一种显微成像锁焦系统、方法及显微镜与流程

1.本发明涉及显微镜技术领域，特别是涉及一种显微成像锁焦系统、方法及显微镜。


背景技术：

2.由于环境中的振动以及温度影响，在做显微成像时，样品不可避免的会受到环境中各种因素的影响而发生轴向的偏离，进而造成样品面的失焦，倍率越大的物镜下，焦面偏离带来的影响越大。因此需要在显微镜中增加锁焦系统。
3.现有的自动锁焦技术一般利用光线在载玻片上的反射光在光电探测器上形成的光斑位置来计算物镜的补偿距离。但现有的锁焦系统中，探测信号与反馈信号都要经过二向色镜的反射以及物镜的放大，所以这种设计对于光路的同轴性要求较高，不良的同轴度会导致探测器无法收集到反馈信号，加大了系统的装调难度。


技术实现要素：

4.本发明的目的是：提供一种新的显微成像锁焦系统、方法和显微镜，降低锁焦系统对光路同轴性的要求，降低锁焦系统的调装难度。
5.为了实现上述目的，本发明提供了一种显微成像锁焦系统，包括光源、第一透镜、第二透镜、第三透镜、探测器和物镜位移控制器；所述光源用于产生入射光线，第一透镜、第二透镜和第三透镜依次设置在反射光束的传播路径上，所述反射光束是由入射光束经载玻片上表面反射所形成的；所述第一透镜和第二透镜组成扩束镜组，所述扩束镜组用于放大偏移量，所述第三透镜用于将反射光束汇聚到呈第一角度设置的探测器，所述探测器用于比较反射光束所形成的第一光斑的第一位置和预存的初始光斑的初始位置，并根据第一位置和第二位置向物镜位移控制器发送第一控制信号，所述物镜位移控制器根据第一控制信号控制物镜的移动。
6.进一步的，所述入射光线的入射角度大于五十六度小于九十度。
7.进一步的，所述第一角度大于等于四十度小于等于五十度。
8.进一步的，所述第一角度为四十五度。
9.进一步的，锁焦系统还包括反射镜，所述反射镜设置在扩束镜组和第三透镜之间，所述反射镜用于折转光路。
10.进一步的，所述探测器为线阵ccd。
11.本发明还公开了一种显微成像锁焦方法，包括：
12.对锁焦系统进行校正获取初始光斑的初始位置，所述锁焦系统包括：光源、第一透镜、第二透镜、第三透镜、探测器和物镜位移控制器；所述光源发射的入射光线经载玻片上表面反射形成反射光线，反射光线依次经过第一透镜、第二透镜和第三透镜后汇聚在探测器上形成初始光斑并记录初始光斑的初始位置；所述第一透镜和第二透镜组成扩束镜组，所述扩束镜组用于放大偏移量，所述第三透镜用于将反射光束汇聚到呈第一角度设置的探测器；
13.当载玻片产生竖直方向的位移时，入射光线在探测器上形成第一光斑，探测器获取第一光斑的第一位置并将第一位置和初始位置进行比较，根据第一位置和初始位置向物镜位移控制器发送第一控制信号，所述物镜位移控制器根据第一控制信号控制物镜的移动。
14.进一步的，锁焦系统还包括反射镜，所述反射镜设置在扩束镜组和第三透镜之间，所述反射镜用于折转光路。
15.进一步的，所述第一角度为四十五度。
16.本发明还公开了一种显微镜，应用上述的锁焦系统。
17.本发明实施例一种显微成像锁焦系统、方法及显微镜与现有技术相比，其有益效果在于：本发明的入射光不经物镜入射的锁焦系统，进行锁焦时对显微成像系统的依赖以及影响可以忽略不计；锁焦系统的器件数量少，机构精简，降低了加工装调难度，更易实现的模块化系统；本发明的锁焦系统可兼容多种显微镜，而不需要对显微镜的结构进行改变。
附图说明
18.图1是本发明一种显微成像锁焦系统的第一结构示意图；
19.图2是本发明一种显微成像锁焦系统的第二结构示意图；
20.图3是本发明一种显微成像锁焦系统中载玻片产生在竖直方向的位移时的光路传播示意图。
21.图中，1、物镜；2、载物台；3、载玻片下表面；4、载玻片上表面；5、光源；6、第一透镜；7、第二透镜；8、反射镜；9、第三透镜；10、探测器；11、入射光束；12、反射光束；13、反馈光束。
具体实施方式
22.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。
23.实施例1：
24.如图1所示，本发明公开了一种显微成像锁焦系统，包括光源5、第一透镜6、第二透镜7、第三透镜9、探测器10和物镜位移控制器；所述光源5用于产生入射光线，第一透镜6、第二透镜7和第三透镜9依次设置在反射光束12的传播路径上，所述反射光束12是由入射光束11经载玻片上表面4反射所形成的；所述第一透镜6和第二透镜7组成扩束镜组，所述扩束镜组用于放大偏移量，所述第三透镜9用于将反射光束12汇聚到呈第一角度设置的探测器10，所述探测器10用于比较反射光束12所形成的第一光斑的第一位置和预存的初始光斑的初始位置，并根据第一位置和第二位置向物镜位移控制器发送第一控制信号，所述物镜位移控制器根据第一控制信号控制物镜1的移动。
25.本领域技术人员知晓锁焦系统可以单独作为显微镜的一个模组，可以和多种不同型号的显微镜配合。当使用本发明的锁焦系统时，本领域技术人员可以自行将其安装在显微镜的载物台2上，如图1和图2所示，显微镜安装在载物台2上侧。使用显微镜时，本领域技术人员自行安装载玻片，并进行校正。
26.本发明的锁焦系统的校正方法具体为：打开光源5，所述光源5发射的入射光线经载玻片上表面4反射形成反射光线，反射光线依次经过第一透镜6、第二透镜7和第三透镜9
后汇聚在探测器10上形成初始光斑并记录初始光斑的初始位置。
27.校正完成后，由于外界因素的影响，载玻片可能发生位移。当载玻片产生竖直方向的位移时，入射光线在探测器10上形成第一光斑，探测器10获取第一光斑的第一位置并将第一位置和初始位置进行比较，根据第一位置和初始位置向物镜位移控制器发送第一控制信号，所述物镜位移控制器根据第一控制信号控制物镜1的移动。
28.如图3所示，载玻片产生一个δz尺度的轴向偏离，此时的反馈光束13经后续光路汇聚于探测器10上，此时的第一位置与初始位置距离为δd。通过控制物镜的移动，对该偏离进行校准，使光斑再次回到初始位置，进而实现显微镜成像过程中的焦面锁定的目的。
29.在实施例中，所述光源5的波长可以为700－900nm的光源5，优选为850nm的光源5作为探测光。
30.在本实施例中，所述入射光线的入射角度大于五十六度小于九十度。该角度范围可以满足大部分显微镜的应用。
31.在本实施例中，极少数显微镜还需要根据所配备的显微镜机械参数进行设定，可能超出上述的入射角度范围，因此在特殊情况下，所述入射角度大于零度小于九十度。
32.在本实施例中，扩束镜组选用两个透镜即可，根据实际需要本领域技术人员也可以进一步增加适量的透镜，如在此基础上再增加一个透镜，以提高偏移量的放大效果，所述偏移量为载玻片的偏移量。所述扩束镜组中的多个透镜的多个焦点在同一直线时有最佳的放大偏移量的效果。因此本领域技术人员可以将扩束镜组的多个透镜设置成焦点在同一直线的状态。
33.在本实施例中，载波片下表面3所反射的探测光会透过整个样品，有很大的损耗，其次，样品中各种物质比较复杂，探测光经过这些物质会发生无法预知的反射和散射，因此在实施本发明的技术方案时只考虑载玻片上表面4。
34.在本实施例中，所述第一角度大于等于四十度小于等于五十度。
35.在本实施例中，所述第一角度为四十五度。
36.在本实施例中，由于系统采用的是探测反馈信号(第一光斑)横向移动量，因而系统的探测灵敏度也取决于探测器10像元尺寸(一个变化量δz至少需要占据一个像元尺寸大小才可以被分辨开来)，倾斜四十五度放置探测器10的作用是可以将系统的探测灵敏度提高倍，之所以选择45
°
而不是其它角度，是因为45
°
放置时，样品向上/向下偏离的反馈信号在探测器10上所成的光斑形状是对称变化的，这样的光斑变化可以保证锁焦系统的动态范围。
37.本领域人员知晓，除0
°
以外，没有可以实现对称光斑的角度。对于探测器10而言，获取的光斑尺度越小，读取精度越高(光斑大于一个像元尺寸条件下)，当样品偏离锁定位置时，无论向上偏离还是向下偏离，光斑都会变大(举例，对称的光斑大小会保证动态范围是
±
5um，而不是－2～+8um)。而实际应用中偏离是随机的，因此选取45
°
的倾斜角度，可以保证系统的动态范围。
38.在本实施例中，锁焦系统还包括反射镜8，所述反射镜8设置在扩束镜组和第三透镜9之间，所述反射镜8用于折转光路。反射镜8主要是用来折转光路，以避免系统过长。
39.在本实施例中，所述探测器10为线阵ccd。本领域技术人员也可以选择其它型号或种类的光电探测器10，并按照本发明所公开的技术方案实现相应的技术效果。
40.实施例2：
41.本发明还公开了一种显微成像锁焦方法，包括：
42.对锁焦系统进行校正获取初始光斑的初始位置，所述锁焦系统包括：光源5、第一透镜6、第二透镜7、第三透镜9、探测器10和物镜位移控制器；所述光源5发射的入射光线经载玻片上表面4反射形成反射光线，反射光线依次经过第一透镜6、第二透镜7和第三透镜9后汇聚在探测器10上形成初始光斑并记录初始光斑的初始位置；所述第一透镜6和第二透镜7组成扩束镜组，所述扩束镜组用于放大偏移量，所述第三透镜9用于将反射光束12汇聚到呈第一角度设置的探测器10；
43.当载玻片产生竖直方向的位移时，入射光线在探测器10上形成第一光斑，探测器10获取第一光斑的第一位置并将第一位置和初始位置进行比较，根据第一位置和初始位置向物镜位移控制器发送第一控制信号，所述物镜位移控制器根据第一控制信号控制物镜1的移动。
44.在本实施例中，锁焦系统还包括反射镜8，所述反射镜8设置在扩束镜组和第三透镜9之间，所述反射镜8用于折转光路。
45.在本实施例中，所述第一角度大于等于四十度小于等于五十度。在本实施例中，所述第一角度为四十五度。
46.在本实施例中，所述入射光线的入射角度大于五十六度小于九十度。
47.在本实施例中，所述探测器10为线阵ccd。
48.本发明的锁焦方法首先依托于本发明的锁焦系统，因为对锁焦系统的结构进行了改进，因此产生了新的锁焦方法。本领域技术人员可以参照实施例1中对锁焦系统的说明实施例2的锁焦方法。由于对锁焦系统的说明可以应用到锁焦方法中，因此不再赘述。
49.实施例3：
50.本发明还公开了一种显微镜，应用实施例1所述的锁焦系统。
51.在本实施例中，所述显微镜可以为倒置荧光显微镜。本发明的锁焦系统可以配合多种型号的显微镜，并不局限于某种显微镜。
52.综上，本发明实施例提供一种显微成像锁焦系统、方法及显微镜，有益效果在于：本发明的入射光不经物镜1入射的锁焦系统，进行锁焦时对显微成像系统的依赖以及影响可以忽略不计；锁焦系统的器件数量少，机构精简，降低了加工装调难度，更易实现的模块化系统；本发明的锁焦系统可兼容多种显微镜，而不需要对显微镜的结构进行改变。
53.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。

技术特征：
1.一种显微成像锁焦系统，其特征在于，包括光源、第一透镜、第二透镜、第三透镜、探测器和物镜位移控制器；所述光源用于产生入射光线，第一透镜、第二透镜和第三透镜依次设置在反射光束的传播路径上，所述反射光束是由入射光束经载玻片上表面反射所形成的；所述第一透镜和第二透镜组成扩束镜组，所述扩束镜组用于放大偏移量，所述第三透镜用于将反射光束汇聚到呈第一角度设置的探测器，所述探测器用于比较反射光束所形成的第一光斑的第一位置和预存的初始光斑的初始位置，并根据第一位置和第二位置向物镜位移控制器发送第一控制信号，所述物镜位移控制器根据第一控制信号控制物镜的移动。2.根据权利要求1所述的一种显微成像锁焦系统，其特征在于，所述入射光线的入射角度大于五十六度小于九十度。3.根据权利要求1所述的一种显微成像锁焦系统，其特征在于，所述第一角度大于等于四十度小于等于五十度。4.根据权利要求3所述的一种显微成像锁焦系统，其特征在于，所述第一角度为四十五度。5.根据权利要求1所述的一种显微成像锁焦系统，其特征在于，锁焦系统还包括反射镜，所述反射镜设置在扩束镜组和第三透镜之间，所述反射镜用于折转光路。6.根据权利要求1所述的一种显微成像锁焦系统，其特征在于，所述探测器为线阵ccd。7.一种显微成像锁焦方法，其特征在于，包括：对锁焦系统进行校正获取初始光斑的初始位置，所述锁焦系统包括：光源、第一透镜、第二透镜、第三透镜、探测器和物镜位移控制器；所述光源发射的入射光线经载玻片上表面反射形成反射光线，反射光线依次经过第一透镜、第二透镜和第三透镜后汇聚在探测器上形成初始光斑并记录初始光斑的初始位置；所述第一透镜和第二透镜组成扩束镜组，所述扩束镜组用于放大偏移量，所述第三透镜用于将反射光束汇聚到呈第一角度设置的探测器；当载玻片产生竖直方向的位移时，入射光线在探测器上形成第一光斑，探测器获取第一光斑的第一位置并将第一位置和初始位置进行比较，根据第一位置和初始位置向物镜位移控制器发送第一控制信号，所述物镜位移控制器根据第一控制信号控制物镜的移动。8.根据权利要求7所述的一种显微成像锁焦方法，其特征在于，锁焦系统还包括反射镜，所述反射镜设置在扩束镜组和第三透镜之间，所述反射镜用于折转光路。9.根据权利要求7所述的一种显微成像锁焦方法，其特征在于，所述第一角度为四十五度。10.一种显微镜，其特征在于，应用权利要求1－6任意一项所述的锁焦系统。

技术总结
本发明属于显微镜技术领域，公开了一种显微成像锁焦系统、方法及显微镜，包括光源、第一透镜、第二透镜、第三透镜、探测器和物镜位移控制器；光源照射载玻片后形成反射光线依次经过第一透镜、第二透镜和第三透镜，第一透镜和第二透镜组用于放大偏移量，第三透镜用于将反射光束汇聚到呈第一角度设置的探测器，探测器用于比较反射光束所形成的第一光斑的第一位置和预存的初始光斑的初始位置，根据第一位置和第二位置向物镜位移控制器发送第一控制信号。有益效果：入射光不经物镜入射的锁焦系统，进行锁焦时对显微成像系统的依赖以及影响可以忽略不计；锁焦系统的器件数量少，机构精简，降低了加工装调难度，更易实现的模块化系统。更易实现的模块化系统。更易实现的模块化系统。


技术研发人员：孙佳音 杨乐宝 王宏达
受保护的技术使用者：广东粤港澳大湾区黄埔材料研究院
技术研发日：2022.03.04
技术公布日：2022/5/25