本發明涉及用于圖像掃描的方法和裝置，尤其涉及但不限于虛擬顯微鏡的使用。

背景技術：

圖1示出了現有技術公知的用于圖像掃描的虛擬顯微鏡的典型布置。該布置包括成像透鏡1，成像透鏡1將源自于滑板6的光聚焦到行掃描檢測器2上。成像透鏡和行掃描檢測器一起構成了成像系統。由于檢測器2是行掃描檢測器，所以圖像區域7是線型。為了在滑板6的較大面積上生成擴展圖像，使滑板相對于成像透鏡和行掃描檢測器移動，如箭頭8所示。從該意義上講，滑板被行掃描檢測器“掃描”。

行掃描檢測器通常用于對在滑板上準備的樣品進行成像。該樣品可以為例如生物標本。通常，待成像樣品將具有不均勻的表面形態，該樣品的聚焦變動(focusvariation)大于成像系統的景深。通常，滑板的單次掃描寬度大約為1mm且長度在2mm和60mm之間。在1mm的級別上，樣品的焦距幾乎不超過成像系統的焦深(通常大約為1μm)。然而，在諸如20mm的較大距離上，樣品的聚焦變動會超過成像系統的景深。因此，存在這樣的問題：由于樣品的表面形態的變化，行掃描檢測器在掃描樣品的同時所生成的輸出圖像很可能具有焦點對準區域以及焦點未對準區域。這是不可接受的，尤其在需要樣品的精確分析的情況下。

已經進行了各種嘗試來克服該問題。例如，us7518652披露了焦點地圖的使用，其中在掃描期間成像系統的焦點的調節是預先確定的。然而，這要求在掃描開始之前對整個樣品進行非常耗時的分析，否則僅樣品上的特定點被取得，因此點之間的區域不可能具有好的聚焦。

us7485834披露了在樣品掃描的過程中暫時地改變成像透鏡的焦點以查看是否存在更好的焦點位置。然而，隨著樣品的掃描速度增大，這意味著移動成像透鏡來搜索更好的焦點位置的時間更短。這意味著不得不將掃描速度保持在一定速度以下，或者不得不在更多條成像行上方改變成像透鏡的位置，這樣更難以在整個范圍內對圖像進行插值。這兩種方案都不可取。

us7330574公開了一種2d成像檢測器，其在掃描方向上傾斜，使得在掃描期間成像系統的最佳焦點平面與樣品的表面相交。對于每幀圖像，樣品移動一幀或少量幀，從而構建樣品的3d掃描，該3d掃描能夠用于焦點計算。這是在掃描之前完成的，就好像在掃描期間執行該處理，2d掃描儀所要求的數據率將更大。

因此，存在如下需求：改進成像掃描期間樣品的聚焦使得能夠快速地且焦點對準地掃描樣品。

技術實現要素：

依照本發明的第一方案，提供一種估計圖像掃描裝置中的目標的焦點對準水平的方法，其中所述圖像掃描裝置包括第一行掃描檢測器和第二行掃描檢測器，所述第一行掃描檢測器被構造成獲得所述目標的一個或多個圖像掃描行，所述第二行掃描檢測器被構造成獲得所述目標的一個或多個焦點掃描行，所述方法包括：利用所述第一行掃描檢測器來獲得目標的至少一個圖像掃描行，至少一個圖像掃描行的每一者是在相應的焦點水平處獲得的；利用第二行掃描檢測器來獲得所述目標的至少一個焦點掃描行，至少一個焦點掃描行的每一者是在相應的焦點水平處獲得的；至少利用所述至少一個焦點掃描行來計算至少一個焦點參數；以及利用計算出的焦點參數來估計所述目標的一個或多個標稱焦點對準水平。

此處，術語“水平”能夠視為類似于“位置”，使得標稱焦點對準水平是當對目標進行成像時所述圖像掃描裝置的焦平面的位置。優選地，第一行掃描檢測器可操作以獲得所述目標的期望焦點對準的輸出圖像，并且因此，該方法優選地還包括：將第一行掃描檢測器的焦點水平調節至所述目標的標稱焦點對準水平。換言之，調節第一行掃描檢測器的位置，使得第一行掃描檢測器處于所述圖像掃描裝置的焦平面并且使目標因此焦點對準。

有益地，本發明能快速且容易地獲得目標的焦點對準水平，從而允許獲得目標的焦點對準圖像。當目標相對于圖像掃描裝置移動而使得第一和第二行掃描檢測器一次“掃描”目標一行時，這樣尤其有益。目標(可以為例如滑板上的生物標本)可以具有起伏結構，該起伏結構具有變化的形態，當圖像掃描裝置對變化的形態進行掃描時，起伏結構將改變其焦點對準水平。因此，能夠快速且精確地估計焦點對準水平是有益的。

至少一個焦點參數是在特定焦點水平處將行掃描檢測器的焦點水平與圖像掃描行“焦點對準”程度的度量關聯起來的手段。焦點參數可以呈多種形式，但是優選的是焦點參數是具有表示焦點對準水平的最大值的“聚焦評價”值。聚焦評價值將圖像掃描行“焦點對準”程度映射到數值標度上。例如，完全地焦點對準的圖像掃描行將具有聚焦評價值“1”，而完全地非焦點對準的圖像掃描行將具有聚焦評價值“0”。

利用第二行掃描檢測器獲得至少一個焦點掃描行意味著，不必通過使第一行掃描檢測器移動到獲得焦點對準水平為止來得到焦點對準水平。這是非常耗時的操作且是不期望發生的。例如，通過使用僅一個行掃描檢測器，在檢測器移動到獲得期望的焦點水平時“犧牲”了行圖像。單獨的焦點行掃描的使用允許快速估計焦點對準水平，而無需行圖像的所述“犧牲”。

本發明的方法包括：至少利用所述至少一個焦點掃描行來計算至少一個焦點參數。重要的是，至少一個焦點參數是從至少一個焦點掃描行獲得的從而估計焦點對準水平。在一些實施例中，可僅利用從一個或多個焦點掃描行獲得的一個或多個焦點參數而無需使用圖像掃描行來估計焦點對準水平。當目標在由行掃描檢測器所成像的整個區域上基本均勻時，這樣效果最佳。然而，還可以通過將從至少一個焦點掃描行計算得到的焦點參數與從至少一個圖像掃描行計算得到的焦點參數進行比較來估計焦點對準水平。在一些實施例中，可以利用多個焦點掃描行來獲得多于一個焦點參數，而可利用單個圖像掃描行來計算僅一個焦點參數。相反的情形也是正確的。在其它實施例中，可以利用多個焦點掃描行來計算多個焦點參數，并且可利用多個圖像掃描行來計算多個焦點參數。方法可使用上述可能的任意組合。

該方法還可包括利用所述至少一個圖像掃描行或另外地所述焦點掃描行來計算至少一個另外的焦點參數的步驟。例如，另外的焦點參數可以從圖像掃描行獲得。通過確保至少一個焦點掃描行的焦點水平不同于至少一個圖像掃描行的焦點水平，能夠將該另外的焦點參數與利用焦點掃描行計算出的焦點參數進行比較，從而估計焦點對準水平。優選地，將焦點參數歸一化(通常歸一化為從圖像掃描行計算得到的焦點參數)。在不同焦點水平的兩個焦點參數的同時計算允許尤其快速且精確的焦點對準水平估計。可替代地，可以從焦點水平與第一焦點掃描行的焦點水平不同的另外的焦點掃描行來獲得另外的焦點參數。然后，可以利用來自焦點掃描行的兩個焦點參數來估計焦點對準水平。

計算步驟還可以包括：利用相應的至少一個圖像掃描行和至少一個焦點掃描行來計算所述第一行掃描檢測器和所述第二行掃描檢測器中的每一者的至少一個焦點參數。例如，可利用圖像掃描行獲得第一行掃描檢測器的焦點參數，并且可利用焦點掃描行獲得第二行掃描檢測器的焦點參數。可對這些焦點參數進行比較以便估計焦點對準水平。可替代地，例如，可以為第二行掃描檢測器獲得多個焦點參數，并且可以為第一行掃描檢測器獲得多個焦點參數。作為另一實例，可以為第二行掃描檢測器計算多個焦點參數，并且可以為第一行掃描檢測器計算單個焦點參數。

通過確保第一行掃描檢測器的焦點水平和第二行掃描檢測器的焦點水平不同(例如，第二行掃描檢測器可置于比第一行掃描檢測器距目標短的光路路徑處)，可以利用為第一和第二行掃描檢測器計算出的焦點參數來估計標稱焦點對準水平。可以簡單地比較焦點參數以便估計焦點對準水平。例如，如果焦點掃描行的聚焦評價值小于圖像掃描行的聚焦評價值，則焦點對準水平在第一行掃描檢測器之上(即，第一行掃描檢測器位于目標和焦點對準水平之間)，或者已經處于焦點對準水平。因此，通過使用與第一行掃描檢測器處于不同焦點水平處的第二行掃描檢測器，同時獲得兩個可比較的焦點參數，并且能夠快速地估計目標的焦點對準水平。

獲得至少一個焦點掃描行的步驟通常包括：調制第二行掃描檢測器的焦點水平，使得在不同焦點水平處獲得多個焦點掃描行。在這種情況下，通常計算多個焦點參數，即對于第二行掃描檢測器的多個焦點水平中的每一者計算一個焦點參數。這些多個焦點參數優選地被歸一化成從圖像掃描行獲得的焦點參數并且用于生成“聚焦評價曲線”，該曲線繪制了在每個焦點水平處獲得的聚焦評價對焦點水平。然后，該曲線的最大值能夠用于估計目標的焦點對準水平，并且第一行掃描檢測器朝向該最大值移動。有益地，調制第二行掃描檢測器的焦點水平免除了對處于不同焦點水平的多個行掃描檢測器的需要，這將減少入射到第一行掃描檢測器上的光量從而降低圖像質量。

存在多種調制第二行掃描檢測器的焦點水平的方法，下文將更加詳細的討論。

圖像掃描行和焦點掃描行可以從穿過目標且具有平面法線(限定光軸)的平面內的共同位置獲得，第一和第二行掃描檢測器中的每一者沿著光軸接收圖像信息，從而生成所述相應的圖像掃描行和焦點掃描行。可利用分束器將圖像信息反射至所述行掃描檢測器中的一者。這確保在分束器生成目標上的同一空間位置處的兩個圖像時第一和第二行掃描檢測器中的每一者同時對目標上的同一空間位置進行成像。分束器還可用于將圖像信息引導至處于與第一和第二行掃描檢測器的焦點水平不同的另外焦點水平的第三行掃描檢測器，使得能夠計算出另外的焦點參數。有益的是，用作分束器意味著，計算出的焦點參數不受目標中的空間變化影響，從而簡化焦點對準水平估計并且提高其精度。然而，可設想反射圖像信息的其它方式。

可替代地，圖像掃描行和焦點掃描行可以從目標上的不同位置獲得，并且所述第一和第二行掃描檢測器沿著不同的光軸從目標獲得圖像信息。雖然這意味著第一和第二行掃描檢測器同時對目標的不同空間區域進行成像，但是這確實確保每個檢測器被充分照射(不同于使用分束器)，從而提高圖像質量。這點對于來自第一行掃描檢測器的輸出圖像尤其重要。

第一和第二行掃描檢測器可以彼此相鄰地設置，或者可選地可以利用諸如轉動反射鏡等反射鏡將圖像信息反射到所述行掃描檢測器中的一者上。在第一和第二行掃描檢測器接收來自目標的沿著不同光軸的圖像信息時，使用反射鏡將光反射到行掃描檢測器中的一者上有益地不減弱另外行掃描檢測器的照射。

該方法還可以包括：使反射鏡繞定心于行掃描檢測器(圖像信息反射到該行掃描檢測器上)(優選地為第二行掃描檢測器)的光軸上的點旋轉，從而提供處于不同焦點水平的目標的焦點掃描行。以與上述相似的方式，此處焦點參數可用于生成聚焦評價曲線，聚焦評價曲線繪制了各焦點水平處的焦點掃描行的聚焦評價值。然后，聚焦評價曲線的峰值提供了目標的標稱焦點對準水平，并且第一行掃描檢測器朝向該最大值移動。

可替代地，反射鏡可繞著從行掃描檢測器(圖像信息反射到該行掃描檢測器上)的光軸偏移的點旋轉。有益地，這利用反射鏡的相同轉動角提供了更大的焦點水平變化。

如果目標相對于圖像掃描裝置移動(在掃描期間)，則目標優選地依照反射鏡的旋轉移動使得從目標上的共同位置獲得焦點行掃描。這確保諸如聚焦評價值等焦點參數不受目標中的空間變化影響。這允許更精確地估計焦點對準水平。

作為旋轉反射鏡的可選方案，該方法可包括：使第二行掃描檢測器相對于目標移動，從而獲得處于不同焦點水平的多個焦點行掃描。優選地，第二行掃描檢測器沿第二行掃描檢測器的光軸來回移動。以與上述相似的方式，此處焦點參數可用于通過繪制各焦點水平處的焦點掃描行的聚焦評價值來形成聚焦評價曲線。然后，聚焦評價曲線的峰值提供了目標的估計標稱焦點對準水平。

作為另一可選方案，該方法可以包括調制焦點水平作為第二行掃描檢測器的整個掃描行上的位置的函數的步驟。例如，第二行掃描檢測器可繞與其光軸垂直的軸線旋轉。這提供了沿著檢測器的掃描行的差別焦點，這能夠用于計算第二行掃描檢測器的一個或多個焦點參數。作為可選方案，第二行掃描檢測器可設置成與光軸成角度，使得第二行掃描檢測器上的每個位置處于不同的焦點水平。然后，可以計算每個焦點水平處的焦點參數。

當目標在將要由行檢測器成像的整個區域(行)上的空間中基本均勻時(即，在目標上不存在與目標的其余部分相比特別細節的區域，并且形態基本不變)，調制焦點水平作為第二行掃描檢測器的整個掃描行上的位置的函數從而估計目標的標稱焦點對準水平，這樣做是非常有效的。然而，如果樣品具有將僅在第一和第二檢測器的一端處成像的細節區域，則這會不期望地使估計的標稱焦點對準水平偏離正確水平。為了抵抗這點，該方法還可以包括：利用來自至少一個焦點或圖像掃描行中的一者或每一者的圖像數據來生成細節參數，以及在計算一個或多個焦點參數時使用細節參數。因此，焦點參數被“歸一化”成目標中的細節的水平。細節參數通常為作為行掃描檢測器上的位置的函數的目標內的標稱不均勻水平。例如，如果在樣品的左側存在大量的細節，則細節參數將在檢測器的左側處有峰值。優選地，第一行掃描檢測器生成細節參數。通常，細節參數和焦點參數為同一參數，其中焦點參數是由焦點掃描行計算出的，并且細節參數由圖像掃描行計算出。

行掃描檢測器可以為多通道檢測器，該方法還包括計算檢測器的不同通道的焦點對準水平。通常，多通道檢測器將為rgb檢測器。由于彩色光的不同頻率，rgb通道中的每一者都具有不同的焦點水平。該特征能夠用于評估每個通道的焦點參數，并且在估計目標的標稱焦點對準水平時使用通道的一個或多個焦點參數。評估每個通道的焦點參數提供了增量的數據點，從而提高估計的焦點對準水平的精度。

如果目標相對于圖像掃描裝置移動，則可在來自第一和第二行掃描檢測器的掃描行的數據之間施加時移，其中時移是目標和圖像掃描裝置之間的相對運動的函數。有益地，這確保來自第一和第二行掃描檢測器的掃描行的數據來自目標上的同一空間位置。這提高了焦點對準水平估計的精度，這是因為焦點參數(例如聚焦評價值)不受目標上的空間變化的影響。

圖像掃描行可從目標上的多個位置獲得從而形成長條。優選地，這是通過使目標相對于第一和第二行掃描檢測器移動而使得檢測器對目標一次成像一行來實現的。優選地，行掃描檢測器各自包括傳感器線性陣列從而一次掃描目標的一行。通常，目標在與至少一個行掃描檢測器的光軸垂直的平面中移動。優選地，在長條的形成過程中將第一行掃描檢測器的焦點水平實時地調節成標稱焦點對準水平，以使長條內的圖像掃描行是在不同焦點水平處獲得的。有益的是，這允許目標的快速的、焦點對準的掃描。如果需要，可暫時放緩掃描速度，從而允許第一行掃描檢測器有時間調節至焦點對準位置。然而，通常假設在少量圖像行上焦點對準水平基本不變，因此這不總是必要的。

根據本發明的第二方案，提供一種圖像掃描裝置，包括：第一行掃描檢測器，其被構造成獲得目標的一個或多個圖像掃描行；第二行掃描檢測器，其被構造成獲得目標的一個或多個焦點掃描行；以及處理器，其被構造成：利用第一行掃描檢測器來獲得相應焦點水平處的目標的至少一個圖像掃描行；利用第二行掃描檢測器來獲得相應焦點水平處的目標的至少一個焦點掃描行；至少利用所述至少一個焦點掃描行來計算至少一個焦點參數；以及利用計算出的焦點參數來估計目標的一個或多個標稱焦點對準水平。

優選地，圖像掃描裝置還包括第一聚焦設備，所述第一聚焦設備被構造成改變所述目標和所述第一行掃描檢測器之間的焦點水平，并且所述處理器被進一步構造成操作第一聚焦設備以使第一行掃描檢測器的焦點水平移至估計的標稱焦點對準水平。這確保了，一旦已經估計出焦點對準水平，則第一行掃描檢測器能夠移至所述水平從而使目標的圖像焦點對準。

優選地，圖像掃描裝置還包括：目標臺，其用于保持目標；成像光學器件，其用于將目標的圖像提供給第一和第二行掃描檢測器；以及驅動系統，其用于使第一行掃描檢測器獲得來自目標的不同位置的圖像信息。例如，成像光學器件可以包括透鏡，透鏡用于將源自目標的光線聚集到第一和第二行掃描檢測器上。在第一和第二行掃描檢測器中每一者被布置成對目標上的共同位置進行成像的情況下，成像光學器件可以包括分束器，分束器將來自目標的圖像信息的一部分引導至第一行掃描檢測器以及將一部分引導至第二行掃描檢測器。在第一和第二行掃描檢測器位于成像光學器件的不同的相應光軸上的情況下，成像光學器件優選地包括反射鏡，反射鏡被布置成將來自目標的圖像信息的一部分引導至第一或第二行掃描檢測器中的一者。

優選地，驅動系統可操作以使目標相對于第一和第二行掃描檢測器移動，使得第一和第二行掃描檢測器接收來自整個目標的圖像信息。例如，驅動系統可操作以移動目標臺，第一和第二行掃描檢測器和成像光學器件保持靜止；或者可操作以移動第一和第二行掃描檢測器以及成像光學器件，目標保持靜止。

在成像光學器件包括反射鏡的情況下，圖像掃描裝置還可以包括反射鏡驅動器，所述反射鏡驅動器適于旋轉反射鏡，從而將不同的圖像信息引導至所述行掃描檢測器。反射鏡的旋轉意味著，獲得處于不同焦點水平的焦點掃描行，并且在相應的行掃描檢測器的一個或多個焦點參數的生成過程中使用這些焦點掃描行。優選地，反射鏡驅動器依照驅動系統操作，使得焦點行掃描從目標上的共同位置獲得。

圖像掃描裝置還可以包括檢測器驅動器，檢測器驅動器適于使第二行掃描檢測器沿著其相應的光軸來回移動。以與反射鏡驅動器相似的方式，這意味著生成了處于不同焦點水平的焦點掃描行，該焦點掃描行用于生成焦點參數。

可替代地，圖像掃描裝置還可以包括檢測器驅動器，檢測器驅動器適于使第二行掃描檢測器旋轉從而調制焦點水平作為第二行掃描檢測器的整個掃描行上的位置的函數。而且，這生成了不同焦點水平處的多個焦點掃描行。

該裝置還可以包括用于提供另外的焦點掃描行的第三行掃描檢測器。優選地，第三行掃描檢測器與第一和第二行掃描檢測器處于不同的焦點水平處，每個檢測器處于不同的焦點水平。通常，利用另外的焦點掃描行為第三行掃描檢測器計算至少一個焦點參數。這提供了用于精確地估計焦點對準水平的更多數據點。

第一和第二行掃描檢測器中的一者或每一者可以是多通道檢測器。優選地，多通道檢測器是可操作用于檢測紅光、綠光和藍光的rgb檢測器。

通常，第一和第二行掃描檢測器的焦點水平是能獨立受控的。而且第一和第二行掃描檢測器優選是相同的，從而檢測器的差異不會影響焦點參數。優選地，該裝置是虛擬顯微鏡。

本領域技術人員將理解的是，在第一和第二方案中所描述的行掃描檢測器可以由任何適合的成像檢測器替代。

根據本發明的第三方案，提供一種計算機程序產品，其包括適于執行根據第一方案所述的方法的程序代碼裝置。

附圖說明

現在將參考附圖來描述本發明，其中：

圖1示出了本領域已知的圖像掃描裝置；

圖2示出了根據本發明的第一實施例的圖像掃描裝置；

圖3a至圖3d示出了根據本發明的第一實施例的聚焦評價曲線；

圖4a至圖4d示出了根據本發明的第二實施例的聚焦評價曲線；

圖5示出了根據本發明的第三實施例的圖像掃描裝置；

圖6a至圖6c示出了根據本發明的第三實施例的聚焦評價曲線；

圖7a和圖7b示出了根據本發明的第五實施例的檢測器布局；

圖8示出了根據本發明的第六實施例的圖像掃描裝置；

圖9示出了根據本發明的第七實施例的圖像掃描裝置；

圖10示出了根據本發明的第八實施例的圖像掃描裝置；

圖11示出了根據本發明的第八實施例的聚焦評價曲線；

圖12示出了根據本發明的第九實施例的圖像掃描裝置；

圖13示出了根據本發明的第十實施例的圖像掃描裝置；

圖14示出了根據本發明的第十一實施例的圖像掃描裝置；

圖15示出了根據本發明的第十一實施例的掃描行；

圖16a至圖16c示出了根據本發明的第十一實施例的聚焦評價和焦點位置曲線；以及

圖17示出了根據本發明的第十二實施例的聚焦評價和細節評價曲線。

具體實施方式

在下面通篇說明書中，相似的附圖標記表示相似的部件。來自一個實施例的特征可與來自任何其它實施例的特征組合。

圖2示出了根據本發明的虛擬顯微鏡的第一實施例的示意圖。第一實施例的圖像掃描裝置100包括成像行掃描檢測器2和聚焦行掃描檢測器3。樣品(未示出)的圖像通過透鏡1成像到成像行掃描檢測器2上。通常，樣品相對于裝置100在與成像行掃描檢測器2的光軸垂直的平面中移動，使得樣品被成像為一系列行掃描。期望的是，成像行掃描檢測器2被置于成像透鏡1的焦平面中，使得圖像在整個掃描中都是焦點對準的。分束器6設置在成像透鏡1和成像行掃描檢測器3之間并且將成像束分成兩束并且在共軛平面7中生成處于樣品的同一空間位置的第二圖像。聚焦行掃描檢測器3位于與成像行掃描檢測器的焦點水平不同的焦點水平8處，使得成像行掃描檢測器2和聚焦行掃描檢測器3生成不同焦點水平的圖像掃描行。在圖2中，焦點水平8使得與聚焦行掃描檢測器相比光傳播得更遠才到達成像行掃描檢測器(焦點水平8位于共軛平面7之下)處，但是本領域技術人員將理解到，聚焦行掃描檢測器8也可位于共軛平面7之上。

然后，對成像行掃描檢測器2和聚焦行掃描檢測器3二者計算“聚焦評價”值。該計算通常基于相鄰像素之差的平方和，但是可以例如，基于通過高通或帶通頻率濾波器的功率使用可選的計算方法。聚焦評價值是從行掃描檢測器獲得的圖像掃描行的焦點對準程度的度量并且在焦點對準水平處具有最大值。該值提供了取決于圖像信息內的細微細節量的數值，較大的聚焦評價值表示圖像信息內更細微的細節。例如，通過用在檢測器2、3處獲得的聚焦評價值除以在成像行掃描檢測器2處獲得的聚焦評價值將聚焦掃描行檢測器的聚焦評價值歸一化成成像掃描行檢測器的聚焦評價值。通過比較兩個值，可以估計將要在哪個方向求得成像檢測器的最優焦點水平，并且調節裝置的焦點以與聚焦行掃描檢測器相比給予成像行掃描檢測器更大的聚焦評價。

在聚焦行掃描檢測器位于處于共軛平面之下的焦點水平8處的情況下，當聚焦行掃描檢測器3的聚焦評價給出小于成像行掃描檢測器2的評價值時，則最優焦點位于成像行掃描檢測器上方或者最優焦點已經在成像行掃描檢測器處(圖3a、圖3b)。當兩個聚焦評價值相似時(通常差值小于5％)，則最優焦點在成像行掃描檢測器稍下方(圖3c)。當聚焦行掃描檢測器的評價值大于成像行掃描檢測器的評價值時，最優焦點在成像檢測器下方(圖3d)。利用該信息，可以將成像行掃描檢測器保持在最優焦點處或在最優焦點稍上方。如果兩個檢測器之間的焦距足夠小，則由于該方法所產生的焦點位置的任何誤差將足夠小而使得焦點質量不受損。

在本發明的上述第一實施例中，簡單地比較成像和聚焦行掃描檢測器之間的聚焦評價值，從而估計焦點對準水平。在圖3a至圖3d中所看到的聚焦評價曲線是為了示例的目的。比較協議(comparisonprotocol)描述如下：

一般地，如果成像行掃描檢測器的聚焦評價比焦點檢測器的聚焦評價大預定量(通常為5％)，則將成像行掃描檢測器的焦點水平移離聚焦行掃描檢測器的焦點水平(即，使焦點對準水平與聚焦行掃描檢測器比起來更靠近成像行掃描檢測器的焦點水平)。如果成像行掃描檢測器的聚焦評價比聚焦行掃描檢測器的聚焦評價小預定量(通常為5％)，則使成像行掃描檢測器的焦點水平移向聚焦行掃描檢測器的焦點水平。如果成像行掃描檢測器的聚焦評價比聚焦行掃描檢測器的聚焦評價大且差值小于預定量(通常差值小于5％)，則使成像行掃描檢測器的焦點水平移向聚焦行掃描檢測器的焦點水平。

應理解的是，“預定量”可根據應用而不同。優選地，為使成像行掃描檢測器相應地移動所需的焦點水平之差的量值通常為零。

在本發明的第二實施例中，成像行掃描檢測器2和聚焦行掃描檢測器3均為顏色敏感rgb檢測器。該實施例利用成像透鏡1的殘余色差。每個檢測器對樣品上的同一空間區域進行成像，但是處于不同的焦點水平，并且檢測器內的每個紅色、綠色或藍色的通道具有不同的焦點水平。每個檢測器上的每個通道計算聚焦評價值，并且隨后將聚焦評價歸一化成成像行掃描檢測器2上具有最大聚焦評價的通道。這使得能繪制出沿著歸一化聚焦評價曲線的多個點，如圖4a至圖4d中所看到的。

能夠簡單地比較從不同的通道獲得的聚焦評價值(無需繪制聚焦評價曲線)，從而估計焦點對準水平。例如，圖4b示出了綠色通道處于焦點對準水平的成像行掃描檢測器。這可以區別于位于焦點對準水平下方的成像行掃描檢測器(在圖4a中看到)，因為在圖4b中兩個檢測器上的藍色通道的評價值相似，而在圖4a中情況并非如此。用于比較rgb通道的評價值的協議能夠描述如下：

(i)測量兩個檢測器上的每個通道的聚焦評價值。

(ii)選擇兩個最大的成像行掃描檢測器聚焦評價通道。

(iii)選擇具有最大聚焦評價的成像行掃描檢測器通道作為主通道而其它通道作為輔通道。

(iv)將每個通道的聚焦評價歸一化成主成像行掃描檢測器通道聚焦評價值。

(v)如果成像行掃描檢測器的主聚焦評價比聚焦行掃描檢測器的主聚焦評價大第一預定量(例如，5％)，則將成像行掃描檢測器的焦點水平移離聚焦行掃描檢測器的焦點水平。

(vi)如果成像行掃描檢測器的主聚焦評價比聚焦行掃描檢測器的主聚焦評價小第一預定量，則將成像行掃描檢測器的焦點水平移向聚焦行掃描檢測器的焦點水平。

(v)如果成像行掃描檢測器的主聚焦評價大于聚焦行掃描檢測器的主聚焦評價但是差值小于第一預定量并且聚焦行掃描檢測器的輔焦點水平在兩個檢測器的焦點水平之間并且成像行掃描檢測器的輔聚焦評價小于聚焦行掃描檢測器的輔聚焦評價，則將成像行掃描檢測器的焦點水平移向聚焦行掃描檢測器的焦點水平。

(vi)如果成像行掃描檢測器的主聚焦評價大于聚焦行掃描檢測器的主聚焦評價但是差值小于第一預定量并且成像行掃描檢測器的輔焦點水平在兩個檢測器的焦點水平之間并且成像行掃描檢測器的輔聚焦評價大于聚焦行掃描檢測器的輔聚焦評價，則將成像行掃描檢測器的焦點水平移向聚焦行掃描檢測器的焦點水平。

圖5示出了根據本發明的第三實施例的裝置200的示意圖。類似于第一實施例，成像行掃描檢測器2用于通過透鏡1對源自樣品(未示出)的光進行成像。通常，樣品相對于系統200在與成像行掃描檢測器2的光軸垂直的平面中移動，使得樣品被成像為一系列行掃描。第一分束器6用于將光引導到第一聚焦行掃描檢測器3，如第一實施例那樣。然而，當前描述的第三實施例還包括接收來自第二分束器11的光的第二聚焦行掃描檢測器9。

分束器6產生共軛平面7a并且分束器11產生共軛平面7b。如第一實施例中，第一聚焦行掃描檢測器位于共軛平面7a之下。第二聚焦行掃描檢測器9位于共軛平面7b之上，如圖5中所看到的(即，共軛平面7b位于第二聚焦行掃描檢測器和樣品之間)。

由于分束器，每個成像檢測器2、3、9同時對樣品的同一空間位置進行成像。由于第二聚焦行掃描檢測器9的存在，能夠同時在三個不同的焦點水平計算三個聚焦評價值，每個檢測器處于一個焦點水平。聚焦評價值被歸一化成成像掃描行檢測器2的聚焦評價值(例如，通過用每個聚焦評價值除以從成像行掃描檢測器2獲得的聚焦評價值)，并且用三個測量值來繪制呈歸一化聚焦評價值形式的焦點參數(縱坐標)對焦點水平(橫坐標)的曲線圖。在圖6a-圖6c中示出了該“聚焦評價曲線”。聚焦評價曲線的最大值利用曲線最大值與橫坐標的交叉提供了樣品的焦點對準水平，并且使成像行掃描檢測器移向該最大值。

在第四實施例中，作為提供第一和第二聚焦行掃描檢測器的可選方案，在圖2中示意性地示出的裝置100還可以包括檢測器驅動器(未示出)，檢測器驅動器可操作以使聚焦檢測器3沿著聚焦檢測器3的光軸3a來回移動。這允許在共軛平面7之上以及之下的不同焦點水平獲得一系列的聚焦評價值。然后，可以將聚焦評價值歸一化成成像行掃描檢測器的聚焦評價值，并且利用來自聚焦檢測器3的數據來生成聚焦評價曲線。聚焦評價曲線的最大值表示樣品的焦點對準水平，并且成像行掃描檢測器2以與上述相似的方式移向焦點對準水平。

在本發明的第五實施例中，第一聚焦行掃描檢測器3和第二聚焦行掃描檢測器9位于成像行掃描檢測器2附近，如圖7a和圖7b所示。聚焦行掃描檢測器通常位于成像行掃描檢測器的任一側，但是這不是必要的。在當前描述的第五實施例中，每個行掃描檢測器位于圖像平面15內，如圖7a所示。成像透鏡1通常是旋轉對稱的，這形成了圓形圖像平面15。兩個聚焦行掃描檢測器位于不同于成像行掃描檢測器的焦點水平處，并且彼此處于不同的焦點水平(清晰地顯示在圖7b中)。

由于聚焦行掃描檢測器3、9沿著不同于成像行掃描檢測器2的光軸接收圖像信息，這有益地意味著每個檢測器被充分照射。然而，這還意味著，檢測器2、3、9所成像的樣品的空間區域不同。這意味著，時間上同時獲得的聚焦評價值不僅受焦點和焦點水平影響，而且受所成像的每個區域的空間內容的影響。這能夠通過如下方法來克服：將從檢測器2、3、9中的每一者收集到的圖像數據進行時移，使得來自樣品上的同一空間區域的圖像數據能夠在檢測器2、3和9之間進行比較。如圖7a中所看到的，隨著目標相對于行掃描檢測器移動(箭頭8所示)，光將首先入射到檢測器3上，隨后是檢測器2，最后是檢測器9。利用基于掃描速度的時延處理，能夠在檢測器2、3和9所提供的不同焦點水平處對來自目標的同一空間區域進行比較。

雖然圖7a和圖7b示出了兩個聚焦行掃描檢測器，但是本領域技術人員將理解的是，可以使用一個、或三個以上的聚焦行掃描檢測器。

通常，由于行掃描檢測器的物理尺寸及其相對于圖像平面15的封裝，不可能將聚焦行掃描檢測器設置在成像行掃描檢測器附近，如圖7a中所看到的。在使用高放大率的成像系統的情況下，雖然場數值孔徑較高，但是圖像數值孔徑低并且共軛長度較長。這允許反射鏡5和14偏軸設置以將圖像信息反射至聚焦行掃描檢測器3和9，如圖8中示意性地示出了根據本發明的第六實施例的裝置300。此處，“偏軸”是指偏離成像行掃描檢測器2的光軸2a的偏軸。

優選地，反射鏡5和14是轉動反射鏡，被置于光束路徑中并且將光束引導至偏軸的聚焦行掃描檢測器3和9，但是有益地允許全部的光入射到成像行掃描檢測器2上。該設置等同于將聚焦行掃描檢測器與成像行掃描檢測器相鄰放置，如圖8中的標記4和13所示，兩個標記分別顯示出了在不存在反射鏡的情況下檢測器3和9的虛擬位置。

以與本發明的第三實施例相似的方式，聚焦行掃描檢測器3、9處于與成像行掃描檢測器2的焦點水平不同的焦點水平。然后，可以將被歸一化為成像行掃描檢測器2聚焦評價值的聚焦評價值用于生成聚焦評價曲線以估計焦點對準水平，如上所述。

圖9示出了根據本發明的第七實施例的裝置400，其中僅使用一個聚焦行掃描檢測器3，聚焦行掃描檢測器3處于與成像行掃描檢測器2的焦點水平不同的焦點水平。此處，通過以與本發明的第一實施例相同的方式將成像行掃描檢測器和聚焦行掃描檢測器的歸一化聚焦評價值進行比較，能夠估計出樣品的焦點對準水平。

圖10示意性地示出了根據本發明的第八實施例的裝置500。以與上述相似的方式，轉動反射鏡5與成像行掃描檢測器2的光軸2a偏軸地設置并且將來自樣品(未示出)的圖像信息反射到聚焦行掃描檢測器3。裝置還包括檢測器驅動器(未示出)，檢測器驅動器可操作以使聚焦行掃描檢測器3沿聚焦行掃描檢測器3的光軸3a來回移動。雙頭箭頭16示出該移動。通過使聚焦行掃描檢測器3以此方式沿聚焦行掃描檢測器3的光軸3a移動，能夠在不同焦點水平獲得多個聚焦評價值。如上所述，對這些聚焦評價值進行時移，使得能夠相對于樣品上的同一空間區域將來自聚焦行掃描檢測器3的聚焦評價值與來自成像行掃描檢測器2的聚焦評價值進行比較。然后，將來自聚焦行掃描檢測器3的聚焦評價值歸一化成來自成像行掃描檢測器2的聚焦評價值，并且利用這些數據來生成評價焦點曲線，如圖11所示。通過使曲線最大值與橫坐標交叉能夠由聚焦評價曲線估計出樣品的標稱焦點對準水平，并且使成像行掃描檢測器移向該焦點水平。通常，期望至少三個數據點來生成精確度可接受的聚焦評價曲線。將來自聚焦行掃描檢測器3的聚焦評價值歸一化為成像行掃描檢測器2的聚焦評價值是可選的，并且如果樣品是基本均勻的，則可能不需要這樣。

本發明的第八實施例的裝置500的一個問題在于，必須移動聚焦行掃描檢測器3以便改變焦距按光放大率的平方放大成景深。作為實例，在光放大率為40x的系統中，場焦點的1μm變化產生了聚焦行掃描檢測器3的焦點位置的1.6mm變化。在本發明的第九實施例600中，用旋轉的轉動反射鏡17替代轉動反射鏡，轉動反射鏡17繞轉動點20旋轉，在轉動點20處聚焦行掃描檢測器3的主光線與轉動反射鏡5交叉。該裝置600示意性地示于圖12中。

轉動反射鏡17的旋轉使得圖像劃出以點20為中心的弧18。聚焦檢測器3保持靜止。這意味著，由于轉動反射鏡17的這種旋轉，聚焦行掃描檢測器將成像有樣品的不同部分(空間位置)，但是因為圖像平面19保持與所劃的弧18正切，所以改變了聚焦行掃描檢測器3所成像的樣品的焦點水平。如果轉動反射鏡17的旋轉與樣品8的運動同步，則在轉動過程中改變焦點的同時樣品空間位置能夠保持在焦點檢測器上。隨后，這將能從同一空間位置生成聚焦評價曲線，這有益地從聚焦評價值去除了樣品影響。一旦生成曲線，則能夠將轉動反射鏡17設定回原角度，并且對新的測量重復該過程。如上所述，聚焦評價曲線能夠用于確定樣品的焦點對準水平。

在本發明的第十實施例700(在圖13中示意性地示出)中，轉動反射鏡17繞著從主光線與轉動反射鏡20的交叉處偏移的點23旋轉。這意味著，對于反射鏡的同一轉動角，產生聚焦行掃描檢測器3處圖像的焦點水平的較大變化，如圖13所看到的。這是因為，旋轉不僅由于以旋轉點23為中心的所劃弧18上的切線19而且由于沿弧18的位移而產生了焦點變化。

圖14示出了根據本發明的第十一實施例的裝置800。該布置類似于圖10所示的布置；然而，聚焦行掃描檢測器繞與聚焦行掃描檢測器3的線(光軸)垂直的軸線21旋轉。因此，聚焦行掃描檢測器3產生了沿著檢測器7的線的差別焦點22，如圖15中示意性示出的。在可選實施例中，聚焦行掃描檢測器相對于其光軸傾斜以實現沿著檢測器的線的差別焦點。如果樣品沿著聚焦行掃描檢測器3的線是空間頻率(細節)均勻的，則聚焦行掃描檢測器3的聚焦評價函數將沿著聚焦行掃描檢測器的長度有峰值，焦點對準平面與聚焦行掃描檢測器3交叉。

在圖16a至圖16c中給出了這種情況的實例。在圖16a中，聚焦行掃描檢測器在沿著聚焦行掃描檢測器3的標度上的近似-5處與樣品焦點對準平面相交。這是聚焦評價曲線的峰值所在處，表示成像行掃描檢測器2處于焦點對準平面下方(即，在樣品和焦點對準平面之間)。圖16c示出了成像行掃描檢測器位于焦點對準平面上方(即，焦點對準平面在樣品和檢測器2之間)以及聚焦評價曲線在沿著檢測器3的標度上的近似+5處出現峰值的情況。圖16b示出了成像行掃描檢測器位于焦點對準平面中的情況。

如果樣品不是空間均勻的，則該過程(沿著聚焦行掃描檢測器3的線產生差別焦點)可以給出誤導性結果。例如，如果僅在檢測器2和3的一側存在細節，則即使成像檢測器2可能處于正確的焦點水平，聚焦行掃描檢測器評價曲線的峰值也能從聚焦行掃描檢測器3的中心偏移并且朝向細節的位置偏置。然而，可以利用在成像行掃描檢測器2處收集的圖像數據來校正這種情況。在第十二實施例中，可以利用該圖像數據以類似于從聚焦行掃描檢測器圖像數據獲得的聚焦評價值的方式來計算“細節評價”值。“細節評價”是與從聚焦行掃描檢測器獲得的聚焦評價相同的焦點參數。因此，細節評價值能夠按與聚焦評價值相似的方式被視為取決于圖像信息中的細微細節量的數值。在可選的實施例中，細節評價是不同于聚焦評價的焦點參數并且被歸一化為利用聚焦行掃描檢測器獲得的聚焦評價值。

能夠用聚焦評價值對這些細節評價值進行加權，這將提供經校正的評價函數，從而給出正確的焦點讀數并且防止不正確的焦點測量。

圖17a至圖17c示出了細節評價值的使用實例。此處，在圖像的左側存在更多的細節，并且因此細節評價曲線在檢測器的左側出現峰值。聚焦評價曲線對應于圖16a至圖16c所看到的聚焦評價曲線，并且涉及到成像行掃描檢測器處于焦點對準平面中、在焦點對準平面上方還是下方。然而，由于細節位于圖像的左側，所以即使當實際的焦點峰值位于聚焦行掃描檢測器的右側時，測量得到的聚焦評價峰值(利用來自聚焦行掃描檢測器3的聚焦評價值生成)也在聚焦行掃描檢測器3的左側出現峰值(參見圖17c)。這意味著，如果要直接使用測量得到的聚焦評價值，則系統甚至會測量錯誤的方向來得到成像行掃描檢測器2的最優焦點。

如果使用細節評價值，例如，用測量到的評價除以細節評價，則可以恢復將給出正確焦點位置的聚焦評價。例如，從圖17b中能夠看出，測量評價和細節評價曲線在橫坐標上的0處重合，這將給出處于焦點對準的成像行掃描檢測器的正確焦點位置。

在上述實施例中的任一個實施例中所給出的特征不限于單個實施例并且可用于任何其它實施例。