CN108490596A - 一种高速面阵扫描的大视场切片显微成像系统 - Google Patents

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单俍
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Abstract

本发明提供一种高速面阵扫描的大视场切片显微成像系统，包括同轴照明光源装置、透射明场LED光源装置、显微物镜、物镜压电升降装置、高速显微成像装置以及高速扫描设备，所述同轴照明光源装置设置于高速显微成像装置一侧，所述高速显微成像装置的下方通过物镜压电升降装置与显微物镜相连通，所述显微物镜下方设置高速扫描设备，所述高速扫描设备下方设置透射明场LED光源装置。本发明的有益效果是直接通过下位机PMAC板和FPGA板实时控制样本台完成垂轴向二轴扫描和物镜轴向离焦补偿，并在行进至等间隔扫描点处时同步触发相机曝光，从而实现无需图像拼接的大视场切片高速扫描显微成像。

Description

一种高速面阵扫描的大视场切片显微成像系统
技术领域
本发明特别涉及一种高速面阵扫描的大视场切片显微成像系统。
背景技术
在现有的技术中大视场切片(载玻片样品)显微成像技术在生物、医学、工业等诸多领域的图像检测中均有重要应用。由于显微镜成像的物方视场极其有限，通常采用移动样本台的方式来实现大视场分块成像，再通过相邻分块重叠区域的图像配准来实现全视场图像拼接。在上述扫描成像过程中，传统方式是走-停-走-停模式，每次走过一个相邻的子视场，停在下一个子视场的设定位置，完成实时对焦和图像获取，之后再走向下一个子视场，以此往复直至完成全视场遍历。近年来，由于对成像高通量、高内涵、高时效的迫切需求，一方面需要加速扫描方式，转而采用连续扫描成像；另一方面，设法在扫描过程中准确获取每个子视场成像时的平台绝对位置，以期避免使用图像拼接算法直接获得全视场显微图像。但是在样本台连续运动下获得图像曝光时的绝对位置存在多个因素的测量不确定性。
发明内容
本发明的目的是提供一种高速面阵扫描的大视场切片显微成像系统，直接通过下位机PMAC板和FPGA板实时控制样本台完成垂轴向二轴扫描和物镜轴向离焦补偿，并在行进至等间隔扫描点处时同步触发相机曝光，从而实现无需图像拼接的大视场切片高速扫描显微成像。
本发明的技术方案是：一种高速面阵扫描的大视场切片显微成像系统，包括同轴照明光源装置、透射明场LED光源装置、显微物镜、物镜压电升降装置、高速显微成像装置以及高速扫描设备，所述同轴照明光源装置设置于高速显微成像装置一侧，所述高速显微成像装置的下方通过物镜压电升降装置与显微物镜相连通，所述显微物镜下方设置高速扫描设备，所述高速扫描设备下方设置透射明场LED光源装置。
进一步，所述同轴照明光源装置包括同轴照明激光装置和同轴照明LED 光源装置，所述同轴照明光源装置为高速显微成像装置提供单色、高输出功率的激发光同轴照明和提供不同可见光波段的LED同轴照明。
进一步，所述高速显微成像装置包括显微镜镜筒和高速相机，所述显微镜镜筒与高速相机通过相机接圈相连接。
进一步，所述高速相机选用100-400万像素的高速相机。
进一步，所述高速相机使用GigE、USB3.0或CameraLink数据传输接口，传输帧频在50-100Hz范围
进一步，所述高速相机使用黑白或彩色面阵芯片，20倍以上显微成像选用像元尺寸5um以上的面阵芯片，面阵大小适在100-400万之间。
进一步，所述高速扫描设备包括样本台及高速扫描机，所述高速扫描设备用于系统初始化参数标定、显微成像的初始化定位和高速扫描-同步触发。
本发明具有的优点和积极效果是：本发明专利可用于样本台扫描的大视场切片显微成像装置，当驱动样本台高速连续运动时，直接通过下位机PMAC 板和FPGA板实时控制样本台完成垂轴向二轴扫描和物镜轴向离焦补偿，并在行进至等间隔扫描点处时同步触发相机曝光，从而实现无需图像拼接的大视场切片高速扫描显微成像。
附图说明
图1是本发明的原理结构示意图；
图2是本发明的硬件控制流程框图；
图3是本发明的控制时序图。
图中：
1、同轴照明光源装 2、透射明场LED光源 3、显微物镜置装置
4、物镜压电升降装 5、高速显微成像装置 6、高速扫描设备置
7、同轴照明激光装 8、同轴照明LED光源 9、显微镜镜筒置装置
10、高速相机 11、样本台 12、高速扫描机
具体实施方式
下面结合附图对本发明做详细说明。
如图1本发明的原理结构示意图所示，本发明提供一种高速面阵扫描的大视场切片显微成像系统，包括同轴照明光源装置1、透射明场LED光源装置2、显微物镜3、物镜压电升降装置4、高速显微成像装置5以及高速扫描设备6，所述同轴照明光源装置1设置于高速显微成像装置5一侧，所述高速显微成像装置5的下方通过物镜压电升降装置4与显微物镜3相连通，所述显微物镜3下方设置高速扫描设备6，所述高速扫描设备6下方设置透射明场LED光源装置2。
所述同轴照明光源装置1包括同轴照明激光装置7和同轴照明LED光源装置8，所述同轴照明光源装置1为高速显微成像装置5提供单色、高输出功率的激发光同轴照明和提供不同可见光波段的LED同轴照明。
所述高速显微成像装置5包括显微镜镜筒9和高速相机10，所述显微镜镜筒9与高速相机10通过相机接圈相连接。
所述高速相机10选用100-400万像素的高速相机10。所述高速相机10 使用GigE、USB3.0或CameraLink数据传输接口；传输帧频在50-100Hz范围；所述高速相机10使用黑白或彩色面阵芯片，20倍以上显微成像选用像元尺寸5um以上的面阵芯片，面阵大小适在100-400万之间。
所述高速扫描设备6包括样本台11及高速扫描机12，所述高速扫描设备6用于系统初始化参数标定、显微成像的初始化定位和高速扫描-同步触发。
本实例的工作过程：所述同轴照明光源装置1包括同轴照明激光装置7 和同轴照明LED光源装置8，同轴照明激光装置7该装置为本系统在荧光显微成像模式下提供单色、高输出功率的激发光同轴照明；同轴照明LED光源装置8该装置为本系统在明场显微成像模式下提供不同可见光波段的LED同轴照明。
透射明场LED光源装置2该装置为本系统在明场显微成像模式下提供不同可见光波段的LED透射照明；
显微物镜3及物镜压电升降装置4针对成像分辨率、景深、操作空间等需求确定显微物镜3的放大率、数值孔径、工作距离等参数，并根据标定样本台11扫描平面与成像系统光轴不垂直量以及扫描视场确定物镜压电升降台的行程、开环精度、谐振频率等参数，最后完成组装。可用于高速扫描- 同步离焦调整。
高速显微成像装置5选用100-400万像素的高速(高帧频)相机，设计制造显微镜镜筒9，包括和物镜升降台的接口、和高速相机10的接口，和同轴照明的接口，以及内部固定分光平片、TubeLens(管镜)，完成组装。可用于系统初始化参数标定、显微成像的初始化对准、高速扫描-同步成像。
其中，根据物镜品牌选择对应品牌或指定焦距的TubeLens(管镜)，确保标称放大率。
其中，高速相机10可使用GigE、USB3.0、CameraLink等数据传输接口，传输帧频大致在50-100Hz范围。
其中，高速相机10可使用黑白或彩色面阵芯片，20倍以上显微成像适宜选用像元尺寸5um以上的面阵芯片，面阵大小适宜在100-400万之间；
其中，高速相机10可工作在软件触发和外触发两个模式下，分别对应于系统初始化对准标定、实时高速扫描两个成像模式；外触发模式下曝光时序由下位机高速扫描-同步成像控制模块提供。
所述显高速面阵扫描的大视场切片显微成像系统还包括微系统升降装置，该装置为电动侧升降台，并带光栅尺读数反馈，所述高速显微成像装置 5显微成像装置以及同轴照明光源装置1、透射明场LED光源装置2均安装在其载台面上，可用于系统初始化参数标定、显微成像初始化对焦。
高速扫描设备6样本台11及高速扫描机12,该装置为单个或多个载玻片样本(切片)的载物台，并提供X轴和Y轴的高速平移运动，可用于系统初始化参数标定、显微成像的初始化定位、高速扫描-同步触发。
其中，由于透射明场LED光源装置2位于样本正下方，因此二轴平移台均采用侧驱方式设、制造、安装。
其中，由于高速扫描-同步成像的需要，上述二轴平移台均带有高精度光栅尺读数反馈，并使用控制、开发性能俱佳的PMAC(可编程多轴运动控制器)卡来实现下位机实时运动控制。
上述二轴平移台需要抑制运动中带来的随机跳动和偏摆误差，小于 0.5um横向误差，以满足高速扫描成像无需图像拼接算法的要求。
所述还包括高速面阵扫描的大视场切片显微成像系统下位机高速扫描- 同步成像控制模块、下位机离焦实时补偿控制模块、系统初始化对准及参数标定模块下位机高速扫描-同步成像控制模块。
上述高速面阵扫描的大视场切片显微成像系统下位机高速扫描-同步成像控制模块为样本台11高速扫描时行进至等间隔扫描点处瞬时同步触发相机曝光的控制模块。为确保触发时序的同步精度，我们通过下位机PMAC板和FPGA板来实现整个控制过程。当各平移台的光栅尺高速读出当前位置读数，我们对扫描快轴，通常为X轴，光栅尺输出的位置读数与参考等间隔点位置值进行比较，一旦经过参考点位置，立即通过FPGA板输出相机的外触发信号，上述整个过程从光栅尺读出到相机获得触发上升沿耗时可小于0.02us微秒。同时，考虑到比较器输出时存在高频振荡和干扰杂波，我们在FPGA板上使用板载滤波，仅保留位置触发的上升沿信号。
下位机离焦实时补偿控制模块，该控制模块为样本台11高速扫描时在到达下一个等间隔扫描点之前驱动物镜压电台完成离焦实时补偿的控制模块。同样，为确保补偿时序的同步，我们通过下位机PMAC板和FPGA板来实现整个控制过程。当扫描轴光栅尺输出的位置读数到达参考等间隔点位置值从而经由FPGA板外触发相机的曝光时序完成后，FPGA板根据预存的下一个等间隔扫描点处初始化标定获得的离焦补偿量，向物镜压电台发出模拟控制量实现实时补偿，整个过程(从FPGA发出控制量到压电台完成离焦补偿耗时可小于1-3ms，满足采用高速相机10图像采集帧频的要求。
系统初始化对准及参数标定模块为离线标定显微成像系统的物像放大率，由此换算物方等效像元的采样间隔，以及分别离线标定样本台11两个扫描轴同高速相机10芯片像元排布方向水平和竖直的夹角，用于实现各子视场图像的实时裁切和全视场图像的去拼接算法组建。此外，还需要离线标定样本台11两个扫描轴与显微成像理想垂轴面的夹角，用于实现各等间隔扫描子视场成像的实时离焦补偿。当考虑到平台运动的实际性能特点，适宜使用各轴分段标定的策略。
传统样本台11在高速连续运动过程中，其位置测量难以实时准确，可能存在如下影响因素：
[1]光栅尺本身的绝对误差；
[2]光栅尺读数延时：读数在由下位机读取并向上位机传输的过程中存在延时，即便为网口传输，其延时仍在ms级且不固定，待上位机接收到位置信息后样本台11位置早已改变；
[3]未体现在光栅尺读数上的实际位置误差：运动轴在高速运动过程中会有轴跳、偏摆等现象，会在另一个方向上产生绝对位置扰动。
本发明的高速扫描-同步成像控制方案，控制时序图如图3所示。
我们在系统控制方案上提出如下改进：
[1]使用激光干涉仪对光栅尺进行绝对位置标定，运用插值算法得到校正过的精确位置测量反馈。
[2]在光栅编码器中加入位置比较寄存器和位置到达输出端口，当样本台11到达预设位置时，通过端口产生脉冲触发信号。该功能由500MHz主频高速数字时序电路实现，确保触发信号的实时性；
[3]上述脉冲触发信号直接触发相机曝光，并将相机曝光时间压缩在50 微秒以内，确保图像获得的位置读出准确，以及图像采集的运动模糊影响小；
[4]使用50MHz主频FPGA在光栅尺比较器输出触发信号与相机之间起到滤波、判断作用，屏蔽信。号扰动和外界干扰。
以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (7)

1.一种高速面阵扫描的大视场切片显微成像系统，其特征在于：包括同轴照明光源装置、透射明场LED光源装置、显微物镜、物镜压电升降装置、高速显微成像装置以及高速扫描设备，所述同轴照明光源装置设置于高速显微成像装置一侧，所述高速显微成像装置的下方通过物镜压电升降装置与显微物镜相连通，所述显微物镜下方设置高速扫描设备，所述高速扫描设备下方设置透射明场LED光源装置。
2.根据权利要求1所述的显微成像系统，其特征在于：所述同轴照明光源装置包括同轴照明激光装置和同轴照明LED光源装置，所述同轴照明光源装置为高速显微成像装置提供单色、高输出功率的激发光同轴照明和提供不同可见光波段的LED同轴照明。
3.根据权利要求1所述的显微成像系统，其特征在于：所述高速显微成像装置包括显微镜镜筒和高速相机，所述显微镜镜筒与高速相机通过相机接圈相连接。
4.根据权利要求3所述的显微成像系统，其特征在于：所述高速相机选用100-400万像素的高速相机。
5.根据权利要求3所述的显微成像系统，其特征在于：所述高速相机使用GigE、USB3.0或CameraLink数据传输接口，传输帧频在50-100Hz范围。
6.根据权利要求3所述的显微成像系统，其特征在于：所述高速相机使用黑白或彩色面阵芯片，20倍以上显微成像选用像元尺寸5um以上的面阵芯片，面阵大小适在100-400万之间。
7.根据权利要求1所述的显微成像系统，其特征在于：所述高速扫描设备包括样本台及高速扫描机，所述高速扫描设备用于系统初始化参数标定、显微成像的初始化定位和高速扫描-同步触发。
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