CN116107074B - 基于声光调制器的过焦扫描显微系统及测量方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种基于声光调制器的过焦扫描显微系统及测量方法。该扫描显微系统包括：光源模块、分光模块、样品台、采集模块和测量模块。光源模块包括声光调制器，用于产生一系列波长可调的单色准直照明光束；分光模块用于将所述单色准直照明光束分为第一照明光束和第二照明光束；样品台用于固定待测样品并实现待测样品的显微对焦；采集模块用于采集光束从正面和背面照射至所述待测样品后形成的显微图像；测量模块，用于测量所述第一照明光束的波长值，并传送给外部上位机，由外部上位机反馈调控所述光源模块中声光调制器的控制参数，使所述光源模块输出设定波长的单色准直照明光束。

Description

基于声光调制器的过焦扫描显微系统及测量方法

技术领域

本公开涉及过焦扫描光学显微测量技术领域，尤其涉及一种基于声光调制器的过焦扫描显微系统及测量方法。

背景技术

传统的过焦扫描显微图像采集系统使用压电陶瓷控制样品产生z轴向位移，从而使样品位于设定的不同光轴位置，进而采集样品的过焦扫描显微图像序列。但是受限于压电陶瓷本身的机械性能，当压电陶瓷连续使用一段时间后，其位移控制效率显著降低，制约了过焦扫描图像序列的采集速率。在位置调控精度方面，机械式调控方法的位置精度与调控量程负相关，难以满足日益提高的高精度大量程过焦显微图像序列采集需求。另外，高精度的机械式位移控制复杂，需要进行复杂的位置标定，调试成本及硬件成本较高。

基于波长调控的过焦扫描显微图像序列采集方式在测量时样品的空间位置不变，由单色仪产生单色照明光，采集不同单色光对应的显微图像以形成过焦扫描显微图像序列。根据光学显微系统色差效应，不同波长的显微图像对应于样品处于对焦、负过焦和正过焦的不同状态。利用单色仪可以实现较高的波长调控分辨率和较精细的过焦量调控，但是单色仪的波长调控速度慢，限制了光学显微图像采集效率。

发明内容

有鉴于此，本公开的主要目的在于提供一种基于声光调制器的过焦扫描显微系统及测量方法，以期至少部分地解决上述提及的技术问题中的至少之一。

为了实现上述目的，作为本公开的一个方面的实施例，提供了一种基于声光调制器的过焦扫描显微系统，包括：光源模块包括声光调制器，用于产生一系列波长可调的单色准直照明光束；分光模块用于将单色准直照明光束分为第一照明光束和第二照明光束；样品台用于固定待测样品并实现待测样品的显微对焦，第一照明光束从正面照射至待测样品，第二照明光束从背面照射至待测样品；采集模块用于采集光束从正面和背面照射至待测样品后形成的显微图像；测量模块用于测量第一照明光束的波长值，并传送给外部上位机，由外部上位机反馈调控光源模块中声光调制器的控制参数，使光源模块输出设定波长的单色准直照明光束。

根据本公开的实施例，其中，声光调制器采用高质量TeO₂晶体，通光孔径为6～10mm。

根据本公开的实施例，其中，光源模块还包括沿光路依次设置的宽光谱高亮光源、多模光纤和光纤准直器，且宽光谱高亮光源、多模光纤和光纤准直器均位于声光调制器之前，其中：宽光谱高亮光源用于提供照明光束；多模光纤用于将所述照明光束传输至所述光纤准直器；光纤准直器用于准直照明光束，并传输至声光调制器。

根据本公开的实施例，其中，宽光谱高亮光源采用氙灯光源、激光泵浦氙灯或SLED组合光源；多模光纤采用波长适用范围350～800nm、光纤口径600μm～2mm、接口为SMA或FC的铠装高品质多模光纤；光纤准直器采用非球面透镜、多模光纤准直器、复消色差物镜或离轴抛物面镜。

根据本公开的实施例，其中，分光模块采用光学分束棱镜。

根据本公开的实施例，该系统在分光模块之后还包括第一照明模块和第二照明模块，其中：第一照明模块包括：第一透镜，用于接收并汇聚第一照明光束；第二分束器，用于将经过第一透镜汇聚的第一照明光束分为第三照明光束和第四照明光束，其中，第三照明光束进入测量模块，第四照明光束从正面照射至待测样品，在待测样品表面形成均匀照明光场，形成落射式科勒照明；第二照明模块包括：第一反射镜，用于接收第二照明光束；第二反射镜，位于第一反射镜之后，与第一反射镜共同用于调整第二照明光束的传播方向，以得到改变传播方向的第二照明光束；第二透镜，用于接收并汇聚改变传播方向的第二照明光束；第三透镜，用于接收经第二透镜汇聚后的第二照明光束，以使汇聚后的第二照明光束从背面照射至待测样品，形成透射式科勒照明。

根据本公开的实施例，其中，改变传播方向的第二照明光束经过第二透镜汇聚到第三透镜的焦平面。

根据本公开的实施例，其中，第一透镜采用胶合透镜、复消色差物镜或非球面透镜；第二分束器采用平板分束镜或薄膜分束镜；第一反射镜和第二反射镜采用紫外增强保护铝膜平面反射镜；第二透镜和第三透镜采用胶合透镜、复消色差物镜和非球面透镜。

根据本公开的实施例，其中，测量模块包括光纤和光谱仪，光纤耦合在光谱仪上，光谱仪用于测量第三照明光束的波长值，并传送给外部上位机，由外部上位机反馈调控光源模块中声光调制器的控制参数，使光源模块输出设定波长的单色准直照明光束。

根据本公开的实施例，其中，光纤采用波长适用范围350～800nm、光纤口径600μm～2mm、接口为SMA或FC的铠装高品质多模光纤；光谱仪采用光纤光谱仪或高阶光栅高分辨光谱仪，测量波长范围为380nm～720nm，波长测量精度为0.5nm，波长分辨率为1nm。

根据本公开的实施例，其中，声光调制器的控制参数包括输出波长和输出波长半峰宽，输出波长的范围为400～700nm，输出波长半峰宽为2nm。

根据本公开的实施例，其中，样品台采用三轴样品位移台，包括显微镜三轴位移台或手动三轴位移台，通过z轴位移实现待测样品的显微对焦，通过xy轴位移实现待测样品测量区域的查找与定位。

根据本公开的实施例，其中，采集模块包括显微物镜、成像镜筒和面阵相机，其中：显微物镜，用于接收待测样品形成的显微图像；成像镜筒，用于将显微物镜接收的显微图像传输至面阵相机；面阵相机，用于记录成像镜筒传输的显微图像。

作为本公开的另一个方面的实施例，还提供了一种应用于上述过焦扫描显微系统的测量方法，包括：光源模块通过声光调制器产生波长可调的单色准直照明光束；分光模块将单色准直照明光束分为第一照明光束和第二照明光束；第一照明光束从正面照射至待测样品，第二照明光束从背面照射至待测样品，其中待测样品固定于样品台并通过样品台的移动实现显微对焦；采集模块采集第一照明光束和第二照明光束分别从正面和背面照射至待测样品后形成的显微图像；测量模块测量第一照明光束的波长值并传送给外部上位机，由外部上位机反馈调控光源模块中声光调制器的控制参数，使光源模块输出设定波长的单色准直照明光束；以及

重复执行光源模块产生波长可调的单色准直照明光束，以及采集模块采集对应显微图像的步骤，使采集模块在设定的所有单色波长的单色准直照明光束下，采集待测样品的显微图像序列。

根据本公开的实施例，其中，光源模块包括沿光路依次设置的宽光谱高亮光源、多模光纤、光纤准直器和声光调制器，光源模块通过声光调制器产生波长可调的单色准直照明光束，包括：宽光谱高亮光源输出照明光束；多模光纤将照明光束输入光纤准直器；光纤准直器输出准直的照明光束并传输至声光调制器；以及声光调制器对准直的照明光束进行调制，产生波长可调的单色准直照明光束。

根据本公开的实施例，其中，第一照明模块包括第一透镜和第二分束器，第二照明模块包括第一反射镜、第二反射镜、第二透镜和第三透镜，第一照明光束从正面照射至待测样品，第二照明光束从背面照射至待测样品，包括：第一照明光束经过第一透镜的汇聚照射至第二分束器，经过第二分束器的分束形成第三照明光束和第四照明光束，其中，第三照明光束进入测量模块，第四照明光束从正面照射至待测样品；第二照明光束经过第一反射镜和第二反射镜的依次反射，改变传播方后照射至第二透镜；第二照明光束经过第二透镜的汇聚照射至第三透镜的焦平面，再经过第三透镜的发散以平行光束从背面照射至待测样品。

根据本公开的实施例，其中，测量模块包括光纤和光谱仪，测量模块测量第一照明光束的波长值并传送给外部上位机，包括：第一照明光束经过第二分束器形成第三照明光束；第三照明光束经过光纤被传输至光谱仪；光谱仪测量第三照明光束的波长值，并将第三照明光束的波长值传送给外部上位机。

根据本公开的实施例，其中，待测样品固定于样品台并通过样品台的移动实现显微对焦，包括：待测样品通过三轴样品位移台固定于样品台；三轴样品位移台通过xy轴位移实现待测样品测量区域的查找与定位；三轴样品位移台通过z轴位移调节实现显微对焦。

根据本公开的实施例，其中，采集模块包括显微物镜、成像镜筒和面阵相机，采集模块采集第一照明光束和第二照明光束分别从正面和背面照射至待测样品后形成的显微图像，包括：显微物镜接收第一照明光束和第二照明光束分别从正面和背面照射至待测样品后形成的显微图像；成像镜筒将所述显微图像传输至面阵相机；面阵相机采集所述显微图像，其中，面阵相机通过曝光时间调节实现采集待测样品形成的显微图像。

根据本公开的实施例，其中，由外部上位机反馈调控光源模块中声光调制器的控制参数，使光源模块输出设定波长的单色准直照明光束，包括：外部上位机比对测量模块测量的第一照明光束的波长值与光源模块输出的单色准直照明光束的波长；外部上位机根据比对结果反馈调控光源模块中声光调制器的控制参数，使光源模块输出设定波长的单色准直照明光束。

根据本公开的实施例，在采集待测样品的显微图像序列之后，还包括：利用基于样品模型数据的库匹配方法对待测样品的显微图像序列进行数据处理。

本公开提供的基于声光调制器的过焦扫描显微系统及测量方法，通过固定样品台，采集不同波长对应的显微图像以形成过焦扫描显微图像序列，能够避免机械调控样品台的位置以获得待测样品在不同焦点处扫描图像所产生的位置不确定性。

本公开提供的基于声光调制器的过焦扫描显微系统及测量方法，通过采用声光调制器调控波长，产生不同波长的单色光，能够将波长调控速度提升到毫秒级别，提高了光学波长调控速度进而优化过焦扫描显微图像序列采集效率。

因此，本公开提供的基于声光调制器的过焦扫描显微系统及测量方法，能够简化过焦扫描显微系统的光学与控制结构，在不降低控制精度的情况下减小过焦扫描显微系统的体积。

附图说明

图1是根据本公开的实施例的基于声光调制器的过焦扫描显微系统的结构示意图；

图2是图1所示的基于声光调制器的过焦扫描显微系统的光学元件示意图；

图3是应用于图1所示的基于声光调制器的过焦扫描显微系统的测量方法流程图。

附图标记：

100-光源模块

1-宽光谱高亮光源 2-多模光纤 3-光纤准直器 4-声光调制器

200-分光模块

5-第一分束器

300-第一照明模块

6-第一透镜 7-第二分束器

400-第二照明模块

12-第一反射镜 13-第二反射镜 14-第二透镜 15-第三透镜

500-测量模块

16-光纤 17-光谱仪

600-样品台

9-三轴样品位移台

700-采集模块

8-显微物镜 10-成像筒镜 11-面阵相机

具体实施方式

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开作进一步的详细说明。

但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本申请的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本申请的概念。在附图中示出了根据本申请实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。

根据本公开的一个方面的总体上的构思，提供了一种基于声光调制器的过焦扫描显微系统，包括：光源模块包括声光调制器，用于产生一系列波长可调的单色准直照明光束；分光模块用于将单色准直照明光束分为第一照明光束和第二照明光束；样品台用于固定待测样品并实现待测样品的显微对焦，第一照明光束从正面照射至待测样品，第二照明光束从背面照射至待测样品；采集模块用于采集光束从正面和背面照射至待测样品后形成的显微图像；测量模块用于测量第一照明光束的波长值，并传送给外部上位机，由外部上位机反馈调控光源模块中声光调制器的控制参数，使光源模块输出设定波长的单色准直照明光束。

图1是根据本公开的实施例的基于声光调制器的过焦扫描显微系统的结构示意图。

如图1所示，基于声光调制器的过焦扫描系统的结构示意图包括：光源模块100，分光模块200，第一照明模块300，第二照明模块400，测量模块500，样品台600，采集模块700。

根据本公开的实施例，光源模块100产生波长可调的单色准直照明光束，分光模块200位于光源模块100之后，将从光源模块100输出的单色准直照明光束分束为第一照明光束和第二照明光束。第一照明模块300接收从分光模块200出射的第一照明光束，并将第一照明光束分为第三照明光束和第四照明光束。测量模块500接收从第一照明光束分出的第三照明光束，测量第三照明光束的波长值，并将第三照明光束的波长测量值反馈给外部上位机。外部上位机根据测量模块500反馈的第三照明光束的波长值，实时调控光源模块100中的声光调制器4的参数，控制光源模块100输出固定波长的单色准直照明光束。第一照明光束经过第一照明模块300分束后输出第四照明光束，第四照明光束从正面照射到样品台600上，在待测样品表面形成均匀照明光场，形成落射式科勒照明。第二照明模块400接收第二照明光束，第二照明光束经过第二照明模块400的多次反射和透射，从背面照射待测样品形成均匀照明光场，形成透射式科勒照明。样品台600用于放置待测样品，通过控制样品台600能够查找和定位待测样品的测量区域，并实现待测样品的显微对焦后固定样品台的位置。采集模块700能够采集光束从正面和背面照射至待测样品后形成的显微图像，并将采集的所有待测样品的显微图像传送给外部上位机，形成过焦扫描显微图像序列。外部上位机能够对过焦扫描显微图像序列进行处理，得到待测样品的尺寸、对比度等参数信息。

根据本公开的实施例，其中，声光调制器4可以采用高质量TeO₂晶体，通光孔径为6～10mm。

本公开提出的基于声光调制器的过焦扫描系统，通过固定样品台，采集不同波长对应的待测样品的显微图像以形成过焦扫描显微图像序列，能够避免因机械调控带来的位置误差和不确定性，同时也能够避免因频繁改变位置调控器件出现的不可避免的损耗性差别。本公开还通过声光调制器调控波长，能够将波长调控速度提升到毫秒级别，优化过焦扫描显微图像序列的采集效率。在提升波长调控速度的情况下，还能够减小过焦扫描显微系统的体积。

图2是图1所示的基于声光调制器的过焦扫描显微系统的光学元件示意图。

如图2所示，基于声光调制器的过焦扫描系统包括：宽光谱高亮光源1、多模光纤2、光纤准直器3、声光调制器4、第一分束器5、第一透镜6、第二分束器7、显微物镜8、三轴样品位移台9、成像筒镜10、面阵相机11、第一反射镜12、第二反射镜13、第二透镜14、第三透镜15、光纤16、光谱仪17。

根据本公开的实施例，光源模块100包括沿光路依次设置的宽光谱高亮光源1，多模光纤2，光纤准直器3和声光调制器4，宽光谱高亮光源1，多模光纤2，光纤准直器3均位于声光调制器4之前，多模光纤2将宽光谱高亮光源1耦合至光纤准直器3。宽光谱高亮光源1输出照明光束，照明光束被多模光纤2传输至光纤准直器3，光纤准直器3对照明光束进行准直后，输出平行的照明光束。声光调制器4接收平行度照明光束，并在外部上位机的调控下改变输出参数，输出多个设定波长的单色准直照明光束。

根据本公开的实施例，宽光谱高亮光源1可以包括氙灯光源、激光泵浦氙灯或SLED组合光源。多模光纤2可以采用波长适用范围为350～800nm、光纤口径为600μm～2mm、接口为SMA或FC的铠装高品质多模光纤。光纤准直器3可以包括非球面透镜、多模光纤准直器、复消色差物镜、离轴抛物面镜。声光调制器4可以包括通光孔径为6～10mm，采用高质量TeO₂晶体。根据本公开的实施例，其中，声光调制器4可以采用高质量TeO₂晶体，通光孔径为6～10mm。

如图2所示，分光模块200，采用第一分束器5。第一分束器5可以将光源模块100产生的单色准直照明光束分为第一照明光束和第二照明光束。

根据本公开的实施例，分光模块200采用的第一分束器5可以是光学分束棱镜，具体的可以是通光孔径25mm的立方体分束镜。

如图2所示，在分光模块200之后还包括第一照明模块300和第二照明模块400。第一照明模块300包括：第一透镜6和第二分束器7。第二照明模块400包括：第一反射镜12，第二反射镜13，第二透镜14和第三透镜15。

根据本公开的实施例，在第一分束器5将光源模块100输出的单色准直照明光束分成第一照明光束和第二照明光束后，第一透镜6可以接收并汇聚第一照明光束，将第一照明光束传输至第二分束器7。第二分束器7将第一照明光束分为第三照明光束和第四照明光束。第一透镜6和第二分束器7匹配安装，可以将第四照明光束汇聚至显微物镜8的背焦平面，第四照明光束经过显微物镜8之后输出平行光束，从正面照射至待测样品表面，在待测样品表面形成均匀照明光场，形成落射式科勒照明。

在第一分束器5将光源模块100输出的单色准直照明光束分成第一照明光束和第二照明光束后，第一反射镜12可以接收第二照明光束，并将第二照明光束反射至第二反射镜13上。第二反射镜13位于第一反射镜12之后，再次反射经过第一反射镜12反射后第二照明光束。第二反射镜13和第一反射镜12共同用于调整第二照明光束的传播方向，将调整方向后的第二照明光束传输到第二透镜14。第二透镜14将改变传播方向的平行的第二照明光束汇聚至第三透镜15的焦平面，在经过第三透镜15的发散后以平行光束从背面照射至待测样品，形成透射式科勒照明。

根据本公开的实施例，第一透镜6可以采用胶合透镜、复消色差物镜或非球面透镜，第二分束器7可以采用平板分束镜或薄膜分束镜，第一反射镜12和第二反射镜13可以采用紫外增强保护铝膜平面反射镜，第二透镜14和第三透镜15可以采用胶合透镜、复消色差物镜或非球面透镜。

如图2所示，测量模块500包括光纤16和光谱仪17。光纤16耦合在光谱仪17上，光纤16能将第二分束器7分束的第三照明光束传输到光谱仪17。光谱仪17能够测量当前第三照明光束的波长值，并将当前第三照明光束的波长测量值实时传输至外部上位机。外部上位机根据第三照明光束的波长测量值反馈调控光源模块100中声光调制器4的控制参数，使得光源模块100输出设定波长的单色准直照明光束的波长。

根据本公开的实施例，其中，光纤16采用波长适用范围350～800nm、光纤口径600μm～2mm、接口为SMA或FC的铠装高品质多模光纤。光谱仪17采用光纤光谱仪或高阶光栅高分辨光谱仪，测量波长范围为380nm～720nm，波长测量精度为0.5nm，波长分辨率为1nm。

根据本公开的实施例，其中，声光调制器4的控制参数包括输出波长和输出波长半峰宽，输出波长的范围为400～700nm，输出波长半峰宽为2nm。

如图2所示，样品台600采用三轴样品位移台9。三轴样品位移台9用于放置待测样品，可以通过三轴移动来寻找待测样品的测量区域，并将待测样品固定于显微对焦位置。

根据本公开的实施例，三轴样品位移台9可以包括显微镜三轴位移台，手动三轴位移台。三轴样品位移台9通过z轴位移实现待测样品的显微对焦，通过xy轴位移实现待测样品测量区域的查找与定位。

如图2所示，采集模块700包括显微物镜8，成像筒镜10和面阵相机11。

根据本公开的实施例，显微物镜8能够接收待测样品形成的显微图像，面阵相机11通过成像镜筒10采集显微物镜8接收的显微图像。面阵相机11采集待测样品的显微图像后，将待测样品的显微图像传输至外部上位机，以便外部上位机对待测样品的显微图形序列进行后续数据处理。

根据本公开的实施例，显微物镜8可以采用平场显微物镜、非球面透镜、胶合透镜或反射式汇聚镜，成像筒镜10可以采用焦距为160mm的管镜。面阵相机11可以采用CCD相机或CMOS相机。

基于图1和图2所示的基于声光调制器的过焦扫描显微系统的结构示意图，图3示出了应用于图1所示的基于声光调制器的过焦扫描显微系统的测量方法流程图，该方法包括以下步骤：

步骤301：光源模块通过声光调制器产生波长可调的单色准直照明光束；

步骤302：分光模块将单色准直照明光束分为第一照明光束和第二照明光束；

步骤303：第一照明光束从正面照射至待测样品，第二照明光束从背面照射至待测样品，其中待测样品固定于样品台并通过样品台的移动实现显微对焦；

步骤304：采集模块采集第一照明光束和第二照明光束分别从正面和背面照射至待测样品后形成的显微图像；

步骤305：测量模块测量第一照明光束的波长值并传送给外部上位机，由外部上位机反馈调控光源模块中声光调制器的控制参数，使光源模块输出设定波长的单色准直照明光束；以及

步骤306：重复执行光源模块产生波长可调的单色准直照明光束，以及采集模块采集对应显微图像的步骤，使采集模块在设定的所有单色波长的单色准直照明光束下，采集待测样品的显微图像序列。

根据本公开的实施例，待测样品通过三轴样品位移台9固定于样品台600上。在固定三轴样品位移台之前，调节光源模块中宽光谱高亮光源的参数，光源模块通过声光调制器产生预设波长的单色准直照明光束，该预设波长的范围为500～600nm。在此预设波长的单色准直照明光束照射下，将三轴样品位移台固定于样品清晰对焦的位置。在单色准直照明光束的波长满足声光调制器的波长调制范围(400～700nm)时，待测样品能够在此固定位置下呈现不同过焦状态的显微图像。具体的，当单色准直照明光束的波长小于此预设波长时，待测样品处于负过焦状态，在z轴产生的过焦量为负；当单色准直照明光束的波长大于此预设波长时，待测样品处于正过焦状态，在z轴产生的过焦量为正。

分光模块将上述单色准直照明光束分束为第一照明光束和第二照明光束。第一照明光束从正面照射至待测样品，第二照明光束从背面照射至待测样品。通过调节三轴样品位移台，使待测样品在面阵相机上出现清晰的显微图像。待测样品在面阵相机上出现清晰成像，表明在该单色准直照明光束照射下，此时待测样品位于显微对焦位置上。锁定三轴样品位移台，将待测样品固定于该单色准直照明光束照射下的显微对焦位置，不再移动三轴样品位移台。

第一照明光束和第二照明光束分别从正面照射至待测样品，调节采集模块中面阵相机的积分时间以匹配该波长的单色准直照明光束，以使采集模块采集该单色准直照明光束照射下的待测样品的显微图像。测量模块测量第一照明光束的波长值并传送给外部上位机，由外部上位机反馈调控光源模块中声光调制器的控制参数，使光源模块输出的稳定波长的该单色准直照明光束。重复执行预定次数的步骤：光源模块中宽光谱高亮光源的参数调整后，光源模块通过声光调制器产生在设定波长的单色准直照明光束并且不改变三轴样品位移台的位置，采集模块中面阵相机的参数改变后，采集模块采集设定波长单色准直照明光束照射的待测样品的显微图像。重复执行后上述步骤后，得到所有单色波长的单色准直照明光束照射下的待测样品的显微图像序列，上述所有单色准直照明光束的波长都满足400～700nm。

根据本公开的实施例，光源模块包括沿光路依次设置的宽光谱高亮光源、多模光纤、光纤准直器和声光调制器，步骤301中所述光源模块通过声光调制器产生波长可调的单色准直照明光束，包括：宽光谱高亮光源输出照明光束，照明光束经过多模光纤后输入光纤准直器，再经过光纤准直器准直后输入声光调制器；声光调制器对准直后的照明光束进行调制，能够产生波长可调的单色准直照明光束。调节宽光谱高亮光源，使宽光谱高亮光源的输出亮度匹配声光调制器，能够优化过焦扫描显微系统的图像效率。

根据本公开的实施例，分光模块包括第一分束器，步骤302中所述分光模块将单色准直照明光束分为第一照明光束和第二照明光束，包括：第一分束器将声光调制器输出的单色准直照明光束分束为第一照明光束和第二照明光束。根据本公开的实施例，第一照明模块包括第一透镜和第二分束器，第二照明模块包括第一反射镜、第二反射镜、第二透镜和第三透镜，步骤303中所述第一照明光束从正面照射至待测样品，第二照明光束从背面照射至待测样品，其中待测样品固定于样品台并通过样品台的移动实现显微对焦，包括：

第一照明光束经过第一透镜的汇聚照射至第二分束器，经过第二分束器的分束形成第三照明光束和第四照明光束；通过第一透镜和第二分束器位置的改变，使得第四照明光束能够照射在显微物镜的背焦平面，第四照明光束经过显微物镜后以平行光束从正面照射至待测样品，形成落射式科勒照明；通过第一反射镜和第二反射镜位置的改变，使得第二照明光束经过第一反射镜和第二反射镜的反射后，产生传播方向的改变并平行入射至第二透镜；通过第二透镜和第三透镜位置的改变，使得第二照明光束经过第二透镜的汇聚照射至第三透镜的焦平面，再经过第三透镜的发散以平行光束从背面照射至待测样品；待测样品通过三轴样品位移台固定于样品台，通过三轴样品位移台的xy轴位移，寻找待测样品的测量区域并定位测量区域；通过三轴样品位移台的z轴位移，实现待测样品的显微对焦。

根据本公开的实施例，采集模块包括显微物镜、成像镜筒和面阵相机。步骤304中所述采集模块采集第一照明光束和第二照明光束分别从正面和背面照射至待测样品后形成的显微图像，包括：第一照明光束和第二照明光束分别从正面和背面照射至待测样品，形成待测样品的显微图像，通过显微物镜和成像镜筒的位置调节，将待测样品的显微物镜传输到面阵相机；通过改变面阵相机的曝光时间采集当前单色准直照明光束照射得到的待测样品的显微图像

根据本公开的实施例，测量模块包括光纤和光谱仪，步骤305中所述测量模块测量第一照明光束的波长值并传送给外部上位机，由外部上位机反馈调控光源模块中声光调制器的控制参数，使光源模块输出设定波长的单色准直照明光束，包括：测量模块测量第一照明光束的波长值并传送给外部上位机；第一照明光束经过第二分束器形成第三照明光束，第三照明光束经过光纤被传输至光谱仪；通过光谱仪测量波长的改变，使得光谱仪能够测量第三照明光束的波长值；光谱仪将测量的第三照明光束的波长值传送给外部上位机。

根据本公开的实施例，步骤306中所述重复执行光源模块产生波长可调的单色准直照明光束，以及采集模块采集显微图像的步骤，使采集模块在设定的所有单色波长的单色准直照明光束下，采集待测样品的显微图像序列，包括：重复执行预定次数的光源模块产生波长可调的单色准直照明光束，该预定次数与波长改变量有关。在声光调制器的波长调控范围内，设定波长改变量后，能够确定在该波长调控范围内产生波长的次数，即预定次数。具体的，例如，在400～700nm范围内，当波长改变量为20nm时，光源模块产生16个不同波长的单色准直照明光束，即需要重复执行16次上述步骤，使采集模块采集400～700nm范围内所有波长对应的显微图像，形成过焦显微图像序列。在实际应用中，根据需要改变波长改变量，保证能够采集到所需的样品过焦状态所对应的过焦显微图像，获取所需的过焦显微图像序列。在重复执行预定次数的光源模块产生单色准直照明光束时，采集模块也执行预定次数的采集显微图像，以采集所有单色准直照明光束照射下的待测样品的显微图像，形成过焦显微图像序列。过焦显微图像序列包括在不同波长的单色准直照明光束照射下，采集模块采集的待测样品的过焦显微图像和对焦显微图像，过焦显微图像对应负过焦状态的显微图像和正过焦状态的显微图像。

根据本公开的实施例，过焦扫描显微系统的测量方法还包括利用基于样品模型数据的库匹配方法对所述待测样品的显微图像序列进行数据处理，包括：利用基于样品模型数据的库匹配方法对待测样品的显微图像序列进行数据处理，将测量的显微图像序列和数据库进行匹配，查找确定待测样品的几何尺寸和折射率等信息。

本公开提出的基于声光调制器的过焦扫描显微系统及测量方法，在固定样品台的情况下，测量不同波长条件下的待测样品的显微图像以形成过焦扫描显微图像序列，不用移动待测样品到不同波长的单色准直照明光束的对焦位置，能够避免调控样品位置带来的位置不确定性和频繁调控高精度位置测量器件导致的低位移控制速率。本公开还采用声光调制器改变单色准直照明光束的波长，将波长调控速率提升到毫秒级别，显著提高了光学显微图像采集效率。此外，由于声光调制器的体积很小，本公开提出的过焦扫描显微系统不仅能够简化位移控制装置，还能够简化高精度控制单色仪改变波长的光学结构，显著减小过焦扫描显微系统的体积。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (21)

1.一种基于声光调制器的过焦扫描显微系统，包括：

光源模块(100)，包括声光调制器(4)，用于产生一系列波长可调的单色准直照明光束；

分光模块(200)，用于将所述单色准直照明光束分为第一照明光束和第二照明光束；

样品台(600)，用于固定待测样品并实现待测样品的显微对焦，所述第一照明光束从正面照射至所述待测样品，所述第二照明光束从背面照射至所述待测样品；

采集模块(700)，用于采集光束从正面和背面照射至所述待测样品后形成的显微图像；

测量模块(500)，用于测量所述第一照明光束的波长值，并传送给外部上位机，由外部上位机反馈调控所述光源模块(100)中声光调制器(4)的控制参数，使所述光源模块(100)输出设定波长的单色准直照明光束。

2.根据权利要求1所述的基于声光调制器的过焦扫描显微系统，其中，所述声光调制器(4)采用高质量TeO₂晶体，通光孔径为6～10mm。

3.根据权利要求1所述的基于声光调制器的过焦扫描显微系统，其中，所述光源模块(100)还包括沿光路依次设置的宽光谱高亮光源(1)、多模光纤(2)和光纤准直器(3)，且所述宽光谱高亮光源(1)、所述多模光纤(2)和所述光纤准直器(3)均位于所述声光调制器(4)之前，其中：

所述宽光谱高亮光源(1)，用于提供照明光束；

所述多模光纤(2)，用于将所述照明光束传输至所述光纤准直器(3)；

所述光纤准直器(3)，用于准直所述照明光束，并传输至声光调制器(4)。

4.根据权利要求3所述的基于声光调制器的过焦扫描显微系统，其中，

所述宽光谱高亮光源(1)采用氙灯光源、激光泵浦氙灯或SLED组合光源；

所述多模光纤(2)采用波长适用范围350～800nm、光纤口径600μm～2mm、接口为SMA或FC的铠装高品质多模光纤；

所述光纤准直器(3)采用非球面透镜、多模光纤准直器、复消色差物镜或离轴抛物面镜。

5.根据权利要求1所述的基于声光调制器的过焦扫描显微系统，其中，所述分光模块(200)采用光学分束棱镜。

6.根据权利要求1所述的基于声光调制器的过焦扫描显微系统，该系统在所述分光模块之后还包括第一照明模块(300)和第二照明模块(400)，其中：

所述第一照明模块(300)包括：

第一透镜(6)，用于接收并汇聚所述第一照明光束；

第二分束器(7)，用于将经过所述第一透镜(6)汇聚的第一照明光束分为第三照明光束和第四照明光束，其中，所述第三照明光束进入所述测量模块(500)，所述第四照明光束从正面照射至所述待测样品，在所述待测样品表面形成均匀照明光场，形成落射式科勒照明；

所述第二照明模块(400)包括：

第一反射镜(12)，用于接收所述第二照明光束；

第二反射镜(13)，位于所述第一反射镜(12)之后，与所述第一反射镜(12)共同用于调整所述第二照明光束的传播方向，以得到改变传播方向的第二照明光束；

第二透镜(14)，用于接收并汇聚所述改变传播方向的第二照明光束；

第三透镜(15)，用于接收经第二透镜(14)汇聚后的第二照明光束，以使所述汇聚后的第二照明光束从背面照射至所述待测样品，形成透射式科勒照明。

7.根据权利要求6所述的基于声光调制器的过焦扫描显微系统，其中，所述改变传播方向的第二照明光束经过所述第二透镜(14)汇聚到所述第三透镜(15)的焦平面。

8.根据权利要求6所述的基于声光调制器的过焦扫描显微系统，其中，

所述第一透镜(6)采用胶合透镜、复消色差物镜或非球面透镜；

所述第二分束器(7)采用平板分束镜或薄膜分束镜；

所述第一反射镜(12)和所述第二反射镜(13)采用紫外增强保护铝膜平面反射镜；

所述第二透镜(14)和所述第三透镜(15)采用胶合透镜、复消色差物镜或非球面透镜。

9.根据权利要求6所述的基于声光调制器的过焦扫描显微系统，其中，所述测量模块(500)包括光纤(16)和光谱仪(17)，所述光纤(16)耦合在所述光谱仪(17)上，所述光谱仪(17)用于测量所述第三照明光束的波长值，并传输至外部上位机，由外部上位机反馈调控所述光源模块(100)中声光调制器(4)的控制参数，使所述光源模块(100)输出设定波长的单色准直照明光束。

10.根据权利要求9所述的基于声光调制器的过焦扫描显微系统，其中，所述光纤(16)采用波长适用范围350～800nm、光纤口径600μm～2mm、接口为SMA或FC的铠装高品质多模光纤；

所述光谱仪(17)采用光纤光谱仪或高阶光栅高分辨光谱仪，测量波长范围为380nm～720nm，波长测量精度为0.5nm，波长分辨率为1nm。

11.根据权利要求9所述的基于声光调制器的过焦扫描显微系统，其中，所述声光调制器(4)的控制参数包括输出波长和输出波长半峰宽，所述输出波长的范围为400～700nm，所述输出波长半峰宽为2nm。

12.根据权利要求1所述的基于声光调制器的过焦扫描显微系统，其中，所述样品台(600)采用三轴样品位移台(9)，包括显微镜三轴位移台或手动三轴位移台，通过z轴位移实现待测样品的显微对焦，通过xy轴位移实现待测样品测量区域的查找与定位。

13.根据权利要求1所述的基于声光调制器的过焦扫描显微系统，其中，所述采集模块(700)包括显微物镜(8)、成像镜筒(10)和面阵相机(11)，其中：

所述显微物镜(8)，用于接收所述待测样品形成的显微图像；

所述成像镜筒(10)，用于将所述显微物镜(8)接收的所述显微图像传输至所述面阵相机(11)；

所述面阵相机(11)，用于记录所述成像镜筒(10)传输的所述显微图像。

14.一种应用于权利要求1至13中任一项所述的过焦扫描显微系统的测量方法，包括：

光源模块通过声光调制器产生波长可调的单色准直照明光束；

分光模块将单色准直照明光束分为第一照明光束和第二照明光束；

第一照明光束从正面照射至待测样品，第二照明光束从背面照射至待测样品，其中待测样品固定于样品台并通过样品台的移动实现显微对焦；

采集模块采集第一照明光束和第二照明光束分别从正面和背面照射至待测样品后形成的显微图像；

测量模块测量第一照明光束的波长值并传送给外部上位机，由外部上位机反馈调控光源模块中声光调制器的控制参数，使光源模块输出设定波长的单色准直照明光束；以及

重复执行光源模块产生波长可调的单色准直照明光束，以及采集模块采集对应显微图像的步骤，使采集模块在设定的所有单色波长的单色准直照明光束下，采集待测样品的显微图像序列。

15.根据权利要求14所述的过焦扫描显微系统的测量方法，其中，所述光源模块包括沿光路依次设置的宽光谱高亮光源、多模光纤、光纤准直器和声光调制器，所述光源模块通过声光调制器产生波长可调的单色准直照明光束，包括：

所述宽光谱高亮光源输出照明光束；

所述多模光纤将所述照明光束输入所述光纤准直器；

所述光纤准直器输出准直的照明光束并传输至所述声光调制器；以及

所述声光调制器对准直的照明光束进行调制，产生波长可调的单色准直照明光束。

16.根据权利要求14所述的过焦扫描显微系统的测量方法，其中，第一照明模块包括第一透镜和第二分束器，第二照明模块包括第一反射镜、第二反射镜、第二透镜和第三透镜，所述第一照明光束从正面照射至待测样品，第二照明光束从背面照射至待测样品，包括：

所述第一照明光束经过所述第一透镜的汇聚照射至所述第二分束器，经过所述第二分束器的分束形成第三照明光束和第四照明光束，其中，所述第三照明光束进入所述测量模块，所述第四照明光束从正面照射至待测样品；

所述第二照明光束经过所述第一反射镜和所述第二反射镜的依次反射，改变传播方后照射至所述第二透镜；第二照明光束经过所述第二透镜的汇聚照射至所述第三透镜的焦平面，再经过所述第三透镜的发散以平行光束从背面照射至待测样品。

17.根据权利要求16所述的过焦扫描显微系统的测量方法，其中，所述测量模块包括光纤和光谱仪，所述测量模块测量第一照明光束的波长值并传送给外部上位机，包括：

所述第一照明光束经过所述第二分束器形成第三照明光束；

所述第三照明光束经过所述光纤被传输至所述光谱仪；

所述光谱仪测量所述第三照明光束的波长值，并将所述第三照明光束的波长值传送给外部上位机。

18.根据权利要求14所述的过焦扫描显微系统的测量方法，其中，所述待测样品固定于样品台并通过样品台的移动实现显微对焦，包括：

待测样品通过三轴样品位移台固定于样品台；

所述三轴样品位移台通过xy轴位移实现待测样品测量区域的查找与定位；

所述三轴样品位移台通过z轴位移调节实现显微对焦。

19.根据权利要求14所述的过焦扫描显微系统的测量方法，其中，所述采集模块包括显微物镜、成像镜筒和面阵相机，所述采集模块采集第一照明光束和第二照明光束分别从正面和背面照射至待测样品后形成的显微图像，包括：

所述显微物镜接收第一照明光束和第二照明光束分别从正面和背面照射至待测样品后形成的显微图像；

所述成像镜筒将所述显微图像传输至面阵相机；

所述面阵相机采集所述显微图像，其中，面阵相机通过曝光时间调节实现采集待测样品形成的显微图像。

20.根据权利要求14所述的过焦扫描显微系统的测量方法，其中，所述由外部上位机反馈调控光源模块中声光调制器的控制参数，使光源模块输出设定波长的单色准直照明光束，包括：

外部上位机比对测量模块测量的第一照明光束的波长值与光源模块输出的单色准直照明光束的波长；

外部上位机根据比对结果反馈调控光源模块中声光调制器的控制参数，使光源模块输出设定波长的单色准直照明光束。

21.根据权利要求14所述的测量方法，在所述采集待测样品的显微图像序列之后，还包括：

利用基于样品模型数据的库匹配方法对所述待测样品的显微图像序列进行数据处理。