本發(fā)明涉及一種帶有自動(dòng)聚焦系統(tǒng)的顯微鏡，該自動(dòng)聚焦系統(tǒng)帶有用于攝取第一圖像的設(shè)置在第一輸出光路中的第一圖像傳感器和用于攝取第二圖像的設(shè)置在第二輸出光路中的第二圖像傳感器。

背景技術(shù)：

就已知的主動(dòng)的自動(dòng)聚焦系統(tǒng)而言，把輔助結(jié)構(gòu)或輔助光束投影到待檢查的物體的表面上，并評(píng)價(jià)反射光束。輔助結(jié)構(gòu)在此通常與觀察件同軸地映射。但為了使得該輔助結(jié)構(gòu)適合于觀察件的大的放大范圍，必須借助附加的光學(xué)機(jī)構(gòu)使得投影適配于相應(yīng)的物鏡場(chǎng)。相反，輔助光束通常近軸地例如借助于三角測(cè)量予以投影。為此，大多采用激光光源或發(fā)光二極管(LED)。相應(yīng)的方法也叫激光自動(dòng)聚焦法或LED自動(dòng)聚焦法。但為此也需要繁瑣的準(zhǔn)直和成像光學(xué)機(jī)構(gòu)。此外，在近軸地成像時(shí)，為了探測(cè)和評(píng)價(jià)，大多需要第二光學(xué)機(jī)構(gòu)。這兩個(gè)光學(xué)機(jī)構(gòu)的相互對(duì)準(zhǔn)影響了聚焦的精確度。為了對(duì)于觀察者來說不影響物體的成像，往往采用超出可見光譜的通常處于IR(紅外)頻帶內(nèi)的波長(zhǎng)。然而大多數(shù)顯微鏡被設(shè)計(jì)應(yīng)用在可見波長(zhǎng)范圍內(nèi)。在此，例如借助于復(fù)消色差物鏡進(jìn)行色彩矯正。在已知的方法中，對(duì)于IR輔助光束，這導(dǎo)致成像的縱向色差，縱向色差又體現(xiàn)在相距由觀察者感覺到的焦點(diǎn)位置的“偏移量”。通過“前移”可以矯正這種偏移量。然而對(duì)于模塊化的結(jié)構(gòu)或連續(xù)的變焦系統(tǒng)而言，這種設(shè)計(jì)變得繁瑣，并且會(huì)導(dǎo)致誤操作或功能錯(cuò)誤。通過與波長(zhǎng)有關(guān)的進(jìn)入深度，特別是在半導(dǎo)體情況下，產(chǎn)生與物體有關(guān)的偏移量，這種偏移量不能矯正，或者只能分別針對(duì)一種物體予以矯正。

所有主動(dòng)的自動(dòng)聚焦系統(tǒng)的可靠性都與待檢查的物體的反射特性有關(guān)。由此特別是在近軸投影時(shí)，在物體成像與投影的輔助光束或投影的輔助結(jié)構(gòu)之間會(huì)出現(xiàn)明顯的差異。這在聚焦時(shí)導(dǎo)致偏差，在極端情況下導(dǎo)致徹底失靈。

圖5～7示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的顯微鏡的不同設(shè)計(jì)。在圖5中示出了無自動(dòng)聚焦系統(tǒng)的帶數(shù)字圖像攝取的顯微鏡的一種設(shè)計(jì)。在圖6中示出無自動(dòng)聚焦系統(tǒng)的帶視覺觀察的顯微鏡的一種設(shè)計(jì)。在圖7中示出顯微鏡的一種設(shè)計(jì)，其帶有在圖像側(cè)恒定的數(shù)值孔徑，進(jìn)而具有沿著成像尺寸在軸向方向上恒定的在第一和第二圖像傳感器之間的距離。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

基于已知的現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的目的是，提出一種具有自動(dòng)聚焦系統(tǒng)的顯微鏡，其能實(shí)現(xiàn)聚焦的高精確度、高速度和改善的穩(wěn)健性。

該目的通過一種具有權(quán)利要求1的特征的顯微鏡得以實(shí)現(xiàn)。有利的改進(jìn)在從屬權(quán)利要求中給出。

通過具有權(quán)利要求1的特征的顯微鏡，實(shí)現(xiàn)了有利的聚焦，因?yàn)樽詣?dòng)聚焦系統(tǒng)經(jīng)過特殊構(gòu)造，從而可借助至少第一種工作模式和第二種工作模式進(jìn)行聚焦過程。在此，自動(dòng)聚焦系統(tǒng)經(jīng)過適當(dāng)設(shè)計(jì)，從而它在第一種工作模式下求得由第一圖像傳感器攝取的第一圖像和由第二圖像傳感器攝取的第二圖像的對(duì)照值，且在第二種工作模式下求得由第一圖像傳感器攝取的第一圖像和由第二圖像傳感器攝取的第二圖像的對(duì)照值，并基于求得的對(duì)照值調(diào)節(jié)清晰平面相對(duì)于物體平面的相對(duì)位置。自動(dòng)聚焦系統(tǒng)還被構(gòu)造成在第一種工作模式下適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)清晰平面相對(duì)于物體平面的相對(duì)位置，從而清晰平面位于物體平面周圍的第一誤差范圍內(nèi)，并在第二種工作模式下適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)清晰平面相對(duì)于物體平面的相對(duì)位置，從而清晰平面位于物體平面周圍的第二誤差范圍內(nèi)。在此，第二誤差范圍小于第一誤差范圍。此外，在第一種工作模式下實(shí)現(xiàn)比較粗略的聚焦，而在第二種工作模式下實(shí)現(xiàn)比較細(xì)微的聚焦。在此，在第一種工作模式下的比較粗略的聚焦可以相對(duì)快速地進(jìn)行。另外，在第二種工作模式下的比較細(xì)微的聚焦可以相對(duì)精確地進(jìn)行。這樣就能實(shí)現(xiàn)聚焦的高的精確度、高的速度和改善的穩(wěn)健性。

代替兩個(gè)或多個(gè)圖像傳感器，也可以只采用一個(gè)圖像傳感器。其面積于是被分成至少兩個(gè)部分區(qū)域。這一個(gè)圖像傳感器例如可以與兩個(gè)分光器組合地使用。在一種替代的實(shí)施方式中，也可以通過透鏡陣列在僅僅一個(gè)光路中產(chǎn)生圖像傳感器的兩個(gè)部分區(qū)域。

這里所述的部件及其功能系針對(duì)使用兩個(gè)或多個(gè)圖像傳感器。此外，這些部件及其功能也可以相應(yīng)地涉及使用僅僅一個(gè)帶兩個(gè)部分區(qū)域的圖像傳感器。在這種情況下，在這一個(gè)圖像傳感器上的第一部分區(qū)域中可產(chǎn)生的第一圖像基本上等同于由兩個(gè)或多個(gè)圖像傳感器中的第一圖像傳感器攝取的第一圖像，而在這一個(gè)圖像傳感器上的第二部分區(qū)域中可產(chǎn)生的第二圖像基本上等同于由兩個(gè)或多個(gè)圖像傳感器中的第二圖像傳感器攝取的第二圖像。

此外有利的是，自動(dòng)聚焦系統(tǒng)被構(gòu)造成用于進(jìn)行方向識(shí)別，用來基于由第一圖像傳感器攝取的第一圖像的第一對(duì)照值和由第二圖像傳感器攝取的第二圖像的第二對(duì)照值的比較來調(diào)節(jié)清晰平面相對(duì)于物體平面的相對(duì)位置。本發(fā)明的算法由此不僅提供了樣本要沿著其移動(dòng)的距離，而且提供了該樣本要沿著其移動(dòng)的方向。另外，可以借助于對(duì)照評(píng)價(jià)來確定出并量化散焦。

在這里，自動(dòng)聚焦系統(tǒng)被構(gòu)造成基于所述方向識(shí)別適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)清晰平面相對(duì)于物體平面的相對(duì)位置，使得清晰平面朝向物體平面移動(dòng)，或者使得物體平面朝向清晰平面移動(dòng)，從而減小清晰平面與物體平面之間的距離，如果由第一圖像傳感器攝取的第一圖像的第一對(duì)照值大于由第二圖像傳感器攝取的第二圖像的第二對(duì)照值。

此外，自動(dòng)聚焦系統(tǒng)被構(gòu)造成基于所述方向識(shí)別適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)清晰平面相對(duì)于物體平面的相對(duì)位置，使得清晰平面移動(dòng)遠(yuǎn)離物體平面，或者使得物體平面移動(dòng)遠(yuǎn)離清晰平面，從而增大清晰平面與物體平面之間的距離，如果由第二圖像傳感器攝取的第二圖像的第二對(duì)照值大于由第一圖像傳感器攝取的第一圖像的第一對(duì)照值。

此外有利的是，顯微鏡的特征在于一種成像系統(tǒng)，該成像系統(tǒng)帶有用于由使用者觀察的圖像的第三圖像傳感器、物鏡、第一分光器和第二分光器，其中，第一分光器設(shè)置在物鏡與第三圖像傳感器之間的光路中，且設(shè)置在物鏡與第一圖像傳感器之間的光路中，其中，第二分光器設(shè)置在物鏡與第三圖像傳感器之間的光路中，且設(shè)置在物鏡與第二圖像傳感器之間的光路中。由此可以從在物鏡與第三圖像傳感器之間的光路輸出用于自動(dòng)聚焦系統(tǒng)的第一輸出光路和第二輸出光路。

也可以代替第三圖像傳感器而任選地在顯微鏡的成像系統(tǒng)中設(shè)置目鏡。本發(fā)明的自動(dòng)聚焦系統(tǒng)也可以安裝到傳統(tǒng)的顯微鏡中。

優(yōu)選地，第一分光器被構(gòu)造成用于產(chǎn)生與物體平面共軛的第一圖像平面，而第二分光器被構(gòu)造成用于產(chǎn)生與物體平面共軛的第二圖像平面。

此外有利的是，第一分光器和第二分光器在物鏡與第三圖像傳感器之間的光路中彼此分開地布置，與物體平面共軛的第一圖像平面和與物體平面共軛的第二圖像平面彼此間隔開，與物體平面共軛的第一圖像平面和與物體平面共軛的第二圖像平面之間的距離等于第一分光器和第二分光器之間的距離。由此可以在與物體平面共軛的第一圖像平面和與物體平面共軛的第二圖像平面之間將第一圖像傳感器設(shè)置在第一輸出光路中，并將第二圖像傳感器設(shè)置在第二輸出光路中。在此，設(shè)置在第一輸出光路中的第一圖像傳感器和設(shè)置在第二輸出光路中的第二圖像傳感器優(yōu)選位于一個(gè)相同的平面中，該平面相距與物體平面共軛的第一圖像平面和與物體平面共軛的第二圖像平面具有相同的距離。

第二誤差范圍優(yōu)選小于或等于第一誤差范圍的一半。

第一誤差范圍優(yōu)選至少等于顯微鏡的景深的2.5倍，而第二誤差范圍至多等于顯微鏡的景深。由此特別是可以實(shí)現(xiàn)以高的精確度進(jìn)行比較細(xì)微的聚焦。

另外有利的是，圖像傳感器是平面?zhèn)鞲衅?。由此可以?shí)現(xiàn)一種數(shù)字成像的顯微鏡，其對(duì)照評(píng)價(jià)穩(wěn)健且靈活。

此外有利的是，使用者可以在圖像傳感器上選擇部分區(qū)域(ROI＝感興趣區(qū)域)，在該部分區(qū)域上可進(jìn)行焦點(diǎn)計(jì)算。這能實(shí)現(xiàn)確定要在物體的何種高度上進(jìn)行聚焦。

另外有利的是，自動(dòng)聚焦系統(tǒng)經(jīng)過構(gòu)造，從而借助于第一種工作模式可執(zhí)行的聚焦過程只進(jìn)行唯一的一次，借助于第二種工作模式可執(zhí)行的聚焦過程如此頻繁地重復(fù)，直至滿足規(guī)定的中斷條件。由此可以實(shí)現(xiàn)以規(guī)定的中斷條件進(jìn)行持續(xù)的聚焦。

此外有利的是，自動(dòng)聚焦系統(tǒng)被構(gòu)造用來基于由第一圖像傳感器攝取的第一圖像的和由第二圖像傳感器攝取的第二圖像的那些對(duì)照值來求得對(duì)照差，并基于所求得的對(duì)照差來調(diào)節(jié)清晰平面相對(duì)于物體平面的相對(duì)位置。在此，第一和第二圖像分別包含由分別被構(gòu)造成平面?zhèn)鞲衅鞯牡谝缓偷诙D像傳感器提供的圖像信息。

自動(dòng)聚焦系統(tǒng)優(yōu)選被構(gòu)造用來在第二種工作模式下適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)清晰平面相對(duì)于物體平面的相對(duì)位置，從而清晰平面與物體平面之間的距離減小基于所述對(duì)照差求得的偏差量。由此可以相對(duì)精確地且靈活地進(jìn)行比較細(xì)微的聚焦。

另外有利的是，自動(dòng)聚焦系統(tǒng)被構(gòu)造用來在用于攝取由第一圖像傳感器攝取的第一圖像和由第二圖像傳感器攝取的第二圖像的圖像攝取時(shí)間期間，以焦點(diǎn)移動(dòng)速度調(diào)節(jié)清晰平面相對(duì)于物體平面的相對(duì)位置。在此，焦點(diǎn)移動(dòng)速度等于步距與圖像攝取時(shí)間的比。另外，步距大于顯微鏡的景深。由此可以實(shí)現(xiàn)縮短聚焦的需求時(shí)間，而不會(huì)因?yàn)橛傻谝粓D像傳感器攝取的第一圖像和由第二圖像傳感器攝取的第二圖像的合成而出現(xiàn)明顯的移動(dòng)模糊。

此外有利的是，步距大于或等于顯微鏡的景深的2.5倍。步距優(yōu)選小于或等于顯微鏡的景深的10倍。由此一方面可以顯著縮短聚焦的需求時(shí)間，另一方面可以同時(shí)避免或者至少減小因圖像合成引起的移動(dòng)模糊。

焦點(diǎn)移動(dòng)速度優(yōu)選是恒定的。

根據(jù)另一實(shí)施例，顯微鏡包括用于進(jìn)行聚焦過程的自動(dòng)聚焦系統(tǒng)，該自動(dòng)聚焦系統(tǒng)帶有用于攝取第一圖像和第二圖像的設(shè)置在輸出光路中的一個(gè)圖像傳感器。在此，在輸出光路中設(shè)置有透鏡陣列，通過該透鏡陣列可在這個(gè)圖像傳感器上的第一部分區(qū)域中產(chǎn)生第一圖像，并在這個(gè)圖像傳感器上的第二部分區(qū)域中產(chǎn)生第二圖像。此外，自動(dòng)聚焦系統(tǒng)被構(gòu)造用來在用于攝取由該圖像傳感器攝取的第一圖像和第二圖像的圖像攝取時(shí)間期間，以焦點(diǎn)移動(dòng)速度調(diào)節(jié)清晰平面相對(duì)于物體平面的相對(duì)位置。在此，焦點(diǎn)移動(dòng)速度等于步距與圖像攝取時(shí)間的比。另外，步距大于顯微鏡的景深。

附圖說明

本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)可由后續(xù)說明得到，該說明借助實(shí)施例結(jié)合附圖詳述了本發(fā)明。其中：

圖1a為本發(fā)明的帶有自動(dòng)聚焦系統(tǒng)的顯微鏡的示意圖，該自動(dòng)聚焦系統(tǒng)用于調(diào)節(jié)清晰平面相對(duì)于物體平面的相對(duì)位置；

圖1b為本發(fā)明的帶有根據(jù)圖1a的自動(dòng)聚焦系統(tǒng)的顯微鏡的示意圖，該自動(dòng)聚焦系統(tǒng)用于在物體平面周圍的第一誤差范圍內(nèi)和較小的第二誤差范圍內(nèi)調(diào)節(jié)清晰平面；

圖2為用于在本發(fā)明的顯微鏡的第一種工作模式下進(jìn)行比較粗略的聚焦的方法的流程圖；

圖3為用于在本發(fā)明的顯微鏡的第二種工作模式下進(jìn)行比較細(xì)微的聚焦的方法的流程圖；

圖4a為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例用于進(jìn)行一次性聚焦的方法的流程圖；

圖4b為根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例用于進(jìn)行持續(xù)聚焦的方法的流程圖；

圖5示出無自動(dòng)聚焦系統(tǒng)的帶數(shù)字圖像攝取的顯微鏡的一種示范性的設(shè)計(jì)；

圖6示出無自動(dòng)聚焦系統(tǒng)的帶視覺觀察的顯微鏡的一種示范性的設(shè)計(jì)；

圖7示出顯微鏡的一種示范性的設(shè)計(jì)，其帶有在圖像側(cè)恒定的數(shù)值孔徑，進(jìn)而具有沿著成像尺寸在軸向方向上恒定的在第一和第二圖像傳感器之間的距離。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明的第一方面涉及如下缺點(diǎn)：已知的自動(dòng)聚焦系統(tǒng)的聚焦并非足夠有效。

圖1a所示為本發(fā)明的帶有自動(dòng)聚焦系統(tǒng)11的顯微鏡10的示意圖，該自動(dòng)聚焦系統(tǒng)用于調(diào)節(jié)清晰平面20相對(duì)于物體平面22的相對(duì)位置。如圖1a中所示，自動(dòng)聚焦系統(tǒng)11包括用于攝取第一圖像16a的設(shè)置在第一輸出光路12a中的第一圖像傳感器14a和用于攝取第二圖像16b的設(shè)置在第二輸出光路12b中的第二圖像傳感器14b。特別是在圖1a中示出，第一圖像傳感器14a配設(shè)有與物體平面22共軛的第一圖像平面18a，第一圖像傳感器14a在第一輸出光路12a中設(shè)置在與物體平面22共軛的第一圖像平面18a的光流上游。此外在圖1a中示出，第二圖像傳感器14b配設(shè)有與物體平面22共軛的第二圖像平面18b，第二圖像傳感器14b在第二輸出光路12b中設(shè)置在與物體平面22共軛的第二圖像平面18b的光流下游。

圖1a中所示的顯微鏡10的特征在于一種成像系統(tǒng)32，該成像系統(tǒng)帶有第三圖像傳感器25、物鏡26、第一分光器28a和第二分光器28b。第一分光器28a設(shè)置在物鏡26與第三圖像傳感器25之間的光路中，且設(shè)置在物鏡26與第一圖像傳感器14a之間的光路中。此外，第二分光器28b設(shè)置在物鏡26與第三圖像傳感器25之間的光路中，且設(shè)置在物鏡26與第二圖像傳感器14b之間的光路中。圖1a中所示的顯微鏡10的第三圖像傳感器25用于攝取第三圖像30。

如圖1a中所示，第一分光器28a用于產(chǎn)生與物體平面22共軛的第一圖像平面18a。此外，第二分光器28b用于產(chǎn)生與物體平面22共軛的第二圖像平面18b。在這里，第一分光器28a經(jīng)過布置，從而第一輸出光路12a從在物鏡26與第三圖像傳感器25之間的光路輸出。此外，第二分光器28b經(jīng)過布置，從而第二輸出光路12b從在物鏡26與第三圖像傳感器25之間的光路輸出。

圖1a中所示的顯微鏡10的成像系統(tǒng)32用于把物體平面22光學(xué)地成像到與物體平面22共軛的第一圖像平面18a上，或者成像到與物體平面22共軛的第二圖像平面18b上。成像系統(tǒng)32包括變焦系統(tǒng)33，該變焦系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員是已知的，且在此不予詳述。

就本發(fā)明的顯微鏡10而言，第一分光器28a和第二分光器28b在物鏡26與第三圖像傳感器25之間的光路中彼此間隔開地布置。另外，與物體平面22共軛的第一圖像平面18a和與物體平面22共軛的第二圖像平面18b彼此間隔開。在此，與物體平面22共軛的第一圖像平面18a和與物體平面22共軛的第二圖像平面18b之間的距離等于第一分光器28a和第二分光器28b之間的距離。如圖1a中所示，第一圖像傳感器14a和第二圖像傳感器14b設(shè)置在與物體平面22共軛的第一圖像平面18a和與物體平面22共軛的第二圖像平面18b之間。優(yōu)選地，第一圖像傳感器14a和第二圖像傳感器14b相距與物體平面22共軛的第一圖像平面18a和與物體平面22共軛的第二圖像平面18b分別具有相同的距離。

圖1a中所示的顯微鏡10的自動(dòng)聚焦系統(tǒng)11用于調(diào)節(jié)清晰平面20相對(duì)于物體平面22的相對(duì)位置。這在圖1a中用箭頭23示意性地示出。清晰平面20伸展穿過成像系統(tǒng)32的物鏡26的焦點(diǎn)21。另外，清晰平面20垂直于在焦點(diǎn)21與第三圖像傳感器25之間的光路的光軸。

在圖1a中示意性地示出了顯微鏡10的完美地聚焦的狀態(tài)。在此，清晰平面20恰好處于物體平面22中。對(duì)聚焦?fàn)顟B(tài)的調(diào)節(jié)通過清晰平面20的朝向物體平面22的移動(dòng)來實(shí)現(xiàn)，或者通過物體平面22的朝向清晰平面20的移動(dòng)來實(shí)現(xiàn)。所述移動(dòng)在此與光路的光軸31平行地進(jìn)行。在另一實(shí)施方式中，物體平面22和清晰平面20的相對(duì)移動(dòng)可以在光軸31與物體平面之間的已知角度情況下進(jìn)行。在此，光軸31在聚焦?fàn)顟B(tài)下優(yōu)選穿過物體平面的中心。

圖1b所示為本發(fā)明的帶有根據(jù)圖1a的自動(dòng)聚焦系統(tǒng)11的顯微鏡10的示意圖，該自動(dòng)聚焦系統(tǒng)用于在物體平面22周圍的第一誤差范圍34內(nèi)和較小的第二誤差范圍36內(nèi)調(diào)節(jié)清晰平面20。在圖1b中示意性地示出顯微鏡10的未完美地聚焦的狀態(tài)，即在誤差范圍內(nèi)聚焦的狀態(tài)。在此，清晰平面20并非恰好位于物體平面22中。替代地，清晰平面20位于在物體平面22周圍的第一誤差范圍34內(nèi)或較小的第二誤差范圍36內(nèi)。

第一誤差范圍34優(yōu)選至少等于顯微鏡10的景深的2.5倍，而第二誤差范圍36最多等于顯微鏡10的景深。

換句話說，圖1b示出了顯微鏡10的在大致位于景深中的誤差范圍內(nèi)部的聚焦?fàn)顟B(tài)。通過朝向物體平面22移動(dòng)清晰平面20來調(diào)節(jié)出圖1b中所示的這種聚焦?fàn)顟B(tài)。在此，清晰平面20首先從位于第一誤差范圍34之外的區(qū)域移動(dòng)到第一誤差范圍34中。然后，清晰平面20從第一誤差范圍34移動(dòng)到較小的第二誤差范圍36中。由此首先實(shí)現(xiàn)了比較粗略的聚焦，然后實(shí)現(xiàn)了比較細(xì)微的聚焦。

替代地，針對(duì)于圖1b中所示的顯微鏡10，也可以使得物體平面22朝向清晰平面20移動(dòng)，以便實(shí)現(xiàn)比較粗略的聚焦或比較細(xì)微的聚焦。

另外，自動(dòng)聚焦系統(tǒng)11用于評(píng)價(jià)圖像分析數(shù)據(jù)，比如由第一圖像傳感器14a攝取的第一圖像16a和由第二圖像傳感器14b攝取的第二圖像16b的對(duì)照值?；趯?duì)圖像分析數(shù)據(jù)或?qū)φ罩档倪@種評(píng)價(jià)，調(diào)節(jié)清晰平面20相對(duì)于物體平面22的相對(duì)位置。

參見圖1b，利用自動(dòng)聚焦系統(tǒng)11調(diào)節(jié)清晰平面20相對(duì)于物體平面22的相對(duì)位置，其方式為，使得清晰平面20朝向物體平面22移動(dòng)，或者使得物體平面22朝向清晰平面20移動(dòng)，如果由第一圖像傳感器14a攝取的第一圖像16a的第一對(duì)照值大于由第二圖像傳感器14b攝取的第二圖像16b的第二對(duì)照值。

第一圖像傳感器14a和第二圖像傳感器14b優(yōu)選分別是具有兩維地布置的像素的數(shù)字圖像傳感器。特別地，這些傳感器對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說也已知為平面?zhèn)鞲衅鳌Ｆ矫鎮(zhèn)鞲衅髯詈么笾聦?duì)應(yīng)于圖像場(chǎng)，因?yàn)檫@樣就可以有選擇地聚焦到所有不同的物體區(qū)域上。

圖2所示為用于在本發(fā)明的顯微鏡10的第一種工作模式下進(jìn)行比較粗略的聚焦的方法100的流程圖。圖2中所示的方法100用于在第一種工作模式下調(diào)節(jié)清晰平面20相對(duì)于物體平面22的相對(duì)位置，使得清晰平面20位于物體平面22周圍的第一誤差范圍34內(nèi)。

該方法100包括用“開始尋找焦點(diǎn)”標(biāo)出的步驟110。該步驟110是方法100的開始，用于執(zhí)行比較粗略的聚焦。此外，該方法100包括用“攝像機(jī)1攝取圖像”和“攝像機(jī)2攝取圖像”標(biāo)出的步驟112a、112b。在步驟112a期間，由第一圖像傳感器14a攝取第一圖像16a。在步驟112b期間，由第二圖像傳感器14b攝取第二圖像16b。另外，該方法100分別包括用“針對(duì)第1種工作模式的圖像分析A₁”或“針對(duì)第1種工作模式的圖像分析A₂”標(biāo)出的步驟114a、114b。在步驟114a期間，借助由第一圖像傳感器14a攝取的第一圖像16a進(jìn)行第一種圖像分析A₁。類似地，在步驟114b期間，借助由第二圖像傳感器14b攝取的第二圖像16b進(jìn)行圖像分析A₂。方法100還包括步驟116，用于分析在步驟114a、114b期間求得的圖像分析數(shù)據(jù)比如對(duì)照值。特別地，在步驟116中計(jì)算出圖像分析數(shù)據(jù)的差D_i：D_i＝A₁-A₂，其中，D_i是圖像分析數(shù)據(jù)(比如對(duì)照值差)的差，A₁是由步驟114a求得的第一圖像分析數(shù)據(jù)(比如第一對(duì)照值)，A₂是由步驟114b求得的第二圖像分析數(shù)據(jù)(比如對(duì)照值)。在此，i是一個(gè)整數(shù)的下標(biāo)，它表示可迭代地執(zhí)行的方法100的第i次迭代。

另外，方法100包括步驟118，用于利用方程D_i*D_i-1>0來比較圖像分析差(比如對(duì)照值差)，其中，D_i是圖像分析數(shù)據(jù)的在方法100的當(dāng)前迭代期間求得的差(對(duì)照值差)，D_i-1是圖像分析數(shù)據(jù)的在方法100的先前的迭代期間求得的差(比如對(duì)照值差)。方法100還包括步驟120，用于分析在步驟116期間求得的對(duì)照值差。在此，如果在步驟118期間進(jìn)行的比較是正的，也就是說，如果滿足了根據(jù)上述方程的條件，就執(zhí)行步驟120。在步驟120期間檢查是否滿足如下條件：D_i>0。另外，該方法100包括用“樣本上升2.5xDOF”(DOF，場(chǎng)深度)標(biāo)出的步驟122和用“樣本下降2.5xDOF”標(biāo)出的步驟124。在此，如果滿足了在步驟120期間檢查的條件，就執(zhí)行步驟122，而如果未滿足在步驟120期間檢查的條件，就執(zhí)行步驟124。在步驟122期間，樣本上升2.5倍的景深。在步驟124期間，樣本下降2.5倍的景深。在此，待檢查的樣本基本上位于圖1a和1b中所示的物體平面22內(nèi)。該方法還包括步驟128，用于判斷方法100的中斷或重復(fù)執(zhí)行。在步驟128期間檢查是否滿足如下條件：i<＝X，其中，X是迭代次數(shù)的上限。上限X例如可以確定為30或更小，優(yōu)選介于15和20之間。此外，該方法100包括用“聚焦失敗”標(biāo)出的方框130。在此，方框130表示，在步驟128期間檢查的條件未得到滿足，也就是說，該方法100已經(jīng)進(jìn)行了16次以上的迭代。在其它情況下，該方法以步驟112a、112b開始重復(fù)執(zhí)行。

該方法100還包括用“使得下降/上升回退”標(biāo)出的步驟126。在此，如果在步驟118期間進(jìn)行的比較是負(fù)的，也就是說，如果方法100的當(dāng)前迭代的差(例如對(duì)照值差)和方法100的先前迭代的差(例如對(duì)照值差)是不同的，就執(zhí)行步驟126。在步驟126期間，使得在步驟122期間進(jìn)行的樣本上升或者在步驟124期間進(jìn)行的樣本下降回退。也就是說，樣本分別下降或上升2.5倍的景深。此外，該方法100包括用“焦點(diǎn)尋找結(jié)束”標(biāo)出的方框132。

方框130表示方法100的結(jié)束，其中，采用方法100無法進(jìn)行有意義的聚焦。方框132表示方法100的結(jié)束，其中，聚焦已成功地進(jìn)行。

參照?qǐng)D2介紹的用于進(jìn)行比較粗略的聚焦的方法100，是一種用于在自動(dòng)的聚焦過程期間尋找焦點(diǎn)的方法。

圖3所示為用于在本發(fā)明的顯微鏡10的第二種工作模式下進(jìn)行比較細(xì)微的聚焦的方法200的流程圖。圖3中所示的方法200可以用于在第二種工作模式下調(diào)節(jié)清晰平面20相對(duì)于物體平面22的相對(duì)位置，從而清晰平面20位于物體平面22周圍的相比于第一誤差范圍34較小的第二誤差范圍36內(nèi)。

該方法200包括用“開始保持焦點(diǎn)”標(biāo)出的步驟210。步驟210是用于進(jìn)行比較細(xì)微的聚焦的方法200的開始。此外，該方法200包括用“攝像機(jī)1攝取圖像”標(biāo)出的步驟212a和用“攝像機(jī)2攝取圖像”標(biāo)出的步驟212b。在步驟212a期間，由第一圖像傳感器14a攝取第一圖像16a。在步驟212b期間，由第二圖像傳感器14b攝取第二圖像16b。另外，該方法200分別包括用“在第2種工作模式下的圖像分析”標(biāo)出的步驟214a、214b。在步驟214a、214b期間，求得圖像分析數(shù)據(jù)，比如由第一圖像傳感器14a攝取的第一圖像16a的第一對(duì)照值B1。在步驟214b期間，求得其它圖像分析數(shù)據(jù)，比如由第二圖像傳感器14b攝取的第二圖像16b的第二對(duì)照值B2。

另外，該方法200包括用“焦點(diǎn)偏移量，O＝f(B1,B2)，由圖像分析數(shù)據(jù)決定”標(biāo)出的步驟218。在步驟218期間，利用如下函數(shù)關(guān)系O＝f(B1,B2)求得樣本的也稱為偏移量的移動(dòng)量值，其中O是偏移量，B1和B2是圖像分析值。該方法200還包括用于檢查如下條件O>DOF/2的步驟220，其中，O是偏移量，DOF是顯微鏡10的景深。另外，該方法200包括用“樣本移動(dòng)偏移量”標(biāo)出的步驟222和用“焦點(diǎn)保持結(jié)束”標(biāo)出的步驟224。在此，如果滿足了在步驟220期間檢查的條件，就執(zhí)行步驟222。在步驟222期間，樣本移動(dòng)在步驟218期間求得的偏移量。在此，待檢查的樣本基本上位于圖1a和1b中所示的物體平面22內(nèi)。在執(zhí)行步驟222之后，該方法200以步驟212a、212b開始重復(fù)執(zhí)行。如果在步驟220期間檢查的條件未得到滿足，就執(zhí)行方框224。該方框224表示方法200的結(jié)束。

參照?qǐng)D3介紹的用于進(jìn)行比較細(xì)微的聚焦的方法200，是一種用于在自動(dòng)的聚焦過程期間保持焦點(diǎn)的方法。

參照?qǐng)D2和3，自動(dòng)的聚焦過程分成兩個(gè)不同的階段或方法100、200。在此，圖2中所示的方法100用于尋找焦點(diǎn)，而圖3中所示的方法200用于保持焦點(diǎn)。在用于尋找焦點(diǎn)的方法100中，較大的搜尋范圍是占優(yōu)先地位的。在此，該搜尋范圍被規(guī)定為相距焦點(diǎn)位置的最大距離，此時(shí)尚能進(jìn)行用于接近焦點(diǎn)位置的方向識(shí)別。在用于保持焦點(diǎn)的方法200中，精確度是關(guān)鍵性的，能以該精確度來確定焦點(diǎn)平面。相關(guān)地，精確度被規(guī)定為所接近的焦點(diǎn)位置相距理想的焦點(diǎn)位置的剩下的偏差。

需要注意，在兩次圖像分析中，評(píng)價(jià)兩維的圖像面。在此有利的是，對(duì)照評(píng)價(jià)或圖像分析并非只沿著一條線進(jìn)行。此外，對(duì)照評(píng)價(jià)也并非只參照下一個(gè)相鄰像素進(jìn)行。

圖4a所示為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例用于進(jìn)行一次性聚焦的方法300的流程圖。該方法300包括用“開始一次性聚焦”標(biāo)出的步驟310、用“尋找焦點(diǎn)”標(biāo)出的方法100、用“保持焦點(diǎn)”標(biāo)出的方法200和用“聚焦結(jié)束”標(biāo)出的方框340。在步驟310期間，利用顯微鏡10的自動(dòng)聚焦系統(tǒng)11開始一次性聚焦。然后進(jìn)行如參照?qǐng)D2所述的用于尋找焦點(diǎn)的方法100。隨后進(jìn)行如參照?qǐng)D3所述的用于保持焦點(diǎn)的方法200。方框340表示聚焦結(jié)束。在圖4a所示的用于進(jìn)行一次性聚焦的方法300中，用于尋找焦點(diǎn)的方法100和用于保持焦點(diǎn)的方法200分別只進(jìn)行唯一的一次。

圖4b所示為根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例用于進(jìn)行持續(xù)聚焦的方法400的流程圖。方法400包括用“開始持續(xù)聚焦”標(biāo)出的步驟410、用于尋找焦點(diǎn)的方法100、用于保持焦點(diǎn)的方法200、用于檢查方法中斷的條件的步驟440和用“聚焦結(jié)束”標(biāo)出的方框450。在步驟410期間，利用顯微鏡10的自動(dòng)聚焦系統(tǒng)11開始持續(xù)聚焦。然后進(jìn)行用于尋找焦點(diǎn)的方法100。隨后進(jìn)行用于保持焦點(diǎn)的方法200。在步驟440期間檢查是否滿足了方法中斷的條件。方法中斷的條件在此按下述規(guī)定：產(chǎn)生了所希望的聚焦精確度。對(duì)于滿足了在步驟440期間檢查的條件的情況，該方法發(fā)生中斷，從而結(jié)束聚焦。在其它情況下，重復(fù)地執(zhí)行用于保持焦點(diǎn)的方法200和用于檢查中斷條件的步驟440。在圖4b所示的用于進(jìn)行持續(xù)聚焦的方法400中，用于尋找焦點(diǎn)的方法100只執(zhí)行唯一的一次，而用于保持焦點(diǎn)的方法200頻繁地重復(fù)，直至滿足規(guī)定的中斷條件。

本發(fā)明的第二方面涉及另一缺點(diǎn)：待檢查的不同物體的由圖像傳感器14a、14b攝取的圖像16a、16b的對(duì)照過程總是不同的。

在圖3所示的用于進(jìn)行比較細(xì)微的聚焦的方法200中，基于由第一圖像傳感器14a攝取的第一圖像16a的和由第二圖像傳感器14b攝取的第二圖像16b的那些對(duì)照值來求得對(duì)照差。另外，基于所求得的對(duì)照差，調(diào)節(jié)清晰平面20相對(duì)于物體平面22的相對(duì)位置。

本發(fā)明的另一方面涉及另一缺點(diǎn)：由于圖像合成，已知的自動(dòng)聚焦系統(tǒng)出現(xiàn)移動(dòng)模糊。

顯微鏡10的自動(dòng)聚焦系統(tǒng)11經(jīng)過優(yōu)選的構(gòu)造，從而在用于攝取由第一圖像傳感器14a攝取的第一圖像16a和由第二圖像傳感器14b攝取的第二圖像16b的圖像攝取時(shí)間期間，以一定的步距和一定的焦點(diǎn)移動(dòng)速度，調(diào)節(jié)清晰平面20相對(duì)于物體平面22的相對(duì)位置。在此，焦點(diǎn)移動(dòng)速度等于步距與圖像攝取時(shí)間的比。另外，步距大于顯微鏡10的景深。能讓聚焦可靠地進(jìn)行的最大的焦點(diǎn)移動(dòng)速度優(yōu)選由如下方程式給定：

其中，v是最大的焦點(diǎn)移動(dòng)速度，DOF是景深，AT是圖像攝取時(shí)間(“Image Acquisition Time”)，其中，ST表示景深的多倍。在此，乘積DOF·ST等于在聚焦期間的步距。

步距優(yōu)選大于或等于顯微鏡10的景深的2.5倍。由此可以明顯地縮短聚焦的需求時(shí)間。

此外，可以進(jìn)行可靠的聚焦，直至步距等于顯微鏡10的景深的10倍。

優(yōu)選以恒定的焦點(diǎn)移動(dòng)速度進(jìn)行聚焦調(diào)節(jié)。為了縮短聚焦的需求時(shí)間，因而也可以在圖像攝取期間以恒定的速度繼續(xù)移動(dòng)焦點(diǎn)平面。這雖然在所攝取的圖像中導(dǎo)致一定的移動(dòng)模糊。但已發(fā)現(xiàn)，并不會(huì)確定出明顯的精確度降低，直至每單位圖像攝取時(shí)間內(nèi)10倍景深的移動(dòng)距離。

根據(jù)本發(fā)明，實(shí)現(xiàn)一種用于自動(dòng)聚焦的多傳感器-顯微鏡。在此，該顯微鏡配備有多個(gè)圖像傳感器，用于檢測(cè)物體圖像的面?zhèn)鞑サ牧炼刃畔⒑蜕市畔?，以便自?dòng)地聚焦到物體表面上。另外，根據(jù)本發(fā)明實(shí)現(xiàn)一種相應(yīng)的用于快速地、精確地且可靠地利用顯微鏡聚焦的方法。

有利地，采用一種光學(xué)機(jī)構(gòu)，其沿著整個(gè)放大范圍在圖像側(cè)具有恒定的數(shù)值孔徑。由此可以使得在傳感器與名義的圖像平面之間的在構(gòu)造側(cè)要預(yù)先選擇的間距匹配于最佳的大小。相距對(duì)照曲線拐點(diǎn)的間距是最佳的，因?yàn)樵谀抢镉凶畲蟮男甭?，進(jìn)而有自動(dòng)聚焦調(diào)節(jié)的最高精確度。

該系統(tǒng)尤其可以用于手持式顯微鏡。在這種情況下，焦點(diǎn)平面的移動(dòng)不必機(jī)動(dòng)地進(jìn)行。通過操作者的適當(dāng)反饋，他也可以自主地找到和/或保持焦點(diǎn)。在此，對(duì)焦點(diǎn)的保持也可以機(jī)動(dòng)地進(jìn)行。由于移動(dòng)范圍小，攝取和評(píng)價(jià)時(shí)間短，移動(dòng)的質(zhì)量盡可能小，所以可實(shí)現(xiàn)很短的調(diào)節(jié)時(shí)間。由此可以實(shí)現(xiàn)可靠地穩(wěn)定焦點(diǎn)位置，直至大約80倍的放大率。

也可以通過補(bǔ)償漸暈或兩個(gè)傳感器14a、14b的側(cè)向偏移來更進(jìn)一步地提高系統(tǒng)的精確度。

附圖標(biāo)記清單

10 顯微鏡

11 自動(dòng)聚焦系統(tǒng)

12a、12b 光路

14a、14b、25 圖像傳感器

16a、16b、30 圖像

18a、18b 圖像平面

20 清晰平面

22 物體平面

26 物鏡

28a、28b 分光器

32 成像系統(tǒng)

33 用于無級(jí)地調(diào)節(jié)成像尺寸(“變焦”)的裝置

34、36 誤差范圍

100、200、300、400 方法

110～132、210～224 方法步驟

310、340、410、440、450 方法步驟