CN104410775B - 一种高分辨率显微视觉成像装置与控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种自动变焦的高分辨率显微视觉成像装置与控制方法，装置包括镜头、CCD传感器、上位机、支架、变倍控制机构、聚焦控制机构，所述变倍控制机构包括变倍驱动舵机、齿轮、接近开关，所述镜头的调焦环上固设有与变倍控制机构中齿轮配合使用的齿条，齿条上设置有与接近开关配合使用的挡片组，所述聚焦控制机构包括聚焦驱动电机、摩擦轮，摩擦轮与所述镜头的对焦环紧密贴合，在工作状态下，由上位机分别控制变倍控制机构和聚焦控制机构实现调焦和对焦，方便容易的实现大范围搜索及小范围定位，帮助显微系统精确瞄准，充分提高显微系统的检测速度。

Description

一种高分辨率显微视觉成像装置与控制方法

技术领域

本发明属于显微光学系统和控制结合的技术领域，实现一种能够大范围连续变倍的高分辨率显微成像系统，对视野中的物体可以了解全貌，也可以精细观察小区域的情况。

背景技术

一般光学显微使用转换目镜的方式变焦距，调整放大倍数。使用一个放大倍数适中的目镜和最低倍的物镜开始观察，逐步改用倍数较高的物镜，从中找到符合实验要求的放大倍数。在转换物镜时先用低倍镜观察，将其调节到正确的工作距离。如果要进一步使用高倍物镜观察，就在转换高倍物镜之前把物像中需要放大观察的部分移至视野中央，换高倍物镜后转动细准焦螺旋进行调焦。因此光学显微镜不能实现连续变焦。

1940年前后，机械补偿法变焦距镜头开始应用。上个世纪六十年代，国外开始有变焦显微镜相继问世，如日本的奥林巴斯和德国的蔡司等公司的产品。变焦显微镜通常使用机械补偿式变焦距系统，其中包含有两个活动组份，即变倍组和补偿组，相互运动关系实现起来较为容易，而且能够实现连续变焦，保持像面稳定。显微镜连续变倍的实现可以通过使用连续变倍目镜和连续变倍物镜来构成。目镜焦距的改变，其视度调节量也要随之改变，这给显微镜的使用和视度的刻度都带来了很大的麻烦。因此，变焦显微镜多采用连续变倍显微物镜系统。但是变焦显微镜使用手动调节，难以实现伺服系统的精细调节，变倍之后需要调节补偿组聚焦，不具备自动聚焦的能力。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术存在的缺陷，提供一种自动变焦的高分辨率显微视觉成像装置与控制方法，方便容易的实现大范 围搜索及小范围定位，帮助显微系统精确瞄准，充分提高显微系统的检测速度。

本发明提出的一种高分辨率显微视觉成像装置，包括镜头、CCD传感器、上位机、支架，所述的镜头包括调焦环和对焦环，还包括用于调整放大倍数的变倍控制机构、用于图像聚焦的聚焦控制机构，变倍控制机构和聚焦控制机构分别通过信号线与上位机连接；

所述变倍控制机构包括变倍驱动舵机、齿轮、接近开关，所述镜头的调焦环上固设有与变倍控制机构中齿轮配合使用的齿条，齿条上设置有与接近开关配合使用的挡片组，挡片组由一系列挡片构成，并设定每个挡片位于接近开关正前方时所代表的放大倍数，在工作状态下由变倍驱动舵机驱动齿轮转动，通过齿轮、齿条的传动带动调焦环转动，利用挡片和接近开关将镜头放大倍数调整至设定值；

所述聚焦控制机构包括聚焦驱动电机、摩擦轮，摩擦轮与所述镜头的对焦环紧密贴合，在工作状态下由聚焦驱动电机驱动摩擦轮转动，通过摩擦轮与对焦环之间的摩擦力带动对焦环转动实现图像的聚焦；

变倍控制机构、聚焦控制机构固设于支架上。

优选的，所述的挡片不少于3个，每一个挡片代表一个镜头的放大倍数。

优选的，变倍控制机构的齿轮与镜头的调焦环上的齿条的组合可实现的镜头变倍范围为0.055x-0.55x。

本发明还提出的一种高分辨率显微视觉成像装置的控制方法，包括以下步骤：

步骤1：开机自检；

步骤2：通过镜头进行图像采集，上位机对采集到图像进行处理和分析，输出镜头的所要调整到的放大倍数A，向变倍控制机构发送控制指令，通过变倍驱动舵机驱动调焦环转动，将代表镜头放大倍数最接近放大倍数A的挡片旋转至接近开关正前方；

步骤3：通过镜头进行图像采集，上位机对采集到图像进行处理和分析，并向聚焦控制机构发送控制信号，通过聚焦驱动电机调整对焦环，直至图像清晰度达到要求，完成图像聚焦。

步骤3中上位机对采集到的图像的处理采用感兴趣区域AOI方法，包括如下步骤：

步骤31：首先获取整幅图像，计算整幅梯度；

步骤32：找到梯度变化明显的区域，设置AOI到该区域；

步骤33：获取AOI图像，计算聚焦评价函数FEF；

步骤34：聚焦驱动电机分别正向反向移动，调整镜头的调焦环，得到AOI最清晰的地方p_i，记录镜头的位置；

步骤35：重复N(N≥5)次选择AOI，并执行步骤33、步骤34，得到集合S＝{p_i|i＝1:N}；

步骤36：删去S中距离集群中心较远的点，计算集群的重心，步骤37：依据集群的重心计算聚焦的位置。

所述的重复次数N≥5。

本发明采用上位机控制变倍控制机构、聚焦控制机构来驱动镜头的调焦和聚焦，方便容易的实现大范围搜索及小范围定位，帮助显微系统精确瞄准，充分提高显微系统的检测速度。

附图说明

图1本发明机械结构示意图一；

图2本发明机械结构示意图二；

图3本发明机械结构示意图三；

图4系统自检流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、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，对本发明进一步详细说明。

如图1、2、3所示，本实施例的一种高分辨率显微视觉成像装置包括上位机、6600×4400像素的CCD传感器11、Nikon镜头7、变倍控制机构、聚焦控制机构和系统支架10，其中Nikon镜头包括调焦环和对焦环1，变倍控制机构用于调整镜头的放大倍数，聚焦的聚焦控制机构用于调整镜头使图像聚焦，变倍控制机构和聚焦控制机构分别通过信号线与上位机连接。

变倍控制机构包括变倍驱动舵机2、齿轮6、接近开关3、舵机 驱动板、接近开关数据采集卡，Nikon镜头7的调焦环上固设有与变倍控制机构中齿轮6配合使用的齿条5，齿条5上设置有与接近开关3配合使用的挡片组4，挡片组4由一系列挡片构成，并设定每个挡片位于接近开关3正前方时所代表的放大倍数，在工作状态下由变倍驱动舵机驱动齿轮6转动，通过齿轮6、齿条5的传动带动调焦环转动，驱动Nikon镜头7的伸缩变倍，利用挡片和接近开关3将镜头7放大倍数调整至设定值。

齿条5上安装3个挡片，对应3档固定的放大倍率。当调焦环转动时，3个挡片先后经过接近开关的正前方，每个挡片位于接近开关的正前方时为一档固定放大倍率。接近开关前方有障碍时，接近开关输出低电平，无障碍时输出高电平。所述接近开关数据采集卡可将该电平状态转换为USB数据传输至控制上位机。控制上位机利用查询到的开关状态控制变倍驱动舵机2的运动和停止。电机的驱动使用Arduino舵机控制卡，该板卡输出500us-2500us的PWM(Pulse Width Modulation)控制信号驱动舵机。

所述聚焦控制机构包括聚焦驱动电机8、摩擦轮9、舵机驱动板，摩擦轮9与Nikon镜头7的对焦环1紧密贴合，在工作状态下由聚焦驱动电机8驱动摩擦轮9转动，通过摩擦轮9与对焦环1之间的摩擦力带动对焦环1转动实现图像的聚焦；

通过变倍驱动舵机2驱动齿轮6实现Nikon镜头7的连续变倍，聚焦驱动电机8带动摩擦轮9实现自动聚焦。其中变倍驱动舵机2选择360°舵机，该机可输出15kg·cm的扭矩，可实现360°的连续旋转。聚焦驱动电机8采用180°舵机，保持力矩300g·cm，满足图像聚焦的要求。

360°舵机对输入相应的脉宽值响应速度值变化，无法确切知道当前的角位移，本实施例在齿条5上设置有与接近开关3配合使用的挡片，并设定挡片位于接近开关3正前方时所代表的放大倍数，对应挡片转动至接近开关3前方时，当前Nikon镜头7的放大倍数为所对应的挡片设定的放大倍数。

聚焦补偿电机使用180°舵机，该舵机响应脉宽变化的是位移，可 以确切知道当前舵机位置，转动该舵机时，图像的清晰度发生变化。清晰度是表征图像的细节。图像的边界和细节部分最清晰时，图像准确聚焦。

电机驱动使用Arduino舵机控制板，可同时控制32路电机，使用USB虚拟串口，接受控制主机的动作指令。

接近开关3前方有遮挡和无遮挡时输出电平相反，使用USB控制IO引脚专用芯片MC100检测接近开关3的输出电平。MC100是工业级USB控制IO引脚专用芯片，提供14路IO引脚，可以通过USB控制每个引脚的传输方向(输入或输出)、输出状态(高电平/低电平/高阻/弱上拉)以及读取每个IO引脚的状态。

为保证系统的工作稳定，在系统开机时，首先进行自检，如图4所示。

为清晰显微成像，得到尖锐的边缘。在处理图像数据前应聚焦图像。上位机通过Nikon镜头7和CCD传感器11采集到一系列的数字图像，对每一帧图像进行实时处理，判断对焦是否准确，成像是否清晰，并给出反馈信号控制镜头的运行，直到采集到的图像符合使用要求，即完成自动聚焦。

由于CCD传感器的分辨率较高，如果使用整幅图像，数据量大而传输时间长，另一方面计算时间长，会导致聚焦的时间过长，而且对于聚焦来说，使用分辨率一般的图像就可以。本系统考虑使用感兴趣区域AOI(Vertical Areas of Interest)方法，在图像中找到多个AOI，分别使用AOI的区域图像聚焦，设置合适大小的AOI区域，既增加图像的帧率，又可以加快聚焦评价函数FEF的速度，由于聚焦到反射镜上表面，所以可以使用颗粒的多少来确定使用哪个区域。

为了清晰的说明本实施例的一种高分辨率显微视觉成像装置的控制方法，具体步骤描述如下：

步骤1：开机自检；

步骤2：通过Nikon镜头7进行图像采集，上位机对采集到图像进行处理和分析，输出Nikon镜头7的所要调整到的放大倍数A，向变倍控制机构发送控制指令，通过变倍驱动舵机2驱动调焦环转动， 将代表Nikon镜头7放大倍数最接近放大倍数A的挡片旋转至接近开关3正前方；

步骤3：通过Nikon镜头7进行图像采集，上位机对采集到图像进行处理和分析，并向聚焦控制机构8发送控制信号，通过聚焦驱动电机8调整对焦环1，直至图像清晰度达到要求，完成图像聚焦。

步骤3中上位机对采集到的图像的处理采用感兴趣区域AOI方法，包括如下步骤：

步骤31：首先获取整幅图像，计算整幅梯度；

步骤32：找到梯度变化明显的区域，设置AOI到该区域；

步骤33：获取AOI图像，计算聚焦评价函数FEF；

步骤34：聚焦驱动电机分别正向反向移动，调整镜头的调焦环，得到AOI最清晰的地方p_i，记录镜头的位置；

步骤35：重复N次选择AOI，并执行步骤33、步骤34，得到集合S＝{p_i|i＝1:N}；

步骤36：删去S中距离集群中心较远的点，计算集群的重心，步骤37：依据集群的重心计算聚焦的位置。

其中重复的次数N≥5，本实施例中采用重复次数为5次。

本实施例采用上位机控制变倍控制机构、聚焦控制机构来驱动Nikon镜头7的调焦和聚焦，方便容易的实现大范围搜索及小范围定位，帮助显微系统精确瞄准，充分提高显微系统的检测速度。

Claims (5)

1.一种高分辨率显微视觉成像装置，包括镜头、CCD传感器、上位机、支架，所述的镜头包括调焦环和对焦环，其特征在于，还包括用于调整放大倍数的变倍控制机构、用于图像聚焦的聚焦控制机构上位机，变倍控制机构和聚焦控制机构分别通过信号线与上位机连接；

所述变倍控制机构包括变倍驱动舵机、齿轮、接近开关，所述镜头的调焦环上固设有与变倍控制机构中齿轮配合使用的齿条，齿条上设置有与接近开关配合使用的挡片组，挡片组由一系列挡片构成，并设定每个挡片位于接近开关正前方时所代表的放大倍数，在工作状态下由变倍驱动舵机驱动齿轮转动，通过齿轮、齿条的传动带动调焦环转动，利用挡片和接近开关将镜头放大倍数调整至设定值；

所述聚焦控制机构包括聚焦驱动电机、摩擦轮，摩擦轮与所述镜头的对焦环紧密贴合，在工作状态下由聚焦驱动电机驱动摩擦轮转动，通过摩擦轮与对焦环之间的摩擦力带动对焦环转动实现图像的聚焦；

变倍控制机构、聚焦控制机构固设于支架上。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的挡片不少于3个，每一个挡片代表一个镜头的放大倍数。

3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，变倍控制机构的齿轮与镜头的调焦环上的齿条的组合可实现的镜头变倍范围为0.055x-0.55x。

4.一种高分辨率显微视觉成像装置的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：开机自检；

步骤2：通过镜头进行图像采集，上位机对采集到图像进行处理和分析，输出镜头的所要调整到的放大倍数A，向变倍控制机构发送控制指令，通过变倍驱动舵机驱动调焦环转动，将代表镜头放大倍数最接近放大倍数A的挡片旋转至接近开关正前方；

步骤3：通过镜头进行图像采集，上位机对采集到图像进行处理和分析，并向聚焦控制机构发送控制信号，通过聚焦驱动电机调整对焦环，直至图像清晰度达到要求，完成图像聚焦；

步骤3中上位机对采集到的图像的处理采用感兴趣区域AOI方法，包括如下步骤：

步骤31：首先获取整幅图像，计算整幅梯度；

步骤32：找到梯度变化明显的区域，设置AOI到该区域；

步骤33：获取AOI图像，计算聚焦评价函数FEF；

步骤34：聚焦驱动电机分别正向反向移动，调整镜头的调焦环，得到AOI最清晰的地方p_i，记录镜头的位置；

步骤35：重复N次选择AOI，并执行步骤33、步骤34，得到集合S＝{p_i|i＝1:N}；

步骤36：删去S中距离集群中心较远的点，计算集群的重心，

步骤37：依据集群的重心计算聚焦的位置。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述的重复次数N≥5。