本发明涉及光学领域，具体涉及一种自动对焦显微镜系统。
背景技术：
利用显微镜进行被测物观察时能够清晰地观察到被测物的细微部位，为观测提供可靠的数据，因此显微镜在需要进行细微观测的领域起到举足轻重的作用。在利用显微镜观测被测物之前，首先需要对焦显微镜和被测物，利用对焦后的显微镜才能够更加清晰准确的观测被测物。
现有技术中，一般通过手动或自动的方式进行对焦，手动对焦的方式存在效率低、准确度低的缺陷，利用显微镜进行自动对焦的方式能够提高对焦效率，但在被测物是透明的物体、被测物表面存在缺陷或被测物表面存在孔洞时，无法保证对焦的准确度。例如，现有技术中显微镜使用激光三角法进行自动对焦，具体地，显微镜在可见光路中加入808nm的激光，激光光束通经过一系统光学器件在电荷耦合器件ccd上得到一个半圆形的光斑，当光斑半径最小时，完成对焦。上述利用激光三角法的自动对焦方法，将光斑投射到被测物表面后，若光斑投射到被测物的缺陷或孔洞上，光斑会陷入缺陷或孔洞，造成观测到的光斑大小小于实际的光斑大小，因此在对光斑的大小判断时出现伪峰值，从而导致错误的自动对焦。
综上，如何提高显微镜对焦的效率以及提高显微镜对焦的准确度是目前亟需解决的技术问题。
技术实现要素：
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种自动对焦显微镜系统，其能够实现自动对焦，提高了自动对焦显微镜系统的对焦效率，并且能够实现对有缺陷、孔洞或透明的被测物地精确对焦。
(二)技术方案
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：
第一方面，提供了一种自动对焦显微镜系统，所述自动对焦显微镜系统用于观测被测物，所述自动对焦显微镜系统包括镜筒透镜和物镜，所述自动对焦显微镜系统还包括：掩膜版、第一光源、第一分光元件、第二分光元件、第一反射镜、第一电荷耦合器件以及处理器；
所述第一光源发射第一光束，并利用所述第一光束照射所述掩膜版，得到包含掩膜版的图案的光束，所述包含掩膜版的图案的光束射入所述第一分光元件；
所述第一分光元件对所述包含掩膜版的图案的光束进行分光处理，得到第一发射子光束，所述第一分光元件将其中的一个第一发射子光束射入所述镜筒透镜，所述其中的一个第一发射子光束通过所述镜筒透镜和所述物镜射到所述被测物上；
所述其中的一个第一发射子光束在所述被测物上进行反射，得到第一反射光束，所述第一反射光束依次经过所述物镜和所述镜筒透镜射入所述第一分光元件；
所述第一分光元件将所述第一反射光束进行分光处理，得到第一反射子光束，并将其中的一个第一反射子光束射入所述第二分光元件；
所述第二分光元件将接收的光束进行分光处理，得到第一目标子光束和第二目标子光束，所述第二分光元件将所述第一目标子光束射到所述第一电荷耦合器件的第一预定区域，所述第二分光元件将所述第二目标子光束射入所述第一反射镜，所述第一反射镜将所述第二目标子光束射到所述第一电荷耦合器件的第二预定区域；
所述处理器计算所述第一预定区域内的图像的对比度，得到第一对比度，计算所述第二预定区域内的图像的对比度，得到第二对比度，根据所述第一对比度和第二对比度确定所述自动对焦显微镜系统的离焦方向和离焦量，并根据所述离焦方向和离焦量确定所述物镜位置的调整量。
结合第一方面，在第一种可能的实现方式中，所述自动对焦显微镜系统还包括调节器；
所述处理器根据所述调整量生成调节命令，并将所述调节命令发送给所述调节器；
所述调节器根据所述调节命令调整所述物镜的位置。
结合第一方面，在第二种可能的实现方式中，所述掩膜版为变周期光栅掩膜版。
结合第一方面，在第三种可能的实现方式中，所述自动对焦显微镜系统还包括第二光源、第二反射镜、第三分光元件、第一滤光元件、第二滤光元件和第二电荷耦合器件；
所述第二光源发射第二光束，并将所述第二光束射入所述第二反射镜；所述第二反射镜将所述第二光束射入所述第一分光元件；
所述第一分光元件对所述第二光束进行分光处理，得到第二发射子光束，所述第一分光元件将其中的一个第二发射子光束射入所述镜筒透镜，所述其中的一个第二发射子光束通过所述镜筒透镜和所述物镜射到所述被测物上；
所述其中的一个第二发射子光束在所述被测物上进行反射，得到第二反射光束，所述第二反射光束依次经过所述物镜和所述镜筒透镜射入所述第一分光元件；
所述第一分光元件将所述第二反射光束进行分光处理，得到第二反射子光束，并将其中的一个第二反射子光束射入所述第三分光元件；所述第三分光元件对所述其中的一个第二反射子光束进行分光处理，并将得到一个子光束射入所述第一滤光元件，将另一个子光束射入所述第二滤光元件；
所述第一分光元件将所述其中的一个第一反射子光束射入所述第三分光元件，所述第三分光元件对所述其中的一个第一反射子光束进行分光处理，并将得到一个子光束射入所述第一滤光元件，将另一个子光束射入所述第二滤光元件；
所述第一滤光元件将其接收的光束中的第一预定光束滤除，并将滤波后的光束射入所述第二分光元件；所述第一预定光束为所述第三分光元件对所述其中的一个第二反射子光束进行分光处理得到的光束；
所述第二滤光元件将其接收的光束中的第二预定光束滤除，并将滤波后的光束射入所述第二电荷耦合器件；所述第二预定光束为所述第三分光元件对所述其中的一个第一反射子光束进行分光处理得到的光束；
所述第二电荷耦合器件接收光束，并利用接收的光束形成图像。
结合第一方面的第三种可能的实现方式，在第四种可能的实现方式中，所述第一滤光元件为白光滤光片，第二滤光元件为红外光滤光片。
结合第一方面的第三种可能的实现方式，在第五种可能的实现方式中，所述第一光源为红外光光源，所述第二光源为白光光源。
结合第一方面的第四种可能的实现方式，在第六种可能的实现方式中，所述第一分光元件、第二光学元件或第三分光元件为分光棱镜。
结合第一方面的第四种可能的实现方式，在第七种可能的实现方式中，所述第二电荷耦合器件为面阵电荷耦合器件。
结合第一方面、第一方面的第一种可能的实现方式、第一方面的第二种可能的实现方式、第一方面的第三种可能的实现方式、第一方面的第四种可能的实现方式、第一方面的第五种可能的实现方式、第一方面的第六种可能的实现方式或第一方面的第七种可能的实现方式，在第八种可能的实现方式中，所述第一电荷耦合器件为线阵电荷耦合器件。
结合第一方面、第一方面的第一种可能的实现方式、第一方面的第二种可能的实现方式、第一方面的第三种可能的实现方式、第一方面的第四种可能的实现方式、第一方面的第五种可能的实现方式、第一方面的第六种可能的实现方式或第一方面的第七种可能的实现方式，在第九种可能的实现方式中，所述自动对焦显微镜系统还包括第三反射镜；
所述第一光源将所述包含掩膜版的图案的光束射入所述第三反射镜；所述第三反射镜将所述包含掩膜版的图案的光束射入所述第一分光元件。
(三)有益效果
本发明实施例提供了一种自动对焦显微镜系统。具备以下有益效果：
将掩膜版的图案投射到被测物上，继而利用掩膜版的图案进行自动对焦，能够对焦透明的被测物进行精确对焦，并且利用掩膜版的图案进行对焦能够克服孔洞或缺陷带来的对焦精确度不高的缺陷。
利用处理器确定所采集的掩膜版的图案的对比度，继而利用对比度确定物镜与被测物之间的距离，从而实现了自动对焦显微镜系统对被测物的自动对焦，提高了对焦效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明一实施例的自动对焦显微镜系统的结构示意图；
图2是本发明再一实施例的自动对焦显微镜系统的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种自动对焦显微镜系统，如图1所示，所述自动对焦显微镜系统用于观测被测物106，所述自动对焦显微镜系统包括镜筒透镜104、物镜105、掩膜版102、第一光源101、第一分光元件103、第二分光元件107、第一反射镜109、第一电荷耦合器件108以及处理器(图中未标示)。
所述第一光源101发射第一光束，并利用所述第一光束照射所述掩膜版102，得到包含掩膜版的图案的光束。所述包含掩膜版的图案的光束射入所述第一分光元件103。
所述第一分光元件103对所述包含掩膜版的图案的光束进行分光处理，得到第一发射子光束，所述第一分光元件将其中的一个第一发射子光束射入所述镜筒透镜104，所述其中的一个第一发射子光束通过所述镜筒透镜104和所述物镜105射到所述被测物106上。
所述其中的一个第一发射子光束在所述被测物106上进行反射，得到第一反射光束，所述第一反射光束依次经过所述物镜105和所述镜筒透镜104射入所述第一分光元件103。
所述第一分光元件103将所述第一反射光束进行分光处理，得到第一反射子光束，并将其中的一个第一反射子光束射入所述第二分光元件107。
所述第二分光元件107将接收的光束进行分光处理，得到第一目标子光束和第二目标子光束，所述第二分光元件107将所述第一目标子光束射到所述第一电荷耦合器件的第一预定区域b，所述第二分光元件107将所述第二目标子光束射入所述第一反射镜109，所述第一反射镜109将所述第二目标子光束射到所述第一电荷耦合器件108的第二预定区域a。
所述处理器计算所述第一预定区域内的图像的对比度，得到第一对比度，计算所述第二预定区域内的图像的对比度，得到第二对比度，根据所述第一对比度和第二对比度确定所述自动对焦显微镜系统的离焦方向和离焦量，并根据所述离焦方向和离焦量确定所述物镜位置的调整量。所述物镜根据所述调整量调整位置后，所述被测物位于所述物件的焦面上。。这里的离焦量是指物镜焦面离被测物的距离，被测物离物镜焦点越远，离焦量越大。
当第一电荷耦合器件上a、b两个区域接收到的图像对比度的差为0时，判定被测物处于物镜的焦面上。对比度即图像的清晰程度，清晰的图像，轮廓清楚、细节信丰富，对比度高。可以利用清晰度评价函数来计算a、b两个区域中的图像的对比度，清晰度评价函数的值越大，图像的对比度越高。
优选的，处理器可以利用灰度梯度评价函数，信息学函数或频域函数作为清晰度评价函数来计算a、b两个区域中的图像的对比度。其中，灰度梯度评价及函数包括绝对方差函数、梯度向量模方函数、brenner函数(又称为梯度滤波器法)、roberts梯度和函数、灰度涨落变化函数(variance函数)、灰度变化率和函数、拉普拉斯函数、sobel算子评价函数等。
本实施例采用brenner函数分别计算a、b两个区域中的图像的对比度：
式中，f4为图像的对比度，m为图像中的像素的总行数，n为图像中的像素的总列数，x为像素所在的行，y为像素所在的列，d为预定的像素个数。
上述brenner函数选取了x方向相距d个像素的梯度变化大小的平方和作为图像清晰度或对比度的判断依据，实际上也可以理解为计算图像的d阶梯度。
本实施例中，掩膜版可以是等周期光栅掩膜版，也可以是变周期光栅掩膜版。在使用等周期光栅掩膜版时，可以实现对大多数被测物的自动对焦，但当被测物是与掩膜版相同周期的光栅时，则无法实现对被测物的对焦。由于被测物与掩膜版是相同的变周期光栅的几率非常小，因此利用变周期光栅掩膜版可以实现对任意被测物的对焦。
利用等周期光栅掩膜版或变周期光栅掩膜版均可以实现对透明的被测物的精确对焦。另外，由于掩膜版具有一定的投射面积，因此利用等周期光栅掩膜版或变周期光栅掩膜版均可以实现对有缺陷或有孔洞的被测物的精确对焦。
本实施例中，第一电荷耦合器件优选的为线阵ccd，线阵ccd拥有更高的图像采集位数，并且计算量少，对焦速度快。
进一步地，本实施例中，所述自动对焦显微镜系统还包括调节器。所述处理器根据所述调整量生成调节命令，并将所述调节命令发送给所述调节器；所述调节器根据所述调节命令调整所述物镜的位置。
本实施例将掩膜版的图案投射到被测物上，继而利用掩膜版的图案进行对焦，能够对焦透明的被测物进行精确对焦，并且利用掩膜版的图案进行对焦能够克服孔洞或缺陷带来的对焦精确度不高的缺陷。本实施例利用处理器确定所采集的掩膜版的图案的对比度，继而利用对比度确定物镜与被测物之间的距离，从而实现了自动对焦显微镜系统对被测物的自动对焦，提高了对焦效率。
在一个实施例中，如图2所示，自动对焦显微镜系统用于观测被测物206，所述自动对焦显微镜系统包括镜筒透镜204、物镜205、掩膜版202、第一光源201、第一分光元件203、第二分光元件207、第一反射镜209、第一电荷耦合器件208以及处理器(图中未标示)。上述器件的功能和光路与上一实施例相同，因此对于重复的部分，本实施例不再进行赘述。
本实施例中，所述自动对焦显微镜系统还包括第二光源210、第二反射镜211、第三分光元件212、第一滤光元件216、第二滤光元件213、第二电荷耦合器件214和第三反射镜215。
所述第二光源210发射第二光束，并将所述第二光束射入所述第二反射镜211；所述第二反射镜211将所述第二光束射入所述第一分光元件203。
所述第一分光元件203对所述第二光束进行分光处理，得到第二发射子光束，所述第一分光元件203将其中的一个第二发射子光束射入所述镜筒透镜204，所述其中的一个第二发射子光束通过所述镜筒透镜204和所述物镜205射到所述被测物206上。
所述其中的一个第二发射子光束在所述被测物206上进行反射，得到第二反射光束，所述第二反射光束依次经过所述物镜205和所述镜筒透镜204射入所述第一分光元件203。
所述第一分光元件203将所述第二反射光束进行分光处理，得到第二反射子光束，并将其中的一个第二反射子光束射入所述第三分光元件212；所述第三分光元件212对所述其中的一个第二反射子光束进行分光处理，并将得到一个子光束射入所述第一滤光元件216，将另一个子光束射入所述第二滤光元件213。
所述第一分光元件203将所述其中的一个第一反射子光束射入所述第三分光元件212，所述第三分光元件212对所述其中的一个第一反射子光束进行分光处理，并将得到一个子光束射入所述第一滤光元件216，将另一个子光束射入所述第二滤光元件213。
所述第一滤光元件26将其接收的光束中的第一预定光束滤除，并将滤波后的光束射入所述第二分光元件207；所述第一预定光束为所述第三分光元件212对所述其中的一个第二反射子光束进行分光处理得到的光束。
所述第二滤光元件213将其接收的光束中的第二预定光束滤除，并将滤波后的光束射入所述第二电荷耦合器件214；所述第二预定光束为所述第三分光元件212对所述其中的一个第一反射子光束进行分光处理得到的光束。
所述第二电荷耦合器件214接收光束，并利用接收的光束形成图像。
所述第一光源201将所述包含掩膜版的图案的光束射入所述第三反射镜215；所述第三反射镜215将所述包含掩膜版的图案的光束射入所述第一分光元件203。
本实施例中第一光源为红外光光源，所述第二光源为白光光源。红外光光源用于将掩膜版的图案投射到被测物上，白光光源用于在第二电荷耦合器件上形成被测物的图像，并且增加第二电荷耦合器件214所成图像的亮度。
本实施例中，第二滤光元件213为红外光滤光片，因此只有包含被测物的图案的光束射入第二电荷耦合器件，包含掩膜版的图案的光束没有射入第二电荷耦合器件，因此第二电荷耦合器件只形成了被测物的图像。本实施例中，所述第一滤光元件26为白光滤光片，因此只有包含掩膜版的图案的光束射入第二分光元件，那么在第一电荷耦合器件上只形成了掩膜版的图案，不包括被测物的图案，不会对本实施例中的利用掩膜版图案进行对焦造成干扰。
本实施例中所述第一分光元件、第二光学元件或第三分光元件为分光棱镜。所述第二电荷耦合器件为面阵电荷耦合器件。
本实施例中，掩膜板通过红外光光源(即第一光源)被投射到被测物表面，到达被测物表面上的光反射后经过物镜，成像透镜，分光棱镜，被分光棱镜分成两束光，其中一束光直接通过红外光滤波片(即滤光元件)投射到成像的面阵ccd靶面(即第二电荷耦合器件)，被用来进行被测物的图像的实时观测。另一束经过分光棱镜和反射镜，分别投射到线阵ccd(即第一电荷耦合器件)的a、b区域。线阵ccd的a、b区域对称于与面阵ccd共轭的像平面。通过对线阵ccd上a、b两个区域接受的图像的对比度进行比较，可以检测出离焦的方向和离焦量。面阵ccd前放置红外光滤光片，使成到面阵ccd和线阵ccd上的像互不影响。
本实施例将掩膜版的图案投射到被测物上，继而利用掩膜版的图案进行对焦，能够对焦透明的被测物进行精确对焦，并且利用掩膜版的图案进行对焦能够克服孔洞或缺陷带来的对焦精确度不高的缺陷。本实施例利用处理器确定所采集的掩膜版的图案的对比度，继而利用对比度确定物镜与被测物之间的距离，从而实现了自动对焦显微镜系统对被测物的自动对焦，提高了对焦效率。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。