[发明专利]一种基于分时图像的显微成像自动对焦装置及其方法

权利要求书

1.一种基于分时图像的显微成像自动对焦装置，其特征在于，包括激光器、CCD相机、第一平面镜、反射式光斩波器、第二平面镜、第三平面镜、第四平面镜、第一分束镜、第二分束镜、凸透镜、第三分束镜、显微物镜和被测物体；激光器发射的光束进入反射式光斩波器，一个时刻的光束经反射式光斩波器反射到第一平面镜，形成第一光束，另一个时刻的光束经反射式光斩波器透射到第二平面镜，形成第二光束；第一光束经过第一平面镜到达第一分束镜，经第一分束镜反射后依次穿过第二分束镜、凸透镜到达第三分束镜，第一光束在第三分束镜处折射进入显微物镜后照射到被测物体上；第二光束依次被第二平面镜、第三平面镜、第四平面镜反射后到达第一分束镜，穿过第一分束镜、第二分束镜和凸透镜到达第三分束镜，第二光束在第三分束镜处折射进入显微物镜后照射到被测物体上；

第一光束和第二光束经被测物体反射后分别被显微物镜收集并传送到第三分束镜，第三分束镜将第一光束和第二光束分别反射到凸透镜处，经凸透镜汇聚后的第一光束和第二光束被第二分束镜反射后分别被CCD相机接收；

所述显微物镜与被测物体处于同一竖直面上，显微物镜通过电机驱动在竖直方向移动，改变与被测物体之间的距离。

2.根据权利要求1所述的一种基于分时图像的显微成像自动对焦装置，其特征在于，第一分束镜与第一光束和第二光束主光轴的夹角均为45°。

3.根据权利要求1所述的一种基于分时图像的显微成像自动对焦装置，其特征在于，设凸透镜的焦距为，第一光束和第二光束的出光口与凸透镜的物方主面的距离分别为和，则满足，，且。

4.基于权利要求1所述的一种基于分时图像的显微成像自动对焦装置的一种基于分时图像的显微成像自动对焦方法，其特征在于，包括如下步骤：

利用反射式光斩波器将激光器发射的光束分割成2个不同时刻的光束，即第一光束和第二光束，将第一光束和第二光束传输到被测物体；

通过调整CCD相机的曝光时间，利用CCD相机分别接收被测物体反射的第一光束和第二光束，获得第一光束图像和第二光束图像；

根据图像像素点大小分别计算第一光束图像和第二光束图像的光斑半径；

基于预先构建的焦点位置查找表，利用第一光束图像和第二光束图像的光斑半径获得当前时刻显微物镜与焦距的距离；

根据当前时刻显微物镜与焦距的距离，利用电机调整显微物镜与被测物体之间的距离，实现自动对焦。

5.根据权利要求4所述的一种基于分时图像的显微成像自动对焦方法，其特征在于，以第一光束图像为例，第一光束图像的光斑半径的计算方法包括如下步骤：

根据预设的阈值对第一光束图像中像素点的大小进行均值处理，获得均值处理后的第一光束图像，均值处理的表达式如下：

其中，表示均值处理后第i个像素点的大小，表示第一光束图像中第i个像素点的大小，为第一光束图像中像素点的数量；

根据均值处理后的第一光束图像计算第一光束图像中光斑的面积：

根据光斑的面积计算第一光束图像的光斑半径。

6.根据权利要求4所述的一种基于分时图像的显微成像自动对焦方法，其特征在于，焦点位置查找表的构建方法包括如下步骤：

根据电机单次移动距离将显微物镜在竖直方向上的总移动距离分割为N个深度位置，并获得每个深度位置的值：

其中，表示显微物镜的第n个深度位置，表示显微物镜到被测物体的最小距离，；

利用电机控制显微物镜移动到每个深度位置处，获得每个深度位置对应的第一光束图像的光斑半径和第二光束图像的光斑半径；

根据光斑半径和计算半径和：

利用深度位置、光斑半径、和半径和构建焦点位置查找表，并将实际对焦位置记为。

7.根据权利要求4或6所述的一种基于分时图像的显微成像自动对焦方法，其特征在于，设第一光束图像和第二光束图像的光斑半径分别为和，获得当前时刻显微物镜与焦距的距离的方法为：

利用第一光束图像和第二光束图像的光斑半径、计算当前时刻的半径和：

根据遍历预先构建的焦点位置查找表，查找与相似度最高的半径和和，并提取和对应的和，利用线性插值计算当前时刻显微物镜的位置：

其中，表示当前时刻显微物镜的位置；

根据当前时刻显微物镜的位置和实际对焦位置计算当前时刻显微物镜与焦距的距离：

其中，表示当前时刻显微物镜与焦距的距离。