一种高精度的物镜齐焦检测设备的制作方法

本实用新型涉及光学仪器检测领域，尤其涉及一种高精度的物镜齐焦检测设备。

背景技术：

现代生物显微镜的设计制造中，为了提高使用者的工作效率，一般都要求满足齐焦设计，亦即对于所有的物镜，它们的共轭距离相等。这样，在更换不同倍率的物镜时，不必再另行调焦，即在镜检时，当用某一倍率的物镜观察图像清晰后，在转换另一倍率的物镜，其成像应基本清晰。但是由于制造上的误差，各物镜物像之间的共轭距离不可能是绝对相等的，总会有一些偏差。因此，齐焦是显微镜的关键质量指标之一，齐焦性能的优劣是评价显微镜质量的一个重要指标。

现有的检查齐焦的典型装置，为透射式光路。在透射条件下，光源通过聚光镜，聚焦在载物台的十字分划板上，通过标准物镜、标准目镜成像于人眼，确定此时齐焦位置时，对焦螺旋上刻度线所对应的读数数值，以此值为基准数值，然后在同一孔位，分别换上其他物镜，分别调至清晰状态，依次读出对焦螺旋刻线上的数值，此读数与基准数值之差，即为齐焦的误差精度。这种方式，由于人眼的误差，齐焦精度不是特别高。

授权公众号为CN 201359560Y的专利公布文件中公开了一种齐焦检查仪，该齐焦检查仪包括设置在机架上的平行光光源和物像，它还包括半透半反棱镜、可沿被检物镜轴向移动的反射镜；在被检物镜轴线前端无限远处设置平行光光源和物像，在被检物镜轴线前后端分别设置半透半反棱镜和反射镜，在半透半反棱镜的侧部设置目镜；平行光光源打出的物像通过半透半反棱镜透射，再经过被检物镜在其焦面上成像；反射镜捕捉的成像作为反射物像反射进入被检物镜，通过被检物镜后经过半透半反棱镜转向，进入目镜，使得反射物像成像于人眼。该齐焦检查仪，利用反射式光路，利用平行光(光源)打出的物像(如十字分划板的十字线)经过半透半反棱镜透射以及被检物镜，在被检物镜的焦面上成像，利用反射镜，捕捉成像，成为反射光路的被检物镜的焦点上的物像，然后通过被检物镜，通过半透半反棱镜转向，经过目镜，成像于人眼。该检查仪利用反射式光路检查物镜的齐焦性能，将齐焦精度提高一倍。但是，由于它的精度同时依赖于设置在机架上的滑轨与测距仪(千分表)，滑轨与测距仪的精度直接影响检测精度；而使用平行光管，加大了仪器的体积，使得仪器过于庞大；为了消除色差，必须使用单色光光源，这在一定程度上增加仪器的的复杂性；还有物镜 连接滑块，每次使用都必须抽出，在使用上颇为不便。而且该仪器仍然是人眼直接判读，人眼误差仍然存在，精度还是没有得到太大的改善。

因此，为了提高精度，可以使用图像传感器。在文献《显微视觉自动聚焦研究》中，提出一种评估空域聚焦函数的方法。从计算时间与聚焦曲线变化率两个方面,提出四个参量作为评估依据，可从多个函数中筛选出最佳聚焦测度。针对研制的微对准装配自动聚焦系统的评估结果表明：灰度熵函数是适合于该系统的最佳聚焦测度。为克服聚焦搜索运动中的机械传动回差,提出不同于传统聚焦策略的“定位法”。该方法的核心是建立聚焦函数值与离焦量之间的函数关系，提出采用多项式拟合、高斯函数拟合以及样条插值拟合的方法可以构建这种函数关系；并给出了计算结果。最后综合灰度熵函数与定位法策略进行自动聚焦实验。该方法，在聚焦时通过读取精密定位平台的旋转编码器的位置获得焦平面相对于某一选取基准平面的距离，该定位单元在聚焦运动方向上的重复定位精度约为光学系统焦深的1/3，可用作测量基准，聚焦精度相对于已有的方法，已得到很大的提升。但是，此方法还是基于传统的爬山法，还是通过运动寻找最佳焦面，在找寻过程中，还是不连续的变量，因此还是有可能错过最佳焦面。且用了斐波那契法，相对而言所使用的算法也更加复杂，对软件的要求也较高。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种高精度的物镜齐焦检测设备。本实用新型可以解决现有仪器精度低、操作工序复杂等诸多问题，而且所使用的算法相对于已有的也相对简便。

本实用新型的具体技术方案为：一种高精度的物镜齐焦检测设备，包括机架、托架、底座、物镜连接器、检测中间体、标准反射镜标本和数据处理输出设备；待检物镜固定于所述物镜连接器上，所述机架固定于所述底座上，所述托架固定于所述机架上。

所述检测中间体内包括落射明场同轴投影系统和成像系统，所述落射明场同轴投影系统包括依次设置的光源8、照明透镜前片、标准分划板、孔径光栏、视场光栏、照明透镜后片和第一半透半反镜；所述成像系统包括依次设置的管镜、反光镜、成像透镜和倾斜成像装置。所述的倾斜成像装置至少包含一个与待检物镜光轴倾斜的图像传感器；所述光源对标准分划板实现均匀照明，然后光线经过第一半透半反镜反射后，到达待检物镜，在待检物镜物面位置投影一个标准像，所述标准像经所述标准反射镜标本的反射后，再经过待检物镜、管镜、反光镜、成像透镜后成像在待检物镜的一次像面位置；所述图像传感器的中间位置放置于所 述的一次像面位置，所述图像传感器的不同位置捕捉从经过待检物镜反射回来的标准像信息或标准像的离焦信息；所述数据处理输出设备通过分析所述标准像信息和所述标准像的离焦信息，经由软件算法，把该信息转化成物镜齐焦位置的误差信息并输出，从而达到检测齐焦距离的目的。

标准分划板为一系列的十字线插板，目视下检测低倍物镜时，使用最小格值为0.1十字线分划板；目视下检测高倍物镜时，使用最小格值为0.01十字线分划板，观察者可以实现快速简易的切换，以实现对不同倍数的齐焦距离检测；而在数码观察时，标准分划板则没有要求。

图像传感器倾斜光轴放置，角度可调，放置角度与落射明场同轴投影系统的十字线分划板插板放置角度互相对应。通过数码观察时，落射明场同轴投影系统的十字线分划板垂直光轴放置，则图像传感器倾斜光轴放置；落射明场同轴投影系统的十字线分划板倾斜光轴放置时，则图像传感器垂直光轴放置。如直接通过目视观察，仅需落射明场同轴投影系统的十字线分划板倾斜光轴放置，但在不同倍数下使用时，必须使用匹配的十字线分划板，才能获得最佳的检测效果。

在本实用新型中，十字线分划板与标准反射镜标本共轭，十字线分划板，通过物镜系统，成像于标准反射镜标本上，反射像通过物镜，进入成像系统，成像于倾斜的图像传感器光敏面上。当齐焦距离不一致时，图像传感器上聚焦的位置不一致，可通过图像传感器自身的算法，判断最佳像面，进而实现齐焦距离的检测。而当图像传感器垂直放置时，由于十字线分划板是倾斜放置的，同样是齐焦距离不一致时，图像传感器上的聚焦的位置也不一致，通过图像传感器自身的算法，判断最佳像面，实现齐焦距离的检测。

在图像传感器判读最佳像面过程中，本装置采用基于图像梯度变化的评价函数，此评价函数是根据像素间梯度幅值变化来寻找最佳聚焦位置，聚焦良好的图像，具有更尖锐边缘的图像，具有更大的梯度函数值。常用的灰度梯度函数有灰度梯度模方和函数、Roberts梯度模方和函数、Prewitt梯度模方和函数、Tenengrad函数、Brenner函数、Laplacian函数等。本装置选取最简单的Brenner函数，它只是计算相差两个单位的两个像素的灰度差，此函数的优点是具有较高的灵敏度且计算量较小，其表达式为

式中，I(x,y)表示图像中第x行第y列像素的灰度值，当调焦评价函数F(I)数值最大时，图像最清晰。这种算法可以进一步优化，判读出精准的最佳像面，避免物面景深的影响，极 大程度地提高测量精度。

作为优选，所述标准反射镜标本放置于所述底座上，所述物镜连接器连接于托架底面，物镜连接器位于标准反射镜标本上方，形成正置式检测设备。

作为优选，所述标准反射镜标本固定于托架底面，所述物镜连接器连接于底座上，物镜连接器位于标准反射镜标本下方，所述检测中间体内置于底座内，形成倒置式检测设备。

作为优选，所述托架在机架上具有一个或多个工作位置。

作为优选，物镜连接器为多孔物镜转换器或单孔连接环。

上述的高精度的物镜齐焦检测设备上的物镜齐焦检测方法，包括以下步骤：

第一步：确定高精度的物镜齐焦检测设备的工作状态；

第二步：装入与待检物镜适配的标准反射镜标本，通过图像传感器的软件算法，校准高精度的物镜齐焦检测设备的零点位置；

第三步：选择或输入待检物镜的倍数等规格参数；

第四步：装入待检物镜，通过图像传感器及数据处理输出设备内置的软件算法，计算并输出该物镜的齐焦误差数值；

重复以上第四步，检测同类别物镜的齐焦误差数值；

重复以上步骤，测出不同规格物镜的齐焦精度误差。

作为另一种选择，一种高精度的物镜齐焦检测设备，包括机架、托架、底座、物镜连接器、检测中间体、标准反射镜标本和图像接收设备；待检物镜固定于所述物镜连接器上，其特征在于：所述机架固定于所述底座上，所述托架固定于所述机架上。

所述检测中间体内包括落射明场同轴投影系统，所述落射明场同轴投影系统包括依次设置的光源8、照明透镜前片、倾斜放置的标准分划板、孔径光栏、视场光栏、照明透镜后片和第一半透半反镜；所述光源对标准分划板实现均匀照明，然后光线经过第一半透半反镜反射后，到达待检物镜，在待检物镜物面位置投影一个倾斜的标准像，所述倾斜的标准像经所述标准反射镜标本的反射后，再经过待检物镜、第一半透半反镜后成像在待检物镜的一次像面位置；所述图像接收设备接收所述倾斜的标准像，通过该倾斜的标准像在图像接收设备的标准像信息或标准像的离焦信息，从而达到检测齐焦距离的目的。

作为优选，所述图像接收设备为数码图像接收设备。

作为优选，所述图像接收设备为目镜；高精度的物镜齐焦检测设备还包括目视成像系统；所述目视成像系统包括依次设置的直角棱镜、第一反射镜、第二发射镜、第一中继透镜、第二中继透镜、直角棱镜组、第三反射镜、第四反射镜、第五反射镜、目镜；所述光源对标准 分划板实现均匀照明，然后光线经过第一半透半反镜反射后，到达待检物镜，在待检物镜物面位置投影一个标准像，所述标准像经所述标准反射镜标本的反射后，再经过待检物镜、管镜、反光镜、直角棱镜、第一反射镜、第二反射镜、第一中继透镜、第二中继透镜、直角棱镜组，最后经过第三反射镜、第四反射镜分别进目镜。

作为优选，所述标准反射镜标本放置于所述底座上，所述物镜连接器连接于托架底面，物镜连接器位于标准反射镜标本上方，形成正置式检测设备。

作为优选，所述标准反射镜标本固定于托架底面，所述物镜连接器连接于底座上，物镜连接器位于标准反射镜标本下方，所述检测中间体内置于底座内，形成倒置式检测设备。

作为优选，所述托架在机架上具有一个或多个工作位置。

作为优选，物镜连接器为多孔物镜转换器或单孔连接环。

上述的一种高精度的物镜齐焦检测设备的检测方法，包括以下步骤：

第一步：确定高精度的物镜齐焦检测设备的工作状态；

第二步：装入与待检物镜适配的标准反射镜标本，通过图像接收设备校准高精度的物镜齐焦检测设备的零点位置；

第三步：选择检物镜的倍数等规格参数；

第四步：装入待检物镜，通过图像接收设备读出该物镜的齐焦误差数值；

重复以上第四步，检测同类别物镜的齐焦误差数值；

重复以上步骤，测出不同规格物镜的齐焦精度误差。

与现有技术对比，本实用新型的有益效果是：在本实用新型中，通过图像传感器与分划板的不同放置形式，经由软件算法，可以直接对齐焦距离进行检测。与现有技术比较，有如下优势：

1、实现反射条件下的检测，相对透射检测，提高测量精度；

2、实现图像传感器直接判读，避免人眼误差，消除物面景深影响，提高测量精度；

3、实现同一机架上多种类别物镜的齐焦检测，简化不同类别物镜齐焦检测的工序；

4、实现检测过程中，更换同类物镜，不需要重新对焦，简化操作步骤；

5、实现目视和数码两种模式的自由切换，便于实时比较；

6、实现简单机架的多功能操作，且成本便宜。

附图说明

图1是本实用新型正置式数码观察的总装配图；

图2是本实用新型正置式数码观察的光学系统简图；

图3是本实用新型正置式目视观察的总装配图；

图4是本实用新型正置式目视观察的光学系统简图；

图5是本实用新型倒置式数码观察的总装配图；

图6是本实用新型倒置式数码观察的光学系统简图；

图7是本实用新型正置式单孔数码观察的总装配图；

图8是图像采集系统获取清晰图像的示意图；

图9是图像清晰度判别流程图；

图10是边缘跨度计算流程图。

具体实施方式

下面结合实施例对本实用新型作进一步的描述。在本实用新型中所涉及的装置、连接结构和方法，若无特指，均为本领域公知的装置、连接结构和方法。

实施例1

图1是本装置正置式数码观察的总装配图，如图所示，检测中间体2内含落射明场同轴投影系统和倾斜成像系统，采用整体部件式设计，可根据需要自由装卸，落射明场同轴投影系统的标准分划板垂直光轴放置，倾斜成像系统的图像传感器倾斜光轴放置，通过图像传感器自身的算法，在显示屏1可直接读出数值，从而实现齐焦距离的检测。托架4可定位于不同的齐焦距离，且带有多孔物镜转换器，方便多个物镜的检测。电器控制组采用内置方式固定于机架3内部，这样大大简化了外部的电线而在机架内部走线，达到安全、美观的目的。标准反射镜标本放置于底座5上。

接下来结合本实施例的光学系统简图和图像处理示意图讲述本实施例具体的实施步骤：

图2是本装置正置式数码观察的光学系统简图，如图所示，装置主体光学系统包括3个部分，Ⅰ为倾斜成像系统，Ⅱ为落射照明同轴投影系统，Ⅲ为物镜系统。在落射照明下，光源8发出的光，依次经过照明透镜前片9、标准分划板10、孔径光栏11、视场光栏12、照明透镜后片13，第一半透半反镜14，进入充当聚光镜的物镜15，均匀照射在标准反射镜标本面16上。标准反射镜标本16反射的光，再次经过物镜15，第一半透半反镜14，进入数码成像系统Ⅰ，经由管镜17，反光镜18，成像透镜19，成像在倾斜图像传感器20上。

在图像传感器20中，进行信息处理，如图8所示。图8是图像采集系统获取清晰图像的示意图。其中a为图像传感器上清晰成像范围示意图，b为理想调焦判定函数曲线图。本检 测装置中，不管标准分划板与图像传感器如何放置，在图像传感器成像面上都只有部分列像素是清晰成像的，如a所示，A区为清晰成像的像素列，B区为模糊成像区域，该区的列像素均是模糊成像；而调焦判定函数，则是根据图像相邻像素间灰度的变化，来判定图像是否离焦，形成b曲线，横轴为离焦量，纵轴为调焦判定函数值，且对数据进行归一化处理，虚线代表准确的对焦位置，经由这种方式，完成最佳像面的判断。

最佳像面的判断，可经由图9和图10两个流程进行判断。

图9是图像清晰度判别流程图。在空域中，聚焦目标的边缘最锐利时，灰度值变化最剧烈，即灰度梯度最大，对应的灰度变化跨度达到最小。根据这个原理，直接搜索目标边缘，分别计算图像在离焦和聚焦时的目标边缘灰度跨度，结果显示，当跨度取得最小值时，梯度最大的位置就是图像聚焦位置。图像传感器采集一副图像，找到图像中的待检区域，开始读取图片，通过具体算法计算图片边缘跨度值，对边缘跨度值取倒数，接着判断图片是否读取结束，结束就可以绘制边缘跨度聚焦特性曲线，找到最清晰的图像，结束判别流程，否则则继续图片的读取及之后的流程。

图10是边缘跨度计算流程图。开始读取图片，通过具体的算法计算背景平均灰度值，接着计算前景平均灰度值，取背景和前景的平均值作为自动阈值，开始搜索，找到粗边缘，最后在粗边缘附近进行精搜索，计算边缘跨度值。

该图像处理的具体算法，选择基于MATLAB的Brenner算法，具体算法如下所示：

由于本装置是通过计算灰度梯度函数来判断最佳焦面，因此只要能反映图像邻域灰度变化的任何算子都可以用来计算梯度，Brenner函数计算梯度的方式与其他梯度函数有所不同，它利用与当前像素间隔1个像素的点计算图像梯度，实际上也可以理解为计算二阶梯度，它的优点是具有较高的灵敏度且计算量较小，其表达式为

式中，I(x,y)表示图像中第x行第y列像素的灰度值，当调焦评价函数F(I)数值最大时，图像最清晰。

以上是本实施例的具体内容，在整个检测过程中，由于采用特殊放置方式的图像传感器，不仅操作步骤简单，而且大大提高检测的精度。其检测步骤如下：

第一步：确定该检测设备的工作状态，如托架位置、标准反射组规格与待检物镜适配；

第二步：装入与待检物镜适配的标准物镜，通过图像传感器的软件算法，校准该检测设备的零点位置；

第三步：选择或输入待检物镜的倍数等规格参数；

第四步：装入待检物镜，通过图像传感器及数据处理输出设备内置的软件算法，即可计算并输出该物镜的齐焦误差数值；

只需重复以上第四步，即可检测同类别物镜的齐焦误差数值；

只需重复以上步骤，即可测出不同规格物镜的齐焦精度误差。

实施例2

图3是本装置正置式目视观察的总装配图，如图所示，检测中间体2a内含落射明场同轴投影系统和倾斜成像系统，采用整体部件式设计，可根据需要自由装卸，落射明场同轴投影系统的标准分划板倾斜光轴放置，成像系统的图像传感器垂直光轴放置，可以通过目视头部1a直接判读数值，也可连接电脑，在显示屏上直接读出数值，观察模式根据用户需求选择。托架4可定位于不同的齐焦距离，且带有多孔转换器，方便多个物镜的检测。电器控制组采用内置方式固定于机架3内部，这样大大简化了外部的电线而在机架内部走线，达到安全、美观的目的。标准反射镜标本放置于底座5上。

接下来结合本实施例的光学系统简图和图像处理示意图讲述本实施例具体的实施步骤：

图4是本装置正置式目视观察的光学系统简图，如图所示，装置主体光学系统包括4个部分，Ⅰ为目视成像系统，Ⅱ为数码成像系统，Ⅲ为落射明场同轴投影系统，Ⅳ为物镜系统。此系统下，有2种观察模式。在落射照明下，光源8发出的光，依次经过照明透镜前片9、倾斜设置的标准分划板10、孔径光栏11、视场光栏12、照明透镜后片13，第一半透半反镜14，进入充当聚光镜的物镜15，均匀照射在标准反射镜标本面16上。标准反射镜标本16反射的光，再次经过物镜15，第一半透半反镜14，进入数码成像系统Ⅱ，经由管镜17，第二半透半反射18，成像透镜19，成像在垂直图像传感器20上，这是数码观察方式。而目视观察方式，则是在落射照明下，光源8发出的光，依次经过照明透镜前片9、倾斜设置的标准分划板10、孔径光栏11、视场光栏12、照明透镜后片13，第一半透半反镜14，进入充当聚光镜的物镜15，均匀照射在标本面16上。标本16反射的光，再次经过物镜15，第一半透半反镜14，经由管镜17，第二半透半反镜18a，直角棱镜21，反射镜22，反射镜23，中继透镜24，中继透镜25，直角棱镜组26，分别进入目镜30和目镜31。

本实施例在数码观察模式下，其图像处理过程，与实施例1一致。而在目视观察模式下，直接在目镜内观察，由于分划板，倾斜放置，只要齐焦距离不一致，在目视范围内，分划板上中心的具体位置是不一致的，如此，可得到具体的齐焦误差。其检测步骤如下：

第一步：确定该检测设备的工作状态，如托架位置、标准反射组规格与待检物镜适配；

第二步：装入与待检物镜适配的标准物镜，通过图像接受设备校准该检测设备的零点位置；

第三步：选择检物镜的倍数等规格参数；

第四步：装入待检物镜，通过图像接受设备读出该物镜的齐焦误差数值；

只需重复以上第四步，即可检测同类别物镜的齐焦误差数值；

只需重复以上步骤，即可测出不同规格物镜的齐焦精度误差。

实施例3

图5是本装置倒置式数码观察的总装配图，如图所示，物镜安装于底座5a多孔物镜转换器上，托架4b连接标准反射镜，且可定位于不同的齐焦距离，方便多种类别物镜的检测。检测中间体采用内嵌式设计，内置于底座5a内，且内含落射明场同轴投影系统和成像系统，同轴投影系统的标准分划板垂直光轴放置，成像系统的图像传感器倾斜光轴放置，通过图像传感器自身的算法，在显示屏1b可直接读出数值，从而实现齐焦距离的检测。电器控制组采用内置方式固定于机架3a内部。

接下来结合本实施例的光学系统简图和图像处理示意图讲述本实施例具体的实施步骤：

图6是本装置倒置式数码观察的光学系统简图，如图所示，装置主体光学系统包括3个部分，Ⅰ为物镜系统，Ⅱ为落射照明同轴投影系统，Ⅲ为数码成像系统。在落射照明下，光源8发出的光，依次经过照明透镜前片9、标准分划板10、孔径光栏11、视场光栏12、照明透镜后片13，第一半透半反镜14，进入充当聚光镜的物镜15，均匀照射在标准反射镜标本面16上。标本16反射的光，再次经过物镜15，第一半透半反镜14，进入数码成像系统Ⅲ，经由管镜17，反光镜18，成像透镜19，成像在倾斜图像传感器20上。

本实施例图像处理过程，与实施例1一致。

实施例4

图7是本装置正置式单孔数码观察的总装配图，如图所示，检测中间体2内含落射明场同轴投影系统和成像系统，采用整体部件式设计，可根据需要自由装卸，落射明场同轴投影系统的标准分划板垂直光轴放置，成像系统的图像传感器倾斜光轴放置，通过图像传感器自身的算法，在显示屏1可直接读出数值，从而实现齐焦距离的检测。托架4a可定位于不同的齐焦距离，带有单孔物镜连接器，方便操作。电器控制组采用内置方式固定于机架3内部，这样大大简化了外部的电线而在机架内部走线，达到安全、美观的目的。标准反射镜标本放 置于底座5上。

本实施例只是物镜连接器与实施例1不一致，其余实施方式均相同

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型作任何限制，凡是根据本实用新型技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变换，均仍属于本实用新型技术方案的保护范围。