激光辅助自动聚焦的制作方法

1.本文中公开的示例涉及一种自动聚焦装置以及包括自动聚焦装置的手术显微镜。

背景技术：

2.可以依靠图像的自动聚焦来提供清晰的图像。自动聚焦稳定的延迟或不正确的聚焦可 能很麻烦，而且自动聚焦的确定也不准确，特别是在手术显微镜中。

技术实现要素：

3.改善成像装置(特别是手术显微镜)的自动聚焦能力可能是可取的。本文公开了一种 自动聚焦装置、手术显微镜和相关的使用方法，以解决一些问题，如实现快速且准确的自 动聚焦。
4.公开了一种自动聚焦装置，其包括：可移动的聚焦透镜；激光束，其配置成穿过聚焦 透镜朝向焦点平面；以及检测器，其配置成收集来自焦点平面外的非焦点位置的激光散射。 装置配置成从收集的激光散射确定散射源的非焦点位置；并且装置配置成基于确定的非焦 点位置移动聚焦透镜，使得散射源在焦点平面的原点。自动聚焦装置可以有助于进行快速 且稳健的聚焦调整。
5.自动聚焦装置可以通过确定散射源在平行于焦点平面的非焦点平面中与穿过非焦点平 面和焦点平面的光轴的距离来确定非焦点位置。自动聚焦装置可以有助于进行快速且稳健 的聚焦调整。
6.自动聚焦装置可以将聚焦透镜移动z-距离，该z-距离是基于焦点平面的原点和散射源 的非焦点位置确定的。自动聚焦装置可以有助于进行快速且稳健的聚焦调整。
7.自动聚焦装置可以包括：第二激光束，该第二激光束配置成穿过聚焦透镜朝向焦点平 面。第二激光束可以提高自动聚焦调整的准确性和速度。第一和第二激光束可以定向在焦 点平面的原点处。这些光束可以有助于敏感地检测出失焦图像的物体。
8.自动聚焦装置可以从焦点平面外的第一非焦点位置收集来自第一激光束的第一激光散 射，并从焦点平面外的第二非焦点位置收集第二激光散射。该装置可以从收集的第一和第 二激光散射确定散射源的第一和第二非焦点位置。关于第一和第二激光散射的第一和第二 确定可以提高焦点确定的速度和准确性。
9.自动聚焦装置可以确定在与焦点平面平行的非焦点平面中第一非焦点位置到第二非焦 点位置的距离。这样的确定可以有助于准确地确定散焦的程度和/或可以有助于准确地确定 自动聚焦。
10.自动聚焦装置可以移动聚焦透镜，使得第二激光散射在焦点平面的原点处。这样的移 动可以提供准确的聚焦。
11.自动聚焦装置可以基于焦点平面的原点以及第一和第二非焦点位置，将聚焦透镜移动 z-距离，使得散射源在焦点平面处。这样的移动可以提供准确的聚焦。
12.自动聚焦装置可以包括：控制器，其与检测器以及用于移动聚焦透镜的致动器通
信联 接。检测器可以是阵列检测器。该阵列检测器和控制器可以有助于快速且准确地聚焦。
13.自动聚焦装置可以具有在自动聚焦装置或与自动聚焦装置联接的显微镜中至少一者的 焦点处的原点。原点放置在焦点处可以有助于提供准确的聚焦。
14.自动聚焦装置可以确定在聚焦透镜移动时散射源的非焦点位置的变化，并基于确定的 变化调整聚焦透镜的移动。调整聚焦透镜的移动的能力可以有助于准确且快速的自动聚焦。
15.公开了一种外科显微镜，其包括如本文中所述的自动聚焦装置。手术显微镜可以特别 受益于快速且准确的自动聚焦能力。手术显微镜可以让激光束在显微镜工作距离处汇聚到 焦点平面处。光束在工作距离处汇聚到焦点平面处可以有助于准确且快速的自动聚焦。
16.公开了一种将聚焦透镜聚焦的方法，包括：将激光束穿过聚焦透镜；将激光束定向在 焦点平面处；通过检测器收集来自焦点平面外的非焦点位置的激光散射；从收集的激光散 射确定散射源的非焦点位置；和基于确定的非焦点位置移动聚焦透镜，使得散射源在焦点 平面的原点处。非焦点位置的确定和基于此的透镜移动可以有助于实现快速和准确的自动 聚焦。
17.公开了一种计算机程序，包括根据本文中所述的方法对透镜进行聚焦的指令。
附图说明
18.下面将参考附图通过举例描述设备和/或方法的一些示例，在附图中：
19.图1a和图1b示出了根据本文所述的实施方式的自动聚焦装置；
20.图2a示出了根据本文所述的实施方式的非焦点平面；
21.图2b示出了根据本文所述的实施方式的检测器平面；
22.图3示出了根据本文所述的实施方式的焦点平面和非焦点平面；
23.图4a示出了根据本文所述的实施方式的非焦点平面；
24.图4b示出了根据本文所述的实施方式的检测器平面；
25.图5示出了根据本文所述的实施方式的包括显微镜和计算机系统的系统；
[0026][0027]
图6示出了根据本文所述的实施方式的对透镜聚焦的方法；
[0028]
图7示出了根据本文所述的实施方式的对透镜聚焦的方法的框图；
[0029]
图8示出了根据本文所述的实施方式的对透镜聚焦的方法的框图；以及
[0030]
图9示出了根据本文所述的实施方式的非焦点平面。
具体实施方式
[0031]
现在将参考附图更充分地描述各种示例，附图中示出了一些示例。图不应假定是按比 例的，在这些图中，为了清楚起见，线条、层和/或区域的厚度可能被夸大了。
[0032]
正如本文所使用的，术语“和/或”包括一个或更多个相关列出的项目的任何和所有组 合，并可缩写为“/”。在本文中，拖尾的“(s)”表示一个或更多个；例如，处理器(s) 表示一个或更多个处理器。
[0033]
在本文中，一些方面和/或技术特征是在设备的背景下描述的。在设备的背景下描述的 技术特征也可以理解为例如描述相应的方法。本文中公开了例如操作该设备、操作手术显 微镜和操作手术装置的方法。在方法的背景下描述的方面、步骤和/或技术特征也描述了相 应设备的相应技术特征。例如，可就方法和/或功能描述的确定可由设备的处理器完成。本 文中描述的在方法内执行功能或步骤的设备也是执行该功能和/或方法的公开。
[0034]
图1a示出了根据一个实施方式的自动聚焦装置。该自动聚焦装置100包括可移动的聚 焦透镜130。显示了该装置100的光轴101，该轴101垂直地穿过非焦点平面160朝向焦点 平面150。在图1a中，非焦点平面160被描绘在焦点平面150上方。另选/另外，非焦点 平面160可以在焦点平面150下方。
[0035]
至少有一个激光束111、112朝向焦点平面150穿过聚焦透镜130。可以由可选的分光 镜140来帮助引入激光束111、112。另选/另外，产生光束的激光模块可以在透镜130上 方。检测器120可以收集来自焦点平面150以外的非焦点位置180的激光散射，例如从散 射源188(例如，散射激光束111、112的样品或受关注的物体)收集的激光散射119。检 测器光学元件125可以检测到检测器120处的收集的激光散射119。
[0036]
装置100可以从收集的激光散射119确定散射源188的非焦点位置180，例如，通过控 制器170(例如与检测器120通信联接的处理器)的操作。检测器120可以收集光并将光 转换成信号，该信号可能包括来自激光散射的信号。
[0037]
收集的激光散射119在检测器120上可能是失焦的。检测器120(可以是阵列检测器) 可以允许确定收集的激光散射119的中心和/或边缘。例如，散射光束可以作为亮斑出现在 检测器处。该装置可以通过确定在检测器上的斑的中心和/或边缘来检测位置。
[0038]
装置100可以基于确定的非焦点位置180来移动聚焦透镜130。特别是，装置100可以 移动聚焦透镜130和/或样品台，使散射源188在焦点平面150的原点190处，如图1b中 所描绘的。原点190可以是自动聚焦装置100和/或联接到自动聚焦装置的显微镜的焦点。
[0039]
透镜130的移动可以由控制器170控制，控制器170可以与透镜130通信联接。将散 射源188定位在焦点平面150处(例如通过透镜130的移动)可以聚焦散射源188的图像。 原点190可以是激光束111以及可能更多的激光束(如图1a中描绘的第二激光束112)聚 焦的地方(例如，在光轴101上)。
[0040]
回到图1a，装置100可以从收集的激光散射119确定散射源188的非焦点位置180。 装置100(例如其控制器170)可以确定非焦点位置180。例如，装置100可以通过确定在 非焦点平面160中的散射源188与光轴101的距离来确定非焦点位置180。
[0041]
图2a示出了根据一个实施方式的非焦点平面。图2a可以是图1a的说明，例如，散射 源188在非焦点平面260中的非焦点位置280处的情况。在非焦点平面260中，散射源188 的非焦点位置280与光轴201(例如在光轴201与非焦点平面260相交的点290处)之间 的距离203可由装置100确定，例如由检测器120和/或与该检测器120通信联接的控制器 170确定。由装置100确定的非焦点位置280可以包括距离，例如，光轴201与收集的激 光散射119的位置之间的距离。非焦点位置280也可以包括额外的参数，如角度位置。
[0042]
另选/另外，由装置100确定的距离203可以是在检测器120处平面内的距离203。例 如，距离203确定为光轴101与在检测器120处收集的激光散射119之间的距离。装置100 可以校准，使得在检测器120处的检测位置可以用来确定在非焦点平面160/焦点平面150 中
的位置。位置可以是相对的，例如，相对于光轴101的位置。
[0043]
图2b示出了根据一个实施方式的检测器平面。检测器平面261可以配置成收集来自非 焦点平面260的激光散射。在检测器平面261中收集的激光散射119的非焦点位置281与 光轴201(例如，轴201与非焦点和/或检测器平面261相交的点291)之间的距离2031可 以由装置100确定。例如，在检测器平面261中的距离2031与在非焦点平面260处的距离 203成比例。该比例性可以是已知的，例如通过校准。装置100可以通过确定散射源188 和/或收集的激光散射119在非焦点平面260和/或检测器平面261中与光轴201的距离203、 2031来确定非焦点位置280。
[0044]
例如，在激光束111配置成聚焦在焦点平面150的原点190(例如焦点平面150与光轴 101的交点)处的情况下，可以确定散射源188在非焦点平面160中到光轴101的距离。
[0045]
图1a示出了z-距离102，其可以是非焦点平面160与焦点平面150之间的距离。z-距 离也可以包括方向，例如，向上或向下的方向。另选/另外，z-距离102可以是用于移动透 镜130的距离，这将焦点平面有效地移动到非焦点平面160，例如到散射源188在非焦点 平面160处的位置。再次参考图2a和图2b，在非焦点平面160、260、261(检测器平面) 中，光轴101、201与非焦点位置280、281之间的距离203和/或2031可以用来确定z-距 离102。
[0046]
例如，散射源188可以通过将透镜130移动z-距离102而聚焦。非焦点位置180相对 于光轴101的位置可以用于确定z-距离102。可以基于光轴101、焦点平面150的原点190 (例如光轴上的点)和/或投射到非焦点平面160上的原点190(例如光轴上的点)以及散 射源188的非焦点位置180(例如非焦点平面160上的非焦点位置180)确定z-距离102。 还参考图2a和图2b，可以基于距离203和/或距离2031来确定z-距离102。
[0047]
另选/另外，z-距离102的确定可以包括基于激光束111在参考平面(例如在透镜130 处或上方的平面)处的位置、透镜功率/焦距和/或激光束111与光轴101相交的角度。
[0048]
装置100可以配置成移动聚焦透镜130，使得收集的激光散射119在焦点平面150的原 点190处。检测器120可以配置成检测收集的激光散射119与光轴201的距离203、2031， 例如，用于确定z-距离102。装置100可以基于距离203、2031将聚焦透镜130移动z-距 离102，从而使散射源188处于聚焦状态。
[0049]
参考图2a和图2b，聚焦透镜130的移动和/或z-距离102的确定可以另选/另外基于 从参考点和非焦点位置280、281确定的矢量。参考点可以是光轴101与非焦点平面260和 /或检测器平面261的交点。
[0050]
图3示出了根据一个实施方式的焦点平面和非焦点平面。图3示出了在焦点平面350 处的焦点和/或原点390、位于焦点平面350上方的第一非焦点平面361以及在焦点平面350 下方的第二非焦点平面362。激光束310定向在焦点平面350处。
[0051]
激光束310可以与第一非焦点平面361相交于第一交点处，该第一交点可以是第一非 焦点位置381，可以是失焦散射源的点。示出了在第一非焦点平面361上，在第一交点381 和光轴301之间的第一距离303a。
[0052]“交点”和“非焦点位置”可以互换使用。激光束从散射物体散射出来的点可以称为 非焦点位置。当散射物体不存在时，空间中的同一点(假定装置100的光学配置相同)可 称为交点，例如，激光束与非焦点平面相交并且如果在交点处有散射源存在，则会被散射 的地方。
[0053]
激光束310可以在第二交点和/或第二非焦点位置382处与第二非焦点平面362相交， 第二交点和/或第二非焦点位置382可能是失焦散射源的点。示出了在第二非焦点平面362 上，在第一交点382和光轴301之间的第二距离303b。
[0054]
图3示出了距离303a、303b可以相等的情况。例如，在第一交点381和/或非焦点位 置381处关于散射源188确定的距离303a与在第二交点和/或第二非焦点382处关于散射 源188确定的距离303b相同(距离303a、303b相等)。当距离303a、303b确定时，焦点 平面的位置有两种可能的解决方案。这在本文中称为简并问题。
[0055]
可以用一种或更多种方式处理简并问题。例如，包括散射源188的非焦点平面的确定 可以从光轴301或原点390(或沿轴301投影到非焦点平面361、362上的原点)与非焦点 位置381、382的相对位置来确定。如果非焦点位置361在光轴301的左边，那么非焦点位 置361就在第一非焦点平面361中。如果非焦点位置362在光轴301的右边，那么非焦点 位置362就在第二非焦点平面362中。
[0056]
装置100可以确定差值。例如，可以基于取(i)沿轴301投射到非焦点平面361、362 上的原点的位置和(ii)检测到的散射的位置(例如相关的非焦点位置381、382)之差来 确定差值。沿着与焦点平面350共面并穿过投射到焦点平面350上的位置381、382的方向， 该差值可以是正的或负的。差值的符号可以表示非焦点平面361、362。
[0057]
在确定了距离303a或303b的情况下，自动聚焦装置100可以在任一方向上将聚焦透 镜130(或样品台)移动z-距离。如果选定了方向，并开始移动透镜，则图像将聚焦或进 一步散焦。随着聚焦的改善或变差，控制器120可以酌情致动透镜在同一方向上进一步移 动到聚焦位置，或者可以致动透镜移动的逆转。控制器120可以基于随后对收集的激光散 射119的检测来确定透镜移动。例如，如果确定的距离303a、303b在透镜130移动后增加， 那么移动逆转。
[0058]
例如，如果散射源188在第一非焦点平面361处，而透镜向下移动，则非焦点位置381 远离光轴301移动。在这种情况下，透镜的移动可以被逆转。透镜向上移动使距离303a减 小，直到焦点平面350与散射源188共面，例如，散射源在焦点平面350的原点390处。
[0059]
在另一个示例中，如果散射源188在第二非焦点平面362处，而透镜向下移动，则非 焦点位置382就会向靠近光轴301移动。在这种情况下，透镜的移动可以继续。透镜向下 移动使距离303b减少，直到焦点平面350与散射源188共面，例如散射源在焦点平面350 的原点390处。
[0060]
在另一个示例中，如果散射源188在第一非焦点平面361处，而透镜向上移动，则非 焦点位置381就会靠近光轴301移动。透镜向上移动使距离303a减小，直到焦点平面350 与散射源188共面，例如，散射源在焦点平面350的原点390处。
[0061]
例如，如果散射源188在第二非焦点平面362处，而透镜向上移动，则非焦点位置382 远离光轴301移动。在这种情况下，透镜的移动可以逆转。透镜向下移动使距离303b减少， 直到焦点平面350与散射源188共面，例如散射源在焦点平面350的原点390处。
[0062]
图3中所示的箭头302、303均与距离303a、303b成等比例。箭头302、303可以被视 为z-距离，该距离可以包括方向信息，如符号(正或负，和/或二进制位0或1)和/或方 向成分。透镜120可以移动与箭头302、303给出的z-距离相对应的z-距离，使得焦点平 面350移动到非焦点平面361、362中的任何一者。每个非焦点位置381、382均可以在各 自的非焦点
平面361、362中具有距光轴301相同的绝对距离303a、303b。在确定聚焦透 镜130的移动和/或z方向时，简并距离303a、303b的问题可以通过确定距离303a、303b 是随着透镜130移动而增加还是减少，并在必要时逆转透镜的移动(例如，使确定的距离 303a、303b减少，直到达到聚焦)来解决。
[0063]
自动聚焦装置100可以确定当聚焦透镜130移动时散射源188的非焦点位置381、382 的变化。装置100可以基于确定的变化来调整聚焦透镜130的移动。例如，可以逆转透镜 的移动。另选/另外，如果确认先前的移动方向是朝向更清晰的聚焦(例如距离303a，303b 减少)，则能够加快透镜130的移动。
[0064]
另选/另外，可以相对于光轴101、301确定收集的激光散射119的位置(例如在非焦 点平面160、361、362内的位置)。如在图3中看到的，焦点平面350上方的非焦点平面 361的非焦点位置381(在非焦点平面361内)在光轴301的一侧(左侧)。焦点平面350 下方的非焦点平面362的非焦点位置382在光轴301的相对侧(右侧)。
[0065]
例如，除了距离303a、303b之外，收集的激光散射119的角度位置371、372和/或收 集的激光散射119的位置可以用来确定散射源188的非焦点位置180、381、382。角度位 置371、372可以是垂直于光轴的任何平面(例如垂直于光轴101、301的任何焦点平面或 非焦点平面)中的角度0至360
°
。在图3的示例中，从第一非焦点位置381收集的激光散 射119的角度位置371是0
°
，而从第二非焦点位置382收集的激光散射119的角度位置372 是180
°
。
[0066]
可以从非焦点位置381、382确定收集的激光散射119的角度位置371、372。角度位置 371、372可以用于确定移动透镜130的方向，以改善聚焦。角度位置371、372可以是信 息(例如二进制位0、1)，该信息可以传达从光轴的哪一侧(图3中的左或右)检测到散 射光(例如，非焦点位置381、382中的哪一个)。
[0067]
另选/另外，聚焦透镜130的移动和/或z-距离102的确定可以基于从参考点和非焦点 位置380、381(例如，收集的激光散射119在检测器平面处的位置)确定的矢量。参考点 可以是光轴301与非焦点平面360,361和/或检测器平面的交点。
[0068]
回到图1进行示例性说明，装置100可以包括控制器170，该控制器与检测器120通信 联接。控制器170可以确定散射源188的非焦点位置180、280、281、381、382(例如， 基于从检测器120接收到的数据)。控制器170可以确定z-距离102。控制器170也可以与 透镜130和/或台通信联接，以进行移动。控制器170可以与用于移动聚焦透镜130的致动 器通信联接。
[0069]
如图1所示，装置100可以包括多于一个的激光束111、112，如第一激光束111和第 二激光束112。检测器120可以从焦点平面150之外的多于一个的非焦点位置180收集激 光散射。例如，可以从收集的激光散射119确定第一和第二非焦点位置，该散射是在第一 和第二激光束从散射源188散射时产生的。
[0070]
图4a示出了根据一个实施方式的非焦点平面。图4a示出了非焦点平面460。光轴401 垂直穿过非焦点平面460。第一激光束111和第二激光束112在第一非焦点位置480处和 第二非焦点位置485处与非焦点平面460相交。检测器120可以收集来自第一激光束111 的第一激光散射419a和来自第二激光束112的第二激光散射491b(例如来自非焦点平面 460处的散射源188)。装置100可以从收集的激光散射491a、491b(例如第一激光散射491a 和第二激光散射491b)确定散射源188的第一非焦点位置480和第二非焦点位置485。控 制器170
是在光轴101处相遇。这种情况可能是由于不完美的光学对准造成的。例如，这种偏移可 能在预期的公差范围内。
[0078]
装置100可以确定在非焦点平面460中第一非焦点位置480到第二非焦点位置485的 距离。自动聚焦装置100配置成当聚焦透镜130移动时，确定散射源的非焦点位置的变化， 并基于确定的变化调整聚焦透镜的移动。
[0079]
在具有多于一个的激光束111、112的实施方式中，激光束可以在空间上布置成它们在 光轴周围彼此呈180
°
。这样的布置可以使聚焦更加敏感。当光束111、112以180
°
汇聚/发 散时，在非焦点平面处光束111、112之间的距离比其他布置(小于180
°
)更大。敏感度是 期望的。当光束111、112呈180
°
时(例如在12点钟位置和6点钟位置)，关于两个或更多 个非焦点位置480，485能够出现简并距离403的问题。简并问题可以按照本文的解释进行 处理。
[0080]
当光束放置不那么对称时，光束相对于光轴的相对位置可以变化，从而避免简并问题。 当光束111、112穿过透镜120时，两个光束111、112可以处于90
°
的角度位置(例如12 点钟和3点钟的位置)。在焦点平面上方的非焦点平面处，光束在12点钟和3点钟的位置。 在焦点平面下方的非焦点平面处，光束在6点钟和9点钟的位置。其他不对称的光束放置 也是可能的。
[0081]
另一种可能性是使用可以相互区别的激光束111、112。例如，激光器可以具有不同的 波长。另选/另外，一个或更多个光束的调制方式可以与另一个光束不同。
[0082]
自动聚焦装置100可以重复确定散射源188的非焦点位置，从而更新聚焦和/或逆转透 镜移动。
[0083]
例如，手术显微镜可以使用自动聚焦装置100，并且手术显微镜可以灵活地定位。由于 物体高度的变更，在x、y中重新定位显微镜会导致失焦。自动聚焦会触发，例如，随着图 像/视场在x、y平面中的移动。
[0084]
自动聚焦装置和方法可以在以下条件下操作，即样品(例如散射源)至少在局部(例 如在装置和/或显微镜的直接视场内)相对于光轴任意取向。在本文中，自动聚焦装置和方 法可以操作成假定散射源在垂直于光轴的平面中延伸。
[0085]
一些实施方式涉及到包括关于图1至图4和图5至图9中的一者或更多者描述的装置 的显微镜。另选地，显微镜可以是关于图1至图4和图5至图9中的一者或更多者描述的 系统的一部分或与之连接。
[0086]
图5是系统500的示意图，该系统配置成执行本文中所述的方法。该系统500包括： 显微镜510，例如手术显微镜(例如可以包括自动聚焦装置100)；和计算机系统520。显 微镜510配置成拍摄图像并与计算机系统520连接。计算机系统520配置成执行本文中所 述方法的至少一部分。计算机系统520可以配置成执行机器学习算法。计算机系统520和 显微镜510可以是独立的实体，但也可以集成在一个共同的壳体中。计算机系统520可以 是显微镜510的中央处理系统的一部分和/或计算机系统520可以是显微镜510的子部件的 一部分(例如显微镜510的传感器、执行器、照相机或照明单元等)。
[0087]
在本文中，控制器170可以是计算机系统520的一部分，反之亦然。计算机系统可以 从检测器120收集图像。计算机系统520可以从图像中确定激光散射的位置，例如，用于 确定收集的激光散射的非焦点位置。
[0088]
可以存储校准(例如，存储在计算机存储器中)，以便能够从检测器120中收集的激
光 散射的位置确定散射源在非焦点平面中的非焦点位置。可以存储至少一个校准，以便从来 自检测器120的图像数据中确定z-距离和/或透镜移动(例如，如本文所述，通过使用距 离、矢量和/或参考位置)。
[0089]
计算机系统520可以是具有一个或更多个处理器以及一个或更多个存储装置的本地计 算机装置(例如，个人计算机、笔记本电脑、平板电脑或移动电话)，或者可以是分布式计 算机系统(例如，具有分布在不同地点(例如在本地客户端和/或一个或更多个远程服务器 场和/或数据中心)的一个或更多个处理器以及一个或更多个存储装置的云计算系统)。计 算机系统520可以包括任何电路或电路的组合。在一个实施方式中，计算机系统520可以 包括一个或更多个任何类型的处理器。如本文中所使用的，处理器可以指任何类型的计算 电路，例如但不限于显微镜或显微镜部件(如照相机)的微处理器、微控制器、复杂指令 集计算(cisc)微处理器、简化指令集计算(risc)微处理器、超长指令字(vliw)微处 理器、图形处理器、数字信号处理器(dsp)、多核处理器、现场可编程门阵列(fpga)或 任何其他类型的处理器或处理电路。可以包括在计算机系统520中的其他类型的电路可以 是定制电路、应用专用集成电路(asic)等，例如，用于移动电话、平板电脑、笔记本电 脑、双向无线电和类似电子系统等无线装置的一个或更多个电路(如通信电路)。计算机系 统520可以包括一个或更多个存储装置，这些存储装置可以包括适合特定应用的一个或更 多个存储元件，例如随机存取存储器(ram)形式的主存储器、一个或更多个硬盘和/或一 个或更多个处理可移动介质的驱动器，可移动介质例如是光盘(cd)、闪存卡、数字视频磁 盘(dvd)等。计算机系统520还可以包括显示装置、一个或更多个扬声器以及键盘和/或 控制器，其可以包括鼠标、轨迹球、触摸屏、语音识别装置或任何其他允许系统用户向计 算机系统520输入信息和从该计算机系统接收信息的装置。
[0090]
一些或所有的方法步骤可以由(或使用)硬件设备(例如处理器、微处理器、可编程 的计算机或电子电路)执行。在一些实施方式中，最重要的方法步骤中的某一个或更多个 可以由这样的设备执行。
[0091]
根据某些实施要求，本发明的实施方式可以在硬件或软件中实施。可以使用非暂时性 存储介质来执行该实施，非暂时性存储介质例如是数字存储介质(例如软盘、dvd、蓝光、 cd、rom、prom和eprom、eeprom或flash存储器)，其上存储有电子可读控制信号，它们 与可编程计算机系统合作(或能够合作)，从而执行相应的方法。因此，该数字存储介质可 以是计算机可读的。
[0092]
根据本发明的一些实施方式包括具有电子可读控制信号的数据载体，这些数据载体能 够与可编程的计算机系统合作，从而执行本文中所述的方法之一。
[0093]
一般来说，本发明的实施方式可以作为具有程序代码的计算机程序产品来实施，当计 算机程序产品在计算机上运行时，该程序代码可操作成用于执行其中一个方法。例如，该 程序代码可以存储在机器可读载体上。
[0094]
其他实施方式包括用于执行本文中所述方法之一的计算机程序，该计算机程序存储在 机器可读载体上。
[0095]
本发明的一个实施方式是计算机程序，该计算机程序具有当该计算机程序在计算机上 运行时用于执行本文所述方法之一的程序代码。
[0096]
因此，本发明的另一个实施方式是一种存储介质(或数据载体或计算机可读介
质)，该 存储介质包括存储在其上的计算机程序，用于在由处理器执行该程序时执行本文中所述方 法之一。数据载体、数字存储介质或记录介质通常是有形的和/或非过渡性的。本发明的另 一个实施方式是如本文中所述的设备，该设备包括处理器和存储介质。
[0097]
因此，本发明的另一个实施方式是代表用于执行本文中所述方法之一的计算机程序的 数据流或信号序列。例如，该数据流或信号序列可以配置成经由数据通信连接(例如经由 互联网)传输。
[0098]
另一个实施方式包括处理手段(例如，计算机或可编程逻辑装置)，其配置成或适合于 执行本文中所述的方法之一。
[0099]
另一个实施方式包括计算机，该计算机上安装有用于执行本文所述方法之一的计算机 程序。
[0100]
根据本发明的另一个实施方式包括设备或系统，该设备或系统配置成将用于执行本文 中所述方法之一的计算机程序传输(例如，电子或光学方式)到接收器。例如，接收器可 以是计算机、移动装置、存储装置等。例如，该设备或系统可以包括文件服务器，用于将 计算机程序传输给接收器。
[0101]
在一些实施方式中，可以使用可编程逻辑装置(例如，现场可编程门阵列)来执行本 文中所述方法的部分或全部功能。在一些实施方式中，现场可编程门阵列可以与微处理器 合作，以执行本文中所述的方法之一。一般来说，这些方法优选由任何硬件设备来执行。
[0102]
图6示出了根据一个实施方式的将透镜聚焦的方法。该方法600包括：使激光束穿过 聚焦透镜610；将激光束定向在焦点平面620；由检测器从焦点平面外的非焦点位置收集激 光散射630；从收集的激光散射确定散射源的非焦点位置640；以及基于确定的非焦点位置 移动650聚焦透镜，使散射源处于焦点平面的原点。图6的方法600示出了关于本文中所 述的自动聚焦装置100(例如，在手术显微镜中实施)描述的方法。
[0103]
图7示出了根据一个实施方式对透镜进行聚焦的方法。图7的方法700示出了关于本 文中所述的自动聚焦装置100(例如，在手术显微镜中实施)描述的方法。图7的方法700 使用至少两个激光束111、112。该方法700包括开始710；读取图像720(例如用检测器 120)；检测激光730；并确定是否检测到两个或更多个激光散射信号740。在没有检测到激 光时，确定图像是否聚焦742，例如在检测到一个激光散射信号时(例如在光轴处)。在图 像确定为聚焦时，方法结束749。在两个激光散射信号在焦点平面150中的位置在测量误 差之内时，也可以发生确定聚焦和方法结束749。测量误差可以考虑到估计的样品粗糙度。
[0104]
如果确定图像不处于聚焦(例如如果没有检测到激光)，则选择(例如从存储器中选择) 焦点位置和/或工作距离746。透镜120可以移动到选定的焦点位置748。随后，该方法返 回到读取图像720的步骤。
[0105]
如果检测到两个或更多个的激光散射信号740，该方法继续确定非焦点位置的位置750。 步骤750处可以确定激光散射信号和/或每个信号与光轴之间的距离和/或矢量。750处的 确定用来估计z-距离760。确定z-距离是否与先前的解决方案一致770。例如，z-距离可 能具有两个解决方案，特别是当非焦点位置的确定具有关于z-距离的两个简并解决方案时。 如果可确定的z-距离解决方案中没有一个确定770已经是以前的解决方案，那么就选择一 者775，然后该方法继续移动到选定的焦点位置748，接着在720处读取另一个图像
……
。
[0106]
如果在步骤770处，z-距离之一已经是以前的解决方案，那么就选择有效的解决方案 780。z-距离(或绝对z-位置)的有效解决方案可以是以前的解决方案，特别是在x、y位 置是以前的焦点位置的情况下。另选地，z-距离的有效解决方案可以是先前未选择的简并 解决方案，在透镜移动时，该方案导致检测到的激光散射的非焦点位置的距离增加而不是 减少。一旦选择了有效的解决方案780，该方法继续移动到选定的焦点位置748，接着在 720处读取另一个图像
……
。
[0107]
图8示出了根据一个实施方式对透镜进行聚焦的方法。图8的方法800示出了关于本 文中所述的自动聚焦装置100(例如，在手术显微镜中实施)描述的方法。该方法800开 始810，读取图像820，并确定是否检测到激光散射840。如果没有检测到激光散射，则选 择(例如，从存储器中选择)焦点位置和/或工作距离846。透镜120可以移动到选定的焦 点位置848。随后，该方法返回到读取图像820的步骤。
[0108]
如果检测到激光散射信号840，该方法继续确定散射的激光信号的位置850。如果图像 聚焦(例如，在散射信号在光轴上时)，方法结束849(例如，直到显微镜移动，使得可再 次触发开始810)。
[0109]
如果确定850图像不处于聚焦状态，则确定距离860，例如，激光散射的位置和光轴之 间的距离。另选/另外，确定检测到的激光散射物的位置和参考位置之间的矢量。距离/矢 量的确定860用来确定z-距离870。z-距离的确定用于移动到聚焦位置(例如将透镜位置 设置为工作距离)848，随后在820处读取另一个图像
……
。
[0110]
在步骤850处可以确定激光散射信号和/或每个信号与光轴之间的距离和/或矢量。在 850处的确定用来估计z-距离860。
[0111]
图9示出了根据一个实施方式的非焦点平面。图9可以示出本文中所描述的非焦点平 面的另选/附加特征(例如相对于其他图而言)。图9示出了激光间距离905，例如，在非 焦点平面960中的第一激光束911和第二激光束912之间的距离。图9还示出了基线906， 该基线可以是激光束911、912之间在聚焦透镜处或上方的固定距离。例如，当基线906和 透镜的工作距离907是已知的，并且激光间距离905是确定的(例如由控制器170通过分 析来自检测器的信号/数据)时，物体距离908(例如到非焦点平面960的距离)可以确定。 移动焦点的z-距离也可以确定。在下面的方程式中，wd代表工作距离(例如，从照相机/ 显微镜的前边缘和/或前透镜到焦点的距离)。
[0112][0113]
wd可另选/另外地视为在焦点处汇聚激光的距离(如样品与显微镜、照相机和/或前透 镜之间的距离)。
[0114]
当确定物体距离后，可以将透镜移动z-距离，使物体距离(例如，从照相机/显微镜的 前边缘和/或前透镜到散射源)与wd相同。当物体处于工作距离时，其就处于聚焦状态。 另选/另外，样品可以移动，从而使物体距离和工作距离相等。在又一个示例中，工作距离 是可调整的，从而工作距离可以改变，以匹配到物体的距离(例如，当使用可变焦距透镜 时)。
[0115]
在本文中，与确定散射源188的位置有关的描述可以利用来自图像平面的数据，例如， 由检测器在检测器平面处获得的信息。图像平面可以提供焦点平面、非焦点平面和/或z‑ꢀ
距离的信息(例如以检测到的激光散射的位置、光轴的位置和/或其组合的形式)。
[0116]
在本文中，z-距离可以指非焦点平面和焦点平面之间的距离。z-距离可以具有方向性 的成分(z-距离可以包括z-方向和/或关于方向的信息)。另外/另选，z-距离可以指可移 动透镜移动成使得焦点平面移动所需的距离和/或方向(例如到非焦点平面的位置、例如包 括散射源的位置)的距离。
[0117]
在本文，在垂直于光轴的平面内确定的距离可以包括方向信息。方向信息可以是相对 于在检测器平面处的原点的信息，例如，一个或更多个二进制位来表示方向信息。方向信 息可用于确定z-距离的方向，例如以确定一个以上的非焦点平面中的哪一者与散射源的位 置相对应，从而例如解决本文所述的简并问题。
[0118]
本文中，关于“非焦点位置”和光轴的确定可以指垂直于光轴的非焦点平面中的非焦 点位置。非焦点位置可以用于确定从非焦点位置到非焦点平面的与光轴相交的点的距离和/ 或差值，以例如确定可包括方向信息的距离，例如为了确定z-距离、例如，以达到聚焦的 透镜移动。
[0119]
在本文中，通过透镜移动的聚焦可以另选通过样品的移动来完成。
[0120]
上文公开的示例是说明性的，并不意图限制。给出附图标记是为了帮助理解本发明， 并且是为了说明而非限制之目的。本发明由所附的权利要求书及其等效物限定。为方便起 见，提供了附图标记列表，其并不意图限制。
[0121]
附图标记列表
[0122]
自动聚焦装置 100
[0123]
光轴 101
[0124]
z-距离 102
[0125]
激光束 111
[0126]
第二激光束 112
[0127]
收集的激光散射 119
[0128]
检测器 120
[0129]
检测器光学元件 125
[0130]
聚焦透镜 130
[0131]
分光镜 140
[0132]
焦点平面 150
[0133]
非焦点平面 160
[0134]
控制器 170
[0135]
非焦点位置 180
[0136]
散射源 188
[0137]
原点 190
[0138]
光轴 201
[0139]
距离 203
[0140]
非焦点平面 260
[0141]
非焦点平面 261
[0142]
非焦点位置 280
[0143]
非焦点位置 281
[0144]
点 290
[0145]
点 291
[0146]
光轴 301
[0147]
箭头 302
[0148]
箭头 303
[0149]
激光束 310
[0150]
焦点平面 350
[0151]
第一焦点平面 361
[0152]
第二焦点平面 362
[0153]
角度位置1 371
[0154]
角度位置2 372
[0155]
第一交点 381
[0156]
第二交点 382
[0157]
原点 390
[0158]
光轴 401
[0159]
距离 403
[0160]
非焦点平面 460
[0161]
检测器平面 461
[0162]
第一非焦点位置 480
[0163]
第一非焦点位置 481
[0164]
第二非焦点位置 485
[0165]
第二非焦点位置 486
[0166]
系统 500
[0167]
显微镜 510
[0168]
计算机系统 520
[0169]
聚焦的方法 600
[0170]
穿过光束 610
[0171]
对光束定向 620
[0172]
收集散射 630
[0173]
确定位置 640
[0174]
移动透镜 650
[0175]
聚焦的方法 700
[0176]
开始 710
[0177]
读取图像 720
[0178]
检测激光 730
[0179]
确定散射 740
[0180]
确定焦点 742
[0181]
选择焦点 746
[0182]
移动透镜 748
[0183]
结束 749
[0184]
检测散点 750
[0185]
估计z-距离 760
[0186]
确定先前的解决方案 770
[0187]
选择解决方案 775
[0188]
选择解决方案 780
[0189]
聚焦的方法 800
[0190]
开始 810
[0191]
读取图像 820
[0192]
确定散点 840
[0193]
选择焦点位置 846
[0194]
移动到焦点选择 848
[0195]
结束 849
[0196]
确定不聚焦 850
[0197]
确定距离 860
[0198]
确定z-距离 870
[0199]
非焦点平面 900
[0200]
距离 905
[0201]
基线 906
[0202]
工作距离 907
[0203]
物体距离 908
[0204]
第一光束 911
[0205]
第二光束 912
[0206]
非焦点平面 960
[0207]
距离 2031
[0208]
距离 4031
[0209]
距离 303a
[0210]
第二距离 303b
[0211]
第一激光散射 419a
[0212]
第二激光散射 419b

技术特征：

1.一种自动聚焦装置(100)，包括：可移动的聚焦透镜(130)；激光束(111)，其配置成穿过所述聚焦透镜(130)朝向焦点平面(150)；以及检测器(120)，其配置成收集来自所述焦点平面(150)外的非焦点位置(180)的激光散射，其中所述装置(100)配置成从收集的激光散射(119)确定散射源(188)的所述非焦点位置(180)；并且所述自动聚焦装置(100)配置成基于确定的非焦点位置(180)移动所述聚焦透镜(130)，使得所述散射源(188)在所述焦点平面(150)的原点(190)处。2.根据权利要求1所述的自动聚焦装置(100)，其中所述自动聚焦装置配置成通过确定所述散射源(188)在平行于所述焦点平面(250)的非焦点平面(160)中与穿过所述非焦点平面(160)和所述焦点平面(150)的光轴(101)的距离(103)来确定所述非焦点位置(180)。3.根据前述权利要求中任一项所述的自动聚焦装置(100)，其中所述自动聚焦装置配置成将所述聚焦透镜(130)移动z-距离(102)，所述z-距离(102)是基于所述焦点平面(150)的原点(190)和所述散射源(188)的非焦点位置(180)确定的。4.根据权利要求1所述的自动聚焦装置(100)，进一步包括：第二激光束(112)，所述第二激光束配置成穿过所述聚焦透镜(130)朝向所述焦点平面(150，250)；其中所述激光束是第一激光束(111)。5.根据权利要求4所述的自动聚焦装置(100)，其中所述第一激光束和所述第二激光束(111，112)配置成定向在所述焦点平面(150)的原点(190)处。6.根据权利要求4或5所述的自动聚焦装置(100)，其中所述自动聚焦装置(100)配置成使得来自所述非焦点位置(180)的所述收集的激光散射(119)是来自所述第一激光束(111)的第一激光散射(419a)，并且所述非焦点位置是第一非焦点位置(480)，其中所述检测器(120)配置成收集来自所述焦点平面(150)外的第二非焦点位置(485)的第二激光散射(419b)，并且所述自动聚焦装置(100)配置成从收集的第二激光散射(419b)确定所述散射源(188)的第二非焦点位置(485)。7.根据权利要求6所述的自动聚焦装置(100)，其中所述自动聚焦装置配置成确定在平行于所述焦点平面的非焦点平面(460)中所述第一非焦点位置(480)到所述第二非焦点位置(485)的距离(403)。8.根据权利要求6至7中任一项所述的自动聚焦装置(100)，其中所述自动聚焦装置配置成移动所述聚焦透镜(130)，使得所述第二激光散射(419b)在所述焦点平面(150)的原点(190)处。9.权利要求6至8中任一项所述的自动聚焦装置(100)，其中
所述自动聚焦装置配置成基于所述焦点平面(150)的原点(190)以及所述第一非焦点位置和所述第二非焦点位置(480，485)，将所述聚焦透镜(130)移动z-距离(102)，使得所述散射源(188)在所述焦点平面(150)处。10.根据前述权利要求中任一项所述的自动聚焦装置(100)，进一步包括：控制器(170)，其与所述检测器(120)以及用于移动所述聚焦透镜(130)的致动器通信联接，其中所述检测器是阵列检测器。11.根据前述权利要求中任一项所述的自动聚焦装置(100)，其中所述原点(190)是所述自动聚焦装置或与所述自动聚焦装置(100)联接的显微镜中至少一者的焦点。12.根据前述权利要求中任一项所述的自动聚焦装置(100)，其中所述自动聚焦装置配置成确定在所述聚焦透镜(130)移动时所述散射源(188)的非焦点位置(180)的变化，并基于确定的变化调整所述聚焦透镜(130)的移动。13.一种外科显微镜，包括：根据前述权利要求中任一项所述的自动聚焦装置(100)，其中所述激光束(111)配置成在所述显微镜的工作距离处汇聚到所述焦点平面(150)处。14.一种将聚焦透镜(130)聚焦的方法(600)，包括：将激光束(111)穿过(610)所述聚焦透镜(130)；将所述激光束(111)定向(620)在所述焦点平面处；通过检测器收集(630)来自所述焦点平面外的非焦点位置的激光散射；从收集的激光散射确定(640)所述散射源的非焦点位置；和基于确定的非焦点位置移动(650)所述聚焦透镜(130)，使得所述散射源在所述焦点平面的原点处。15.一种计算机程序，包括根据权利要求15所述的方法对透镜进行聚焦的指令。

技术总结

公开了一种自动聚焦装置，其包括可移动的聚焦透镜。激光束穿过所述聚焦透镜朝向焦点平面；并且检测器收集来自焦点平面外的非焦点位置的激光散射。装置从收集的激光散射确定散射源的非焦点位置；并且基于确定的非焦点位置移动聚焦透镜，使得散射源在所述焦点平面的原点处。处。处。

技术研发人员：

米格尔

受保护的技术使用者：

徕卡仪器（新加坡）有限公司

技术研发日：

2022.05.18

技术公布日：

2022/11/22