專利名稱：用于光學(xué)儀器的連續(xù)、異步自動聚焦的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學(xué)儀器，并且更具體地說，涉及光學(xué)儀器內(nèi)的連續(xù)、異步操作的自動聚焦子系統(tǒng)，其保持物鏡與成像物體上、成像物體內(nèi)或成像物體附近的點(diǎn)或表面之間沿著光軸的恒定距離。
背景技術(shù)：
數(shù)百年來，當(dāng)光學(xué)顯微鏡和其他基于光學(xué)的方法在從科學(xué)研究到戰(zhàn)爭的人類活動的許多領(lǐng)域中得以利用吋，微處理器、現(xiàn)代計(jì)算和分子生物的出現(xiàn)促使新的光學(xué)儀器和光學(xué)成像技術(shù)的進(jìn)一歩加速發(fā)展。例如，與并入現(xiàn)代熒光顯微鏡儀器中的計(jì)算設(shè)施組合的活細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)的熒光標(biāo)記允許以顯著低于光學(xué)顯微鏡的所說的“衍射極限”的分辨率對活細(xì)胞的生物組分的精細(xì)細(xì)節(jié)成像。許多新光學(xué)儀器、光學(xué)儀器的應(yīng)用和光學(xué)成像技術(shù)取決于在延長時(shí)間段上和/或掃描與光ζ軸垂直的χ-y平面內(nèi)的成像物體期間、淺焦深的高倍率光學(xué)系統(tǒng)的精確聚焦。示例包括通過在較長時(shí)間段上對生物樣本中的弱發(fā)光熒光團(tuán)成像來實(shí)現(xiàn)衍射極限以下的分辨率的多種光學(xué)顯微鏡技木，和用于掃描活細(xì)胞和其他生物樣本以通過將χ-y平面中的樣本相對于顯微鏡的光路平移同時(shí)保持恒定的ζ位置來對這些樣本內(nèi)的平面成像的光學(xué)顯微鏡技木。光學(xué)儀器的聚焦可能隨時(shí)間推移由于例如熱和機(jī)電不穩(wěn)定性而變化，并且隨著掃描樣本或在一段時(shí)間上從樣本收集數(shù)據(jù)時(shí)載物臺在χ-y平面中平移，即使非常精確的機(jī)電顯微鏡載物臺也可能在相對于成像光學(xué)元件在距離上有波動。精確的光學(xué)儀器的設(shè)計(jì)人員、制造商和用戶不斷探索在時(shí)間上以及在高度精確光學(xué)儀器的多個(gè)子組件(包括機(jī)電載物臺)操作時(shí)穩(wěn)定高度精確光學(xué)儀器的聚焦的系統(tǒng)和方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的實(shí)施例旨在提出光學(xué)儀器內(nèi)的自動聚焦子系統(tǒng)，該自動聚焦子系統(tǒng)連續(xù)地監(jiān)視光學(xué)儀器的聚焦并調(diào)整沿著光軸的光學(xué)儀器內(nèi)的距離，以便將精確且穩(wěn)定的光學(xué)儀器聚焦保持在樣本上、樣本內(nèi)、或樣本附近的特定點(diǎn)或表面處。本發(fā)明的某些實(shí)施例相對于嵌入它們的光學(xué)儀器的其他組件和子系統(tǒng)的操作異步地操作。


圖IA-圖IC圖示熒光顯微鏡內(nèi)的光路。圖2A-圖2B示出隨著時(shí)間推移(在圖2A的情況中)或樣本的χ和/或y平移 (在圖2B的情況中)期間，物鏡焦點(diǎn)的位置在樣本內(nèi)相對于光軸或ζ位置的非期望變化。
圖3圖示顯微鏡的傳統(tǒng)自動聚焦子系統(tǒng)。圖4和圖5提供圖示傳統(tǒng)自動聚焦模塊的操作的控制流程圖。圖6提供圖示本發(fā)明的某些實(shí)施例的ー個(gè)方面的控制流程圖。圖7A-圖7C圖示獨(dú)立于上文參考圖IA-圖IC和圖3論述的熒光顯微鏡的機(jī)電載物臺的ζ軸掃描。圖8圖示小光圈焦點(diǎn)檢測器的操作的原理。圖9A-圖9C圖示表示本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的針孔光圈轉(zhuǎn)子。圖IOA-圖IOB圖示在本發(fā)明的備選實(shí)施例中使用的不同類型的轉(zhuǎn)子。圖11示出本發(fā)明的附加實(shí)施例中使用的第三種類型的轉(zhuǎn)子。圖12圖示并入在表示本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的熒光顯微鏡的光路內(nèi)的、同樣表示本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的自動聚焦模塊。圖13A-圖131圖示用于由表示本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的自動聚焦模塊的自動聚焦處理子組件計(jì)算物鏡與顯微鏡的蓋玻片(cover slip)介面之間的當(dāng)前距離的ー種方法。圖14圖示根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的、根據(jù)密度值累計(jì)和計(jì)算光學(xué)儀器的當(dāng)前ζ位置。圖15圖示典型環(huán)形光圏。
具體實(shí)施例方式圖IA-圖IC圖示熒光顯微鏡內(nèi)的光路。光路和包含光路的熒光顯微鏡用作描述本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的上下文。但是，正如下文也提到的，在許多情況中，可以通過調(diào)整本發(fā)明的實(shí)施例的多種參數(shù)和配置以在特定應(yīng)用中使用來將本發(fā)明的方法和系統(tǒng)并入范圍廣泛的不同類型的光學(xué)儀器中。熒光顯微鏡的光路包括激發(fā)光源102 ( 一般為可見光或UV光激光器)、將激發(fā)光 106反射到物鏡或透鏡108的多向色鏡104，物鏡或透鏡108將激發(fā)光聚焦在放置在機(jī)械載物平臺114上的蓋玻片112的遠(yuǎn)側(cè)上支承的樣本內(nèi)的點(diǎn)110，機(jī)械載物平臺114具有激發(fā)光通過的光圈116。激發(fā)光刺激樣本內(nèi)的熒光團(tuán)的熒光發(fā)射。從一般具有的波長比激發(fā)光的波長更長的熒光團(tuán)發(fā)射的光經(jīng)由物鏡或透鏡108以及經(jīng)由多向色鏡104傳遞回ー個(gè)或多個(gè)鏡筒透鏡118，ー個(gè)或多個(gè)鏡筒透鏡118將熒光團(tuán)發(fā)射的光聚焦在光檢測器120上，光檢測器120常常是電荷耦合裝置(“CCD”)檢測器。光檢測器測量的空間強(qiáng)度由計(jì)算子系統(tǒng)進(jìn)行電子處理以生成被成像物體的圖像，這些圖像被存儲在電子存儲器和海量存儲裝置中以及進(jìn)行渲染以便在電子顯示裝置上顯示。多向色鏡104反射較短波長的光(包括激發(fā)光)，并且還可以反射非常長波長的光(如紅外光)，但是對于包括熒光團(tuán)標(biāo)記的樣本內(nèi)的熒光團(tuán)發(fā)射的光波長的波長范圍內(nèi)的可見光是透明的。相似地，激發(fā)光106的初始路徑上的ニ向色鏡122對于較短波長激發(fā)光透明，但是反射較長波長的紅外光，正如下文更詳細(xì)地論述的。包括載物平臺114、載物臺驅(qū)動組件1 和χ 126,y 1 和ζ 130平移機(jī)構(gòu)的機(jī)電載物臺用于相對干物鏡和儀器光路在x、y和ζ方向中移動樣本。注意，光軸或ζ軸與垂直延伸的光路平行，在圖IA中，光路從樣本點(diǎn)110經(jīng)由物鏡、多向色鏡和鏡筒透鏡垂直地延伸到檢測器120上的對應(yīng)圖像點(diǎn)132。在圖IB中，χ平移機(jī)構(gòu)126已被激活以將載物平臺114向右移動小距離+ Δχ 140，這導(dǎo)致焦點(diǎn)在樣本內(nèi)等量但在X方向中反向移位-Δχ 142。換言之，在載物平臺在χ方向中平移距離+Δχ之后，先前焦點(diǎn)110和新焦點(diǎn)144分隔量值I ΔΧ|142的距離。圖IC以與圖IB相似的方式示出激活ζ平移設(shè)備130以將機(jī)械載物臺114在ζ或光軸方向中移動小距離-Δζ 146，從而導(dǎo)致焦點(diǎn)在樣本內(nèi)平移等量148但反向的距離+Δζ。在本文論述中， 假定如圖IA所示，至少在從樣本進(jìn)行圖像采集期間的一段時(shí)間上，檢測器120與鏡筒透鏡 118之間的距離是固定的，因此固定物鏡的焦點(diǎn)。在包括活細(xì)胞成像的許多熒光顯微鏡應(yīng)用中，高分辨率圖像的采集取決于在如下時(shí)間段相對于物鏡對固定位置中的特定樣本成像該時(shí)間段足以從弱發(fā)光熒光團(tuán)收集足夠的信息以重構(gòu)樣本內(nèi)的熒光團(tuán)標(biāo)記的圖像。在其他應(yīng)用中，通過在χ-y平面中相對于物鏡移動機(jī)電載物臺、同時(shí)保持恒定的聚焦或物鏡與樣本之間在ζ或光軸方向中恒定的距離， 來掃描樣本。在兩種情況中，均需要在一段時(shí)間上和/或當(dāng)在χ和y方向中平移機(jī)械載物臺時(shí)，將物鏡與樣本內(nèi)的點(diǎn)或表面之間的距離保持在精確固定的值。圖2A-圖2B示出隨著時(shí)間推移(在圖2A的情況中)或樣本的χ和/或y平移 (在圖2B的情況中)期間，物鏡焦點(diǎn)的位置在樣本內(nèi)相對于光軸或ζ位置的非期望變化。 在這兩個(gè)附圖中，物鏡與樣本之間的期望距離由虛線202和204指示。物鏡與樣本之間的實(shí)際距離在兩個(gè)附圖中示出為實(shí)曲線206和208。盡管盡力保持物鏡與樣本內(nèi)的點(diǎn)或表面之間的固定距離，但是物鏡與樣本之間在ζ或光軸方向中的實(shí)際距離隨著時(shí)間推移以及在 χ和/或y平移期間而改變。這些變化有許多不同的原因。例如，顯微鏡環(huán)境中的熱不穩(wěn)定性可能導(dǎo)致光學(xué)儀器在含ζ軸分量的方向上的膨脹或收縮。光學(xué)儀器常常被溫度控制腔體包圍，但是光學(xué)儀器的組件可能產(chǎn)生并散發(fā)熱，包括光源、電動機(jī)和其他此類組件，這無法立即進(jìn)行補(bǔ)償。空氣壓カ和其他環(huán)境參數(shù)中的波動也可能導(dǎo)致物鏡與樣本之間的距離上的變化。當(dāng)機(jī)電載物臺的x_y平面朝向即使稍微與光軸不垂直吋，在通過x_y平面中平移來進(jìn)行掃描期間，樣本也會在ζ方向中相對于物鏡移動。圖3圖示顯微鏡的傳統(tǒng)自動聚焦子系統(tǒng)。已開發(fā)自動聚焦子系統(tǒng)來隨時(shí)間推移將焦點(diǎn)位置相對于光軸穩(wěn)定在樣本內(nèi)，并同時(shí)在x_y平面中移動樣本。圖3使用與圖IA-圖 IC中使用的相同圖示約定。圖3所示的自動聚焦子系統(tǒng)使用與激發(fā)光源102不同的自動聚焦光源302。在許多系統(tǒng)中，自動聚焦光源發(fā)射紅外光304，其一部分被分光鏡308向下反射到ニ向色鏡122，其將紅外光在圖3中的水平方向106中反射，其沿著與激發(fā)源102發(fā)射的光所采取的相同光路，從該相同光路處、由多向色鏡104將該紅外光經(jīng)由物鏡108反射到樣本110。紅外光在蓋玻片310的遠(yuǎn)側(cè)與樣本介質(zhì)之間介面處被散射，反向散射的紅外光的一部分經(jīng)由物鏡108和光路元件104、122和308返回。反向散射的紅外光的一部分經(jīng)由分光鏡308傳遞到自動聚焦模塊320。此外，在多種備選配置中，可以將自動聚焦光源 302和自動聚焦檢測器模塊320的位置繞著分光鏡308翻轉(zhuǎn)，且結(jié)果是等效，并且可以更改發(fā)光源和自動聚焦光源的相對位置，以及其他光路組件的特性的改變。應(yīng)該注意，短語“蓋玻片”意在包括顯微鏡中常常采用的傳統(tǒng)蓋玻片以及大范圍的不同類型的樣本腔和樣本保持裝置的任何ー種的表面。相對于樣本具有固定位置的多種介面的任何一種均能用作反向散射的自動聚焦光的光源，以便檢測和校正樣本平面相對于ー個(gè)或多個(gè)物鏡的ζ位置上的錯(cuò)位。自動聚焦模塊320周期性地控制載物臺驅(qū)動124以在ζ軸位置的范圍322上沿著
7光軸平移載物臺，并記錄每個(gè)ζ軸位置的光強(qiáng)度，從而至少在概念上生成強(qiáng)度對ζ位置的繪圖324。ζ范圍內(nèi)對應(yīng)于物鏡的焦點(diǎn)與蓋玻片的遠(yuǎn)側(cè)重合的ζ位置由強(qiáng)度曲線峰值3 下面的ζ位置3 指示，因?yàn)榉聪蛏⑸涔獾淖罡邚?qiáng)度出現(xiàn)在蓋玻片的遠(yuǎn)側(cè)與物鏡焦點(diǎn)重合吋。 有多種不同類型的自動聚焦模塊執(zhí)行周期性ζ-軸掃描以便確定蓋玻片與樣本介質(zhì)的介面與光學(xué)儀器的焦點(diǎn)重合時(shí)載物平臺的當(dāng)前ζ-軸位置。然后，該自動聚焦模塊能夠?qū)C(jī)電載物臺驅(qū)動到相對于所確定的焦點(diǎn)的ζ-軸位置的期望ζ-軸位置，以便將焦點(diǎn)重新定位在樣本內(nèi)期望的ζ-軸位置。圖4和圖5提供圖示傳統(tǒng)自動聚焦模塊的操作的控制流程圖。圖4提供傳統(tǒng)自動聚焦操作的高層面控制流程圖。自動聚焦操作是包括步驟402和404的連續(xù)循環(huán)。在步驟 402中，自動聚焦操作等待直到下一次自動聚焦事件發(fā)生，例如自動聚焦定時(shí)器期滿或來自光學(xué)儀器操作員的調(diào)用下一次自動聚焦操作的手動輸入。然后，在步驟404中，調(diào)用例行程序“自動聚焦”來執(zhí)行ζ位置范圍上的掃描，正如上文參考圖3論述的，以便確定物鏡的焦點(diǎn)與蓋玻片與樣本介質(zhì)的遠(yuǎn)介面重合時(shí)的當(dāng)前ζ位置。雖然自動聚焦操作在圖4中示出為連續(xù)的循環(huán)，但是應(yīng)該注意，由調(diào)用例行程序“自動聚焦”表示的實(shí)際自動聚焦操作是按離散的時(shí)間間隔發(fā)生的，并且自動聚焦操作是破壞性的，一般會中斷包括成像或機(jī)電載物臺的平移的其他操作。圖5提供圖4的步驟404中調(diào)用的例行程序“自動聚焦”的控制流程圖。在步驟 502-505的for-循環(huán)中，自動聚焦模塊控制載物臺驅(qū)動以全程掃描ζ位置范圍。對于該范圍內(nèi)的每個(gè)ζ位置，在步驟503中，自動聚焦模塊將機(jī)械載物臺驅(qū)動到ζ位置，并在步驟504 中，測量反向散射的自動聚焦光的強(qiáng)度。一旦在步驟502-505的for-循環(huán)中對ζ位置范圍內(nèi)的每個(gè)位置測量了反向散射的自動聚焦光強(qiáng)度，在步驟506中，例行程序“自動聚焦，，計(jì)算與反向散射的光的最大強(qiáng)度對應(yīng)的ζ位置，并且然后在步驟508中，將機(jī)械載物臺驅(qū)動到相對步驟506計(jì)算的ζ位置計(jì)算的ζ位置。例如，可能期望，焦點(diǎn)應(yīng)保持在樣本內(nèi)10微米的恒定ζ位置處，并且由此在步驟508中，自動聚焦計(jì)算等于10微米加上光學(xué)儀器聚焦在蓋玻片的遠(yuǎn)側(cè)上時(shí)當(dāng)前ζ位置的ζ位置，并將機(jī)電載物臺驅(qū)動到該位置。傳統(tǒng)或常規(guī)自動聚焦子系統(tǒng)(如上文參考圖3-5所論述的那些)與許多問題和缺點(diǎn)關(guān)聯(lián)。ー個(gè)重大問題是，如上文提到的，自動聚焦子系統(tǒng)的操作中斷光學(xué)儀器正在執(zhí)行的任何其他操作。例如，當(dāng)光學(xué)儀器正在固定的ζ位置處進(jìn)行樣本的χ-y平面掃描吋，毎次自動聚焦操作都中斷該掃描以便監(jiān)視掃描期間ζ位置的穩(wěn)定性。自動聚焦采用的ζ-軸掃描會使獲取圖像所需的時(shí)間增加很多時(shí)間。與傳統(tǒng)自動聚焦子系統(tǒng)關(guān)聯(lián)的第二個(gè)缺點(diǎn)是，由于自動聚焦操作是按離散的時(shí)間間隔執(zhí)行的，所以儀器的ζ軸位置可能在自動聚焦間隔之間漂移。減小自動聚焦操作之間的間隔以便將Z-軸漂移減到最小，這進(jìn)ー步導(dǎo)致數(shù)據(jù)收集時(shí)間的増加。與自動聚焦操作關(guān)聯(lián)的再ー個(gè)問題是，由于自動聚焦本身是隨著時(shí)間推移通過遍及Z位置范圍地移動機(jī)電載物臺來執(zhí)行的，因此在自動聚焦操作期間，儀器和環(huán)境不穩(wěn)定性可能改變，從而大大地降低能夠確定儀器焦點(diǎn)位置以及校正Z-軸漂移的精確度。本發(fā)明的實(shí)施例旨在提出一種連續(xù)操作且快速的自動聚焦模塊，其相對于其他光學(xué)儀器組件和子系統(tǒng)的操作(包括機(jī)電載物臺的平移和圖像采集操作)異步地操作。圖6 提供圖示本發(fā)明的某些實(shí)施例的ー個(gè)方面的控制流程圖。本發(fā)明的實(shí)施例能夠?qū)崿F(xiàn)的連續(xù)異步自動聚焦操作由步驟602-604的連續(xù)執(zhí)行循環(huán)來表示。在步驟602中，在一個(gè)實(shí)施例中，通過計(jì)算從蓋玻片與樣本介質(zhì)之間的介面反向散射的光在自動聚焦模塊光檢測器上產(chǎn)生最高強(qiáng)度時(shí)的ζ-軸位置來連續(xù)地監(jiān)視此介面的ζ-軸位置。當(dāng)介面相對于物鏡的ζ軸的位置改變吋，或相對于物鏡的另ー個(gè)ζ-軸位置改變吋，在步驟604中，以小校正距離ΔΖ驅(qū)動機(jī)電載物臺，從而保持物鏡與樣本內(nèi)的特定點(diǎn)或表面的恒定距離。因?yàn)楸硎颈景l(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的自動聚焦模塊連續(xù)地操作，而不會中斷光學(xué)儀器的其他組件的操作，所以數(shù)據(jù)收集時(shí)間不受影響，并且能夠比傳統(tǒng)自動聚焦模塊更穩(wěn)定地且長時(shí)間更高精度地保持光學(xué)儀器的聚焦。由于表示本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的自動聚焦模塊連續(xù)且快速地再計(jì)算蓋玻片與樣本介質(zhì)的遠(yuǎn)介面的ζ-軸位置，所以能夠以比傳統(tǒng)自動聚焦模塊更高精確度連續(xù)地確定物鏡相對蓋玻片介面的ζ-軸位置，因?yàn)槊看巫詣泳劢顾璧臅r(shí)間量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)自動聚焦模塊中的情況，并且因此在本發(fā)明的所述實(shí)施例中，自動聚焦操作期間可能發(fā)生的最大漂移量比傳統(tǒng)自動聚焦模塊中少。圖7Α-圖7C圖示獨(dú)立于上文參考圖IA-圖IC和圖3論述的熒光顯微鏡的機(jī)電載物臺的ζ軸掃描。圖7Α-圖7C圖示假想系統(tǒng)，與圖IA-圖IC和圖3所示的相似，其中能夠當(dāng)在ζ方向中相對于物鏡移動樣本的同吋，相對于鏡筒透鏡移動自動聚焦模塊內(nèi)的檢測器。在圖7Α中，蓋玻片的內(nèi)介面上的點(diǎn)距離物鏡或透鏡706保持在特定ζ-軸位置~704處。 將從蓋玻片的內(nèi)表面反向散射的光聚焦在保持在相對于聚焦透鏡714的固定ζ-軸位置Zd 712處的檢測器710上。在圖7Β中，已將機(jī)械載物臺移動得更靠近物鏡，并且蓋玻片702的內(nèi)介面至物鏡706之間的距離現(xiàn)在720，而非圖7Α所示的初始距離~ 704。自動聚焦模塊中的檢測器710已從聚焦透鏡714移開對應(yīng)的距離，以使從內(nèi)蓋玻片介面702反向散射的光保持聚焦706在檢測器上。相似地，如圖7C所示，當(dāng)較圖7Α中的情況將載物臺遠(yuǎn)離物鏡地移開時(shí)，內(nèi)蓋玻片介面與物鏡之間的距離為724，需要移動檢測器710向聚焦透鏡714更靠近，其結(jié)果是檢測器和聚焦透鏡間隔更短距離く 726，以使從內(nèi)蓋玻片介面反向散射的光保持聚焦在檢測器706上。ζ-軸掃描不僅能夠通過在ζ方向中相對于物鏡來移動載物平臺來執(zhí)行，而且也能
夠通過沿著自動聚焦子系統(tǒng)的光軸相對于自動聚焦模塊聚焦透鏡移動自動聚焦模塊檢測
器來執(zhí)行。當(dāng)相對于自動聚焦模塊內(nèi)的聚焦透鏡在ζ位置的整個(gè)范圍上移動檢測器時(shí)，該
范圍內(nèi)的ー個(gè)Z位置將對應(yīng)于自動聚焦模塊內(nèi)的聚焦透鏡的焦點(diǎn)，進(jìn)而對應(yīng)于光學(xué)儀器的
光軸中物鏡與蓋玻片的介面之間在Z方向中的當(dāng)前距離。自動聚焦模塊設(shè)法檢測并校正的
物鏡與蓋玻片介面之間的距離的改變，在從蓋玻片介面反向散射的光聚焦在自動聚焦模塊
檢測器上時(shí)聚焦透鏡的焦距的改變中反映出來。因此，檢測器能夠在Z-軸方向中、在自動
聚焦模塊內(nèi)相對于聚焦透鏡在物理上或邏輯上移動且能夠確定何時(shí)從蓋玻片介面反向散
射的光聚焦在檢測器上，該檢測器能夠用于確定檢測器相對于聚焦透鏡的位置^!，在自動
聚焦模塊內(nèi)，這對應(yīng)于物鏡與蓋玻片的介面之間的當(dāng)前距離^。這樣允許通過如下關(guān)系確
定物鏡與蓋玻片介面之間的距離\的絕對值 1zC= ~α —
zd比例常數(shù)α可以由自動聚焦模塊和光學(xué)儀器共用的光路的幾何形狀以及自動聚焦模塊聚焦透鏡和光學(xué)儀器的一個(gè)或多個(gè)物鏡的特性來確定。圖8圖示小光圈焦點(diǎn)檢測器的操作原理。在圖8中，示出不透明材料內(nèi)的小圓形光圈802、804和806，其相對于三個(gè)不同聚焦的光束。第一個(gè)光束聚焦在圓形光圈812下方的點(diǎn)810處，因此該光束的一部分落在不透明材料的背側(cè)，而僅該光束的具有圓形橫截面814 的中央錐形部分通過圓形光圏。如果光束未部分地被不透明材料阻擋，則光束在離焦點(diǎn)與圓形橫截面814相同的距離處的圓形橫截面816將會有更大的直徑和面積。因此，通過光圈后的光強(qiáng)度的降低與圓形橫截面814面積與圓形橫截面816面積之比成比例。當(dāng)光束聚焦在與光圈重合的點(diǎn)處時(shí)，如圖8的示例804中所示，所有入射光通過光圈，并且通過光圈的光的強(qiáng)度等于該光束通過光圈之前的強(qiáng)度。當(dāng)輸入光的焦點(diǎn)落在光圈之外吋，如圖8的第三示例806中所示，輸入光中焦點(diǎn)之前的一部分落在不透明材料的背側(cè)上；因此如情況 802 —祥，僅聚焦的光束的一部分820通過光圏。因此，位于小圓形光圈后的光檢測器測量通過小圓形光圈的光束的強(qiáng)度，可以使用該光檢測器來指示輸入的聚焦光束的焦點(diǎn)何時(shí)落在光圏內(nèi)。例如，光檢測器檢測到的強(qiáng)度對聚焦透鏡相對于圓形光圈的ζ位置的繪圖展示 ζ = 0826,當(dāng)繪圖的水平軸擬4上的點(diǎn)對應(yīng)于測量的強(qiáng)度擬8的峰值時(shí)，聚焦透鏡將光聚焦為在光圈內(nèi)針孔光圈相對于聚焦透鏡的ζ-軸位置。正如參考圖7A-圖7C論述的，用于相對于聚焦透鏡移動檢測器的機(jī)械驅(qū)動可用于確定與從蓋玻片介面反向散射的光的焦點(diǎn)所對應(yīng)的針孔光圈與聚焦透鏡之間的距離其中檢測器包括位于針孔光圈后適當(dāng)距離處的光檢測器，如圖8所示。但是，可機(jī)械方式移動的檢測器是昂貴的，并且存在與光學(xué)儀器在ζ方向中掃描關(guān)聯(lián)的相同時(shí)間延遲。不使用能夠在ζ方向掃描中的焦點(diǎn)檢測器，如圖7A-圖7C所示，本發(fā)明的實(shí)施例采用固定的光檢測器和快速平移針孔光圈或快速且增量地延長的聚焦光束來執(zhí)行表示本發(fā)明的實(shí)施例的自動聚焦模塊內(nèi)的ζ-軸掃描。圖9A-圖9C圖示表示本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的針孔光圈轉(zhuǎn)子。針孔光圈轉(zhuǎn)子902介入自動聚焦模塊904的聚焦透鏡904與自動聚焦模塊內(nèi)的光檢測器906之間，光檢測器906 測量落在光檢測器上的光的強(qiáng)度。針孔光圈轉(zhuǎn)子902包括多個(gè)垂直圓柱形軸體(shaft)， 當(dāng)垂直圓柱形軸體旋轉(zhuǎn)到聚焦透鏡與光檢測器之間且與之對齊的位置吋，光經(jīng)由該圓柱形軸體從聚焦透鏡904傳遞到光檢測器906，如圖9A中的垂直圓柱形軸體918所示。每個(gè)垂直圓柱形軸體包含具有中央針孔的不透明碟，如垂直圓柱形軸體914內(nèi)具有中央針孔光圈 922的不透明碟920。這些不透明碟設(shè)在離每個(gè)不同垂直圓柱形軸體中的針孔光圈轉(zhuǎn)子的上面不同距離處。如圖9A所示，轉(zhuǎn)子的上面與針孔光圈之間的距離隨著垂直圓柱形軸體的數(shù)值標(biāo)記的增加而線性增加，從而在針孔光圈轉(zhuǎn)子902的垂直圓柱形軸體內(nèi)形成針孔光圈的ζ-軸位置范圍。針孔光圈轉(zhuǎn)子902包括至少ー個(gè)物理索引926，至少ー個(gè)物理索引擬6 能夠被自動聚焦模塊內(nèi)的索引檢測器讀取以確定特定的垂直圓柱形軸體何時(shí)被定位于將來自聚焦透鏡904的光透射到光檢測器906?？梢詫⑽锢硭饕龜M6的位置檢測和針孔光圈轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度的已知信息一起使用來計(jì)算隨著電動機(jī)將針孔光圈轉(zhuǎn)子以恒定的速度旋轉(zhuǎn)時(shí)每個(gè)垂直圓柱形軸體被對齊以將光從聚焦透鏡傳遞到光傳感器的時(shí)間。該物理索引可以是磁盤、發(fā)光二極管、反射板或其他類型的物理索引，其位置能夠隨著物理索引旋轉(zhuǎn)通過特定位置時(shí)被索引檢測器(例如，電磁線圈、光檢測器或激光器/光檢測器)快速地確定。圖9B示出在與ζ軸平行的方向中觀察時(shí)的針孔光圈轉(zhuǎn)子。當(dāng)?shù)谝淮怪眻A柱形軸體940與聚焦透鏡和光檢測器在參考位置R942對齊吋，其余的垂直圓柱形軸體Ii1-Iv1按相對于對齊的垂直圓柱形軸體940遞增的旋轉(zhuǎn)角度Θ^Θμ被定位。在圖9C中提供的繪圖中，其中相對于水平軸960在0至360度的范圍上繪制針孔光圈轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角度，實(shí)心圓 (如實(shí)心圓962)表示相對于左邊垂直ζ位置軸964繪制的，每個(gè)針孔光圈相對于光檢測器的ζ位置，而空心圓(如空心圓966)表示相對于右邊垂直強(qiáng)度軸968繪制的光檢測器檢測到的強(qiáng)度。隨著針孔光圈轉(zhuǎn)子從0度(圖9C中的970)旋轉(zhuǎn)到360度(圖9C中的972)，當(dāng)前對齊的垂直圓柱形軸體內(nèi)的針孔光圈與光檢測器之間的距離增加，而光檢測器處測量的強(qiáng)度在與特定針孔光圈至光檢測器Zd距離977對應(yīng)的特定旋轉(zhuǎn)角度976處達(dá)到峰值974。 因此，旋轉(zhuǎn)的針孔光圈轉(zhuǎn)子902與固定位置的光檢測器906的組合能夠用于快速且反復(fù)地掃描表示本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的自動聚焦模塊內(nèi)的ζ-軸位置，以確定測量的強(qiáng)度為最大時(shí)針孔光圈與聚焦透鏡之間的距離^。正如上文論述的，該距離與光學(xué)儀器中蓋玻片介面與物鏡之間的距離相關(guān)聯(lián)。圖IOA-圖IOB圖示表示本發(fā)明的備選實(shí)施例中使用的不同類型的轉(zhuǎn)子。如圖IOA 所示，不將針孔置于針孔光圈轉(zhuǎn)子的垂直圓柱形軸體內(nèi)的不同距離處(如圖9A所示)，在本發(fā)明的備選實(shí)施例中，路徑延長轉(zhuǎn)子1002在路徑延長轉(zhuǎn)子的圓柱形垂直軸體內(nèi)包括多種高度或厚度的玻璃或其他透明材料的實(shí)心圓柱形桿體。作為備選，不具有變化的高度，而是這些實(shí)心圓柱形桿體可以具有相等高度，但是可以由具有不同折射率的不同材料構(gòu)成。本質(zhì)上，這些可以想到提供變化的聚焦延長(focus-extension)度或聚焦延長長度的碟形窗 ロ。在圖IOA中，聚焦延長窗ロ由陰影指示，如路徑延長轉(zhuǎn)子1002的圓柱形垂直軸1006內(nèi)的窗ロ 1004。旋轉(zhuǎn)路徑延長轉(zhuǎn)子以使連續(xù)的垂直圓柱形軸體與聚焦透鏡1010與位于光檢測器1014上方的針孔光圈1012之間的光路對齊。如圖IOB所示，具有的折射率n2大于空氣折射率Ii1的材料的透明圓柱形桿體以使得聚焦的光束的焦點(diǎn)1022與沒有透明圓柱形桿體的情況下光束所具有的焦點(diǎn)IOM的距離延長與該圓柱形桿體的高度10 成比例的距離 1026的方式折射聚焦的輸入光束1020。因此，通過將增加厚度或増加折射率的窗ロ包括在路徑延長轉(zhuǎn)子1002中，以及通過旋轉(zhuǎn)該轉(zhuǎn)子以連續(xù)地掃描包含這些窗ロ的垂直圓柱形軸體，該路徑延長轉(zhuǎn)子能夠用于(正如圖9A的針孔光圈轉(zhuǎn)子902)實(shí)現(xiàn)表示本發(fā)明的ー個(gè)實(shí)施例的自動聚焦模型內(nèi)的ζ-軸掃描。路徑延長轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生與圖9A中的針孔光圈轉(zhuǎn)子 902的繪圖9C相似的相對于旋轉(zhuǎn)角度的ζ-軸/強(qiáng)度繪圖。圖11示出本發(fā)明的附加實(shí)施例中使用的第三種類型的轉(zhuǎn)子。此轉(zhuǎn)子與圖9A所示的針孔光圈轉(zhuǎn)子相似，所不同的是，不使用一系列垂直圓柱形軸體，而是采用轉(zhuǎn)子1104內(nèi)的幾乎圓形的槽1102，其中以螺旋槽型光圈1106和環(huán)繞不透明螺旋形構(gòu)形的材料形成連續(xù)的槽型光圏，該連續(xù)的槽型光圈在ζ-軸位置上從最大ζ位置1108到最小ζ位置1110連續(xù)地遞減。在附加實(shí)施例中，采用輻條形構(gòu)件來將槽型光圈轉(zhuǎn)子的內(nèi)部部分保持到槽型光圈轉(zhuǎn)子的外部部分。上文參考圖9A-圖11論述的多種自動聚焦轉(zhuǎn)子具有如下特征，在路徑延長轉(zhuǎn)子的情況中，隨著旋轉(zhuǎn)或移位角度，均勻地減少或增加光圈的ζ位置或均勻地增加或減少窗ロ 厚度，且具有單個(gè)不連續(xù)，如圖9A中的垂直軸體917和918之間的針孔光圈的ζ位置之間的不連續(xù)性。但是，具體在使用物理索引標(biāo)識每個(gè)垂直圓柱形軸體吋，ζ位置或窗ロ厚度可以任意改變，其中旋轉(zhuǎn)角度和測量的強(qiáng)度通過映射表或函數(shù)映射到ζ位置。即使在僅使用 ー個(gè)或幾個(gè)物理索引的情況中，也能夠由自動聚焦子系統(tǒng)管理來通過計(jì)算方式管理窗ロ厚度或ζ位置的任意布置，只要轉(zhuǎn)子的每個(gè)移位角度處的垂直軸體內(nèi)的光圈的窗ロ厚度或ζ位置是已知的且可在存儲器或海量存儲裝置中獲取即可。在本發(fā)明的某些實(shí)施例中，多個(gè)垂直軸可以包含完全相同的窗ロ或光圈的ζ位置，并且在某些情況中，ζ位置或窗ロ厚度可以呈正弦變化，以使窗ロ厚度或ζ位置隨著轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)沒有不連續(xù)性。圖12圖示并入在表示本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的熒光顯微鏡的光路內(nèi)的、同樣表示本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的自動聚焦模塊。圖12使用與圖IA-圖1C、圖3和圖9-11中使用的相同圖示約定。該自動聚焦模塊包括聚焦透鏡1202、安裝于通過電動機(jī)1206自轉(zhuǎn)的軸向軸體的自動聚焦轉(zhuǎn)子1204、轉(zhuǎn)子索引檢測器1208、光檢測器1210和基于以連續(xù)的方式從聚焦透鏡1202經(jīng)轉(zhuǎn)子1204傳遞到光檢測器1210上的光的測量強(qiáng)度計(jì)算z_軸位置的自動聚焦處理組件1212。在本發(fā)明的某些實(shí)施例中，可以使該轉(zhuǎn)子按超過每分鐘1000次回轉(zhuǎn)的速度自轉(zhuǎn)，允許物鏡與蓋玻片介面之間的距離按每秒十次或更大的速率計(jì)算。轉(zhuǎn)子1204可以是針孔光圈轉(zhuǎn)子(正如上文參考圖9A-C論述的)、路徑延長轉(zhuǎn)子(正如上文參考圖10A-B 論述的)、槽型光圈轉(zhuǎn)子(正如上文參考圖11論述的)，或単獨(dú)或與相對于聚焦透鏡1202 與光檢測器1210之間的光路中的光檢測器處在固定距離處的針孔光圈組合來實(shí)現(xiàn)自動聚焦光源302產(chǎn)生并從蓋玻片介面310散射的自動聚焦光的ζ-軸掃描的任何其他類型的轉(zhuǎn)子。自動聚焦處理組件1210連續(xù)地計(jì)算Δ ζ校正并向載物臺驅(qū)動IM發(fā)出ΔΖ平移指令以連續(xù)地再定位機(jī)械載物臺，從而使物鏡108與蓋玻片介面310之間的距離保持恒定。正如上文論述的，雖然表示本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的自動聚焦模塊采用從蓋玻片介面反向散射的光，或從相對于樣本具有固定位置的另ー個(gè)介面反向散射的光來計(jì)算物鏡(objective) 與蓋玻片介面之間在ζ方向中的距離，但是表示本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的自動聚焦模塊能夠用于相對于光學(xué)儀器的鏡筒透鏡和檢測器將物鏡的焦點(diǎn)穩(wěn)定地保持在樣本內(nèi)任意選定的位置處。再者，短語“蓋玻片介面”和“蓋玻片”意在廣義地涵蓋能夠被自動聚焦系統(tǒng)采用作為反向散射自聚焦的光的源的多種類型的介面中的任何ー種。應(yīng)該注意可以采用多種方式將表示本發(fā)明的實(shí)施例的自動聚焦模塊并入光學(xué)儀器中。在許多情況中，可以手動或自動激活該自動聚焦模塊來對于指定或計(jì)算的時(shí)間期間執(zhí)行自動聚焦。在其他一些情況中， 該自動聚焦子系統(tǒng)可以在某些類型的圖像采集模式期間通過編程來激活。在所有情況中， 在光學(xué)儀器的正常ζ平移期間或其它時(shí)間，可以手動或自動脫離該自動聚焦模塊。圖13A-圖131圖示用于由表示本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的自動聚焦模塊的自動聚焦處理子組件計(jì)算顯微鏡的蓋玻片介面與物鏡之間的當(dāng)前距離的ー種方法。該方法采用移位寄存器陣列1302、附加的寄存器陣列1304、加法運(yùn)算器陣列1306、三個(gè)附加寄存器 1308-1310、光檢測器輸入1312和轉(zhuǎn)子索引檢測器輸入1314。在表示本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的計(jì)算子系統(tǒng)的所述實(shí)施例中，這些寄存器和移位寄存器的寄存器組件具有以位為単位的適合大小，以便包含等于三倍于光檢測器報(bào)告的最大取值的強(qiáng)度值的數(shù)值。一般，16-位或 32-位寄存器對于精確的ζ-位置計(jì)算是大小足夠的。電路和/或固件或軟件形式實(shí)施且圖13A-I中圖示的ζ-位置計(jì)算邏輯，以等于表示本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的自動聚焦模塊內(nèi)的轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)頻率的頻率來計(jì)算蓋玻片介面相對于物鏡的相對ζ位置。光檢測器輸入1312是表示光檢測器在特定時(shí)間點(diǎn)處檢測到的光的強(qiáng)度的數(shù)值。索引檢測器輸入1314選擇時(shí)間點(diǎn)與特定移位寄存器之間的映射，以及選擇時(shí)間點(diǎn)來執(zhí)行并行移位運(yùn)算、并行加法運(yùn)算和以表示本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的自動聚焦模塊內(nèi)的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的頻率一起計(jì)算ζ位置的其他運(yùn)算。
計(jì)算是高度并行的且包括異步方面。正如圖UB-D所示，隨著表示本發(fā)明的ー個(gè)實(shí)施例的自動聚焦模塊內(nèi)的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，以及隨著索引檢測器確定轉(zhuǎn)子的特定圓柱形孔與自動聚焦模塊的光路對齊的時(shí)間點(diǎn)，將光檢測器強(qiáng)度值輸入到每個(gè)四寄存器移位寄存器的第一個(gè)寄存器。在圖13B中，對應(yīng)于第一轉(zhuǎn)子軸體的強(qiáng)度值ら置于包括寄存器1320-1323的第一個(gè)移位寄存器的第一個(gè)寄存器1320中。在圖13D中，轉(zhuǎn)子進(jìn)行了一次完整的回轉(zhuǎn)，使得強(qiáng)度值被置于移位寄存器陣列的所有第一個(gè)寄存器中。然后，在一個(gè)自轉(zhuǎn)完成時(shí)，并行移位寄存器將所有值向右移位ー個(gè)位置，如圖13E所示。因此，通過并行移位運(yùn)算，移位寄存器的陣列中值的列13M移位到圖13E中的列13沈。最后一列寄存器13 的值被丟棄。如圖13F所示，在圖13E所示的并行移位運(yùn)算之后，與利用下ー個(gè)序列的強(qiáng)度值填充移位寄存器陣列的第一列13M寄存器的同吋，激活并行加法運(yùn)算器1306以計(jì)算每個(gè)四寄存器移位寄存器中的后三個(gè)寄存器之和，并將和置于寄存器1304的列中。加法過程是并行且相對于將新光檢測器值轉(zhuǎn)移到移位寄存器陣列的第一列13M寄存器中異步地執(zhí)行的。當(dāng)完成加法時(shí)，調(diào)用微處理器實(shí)現(xiàn)的例行程序以便計(jì)算ζ-軸位置范圍內(nèi)與寄存器1304的列內(nèi)的最大檢測到的強(qiáng)度對應(yīng)的ζ-軸位置。注意，此過程是在轉(zhuǎn)子的最近三次掃描上取均值。計(jì)算的ζ-軸位置被置于寄存器1308中，以呈示物鏡與蓋玻片介面之間在ζ方向中的當(dāng)前距離， 如圖13G所示。然后，如圖13H所示，從存儲在寄存器1309中的期望的ζ位置減去當(dāng)前ζ 位置，以產(chǎn)生存儲在寄存器1310中的ΔΖ校正，然后將其輸出到載物臺驅(qū)動。注意，ΔΖ校正的計(jì)算與利用從光檢測器輸入獲得的下一組強(qiáng)度值填充并行移位寄存器的寄存器的第一列13Μ并行地進(jìn)行。當(dāng)如圖131所示獲得下一組強(qiáng)度值時(shí)，激活并行移位寄存器以將強(qiáng)度值的列移位ー個(gè)位置，以便準(zhǔn)備下ー個(gè)Δ ζ校正的計(jì)算。圖14圖示根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的根據(jù)密度值累計(jì)和計(jì)算光學(xué)儀器的當(dāng)前ζ 位置。圖14圖示置于參考圖13G論述的本發(fā)明的實(shí)施例中的寄存器1308中的當(dāng)前ζ位置的計(jì)算。在圖14中，由實(shí)心圓(如實(shí)心圓1402)來表示每個(gè)圓柱形軸體位置處的強(qiáng)度值。 強(qiáng)度值是相對于垂直軸1404來繪制的，圓柱形軸體位置是相對于水平軸1406來繪制的。 繪制的實(shí)心碟對應(yīng)于參考圖13G論述的并行加法之后寄存器1304的列的內(nèi)容。雖然強(qiáng)度峰值總是落在與特定圓柱形軸體對應(yīng)的轉(zhuǎn)子位置處會方便些，以及測量的強(qiáng)度無誤差會方便些，但是情況常常不是這樣。因此，表示本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的自動聚焦模塊的自動聚焦處理組件可以采用許多不同的曲線擬合算法之ー來將理想化的強(qiáng)度曲線1408擬合到繪制的點(diǎn)。然后可以將估計(jì)的ζ位置計(jì)算為與計(jì)算的曲線1408的峰值強(qiáng)度1412對應(yīng)的ζ位置 1410。如圖14所示，計(jì)算的ζ位置可以落在與表示本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的自動聚焦模塊測量光強(qiáng)度所在的旋轉(zhuǎn)角度對應(yīng)的ζ位置之間。因此，轉(zhuǎn)子中軸體的數(shù)量可能小于、等于或大于能夠在由自動聚焦模塊掃描的ζ位置范圍內(nèi)驅(qū)動機(jī)電載物臺的位置的數(shù)量。雖然通過分析反射回的自動聚焦光的強(qiáng)度來確定從物鏡到蓋玻片介面的距離，正如上文參考圖3的曲線圖3Μ論述的，這提供了由自動聚焦處理組件(圖12中的1212)分析通過自動聚焦光檢測器收集的數(shù)據(jù)的ー個(gè)基礎(chǔ)，但是其他方法也是可能的。在表示本發(fā)明的備選實(shí)施例的一個(gè)備選方法中，不確定反向散射的光的強(qiáng)度最高處的ζ位置，而是該自動聚焦系統(tǒng)在光學(xué)系統(tǒng)的用戶或光學(xué)系統(tǒng)的自動化程序控制選擇的ζ位置處開始校準(zhǔn)操作，其中在選定的ζ位置稍稍上方和稍稍下方執(zhí)行ζ位置掃描。掃描的目的是在從蓋玻片介面反向散射的光的類高斯(Gaussian-like)強(qiáng)度曲線中識別與類高斯曲線的陡峭邊對應(yīng)的那些ζ位置以及對應(yīng)的自動聚焦轉(zhuǎn)子位置。在高斯曲線的此部分中，反向散射的自動聚焦光強(qiáng)度中測得的變化最靈敏地與物鏡相對于蓋玻片介面的ζ位置中的變化相關(guān)。然后，在校準(zhǔn)之后的數(shù)據(jù)收集階段期間，連續(xù)地監(jiān)視從識別的自動聚焦轉(zhuǎn)子位置測量的強(qiáng)度中的變化，并控制ζ位置以保持那些識別的自動聚焦轉(zhuǎn)子位置處校準(zhǔn)步驟的強(qiáng)度。因此，在分析自動聚焦光檢測器獲得的數(shù)據(jù)的此備選方法中，將光學(xué)儀器的ζ位置控制為不是對反向散射的自動聚焦光處于最大強(qiáng)度時(shí)的ζ位置的相對偏移，而代之將其控制為保持對于ζ 位置變化最靈敏的那些自動聚焦轉(zhuǎn)子位置處測量的反向散射的光的校準(zhǔn)步驟確定的強(qiáng)度。 在本發(fā)明的再一些附加實(shí)施例中，可以使用更復(fù)雜的曲線擬合算法來精確地將測量的反向散射的自動聚焦光強(qiáng)度擬合到經(jīng)驗(yàn)確定的或理論上的反向散射的自動聚焦光對ζ位置曲線，以便將光學(xué)儀器ζ位置保持在期望的值。在本發(fā)明的另ー個(gè)實(shí)施例中，將附加的光學(xué)組件引入到自動聚焦系統(tǒng)中紅外光自動聚焦源302與分光鏡308之間，或調(diào)諧或修改光路內(nèi)現(xiàn)有的光學(xué)組件，以便產(chǎn)生稍微會聚或稍微發(fā)散的自動聚焦光束，而非平行光線的光束。通過將稍微會聚或發(fā)散的光束輸入到光學(xué)系統(tǒng)中，自動聚焦光不會最終聚焦在樣本內(nèi)的一點(diǎn)。當(dāng)將自動聚焦光精確地聚焦在樣本內(nèi)吋，自動聚焦光的高強(qiáng)度可能有害地影響樣本和光學(xué)數(shù)據(jù)收集。例如，當(dāng)使用紅外自動聚焦光吋，高度聚焦的自動聚焦光可能導(dǎo)致樣本內(nèi)的高溫，并損壞活細(xì)胞或?qū)е聵颖镜幕瘜W(xué)成分中溫度引起的變化。在本發(fā)明的另ー個(gè)實(shí)施例中，將環(huán)形光圈置于紅外自動聚焦源302與分光鏡308 之間，以使僅被物鏡按陡峭角度向蓋玻片介面聚焦的那些光線經(jīng)由環(huán)形光圈透射。反射回的光的比例對于此類陡峭角度的光線最大，并因此通過采用環(huán)形光圈過濾掉對反射回的強(qiáng)度貢獻(xiàn)很少的不太陡峭角度的光線來減少樣本上的入射光的總量同時(shí)仍保持必要的反射回的自動聚焦光強(qiáng)度是可能的。圖15圖示典型環(huán)形光圏。環(huán)形光圈1502在不透明或半透明碟1506內(nèi)包括透明或空環(huán)1505?？梢栽诒景l(fā)明的多種實(shí)施例中采用多種不同類型的環(huán)形光圈的任何ー種。雖然本發(fā)明是依據(jù)特定實(shí)施例來描述的，但是本發(fā)明不應(yīng)局限于這些實(shí)施例。多種修改對于本領(lǐng)域技術(shù)人員將是顯見的。例如，正如上文論述的，可以使用多種不同類型的機(jī)械轉(zhuǎn)子的任何ー種來在光軸方向中實(shí)現(xiàn)ζ位置掃描，以便找到從蓋玻片介面反向散射的自動聚焦光的峰值強(qiáng)度，從而確定物鏡相對于蓋玻片的當(dāng)前ζ位置。多種不同類型的自動聚焦處理子組件可以由邏輯電路或軟件控制的微處理器來實(shí)現(xiàn)，以便通過改變多種設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)參數(shù)的任何ー種來根據(jù)從自動聚焦系統(tǒng)的光檢測器收集的強(qiáng)度數(shù)據(jù)連續(xù)地計(jì)算Z位置，這些設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)參數(shù)包括編程語言、模塊化組織、控制結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和其他參數(shù)出于解釋的目的，前文描述使用了具體術(shù)語以便提供對本發(fā)明的透徹理解。但是， 對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，顯然并非必需這些特定細(xì)節(jié)才能實(shí)踐本發(fā)明。前文對本發(fā)明的具體實(shí)施例的描述是出于說明和描述的目的而給出的。它們不應(yīng)是窮舉的或?qū)⒈景l(fā)明限于所公開的精確形式。根據(jù)上述教導(dǎo)，許多修改和變化是可能的。示出和描述這些實(shí)施例以便最佳地解釋本發(fā)明的原理及其實(shí)際應(yīng)用，以便使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠通過適于所設(shè)想的具體用途的多種修改來最佳地利用本發(fā)明及多種實(shí)施例。本發(fā)明的范圍應(yīng)由所附權(quán)利要求及其等效物來限定。
權(quán)利要求
1.一種自動聚焦子系統(tǒng)，包括 自動聚焦光源；光學(xué)組件，其將光從所述自動聚焦光源引導(dǎo)到光學(xué)儀器的光路中； 聚焦透鏡，其將從所述光學(xué)儀器的所述光路返回到所述自動聚焦系統(tǒng)的自動聚焦光聚焦到光檢測器上；以及介于所述聚焦透鏡與光檢測器之間的自動聚焦轉(zhuǎn)子，其實(shí)現(xiàn)光軸掃描以確定對于從所述光學(xué)儀器的所述光路中的表面反射回的自動聚焦光的、所述聚焦透鏡的焦點(diǎn)。
2.如權(quán)利要求1所述的自動聚焦子系統(tǒng)，其中，所述自動聚焦轉(zhuǎn)子包括 繞著中心軸線旋轉(zhuǎn)的圓柱形轉(zhuǎn)子；多個(gè)中空成圓形布設(shè)的圓柱形軸體，其在所述中心軸線的方向中跨過所述轉(zhuǎn)子；以及不透明碟，其具有中央針孔，且安裝在每個(gè)圓柱形軸體內(nèi)與所述轉(zhuǎn)子的頂部相距特定距離處，所述特定距離對應(yīng)于從所述聚焦透鏡起的自動聚焦子系統(tǒng)光軸位置&。
3.如權(quán)利要求2所述的自動聚焦子系統(tǒng)，其中，隨著所述自動聚焦轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，每個(gè)圓柱形軸體移動，進(jìn)而移入和移出所述聚焦透鏡與所述光檢測器之間的所述自動聚焦子系統(tǒng)光路，以便在所述中央針孔與所述自動聚焦子系統(tǒng)光軸對齊吋，通過所述中央針孔的自動聚焦光落在所述光檢測器上。
4.如權(quán)利要求3所述的自動聚焦子系統(tǒng)，其中，當(dāng)每個(gè)圓柱形軸體內(nèi)的每個(gè)針孔與所述自動聚焦子系統(tǒng)光軸對齊吋，由所述自動聚焦子系統(tǒng)記錄光強(qiáng)度。
5.如權(quán)利要求4所述的自動聚焦子系統(tǒng)，其中，由所述自動聚焦子系統(tǒng)將每個(gè)記錄的光強(qiáng)度映射到所述圓柱形軸體內(nèi)所述針孔的所述^!，其中當(dāng)所述針孔與所述自動聚焦子系統(tǒng)光軸對齊時(shí)，所述自動聚焦光通過所述針孔以落在所述光檢測器上并生成所記錄的強(qiáng)/又。
6.如權(quán)利要求1所述的自動聚焦子系統(tǒng)，其中，所述自動聚焦轉(zhuǎn)子包括 繞著中心軸線旋轉(zhuǎn)的圓柱形轉(zhuǎn)子；多個(gè)中空成圓形布設(shè)的圓柱形軸體，其在所述中心軸線的方向中跨過所述轉(zhuǎn)子；以及安裝在每個(gè)圓柱形軸體內(nèi)的圓柱形透明桿體或聚焦延長窗ロ，每個(gè)圓柱形透明桿體或聚焦延長窗ロ具有特定的厚度和/或特定的折射率。
7.如權(quán)利要求6所述的自動聚焦子系統(tǒng)，其中，將單個(gè)固定的針孔光圈安裝在所述轉(zhuǎn)子與所述光檢測器之間。
8.如權(quán)利要求7所述的自動聚焦子系統(tǒng)，其中，隨著所述自動聚焦轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，每個(gè)圓柱形軸體移動，進(jìn)而移入和移出所述聚焦透鏡與所述光檢測器之間的所述自動聚焦子系統(tǒng)光路，以使通過當(dāng)前位于所述光路內(nèi)的圓柱形軸體的所述自動聚焦光聚焦在相對于所述針孔光圈的ζ位置，所述ζ位置由所述圓柱形軸體內(nèi)安裝的所述聚焦透鏡的光學(xué)特性和所述聚焦延長窗ロ的聚焦延長特性來確定。
9.如權(quán)利要求8所述的自動聚焦子系統(tǒng)，其中，當(dāng)每個(gè)圓柱形軸體內(nèi)的每個(gè)窗ロ與所述自動聚焦子系統(tǒng)光軸對齊吋，由所述自動聚焦子系統(tǒng)記錄光強(qiáng)度。
10.如權(quán)利要求9所述的自動聚焦子系統(tǒng)，其中，由所述自動聚焦子系統(tǒng)將每個(gè)記錄的光強(qiáng)度映射到所述圓柱形軸體內(nèi)的所述聚焦延長窗ロ的聚焦延長特性，其中當(dāng)所述聚焦延長窗ロ與所述自動聚焦子系統(tǒng)光軸對齊時(shí)，所述自動聚焦光通過所述聚焦延長窗ロ以落在所述光檢測器上并生成所記錄的強(qiáng)度。
11.如權(quán)利要求1所述的自動聚焦子系統(tǒng)，其中，所述自動聚焦轉(zhuǎn)子包括繞著中心軸線旋轉(zhuǎn)的圓柱形轉(zhuǎn)子；ー個(gè)或多個(gè)中空螺旋形軸體，其在所述中心軸線的方向中跨過所述轉(zhuǎn)子；以及所述ー個(gè)或多個(gè)螺旋形軸體內(nèi)的螺旋形槽，從所述轉(zhuǎn)子的頂部到螺旋形槽的特定距離隨著從所述轉(zhuǎn)子的周緣上或附近的參考點(diǎn)起的角度移位在^位置的范圍上連續(xù)變化。
12.如權(quán)利要求11所述的自動聚焦子系統(tǒng)，其中，隨著所述自動聚焦轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，當(dāng)通過所述ー個(gè)或多個(gè)螺旋形槽的自動聚焦光已在與所述轉(zhuǎn)子相對于旋轉(zhuǎn)參考點(diǎn)的角度移位相關(guān)聯(lián)的~位置處通過所述螺旋形槽之后，落在所述光檢測器上。
13.如權(quán)利要求12所述的自動聚焦子系統(tǒng)，其中，由所述自動聚焦子系統(tǒng)將每個(gè)記錄的光強(qiáng)度映射到所述ー個(gè)或多個(gè)螺旋形軸體內(nèi)的所述ー個(gè)或多個(gè)螺旋形槽的所述^位置， 其中所述自動聚焦光通過所述ー個(gè)或多個(gè)螺旋形槽以落在所述光檢測器上并生成所記錄的強(qiáng)度。
14.如權(quán)利要求1所述的自動聚焦子系統(tǒng)，其中，隨著所述自動聚焦轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)所述自動聚焦子系統(tǒng)光軸的掃描，其中在多個(gè)旋轉(zhuǎn)位置處，連同所述旋轉(zhuǎn)位置所對應(yīng)的所述 ^位置的指示一起記錄通過所述轉(zhuǎn)子且落在所述光檢測器上的光的強(qiáng)度。
15.如權(quán)利要求14所述的自動聚焦子系統(tǒng)，還包括計(jì)算子系統(tǒng)，所述計(jì)算子系統(tǒng)根據(jù)所記錄的強(qiáng)度和多個(gè)位置計(jì)算與最大強(qiáng)度對應(yīng)的Zd位置。
16.如權(quán)利要求15所述的自動聚焦子系統(tǒng)，其中，所述計(jì)算子系統(tǒng)根據(jù)對應(yīng)于最大強(qiáng)度的所述^位置計(jì)算沿著所述光學(xué)儀器的光軸從所述光學(xué)儀器的物鏡到所述光路上自動聚焦光被反射回所在的點(diǎn)的對應(yīng)距離。
17.如權(quán)利要求16所述的自動聚焦子系統(tǒng)，其中，所述計(jì)算子系統(tǒng)以所述自動聚焦轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的頻率、計(jì)算沿著所述光學(xué)儀器的所述光軸從所述光學(xué)儀器的所述物鏡到所述光路上自動聚焦光被反射回所在的所述點(diǎn)的所述對應(yīng)距離的連續(xù)值。
18.如權(quán)利要求15所述的自動聚焦子系統(tǒng)，其中，所述自動聚焦子系統(tǒng)附加地根據(jù)沿著所述光學(xué)儀器的光軸從所述光學(xué)儀器的物鏡到所述光路上自動聚焦光被反射回所在的點(diǎn)的計(jì)算的對應(yīng)距離、以及沿著所述光學(xué)儀器的所述光軸從所述光學(xué)儀器的所述物鏡到所述光路上自動聚焦光被反射回所在的所述點(diǎn)的期望距離，計(jì)算光軸校正Δ ζ，并將所述光軸校正Δζ傳送到所述光學(xué)儀器的機(jī)電組件以便將沿著所述光學(xué)儀器的所述光軸從所述光學(xué)儀器的所述物鏡到所述光路上自動聚焦光被反射回所在的所述點(diǎn)的距離保持在所述期望距離。
19.如權(quán)利要求1所述的自動聚焦子系統(tǒng)，還包括索引檢測器，其在物理索引旋轉(zhuǎn)到接近所述索引檢測器的位置時(shí)檢測所述自動聚焦轉(zhuǎn)子上的所述物理索引。
20.如權(quán)利要求1所述的自動聚焦子系統(tǒng)，其中，所述光源是激光器。
21.如權(quán)利要求20所述的自動聚焦子系統(tǒng)，其中，所述自動聚焦系統(tǒng)包括附加聚焦元件，其將來自所述光源的光聚焦成稍微會聚的自動聚焦光束，以防止來自所述光源的所述光被所述光學(xué)儀器的所述光學(xué)組件聚焦到樣本內(nèi)尖鋭的點(diǎn)。
22.如權(quán)利要求20所述的自動聚焦子系統(tǒng)，其中，所述自動聚焦系統(tǒng)包括附加聚焦元件，其將來自所述光源的光聚焦成稍微發(fā)散的自動聚焦光束，以防止來自所述光源的所述光被所述光學(xué)儀器的所述光學(xué)組件聚焦到樣本內(nèi)尖鋭的點(diǎn)。
23.如權(quán)利要求20所述的自動聚焦子系統(tǒng)，其中，所述光源發(fā)射的光通過環(huán)形光圏。
全文摘要
本發(fā)明的實(shí)施例旨在提出光學(xué)儀器內(nèi)的自動聚焦子系統(tǒng)，該自動聚焦子系統(tǒng)連續(xù)地監(jiān)視光學(xué)儀器的聚焦并調(diào)整沿著光軸的光學(xué)儀器內(nèi)的距離，以便將精確且穩(wěn)定的光學(xué)儀器聚焦保持在樣本上、樣本內(nèi)、或樣本附近的特定點(diǎn)或表面處。本發(fā)明的某些實(shí)施例相對于嵌入它們的光學(xué)儀器的其他組件和子系統(tǒng)的操作異步地操作。
文檔編號G03B3/10GK102597841SQ201080049653
公開日2012年7月18日 申請日期2010年10月22日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月29日
發(fā)明者J·庫珀, P·古德文 申請人:應(yīng)用精密公司