专利名称：一种在自动扫描过程中自动补偿对焦的系统及方法与应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种补偿对焦系统，更具体地说，涉及一种在自动扫描过程中自动补偿对焦的系统，以及实现方法，并将其运用在显微镜上，用于对由于机械运动、机械加工和安装、热胀冷缩等因素产生的微小误差，进行补偿修正，从而保证显微镜在扫描过程中，每个视野都能够获得清晰的图像。
背景技术：
全自动显微镜扫描系统是近年来出现的高精度扫描仪器，被广泛地应用在医学研究、临床应用、生物研究及工业应用等领域。传统的显微镜扫描系统如图1所示，调焦时物镜102保持静止，载物台101带动被测物体做上下运动。也有采用传感器检测显微镜Z轴位置的，传感器固定在显微镜机架上，其探头与接触，当载物台上下运动调焦时，跟随载物台同步上下运动，并带动传感器探头运动，使得传感器能够获得载物台上下运动的位移量，结合软件聚焦模型，完成对焦补偿过程。显微镜物镜景深一般小于2um，细微的变化都会导致图像模糊，现有技术主要存在三方面缺陷，容易产生上述问题。其一，载物台除了 X、Y方向运动，还有Z方向运动，当X、Y运动时，载物台的重心会发生变化，而载物台在Z方向上又不是固定不动的，重心的变化会导致载物台向某一个方向倾斜，由此引起在Z方向上的变化，尽管这个变化可能很细微，但还是有很大几率超过物镜景深2um,从而影响图像清晰度。其二，载物台X、Y轴通常采用丝杆加线性导轨的传动方式，线性导轨是否够平整，丝杆与导轨的装配是否能够做到完全平行，这些仅在理想状态下才可能达到。实际载物台X、Y运动时，由于机械加工会产生误差，加上装配产生的误差，使载物台表面会发生微米级的上下波动误差，这种波动只要超过物镜景深，就会影响图像清晰度。其三，当使用传感器来检测载物台Z轴位移时，都只检测了载物台的升降位移，往往忽略了上述第一、第二点的影响，导致其实际效果并不理想。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种能够检测目标与镜头间的微小误差，并提供修正的自动补偿对焦的系统及方法，并将其运用于显微镜，实现显微镜在扫描过程中，每个视野都能够获得清晰的图像。本发明的技术方案如下一种在自动扫描过程中自动补偿对焦的系统，包括目标平台、成像装置，所述的目标平台在所在平面运动，所述的成像装置在垂直于目标平台的方向上运动，还包括对焦补偿系统，所述的对焦补偿系统包括至少两个位移测量装置，第一位移测量装置安装于目标平台，用于检测目标平台运动过程中存在的垂直方向的误差位移；第二位移测量装置安装在成像装置上，用于检测成像装置的镜头与目标平台的相对距离。
作为优选，所述的位移测量装置包括位移传感器、探头，第一位移测量装置的第一探头与目标平台表面接触，用于测量目标平台在运动过程中产生的垂直方向的起伏位移；第二位移测量装置的第二探头与成像装置的调焦机构接触，用于测量成像装置的镜头与目标平台的相对距离。作为优选，第一探头与目标平台表面间设置有调整片，所述的调整片表面平整，调整片固定在目标平台的表面，第一探头与调整片接触。一种在自动扫描过程中自动补偿对焦方法，步骤如下I)测量目标平台运动过程中产生的垂直方向的误差位移，以及成像装置的调焦机构的位移；2 )通过调焦机构当前坐标计算得到焦面位置，通过误差位移计算目标平台与焦面位置的偏差；3)根据所得的偏差，相应调整调焦机构进行补偿修正，使补偿修正后的调焦机构与目标平台的距离等于步骤2)计算所得焦面位置与未进行补偿修正前的调焦机构的距离，保证成像装置始终处于焦面位置并获得清晰的图像。—种基于在自动扫描过程中自动补偿对焦的系统的显微镜，包括显微镜系统、数码摄像头；所述的该显微镜系统，包括机架、物镜、载物台、调焦机构、成像光学系统、光源照明系统；，所述载物台固定在机架上，载物台在所在水平面上运动、且垂直方向保持静止，物镜在垂直于载物台所在平面的方向进行上下运动；还包括对焦补偿系统，所述的对焦补偿系统包括至少两个位移测量装置，第一位移测量装置安装在载物台上方，用于检测目标平台运动过程中存在的垂直方向的误差位移；第二位移测量装置安装在物镜上，用于检测物镜的运动位移。作为优选，所述的位移测量装置包括位移传感器、探头，第一位移测量装置的第一探头与载物台表面接触，用于测量载物台在运动过程中产生的垂直方向的起伏位移；第二位移测量装置的第二探头与物镜的调焦机构接触，用于检测物镜与观测标本的相对距离。作为优选，第一探头与载物台表面间设置有调整片，所述的调整片表面平整，调整片固定在载物台的表面，第一探头与调整片接触。作为优选，调整片的面积不小于物镜对载物台的扫描范围。作为优选，所述的对焦补偿系统与计算机系统相连，计算机系统获取误差位移和物镜与观测标本的距离，通过调焦机构当前坐标计算得到焦面位置，通过误差位移计算载物台与焦面位置的偏差，再根据所得的偏差，相应调整调焦机构进行补偿修正，使补偿修正后的调焦机构与载物台的距离等于焦面位置与未进行补偿修正前的调焦机构的距离，保证物镜始终处于焦面位置并获得清晰的图像。作为优选，所述的载物台、物镜通过电机驱动，所述的电机与电子控制系统相连，受电子控制系统控制，电子控制系统与计算机系统相连，获取计算机系统的计算结果，进行自行补偿修正。作为优选，所述的数码摄像头为一个以上，包括扫描成像摄像头、辅助聚焦摄像头。本发明的有益效果如下利用高精度传感器测量显微系统Z轴位置和载物台X、Y方向运动引起的Z向变动位移，以及由于机械运动、机械加工和安装、热胀冷缩等因素产生的微小误差，通过控制系统和软件实时获取编码器的测量数据进行综合计算，得出到达被测物体焦面的正确补偿值，并实时控制显微镜Z轴进行修正，从而保证显微镜在扫描过程中，每个视野都能够获得清晰的图像。控制物镜调焦的方式有较显著的优点其一，物镜相对于载物台，体积小、重量轻，更容易控制，且不容易因自重下滑；其二，载物台取消了 Z方向的运动，可以把载物台牢固的固定在机架上，使载物台重心变化引起的Z方向变动的影响降到最低。
图1是早期的自动扫描显微系统的结构示意图；图2是本发明的对焦补偿系统示意图；图3是本发明的结构示意图；图4是本发明的正面示意图；图5是本发明的侧面示意图；图6是本发明第一位移测量装置的局部示意图；图7是本发明第二位移测量装置的局部示意图；图中101是现有技术的显微镜的载物台，102是现有技术的显微镜的物镜，I是机架，2是目标平台，3是调整片，4是第一位移测量装置，41是第一探头，42是第一支架，5是第二位移测量装置，51是第二探头，52是第二支架，53是第二探头支架，6是镜头，7是第一电机，8是第二电机，9是Z轴电机，10是成像光学系统，11是数码摄像头，12是光源照明系统，13是齿轮，14是Z轴丝杆。
具体实施例方式以下结合附图及实施例对本发明进行进一步的详细说明。如图2所示，一种在自动扫描过程中自动补偿对焦的系统，包括目标平台2、成像装置，所述的目标平台2在所在平面运动，所述的成像装置在垂直于目标平台2的方向上运动，还包括对焦补偿系统，所述的对焦补偿系统包括至少两个位移测量装置，第一位移测量装置4安装于目标平台2，用于检测目标平台2运动过程中存在的垂直方向的误差位移；第二位移测量装置5安装在成像装置上，用于检测成像装置的镜头6与目标平台2的相对距离。所述的位移测量装置包括位移传感器、探头，第一位移测量装置4的第一探头41与目标平台2表面接触，用于测量目标平台2在运动过程中产生的垂直方向的起伏位移；第二位移测量装置5的第二探头51与成像装置的调焦机构接触，用于测量成像装置的镜头6与目标平台2的相对距离。第一探头41与目标平台2表面间设置有调整片3，所述的调整片3表面平整，调整片3固定在目标平台2的表面，第一探头41与调整片3接触。一种在自动扫描过程中自动补偿对焦方法，步骤如下I)测量目标平台2运动过程中产生的垂直方向的误差位移，以及成像装置的调焦机构的位移；2)通过调焦机构当前坐标计算得到焦面位置，通过误差位移计算目标平台2与焦面位置的偏差；3)根据所得的偏差，相应调整调焦机构进行补偿修正，使补偿修正后的调焦机构与目标平台2的距离等于步骤2)计算所得焦面位置与未进行补偿修正前的调焦机构的距离，保证成像装置始终处于焦面位置并获得清晰的图像。—种基于在自动扫描过程中自动补偿对焦的系统的显微镜，包括显微镜系统、数码摄像头；所述的该显微镜系统，包括机架1、物镜(即成像装置的镜头6)、载物台(即目标平台2)、调焦机构、成像光学系统、光源照明系统；，所述载物台固定在机架I上，载物台在所在水平面上运动、且垂直方向保持静止，物镜在垂直于载物台所在平面的方向进行上下运动；还包括对焦补偿系统，所述的对焦补偿系统包括至少两个位移测量装置，第一位移测量装置4安装在载物台上方，用于检测目标平台2运动过程中存在的垂直方向的误差位移；第二位移测量装置5安装在物镜上，用于检测物镜与观测标本的相对距离。所述的位移测量装置包括位移传感器、探头，第一位移测量装置4的第一探头41与载物台表面接触，用于测量载物台在运动过程中产生的垂直方向的起伏位移；第二位移测量装置5的第二探头51与物镜的调焦机构接触，用于测量物镜与观测标本的相对距离。第一探头41与载物台表面间设置有调整片3，所述的调整片3表面平整，调整片3固定在载物台的表面，第一探头41与调整片3接触。为了达到最优的效果，调整片3的面积不小于物镜对载物台的扫描范围。所述的对焦补偿系统与计算机系统相连，计算机系统获取误差位移和物镜与观测标本的距离，通过调焦机构当前坐标计算得到焦面位置，通过误差位移计算载物台与焦面位置的偏差，再根据所得的偏差，相应调整调焦机构进行补偿修正，使补偿修正后的调焦机构与载物台的距离等于焦面位置与未进行补偿修正前的调焦机构的距离，保证物镜始终处于焦面位置并获得清晰的图像。所述的载物台、物镜通过电机驱动，所述的电机与电子控制系统相连，受电子控制系统控制，电子控制系统与计算机系统相连，获取计算机系统的计算结果，进行自行补偿修正。所述的数码摄像头为一个以上，包括扫描成像摄像头、辅助聚焦摄像头。实施例如图3、图4、图5所示的一种基于在自动扫描过程中自动补偿对焦的系统的显微镜，包括机架1、物镜、电机驱动的载物台、电机驱动的调焦(Z轴)机构、成像光学系统10、数码摄像头11、光源照明系统12。其中机架I为龙门架结构，载物台固定在龙门架上，载物台可在X、Y向运动，而在Z方向上保持静止，始终固定在龙门架上。龙门架有足够的刚性，支撑载物台的四角，确保载物台X、Y向运动过程中所引起的载物台重心变化不会在Z方向上产生影响。载物台由电机驱动，第一电机7驱动载物台X向运动，第二电机8驱动载物台Y向运动。调焦机构固定在龙门架上，包括物镜、物镜升降(Z方向)传动装置。对焦补偿系统主要包括第一位移测量装置4、第二位移测量装置5。
如图6所示，物镜由Z轴电机9带动齿轮13和Z轴丝杆14驱动。与传统显微镜调焦方式不同，本发明通过控制物镜上下移动实现调焦，而不是控制载物台上下移动调焦。与传统方式对比，控制物镜调焦的方式有较显著的优点，其一，物镜相对于载物台，体积小、重量轻，更容易控制，且不容易因自重下滑。其二，载物台取消了 Z方向的运动，可以把载物台2牢固的固定在龙门架上，使载物台重心变化引起的Z方向变动的影响降到最低。第二位移测量装置5通过第二支架52固定在龙门架上，靠近调焦机构的位置，调焦机构特别设计了一个第二探头支架53，第二探头51与第二探头支架53接触，在调焦机构Z轴行程范围内，第二位移测量装置5的第二探头51会跟随第二探头支架53运动，使第二位移测量装置5可检查物镜的运动位移。如图7所示，第一位移测量装置4通过第一探头41第一支架42固定在龙门架上，位于载物台上方，第一探头41与载物台表面接触，在载物台与第一探头41接触的位置，有一块调整片3，本实施例中的调整片3为镜面薄片。镜面薄片表面光滑平整，其面积、尺寸与显微扫描所需面积、尺寸相同或稍大，以确保在扫描过程中第一探头41始终在镜面薄片范围内移动，通过第一位移测量装置4可检测到载物台X、Y运动过程中导致的Z向变化。对焦补偿系统中第一位移测量装置4和第二位移测量装置5获得的数据输入电子控制系统和计算机系统，综合考虑物镜位置、载物台的误差位移，获取当前物镜的实际位置，并将当前物镜的位置与正确焦面位置进行比对，随后控制系统驱动Z轴电机9使物镜到达正确焦面位置，获得清晰的图像。在整个扫描过程中，对焦补偿系统按照上述方法实时控制物镜处于正确焦面位置，从而使得扫描过程中的每个视野都能获得清晰的图像。光学成像系统具有多个分光光路，每个光路的分光比可以不同，可连接不同型号和类别的摄像头，达到成像、识别、辅助对焦等目的。上述实施例仅是用来说明本发明，而并非用作对本发明的限定。只要是依据本发明的技术实质，对上述实施例进行变化、变型等都将落在本发明的权利要求的范围内。
权利要求
1.一种在自动扫描过程中自动补偿对焦的系统，包括目标平台、成像装置，所述的目标平台在所在平面运动，所述的成像装置在垂直于目标平台的方向上运动，其特征在于，还包括对焦补偿系统，所述的对焦补偿系统包括至少两个位移测量装置，第一位移测量装置安装于目标平台，用于检测目标平台运动过程中存在的垂直方向的误差位移；第二位移测量装置安装在成像装置上，用于检测成像装置的镜头与目标平台的相对距离。
2.根据权利要求1所述的在自动扫描过程中自动补偿对焦的系统，其特征在于，所述的位移测量装置包括位移传感器、探头，第一位移测量装置的第一探头与目标平台表面接触，用于测量目标平台在运动过程中产生的垂直方向的起伏位移；第二位移测量装置的第二探头与成像装置的调焦机构接触，用于测量成像装置的镜头与目标平台的相对距离。
3.根据权利要求2所述的在自动扫描过程中自动补偿对焦的系统，其特征在于，第一探头与目标平台表面间设置有调整片，所述的调整片表面平整，调整片固定在目标平台的表面，第一探头与调整片接触。
4.一种在自动扫描过程中自动补偿对焦方法，其特征在于，步骤如下1)测量目标平台运动过程中产生的垂直方向的误差位移，以及成像装置的调焦机构的位移；2)通过调焦机构当前坐标计算得到焦面位置，通过误差位移计算目标平台与焦面位置的偏差；3)根据所得的偏差，相应调整调焦机构进行补偿修正，使补偿修正后的调焦机构与目标平台的距离等于步骤2)计算所得焦面位置与未进行补偿修正前的调焦机构的距离，保证成像装置始终处于焦面位置并获得清晰的图像。
5.一种基于在自动扫描过程中自动补偿对焦的系统的显微镜，包括显微镜系统、数码摄像头；所述的该显微镜系统，包括机架、物镜、载物台、调焦机构、成像光学系统、光源照明系统；所述载物台固定在机架上，载物台在所在水平面上运动、且垂直方向保持静止，物镜在垂直于载物台所在平面的方向进行上下运动；其特征在于，还包括对焦补偿系统，所述的对焦补偿系统包括至少两个位移测量装置，第一位移测量装置安装在载物台上方，用于检测目标平台运动过程中存在的垂直方向的误差位移；第二位移测量装置安装在物镜上，用于检测物镜与观测标本的相对距离。
6.根据权利要求5所述的显微镜，其特征在于，所述的位移测量装置包括位移传感器、 探头，第一位移测量装置的第一探头与载物台表面接触，用于测量载物台在运动过程中产生的垂直方向的起伏位移；第二位移测量装置的第二探头与物镜的调焦机构接触，用于测量物镜与观测标本的相对距离。
7.根据权利要求6所述的显微镜，其特征在于，第一探头与载物台表面间设置有调整片，所述的调整片表面平整，调整片固定在载物台的表面，第一探头与调整片接触。
8.根据权利要求7所述的显微镜，其特征在于，调整片的面积不小于物镜对载物台的扫描范围。
9.根据权利要求5所述的显微镜，其特征在于，所述的对焦补偿系统与计算机系统相连，计算机系统获取误差位移和物镜与观测标本的距离，通过调焦机构当前坐标计算得到焦面位置，通过误差位移计算载物台与焦面位置的偏差，再根据所得的偏差，相应调整调焦机构进行补偿修正，使补偿修正后的调焦机构与载物台的距离等于焦面位置与未进行补偿修正前的调焦机构的距离，保证物镜始终处于焦面位置并获得清晰的图像。
10.根据权利要求9所述的显微镜，其特征在于，所述的载物台、物镜通过电机驱动，所述的电机与电子控制系统相连，受电子控制系统控制，电子控制系统与计算机系统相连，获取计算机系统的计算结果，进行自行补偿修正。
11.根据权利要求5所述的显微镜，其特征在于，所述的数码摄像头为一个以上，包括扫描成像摄像头、辅助聚焦摄像头。
全文摘要
本发明涉及一种在自动扫描过程中自动补偿对焦的系统，以及实现方法，并将其运用在显微镜上，用于对由于机械运动、机械加工和安装、热胀冷缩等因素产生的微小误差，进行补偿修正，从而保证显微镜在扫描过程中，每个视野都能够获得清晰的图像。所述的自动补偿对焦的系统，包括目标平台、成像装置，所述的目标平台在所在平面运动，所述的成像装置在垂直于目标平台的方向上运动，还包括对焦补偿系统，所述的对焦补偿系统包括至少两个位移测量装置，第一位移测量装置安装于目标平台，用于检测目标平台运动过程中存在的垂直方向的误差位移；第二位移测量装置安装在成像装置上，用于检测成像装置的镜头与目标平台的相对距离。
文档编号G02B21/24GK103033919SQ20121046480
公开日2013年4月10日 申请日期2012年11月16日 优先权日2012年11月16日
发明者康军, 高志刚 申请人:麦克奥迪实业集团有限公司