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CN107250873A - 显微镜 - Google Patents

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CN107250873A
CN107250873A CN201580054411.1A CN201580054411A CN107250873A CN 107250873 A CN107250873 A CN 107250873A CN 201580054411 A CN201580054411 A CN 201580054411A CN 107250873 A CN107250873 A CN 107250873A
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microscope
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哈拉尔德·施尼茨勒
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Leica Microsystems Schweiz AG
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Abstract

介绍了一种显微镜(10)，其具有用于进行聚焦过程的自动聚焦系统(11)，该自动聚焦系统带有用于摄取第一图像(16a)的设置在第一输出光路(12a)中的第一图像传感器(14a)和用于摄取第二图像(16b)的设置在第二输出光路(12b)中的第二图像传感器(14b)。在此，所述自动聚焦系统(11)被构造成基于由所述第一图像传感器(14a)摄取的所述第一图像(16a)的和由所述第二图像传感器(14b)摄取的所述第二图像(16b)的那些对照值来求得对照差，并基于所求得的对照差来调节清晰平面(20)相对于物体平面(22)的相对位置，其中，第一和第二图像(16a、16b)分别包含由分别被构造成平面传感器的第一和第二图像传感器(14a、14b)提供的图像信息。

Description

显微镜
技术领域
本发明涉及一种带有自动聚焦系统的显微镜，该自动聚焦系统带有用于摄取第一图像的设置在第一输出光路中的第一图像传感器和用于摄取第二图像的设置在第二输出光路中的第二图像传感器。
背景技术
就已知的有源的自动聚焦系统而言，把辅助结构或辅助光束投影到待检查的物体的表面上，并评价反射光束。辅助结构在此通常与观察件同轴地映射。但为了使得该辅助结构适合于观察件的大的放大范围，必须借助附加的光学机构使得投影适配于相应的物镜场。相反，辅助光束通常近轴地例如借助于三角测量予以投影。为此，大多采用激光光源或发光二极管(LED)。相应的方法也叫激光自动聚焦法或LED自动聚焦法。但为此也需要繁琐的准直和成像光学机构。此外，在近轴地成像时，为了探测和评价，大多需要第二光学机构。这两个光学机构的相互对准影响了聚焦的精确度。为了对于观察者来说不影响物体的成像，往往采用超出可见光谱的通常处于IR(红外)频带内的波长。然而大多数显微镜被设计应用在可见波长范围内。在此，例如借助于复消色差物镜进行色彩矫正。在已知的方法中，对于IR辅助光束，这导致成像的纵向色差，纵向色差又体现在相距由观察者感觉到的焦点位置的“偏移量”。通过“前移”可以矫正这种偏移量。然而对于模块化的结构或连续的变焦系统而言，这种设计变得繁琐，并且会导致误操作或功能错误。通过与波长有关的进入深度，特别是在半导体情况下，产生与物体有关的偏移量，这种偏移量不能矫正，或者只能分别针对一种物体予以矫正。
所有有源的自动聚焦系统的可靠性都与待检查的物体的反射特性有关。由此特别是在近轴投影时，在物体成像与投影的辅助光束或投影的辅助结构之间会出现明显的差异。这在聚焦时导致偏差，在极端情况下导致彻底失灵。
图5～7示出根据现有技术的显微镜的不同设计。在图5中示出了无自动聚焦系统的带数字图像摄取的显微镜的一种设计。在图6中示出无自动聚焦系统的带视觉观察的显微镜的一种设计。在图7中示出显微镜的一种设计，其带有在图像侧恒定的数值孔径，进而具有沿着成像尺寸在轴向方向上恒定的在第一和第二图像传感器之间的距离。
发明内容
基于已知的现有技术，本发明的目的是，提出一种具有自动聚焦系统的显微镜，其能实现聚焦的高的精确度、高的速度和改善的稳健性。
该目的通过一种具有权利要求1的特征的显微镜得以实现。有利的改进在从属权利要求中给出。
通过具有权利要求1的特征的显微镜，实现了有利的聚焦，因为自动聚焦系统特别是被构造成基于由第一图像传感器摄取的第一图像的和由第二图像传感器摄取的第二图像的那些对照值来求得对照差，并基于所求得的对照差来调节清晰平面相对于物体平面的相对位置。在此，第一和第二图像分别包含由分别被构造成平面传感器的第一和第二图像传感器提供的图像信息。由此可以灵活地或者无明显限制地进行聚焦。此外相当快速地且精确地实现聚焦。这可以实现聚焦的高的精确度、高的速度和改善的稳健性。
代替两个或多个图像传感器，也可以只采用一个图像传感器。其面积于是被分成至少两个部分区域。这个图像传感器例如可以与两个分光器组合地使用。在一种替代的实施方式中，也可以通过透镜阵列在仅仅一个光路中产生图像传感器的两个部分区域。
这里所述的部件及其功能系针对使用两个或多个图像传感器。此外，这些部件及其功能也可以相应地涉及使用仅仅一个带两个部分区域的图像传感器。在这种情况下，在这个图像传感器上的第一部分区域中可产生的第一图像基本上等同于由两个或多个图像传感器中的第一图像传感器摄取的第一图像，而在这个图像传感器上的第二部分区域中可产生的第二图像基本上等同于由两个或多个图像传感器中的第二图像传感器摄取的第二图像。
自动聚焦系统经过优选构造，可借助至少第一种工作模式和第二种工作模式进行聚焦过程。
在此，自动聚焦系统经过适当设计，从而它在第一种工作模式下求得由第一图像传感器摄取的第一图像和由第二图像传感器摄取的第二图像的对照值，且在第二种工作模式下求得由第一图像传感器摄取的第一图像和由第二图像传感器摄取的第二图像的对照值，并基于求得的对照值调节清晰平面相对于物体平面的相对位置。自动聚焦系统还被构造成在第一种工作模式下适当地调节清晰平面相对于物体平面的相对位置，从而清晰平面位于物体平面周围的第一误差范围内，并在第二种工作模式下适当地调节清晰平面相对于物体平面的相对位置，从而清晰平面位于物体平面周围的第二误差范围内。在此，第二误差范围小于第一误差范围。此外，在第一种工作模式下实现比较粗略的聚焦，而在第二种工作模式下实现比较细微的聚焦。在此，在第一种工作模式下的比较粗略的聚焦可以相对快速地进行。另外，在第二种工作模式下的比较细微的聚焦可以相对精确地进行。
此外有利的是，自动聚焦系统被构造成用于进行方向识别，用来基于由第一图像传感器摄取的第一图像的第一对照值和由第二图像传感器摄取的第二图像的第二对照值的比较来调节清晰平面相对于物体平面的相对位置。本发明的算法由此不仅提供了样本要沿着其移动的距离，而且提供了该样本要沿着其移动的方向。另外，可以借助于对照评价来确定出并量化散焦。
在这里，自动聚焦系统被构造成基于所述方向识别适当地调节清晰平面相对于物体平面的相对位置，使得清晰平面朝向物体平面移动，或者使得物体平面朝向清晰平面移动，从而减小清晰平面与物体平面之间的距离，如果由第一图像传感器摄取的第一图像的第一对照值大于由第二图像传感器摄取的第二图像的第二对照值。
此外，自动聚焦系统被构造成基于所述方向识别适当地调节清晰平面相对于物体平面的相对位置，使得清晰平面移动远离物体平面，或者使得物体平面移动远离清晰平面，从而增大清晰平面与物体平面之间的距离，如果由第二图像传感器摄取的第二图像的第二对照值大于由第一图像传感器摄取的第一图像的第一对照值。
此外有利的是，显微镜的特征在于一种成像系统，该成像系统带有第三图像传感器、物镜、第一分光器和第二分光器，其中，第一分光器设置在物镜与第三图像传感器之间的光路中，且设置在物镜与第一图像传感器之间的光路中，其中，第二分光器设置在物镜与第三图像传感器之间的光路中，且设置在物镜与第二图像传感器之间的光路中。由此可以从在物镜与第三图像传感器之间的光路输出用于自动聚焦系统的第一输出光路和第二输出光路。
也可以代替第三图像传感器而任选地在显微镜的成像系统中设置目镜。本发明的自动聚焦系统也可以安装到传统的显微镜中。
优选地，第一分光器被构造成用于产生与物体平面共轭的第一图像平面，而第二分光器被构造成用于产生与物体平面共轭的第二图像平面。
此外有利的是，第一分光器和第二分光器在物镜与第三图像传感器之间的光路中彼此分开地布置，与物体平面共轭的第一图像平面和与物体平面共轭的第二图像平面彼此间隔开，与物体平面共轭的第一图像平面和与物体平面共轭的第二图像平面之间的距离等于第一分光器和第二分光器之间的距离。由此可以在与物体平面共轭的第一图像平面和与物体平面共轭的第二图像平面之间将第一图像传感器设置在第一输出光路中，并将第二图像传感器设置在第二输出光路中。在此，设置在第一输出光路中的第一图像传感器和设置在第二输出光路中的第二图像传感器优选位于一个相同的平面中，该平面相距与物体平面共轭的第一图像平面和与物体平面共轭的第二图像平面具有相同的距离。
第二误差范围优选小于或等于第一误差范围的一半。
第一误差范围优选至少等于显微镜的景深的2.5倍，而第二误差范围至多等于显微镜的景深。由此特别是可以实现以高的精确度进行比较细微的聚焦。
另外有利的是，图像传感器是平面传感器。由此可以实现一种数字成像的显微镜，其对照评价得到改善。
此外有利的是，使用者可以在图像传感器上选择部分区域(ROI＝感兴趣区域)，在该部分区域上可进行焦点计算。这能实现确定要在物体的何种高度上进行聚焦。
另外有利的是，自动聚焦系统经过构造，从而借助于第一种工作模式可执行的聚焦过程只进行一次，借助于第二种工作模式可执行的聚焦过程如此频繁地重复，直至满足规定的中断条件。由此可以实现以规定的中断条件进行持续的聚焦。
此外有利的是，自动聚焦系统被构造成在第二种工作模式下适当地调节清晰平面相对于物体平面的相对位置，从而清晰平面与物体平面之间的距离减小基于所述对照差求得的偏移量。由此可以相对精确地且在很大程度上与物体状况独立地进行比较细微的聚焦。
另外有利的是，自动聚焦系统被构造成在用于由第一图像传感器摄取第一图像和由第二图像传感器摄取第二图像的图像摄取时间内，以焦点移动速度来调节清晰平面相对于物体平面的相对位置。在此，焦点移动速度等于步距与图像摄取时间的比。另外，步距大于显微镜的景深。由此可以实现缩短聚焦的需求时间，而不会因为由第一图像传感器摄取的第一图像和由第二图像传感器摄取的第二图像的合成而出现明显的移动模糊。
此外有利的是，步距大于或等于显微镜的景深的2.5倍。步距优选小于或等于显微镜的景深的10倍。由此一方面可以显著缩短聚焦的需求时间，另一方面可以同时避免、但至少减小因图像合成引起的移动模糊。
焦点移动速度优选是恒定的。
根据另一实施例，显微镜包括用于进行聚焦过程的自动聚焦系统，该自动聚焦系统带有用于摄取第一图像和第二图像的设置在输出光路中的图像传感器。在此，在输出光路中设置有透镜阵列，通过该透镜阵列可在这个图像传感器上的第一部分区域中产生第一图像，并在这个图像传感器上的第二部分区域中产生第二图像。此外，自动聚焦系统被构造成在用于由该图像传感器摄取第一图像和第二图像的图像摄取时间内，以焦点移动速度来调节清晰平面相对于物体平面的相对位置。在此，焦点移动速度等于步距与图像摄取时间的比。另外，步距大于显微镜的景深。
附图说明
本发明的其它特征和优点可由后续说明得到，该说明借助实施例结合附图详述了本发明。其中：
图1a为本发明的带有自动聚焦系统的显微镜的示意图，该自动聚焦系统用于调节清晰平面相对于物体平面的相对位置；
图1b为本发明的带有根据图1a的自动聚焦系统的显微镜的示意图，该自动聚焦系统用于在物体平面周围的第一误差范围内和较小的第二误差范围内调节清晰平面；
图2为用于在本发明的显微镜的第一种工作模式下进行比较粗略的聚焦的方法的流程图；
图3为用于在本发明的显微镜的第二种工作模式下进行比较细微的聚焦的方法的流程图；
图4a为根据本发明的一个实施例用于进行一次性聚焦的方法的流程图；
图4b为根据本发明的另一实施例用于进行持续聚焦的方法的流程图；
图5示出无自动聚焦系统的带数字图像摄取的显微镜的一种示范性的设计；
图6示出无自动聚焦系统的带视觉观察的显微镜的一种示范性的设计；
图7示出显微镜的一种示范性的设计，其带有在图像侧恒定的数值孔径，进而具有沿着成像尺寸在轴向方向上恒定的在第一和第二图像传感器之间的距离。
具体实施方式
本发明的第一方面涉及如下缺点：已知的自动聚焦系统的聚焦并非足够有效。
图1a所示为本发明的带有自动聚焦系统11的显微镜10的示意图，该自动聚焦系统用于调节清晰平面20相对于物体平面22的相对位置。如图1a中所示，自动聚焦系统11包括用于摄取第一图像16a的设置在第一输出光路12a中的第一图像传感器14a和用于摄取第二图像16b的设置在第二输出光路12b中的第二图像传感器14b。特别是在图1a中示出，第一图像传感器14a配设有与物体平面22共轭的第一图像平面18a，第一图像传感器14a在第一输出光路12a中设置在与物体平面22共轭的第一图像平面18a的光流上游。此外在图1a中示出，第二图像传感器14b配设有与物体平面22共轭的第二图像平面18b，第二图像传感器14b在第二输出光路12b中设置在与物体平面22共轭的第二图像平面18b的光流下游。
图1a中所示的显微镜10的特征在于一种成像系统32，该成像系统带有第三图像传感器25、物镜26、第一分光器28a和第二分光器28b。第一分光器28a设置在物镜26与第三图像传感器25之间的光路中，且设置在物镜26与第一图像传感器14a之间的光路中。此外，第二分光器28b设置在物镜26与第三图像传感器25之间的光路中，且设置在物镜26与第二图像传感器14b之间的光路中。图1a中所示的显微镜10的第三图像传感器25用于摄取第三图像30。
如图1a中所示，第一分光器28a用于产生与物体平面22共轭的第一图像平面18a。此外，第二分光器28b用于产生与物体平面22共轭的第二图像平面18b。在这里，第一分光器28a经过布置，从而第一输出光路12a从在物镜26与第三图像传感器25之间的光路输出。此外，第二分光器28b经过布置，从而第二输出光路12b从在物镜26与第三图像传感器25之间的光路输出。
图1a中所示的显微镜10的成像系统32用于把物体平面22光学地成像到与物体平面22共轭的第一图像平面18a上，或者成像到与物体平面22共轭的第二图像平面18b上。成像系统32包括变焦系统33，该变焦系统的结构对于本领域技术人员是已知的，且在此不予详述。
就本发明的显微镜10而言，第一分光器28a和第二分光器28b在物镜26与第三图像传感器25之间的光路中彼此间隔开地布置。另外，与物体平面22共轭的第一图像平面18a和与物体平面22共轭的第二图像平面18b彼此间隔开。在此，与物体平面22共轭的第一图像平面18a和与物体平面22共轭的第二图像平面18b之间的距离等于第一分光器28a和第二分光器28b之间的距离。如图1a中所示，第一图像传感器14a和第二图像传感器14b设置在与物体平面22共轭的第一图像平面18a和与物体平面22共轭的第二图像平面18b之间。优选地，第一图像传感器14a和第二图像传感器14b相距与物体平面22共轭的第一图像平面18a和与物体平面22共轭的第二图像平面18b分别具有相同的距离。
图1a中所示的显微镜10的自动聚焦系统11用于调节清晰平面20相对于物体平面22的相对位置。这在图1a中用箭头23示意性地示出。清晰平面20伸展穿过成像系统32的物镜26的焦点21。另外，清晰平面20垂直于在焦点21与第三图像传感器25之间的光路的光轴。
在图1a中示意性地示出了显微镜10的完美地聚焦的状态。在此，清晰平面20恰好处于物体平面22中。对聚焦状态的调节通过清晰平面20的朝向物体平面22的移动来实现，或者通过物体平面22的朝向清晰平面20的移动来实现。所述移动在此与光路的光轴31平行地进行。在另一实施方式中，物体平面22和清晰平面20的相对移动可以在光轴31与物体平面之间的已知角度情况下进行。在此，光轴31在聚焦状态下优选穿过物体平面的中心。
图1b所示为本发明的带有根据图1a的自动聚焦系统11的显微镜10的示意图，该自动聚焦系统用于在物体平面22周围的第一误差范围34内和较小的第二误差范围36内调节清晰平面20。在图1b中示意性地示出显微镜10的未完美地聚焦的状态，即在误差范围内聚焦的状态。在此，清晰平面20并非恰好位于物体平面22中。替代地，清晰平面20位于在物体平面22周围的第一误差范围34内或较小的第二误差范围36内。
第一误差范围34优选至少等于显微镜10的景深的2.5倍，而第二误差范围36最多等于显微镜10的景深。
换句话说，图1b示出了显微镜10的在大致位于景深中的误差范围内部的聚焦状态。通过朝向物体平面22移动清晰平面20来调节出图1b中所示的这种聚焦状态。在此，清晰平面20首先从位于第一误差范围34之外的区域移动到第一误差范围34中。然后，清晰平面20从第一误差范围34移动到较小的第二误差范围36中。由此首先实现了比较粗略的聚焦，然后实现了比较细微的聚焦。
替代地，针对于图1b中所示的显微镜10，也可以使得物体平面22朝向清晰平面20移动，以便实现比较粗略的聚焦或比较细微的聚焦。
另外，自动聚焦系统11用于评价图像分析数据，比如由第一图像传感器14a摄取的第一图像16a和由第二图像传感器14b摄取的第二图像16b的对照值。基于对图像分析数据或对照值的这种评价，调节清晰平面20相对于物体平面22的相对位置。
参见图1b，利用自动聚焦系统11调节清晰平面20相对于物体平面22的相对位置，其方式为，使得清晰平面20朝向物体平面22移动，或者使得物体平面22朝向清晰平面20移动，如果由第一图像传感器14a摄取的第一图像16a的第一对照值大于由第二图像传感器14b摄取的第二图像16b的第二对照值。
第一图像传感器14a和第二图像传感器14b优选分别是具有两维地布置的像素的数字图像传感器。特别地，这些传感器对于本领域技术人员来说也已知为平面传感器。平面传感器最好大致对应于图像场，因为这样就可以有选择地聚焦到所有不同的物体区域上。
图2所示为用于在本发明的显微镜10的第一种工作模式下进行比较粗略的聚焦的方法100的流程图。图2中所示的方法100用于在第一种工作模式下调节清晰平面20相对于物体平面22的相对位置，使得清晰平面20位于物体平面22周围的第一误差范围34内。
该方法100包括用“开始寻找焦点”标出的步骤110。该步骤110是方法100的开始，用于执行比较粗略的聚焦。此外，该方法100包括用“摄像机1摄取图像”和“摄像机2摄取图像”标出的步骤112a、112b。在步骤112a期间，由第一图像传感器14a摄取第一图像16a。在步骤112b期间，由第二图像传感器14b摄取第二图像16b。另外，该方法100分别包括用“针对第1种工作模式的图像分析A1”或“针对第1种工作模式的图像分析A2”标出的步骤114a、114b。在步骤114a期间，借助由第一图像传感器14a摄取的第一图像16a进行第一种图像分析A1。类似地，在步骤114b期间，借助由第二图像传感器14b摄取的第二图像16b进行图像分析A2。方法100还包括步骤116，用于分析在步骤114a、114b期间求得的图像分析数据比如对照值。特别地，在步骤116中计算出图像分析数据的差Di：Di＝A1-A2，其中，Di是图像分析数据(比如对照值差)的差，A1是由步骤114a求得的第一图像分析数据(比如第一对照值)，A2是由步骤114b求得的第二图像分析数据(比如对照值)。在此，i是一个整数的下标，它表示可迭代地执行的方法100的第i次迭代。
另外，方法100包括步骤118，用于利用方程Di*Di-1>0来比较图像分析差(比如对照值差)，其中，Di是图像分析数据的在方法100的当前迭代期间求得的差(对照值差)，Di-1是图像分析数据的在方法100的先前的迭代期间求得的差(比如对照值差)。方法100还包括步骤120，用于分析在步骤116期间求得的对照值差。在此，如果在步骤118期间进行的比较是正的，也就是说，如果满足了根据上述方程的条件，就执行步骤120。在步骤120期间检查是否满足如下条件：Di>0。另外，该方法100包括用“样本上升2.5xDOF”(DOF，场深度)标出的步骤122和用“样本下降2.5xDOF”标出的步骤124。在此，如果满足了在步骤120期间检查的条件，就执行步骤122，而如果未满足在步骤120期间检查的条件，就执行步骤124。在步骤122期间，样本上升2.5倍的景深。在步骤124期间，样本下降2.5倍的景深。在此，待检查的样本基本上位于图1a和1b中所示的物体平面22内。该方法还包括步骤128，用于判断方法100的中断或重复执行。在步骤128期间检查是否满足如下条件：i<＝X，其中，X是迭代次数的上限。上限X例如可以确定为30或更小，优选介于15和20之间。此外，该方法100包括用“聚焦失败”标出的方框130。在此，方框130表示，在步骤128期间检查的条件未得到满足，也就是说，该方法100已经进行了16次以上的迭代。在其它情况下，该方法以步骤112a、112b开始重复执行。
该方法100还包括用“使得下降/上升回退”标出的步骤126。在此，如果在步骤118期间进行的比较是负的，也就是说，如果方法100的当前迭代的差(例如对照值差)和方法100的先前迭代的差(例如对照值差)是不同的，就执行步骤126。在步骤126期间，使得在步骤122期间进行的样本上升或者在步骤124期间进行的样本下降回退。也就是说，样本分别下降或上升2.5倍的景深。此外，该方法100包括用“焦点寻找结束”标出的方框132。
方框130表示方法100的结束，其中，采用方法100无法进行有意义的聚焦。方框132表示方法100的结束，其中，聚焦已成功地进行。
参照图2介绍的用于进行比较粗略的聚焦的方法100，是一种用于在自动的聚焦过程期间寻找焦点的方法。
图3所示为用于在本发明的显微镜10的第二种工作模式下进行比较细微的聚焦的方法200的流程图。图3中所示的方法200可以用于在第二种工作模式下调节清晰平面20相对于物体平面22的相对位置，从而清晰平面20位于物体平面22周围的相比于第一误差范围34较小的第二误差范围36内。
该方法200包括用“开始保持焦点”标出的步骤210。步骤210是用于进行比较细微的聚焦的方法200的开始。此外，该方法200包括用“摄像机1摄取图像”标出的步骤212a和用“摄像机2摄取图像”标出的步骤212b。在步骤212a期间，由第一图像传感器14a摄取第一图像16a。在步骤212b期间，由第二图像传感器14b摄取第二图像16b。另外，该方法200分别包括用“在第2种工作模式下的图像分析”标出的步骤214a、214b。在步骤214a、214b期间，求得图像分析数据，比如由第一图像传感器14a摄取的第一图像16a的第一对照值B1。在步骤214b期间，求得其它图像分析数据，比如由第二图像传感器14b摄取的第二图像16b的第二对照值B2。
另外，该方法200包括用“焦点偏移量，O＝f(B1,B2)，由图像分析数据决定”标出的步骤218。在步骤218期间，利用如下函数关系O＝f(B1,B2)求得样本的也称为偏移量的移动量值，其中O是偏移量，B1和B2是图像分析值。该方法200还包括用于检查如下条件O>DOF/2的步骤220，其中，O是偏移量，DOF是显微镜10的景深。另外，该方法200包括用“样本移动偏移量”标出的步骤222和用“焦点保持结束”标出的步骤224。在此，如果满足了在步骤220期间检查的条件，就执行步骤222。在步骤222期间，样本移动在步骤218期间求得的偏移量。在此，待检查的样本基本上位于图1a和1b中所示的物体平面22内。在执行步骤222之后，该方法200以步骤212a、212b开始重复执行。如果在步骤220期间检查的条件未得到满足，就执行方框224。该方框224表示方法200的结束。
参照图3介绍的用于进行比较细微的聚焦的方法200，是一种用于在自动的聚焦过程期间保持焦点的方法。
参照图2和3，自动的聚焦过程分成两个不同的阶段或方法100、200。在此，图2中所示的方法100用于寻找焦点，而图3中所示的方法200用于保持焦点。在用于寻找焦点的方法100中，较大的搜寻范围是占优先地位的。在此，该搜寻范围被规定为相距焦点位置的最大距离，此时尚能进行用于接近焦点位置的方向识别。在用于保持焦点的方法200中，精确度是关键性的，能以该精确度来确定焦点平面。相关地，精确度被规定为所接近的焦点位置相距理想的焦点位置的剩下的偏差。
需要注意，在两次图像分析中，评价两维的图像面。在此有利的是，对照评价或图像分析并非只沿着一条线进行。此外，对照评价也并非只参照下一个相邻像素进行。
图4a所示为根据本发明的一个实施例用于进行一次性聚焦的方法300的流程图。该方法300包括用“开始一次性聚焦”标出的步骤310、用“寻找焦点”标出的方法100、用“保持焦点”标出的方法200和用“聚焦结束”标出的方框340。在步骤310期间，利用显微镜10的自动聚焦系统11开始一次性聚焦。然后进行如参照图2所述的用于寻找焦点的方法100。随后进行如参照图3所述的用于保持焦点的方法200。方框340表示聚焦结束。在图4a所示的用于进行一次性聚焦的方法300中，用于寻找焦点的方法100和用于保持焦点的方法200分别只进行一次。
图4b所示为根据本发明的另一实施例用于进行持续聚焦的方法400的流程图。方法400包括用“开始持续聚焦”标出的步骤410、用于寻找焦点的方法100、用于保持焦点的方法200、用于检查方法中断的条件的步骤440和用“聚焦结束”标出的方框450。在步骤410期间，利用显微镜10的自动聚焦系统11开始持续聚焦。然后进行用于寻找焦点的方法100。随后进行用于保持焦点的方法200。在步骤440期间检查是否满足了方法中断的条件。方法中断的条件在此按下述规定：产生了所希望的聚焦精确度。对于满足了在步骤440期间检查的条件的情况，该方法发生中断，从而结束聚焦。在其它情况下，重复地执行用于保持焦点的方法200和用于检查中断条件的步骤440。在图4b所示的用于进行持续聚焦的方法400中，用于寻找焦点的方法100只执行一次，而用于保持焦点的方法200频繁地重复，直至满足规定的中断条件。
本发明的第二方面涉及另一缺点：待检查的不同物体的由图像传感器14a、14b摄取的图像16a、16b的对照过程总是不同的。
在图3所示的用于进行比较细微的聚焦的方法200中，基于由第一图像传感器14a摄取的第一图像16a的和由第二图像传感器14b摄取的第二图像16b的那些对照值来求得对照差。另外，基于所求得的对照差，调节清晰平面20相对于物体平面22的相对位置。
本发明的另一方面涉及另一缺点：由于图像合成，已知的自动聚焦系统出现移动模糊。
显微镜10的自动聚焦系统11经过优选的构造，从而在用于由第一图像传感器14a摄取第一图像16a和由第二图像传感器14b摄取第二图像16b的图像摄取时间内，以一定的步距和一定的焦点移动速度，调节清晰平面20相对于物体平面22的相对位置。在此，焦点移动速度等于步距与图像摄取时间的比。另外，步距大于显微镜10的景深。能让聚焦可靠地进行的最大的焦点移动速度优选由如下方程式给定：
其中，v是最大的焦点移动速度，DOF是景深，AT是图像摄取时间(“ImageAcquisition Time”)，其中，ST表示景深的多倍。在此，乘积DOF·ST等于在聚焦期间的步距。
步距优选大于或等于显微镜10的景深的2.5倍。由此可以明显地缩短聚焦的需求时间。
此外，可以进行可靠的聚焦，直至步距等于显微镜10的景深的10倍。
优选以恒定的焦点移动速度进行聚焦调节。为了缩短聚焦的需求时间，因而也可以在图像摄取期间以恒定的速度继续移动焦点平面。这虽然在所摄取的图像中导致一定的移动模糊。但已发现，并不会确定出明显的精确度降低，直至每单位图像摄取时间内10倍景深的移动距离。
根据本发明，实现一种用于自动聚焦的多传感器-显微镜。在此，该显微镜配备有多个图像传感器，用于检测物体图像的平面传播的亮度信息和色彩信息，以便自动地聚焦到物体表面上。另外，根据本发明实现一种相应的用于快速地、精确地且可靠地利用显微镜聚焦的方法。
有利地，采用一种光学机构，其沿着整个放大范围在图像侧具有恒定的数值孔径。由此可以使得在传感器与名义的图像平面之间的在构造侧要预先选择的间距匹配于最佳的大小。相距对照曲线拐点的间距是最佳的，因为在那里有最大的斜率，进而有自动聚焦调节的最高精确度。
该系统尤其可以用于手持式显微镜。在这种情况下，焦点平面的移动不必机动地进行。通过操作者的适当反馈，他也可以自主地找到和/或保持焦点。在此，对焦点的保持也可以机动地进行。由于移动范围小，摄取和评价时间短，移动的质量尽可能小，所以可实现很短的调节时间。由此可以实现可靠地稳定焦点位置，直至大约80倍的放大率。
也可以通过补偿渐晕或两个传感器14a、14b的侧向偏移来更进一步地提高系统的精确度。
附图标记清单
10 显微镜
11 自动聚焦系统
12a、12b 光路
14a、14b、25 图像传感器
16a、16b、30 图像
18a、18b 图像平面
20 清晰平面
22 物体平面
26 物镜
28a、28b 分光器
32 成像系统
33 用于无级地调节成像尺寸(“变焦”)的装置
34、36 误差范围
100、200、300、400 方法
110～132、210～224 方法步骤
310、340、410、440、450 方法步骤

Claims (13)

1.一种显微镜(10)，包括：
用于进行聚焦过程的自动聚焦系统(11)，该自动聚焦系统带有用于摄取第一图像(16a)的设置在第一输出光路(12a)中的第一图像传感器(14a)和用于摄取第二图像(16b)的设置在第二输出光路(12b)中的第二图像传感器(14b)，
其中，所述自动聚焦系统(11)被构造成基于由所述第一图像传感器(14a)摄取的所述第一图像(16a)的和由所述第二图像传感器(14b)摄取的所述第二图像(16b)的那些对照值来求得对照差，并基于所求得的对照差来调节清晰平面(20)相对于物体平面(22)的相对位置，
其中，第一和第二图像(16a、16b)分别包含由分别被构造成平面传感器的第一和第二图像传感器(14a、14b)提供的图像信息。
2.如权利要求1所述的显微镜(10)，其中，所述自动聚焦系统(11)经过构造，从而能够借助至少第一种工作模式和第二种工作模式进行所述聚焦过程。
3.如权利要求2所述的显微镜，其中，所述自动聚焦系统(11)经过适当设计，从而它在所述第一种工作模式下求得由所述第一图像传感器(14a)摄取的所述第一图像(16a)和由所述第二图像传感器(14b)摄取的所述第二图像(16b)的对照值，且在所述第二种工作模式下求得由所述第一图像传感器(14a)摄取的所述第一图像(16a)和由所述第二图像传感器(14b)摄取的所述第二图像(16b)的对照值，并基于求得的对照值调节清晰平面(20)相对于物体平面(22)的所述相对位置。
4.如权利要求2或3所述的显微镜(10)，其特征在于，所述自动聚焦系统(11)被构造成在所述第一种工作模式下适当地调节所述清晰平面(20)相对于所述物体平面(22)的相对位置，从而所述清晰平面(20)位于所述物体平面(22)周围的第一误差范围内，并在所述第二种工作模式下适当地调节所述清晰平面(20)相对于所述物体平面(22)的相对位置，从而所述清晰平面(20)位于所述物体平面(22)周围的第二误差范围内，其中，所述第二误差范围小于所述第一误差范围。
5.如权利要求3或4所述的显微镜(10)，其特征在于，所述自动聚焦系统(11)被构造成用于进行方向识别，用来基于由所述第一图像传感器(14a)摄取的所述第一图像(16a)的第一对照值和由所述第二图像传感器(14b)摄取的所述第二图像(16b)的第二对照值的比较来调节所述清晰平面(20)相对于所述物体平面(22)的相对位置。
6.如权利要求5所述的显微镜(10)，其特征在于，所述自动聚焦系统(11)被构造成基于所述方向识别适当地调节所述清晰平面(20)相对于所述物体平面(22)的相对位置，使得所述清晰平面(20)朝向所述物体平面(22)移动，或者使得所述物体平面(22)朝向所述清晰平面(20)移动，从而减小所述清晰平面(20)与所述物体平面(22)之间的距离，如果由所述第一图像传感器(14a)摄取的所述第一图像(16a)的所述第一对照值大于由所述第二图像传感器(14b)摄取的所述第二图像(16b)的所述第二对照值。
7.如权利要求5或6所述的显微镜(10)，其特征在于，所述自动聚焦系统(11)被构造成基于所述方向识别适当地调节所述清晰平面(20)相对于所述物体平面(22)的相对位置，使得所述清晰平面(20)移动远离所述物体平面(22)，或者使得所述物体平面(22)移动远离所述清晰平面(20)，从而增大所述清晰平面(20)与所述物体平面(22)之间的距离，如果由所述第二图像传感器(14b)摄取的所述第二图像(16b)的所述第二对照值大于由所述第一图像传感器(14a)摄取的所述第一图像(16a)的所述第一对照值。
8.如权利要求1～7中任一项所述的显微镜(10)，其特征在于一种成像系统(32)，该成像系统带有第三图像传感器(25)、物镜(26)、第一分光器(28a)和第二分光器(28b)，其中，所述第一分光器(28a)设置在所述物镜(26)与所述第三图像传感器(25)之间的光路中，且设置在所述物镜(26)与所述第一图像传感器(14a)之间的光路中，其中，所述第二分光器(28b)设置在所述物镜(26)与所述第三图像传感器(25)之间的光路中，且设置在所述物镜(26)与所述第二图像传感器(14b)之间的光路中。
9.如权利要求8所述的显微镜(10)，其特征在于，所述第一分光器(28a)被构造成用于产生与所述物体平面(22)共轭的第一图像平面(18a)，而所述第二分光器(28b)被构造成用于产生与所述物体平面(22)共轭的第二图像平面(18b)。
10.如权利要求8或9所述的显微镜(10)，其特征在于，所述第一分光器(28a)和所述第二分光器(28b)在所述物镜(26)与所述第三图像传感器(25)之间的光路中彼此分开地布置，与所述物体平面(22)共轭的所述第一图像平面(18a)和与所述物体平面(22)共轭的所述第二图像平面(18b)彼此间隔开，与所述物体平面(22)共轭的所述第一图像平面(18a)和与所述物体平面(22)共轭的所述第二图像平面(18b)之间的距离等于所述第一分光器(28a)和所述第二分光器(28b)之间的距离。
11.如权利要求3～10中任一项所述的显微镜(10)，其特征在于，所述自动聚焦系统(11)被构造成在所述第二种工作模式下适当地调节所述清晰平面(20)相对于所述物体平面(22)的相对位置，从而所述清晰平面(20)与所述物体平面(22)之间的距离减小基于所述对照差求得的偏移量。
12.如权利要求1～11中任一项所述的显微镜(10)，其特征在于，所述自动聚焦系统(11)经过构造，从而借助于所述第一种工作模式可执行的聚焦过程只进行一次，借助于所述第二种工作模式可执行的聚焦过程如此频繁地重复，直至满足规定的中断条件。
13.如前述权利要求中任一项所述的显微镜(10)，其特征在于，使用者可以在图像传感器上选择部分区域(ROI＝感兴趣区域)，在该部分区域上能够进行焦点计算。
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