专利名称：自动聚焦装置的制作方法
技术领域：
本发明一般地涉及一种显微镜装置，尤其涉及一种为获得合适聚焦而自动调整载台位置的技术。
背景技术：
就像所有的光学系统一样，显微镜承受了由于成像透镜(物镜)的放大倍率和NA(数值孔径)的增加带来的景深的减少。当使用显微镜时，使用者要负责通过相对于物镜来移动样品而获得样品的合适的聚焦。当显微镜是自动化的，并且使用者不再参与到观察每个图像时，就需要一种自动聚焦的方法。在相关技术领域中，已经有通过测定前透镜和容器(例如，载片，孔板等等)底部的距离来获得自动聚焦方法的描述。这种技术是基于从第一表面反射的光束并测量该反射。但是这种技术的不足之处在于，如果样品所放置的容器的厚度不均匀，如同在大多数的塑料制品中一样，那么所产生的图像就会以基片的偏差量偏离焦点。细胞的图像依赖于在玻璃或者塑料基片底部的细胞的生长。细胞平行于表面生长，并且分泌使得它们附着于基片的蛋白质。为了保持细胞的生长，加入有丰富营养的液体培养基来供给细胞并且保持合适的生理条件。在这个方案中，塑料的表面用一种用于检测细胞的位置的水溶液覆盖。塑料和液体之间折射率的改变可以通过使用低噪声、高灵敏度的反射光装备来确定。
发明内容
在本发明的实施例中，提供一种自动聚焦显微镜装置。该装置包括，光源；分束器，用于将由所述光源发出的光束分成光信号的第一部分和光信号的第二部分；具有第一端口，第二端口和第三端口的光纤环形器；其中在光纤环形器中的光信号仅从第一端口传播到第二端口以及从第二端口传播到第三端口 ；其中光纤环形器与光信号的第二部分在第一端口处耦合；光准直仪用于将从光纤环形器的第二端口输出的光线通过分色镜和显微镜物镜直接导向到样品上，其中样品是放置在可调整的显微镜载台上；平衡检波器，用于将从样品放置的基片反射离开的光信号转换成模拟电压信号，其中反射光信号被显微镜物镜捕获并通过分色镜、光准直仪，再从光纤环形器的第二端口输入且从第三端口输出，从而被送到平衡检波器；其中平衡检波器使用光信号的第一部分作为输入，微处理器用于处理来自平 衡检波器的模拟电压信号。在本发明的另一个实施例中，提供一种自动聚焦显微镜装置。该装置包括，光源，具有第一端口，第二端口和第三端口的光纤环形器；其中，光纤环形器中的光信号仅从所述第一端口传播到所述第二端口以及从第二端口传播到第三端口传输；其中光纤环形器在第一端口与光源发出的光信号I禹合，光准直仪用于将从光纤环形器的第二端口输出的光通过分色镜和显微镜物镜导向到样品上，其中样品是放置在可调整的显微镜载台上；光电二极管检测器，用于将从放置样品的基片上反射离开的光信号转换成模拟电压信号，其中，反射光信号通过所述显微镜物镜被捕获，并且通过分色镜、光准直仪，再从光纤环形器的第二端口输入，并从光纤环形器的第三端口输出，从而被发送到光电二极管检测器，以及用于处理来自光电二极管检测器的模拟电压信号的微处理器。在本发明的又一个实施例中，提供一种操作显微镜装置的方法。该方法包括以下步骤向分束器发出一束光，该分束器用于将光束分成光信号的第一部分和光信号的第二部分；将光信号的第一部分输入到平衡检波器；将光纤环形器在第一端口与光信号的第二部分稱合，在第二端口与光准直仪稱合，在第三端口与平衡检波器稱合，其中光纤环形器中的光信号仅从第一端口传输到第二端口以及从第二端口传输到第三端口 ；利用光准直仪将从光纤环形器第二端口的光束通过分色镜和显微镜物镜导向到样品上，其中样品放置在可调整的显微镜载台上；通过显微镜物镜捕获反射的光束信号并通过光准直仪、再从光纤环形器的第二端口输入，且从第三端口输出，从而将反射光束信号发送到平衡检波器；利用平衡检波器将从样品放置的基片上反射的光信号转换为模拟电压信号，并且对平衡检波器的输出进行处理。在一个实施例中，本发明可以作为自动聚焦显微镜装置来实现。微处理器可以根据平衡检波器的输出以及来自可调整的显微镜台的定位反馈产生用于移动可调整的显微镜台的位置的命令，以达到需要的光学聚焦。在另一个实施例中，本发明可以作为跟踪装置来实现。微处理器可以连续监控模拟电压信号并且产生为了保持与样品的特定距离的命令，或者其中微处理器连续监控电压信号并且寻找样品和显微镜物镜之间的距离的改变，以将来自检波器的电压最大化，或者将电压保持在一个指定点。 在另一个实施例中，微处理器可以基于模拟电压信号以及定位反馈来确定样品的位置。
图I是根据本发明的实施例设计的自动聚焦装置的示意图；图2是根据本发明的另一个实施例设计的自动聚焦装置的示意图；图3是信号电压作为载台位置的函数的图表。
具体实施例方式该公开描述了实现当前预期的发明的最好的一个或多个模式。本说明书并不是想要以限制意义来理解，而是参照附图提供仅为了说明性目的提出的发明的实例，向本领域的普通技术人员解释本发明的优点和结构。在不同的附图中，同样的参考符号指代相同或类似的部分。需要注意的是所有的光纤系统可以用自由空间等效物替换。图I显示了根据本发明的实施例设计的自动聚焦装置100的典型和非限制性的示意图。装置100包括至少一个光源110，光纤分束器120，平衡检波器140，光纤环形器130，、光准直仪150，微处理器180和控制器190。光源110可以包括但不局限于例如激光二极管。其他光源也是可以考虑的。
根据本发明的原理，通过光源110发出的光线被光纤耦合或者聚焦到光纤分束器120中，光纤分束器120将原始光线的第一部分122导向至平衡检波器140的一个端口中。在本发明的一个实施例中，光源110的波长是1310nm。其他数值也是可以考虑的。光纤环形器130包括第一端口(1)，第二端口(2)和第三端口(3)。从分束器120输出的第二部分124被馈送到光纤环形器130的第一端口(I)中。第二部分124远大于第一部分122 (例如，99%对1%)。光线在环形器130中传播并且在第二端口(2)输出，第二端口(2)输出的光信号被准直仪150准直成光束。需要注意的是光信号在环形器130中仅从第一端口(I)传播到第二端口(2)再到第三端口(3)。光线从分色镜170反射离开，分色镜170被设计成仅反射预定波长以上的波长并且使任何预定波长以下的波长都通过。在典型的实施例中，预定波长是1300nm。光束通过显微镜物镜160传播，并被聚焦在放置在可调整的显微镜载台上的样品195上。光线从样品195所放置的塑料或玻璃基片上反射离开，被物镜160捕获，然后被准直仪150送回到光纤中。如果样品195没有被包含在玻璃或者塑料基片中，那么反射可以来自于样品195本身。因为光线仅沿一个方向传播通过环形器130，所以来自准直仪150的光信号在第二端口(2)被输入到环形器130中，再在第三端口(3)被输出。来自环形器130的输出被馈送到平衡检波器140的另一个端口中。在平衡检波器140电路中，用从由分束器120提供的原始光线的第一部分122的信号将来自物镜160的信号电分离，因此，抵消随着时间光源强度的改变。平衡检波器140进一步将来自物镜160的校正信号转换为模拟电压信号，然后通过微处理器180中的A/D转换器被转换为数字信号。微处理器180，根据数字信号的数值以及定位反馈，通过发出指令给控制器190将显微镜载台沿着Z轴移动。例如，如图I所示，样品195被放置在可沿Z轴调整位置的显微镜载台198上，从而允许样品195和物镜160之间的间隔的调整以便保持聚焦。微处理器180还记录通过平衡检波器140测量的电压值以及可调整的显微镜载台在样品195和物镜160之间的不同距离处的位置。分析电压信号峰值，然后通过控制器190命令显微镜载台198移动到与希望的光学焦点最相关的电压信号峰值的位置。图3显示电压信号峰值相对于显微镜载台位置的图表。图2显示根据本发明另一个非限制性的实施例实现的自动聚焦装置200的典型示意图。在这个实施例中，装置200不包括光纤分束器，并且使用简单的光电二极管检测器240来代替平衡检波器。光源110发出的光线被光纤耦合或者聚焦到光纤环形器130的第一端口(I)中。光线在环形器130中传播并且在第二端口(2)输出，在第二端口(2)的光信号被准直仪150聚焦成光束。从准直仪150返回获得的光信号在第二端口(2)被输入到环形器130中，并且在第三端口(3)被输出。来自环形器130的输出被馈送到光电二极管检测器240中。光电二极管检测器240将光信号转换为电压信号输出。图2中所示的实现方式在光线强度的改变的时间过程比移动载台的时间周期长的时候效率很高。本领域的普通技术人员可以理解，在图I和图2中所示的自动聚焦机构被设计成使用光纤环形器的低背景高灵敏度检测器。在光路中增加环形器防止从激光器发出的到样品的光线被检测器所探测到。这种照明方法通过环形器提供的阻塞量，减少了到达检测器的背景信号。在一个实施例中，阻塞最好大于45db。本发明的自动聚焦系统特别适合于高内涵筛选和生物成像。在一个实施例中，自动聚焦能够被用于自动荧光微板成像系统，即设计成使研究者能够开发出比当前的方案更快速、以更高的空间分辨率并且更经济的基于细胞的化验。支持的一些基于细胞的化验包括，但不限于，核质转位，质膜转位，蛋白表达，脂滴形成，DNA含量，细胞毒性，细胞存活力(凋亡/坏死)及其他。如图I所示，在一个实施例中，通过使用嵌入到载台构造内的线性编码器刻度使得定位反馈更方便。虽然在此描述的是线性编码器刻度，但其他的定位工具也是可以考虑 的。对于显微镜的另一个非限制性的实施例，其中载台或被用于相对于样品定位显微镜的任何部分或者相对于显微镜定位样品。在此结合图1-2显示该应用的一个实施例。另一个非限制性的实施例包括机器视觉测量或者基于非接触的尺寸测量。其他工业和应用也是可以考虑的。考虑到样品的位置可以随着时间而改变。需要跟踪样品的位置以便保持聚焦。在本发明的实施例中，系统能够以跟踪装置的形式被实现。利用本发明的原理，通过跟踪信号电压并且连续调整Z轴上的位置，跟踪装置可以保持装置和样品之间的特定距离。当样品195的位置改变时，通过平衡检波器140或者光电二极管检测器240接收的反射光信号改变。结果，微处理器180检测来自平衡检波器140或者光电二极管检测器240的电压信号的改变。为了接收来自检测器的相同的电压，微处理器180产生相应的移动命令，并且因此保持物镜160和样品195之间的相同的距离。本发明能被用作计量工具。具体地，本发明提供了一种良好的非接触测量及测距技术。在本发明的另一个实施例中，该系统能够以距离测量装置的形式被实现。在这种情况下，就没有必要发出任何移动命令。通过平衡检波器140或者光电二极管检测器240接收的反射光信号被用于产生模拟电压信号。如图3中所示，电压依赖于载台的位置。微处理器180分析来自载台的电压信号以及定位反馈，并且因此确定样品的位置。虽然本发明相对于几个描述的实施例做出了相当详尽地并且具有一些特殊性的描述，但并不是想限制于任何这种细节或是实施例或者是任何具体实施例，而是通过参考附加的权利要求来解释，以便考虑到现有技术提供关于这些权利要求的最宽泛的可能的解释，并因此有效包含本发明想要的范围。此外，上述内容描述了根据发明人预见的实施例的本发明，允许描述对于发明人是可用的，尽管本发明的非实体的改变现在不能被预见，但是仍然可以表示它的同等方式。
权利要求
1.ー种自动聚焦装置，其特征在于，包括 光源； 分束器，用于将由所述光源发出的光束分成光信号的第一部分和光信号的第二部分；光纤环形器，具有第一端ロ、第二端ロ和第三端ロ ；其中在所述光纤环形器中的所述光信号仅从所述第一端ロ传播到所述第二端ロ以及从所述第二端ロ传播到所述第三端ロ ；其中所述光纤环形器与所述光信号的第二部分在所述第一端ロ处耦合； 光准直仪，用于将从所述光纤环形器的所述第二端ロ输出的光通过分色镜和显微镜物镜导向到样品上，其中所述样品和物镜之间的间隔是能够调节的； 平衡检波器，用于将从放置所述样品的基片反射离开的光信号转换为模拟电压信号，其中，反射光信号被所述显微镜物镜捕获，并且通过所述分色镜、所述光准直仪，再从所述光纤环形器的所述第二端ロ输入且从所述光纤环形器的所述第三端ロ输出，从而被送到所述平衡检波器；其中，所述平衡检波器使用所述光信号的第一部分作为输入；以及微处理器，用于处理来自所述平衡检波器的所述模拟电压信号。
2.如权利要求I所述的装置，其特征在于，所述平衡检波器用所述光信号的第一部分分离所述反射光信号，从而抵消随着时间光源強度的任何改变。
3.如权利要求I所述的装置，其特征在于，所述光纤元件可以被自由空间等效物代替。
4.如权利要求I所述的装置，其特征在于，所述微处理器基于通过所述平衡检波器测量的电压信号峰值和从可调整的显微镜载台接收的定位反馈产生用于移动所述可调整的显微镜载台的位置的命令，以获得需要的光学聚焦。
5.如权利要求I所述的装置，其特征在于，为了使得所述样品和所述显微镜物镜之间保持特定距离，所述微处理器连续监控电压信号并且产生用于移动所述可调整的显微镜载台的位置的命令。
6.如权利要求I所述的装置，其特征在于，所述微处理器连续监控所述电压信号并且寻找所述样品和所述显微镜物镜之间的距离的改变，以使得来自所述检波器的所述电压最大化或者将电压值保持在特定点。
7.如权利要求I所述的装置，其特征在于，所述微处理器基于来自所述平衡检波器的模拟电压信号确定所述样品的位置，然后控制所述可调整的显微镜载台的位置以保持聚焦。
8.ー种自动聚焦装置，其特征在于，包括 光源； 光纤环形器，具有第一端ロ、第二端ロ和第三端ロ ；其中在所述光纤环形器中的光信号仅从所述第一端ロ传播到所述第二端ロ以及从所述第二端ロ传播到所述第三端ロ ；其中所述光纤环形器在第一端ロ处稱合到所述光源输出的光信号； 光准直仪，用于将来自所述光纤环形器的所述第二端ロ输出的光通过分色镜和显微镜物镜导向到样品上，其中所述样品被放置于可调整的显微镜载台上； 光电ニ极管检测器，用于将从放置所述样品的基片反射离开的光信号转换为模拟电压信号，其中，所述反射光信号被所述显微镜物镜捕获，并且通过所述分色镜、所述光准直仪，再从所述光纤环形器的所述第二端ロ输入并且从所述光纤环形器的所述第三端ロ输出，从而被发送到光电ニ极管检测器；以及微处理器，用于处理来自所述光电ニ极管检测器的所述模拟电压信号。
9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述光源的光強度的改变的时间过程比所述可调整的显微镜载台的移动的时间周期更长。
10.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述微处理器基于通过所述光电ニ极管检测器测量的电压信号峰值产生用于移动所述可调整的显微镜载台的位置的命令，以获得需要的光学聚焦。
11.如权利要求8所述的装置，其特征在于，为了使得所述样品和所述显微镜物镜之间 保持特定距离，所述微处理器连续监控所述电压信号并且产生用于移动所述可调整的显微镜载台的位置的命令。
12.如权利要求8所述的装置，其特征在于，为了使得所述样品和所述显微镜物镜之间保持特定距离，所述微处理器连续监控所述电压信号并且产生用于移动所述物镜的位置的命令。
13.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述微处理器基于来自所述光电ニ极管检测器的模拟电压信号和从所述可调整的显微镜载台接收的定位反馈确定所述样品的位置。
14.ー种用于自动操作自动聚焦装置的方法，其特征在于，所述方法包括 向分束器照射光束，用于将所述光束分成光信号的第一部分和光信号的第二部分； 将所述光信号的第一部分输入到平衡检波器中； 将在光纤环形器的第一端ロ与所述光信号的第二部分耦合，在第二端ロ与光准直仪耦合，在第三端ロ与平衡检波器耦合，其中在所述光纤环形器中的光信号仅从所述第一端ロ传播到所述第二端ロ以及从所述第二端ロ传播到所述第三端ロ ； 所述光准直仪将来自所述光纤环形器的所述第二端ロ的光束通过分色镜和显微镜物镜导向到样品上，其中所述样品被放置于可调整的显微镜载台上； 通过所述显微镜物镜捕获反射光束信号，并且通过所述光准直仪、且从所述光纤环形器的第二端ロ输入、从所述光纤环形器的所述第三端ロ输出，将反射光束信号发送到所述平衡检波器； 通过所述平衡检波器将从放置所述样品的基片反射离开的所述光信号转换为模拟电压信号；以及 对所述平衡检波器的输出进行处理，以便允许所述样品和物镜之间的希望的间隔得到保持。
15.如权利要求14所述的方法,其特征在于,进ー步包括用所述光信号的第一部分分离所述反射光信号，从而抵消随着时间光源強度的任何改变。
16.如权利要求14所述的方法，其特征在干，进ー步包括基于通过所述平衡检波器测量的电压信号峰值产生用于移动所述可调整的显微镜载台的位置的命令，以便获得希望的光学聚焦。
17.如权利要求14所述的方法，其特征在干，进ー步包括连续监控所述电压信号并且产生用于移动所述可调整的显微镜载台的位置的命令，以便保持所述样品和所述显微镜物镜之间特定距离。
18.如权利要求14所述的方法，其特征在干，进ー步包括基于来自所述平衡检波器的所述模拟电压信号和从所述可调整的显微镜载台接收的定位反馈以确定所述样品的位置。
19.ー种用于自动操作自动聚焦装置的方法，其特征在于，该方法包括 将光纤环形器的第一端ロ与光源输出的光信号耦合，在第二端ロ耦合与光准直仪，在第三端ロ耦合与光电ニ极管检测器，其中所述光纤环形器中的所述光信号仅从所述第一端ロ传播到所述第二端ロ以及从所述第二端ロ传播到所述第三端ロ； 由所述光准直仪将来自所述光纤环形器的所述第二端ロ的光束通过分色镜和显微镜物镜导向到样品上，其中所述样品被放置于可调整的显微镜载台上； 通过所述显微镜物镜捕获反射光束信号，并且通过所述光准直仪、且从所述光纤环形器的所述第二端ロ输入、从所述光纤环形器的所述第三端ロ输出，将反射光束信号发送到所述光电ニ极管检测器； 通过所述光电ニ极管检测器将从放置样品的基片反射离开的所述光信号转换为模拟电压信号；以及 处理所述光电ニ极管检测器的输出。
20.如权利要求19所述的方法，其特征在于，其中所述光源的光强度的改变的时间过程比所述可调整的显微镜载台的移动的时间周期更长。
21.如权利要求19所述的方法，其特征在干，进ー步包括基于通过所述光电ニ极管探测器测量的电压信号的峰值产生用于移动所述可调整的显微镜载台的位置的命令，以便获得希望的光学聚焦。
22.如权利要求19所述的方法，其特征在干，进ー步包括连续监控所述电压信号并且产生用于移动所述可调整的显微镜载台的位置的命令，以便保持所述样品和所述显微镜物镜之间的特定距离。
23.如权利要求19所述的方法，其特征在干，进ー步包括基于来自所述光电ニ极管检测器的所述模拟电压信号来确定所述样品的位置。
全文摘要
一种自动聚焦装置，在一个实施例中，包括光源、分束器、光纤环形器、光准直仪、平衡检波器和微处理器。光纤环形器与分束光信号的一部分在第一端口耦合，与光准直仪在第二端口耦合，与平衡检波器在第三端口耦合。光准直仪将来自光纤环形器的光束通过分色镜和显微镜物镜直接导向到样品上。平衡检波器利用分束光信号的另一部分作为输入，并且将从放置样品的基片反射离开的光信号转换为模拟电压信号。微处理器处理平衡检波器的输出以及来自可调整的显微镜载台的定位反馈以产生用于移动可调整的显微镜载台的位置的命令从而达到需要的聚焦。
文档编号G01M11/00GK102640030SQ201080055242
公开日2012年8月15日 申请日期2010年10月16日 优先权日2009年10月16日
发明者杰弗里·S·布鲁克 申请人:索雷博股份有限公司