CN109141823A - 一种基于清晰度评价的显微镜系统景深测量装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于图像清晰度评价的显微镜景深测量装置和方法，装置具体为：光源、扩束镜、载物台、物镜依次同轴放置在一水平线上，所述载物台用于置放测量样本，所述探测器位于物镜的焦面处；所述计算机用于根据探测器得到的成像信息获取图像的清晰度从而控制载物台沿光轴方向移动。该方法通过改变载物台和光源之间的距离，测量样本的清晰度数值，确定恰好不能改变清晰度要求的定焦测量值时移动的距离作为景深值。本发明实现对不同倍率镜头进行了快速景深测量，可应用于需要实时获取景深关系或者景深拓展系统的场合，具有装置简单、速度快、抗噪性好的优点。

Description

一种基于清晰度评价的显微镜系统景深测量装置和方法

技术领域

本发明涉及计算机视觉图像处理技术领域，特别涉及一种基于清晰度评价的显微镜系统景深测量装置和方法。

背景技术

景深表示成像系统能够成清晰像的纵向范围，景深越大，能够观察的深度范围也就越大。因此，为了获得更好的成像效果，景深的获取显得尤为重要。

目前数码显微镜的景深主要是通过传统景深公式分析计算而来，由于衍射效应的影响，计算方法由物理景深计算得到。但是通过公式得到景深信息需要了解系统参数，计算复杂，同时公式不具有通用性，故显微镜系统的景深测量方法更受关注。

到目前为止，显微镜系统的景深测量方法有应用MTF对显微物镜景深进行测量，但是对系统测量主要是在仿真阶段。

发明内容

本发明的目的在于提供基于清晰度评价的显微镜系统景深测量装置

实现本发明目的的技术方案为，基于清晰度评价的显微镜系统景深测量装置，包括光源、扩束镜、载物台、物镜、探测器以及计算机，其中：

所述光源、扩束镜、载物台、物镜依次同轴放置在一水平线上，所述载物台用于置放测量样本，所述探测器位于物镜的焦面处；所述计算机用于根据探测器得到的成像信息获取图像的清晰度从而控制载物台沿光轴方向移动。

光源发出的光，经扩束镜的扩束、准直，以平行光出射，平行光垂直入射到载物台样本上，再经过物镜的透射进入成像系统，得到的成像信息传输到控制计算机进行处理，以此来控制载物台沿着光轴方向移动。

优选地，根据图像的清晰度控制载物台沿光轴方向移动的具体方式为：当清晰度小于1时，载物台远离光源移动，当清晰度大于等于1时靠近光源移动。

优选地，所述计算机根据探测器得到的成像信息获取图像的清晰度的具体方法为：采用基于小波变换的清晰度评价函数算子计算图像清晰度，包括：

步骤1、对探测器得到的成像信息进行去除噪声以及图像增强预处理；

步骤2、对预处理后的图像基于灰度梯度方向提取纹理特征信息，确定水平、垂直和对焦方向的梯度，从而确定图像单元不同梯度方向的数目以及各高频子带的权重因子；

步骤3、对预处理后的图像进行小波变换，得到变换后的低频子带和高频各子带；

步骤4、根据步骤3一级小波变换后得到的低频子带和高频各子带，计算各高频子带对应的小波系数，再继续对低频子带继续进行小波变换，即二级小波变换，并确定二级小波变换后的各高频子带对应的小波系数；

步骤5、根据步骤2得到的权重因子、步骤4中一级小波变换后得高频子带对应的小波系数以及二级小波变换后得到的各高频子带对应的小波系数确定图像清晰度评价函数，从而确定图像清晰度。

本发明还提供了一种基于清晰度评价的显微镜系统景深测量方法，通过改变载物台和光源之间的距离，测量样本的清晰度数值，确定恰好不能改变清晰度要求的定焦测量值时移动的距离作为景深值，具体方法为：

步骤1、选取清晰度评价定焦测量值临界值V，清晰度评价定焦测量值临界值V的选择过程为：使用基于清晰度评价的景深测量装置测量已知实际景深的若干个物镜的景深，记录下符合测量精度的定焦测量值，完成选取，做好标定；

步骤2、将载物台定焦在图像分辨清晰度值为1的位置；

步骤3、控制载物台向靠近光源的位置移动，读取采集图像的清晰度数值，当恰好到达定焦测量临界值时，停止运动，记录显微镜位置L1；

步骤4、控制载物台向步骤3中相反的位置移动，读取采集图像的清晰度数值，当恰好到达定焦测量临界值时，停止运动，记录显微镜位置L2；

步骤5、将步骤3和步骤4中载物台位置变化的距离即为显微镜系统的景深测量值D，即D＝|L2-L1|。

本发明与现有技术相比，其显著优点：本发明在不需要具体了解显微镜系统的参数情况下对显微镜采集图像进行图像处理来获得景深测量值，速度更快，鲁棒性好。

附图说明

图1为本发明系统图。

图2为本发明的流程框图。

图3为实施例1(物镜20×(NA＝0.5))采集到的不同定焦位置的三幅图像，其中图3(a)在不同对焦位置的原图；图3(b)不同对焦位置的的原图经过一次小波变换后的效果对比图；图3(c)不同对焦位置的的原图经过两次小波变换后的效果对比图。

图4为实施例1中的清晰度评价标准和现有技术清晰度评价标准的效果对比图。

图5为实施例1中的定焦测量值判断的景深测量精度对比结果图。

图6为实施例1的景深测量结果图。

具体实施方式

如图1所示，1、基于清晰度评价的显微镜系统景深测量装置，包括光源1、扩束镜2、载物台3、物镜4、探测器5以及计算机6，其中：

所述光源1、扩束镜2、载物台3、物镜4依次同轴放置在一水平线上，所述载物台3用于置放测量样本，所述探测器5位于物镜4的焦面处；所述计算机6用于根据探测器得到的成像信息获取图像的清晰度从而控制载物台沿光轴方向移动。

进一步的实施例中，根据图像的清晰度控制载物台沿光轴方向移动的具体方式为：当清晰度小于1时，载物台远离光源移动，当清晰度大于等于1时靠近光源移动。

进一步的实施例中，所述计算机6根据探测器得到的成像信息获取图像的清晰度的具体方法为：采用基于小波变换的清晰度评价函数算子计算图像清晰度，包括：

步骤1、对探测器得到的成像信息进行去除噪声以及图像增强预处理；

步骤2、对预处理后的图像基于灰度梯度方向提取纹理特征信息，确定水平、垂直和对焦方向的梯度，从而确定图像单元不同梯度方向的数目以及各高频子带的权重因子，确定水平、垂直和对焦方向的梯度的具体公式为：

其中，f(x,y)指单位像素的灰度值，Ghor、Gver、Gdia分别为水平、垂直和对焦方向的梯度；

各高频子带的权重因子的确定公式为：

式中，Nhor、Nver、Ndia分别表示图像水平、垂直、对角三个方向的纹理统计数目。

步骤3、对预处理后的图像进行小波变换，得到变换后的低频子带和高频各子带，小波变换后的高频子带为:

其中，n为小波分解级数，f_LHn(x,y)、f_HLn(x,y)、f_HHn(x,y)分别为第n级小波变换各高频子带分量的小波系数，f_LLn(x,y)为第n级小波变换低频子带分量。

步骤4、根据步骤3一级小波变换后得到的低频子带和高频各子带，计算各高频子带对应的小波系数，再继续对低频子带继续进行小波变换，即二级小波变换，并确定二级小波变换后的各高频子带对应的小波系数；

步骤5、根据步骤2得到的权重因子、步骤4中一级小波变换后得高频子带对应的小波系数以及二级小波变换后得到的各高频子带对应的小波系数确定图像清晰度评价函数，从而确定图像清晰度，图像清晰度评价函数具体为：

其中，(x,y)表示当前像素的位置，P(h)、P(v)、P(d)分别为各高频子带的权重因子，f_HL1(x,y)、f_LH1(x,y)、f_HH1(x,y)为一级小波变换后各高频子带对应的小波系数，f_HL2(x,y)、f_LH2(x,y)、f_HH2(x,y)为二级小波变换后各高频子带对应的小波系数。

一种基于清晰度评价的景深测量方法，通过改变载物台和光源之间的距离，测量样本的清晰度数值，确定恰好不能改变清晰度要求的定焦测量值时移动的距离作为景深值，具体方法为：

步骤1、选取清晰度评价定焦测量值临界值V，清晰度评价定焦测量值临界值V的选择过程为：使用基于清晰度评价的景深测量装置测量已知实际景深的若干个物镜的景深，记录下符合测量精度的定焦测量值，完成选取，做好标定；

步骤2、将载物台定焦在图像分辨清晰度值为1的位置；

步骤3、控制载物台向靠近光源的位置移动，读取采集图像的清晰度数值，当恰好到达定焦测量临界值时，停止运动，记录显微镜位置L1；

步骤4、控制载物台向步骤3中相反的位置移动，读取采集图像的清晰度数值，当恰好到达定焦测量临界值时，停止运动，记录显微镜位置L2；

步骤5、将步骤3和步骤4中载物台位置变化的距离即为显微镜系统的景深测量值D，即D＝|L2-L1|。

下面结合实施例对本发明做进一步说明。

实施例1

本实施例的物镜包含有10×(NA＝0.25)、20×(NA＝0.5)、40×(NA＝0.65)三种规格，图像处理基于Visual Studio软件,运动驱动控制显微镜镜头以1.25μm的步距进行样本采集。本实施例通过运动驱动显微镜移动来判断不同位置的采集图像的清晰度判断值,根据清晰度值变化趋势得到显微镜系统的景深测量值。

本实施例具体实现步骤如图2所示。

一种基于清晰度评价的显微镜系统景深测量方法，通过改变载物台和光源之间的距离，测量样本的清晰度数值，确定恰好不能改变清晰度要求的定焦测量值时移动的距离作为景深值，具体方法为：

步骤1、如图3所示，选取清晰度评价定焦测量值临界值V，清晰度评价定焦测量值临界值V的选择过程为：使用基于清晰度评价的景深测量装置测量已知实际景深的3个物镜的景深，记录下符合测量精度的定焦测量值，完成选取，做好标定；观察发现，显微镜系统下观察到的图像定焦测量值在80％以下时，图像已经呈现出明显的模糊状态，因此，本实施例选择80％到100％之间的定焦测量值进行景深测量精度的对比，得到结果如图5所示，根据结果，本发明选择85％作为定焦测量的临界值。

步骤2、选择要测试的物镜镜头20×(NA＝0.5)，将载物台定位在图像分辨清晰度值为1的位置；

步骤3、设置运动驱动控制物镜以1.25μm的步距进行移动来采集样本，传输图像到计算机系统；对待测图像进行清晰度判断，观察清晰度数值降低到定焦测量的临界值时，停止运动，本发明采用的清晰度评价标准和现有技术清晰度评价标准的效果对比如图4所示；

步骤4、通过运动驱动控制载物台向相反的方向移动；观察第二次移动过程中图像的清晰度值，当降低到定焦测量的临界值时，停止运动；

步骤5、将步骤3和步骤4停止运动位置之间的距离作为显微镜系统的景深。

其他规格的物镜镜头10×(NA＝0.25)、40×(NA＝0.65)按照也按照上述步骤进行测量。

Claims (4)

1.基于清晰度评价的显微镜系统景深测量装置，其特征在于，包括光源(1)、扩束镜(2)、载物台(3)、物镜(4)、探测器(5)以及计算机(6)，其中：

所述光源(1)、扩束镜(2)、载物台(3)、物镜(4)依次同轴放置在一水平线上，所述载物台(3)用于置放测量样本，所述探测器(5)位于物镜(4)的焦面处；所述计算机(6)用于根据探测器得到的成像信息获取图像的清晰度从而控制载物台沿光轴方向移动。

2.根据权利要求1所述的基于清晰度评价的显微镜系统景深测量装置，其特征在于，根据图像的清晰度控制载物台沿光轴方向移动的具体方式为：当清晰度小于1时，载物台远离光源移动，当清晰度大于等于1时靠近光源移动。

3.根据权利要求1所述的基于清晰度评价的显微镜系统景深测量装置，其特征在于，所述计算机(6)根据探测器得到的成像信息获取图像的清晰度的具体方法为：采用基于小波变换的清晰度评价函数算子计算图像清晰度，包括：

步骤1、对探测器得到的成像信息进行去除噪声以及图像增强预处理；

步骤2、对预处理后的图像基于灰度梯度方向提取纹理特征信息，确定水平、垂直和对焦方向的梯度，从而确定图像单元不同梯度方向的数目以及各高频子带的权重因子；

步骤3、对预处理后的图像进行小波变换，得到变换后的低频子带和高频各子带；

步骤4、根据步骤3一级小波变换后得到的低频子带和高频各子带，计算各高频子带对应的小波系数，再继续对低频子带继续进行小波变换，即二级小波变换，并确定二级小波变换后的各高频子带对应的小波系数；

步骤5、根据步骤2得到的权重因子、步骤4中一级小波变换后得高频子带对应的小波系数以及二级小波变换后得到的各高频子带对应的小波系数确定图像清晰度评价函数，从而确定图像清晰度。

4.一种应用权利要求1所述的基于清晰度评价的景深测量装置进行测量的方法，其特征在于，通过改变载物台和光源之间的距离，测量样本的清晰度数值，确定恰好不能改变清晰度要求的定焦测量值时移动的距离作为景深值，具体方法为：

步骤1、选取清晰度评价定焦测量值临界值V，清晰度评价定焦测量值临界值V的选择过程为：使用基于清晰度评价的景深测量装置测量已知实际景深的若干个物镜的景深，记录下符合测量精度的定焦测量值，完成选取，做好标定；

步骤2、将载物台定焦在图像分辨清晰度值为1的位置；

步骤3、控制载物台向靠近光源的位置移动，读取采集图像的清晰度数值，当恰好到达定焦测量临界值时，停止运动，记录显微镜位置L1；

步骤4、控制载物台向步骤3中相反的位置移动，读取采集图像的清晰度数值，当恰好到达定焦测量临界值时，停止运动，记录显微镜位置L2；

步骤5、将步骤3和步骤4中载物台位置变化的距离即为显微镜系统的景深测量值D，即D＝|L2-L1|。