CN107219207A - 一种ccd生物芯片荧光扫描仪的自动调焦方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种CCD生物芯片荧光扫描仪的自动调焦方法。提供一CCD生物芯片荧光扫描仪的自动调焦装置，所述方法：首先，利用光源对生物芯片进行荧光激发，经由单片机控制电机调整成像镜头的焦距至初始位置，而后利用上位机对CCD相机经成像镜头采集的生物芯片的荧光图像进行粗调焦图像清晰度评价及细调焦图像清晰度评价，实现对成像镜头的焦距进行粗调及细调，从而完成成像镜头焦距的调整。本发明采用荧光点的荧光像素比例p和荧光点阵的总信噪比SNR_T，分别作为粗调焦图像清晰度评价函数和细调焦图像清晰度评价函数，解决了仪器调焦困难的问题；相比于手动调焦过程，该自动调焦设计具有准确度高、速度快和自动化程度高的优点。

Description

一种CCD生物芯片荧光扫描仪的自动调焦方法

技术领域

本发明涉及一种CCD生物芯片荧光扫描仪的自动调焦方法。

背景技术

专利（申请号：201220260024.7）提出一种面向线阵CCD的自动调焦系统，其特征是通过移动相机镜头（改变物距），并用CCD采集图像的方法实现自动调焦。专利（申请号：CN201610597471.4）提出一种大功率LED的微阵列芯片荧光检测方法，其特征在于通过设计的环形LED照明阵列对生物芯片进行激发，然后采用CCD相机采集发射的荧光。专利（申请号：CN02252864.4）提出一种具有均匀照明系统的CCD生物芯片检测仪的设计，通过光学元件将氙灯发出的白光过滤成平行的单色光，随后将其斜入射到生物芯片上激发荧光染料，再用CCD相机捕获发射的荧光。

生物芯片技术是生命科学领域中迅速崛起的一项高新技术，它以玻片、硅片或尼龙等为载体，在其表面高密度地排列大量的生物材料，实现对DNA、蛋白质、细胞以及其他生物组分的准确、快速、并行和大信息量的检测与分析，可广泛应用于药物研究、疾病诊断、基因结构与功能研究等领域。生物芯片的荧光检测目前主流的检测方式有两种：一种是基于光电倍增管的激光共聚焦的方式，另一种是高压氙气灯、汞灯或大功率LED结合CCD的成像方式。其中，CCD成像方式通过将光源过滤成窄带波长范围并对生物芯片进行激发，再使用CCD相机收集发射出来的荧光，该方式具有结构简单，检测速度快的优点。但是CCD成像方式存在一个问题，那就是由于成像镜头的焦距十分灵敏，在移动仪器或者载玻台进出过程中镜头容易失焦，使得拍摄的图像变的模糊，而用手动调焦的方式不仅麻烦、耗时而且精度容易受人主观影响。因此，本发明提出一种CCD生物芯片荧光扫描仪的自动调焦设计，使得只需简单操作仪器就能执行自动调焦过程。

发明内容

本发明的目的在于提供一种CCD生物芯片荧光扫描仪的自动调焦方法，该方法采用荧光点的荧光像素比例p和荧光点阵的总信噪比SNR_T，分别作为粗调焦图像清晰度评价函数和细调焦图像清晰度评价函数，解决了仪器调焦困难的问题；相比于手动调焦过程，该自动调焦设计具有准确度高、速度快和自动化程度高的优点。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种CCD生物芯片荧光扫描仪的自动调焦方法，提供一CCD生物芯片荧光扫描仪的自动调焦装置，所述CCD生物芯片荧光扫描仪的自动调焦装置包括光源、CCD相机、成像镜头、电机、单片机、上位机，所述方法：首先，利用光源对生物芯片进行荧光激发，经由单片机控制电机调整成像镜头的焦距至初始位置，而后利用上位机对CCD相机经成像镜头采集的生物芯片的荧光图像进行粗调焦图像清晰度评价及细调焦图像清晰度评价，实现对成像镜头的焦距进行粗调及细调，从而完成成像镜头焦距的调整。

在本发明一实施例中，所述所述电机通过传动皮带带动成像镜头旋转，以实现成像镜头焦距的调整。

在本发明一实施例中，该方法具体实现步骤如下：

S1、放置生物芯片，并利用光源对其进行荧光激发，通过单片机控制电机将成像镜头的焦距调整至初始位置；

S2、粗调焦距：通过单片机控制电机将成像镜头进行焦距的粗调，在每次粗调结束时利用CCD相机通过成像镜头采集生物芯片荧光图像，并将荧光图像传输到上位机；上位机接收到荧光图像后，采用每幅图中单个荧光点的荧光像素比例p作为粗调焦图像清晰度评价函数，并对所有荧光图像进行清晰度计算，而后将成像镜头的焦距调整到p值最大的图像所对应的焦距位置；

S3、细调焦距：在粗调焦距完成后，在粗调焦距结果焦距的周围范围，通过单片机控制电机将成像镜头进行焦距的细调，在每次细调结束时利用CCD相机通过成像镜头采集生物芯片荧光图像，并将荧光图像传输到上位机，上位机采用每幅图像的荧光点阵总信噪比SNR_T作为细调焦图像清晰度评价函数对图像进行清晰度计算，最终将成像镜头的焦距调整到SNR_T值最大的图像所对应的焦距位置。

在本发明一实施例中，所述步骤S2中，荧光点的荧光像素比例p可表示为：

其中，y表示图中红色圆圈内荧光像素点的个数，T则表示整张图片的总像素个数。

在本发明一实施例中，所述步骤S3中，光点阵总信噪比SNR_T的公式为：

其中，S为荧光像素点区域的平均像素值，B为环形背景像素点区域的平均像素值，N为环形背景像素点的方差。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明结合生物芯片荧光图像的特点，采用荧光点的荧光像素比例p和荧光点阵的总信噪比SNR_T，分别作为粗调焦图像清晰度评价函数和细调焦图像清晰度评价函数，设计了生物芯片扫描仪基于图像处理的自动调焦方法，解决了该仪器调焦困难的问题；相比于手动调焦过程，该自动调焦设计具有准确度高、速度快和自动化程度高的优点，相比于其它自动调焦方式，该设计具有结构简单、可保持成像镜头视场大小不变以及图像清晰度评价函数与生物芯片图像处理知识紧密相关的优点，该设计可广泛应该用于CCD生物芯片荧光扫描仪自动调焦系统的设计中。

附图说明

图1为本发明采用的CCD生物芯片荧光扫描仪的自动调焦装置框图。

图2为成像原理图。

图3为成像镜头焦距精准时，CCD所拍摄荧光图像一个荧光点示意图。

图4为成像镜头焦距有所偏差时，CCD所拍摄荧光图像一个荧光点示意图。

图5为成像镜头焦距精准时，CCD所拍摄荧光图像的荧光点阵图。

图6为本发明采用的CCD生物芯片荧光扫描仪的自动调焦装置工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。

本发明的一种CCD生物芯片荧光扫描仪的自动调焦方法，提供一CCD生物芯片荧光扫描仪的自动调焦装置，所述CCD生物芯片荧光扫描仪的自动调焦装置包括光源、CCD相机、成像镜头、电机、单片机、上位机，所述方法：首先，利用光源对生物芯片进行荧光激发，经由单片机控制电机调整成像镜头的焦距至初始位置，而后利用上位机对CCD相机经成像镜头采集的生物芯片的荧光图像进行粗调焦图像清晰度评价及细调焦图像清晰度评价，实现对成像镜头的焦距进行粗调及细调，从而完成成像镜头焦距的调整。所述所述电机通过传动皮带带动成像镜头旋转，以实现成像镜头焦距的调整。该方法具体实现步骤如下：

S1、放置生物芯片，并利用光源对其进行荧光激发，通过单片机控制电机将成像镜头的焦距调整至初始位置；

S2、粗调焦距：通过单片机控制电机将成像镜头进行焦距的粗调，在每次粗调结束时利用CCD相机通过成像镜头采集生物芯片荧光图像，并将荧光图像传输到上位机；上位机接收到荧光图像后，采用每幅图中单个荧光点的荧光像素比例p作为粗调焦图像清晰度评价函数，并对所有荧光图像进行清晰度计算，而后将成像镜头的焦距调整到p值最大的图像所对应的焦距位置；

S3、细调焦距：在粗调焦距完成后，在粗调焦距结果焦距的周围范围，通过单片机控制电机将成像镜头进行焦距的细调，在每次细调结束时利用CCD相机通过成像镜头采集生物芯片荧光图像，并将荧光图像传输到上位机，上位机采用每幅图像的荧光点阵总信噪比SNR_T作为细调焦图像清晰度评价函数对图像进行清晰度计算，最终将成像镜头的焦距调整到SNR_T值最大的图像所对应的焦距位置。

所述步骤S2中，荧光点的荧光像素比例p可表示为：

其中，y表示图中红色圆圈内荧光像素点的个数，T则表示整张图片的总像素个数。

所述步骤S3中，光点阵总信噪比SNR_T的公式为：

其中，S为荧光像素点区域的平均像素值，B为环形背景像素点区域的平均像素值，N为环形背景像素点的方差。

以下为本发明的具体实现过程。

本发明的一种CCD生物芯片荧光扫描仪的自动调焦方法，如图1所示，主要由CCD相机、上位机、成像镜头、电机、传动皮带、单片机、光源、生物芯片这几个部分组成。自动调焦过程如图6所示：放置生物芯片，打开光源对其进行荧光激发，先利用单片机控制电机将成像镜头的焦距调整到初始位置。然后从镜头焦距的初始位置开始，在焦距的可调范围内利用电机连续粗调焦距，在每次粗调结束时利用CCD相机采集生物芯片荧光图像，再将图像通过USB通信传输到PC的上位机存储。上位机在收到粗调焦所有的荧光图像后，利用图像单个荧光点的荧光像素比例p作为粗调焦图像清晰度评价函数对图像进行清晰度计算。最后根据清晰度计算结果筛选出粗调焦荧光像素比例p值最大的图像，并将焦距调整到这幅图像所对应的焦距位置。接着在上述粗调焦的结果上利用电机连续细调焦距，在每次细调焦结束时利用CCD相机采集荧光图像并传输到上位机。上位机收到细调焦所有图像后，利用荧光点阵总信噪比SNR_T作为细调焦图像清晰度评价函数进行清晰度计算，筛选出细调焦荧光点阵总信噪比SNR_T值最大的图像，然后将镜头焦距调整到这幅图像所对应的焦距位置。

成像镜头无论多复杂，实际都可以被视为如图2所示的单个薄透镜的理想成像系统模型。成像系统对点P成像，图中u为物距，v为像距，当系统处于准焦状态时，像面上的点P′是成像系统对物点P所成的像。设f为成像系统的焦距，则根据高斯成像公式，物像距满足如下关系式：

当成像参数满足上述关系时，成像系统处于准焦状态，此时成像是最清晰的。如果成像系统处于离焦状态，同样对物点P成像，此时物像距不再满足高斯成像公式，探测器上所成的像不再是一个点，而是一个弥散斑。调焦就是调节成像系统的参数，使物像距满足高斯成像公式，得到清晰图像。由上述公式可知，调焦可以通过改变物距u、像距v或是焦距 f来说实现，这是镜头调焦的基础原理。

基于以上对于镜头成像系统的分析，本发明在硬件上是利用电机调节成像镜头的焦距f达到调焦的目的。

粗调焦图像清晰度评价函数：在生物芯片荧光扫描仪的焦距精准和有所偏差两种情况，所拍摄图像的一个荧光点分别如图3,4所示。由生物芯片图像处理知识可知，图片中荧光像素比例p可表示为：

其中y表示图中红色圆圈内荧光像素点的个数，T则表示整张图片的总像素个数。由镜头成像原理以及两图可知，相比于准焦时所拍摄的荧光图像，当扫描仪的焦距有所偏差时会出现荧光点向周围弥散的现象，这将导致上述公式中y变大而T则不受影响，最终使得荧光像素比例p变大，而且焦距偏差越严重则荧光点弥散的越严重，p的值也将越大。因此本发明采用上述公式作为粗调焦图像清晰度评价函数，通过计算图像一个荧光点的p值衡量图像的清晰度。该清晰度评价函数具有计算速度快的优点。

细调焦图像清晰度评价函数：在生物芯片荧光扫描仪的焦距精准时，所拍摄荧光图像的荧光点阵如图5所示。根据生物芯片图像处理知识，可以将每个荧光点划分为红色圆内的荧光像素点区域和红蓝两圆间的环形背景像素点区域。生物芯片荧光图像中荧光点的信噪比是衡量荧光图像质量好坏的重要指标，在计算每个荧光点的信噪比时，通常要使用以下公式：

其中S为荧光像素点区域的平均像素值，B为环形背景像素点区域的平均像素值。N为环形背景像素点的方差。相比于焦距精准时所拍摄的荧光图像，当扫描仪的焦距有所偏差时会出现荧光点变模糊、亮度变低并向周围弥散的现象，这将导致上述公式中的S变小，B变大以及N变大，最终使得荧光点的信噪比SNR变小，而且扫描仪焦距偏差的越严重SNR就越小。因此综合每个荧光点情况本发明采用生物芯片荧光点阵的总信噪比SNR_T即：（其中n表示荧光点阵中荧光点的总数，SNR_i表示第i个荧光点的SNR值）作为细调焦图像清晰度评价函数，通过图像中荧光点阵的总信噪比SNR_T衡量图像是清晰还是模糊。

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种CCD生物芯片荧光扫描仪的自动调焦方法，提供一CCD生物芯片荧光扫描仪的自动调焦装置，其特征在于：所述CCD生物芯片荧光扫描仪的自动调焦装置包括光源、CCD相机、成像镜头、电机、单片机、上位机，所述方法：首先，利用光源对生物芯片进行荧光激发，经由单片机控制电机调整成像镜头的焦距至初始位置，而后利用上位机对CCD相机经成像镜头采集的生物芯片的荧光图像进行粗调焦图像清晰度评价及细调焦图像清晰度评价，实现对成像镜头的焦距进行粗调及细调，从而完成成像镜头焦距的调整。

2.根据权利要求1所述的一种CCD生物芯片荧光扫描仪的自动调焦方法，其特征在于：所述所述电机通过传动皮带带动成像镜头旋转，以实现成像镜头焦距的调整。

3.根据权利要求1所述的一种CCD生物芯片荧光扫描仪的自动调焦方法，其特征在于：该方法具体实现步骤如下：

S1、放置生物芯片，并利用光源对其进行荧光激发，通过单片机控制电机将成像镜头的焦距调整至初始位置；

S2、粗调焦距：通过单片机控制电机将成像镜头进行焦距的粗调，在每次粗调结束时利用CCD相机通过成像镜头采集生物芯片荧光图像，并将荧光图像传输到上位机；上位机接收到荧光图像后，采用每幅图中单个荧光点的荧光像素比例p作为粗调焦图像清晰度评价函数，并对所有荧光图像进行清晰度计算，而后将成像镜头的焦距调整到p值最大的图像所对应的焦距位置；

S3、细调焦距：在粗调焦距完成后，在粗调焦距结果焦距的周围范围，通过单片机控制电机将成像镜头进行焦距的细调，在每次细调结束时利用CCD相机通过成像镜头采集生物芯片荧光图像，并将荧光图像传输到上位机，上位机采用每幅图像的荧光点阵总信噪比SNR_T作为细调焦图像清晰度评价函数对图像进行清晰度计算，最终将成像镜头的焦距调整到SNR_T值最大的图像所对应的焦距位置。

4.根据权利要求3所述的一种CCD生物芯片荧光扫描仪的自动调焦方法，其特征在于：所述步骤S2中，荧光点的荧光像素比例p可表示为：

其中，y表示图中红色圆圈内荧光像素点的个数，T则表示整张图片的总像素个数。

5.根据权利要求3所述的一种CCD生物芯片荧光扫描仪的自动调焦方法，其特征在于：所述步骤S3中，光点阵总信噪比SNR_T的公式为：

其中，S为荧光像素点区域的平均像素值，B为环形背景像素点区域的平均像素值，N为环形背景像素点的方差。