[發明專利]一種用于顯微鏡的實時自動對焦系統

在審

• 申請號: 202010182470.X
• 申請日: 2020-03-16
• 公開（公告）號: CN112415735A
• 公開（公告）日: 2021-02-26
• 發明（設計）人: 李思宏;黃術強;傅雄飛;于躍;溫慧
• 申請（專利權）人: 中國科學院深圳先進技術研究院
• 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所 11430
• 代理人: 耿慧敏

本發明公開了一種用于顯微鏡的實時自動對焦系統。該系統包括紅外光源模塊、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束為發散光，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制為線型光斑并通過對該線型光斑分析獲得當前視場下顯微系統的離焦量相關信息；所述對焦控制模塊基于獲得的離焦量相關信息迭代控制顯微鏡物鏡的軸向運動，直至離焦量滿足設定目標。本發明的系統能夠實現顯微系統的高精度實時性地對焦。

技術領域

本發明涉及自動對焦技術領域，更具體地，涉及一種用于顯微鏡的實時自動對焦系統。

背景技術

近年來，顯微成像技術廣泛應用于高速發展的生物醫學領域，其中分為研究級的全自動顯微鏡和應用于病理診斷的數字病理切片掃描儀。全自動顯微鏡通常需要長時間(持續約數小時至數十小時)的自動化觀測生物樣品，而數字病理切片掃描儀則是借助顯微系統快速掃描采集病理切片得到全玻片數字化圖像，提供會診診斷依據。

自動對焦技術是顯微系統進行穩定成像的關鍵核心技術，可以補償顯微系統在長時間的圖像數據采集過程中由于環境溫度變化、機械振動、運動震動等原因導致的焦點漂移，確保獲取到清晰的顯微圖像。傳統的顯微鏡操作需要使用者頻繁地調節物鏡和玻片之間的距離以獲得合適的焦點，這種方式耗時費力。而自動化的顯微成像技術需要穩定可靠的自動對焦技術，以保證采集圖像數據的質量。

目前，應用于顯微鏡的自動對焦方法主要分為兩種，一種是基于軟件圖像算法，即沿著物鏡光軸方向掃描不同的成像平面得到多組樣品圖像，依靠圖像質量評價函數確定離焦量；另外一種是基于硬件，借助額外的輔助光源(如激光、LED等)通過物鏡照射到樣品玻片表面，根據反射的光斑形態確定系統的離焦量。

在現有技術中，基于硬件的自動對焦方法通常借助輔助光源并計算反射光斑形態來確定顯微系統的離焦量。這種方法的明顯缺點在于：一是對焦參考平面并非實際的樣品成像焦平面。由于輔助光源光斑只能于樣品與玻片的界面上反射，對焦參考平面為此反射界面，不同于成像焦平面，從而導致在對焦結束后需要移動物鏡固定距離才能達到成像焦平面，使對焦精度變差；二是由于對焦點漂移的一次性補償依賴于離焦量的準確計算和移動機械的精度，在高數值孔徑的物鏡下會帶來不小的偏差，從而進一步降低對焦精度；三是由于引入復雜的光束方法而導致系統復雜和成本高。而基于軟件的自動對焦方法，耗時較長且無法實時對焦，并且當樣品具備三維結構時，由于清晰的成像焦平面范圍較深，軟件算法無法尋找到最清晰的成像平面位置，導致對焦失敗。

發明內容

本發明的目的是克服上述現有技術的缺陷，提供一種用于顯微鏡的實時自動對焦系統，通過對顯微系統即時的焦點狀態進行檢測分析，動態地控制物鏡調整至最佳對焦點。

本發明提供一種用于顯微鏡的實時自動對焦系統。該系統包括紅外光源模塊、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束為發散光，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制為線型光斑，并通過對該線型光斑分析獲得當前視場下顯微系統的離焦量相關信息；所述對焦控制模塊基于獲得的離焦量相關信息迭代控制顯微鏡物鏡的軸向運動，直至離焦量滿足設定目標。

在一個實施例中，所述紅外光源模塊包括激光器和分光器件，所述激光器用于產生平行激光光束，該平行激光光束依次經準直器和衰減片后，由所述分光器件入射至所述偏移透鏡光路模塊。

在一個實施例中，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，經所述偏移透鏡入射到所述第二反射鏡上，并經顯微鏡內部濾光片反射入物鏡，進而照射樣品界面。