明涉及自动对焦领域，特别是涉及一种自动对焦显微成像系统及方法。

背景技术

现有的显微镜、激光焊接等光学系统在使用前需要进行对焦，现有的光学系统可通过手动或自动的方法进行对焦。手动对焦准确度较低且方法繁琐，因此，光学系统中通常配备有自动对焦系统。

现有的自动对焦系统通常是在焦点的附近采集一系列图像，并对每帧图像进行分析，通过图像的清晰度变化来实现自动对焦。然而，通过这种方法进行对焦的准确度较低，系统抗干扰能力低，且现有的系统中对自动对焦相关组件体积较大，占据较多空间。

发明内容

基于此，本发明的目的在于，提供一种对焦模组、自动对焦显微成像系统及方法，其具有对焦准确度高，结构紧凑，占据空间小的优点。

一种对焦模组，包括

光程差元件，所述光程差元件接收总对焦光束并进行处理，得到至少三束具有光程差的对焦光束；所述光程差元件为X合光棱镜、梯形棱镜、三角棱镜、六边形棱镜中的任意一种；

对焦传感器组，用于分别接收所述对焦光束。

本发明所述的对焦模组，将对焦光束分为至少三束具有固定光程差的对焦光束，增加了预测函数所能利用的数据，提高了对焦准确性，且对焦模组只需一个光程差元件，结构紧凑。

进一步地，所述对焦模组还包括第一对焦透镜，所述光程差元件为X合光棱镜；所述总对焦光束经过所述第一对焦透镜整形后，射入所述X合光棱镜；所述X合光棱镜将所述总对焦光束分为波长不同的三束对焦光束。

进一步地，所述对焦模组还包括第二对焦透镜，所述光程差元件为梯形棱镜；所述总对焦光束从所述梯形棱镜的底面射入所述梯形棱镜，部分从所述梯形棱镜的顶面射出，形成第一对焦光束；部分光分别在所述梯形棱镜的两侧面上发生折射，形成第二对焦光束和第三对焦光束，分别从所述两侧面射出；所述第一对焦光束、第二对焦光束和第三对焦光束分别经过所述第二对焦透镜后投射到所述对焦传感器组中。

进一步地，所述对焦模组还包括若干对焦透镜，所述光程差元件为三角棱镜；所述三角棱镜具有入射面、第一出射面和第二出射面；所述总对焦光束从所述入射面射入所述三角棱镜中，所述三角棱镜接收所述总对焦光束并进行处理，得到第一对焦光束、第二对焦光束和第三对焦光束；所述第一对焦光束、第二对焦光束和第三对焦光束分别经过所述对焦透镜分别投射到所述对焦传感器组中。

进一步地，所述第一出射面镀有半反半透膜，所述对焦透镜包括第三对焦透镜和第四对焦透镜；所述总对焦光束从所述入射面射入所述三角棱镜，部分射至所述第一出射面上，反射产生第一分光光束；部分射至所述第二出射面上，反射产生第二分光光束；所述第一分光光束穿过所述第二出射面，形成所述第二对焦光束；所述第二分光光束部分穿过所述第一出射面形成所述第一对焦光束，部分产生反射，回到并穿过所述第二出射面形成所述第三对焦光束；所述第一对焦光束经过所述第三对焦透镜后投射到所述对焦传感器组中，所述第二对焦光束和第三对焦光束经过所述第四对焦透镜后分别投射到所述对焦传感器组中。

进一步地，所述第一出射面和第二出射面镀有半反半透膜，所述对焦模组包括第三对焦透镜、第四对焦透镜和第五对焦透镜；所述总对焦光束从所述入射面射入所述三角棱镜，部分射至所述第一出射面上，反射产生第一分光光束；部分射至所述第二出射面上，反射产生第二分光光束；所述第二分光光束穿过所述第一出射面，形成所述第一对焦光束；所述第一分光光束照射在所述第二出射面上，部分穿过所述第二出射面，形成所述第二对焦光束；部分产生反射，回到并穿过所述第一出射面，形成所述第三对焦光束；所述第一对焦光束、第二对焦光束和第三对焦光束分别经过所述第三对焦透镜、第四对焦透镜和第五对焦透镜后分别投射到所述对焦传感器组中。

进一步地，所述三角棱镜的入射面上镀有半反半透膜，所述自动对焦显微成像系统还包括复核模组；所述复核模组包括复核传感器和复核透镜；当所述总对焦光束从所述入射面射入时，部分光射入所述三角棱镜，另一部分光产生反射，经过所述复核透镜射入所述复核传感器成像。

进一步地，所述对焦模组包括第六对焦透镜，所述光程差元件为六边形棱镜；所述六边形棱镜其中一个面为主入射面，所述主入射面两侧的面为侧入射面；与所述主入射面相反的另一面为主出射面，所述主出射面两侧的面为侧出射面；所述侧出射面上镀反射膜，所述侧入射面上镀增透膜；所述总对焦光束从正对主入射面的方向射入所述六边形棱镜，部分光从所述主出射面射出，形成第一对焦光束；部分光从所述侧入射面射入所述六边形棱镜，在两个所述侧出射面上反射后从所述主出射面射出，形成所述第二对焦光束和第三对焦光束；所述第一对焦光束、第二对焦光束和第三对焦光束分别经过所述第六对焦透镜后分别投射到所述对焦传感器组中。

进一步地，所述六边形棱镜的侧入射面上镀半反半透膜；当所述总对焦光束的部分光从侧入射面射入六边形棱镜时，部分光在所述侧入射面上发生反射，形成第四对焦光束和第五对焦光束；所述第四对焦光束和第五对焦光束分别经过所述第六对焦透镜后分别投射到所述对焦传感器组中。

进一步地，所述对焦传感器组包括若干对焦传感器，所述对焦传感器分别与微动元件连接；所述若干对焦传感器与所述光程差元件之间的距离依次增加。

一种自动对焦显微成像系统，包括：光源模组，用于发射第一光束，所述第一光束照射在待测样品上形成物光束；

物镜，用于对所述第一光束和物光束进行整形；

分光元件，用于将所述物光束进行分光，得到总对焦光束和成像光束；

成像模组，用于接收所述成像光束，进行成像；

上述对焦模组。

进一步地，当所述光程差元件为三角棱镜时，所述三角棱镜的入射面上镀有半反半透膜，所述自动对焦显微成像系统还包括复核模组；所述复核模组包括复核传感器和复核透镜；当所述总对焦光束从所述入射面射入时，部分光射入所述三角棱镜，另一部分光产生反射，经过所述复核透镜射入所述复核传感器成像。

一种自动对焦显微成像方法，包括以下步骤：

S1同时采集至少三个具有光程差的调焦图像；所述调焦图像由权利要求1-8任一所述的对焦模组所采集；

S2分别将各所述调焦图像阈值分割及二值化，获得二值化图像；

S3对各个所述二值化图像分别进行质心提取，获得各所述质心位置，根据所述质心位置输出正负离焦判断偏移方向；

S4在所述二值化图像的基础上进行连通域面积统计，计算调焦量；将多个所述调焦量经过平均机制计算输出最终调焦量；

S5根据所述正负离焦和所述最终调焦量进行调焦。

进一步地，所述阈值分割及二值化方法如下：

其中，I(x,y)为原始图像，(x,y)为像素坐标位置，I_max为原始图像中像素灰度的最大数值，D(x,y)为二值化后的图像，D(x,y)依靠动态阈值实现二值化图像的判断，其中k通常取2，即以当前帧最大灰度的一半数值作为阈值，最终输出二值化的图像D(x,y)。

进一步地，步骤S3中，质心提取的方法如下：

进一步地，所述调焦图像由矩形或十字形激光光斑由中心拉偏的方式投射成像。

为了更好地理解和实施，下面结合附图详细说明本发明。

附图说明

图1为本发明的自动对焦显微成像系统光路结构示意图；

图2为本发明实施例1的对焦模组光路结构示意图；

图3为本发明实施例2的对焦模组光路结构示意图；

图4为本发明实施例3的对焦模组的三角棱镜的第一出射面镀有半反半透膜的光路结构示意图；

图5为本发明实施例3的对焦模组的三角棱镜的第一出射面、第二出射面和入射面镀有半反半透膜的光路结构示意图；

图6为本发明实施例3的对焦模组的三角棱镜的入射面镀有半反半透膜的光路结构示意图；

图7为本发明实施例4的对焦模组光路结构示意图；

图8为本发明实施例4的对焦模组的六边形棱镜侧入射面镀半反半透膜的光路结构图；

图9为本发明实施例的自动对焦显微成像方法的流程图。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，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，都属于本发明保护的范围。

本发明的描述中，需要说明的是，术语“竖直方向”、“上”、“下”、“水平”等指示的方位或者位置关系为基于附图所示的方位或者位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或者暗示所指的装置或者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发明的限制。此外，“第一”、“第二”、“第三”、“第四”仅用于描述目的，而不能理解为指示或者暗示相对重要性。

本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限制，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是导热连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接连接，也可以是通过中间媒介相连，可以是两个元件内部的连通。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发明中的具体含义。

实施例1

请参阅图1至图2，本发明提供一种自动对焦显微成像系统。本发明的自动对焦显微成像系统包括光源模组1、第一分光元件2、第二分光元件3、物镜4、对焦模组5和成像模组6。工作时，光源模组1发出第一光束，第一光束照射到第一分光元件2上后，反射至物镜4上；第一光束通过物镜4后照射至待测样品7上。所述第一光束在待测样品7上反射，得到物光束，物光束经过物镜4射回第一分光元件2上；再经过第一分光元件2，射入第二分光元件3，第二分光元件3对物光束进行分光，得到总对焦光束和成像光束。总对焦光束射入对焦模组5中，经过检测和计算判断待测样品7是否处于物镜4的最佳焦点位置。成像光束射入成像模组6，进行成像。

光源模组1包括第一光源11和光源整形透镜12，第一光源11发出的光经过光源整形透镜12整形后，形成第一光束。在本实施例中，第一光源11为白光光源，因此，第一光束为混合白光。在一些实施例中，所述白光光源同时作为照明光源与对焦光源。

进一步地，所述第一分光元件2和第二分光元件3为分光棱镜。

进一步地，成像模组6包括成像传感器61和成像透镜62。成像光束经过成像透镜62整形后射入成像传感器61，在成像传感器61上成像。

进一步地，自动对焦显微成像系统还包括控制系统和驱动模组。驱动模组与物镜4或样品台连接，用于调节物镜4与样品之间的相对位置。控制系统与驱动模组、对焦模组5和成像模组6电连接，用于接收处理对焦模组5和成像模组6采集到的数据，并控制驱动模组进行对焦。

在一些实施例中，对焦模组5包括光程差元件、第一对焦透镜511和对焦传感器组。光程差元件为X合光棱镜501，总对焦光束射入第一对焦透镜511，经过第一对焦透镜511整形后，从X合光棱镜501的入射面射入X合光棱镜501。X合光棱镜501上具有三个出射面；其中一个出射面和入射面相互正对，另外两个出射面相互正对且和入射面垂直。

总对焦光束经过X合光棱镜501处理后，从X合光棱镜501的三个出射面分别射出第一对焦光束、第二对焦光束和第三对焦光束；对焦传感器组包括三个对焦传感器52，所述传感器可以为CCD传感或者CMOS传感器，在一些实施例中，所述传感器为CMOS传感器；X合光棱镜501将第一对焦光束、第二对焦光束和第三对焦光束分别投射到对焦传感器52中。

总对焦光束经过X合光棱镜501处理后，分出的第一对焦光束、第二对焦光束和第三对焦光束三束光波长不同，颜色不同。由于三束光波长不同，因此第一对焦光束、第二对焦光束和第三对焦光束在同一介质中的折射率不同。所以，当三个对焦传感器52与X合光棱镜501之间的距离相等时，第一对焦光束、第二对焦光束和第三对焦光束分别到达对焦传感器52的光程也不同，三者在光路中存在固定的光程差，在三个对焦传感器52上，形成三幅景深不同的对焦图像。

基于多个景深成像效果，在三幅对焦图像内各自基于像素信息实现无参化图像质量统计性评价，评价标准包括且不限于Brenner算子、SMD算子等。当物镜4或被测物运动在进行对焦调节时，分别对三幅对焦图像以上述方法进行统计性结算，最终输出三幅对焦图像的质量统计评分曲线。三幅对焦图像的质量统计评分曲线最高值出现间隔对应光程差元件在光路中形成的固有光程差在物方成像空间所形成的焦面差。

本发明的自动对焦显微成像系统，在使用前，需首先在视场内预采集一组质量统计评分曲线；基于该曲线表述，利用三个对焦传感器52视野中的各自曲线构建统计评分与正焦量调节之间的预测函数，预测调节量的构建包括但不限于直接映射法、伺服PID法等方法。通过三点采样，能够更稳定的实现焦深位置的预测，实现系统的清晰成像。

本发明的自动对焦显微成像系统，通过至少三个对焦传感器52的视野采集质量统计评分数据，对物镜4的具体焦点进行推算，有效提高了自动对焦的准确性。且光程差元件只需通过一个元件进行分光，有利于压缩空间，减小自动对焦显微成像系统的体积。

请参阅图9，本发明实施例还提供一种自动对焦显微成像方法。自动对焦显微成像方法包括以下步骤：

S1同时采集至少三个具有光程差的调焦图像；

S2分别将各调焦图像阈值分割及二值化，获得二值化图像D(x,y)；

S3对各个二值化图像D(x,y)分别进行质心提取，获得各质心位置根据质心位置输出正负离焦判断偏移方向；

S4在二值化图像D(x,y)的基础上进行连通域面积统计，计算调焦量；将多个调焦量经过平均机制计算输出最终调焦量；

S5根据正负离焦和最终调焦量进行调焦。

进一步地，在步骤S1中，调焦图像为前诉自动对焦显微成像系统中对焦模组的对焦传感器所采集到的调焦图像。由于光程差元件的存在，所采集到的三个具有光程差的调焦图像之间的光程差固定。进一步地，在对焦过程中，使其中一个光程既不是最大也不是最小的对焦传感器成像为近似正焦时，其成像为窄带线激图案。以本实施例的对焦模组为例，当第二对焦光束成像为近似正焦时，第一对焦光束成像为正离焦，第三对焦光束成像为负离焦。在一些实施例中，调焦图像包括且不限于矩形、十字形等激光光斑以中心拉偏的方式投射成像于各对焦模组上。

进一步地，步骤S2中，阈值分割及二值化方法如下：

其中，I(x,y)为原始图像，(x,y)为像素坐标位置，I_max为原始图像中像素灰度的最大数值，D(x,y)为二值化后的图像，D(x,y)依靠动态阈值实现二值化图像的判断，其中k通常取2，即以当前帧最大灰度的一半数值作为阈值，最终输出二值化的图像D(x,y)。

进一步地，步骤S3中，质心提取的方法如下：

在一些实施例中，当质心x₀处于正焦位置时，正焦像面的投影表面呈现标准矩形光斑，其中左侧光斑像为正向景深范围内的投影，右侧光斑像为负向景深范围内的投影，此时中心偏移量为

当时，正焦像面为负偏移(以向上调焦为正)，当/>时，正焦像面为正偏移。

由于光程差棱镜的作用，无论焦面位置的离焦情况如何，各对焦传感器视场采集到的像面的质心偏移量等之间的数值大小关系保持不变，且由于多景深同时成像的原因，使其离焦偏移方向的判定较为精确，规避了单景深光斑成像运算误差导致离焦方向错误而导致的机构调焦震荡问题。

进一步地，在步骤S4中，计算调焦量的方法为将调焦图像x方向的宽度d转换为调焦量。具体方法如下：x方向的宽度d由y方向的两侧直线拟合完成，进而获得多个对焦传感器视场的宽度数值d₀,d_-1,d_-2,d₁,d₂。通过正焦像面的逐次成像预标定将x方向的宽度d与调焦量转换为一个非线性一一映射；正焦像面的逐次成像预标定结果可以由多个对焦传感器视场共同使用，标定结果查找表LUT完成，以代替复杂的数据运算，提升效率。

进一步地，步骤S4中，平均机制计算包括且不限于加权平均及聚类平均。在一些实施例中，可针对理想光斑图像实现调焦曲线多点采样，可通过包括且不限于最小二乘曲线拟合、三次样条插值的曲线拟合方式实现最终调焦量的“插值机制”输出；同时，也可以通过“平均机制”和“插值机制”的联合输出最终调焦量。

本发明实施例的自动对焦显微成像方法，和现有技术相比，由于光程差原件的参与，导致对焦传感器采集到的激光光斑呈现多焦位同时成像，由此形成焦位成像信息的同时采集；各对焦传感器通过激光光斑的形态学形状独立确定离焦量和离焦方向，并通过联合处理实现最终的调焦决策输出过程。由于多焦位同时成像的参与，离焦方向的确定更为精确，离焦量的确定更为明确。

实施例2

请参阅图3，本实施例提供一种自动对焦显微成像系统。本实施例中的自动对焦显微成像系统与实施例1的自动对焦显微成像系统大致相同，不同之处在于：对焦模组5包括光程差元件、三个第二对焦透镜512和对焦传感器组；本实施的光程差元件为梯形棱镜502。

梯形棱镜502对总对焦光束进行分光处理，从而得到第一对焦光束、第二对焦光束和第三对焦光束。总对焦光束从梯形棱镜502的底面射入梯形棱镜502，部分光从梯形棱镜502的顶面射出，形成第一对焦光束；部分光分别在梯形棱镜502的两侧面上发生折射，形成第二对焦光束和第三对焦光束，分别从梯形棱镜502的两侧面射出。

对焦传感器组包括三个对焦传感器52；第一对焦光束、第二对焦光束和第三对焦光束分别经过第二对焦透镜512后投射到对焦传感器52中。

由于第一对焦光束和第二对焦光束、第三对焦光束到达对焦传感器52的光程不同，因此，三者在光路中存在固定的光程差，在三个对焦传感器52上，形成三幅景深不同的对焦图像。

进一步地，所述梯形棱镜的各表面镀有增透膜，通过增透膜减少杂散光，提高自动对焦的准确性。

实施例3

请参阅图4-图6，本实施例提供一种自动对焦显微成像系统。本实施例中的自动对焦显微成像系统与实施例1的自动对焦显微成像系统大致相同，不同之处在于：对焦模组5包括光程差元件、第三对焦透镜513、第四对焦透镜514和对焦传感器组；本实施的光程差元件为三角棱镜503。

进一步地，三角棱镜503为等腰三角棱镜503。三角棱镜503的一侧面为入射面，另一侧面为第一出射面，底面为第二出射面。

对焦主光束总对焦光束从入射面射入三角棱镜503，三角棱镜503对总对焦光束进行分光处理。

请参阅图4，在一些实施例中，三角棱镜503的第一出射面镀有半反半透膜；总对焦光束与底面平行地从入射面射入三角棱镜503，部分射至第一出射面上，在第一出射面上反射产生第一分光光束；部分射至第二出射面上，在第二出射面上反射产生第二分光光束。第一分光光束穿过第二出射面，形成第二对焦光束；第二分光光束照射在第一出射面上，部分穿过第一出射面形成第一对焦光束，部分产生反射，回到并穿过第二出射面形成第三对焦光束。

对焦传感器组包括三个对焦传感器52；第一对焦光束经过第三对焦透镜513后投射到其中一个对焦传感器52中，第二对焦光束和第三对焦光束经过第四对焦透镜514后分别投射到另外两个对焦传感器52中。

请参阅图5，在另一些实施例中，三角棱镜503的第一出射面和第二出射面镀有半反半透膜，对焦模组5还包括第五对焦透镜515；总对焦光束与底面平行地从入射面射入三角棱镜503，部分射至第一出射面上，在第一出射面上反射产生第一分光光束；部分射至第二出射面上，在第二出射面上反射产生第二分光光束。第二分光光束穿过第一出射面，形成第一对焦光束。第一分光光束照射在第二出射面上，部分穿过第二出射面，形成第二对焦光束；部分在第二出射面上产生反射，回到并穿过第一出射面，形成第三对焦光束。

对焦传感器组包括三个对焦传感器52；第一对焦光束经过第三对焦透镜513后投射到其中一个对焦传感器52中，第二对焦光束经过第四对焦透镜514后投射到另一个对焦传感器52中，第三对焦光束经过第五对焦透镜515后投射到另一个对焦传感器52中。

本实施例的光程差元件，由于第一对焦光束和第二对焦光束、第三对焦光束到达对焦传感器52的光程不同，因此，三者在光路中存在固定的光程差，在三个对焦传感器52上，形成三幅景深不同的对焦图像。

请参阅图5-图6，进一步地，三角棱镜503的入射面上镀有半反半透膜，自动对焦显微成像系统还包括复核模组8。复核模组8包括复核传感器81和复核透镜82。当总对焦光束从入射面射入三角棱镜503时，部分光射入三角棱镜503，另一部分光产生反射，经过复核透镜82射入复核传感器81，在复核传感器81上成像。复核传感器81用于对成像模组6的成像进行复核。通过引入复核模组8，对成像模组6的成像清晰度进行复核，有效提高了成像质量。

实施例4

请参阅图5，本实施例提供一种自动对焦显微成像系统。本实施例中的自动对焦显微成像系统与实施例1的自动对焦显微成像系统大致相同，不同之处在于：对焦模组5包括光程差元件、三个第六对焦透镜516和对焦传感器组；本实施的光程差元件为六边形棱镜504。

六边形棱镜504其中一个面为主入射面，主入射面两侧的面为侧入射面；与主入射面相反的另一面为主出射面，主出射面两侧的面为侧出射面。侧出射面上镀反射膜；在一些实施例中，侧入射面上镀增透膜。总对焦光束从正对主入射面的方向射入六边形棱镜504；部分光从主入射面垂直射入六边形棱镜504，从主出射面射出，形成第一对焦光束；部分光从侧入射面射入六边形棱镜504，在两个侧出射面上反射后从主出射面射出，形成第二对焦光束和第三对焦光束。对焦传感器组包括三个对焦传感器52；第一对焦光束、第二对焦光束和第三对焦光束分别经过第六对焦透镜516后投射到对焦传感器52中。

由于第一对焦光束和第二对焦光束、第三对焦光束到达对焦传感器52的光程不同，因此，三者在光路中存在固定的光程差，在三个对焦传感器52上，形成三幅景深不同的对焦图像。同时，第一对焦光束产生的对焦图像还可用于对成像模组6的成像进行复核。

请参阅图6，在另外一些实施例中，六边形棱镜504的侧入射面上镀半反半透膜，对焦模组5总共包括五个第六对焦透镜516，对焦传感器组包括五个对焦传感器52。当总对焦光束的部分光从侧入射面射入六边形棱镜504时，部分射入六边形棱镜504，在两个侧出射面上反射后从主出射面射出，形成第二对焦光束和第三对焦光束；部分光在侧入射面上发生反射，形成第四对焦光束和第五对焦光束。第一对焦光束、第二对焦光束、第三对焦光束第四对焦光束和第五对焦光束分别经过第六对焦透镜516后分别投射到对焦传感器52中。此时，在五个对焦传感器52上，形成五幅景深不同的对焦图像。同时，第一对焦光束产生的对焦图像还可用于对成像模组6的成像进行复核。通过增加了对焦图像，增加了对焦预测函数的鲁棒性，提高了自动对焦的准确性。

进一步地，各对焦传感器52与光程差元件之间的距离依次增加。在一些实施例中，各对焦传感器52分别与微动元件连接，通过微动元件微调对焦传感器52与光程差元件之间的距离，从而适应不同精度要求的检测场景。

本发明的自动对焦显微成像系统，通过光程差元件进行分光，形成至少三束对焦光束，从而得到多个质量统计评分曲线。提高了自动对焦的准确性，能够更稳定的实现焦深位置的预测和显微成像系统的清晰成像。且光程差元件体积小，结构紧凑，能够节省空间。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，则本发明也意图包含这些改动和变形。

Claims (14)

1.一种对焦模组，其特征在于，包括：

光程差元件，所述光程差元件接收总对焦光束并进行处理，得到至少三束具有光程差的对焦光束；

对焦传感器组，用于分别接收所述对焦光束。

2.根据权利要求1所述的对焦模组，其特征在于：还包括第一对焦透镜，所述光程差元件为X合光棱镜；所述总对焦光束经过所述第一对焦透镜整形后，射入所述X合光棱镜；所述X合光棱镜将所述总对焦光束分为波长不同的三束对焦光束。

3.根据权利要求1所述的对焦模组，其特征在于：还包括第二对焦透镜，所述光程差元件为梯形棱镜；所述总对焦光束从所述梯形棱镜的底面射入所述梯形棱镜，部分从所述梯形棱镜的顶面射出，形成第一对焦光束；部分光分别在所述梯形棱镜的两侧面上发生折射，形成第二对焦光束和第三对焦光束，分别从所述两侧面射出；所述第一对焦光束、第二对焦光束和第三对焦光束分别经过所述第二对焦透镜后投射到所述对焦传感器组中。

4.根据权利要求1所述的对焦模组，其特征在于：还包括若干对焦透镜，所述光程差元件为三角棱镜；所述三角棱镜具有入射面、第一出射面和第二出射面；所述总对焦光束从所述入射面射入所述三角棱镜中，所述三角棱镜接收所述总对焦光束并进行处理，得到第一对焦光束、第二对焦光束和第三对焦光束；所述第一对焦光束、第二对焦光束和第三对焦光束分别经过所述对焦透镜分别投射到所述对焦传感器组中。

5.根据权利要求4所述的对焦模组，其特征在于：所述第一出射面镀有半反半透膜，所述对焦透镜包括第三对焦透镜和第四对焦透镜；所述总对焦光束从所述入射面射入所述三角棱镜，部分射至所述第一出射面上，反射产生第一分光光束；部分射至所述第二出射面上，反射产生第二分光光束；所述第一分光光束穿过所述第二出射面，形成所述第二对焦光束；所述第二分光光束部分穿过所述第一出射面形成所述第一对焦光束，部分产生反射，回到并穿过所述第二出射面形成所述第三对焦光束；所述第一对焦光束经过所述第三对焦透镜后投射到所述对焦传感器组中，所述第二对焦光束和第三对焦光束经过所述第四对焦透镜后分别投射到所述对焦传感器组中。

6.根据权利要求4所述的对焦模组，其特征在于：所述第一出射面和第二出射面镀有半反半透膜，所述对焦模组包括第三对焦透镜、第四对焦透镜和第五对焦透镜；所述总对焦光束从所述入射面射入所述三角棱镜，部分射至所述第一出射面上，反射产生第一分光光束；部分射至所述第二出射面上，反射产生第二分光光束；所述第二分光光束穿过所述第一出射面，形成所述第一对焦光束；所述第一分光光束照射在所述第二出射面上，部分穿过所述第二出射面，形成所述第二对焦光束；部分产生反射，回到并穿过所述第一出射面，形成所述第三对焦光束；所述第一对焦光束、第二对焦光束和第三对焦光束分别经过所述第三对焦透镜、第四对焦透镜和第五对焦透镜后分别投射到所述对焦传感器组中。

7.根据权利要求1所述的对焦模组，其特征在于：还包括第六对焦透镜，所述光程差元件为六边形棱镜；所述六边形棱镜其中一个面为主入射面，所述主入射面两侧的面为侧入射面；与所述主入射面相反的另一面为主出射面，所述主出射面两侧的面为侧出射面；所述总对焦光束从正对主入射面的方向射入所述六边形棱镜，部分光从所述主出射面射出，形成第一对焦光束；部分光从所述侧入射面射入所述六边形棱镜，在两个所述侧出射面上反射后从所述主出射面射出，形成所述第二对焦光束和第三对焦光束；所述第一对焦光束、第二对焦光束和第三对焦光束分别经过所述第六对焦透镜后分别投射到所述对焦传感器组中。

8.根据权利要求7所述的对焦模组，其特征在于：所述六边形棱镜的侧入射面上镀半反半透膜；当所述总对焦光束的部分光从侧入射面射入六边形棱镜时，部分光在所述侧入射面上发生反射，形成第四对焦光束和第五对焦光束；所述第四对焦光束和第五对焦光束分别经过所述第六对焦透镜后分别投射到所述对焦传感器组中。

9.一种自动对焦显微成像系统，其特征在于，包括：

光源模组，用于发射第一光束，所述第一光束照射在待测样品上形成物光束；

物镜，用于对所述第一光束和物光束进行整形；

分光元件，用于将所述物光束进行分光，得到总对焦光束和成像光束；

成像模组，用于接收所述成像光束，进行成像；

权利要求1-8任一所述的对焦模组。

10.一种自动对焦显微成像系统，其特征在于，包括：

光源模组，用于发射第一光束，所述第一光束照射在待测样品上形成物光束；

物镜，用于对所述第一光束和物光束进行整形；

分光元件，用于将所述物光束进行分光，得到总对焦光束和成像光束；

成像模组，用于接收所述成像光束，进行成像；

权利要求5-6任一所述的对焦模组，所述三角棱镜的入射面上镀有半反半透膜，所述自动对焦显微成像系统还包括复核模组；所述复核模组包括复核传感器和复核透镜；当所述总对焦光束从所述入射面射入时，部分光射入所述三角棱镜，另一部分光产生反射，经过所述复核透镜射入所述复核传感器成像。

11.一种自动对焦显微成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1同时采集至少三个具有光程差的调焦图像；所述调焦图像由权利要求1-8任一所述的对焦模组所采集；

S2分别将各所述调焦图像阈值分割及二值化，获得二值化图像；

S3对各个所述二值化图像分别进行质心提取，获得各所述质心位置，根据所述质心位置输出正负离焦判断偏移方向；

S4在所述二值化图像的基础上进行连通域面积统计，计算调焦量；将多个所述调焦量经过平均机制计算输出最终调焦量；

S5根据所述正负离焦和所述最终调焦量进行调焦。

12.根据权利要求11所述的一种自动对焦显微成像方法，其特征在于，所述阈值分割及二值化方法如下：

其中，I(x,y)为原始图像，(x,y)为像素坐标位置，I_max为原始图像中像素灰度的最大数值，D(x,y)为二值化后的图像，D(x,y)依靠动态阈值实现二值化图像的判断，其中k通常取2，即以当前帧最大灰度的一半数值作为阈值，最终输出二值化的图像D(x,y)。

13.根据权利要求11所述的一种自动对焦显微成像方法，其特征在于，步骤S3中，质心提取的方法如下：

14.根据权利要求11所述的自动对焦显微成像方法，其特征在于：所述调焦图像由矩形或十字形激光光斑由中心拉偏的方式投射成像。