CN105988209B - 一种基于显微镜的全自动检测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于显微镜的全自动检测系统。所述系统包括安装在底座上的机械系统、光学显微镜和用于控制机械系统的步进电机的控制系统，还包括安装在光学显微镜机架上的CCD相机，以及位于底座外的计算机。机械系统将被检物涂片移至光学显微镜下，光学显微镜的光源发出的光穿过被检物涂片，经过物镜在CCD相机的电子目镜上聚焦成像，CCD相机将成像的光学信号转化为电信号后传送到计算机进行图像处理及检测。本发明实现了被检物的全自动检测识别，自动化程度高，大大简化了检测程序，降低了因人工检测的主观性和经验不足带来的误差，提高了检测速度和效率，降低了人工劳动强度，节约了人力资源。

Description

一种基于显微镜的全自动检测系统
技术领域
本发明涉及光学成像技术、自动控制技术和计算机图像处理技术，具体涉及一种基于显微镜的全自动检测系统。
背景技术
最早的显微镜是16世纪末期在荷兰制造出来的。发明者是荷兰眼镜商亚斯詹森，用两片透镜制作了简易的显微镜，但并没有用这些仪器做过任何重要的观察。后来有两个人开始在科学上使用显微镜。第一个是意大利科学家伽利略。他通过显微镜观察到一种昆虫后，第一次对它的复眼进行了描述。第二个是荷兰亚麻织品商人列文胡克，自己学会了磨制透镜，并第一次描述了许多肉眼所看不见的微小植物和动物。
目前，显微镜已经广泛地应用于社会生产、科研、检测、教学等各个方面，尤其是生物医学领域。但目前显微镜的操作使用，以及图像信息的存储、处理、打印等都不是很方便，多数显微镜还只能进行手动操作。近年来，虽然在显微镜的自动化方面有了较大的进展，但显微镜的自动化程度并不是很高。
公开号为CN1553241A的中国发明专利，公开了一种光学自动显微镜，包括一个由目镜、物镜、载物台、聚光镜、照明光源构成的主体显微镜，所述主体显微镜顶部装有一个图像扫描摄像机，所述物镜上设有电动转换器，所述载物台上设有水平横轴电机和水平纵轴电机，所述主体显微镜的立柱上设有竖直轴电机；所述水平横轴电机通过传动机构与一个样品夹定位架驱动连接，所述水平纵轴电机通过传动机构与所述载物台驱动连接，所述竖直轴电机通过传动机构与载物台驱动连接；还包括一个控制器，该控制器由嵌入式控制电路、液晶显示屏、水平横轴电机驱动电路、水平纵轴电机驱动电路、竖直轴电机驱动电路、水平移动控制指令编码器、竖直移动控制指令编码器、灯光亮度控制指令编码器、物镜转换控制指令编码器、操作手柄构成；所述控制器电路通过通讯接口电路与上位控制计算机连接。该发明的优点是能够实现图像的自动聚焦自动扫描。其缺点是自动化程度不高，不能实现被检物载片的自动移动，也不能将光学图像转换成电信号送计算机进行自动处理与识别。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提出一种基于显微镜的全自动检测系统。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于显微镜的全自动检测系统，包括安装在底座上的机械系统、光学显微镜和用于控制为机械系统提供动力的步进电机的控制系统，还包括安装在光学显微镜机架上的CCD相机，以及位于底座外的计算机。机械系统将被检物涂片移至光学显微镜下，光学显微镜的光源发出的光穿过被检物涂片，经过物镜在CCD相机的电子目镜上聚焦成像，CCD相机将所成像的光学信号转化为电信号后传送到计算机进行图像处理及检测。
进一步地，机械系统包括安装在底座上用于移动放置被检物涂片的片盒的进出仓机构、推片机构、电梯机构，安装在光学显微镜机架上的载物台、Z轴调整机构、物镜转台。
进一步地，进出仓机构包括进出仓步进电机和由进出仓步进电机驱动的位于上层的输送带与位于下层的曲柄连杆，输送带用于移动片盒，曲柄连杆用于将检测完的片盒从进出仓机构取回。
进一步地，推片机构包括推片步进电机和推片框架。推片框架的连接板由压带板连接到齿形带上，推片步进电机驱动齿形带做往返运动。推片框架分为上、下两层，上层推片框架的推板将片盒由进出仓机构推到电梯机构的盒托上，并完成被检物涂片出、入片盒的操作；下层推片框架的钩板将片盒从电梯机构的下面推回。
进一步地，电梯机构包括电梯步进电机、丝杠螺母副、直线导轨副及其支架，电梯步进电机通过齿形带驱动丝杠螺母副驱动放置片盒的盒托在直线导轨副上做竖直运动。在支架上设有片盒的侧面定位装置，侧面定位装置通过安装在固定板上的压板与带有压簧的伸缩轴配合，从片盒竖直方向运动的两个位置的侧面松开片盒，其余位置压紧片盒。
进一步地，载物台通过基座与光学显微镜的载物台托板相连。载物台步进电机通过驱动丝杠螺母副使载物台在直线导轨副上进行X、Y方向的运动，将被检物涂片从交接位置(被检物涂片移至载物台时的起始位置)移动至成像位置。控制系统利用X、Y轴的光栅编码器输出的位移反馈信号对载物台步进电机进行闭环控制，使载物台在X、Y方向的运动满足成像的定位精度要求。
进一步地，Z轴调整机构用于实现光学显微镜的聚焦，包括精调机构和粗调机构，粗调机构由Z轴调整步进电机驱动齿形带从而控制载物台的升降；精调机构直接连接显微镜Z轴，控制系统利用安装在Z轴的光栅编码器输出的位移反馈信号对Z轴调整步进电机进行闭环控制，使物台的升降满足聚焦的精度要求。
进一步地，物镜转台包括物镜旋转机构和条形码扫描仪。物镜转台旋转机构由物镜转台步进电机驱动齿形带从而带动物镜转台(通过齿形带轮)旋转，控制系统利用安装在物镜转台步进电机后部的光栅编码器，输出位移反馈信号对物镜转台步进电机进行闭环控制，实现不同倍数的物镜的转换。条形码扫描仪用于获取被检物涂片上的条形码识别信息。
进一步地，机械系统还包括安装在底座上的注射泵机构，注射泵机构包括油瓶、注射泵和注射泵步进电机；注射泵步进电机通过齿形带驱动丝杆带动注射泵做往复运动，将油滴到被检物涂片上的成像区域，使图像清晰。
进一步地，控制系统包括驱动器、控制器、光栅编码器和行程限位开关；控制器输出的脉冲信号经驱动器放大后驱动步进电机转动；控制器利用光栅编码器反馈的位移信号对步进电机进行闭环控制；行程限位开关反馈极限位置信号至计算机，计算机输出控制信号至控制器实现步进电机的启动与停止。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明基于光学显微镜，通过设置用于移动放置被检物涂片的片盒的进出仓机构、推片机构和电梯机构，用于控制被检物精确成像的载物台、Z轴调整机构和物镜转台，以及对被检物成像进行图像处理、检测识别的计算机，实现了对被检物的全自动检测识别。本发明自动化程度高，大大简化了检测程序，降低了因人工检测的主观性和经验不足带来的误差，提高了检测速度和效率，降低了人员劳动强度，节约了人力资源。
附图说明
图1为基于显微镜的全自动检测系统的组成框图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
一种基于显微镜的全自动检测系统，其组成如图1所示，包括安装在底座上的机械系统、光学显微镜和用于控制为机械系统提供动力的步进电机的控制系统，还包括安装在光学显微镜机架上的CCD相机，以及位于底座外的用于数据处理的计算机。机械系统将被检物涂片移至光学显微镜下，光学显微镜的光源发出的光穿过被检物涂片，经过物镜在CCD相机的电子目镜上聚焦成像，CCD相机将所成像的光学信号转化为电信号后传送到计算机进行图像处理及检测。
机械系统包括安装在底座上用于移动放置被检物涂片的片盒的进出仓机构、推片机构、电梯机构，安装在光学显微镜机架上的载物台、Z轴调整机构、物镜转台。
进出仓机构包括进出仓步进电机和由进出仓步进电机驱动的位于上层的输送带与位于下层的曲柄连杆，输送带用于移动片盒，曲柄连杆用于将检测完的片盒从进出仓机构取回。
推片机构包括推片步进电机和推片框架。推片框架的连接板由压带板连接到齿形带上，推片步进电机驱动齿形带做往返运动。推片框架分为上、下两层，上层推片框架的推板将片盒由进出仓机构推到电梯机构的盒托上，并完成被检物涂片出、入片盒的操作；下层推片框架的钩板将片盒从电梯机构的下面推回。
电梯机构包括电梯步进电机、丝杠螺母副、直线导轨副及其支架，电梯步进电机通过齿形带驱动丝杠螺母副驱动放置片盒的盒托在直线导轨副上做竖直运动。在支架上设有片盒的侧面定位装置，侧面定位装置通过安装在固定板上的压板与带有压簧的伸缩轴配合，从片盒竖直方向运动的两个位置的侧面松开片盒，其余位置压紧片盒。
载物台通过基座与光学显微镜的载物台托板相连。载物台步进电机通过驱动丝杠螺母副使载物台在直线导轨副上进行X、Y方向的运动，将被检物涂片从交接位置(被检物涂片移至载物台时的起始位置)移动至成像位置。控制系统利用X、Y轴的光栅输出的位移反馈信号对载物台步进电机进行闭环控制，使载物台在X、Y方向的运动满足成像的定位精度要求。
Z轴调整机构用于实现光学显微镜的聚焦，包括精调机构和粗调机构，粗调机构由Z轴调整步进电机驱动齿形带从而控制载物台的升降；精调机构直接连接显微镜Z轴，控制系统利用安装在Z轴的光栅编码器输出的位移反馈信号对Z轴调整步进电机进行闭环控制，使物台的升降满足聚焦的精度要求。
物镜转台包括物镜转台旋转机构和条形码扫描仪。物镜转台旋转机构由物镜转台步进电机驱动齿形带从而带动物镜转台旋转，控制系统利用安装在物镜转台步进电机后部的光栅编码器，输出位移反馈信号对物镜转台步进电机进行闭环控制，实现不同倍数的物镜的转换。条形码扫描仪用于获取被检物涂片上的条形码识别信息。
机械系统还包括安装在底座上的注射泵机构，注射泵机构包括油瓶、注射泵和注射泵步进电机；注射泵步进电机通过齿形带驱动丝杆带动注射泵做往复运动，将油滴到被检物涂片上的成像区域，使图像清晰。
控制系统包括驱动器、控制器、光栅编码器和行程限位开关；控制器输出的脉冲信号经驱动器放大后驱动步进电机转动；控制器利用光栅编码器反馈的位移信号对步进电机进行闭环控制；行程限位开关反馈极限位置信号至计算机，计算机输出控制信号至控制器实现步进电机的启动与停止。
下面是应用本发明所述检测系统进行医学细胞形态学形态分类识别的检测流程：
步骤1，将15个医学临床涂片放入片盒中，将片盒放在进出仓机构上层的输送带上；进出仓机构的输送带将片盒运送到进出仓最左端；推片机构将片盒推到电梯机构的盒托上，推片机构退回；电梯机构下降到第1个医学临床涂片位置，推片机构将第1个医学临床涂片推出片盒，推入载物台交接位置并定位。
步骤2，载物台在X、Y、Z方向运动，医学临床涂片光移至学显微镜的镜头下面，条形码扫描仪扫描医学临床涂片的条形码并送至计算机识别。
步骤3，聚光灯的强光线照射医学临床涂片检测区域，光线经显微镜10倍物镜放大，经过载物台Z方向运动聚焦成像，由CCD相机图像光学信号转换为电信号后送到计算机，由计算机进行判断后选定100个细胞的视野区域；载物台沿X方向移动，注射泵机构向医学临床涂片滴油，载物台沿X方向返回；物镜转台转换100倍物镜，经过载物台Z方向精调聚焦成像，由CCD相机将100倍物镜图像光学信号转换为电信号后送计算机进行处理后；载物台进行X、Y方向城垛形微动，采集图像送计算机处理；计算机完成全部图像处理；物镜转台换回10倍物镜，载物台在X、Y、Z方向运动使医学临床涂片由显微镜物镜正下方退回到载物台交接位置。
步骤4，推片机构将医学临床涂片推回片盒后退回一定距离；电梯机构下降至第2个医学临床涂片位置。
步骤5，循环步骤1～4，完成第一个片盒内全部医学临床涂片的检测。电梯机构下降到底层，推片机构将片盒推回进出仓机构下层，进出仓机构的曲柄连杆机构将片盒取回，同时进出仓机构的输送带将第2个片盒由出仓最左端推入电梯机构的盒托上，开始第2个片盒的检测。如此循环直到完成全部片盒检测。
本发明不限于上述实施方式，本领域技术人员所做出的对上述实施方式任何显而易见的改进或变更，都不会超出本发明的构思和所附权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于显微镜的全自动检测系统，其特征在于，包括安装在底座上的机械系统、光学显微镜和用于控制为机械系统提供动力的步进电机的控制系统，还包括安装在光学显微镜机架上的CCD相机，以及位于底座外的计算机；机械系统将被检物涂片移至光学显微镜下，光学显微镜的光源发出的光穿过被检物涂片，经过物镜在CCD相机的电子目镜上聚焦成像，CCD相机将所成像的光学信号转化为电信号后传送到计算机进行图像处理及检测，机械系统包括安装在底座上用于移动放置被检物涂片的片盒的进出仓机构、推片机构、电梯机构，安装在光学显微镜机架上的载物台、Z轴调整机构、物镜转台，进出仓机构包括进出仓步进电机和由进出仓步进电机驱动的位于上层的输送带与位于下层的曲柄连杆，输送带用于移动片盒，曲柄连杆用于将检测完的片盒从进出仓机构取回。
2.根据权利要求1所述的基于显微镜的全自动检测系统，其特征在于，推片机构包括推片步进电机和推片框架；推片框架的连接板由压带板连接到齿形带上，推片步进电机驱动齿形带做往返运动；推片框架分为上、下两层，上层推片框架的推板将片盒由进出仓机构推到电梯机构的盒托上，并完成被检物涂片出、入片盒的操作；下层推片框架的钩板将片盒从电梯机构的下面推回。
3.根据权利要求1所述的基于显微镜的全自动检测系统，其特征在于，电梯机构包括电梯步进电机、丝杠螺母副、直线导轨副及其支架，电梯步进电机通过齿形带驱动丝杠螺母副驱动放置片盒的盒托在直线导轨副上做竖直运动；在支架上设有片盒的侧面定位装置，侧面定位装置通过安装在固定板上的压板与带有压簧的伸缩轴配合，从片盒竖直方向运动的两个位置的侧面松开片盒，其余位置压紧片盒。
4.根据权利要求1所述的基于显微镜的全自动检测系统，其特征在于，载物台与光学显微镜的载物台托板相连；载物台步进电机通过驱动丝杠螺母副使载物台在直线导轨副上进行X、Y方向的运动，将被检物涂片从交接位置移动至成像位置；控制系统利用X、Y轴的光栅编码器输出的位移反馈信号对载物台步进电机进行闭环控制，使载物台在X、Y方向的运动满足成像的定位精度要求。
5.根据权利要求1所述的基于显微镜的全自动检测系统，其特征在于，Z轴调整机构用于实现光学显微镜的聚焦，包括精调机构和粗调机构，粗调机构由Z轴调整步进电机驱动齿形带从而控制载物台的升降；精调机构直接连接显微镜Z轴，控制系统利用安装在Z轴的光栅编码器输出的位移反馈信号对Z轴调整步进电机进行闭环控制，使物台的升降满足聚焦的精度要求。
6.根据权利要求1所述的基于显微镜的全自动检测系统，其特征在于，物镜转台包括物镜旋转机构和条形码扫描仪；物镜转台旋转机构由物镜转台步进电机驱动齿形带从而带动物镜转台旋转，控制系统利用安装在物镜转台步进电机后部的光栅编码器，输出位移反馈信号对物镜转台步进电机进行闭环控制，实现不同倍数的物镜的转换；条形码扫描仪用于获取被检物涂片上的条形码识别信息。
7.根据权利要求1所述的基于显微镜的全自动检测系统，其特征在于，机械系统还包括安装在底座上的注射泵机构，注射泵机构包括油瓶、注射泵和注射泵步进电机；注射泵步进电机通过齿形带驱动丝杆带动注射泵做往复运动，将油滴到被检物涂片上的成像区域，使图像清晰。
8.根据权利要求1所述的基于显微镜的全自动检测系统，其特征在于，控制系统包括驱动器、控制器、光栅编码器和行程限位开关；控制器输出的脉冲信号经驱动器放大后驱动步进电机转动；控制器利用光栅编码器反馈的位移信号对步进电机进行闭环控制；行程限位开关反馈极限位置信号至计算机，计算机输出控制信号至控制器实现步进电机的启动与停止。
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