[發(fā)明專利]一種用于顯微鏡的實(shí)時自動對焦系統(tǒng)

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• 申請日: 2020-03-16
• 公開（公告）號: CN112415735A
• 公開（公告）日: 2021-02-26
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李思宏;黃術(shù)強(qiáng);傅雄飛;于躍;溫慧
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院
• 主分類號: G02B21/24
• 分類號: G02B21/24;G02B7/28;G02B7/36
• 代理公司: 北京市誠輝律師事務(wù)所 11430
• 代理人: 耿慧敏

1.一種用于顯微鏡的實(shí)時自動對焦系統(tǒng)，包括紅外光源模塊、偏移透鏡光路模塊、檢測模塊和對焦控制模塊，其中：

所述紅外光源模塊用于發(fā)射平行激光光束；

所述偏移透鏡光路模塊將所述紅外光源模塊出射的平行激光光束擴(kuò)束為發(fā)散光，并通過顯微鏡物鏡照射樣品界面，以使照射在樣品反射界面處的激光衍射光斑形成彗星形像差；

所述檢測模塊將樣品界面反射形成的彗差形衍射光斑調(diào)制為線型光斑，并通過對該線型光斑分析獲得當(dāng)前視場下顯微系統(tǒng)的離焦量相關(guān)信息；

所述對焦控制模塊基于獲得的離焦量相關(guān)信息迭代控制顯微鏡物鏡的軸向運(yùn)動，直至離焦量滿足設(shè)定目標(biāo)。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于顯微鏡的實(shí)時自動對焦系統(tǒng)，其中，所述紅外光源模塊包括激光器和分光器件，所述激光器用于產(chǎn)生平行激光光束，該平行激光光束依次經(jīng)準(zhǔn)直器和衰減片后，由所述分光器件入射至所述偏移透鏡光路模塊。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于顯微鏡的實(shí)時自動對焦系統(tǒng)，其中，所述偏移透鏡光路模塊包括第一反射鏡、固定在一維電動平移臺上的偏移透鏡和第二反射鏡，所述第一反射鏡接收所述紅外光源模塊出射的平行激光光束，并反射至所述偏移透鏡，經(jīng)所述偏移透鏡入射到所述第二反射鏡上，并經(jīng)顯微鏡內(nèi)部濾光片反射入物鏡，進(jìn)而照射樣品界面。

4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于顯微鏡的實(shí)時自動對焦系統(tǒng)，其中，所述檢測模塊包括聚焦透鏡、柱面鏡、相機(jī)和控制系統(tǒng)，由照射樣品界面所反射的激光光斑經(jīng)所述紅外光源模塊的分光器件后，由聚焦透鏡和柱面鏡聚焦在相機(jī)的感光芯片上，柱面鏡將圓形光斑空間變換為橢圓形光斑，以形成線型光斑，控制系統(tǒng)與相機(jī)進(jìn)行通訊并通過分析該線型光斑的空間位置變化以獲得當(dāng)前視場下顯微系統(tǒng)的離焦量相關(guān)信息。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于顯微鏡的實(shí)時自動對焦系統(tǒng)，其中，根據(jù)以下步驟計(jì)算顯微系統(tǒng)的離焦量：

采集包含線型光斑的原始圖像；

對原始圖像沿垂直于線型光斑方向像素累加，得到圖像強(qiáng)度曲線；

從圖像強(qiáng)度曲線中檢測信號值最高的線型激光光斑的峰值位置；

基于峰值位置截取包含多個像素的圖像子窗口；

對原始圖像計(jì)算二值化分割閾值；

使用分割閾值對圖像子窗口進(jìn)行二值化，得到二值化的圖像；

提取二值化圖像中心的線型光斑，并結(jié)合圖像子窗口計(jì)算得到亞像素級精度的光斑中心坐標(biāo)；

利用獲得的光斑中心坐標(biāo)得到光斑移動量dx；

通過焦點(diǎn)漂移量與光斑移動距離的對應(yīng)關(guān)系δ＝K·dx得到離焦量δ，其中K是變換系數(shù)。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于顯微鏡的實(shí)時自動對焦系統(tǒng)，其中，所述對焦控制模塊分別連接所述控制系統(tǒng)和顯微鏡物鏡，用于根據(jù)獲得的離焦量相關(guān)信息與顯微鏡物鏡調(diào)整反饋量之間的對應(yīng)關(guān)系迭代控制顯微鏡物鏡的軸向運(yùn)動，直至離焦量滿足設(shè)定目標(biāo)。

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的用于顯微鏡的實(shí)時自動對焦系統(tǒng)，其中，所述對焦控制模塊是電機(jī)控制器，通過比例-積分-微分控制器確定顯微鏡物鏡的調(diào)整反饋量。

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的用于顯微鏡的實(shí)時自動對焦系統(tǒng)，其中，通過以下公式計(jì)算顯微鏡物鏡的調(diào)整反饋量：

F(t)＝K_P·δ(t)+K_I·∫δ(t)+K_D·δ′(t)，其中K_P、K_I、K_D表示對應(yīng)項(xiàng)的系數(shù)，δ(t)是實(shí)時計(jì)算的當(dāng)前視場下顯微系統(tǒng)的離焦量。

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于顯微鏡的實(shí)時自動對焦系統(tǒng)，其中，所述紅外光源模塊使用波長范圍650nm至1100nm、功率小于5mW的近紅外或紅外波長的激光。

10.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于顯微鏡的實(shí)時自動對焦系統(tǒng)，其中，所述分光器件是分光鏡、D形反射鏡或具有刀口的反射鏡。