一種高解析度顯微視覺成像裝置與控制方法
2023-08-08 00:04:21
一種高解析度顯微視覺成像裝置與控制方法
【專利摘要】本發明提出了一種自動變焦的高解析度顯微視覺成像裝置與控制方法，裝置包括鏡頭、CCD傳感器、上位機、支架、變倍控制機構、聚焦控制機構，所述變倍控制機構包括變倍驅動舵機、齒輪、接近開關，所述鏡頭的調焦環上固設有與變倍控制機構中齒輪配合使用的齒條，齒條上設置有與接近開關配合使用的擋片組，所述聚焦控制機構包括聚焦驅動電機、摩擦輪，摩擦輪與所述鏡頭的對焦環緊密貼合，在工作狀態下，由上位機分別控制變倍控制機構和聚焦控制機構實現調焦和對焦，方便容易的實現大範圍搜索及小範圍定位，幫助顯微系統精確瞄準，充分提高顯微系統的檢測速度。
【專利說明】一種高解析度顯微視覺成像裝置與控制方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於顯微光學系統和控制結合的【技術領域】，實現一種能夠大範圍連續變倍的高解析度顯微成像系統，對視野中的物體可以了解全貌，也可以精細觀察小區域的情況。
【背景技術】
[0002]一般光學顯微使用轉換目鏡的方式變焦距，調整放大倍數。使用一個放大倍數適中的目鏡和最低倍的物鏡開始觀察，逐步改用倍數較高的物鏡，從中找到符合實驗要求的放大倍數。在轉換物鏡時先用低倍鏡觀察，將其調節到正確的工作距離。如果要進一步使用高倍物鏡觀察，就在轉換高倍物鏡之前把物像中需要放大觀察的部分移至視野中央，換高倍物鏡後轉動細準焦螺旋進行調焦。因此光學顯微鏡不能實現連續變焦。
[0003]1940年前後,機械補償法變焦距鏡頭開始應用。上個世紀六十年代，國外開始有變焦顯微鏡相繼問世，如日本的奧林巴斯和德國的蔡司等公司的產品。變焦顯微鏡通常使用機械補償式變焦距系統，其中包含有兩個活動組份，即變倍組和補償組，相互運動關係實現起來較為容易，而且能夠實現連續變焦，保持像面穩定。顯微鏡連續變倍的實現可以通過使用連續變倍目鏡和連續變倍物鏡來構成。目鏡焦距的改變，其視度調節量也要隨之改變，這給顯微鏡的使用和視度的刻度都帶來了很大的麻煩。因此，變焦顯微鏡多採用連續變倍顯微物鏡系統。但是變焦顯微鏡使用手動調節，難以實現伺服系統的精細調節，變倍之後需要調節補償組聚焦，不具備自動聚焦的能力。
【發明內容】
[0004]本發明的目的在於解決上述現有技術存在的缺陷，提供一種自動變焦的高解析度顯微視覺成像裝置與控制方法，方便容易的實現大範圍搜索及小範圍定位，幫助顯微系統精確瞄準，充分提高顯微系統的檢測速度。
[0005]本發明提出的一種高解析度顯微視覺成像裝置，包括鏡頭、CXD傳感器、上位機、支架，所述的鏡頭包括調焦環和對焦環，還包括用於調整放大倍數的變倍控制機構、用於圖像聚焦的聚焦控制機構，變倍控制機構和聚焦控制機構分別通過信號線與上位機連接；
[0006]所述變倍控制機構包括變倍驅動舵機、齒輪、接近開關，所述鏡頭的調焦環上固設有與變倍控制機構中齒輪配合使用的齒條，齒條上設置有與接近開關配合使用的擋片組，擋片組由一系列擋片構成，並設定每個擋片位於接近開關正前方時所代表的放大倍數，在工作狀態下由變倍驅動舵機驅動齒輪轉動，通過齒輪、齒條的傳動帶動調焦環轉動，利用擋片和接近開關將鏡頭放大倍數調整至設定值；
[0007]所述聚焦控制機構包括聚焦驅動電機、摩擦輪，摩擦輪與所述鏡頭的對焦環緊密貼合，在工作狀態下由聚焦驅動電機驅動摩擦輪轉動，通過摩擦輪與對焦環之間的摩擦力帶動對焦環轉動實現圖像的聚焦；
[0008]變倍控制機構、聚焦控制機構固設於支架上。
[0009]優選的，所述的擋片不少於3個，每一個擋片代表一個鏡頭的放大倍數。
[0010]優選的，變倍控制機構的齒輪與鏡頭的調焦環上的齒條的組合可實現的鏡頭變倍範圍為 0.055X-0.55x
[0011]本發明還提出的一種高解析度顯微視覺成像裝置的控制方法，包括以下步驟:
[0012]步驟1:開機自檢；
[0013]步驟2:通過鏡頭進行圖像採集，上位機對採集到圖像進行處理和分析，輸出鏡頭的所要調整到的放大倍數A，向變倍控制機構發送控制指令，通過變倍驅動舵機驅動調焦環轉動，將代表鏡頭放大倍數最接近放大倍數A的擋片旋轉至接近開關正前方；
[0014]步驟3:通過鏡頭進行圖像採集，上位機對採集到圖像進行處理和分析，並向聚焦控制機構發送控制信號，通過聚焦驅動電機調整對焦環，直至圖像清晰度達到要求，完成圖像聚焦。
[0015]步驟3中上位機對採集到的圖像的處理採用感興趣區域AOI方法，包括如下步驟:
[0016]步驟31:首先獲取整幅圖像，計算整幅梯度；
[0017]步驟32:找到梯度變化明顯的區域，設置AOI到該區域；
[0018]步驟33:獲取AOI圖像，計算聚焦評價函數FEF ；
[0019]步驟34:聚焦驅動電機分別正向反向移動，調整鏡頭的調焦環，得到AOI最清晰的地方Pi,記錄鏡頭的位置；
[0020]步驟35:重複N(N彡5)次選擇Α0Ι，並執行步驟33、步驟34，得到集合S = {Pi | i=1:N}；
[0021]步驟36:刪去S中距離集群中心較遠的點，計算集群的重心，步驟37:依據集群的重心計算聚焦的位置。
[0022]所述的重複次數N彡5
[0023]本發明採用上位機控制變倍控制機構、聚焦控制機構來驅動鏡頭的調焦和聚焦，方便容易的實現大範圍搜索及小範圍定位，幫助顯微系統精確瞄準，充分提高顯微系統的檢測速度。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0024]圖1本發明機械結構示意圖一；
[0025]圖2本發明機械結構示意圖二 ；
[0026]圖3本發明機械結構示意圖三；
[0027]圖4系統自檢流程圖。
【具體實施方式】
[0028]為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，並參照附圖，對本發明進一步詳細說明。
[0029]如圖1、2、3所示，本實施例的一種高解析度顯微視覺成像裝置包括上位機、6600X4400像素的CXD傳感器11、Nikon鏡頭7、變倍控制機構、聚焦控制機構和系統支架10，其中Nikon鏡頭包括調焦環和對焦環1，變倍控制機構用於調整鏡頭的放大倍數，聚焦的聚焦控制機構用於調整鏡頭使圖像聚焦，變倍控制機構和聚焦控制機構分別通過信號線與上位機連接。
[0030]變倍控制機構包括變倍驅動舵機2、齒輪6、接近開關3、舵機驅動板、接近開關數據採集卡，Nikon鏡頭7的調焦環上固設有與變倍控制機構中齒輪6配合使用的齒條5，齒條5上設置有與接近開關3配合使用的擋片組4，擋片組4由一系列擋片構成，並設定每個擋片位於接近開關3正前方時所代表的放大倍數，在工作狀態下由變倍驅動舵機驅動齒輪6轉動，通過齒輪6、齒條5的傳動帶動調焦環轉動，驅動Nikon鏡頭7的伸縮變倍，利用擋片和接近開關3將鏡頭7放大倍數調整至設定值。
[0031]齒條5上安裝3個擋片，對應3檔固定的放大倍率。當調焦環轉動時，3個擋片先後經過接近開關的正前方，每個擋片位於接近開關的正前方時為一檔固定放大倍率。接近開關前方有障礙時，接近開關輸出低電平，無障礙時輸出高電平。所述接近開關數據採集卡可將該電平狀態轉換為USB數據傳輸至控制上位機。控制上位機利用查詢到的開關狀態控制變倍驅動舵機2的運動和停止。電機的驅動使用Arduino舵機控制卡，該板卡輸出500us-2500us 的 PWM(Pulse Width Modulat1n)控制信號驅動舵機。
[0032]所述聚焦控制機構包括聚焦驅動電機8、摩擦輪9、舵機驅動板，摩擦輪9與Nikon鏡頭7的對焦環I緊密貼合，在工作狀態下由聚焦驅動電機8驅動摩擦輪9轉動,通過摩擦輪9與對焦環I之間的摩擦力帶動對焦環I轉動實現圖像的聚焦；
[0033]通過變倍驅動舵機2驅動齒輪6實現Nikon鏡頭7的連續變倍，聚焦驅動電機8帶動摩擦輪9實現自動聚焦。其中變倍驅動舵機2選擇360°舵機，該機可輸出15kg.cm的扭矩，可實現360°的連續旋轉。聚焦驅動電機8採用180°舵機，保持力矩300g*cm，滿足圖像聚焦的要求。
[0034]360°舵機對輸入相應的脈寬值響應速度值變化，無法確切知道當前的角位移，本實施例在齒條5上設置有與接近開關3配合使用的擋片，並設定擋片位於接近開關3正前方時所代表的放大倍數，對應擋片轉動至接近開關3前方時，當前Nikon鏡頭7的放大倍數為所對應的擋片設定的放大倍數。
[0035]聚焦補償電機使用180°舵機，該舵機響應脈寬變化的是位移，可以確切知道當前舵機位置，轉動該舵機時，圖像的清晰度發生變化。清晰度是表徵圖像的細節。圖像的邊界和細節部分最清晰時，圖像準確聚焦。
[0036]電機驅動使用Arduino舵機控制板，可同時控制32路電機，使用USB虛擬串口，接受控制主機的動作指令。
[0037]接近開關3前方有遮擋和無遮擋時輸出電平相反，使用USB控制10引腳專用晶片MC100檢測接近開關3的輸出電平。MC100是工業級USB控制10引腳專用晶片，提供14路10引腳，可以通過USB控制每個引腳的傳輸方向(輸入或輸出)、輸出狀態(高電平/低電平/高阻/弱上拉)以及讀取每個10引腳的狀態。
[0038]為保證系統的工作穩定，在系統開機時，首先進行自檢，如圖4所示。
[0039]為清晰顯微成像，得到尖銳的邊緣。在處理圖像數據前應聚焦圖像。上位機通過Nikon鏡頭7和CXD傳感器11採集到一系列的數字圖像，對每一幀圖像進行實時處理，判斷對焦是否準確，成像是否清晰，並給出反饋信號控制鏡頭的運行，直到採集到的圖像符合使用要求，即完成自動聚焦。
[0040]由於CXD傳感器的解析度較高，如果使用整幅圖像，數據量大而傳輸時間長，另一方面計算時間長，會導致聚焦的時間過長，而且對於聚焦來說，使用解析度一般的圖像就可以。本系統考慮使用感興趣區域AOI (Vertical Areas of Interest)方法,在圖像中找到多個Α0Ι，分別使用AOI的區域圖像聚焦，設置合適大小的AOI區域，既增加圖像的幀率，又可以加快聚焦評價函數FEF的速度，由於聚焦到反射鏡上表面，所以可以使用顆粒的多少來確定使用哪個區域。
[0041]為了清晰的說明本實施例的一種高解析度顯微視覺成像裝置的控制方法，具體步驟描述如下:
[0042]步驟1:開機自檢；
[0043]步驟2:通過Nikon鏡頭7進行圖像採集，上位機對採集到圖像進行處理和分析，輸出Nikon鏡頭7的所要調整到的放大倍數A，向變倍控制機構發送控制指令，通過變倍驅動舵機2驅動調焦環轉動，將代表Nikon鏡頭7放大倍數最接近放大倍數A的擋片旋轉至接近開關3正前方；
[0044]步驟3:通過Nikon鏡頭7進行圖像採集，上位機對採集到圖像進行處理和分析，並向聚焦控制機構8發送控制信號，通過聚焦驅動電機8調整對焦環I，直至圖像清晰度達到要求，完成圖像聚焦。
[0045]步驟3中上位機對採集到的圖像的處理採用感興趣區域AOI方法，包括如下步驟:
[0046]步驟31:首先獲取整幅圖像，計算整幅梯度；
[0047]步驟32:找到梯度變化明顯的區域，設置AOI到該區域；
[0048]步驟33:獲取AOI圖像，計算聚焦評價函數FEF ；
[0049]步驟34:聚焦驅動電機分別正向反向移動，調整鏡頭的調焦環，得到AOI最清晰的地方Pi,記錄鏡頭的位置；
[0050]步驟35:重複N次選擇Α0Ι,並執行步驟33、步驟34,得到集合S = (Pi | i = 1:N}；
[0051]步驟36:刪去S中距離集群中心較遠的點，計算集群的重心，步驟37:依據集群的重心計算聚焦的位置。
[0052]其中重複的次數N ^ 5，本實施例中採用重複次數為5次。
[0053]本實施例採用上位機控制變倍控制機構、聚焦控制機構來驅動Nikon鏡頭7的調焦和聚焦，方便容易的實現大範圍搜索及小範圍定位，幫助顯微系統精確瞄準，充分提高顯微系統的檢測速度。
【權利要求】
1.一種高解析度顯微視覺成像裝置，包括鏡頭、C⑶傳感器、上位機、支架，所述的鏡頭包括調焦環和對焦環，其特徵在於，還包括用於調整放大倍數的變倍控制機構、用於圖像聚焦的聚焦控制機構上位機，變倍控制機構和聚焦控制機構分別通過信號線與上位機連接； 所述變倍控制機構包括變倍驅動舵機、齒輪、接近開關，所述鏡頭的調焦環上固設有與變倍控制機構中齒輪配合使用的齒條，齒條上設置有與接近開關配合使用的擋片組，擋片組由一系列擋片構成，並設定每個擋片位於接近開關正前方時所代表的放大倍數，在工作狀態下由變倍驅動舵機驅動齒輪轉動，通過齒輪、齒條的傳動帶動調焦環轉動，利用擋片和接近開關將鏡頭放大倍數調整至設定值； 所述聚焦控制機構包括聚焦驅動電機、摩擦輪，摩擦輪與所述鏡頭的對焦環緊密貼合，在工作狀態下由聚焦驅動電機驅動摩擦輪轉動，通過摩擦輪與對焦環之間的摩擦力帶動對焦環轉動實現圖像的聚焦； 變倍控制機構、聚焦控制機構固設於支架上。
2.如權利要求1所述的裝置，其特徵在於，所述的擋片不少於3個，每一個擋片代表一個鏡頭的放大倍數。
3.如權利要求2所述的裝置，其特徵在於，變倍控制機構的齒輪與鏡頭的調焦環上的齒條的組合可實現的鏡頭變倍範圍為0.055X-0.55x。
4.一種高解析度顯微視覺成像裝置的控制方法，其特徵在於，包括以下步驟: 步驟1:開機自檢； 步驟2:通過鏡頭進行圖像採集，上位機對採集到圖像進行處理和分析，輸出鏡頭的所要調整到的放大倍數A，向變倍控制機構發送控制指令，通過變倍驅動舵機驅動調焦環轉動，將代表鏡頭放大倍數最接近放大倍數A的擋片旋轉至接近開關正前方； 步驟3:通過鏡頭進行圖像採集，上位機對採集到圖像進行處理和分析，並向聚焦控制機構發送控制信號，通過聚焦驅動電機調整對焦環，直至圖像清晰度達到要求，完成圖像聚焦。
5.如權利要求4所述的裝置方法，其特徵在於，步驟3中上位機對採集到的圖像的處理採用感興趣區域AOI方法，包括如下步驟: 步驟31:首先獲取整幅圖像，計算整幅梯度； 步驟32:找到梯度變化明顯的區域，設置AOI到該區域； 步驟33:獲取AOI圖像，計算聚焦評價函數FEF ； 步驟34:聚焦驅動電機分別正向反向移動，調整鏡頭的調焦環，得到AOI最清晰的地方Pi,記錄鏡頭的位置； 步驟35:重複N次選擇Α0Ι，並執行步驟33、步驟34，得到集合S = {Pi | i = 1:N}； 步驟36:刪去S中距離集群中心較遠的點，計算集群的重心， 步驟37:依據集群的重心計算聚焦的位置。
6.如權利要求5所述的裝置方法，其特徵在於，所述的重複次數NS5。
【文檔編號】H04N5/225GK104410775SQ201410777930
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年12月16日 優先權日:2014年12月16日
【發明者】丁文東, 張正濤, 張大鵬, 陶顯, 史亞莉, 呂海兵, 苗心向, 周國瑞 申請人:中國科學院自動化研究所