用于微纳台阶样品的显微镜自动对焦系统及其对焦方法技术方案

本发明专利技术涉及激光自动对焦技术领域，公开了一种用于微纳台阶样品的显微镜自动对焦系统及其对焦方法，包括激光器、显微物镜、CMOS相机、电机；所述激光器发出的激光束，从显微物镜半边的上方进入显微物镜内，经显微物镜聚焦投影在微纳台阶样品上，微纳台阶样品的台阶结构面反射激光束，穿过显微物镜的另外半边，被CMOS相机接收形成光斑图像；当所述光斑图像包含柱状凸起，且相邻柱状凸起底端通过线连接时，显微物镜的焦点在微纳台阶样品的台阶顶面或凹槽底面；当光斑图像中柱状凸起的方向与图像A中柱状凸起的方向一致时，焦点落在台阶顶面；当光斑图像中柱状凸起的方向与图像B中柱状凸起的方向一致时，焦点落在凹槽底面。焦点落在凹槽底面。焦点落在凹槽底面。

【技术实现步骤摘要】
用于微纳台阶样品的显微镜自动对焦系统及其对焦方法


[0001]本专利技术涉及激光自动对焦
，具体涉及一种用于微纳台阶样品的显微镜自动对焦系统及其对焦方法。

技术介绍

[0002]光学显微镜通过透镜成像的方式对物体表面图像进行放大，为了获得有意义的图像，显微物镜必须精确地聚焦在样品表面，而高倍显微物镜的景深一般只有几个微米，显微镜的操作人员往往需要耗费大量的时间手动调节物镜到样品之间的距离实现对焦。
[0003]自动对焦技术通过反馈信号推算出物镜当前的离焦量，并将其转换为电机的运动信号，通过电机带动物镜运动将对焦过程自动化。根据反馈信号的种类不同，可将自动对焦技术分为图像自动对焦技术和激光自动对焦技术两种。
[0004]如专利CN110865453A，图像自动对焦技术通过设计图像清晰度评价函数，以数字图像处理的方式计算当前图像的清晰度，以量化的清晰度值为依据判断当前的离焦量。激光自动对焦技术将激光直接投射在样品表面，通过样品表面反射回来的激光状态来判断物镜的离焦量。
[0005]图像自动对焦技术完全依赖于采集到的图像状态，容易受到光照环境的影响，需要在焦点附近来回扫描确定最佳对焦位置，对焦速度较慢、对焦范围较小。相比之下激光对焦技术，在普通显微镜的基础上，增加了一路激光信号，具有更大的对焦范围和更快的对焦速度，被广泛应用在工业检测领域。
[0006]现有技术中进行显微镜对焦时，均为对平面物品进行对焦，在对表面具有凹凸不平的台阶结构面样品对焦时，存在对焦精度不足，无法区分上、下表面的问题。

技术实现思路

[0007]为解决上述技术问题，本专利技术提供一种用于微纳台阶样品的显微镜自动对焦系统及其对焦方法。
[0008]为解决上述技术问题，本专利技术采用如下技术方案：
[0009]一种用于微纳台阶样品的显微镜自动对焦系统，微纳台阶样品的表面为由台阶、凹槽组成的台阶结构面，自动对焦系统包括激光器、显微物镜、CMOS相机、电机；所述激光器发出的激光束，从显微物镜半边的上方进入显微物镜内，经显微物镜聚焦投影在微纳台阶样品上，微纳台阶样品的台阶结构面反射激光束，穿过显微物镜的另外半边，被CMOS相机接收形成光斑图像。
[0010]进一步地，自动对焦系统还包括柱透镜、挡板、第一分束镜、第二分束镜、检焦透镜；对焦光路如下：激光器发出的激光束为圆形平行光，激光束经过柱透镜的调制作用后，变为在平行于纸面的方向上准直、在垂直于纸面的方向上发散的非对称光束，非对称光束经过挡板后只在光轴的一侧传播，经过第一分束镜的反射作用到达第二分束镜，经过第二分束镜的反射作用进入显微物镜一侧，并被显微物镜投影在微纳台阶样品的表面上，激光
被微纳台阶样品的表面反射后被显微物镜的另一侧收集，连续经过第二分束镜的反射、第一分束镜的折射后到达检焦透镜，经过检焦透镜的会聚后被CMOS相机接收，形成所述光斑图像。
[0011]一种用于微纳台阶样品的显微镜自动对焦系统的对焦方法，当所述光斑图像包含柱状凸起，且相邻柱状凸起底端通过线连接时，显微物镜的焦点在微纳台阶样品的台阶顶面或凹槽底面，通过电机调节显微物镜与微纳台阶样品的距离，使显微物镜的焦点落在被台阶顶面或凹槽底面：显微物镜焦点在台阶顶面上方时的形成的光斑图像记为图像A，显微物镜焦点在凹槽底面下方时形成的光斑图像记为图像B，则当所述光斑图像中柱状凸起的方向与图像A中柱状凸起的方向一致时，显微物镜的焦点落在台阶顶面；当光斑图像中柱状凸起的方向与图像B中柱状凸起的方向一致时，显微物镜的焦点落在凹槽底面。
[0012]进一步地，显微物镜的焦距为f，微纳台阶样品的凹槽底面到显微物镜的间距为L1，微纳台阶样品的台阶顶面到显微物镜的间距为L2，L1大于L2；穿过显微物镜的激光，一部分照射到微纳台阶样品上表面中的台阶顶面，一部分照射到微纳台阶样品上表面中的凹槽底面；
[0013]当L1小于f时，穿过显微物镜的激光在台阶顶面和凹槽底面处的截面均为上半椭圆，激光在台阶顶面内的截面面积大于在凹槽底面内的截面面积，此时在CMOS相机上形成的光斑图像由两个高度不同的上半椭圆分割单元交错组合而成；
[0014]当L1等于f时，穿过显微物镜的激光在凹槽底面处的截面为线、在台阶顶面处的截面为上半椭圆，此时在CMOS相机上形成的光斑图像由上半椭圆分割单元和线交错组合而成；
[0015]当f介于L1、L2之间时，穿过显微物镜的激光在凹槽底面处的截面内为下半椭圆、在台阶顶面处的截面为上半椭圆，此时在CMOS相机上形成的光斑图像由上半椭圆分割单元和下半椭圆分割单元交错组合而成；
[0016]当L2等于f时，穿过显微物镜的激光在台阶顶面处截面内会聚为线、在凹槽底面处的截面为下半椭圆，此时在CMOS相机上形成的光斑图像由下半椭圆分割单元和线交错组合而成；
[0017]当L2大于f时，穿过显微物镜的激光在台阶顶面和凹槽底面处的截面均为下半椭圆，激光在台阶顶面内的截面面积小于在凹槽底面内的截面面积，此时在CMOS相机上形成的光斑图像由两个高度不同的下半椭圆分割单元交错组合而成。
[0018]具体地，上半椭圆分割单元为一个上半椭圆被两条纵向平行线分割后、在两条纵向平行线之间的部分；下半椭圆分割单元为一个下半椭圆被两条纵向平行线分割后、在两条纵向平行线之间的部分；上半椭圆分割单元和下半椭圆分割单元即为所述柱状凸起。
[0019]对焦方法，具体包括以下步骤：
[0020]步骤S1：打开激光器和CMOS相机，将只在光轴一侧传播的激光束投射到微纳台阶样品的表面；
[0021]步骤S2：调整CMOS相机的曝光时间，获得光斑图像；
[0022]步骤S3：用纵向平行线将光斑图像分为k段，满足：
[0023][0024]其中，l为激光在光斑图像中会聚为线时的宽度，h1为台阶顶面的横向尺寸，h2为凹槽底面的横向尺寸，floor为向下取整运算，min为取最小值运算；
[0025]计算每一段光斑图像在y方向上的质心COG
yt
：
[0026][0027]其中，f
t
(i,j)为第t段光斑图像中第i行、第j列像素的灰度值，t＝1,2,3,
…
,k，i＝1,2,3,
…
,m；j＝1,2,3,
…
,n；
[0028]步骤S4：选择微纳台阶样品的对焦表面，对焦表面为台阶顶面或凹槽底面；
[0029]步骤S5：若要实现对台阶顶面对焦，选择k段光斑图像中质心的最小值作为当前激光质心COG
now
；若要实现对凹槽底面对焦，则选择k段光斑图像质心的最大值作为当前激光质心COG
now
，即：
[0030][0031]步骤S6：将当前激光质心COG
now
和对焦参考质心COG
ref
做对比，当|COG
now
‑
COG
ref
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于微纳台阶样品的显微镜自动对焦系统，微纳台阶样品的表面为由台阶、凹槽组成的台阶结构面，其特征在于：自动对焦系统包括激光器、显微物镜、CMOS相机、电机；所述激光器发出的激光束，从显微物镜半边的上方进入显微物镜内，经显微物镜聚焦投影在微纳台阶样品上，微纳台阶样品的台阶结构面反射激光束，穿过显微物镜的另外半边，被CMOS相机接收形成光斑图像。2.根据权利要求1所述的用于微纳台阶样品的显微镜自动对焦系统，其特征在于：自动对焦系统还包括柱透镜、挡板、第一分束镜、第二分束镜、检焦透镜；对焦光路如下：激光器发出的激光束为圆形平行光，激光束经过柱透镜的调制作用后，变为在平行于纸面的方向上准直、在垂直于纸面的方向上发散的非对称光束，非对称光束经过挡板后只在光轴的一侧传播，经过第一分束镜的反射作用到达第二分束镜，经过第二分束镜的反射作用进入显微物镜一侧，并被显微物镜投影在微纳台阶样品的表面上，激光被微纳台阶样品的表面反射后被显微物镜的另一侧收集，连续经过第二分束镜的反射、第一分束镜的折射后到达检焦透镜，经过检焦透镜的会聚后被CMOS相机接收，形成所述光斑图像。3.一种如权利要求1或2所述的用于微纳台阶样品的显微镜自动对焦系统的对焦方法，其特征在于：当所述光斑图像包含柱状凸起，且相邻柱状凸起底端通过线连接时，显微物镜的焦点在微纳台阶样品的台阶顶面或凹槽底面，通过电机调节显微物镜与微纳台阶样品的距离，使显微物镜的焦点落在被台阶顶面或凹槽底面：显微物镜焦点在台阶顶面上方时的形成的光斑图像记为图像A，显微物镜焦点在凹槽底面下方时形成的光斑图像记为图像B，则当所述光斑图像中柱状凸起的方向与图像A中柱状凸起的方向一致时，显微物镜的焦点落在台阶顶面；当光斑图像中柱状凸起的方向与图像B中柱状凸起的方向一致时，显微物镜的焦点落在凹槽底面。4.根据权利要求3所述的用于微纳台阶样品的显微镜自动对焦系统的对焦方法，其特征在于：显微物镜的焦距为f，微纳台阶样品的凹槽底面到显微物镜的间距为L1，微纳台阶样品的台阶顶面到显微物镜的间距为L2，L1大于L2；穿过显微物镜的激光，一部分照射到微纳台阶样品上表面中的台阶顶面，一部分照射到微纳台阶样品上表面中的凹槽底面；当L1小于f时，穿过显微物镜的激光在台阶顶面和凹槽底面处的截面均为上半椭圆，激光在台阶顶面内的截面面积大于在凹槽底面内的截面面积，此时在CMOS相机上形成的光斑图像由两个高度不同的上半椭圆分割单元交错组合而成；当L1等于f时，穿过显微物镜的激光在凹槽底面处的截面为线、在台阶顶面处的截面为上半椭圆，此时在CMOS相机上形成的光斑图像由上半椭圆分割单元和线交错组合而成；当f介于L1、L2之间时，穿过显微物镜的激光在凹槽底面处的截面内为下半椭圆、在台阶顶面处的截面为上半椭圆，此时在CMOS相机上形成的光斑图像由上半椭圆分割单元和下半椭圆分割单元交错组合而成；当L2等于f时，穿过显微物镜的激光在台阶顶面处截面内会聚为线、在凹槽底面处的截面为下半椭圆，此时在CMOS相机上形成的光斑图像由下半椭圆分割单元和线交错组合而成；当L2大于f时，穿过显微物镜的激光在台阶顶面和凹槽底面处的截面均为下半椭圆，激光在台阶顶面内的截面面积小于在凹槽底面内的截面面积，此时在CMOS相机上形成的光斑图像由两个高度不同的下半椭圆分割单元交错组合而成。
5.根据权利要求4所述的用于微纳台阶样品的显微镜自动对焦系统的对焦方法，其特征在于：上半椭圆分割单元为一个上半椭圆被两条纵向平行线分割后、在两条纵向平行线之间的部分；下半椭圆分割单元为一个下半椭圆被两条纵向平行线分割后、在两条纵向平行线之间的部分；上半椭圆分割单元和下半椭圆分割单元即为所述柱状凸起。6.根据权利要求3所述的用于微纳台阶样品的显微镜自动对焦系统的对焦方法，具体包括以下步骤：步骤S1：打开激光器和CMOS...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏云鹏，张光宇，唐俊峰，曹桂平，董宁，
申请(专利权)人：合肥埃科光电科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：