一种显微镜锁焦系统的锁焦控制方法及锁焦装置与流程

1.本发明涉及显微镜技术领域，特别是涉及一种显微镜锁焦系统的锁焦控制方法及锁焦装置。


背景技术：

2.自动锁焦技术通过探测反馈光斑在光电探测器上的移动，来获取检测表面位置的变化量；再利用机械控制元件如压电陶瓷、纳米级z轴控制平台等对物镜进行移动，补偿外界因素干扰对样品层位置移动的误差。光电探测器连接数据采集卡对光斑信息进行解读，在pc端可以实时得到光斑的位置信息，光斑可在一定的像素位置范围内可以发生移动，即探测量程。一个像素点对应着光斑的一个质心位置，当样品发生微小的震动时，光斑便会照射在另一个像素点。利用质心位置的差值，来计算机械控制元件需要移动的补偿量，实时地对物镜进行z轴方向的移动。
3.在利用自动锁焦技术进行探测时，系统的探测精度和重复精度会受到光学设计和机械加工的限制，无法对更高精度的位置信息进行解析。因此需要对现有计算的锁焦技术进行改进，提高锁焦系统的探测精度和重复精度。


技术实现要素：

4.本发明的目的是：对现有技术中的锁焦技术进行改进，提高系统的探测精度和重复精度。
5.为了实现上述目的，本发明提供了一种显微镜锁焦系统的锁焦控制方法，包括：
6.获取光斑在光电探测器上的线性区域，定义所述线性区域的起始点，并根据起始点得到所述线性区域的线性方程。
7.获取第一光斑并判断所述第一光斑是否满足线性方程，若所述第一光斑满足线性方程，则对第一光斑进行高斯拟合，得到第一高斯曲线。
8.判断第一高斯曲线的第一线性度是否小于预设的第一阈值，若第一线性度小于预设的第一阈值，则获取第一高斯曲线的峰值点所对应的第一像素位置。
9.将所述第一像素位置和起始点进行差值计算得到物镜的第一补偿距离。
10.根据所述第一补偿距离移动物镜实现自动锁焦。
11.进一步的，所述锁焦控制方法还包括：
12.若所述第一线性度大于预设的第一阈值，则重新对第一光斑进行高斯拟合，并判断重新拟合后的高斯曲线的线性度是否小于预设的第一阈值。
13.进一步的，所述锁焦控制方法还包括：
14.判断对第一光斑进行高斯拟合的次数是否大于第二阈值，若大于，则停止高斯拟合，直接读取第一光斑中灰度值最大的点所对应的第二像素位置。
15.将所述第二像素位置和起始点进行差值计算得到物镜的第二补偿距离。
16.根据所述第二补偿距离移动物镜实现自动锁焦。
17.进一步的，所述获取光斑在光电探测器上的线性区域，定义所述线性区域的起始点，并根据起始点得到所述线性区域的线性方程，具体为：
18.移动锁焦系统中物镜在z轴方向的位置，将物镜移动过程中光斑灰度值发生变化的区域记为线性区域；定义所述线性区域的中心位置为起始点，根据所述起始点和线性区域得到该区域的线性方程。
19.进一步的，所述锁焦系统包括光源、分光镜、第一透镜组、二向色镜、物镜、第二透镜组、光电探测器和物镜移动单元。
20.所述光源，用于生成入射光束，所述入射光束依次经过分光镜、第一透镜组、二向色镜、物镜并汇聚于物镜下方的载玻片的下表面；所述入射光束经载玻片反射后形成反射光束，所述反射光束依次经过物镜、二向色镜、第一透镜组、分光镜、第二透镜组并在光电探测器上形成光斑。
21.所述第一透镜组，用于校正光斑的位置和放大载玻片的位移偏差。
22.所述第二透镜组，用于校正光斑的形状和大小。
23.所述光电探测器，用于接收载玻片所形成的反射光束获取反射光束所形成光斑的质心位置，并根据第一质心位置和第二质心位置进行差值处理获取物镜所需的补偿距离；所述光电探测器还用于将补偿距离反馈到物镜移动单元。
24.所述物镜移动单元，用于根据所述补偿距离移动物镜。
25.进一步的，所述入射光束和分光镜的夹角为四十五度；所述入射光束和二向色镜的夹角为四十五度。
26.进一步的，所述第一透镜组按照入射光线的传播方向依次设置有第一负焦距透镜、第一正焦距透镜、第二负焦距透镜；所述第一负焦距透镜和第二负焦距透镜用于放大载玻片的位移偏差，所述第一正焦距透镜用于校正光斑的位置。
27.进一步的，所述第二透镜按照第一反射光束的传播方向依次设置有第二正焦距透镜和第三负焦距透镜，所述第二正焦距透镜用于校正光斑的形状，所述第三负焦距透镜用于调整光斑的大小。
28.进一步的，所述光电探测器包括但不限于线阵ccd、面阵ccd或psd位置探测器中的一种。
29.本发明还公开了一种显微镜锁焦装置，包括：第一获取模块、第二获取模块、第一判断模块、第一处理模块和物镜移动模块。
30.所述第一获取模块，用于获取光斑在光电探测器上的线性区域，定义所述线性区域的起始点，并根据起始点得到所述线性区域的线性方程。
31.所述第二获取模块，用于获取第一光斑并判断所述第一光斑是否满足线性方程，若所述第一光斑满足线性方程，则对第一光斑进行高斯拟合，得到第一高斯曲线。
32.所述第一判断模块，用于判断第一高斯曲线的第一线性度是否小于预设的第一阈值，若第一线性度小于预设的第一阈值，则获取第一高斯曲线的峰值点所对应的第一像素位置。
33.所述第一处理模块，用于将所述第一像素位置和起始点进行差值计算得到物镜的第一补偿距离。
34.所述物镜移动模块，用于根据所述第一补偿距离移动物镜实现自动锁焦。
35.本发明公开的一种显微镜锁焦系统的锁焦控制方法及锁焦系统与现有技术相比，其有益效果在于：根据预先获取的线性区域对光斑是否为离散点，对获取的光斑进行筛选，避免使用误差较大的光斑进行锁焦系统的调节；对获取到的光斑进行高斯拟合，当高斯拟合得到的拟合曲线满足线性度要求时才使用光斑信息进行物镜的调节，提高了锁焦系统的调节精度和重复精度。
附图说明
36.图1是本发明一种显微镜锁焦系统的锁焦控制方法的流程示意图；
37.图2是本发明锁焦系统的结构示意图；
38.图3是本发明锁焦装置的结构示意图。
39.图中，1、光源；2、分光镜；3、第一透镜组；4、二向色镜；5、物镜移动单元；6、物镜；7、载玻片；8、第二透镜组；9、光电探测器；10、入射光束；11、反射光束；12、第一负焦距透镜；13、第一正焦距透镜；14、第二负焦距透镜；15、第二正焦距透镜；16、第三负焦距透镜。
具体实施方式
40.下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
41.本发明将设计一种自动锁焦技术的控制算法系统及实现方法，该设计一方面提高了光斑探测的测量精度和重复精度，解决了在锁焦系统进行探测时，系统的探测精度和重复精度会受到元器件的限制，无法对更高精度的位置信息进行解析，计算不准确等问题。若更改光学结构设计来获取更高的探测精度，就会花费更多的人力和物力，不利于该系统在多种场景中的灵活使用；另一方面保证了大量程线性探测的准确性，解决了在锁焦技术中的探测范围会受到机械结构的影响而发生改变的问题，避免了物镜6的补偿量计算发生错误。
42.更改光学结构设计来获取更高的探测精度，就会花费更多的人力和物力，不利于该系统在多种场景中的灵活使用；该技术中的探测范围同样会受到机械结构的影响而发生改变，因而在移动量程中会出现离散量较大的光斑信息，导致物镜6的补偿量计算发生错误。
43.实施例1：
44.如图1所示，本发明公开了一种显微镜锁焦系统的锁焦控制方法，应用于光线系统的锁焦，包括：
45.步骤s1，获取光斑在光电探测器9上的线性区域，定义所述线性区域的起始点，并根据起始点得到所述线性区域的线性方程。
46.步骤s2，获取第一光斑并判断所述第一光斑是否满足线性方程，若所述第一光斑满足线性方程，则对第一光斑进行高斯拟合，得到第一高斯曲线。
47.步骤s3，判断第一高斯曲线的第一线性度是否小于预设的第一阈值，若第一线性度小于预设的第一阈值，则获取第一高斯曲线的峰值点所对应的第一像素位置。
48.步骤s4，将所述第一像素位置和起始点进行差值计算得到物镜6的第一补偿距离。
49.步骤s5，根据所述第一补偿距离移动物镜6实现自动锁焦。
50.在本实施例中，所述锁焦控制方法还包括：
51.步骤s6，若所述第一线性度大于预设的第一阈值，则重新对第一光斑进行高斯拟合，并判断重新拟合后的高斯曲线的线性度是否小于预设的第一阈值。
52.在本实施例中，所述锁焦控制方法还包括：
53.步骤s7，判断对第一光斑进行高斯拟合的次数是否大于第二阈值，若大于，则停止高斯拟合，直接读取第一光斑中灰度值最大的点所对应的第二像素位置；
54.将所述第二像素位置和起始点进行差值计算得到物镜6的第二补偿距离。
55.根据所述第二补偿距离移动物镜6实现自动锁焦。
56.在步骤s1中，所述获取光斑在光电探测器9上的线性区域，定义所述线性区域的起始点，并根据起始点得到所述线性区域的线性方程，具体为：
57.移动锁焦系统中物镜6在z轴方向的位置，将物镜6移动过程中光斑灰度值发生变化的区域记为线性区域；定义所述线性区域的中心位置为起始点，根据所述起始点和线性区域得到该区域的线性方程。
58.在本实施中，参照图2，本发明锁焦系统的锁焦系统示意图；光源1发出的入射光束10依次经过分光镜2、第一透镜组3、二向色镜4和物镜6，所述入射光束10经过物镜6后汇聚于物镜6下方的载玻片7的下表面；当入射光束10达到载玻片7下表面时会发生反射形成反射光束11，将调试过程中的反射光束11记为第一反射光束，所述第一反射光束会沿入射光束10的反方向传播，所述第一反射光束依次经过物镜6、二向色镜4、第一透镜组3、分光镜2、第二透镜组8后在光电探测器9上形成的光斑。
59.在本实施例中，当将物镜6沿z轴方向移动时，光斑在光电探测器9上发生相应的移动，通过移动物镜6可寻找到物镜6在光电探测器9上灰度值变化的区域和灰度值不变化的区域，两个区域的交界处或者说灰度值变化的临界点将两个区域划分开来，记录交界处的位置信息。本领域人员可以想到，当物镜6只沿z轴移动时，光斑在光电探测器9上也是直线的移动，因此交界处或临界点有两个，两个交界处或临界点之间的区域即为线性区域。
60.在本实施例中，为了方便计算或者表达线性区域，一般选取线性区域的中间点作为起始点，并以起始点对线性区域进行数学表达得到到线性区域的线性方程。
61.在步骤s2中，获取第一光斑并判断所述第一光斑是否满足线性方程，若所述第一光斑满足线性方程，则对第一光斑进行高斯拟合，得到第一高斯曲线。
62.在本实施例中，当步骤s1的预处理工作做好后，光电探测器9再次获取到光斑时，开始进行锁焦。由于光斑包括多个离散的点，因此选取光斑的质心位置代入到线性方程中，并判断光斑的质心位置是否在线性方程上，若在线性方程上则进行高斯拟合，若不在则舍弃这个光斑，重新获取新的光斑进行锁焦。
63.在本实施中，本领域技术人员知晓光斑的分布为高斯曲线分布，因此优选的进行高斯拟合，使读取到的拟合曲线的峰值点更加准确，避免外界扰动带来的误差。
64.虽然只进行高斯拟合的话，也可以提高获取数据的精度。但是如果所有的探测光斑都进行高斯拟合之后，不进行下一步的线性度判断，就会导致测量精度不准，即显微物镜6的补偿距离会发生错误。因为在测量量程范围内，并非所有的光斑都符合高斯分布，会有器件的读出误差存在。进行多次的拟合曲线线性度判断，就是为了尽量消除器件的读出误差。因此需要进一步的对高斯拟合后的线性度进行判断。
65.在步骤s3中，判断第一高斯曲线的第一线性度是否小于预设的第一阈值，若第一线性度小于预设的第一阈值，则获取第一高斯曲线的峰值点所对应的第一像素位置。
66.在本实施例中，所述第一阈值的可选实施方式为0.00001。读出该高斯曲线峰值点对应的像素位置，可以进一步将高斯曲线峰值点对应的像素位置进行亚像素化处理，得到更加精确的像素位置，并将更加精确的像素位置与起始点进行差值换算。
67.在步骤s4中，将所述第一像素位置和起始点进行差值计算得到物镜6的第一补偿距离。
68.以横向像素数为1024的线阵ccd进行举例说明。将起始点的位置设置在光电探测器9的像素中心位置，即起始点的位置在第512个像素点处，可记为x0；当光斑在光电探测器9上进行移动时，可以得到第一光斑在光电探测器9的位置，可记为x1，x1为该位置对应的像素点的序号，那么此时光斑位置的变化量δx为(x1－x0)＊单像素尺寸。然后将δx除以自动锁焦光学系统的放大倍率β就可以得出显微物镜6需要补偿距离(该放大倍率β由实际的显微物镜6和光学镜组的放大率决定)。
69.在步骤s5中，根据所述第一补偿距离移动物镜6实现自动锁焦。
70.在本实施例中，所述第一移动单元包括但不限于压电陶瓷、纳米级z轴控制平台。
71.在步骤s6中，若所述第一线性度大于预设的第一阈值，则重新对第一光斑进行高斯拟合，并判断重新拟合后的高斯曲线的线性度是否小于预设的第一阈值。
72.由于进行高斯拟合所选取的点对于拟合有一定的影响，因此可以重新选取点进行再一次的高斯拟合，并重新判断线性度。当多次高斯拟合的线性度均不满足要求时再以其它方法获取光斑的像素位置。
73.在步骤s7中，判断对第一光斑进行高斯拟合的次数是否大于第二阈值，若大于，则停止高斯拟合，直接读取第一光斑中灰度值最大的点所对应的第二像素位置；
74.将所述第二像素位置和起始点进行差值计算得到物镜6的第二补偿距离。
75.根据所述第二补偿距离移动物镜6实现自动锁焦。
76.在本实施例中，进一步的改进了锁焦系统的光学结构设计，以获取更高的探测精度。本发明所公开的锁焦系统的光学结构设计具有较为简单的光路和数量较少的光学镜片和镜组，简化了锁焦系统的机械结构。并且因为锁焦系统的结构较为简单因此可以更方便的对锁焦系统进行调节，避免复杂的锁焦系统放大系统误差。
77.在本实施例中，一种可行的锁焦系统的具体实施方式为：所述锁焦系统包括光源1、分光镜2、第一透镜组3、二向色镜4、物镜6、第二透镜组8、光电探测器9和物镜移动单元5。
78.所述光源1，用于生成入射光束10，所述入射光束10依次经过分光镜2、第一透镜组3、二向色镜4、物镜6并汇聚于物镜6下方的载玻片7的下表面；所述入射光束10经载玻片7反射后形成反射光束11，所述反射光束11依次经过物镜6、二向色镜4、第一透镜组3、分光镜2、第二透镜组8并在光电探测器9上形成光斑。
79.所述第一透镜组3用于校正光斑的位置和放大载玻片7的位移偏差。
80.所述第二透镜组8用于校正光斑的形状和大小。
81.所述光电探测器9用于接收载玻片7所形成的反射光束11获取反射光束11所形成光斑的质心位置，并根据第一质心位置和第二质心位置进行差值处理获取物镜6所需的补偿距离；所述光电探测器9还用于将补偿距离反馈到物镜移动单元5。
82.所述物镜移动单元5用于根据所述补偿距离移动物镜6。
83.在本实施例中，所述入射光束10和分光镜2的夹角为四十五度；所述入射光束10和二向色镜4的夹角为四十五度。
84.需要说明的是载玻片7可能发生微小的震动，使载玻片7产生位移偏差，所述位移偏差的范围是纳米级的。当载玻片7发生位移偏差时，由于位移偏差很小，因此需要对位移偏差进行放大处理。在本发明的光路中，所述第一透镜组3用于校正光斑的位置和放大载玻片7的位移偏差，所述第二透镜组8用于校正光斑的形状和大小。
85.在本实施例中，所述第一透镜组3按照入射光线的传播方向依次设置有第一负焦距透镜12、第一正焦距透镜13、第二负焦距透镜14；所述第一负焦距透镜12和第二负焦距透镜14用于放大载玻片7的位移偏差，所述第一正焦距透镜13用于校正光斑的位置。
86.在本实施例中，所述第一透镜组用于矫正光斑位置并放大光斑轴向位移。所述第一透镜组的镜片数量优选为三片，本领域技术人员可以根据实际需要增加或减少镜片的数量，因此其它镜片数量的第一透镜组仍然在本发明的保护范围中。
87.在本实施例中，所述第二透镜按照第一反射光束11的传播方向依次设置有第二正焦距透镜15和第三负焦距透镜16，所述第二正焦距透镜15用于校正光斑的形状，所述第三负焦距透镜16用于调整光斑的大小。
88.在本实施例中，所述第二透镜组用于矫正光斑质量并调节光斑汇聚尺寸。所述第二透镜组的镜片数量优选为两片，本领域技术人员可以根据实际需要增加或减少镜片的数量，因此其它镜片数量的第二透镜组仍然在本发明的保护范围中。
89.在本实施例中，第一透镜组3合可以将载玻片7上产生的纳米级位移震动，进行横向位移放大处理，使纳米级的移动量叠加成毫米级的移动量，也就是说，第二光斑最终在光电探测器9上发生了明显的移动量，有利于光电探测器9识别光斑信号的差异。但放大的光斑信号会因能量分布不均匀，导致光电探测器9识别光斑信号时，出现很大的测量误差，因此第二透镜组8将光斑能量重新进行分布，使其在光电探测器9上形成稳定的高斯能量分布曲线，提高了测量精度，减少了外界因素(如电磁扰动等)对光斑横向位移探测的干扰。
90.结合附图可知在本发明的光路中只使用了两个透镜组，所使用透镜组的数量远远小于现有技术中的透镜组数量，之所以只是用了两个透镜组是因为本发明的光路结构与现有技术有实质性的改进。第一透镜组3的一端设置有分光镜2，另一端设置有二向色镜4；光源1发出的光经过分光镜2和第一透镜组3后，通过二向色镜4将入射光线导入到物镜6中，物镜6中的入射光线到底载玻片7后发生反射，反射光束11沿入射光束10传播路径的返方向传播，并在反射光束11经过第一透镜组3后通过分光镜2导入到第二透镜组8，经过第二透镜组8后到底光电探测器9。本发明充分利用了分光镜2和二向色镜4引导光路的传播，使光路只在数量较少的光学镜片间传播，发生偏转的次数少，在入射光线到底载玻片7时只发生了一次偏转，在反射光束11到到达光电探测器9时只发生了两次偏转。相对现有技术中使用大量光学镜片，多次偏转的复杂光路设计，降低了锁焦系统的加工成本，同时本发明的光路设计更加紧凑合理，锁焦系统所占用的空间较小，方便锁焦系统安装到不同的显微镜。
91.在本实施例中，所述光电探测器9包括但不限于线阵ccd、面阵ccd或psd位置探测器中的一种。
92.实施例2：
93.参照附图3，本发明公开了一种显微镜锁焦系统，包括：第一获取模块101、第二获取模块102、第一判断模块103、第一处理模块104和物镜移动模块105。
94.所述第一获取模块101，用于获取光斑在光电探测器9上的线性区域，定义所述线性区域的起始点，并根据起始点得到所述线性区域的线性方程。
95.所述第二获取模块102，用于获取第一光斑并判断所述第一光斑是否满足线性方程，若所述第一光斑满足线性方程，则对第一光斑进行高斯拟合，得到第一高斯曲线。
96.所述第一判断模块103，用于判断第一高斯曲线的第一线性度是否小于预设的第一阈值，若第一线性度小于预设的第一阈值，则获取第一高斯曲线的峰值点所对应的第一像素位置。
97.所述第一处理模块104，用于将所述第一像素位置和起始点进行差值计算得到物镜6的第一补偿距离。
98.所述物镜移动模块105，用于根据所述第一补偿距离移动物镜6实现自动锁焦。
99.在本实施例中，由于实施例2是在实施例1的基础上进行撰写的，因此一些重复的技术特征不在赘述。
100.综上，本发明实施例提供一种显微镜锁焦系统的锁焦控制方法及锁焦系统与现有技术相比，其有益效果在于：根据预先获取的线性区域对光斑是否为离散点，对获取的光斑进行筛选，避免使用误差较大的光斑进行锁焦系统的调节；对获取到的光斑进行高斯拟合，当高斯拟合得到的拟合曲线满足线性度要求时才使用光斑信息进行物镜6的调节，提高了锁焦系统的调节精度和重复精度。
101.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。