CN109938694A - 多通道成像系统、像面配准方法及调节装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于相机像面配准的调节装置，通过三个位置调整机构的配合，可实现相机安装台的六个自由度的运动，其中驱动件分别驱动移动块一、移动块二运动，使二者形成的调节槽的位置及槽宽发生变化，调节槽上的配合件实现移动，三个调节槽调节件与配合件配合，形成六个点接触，通过调节槽的运动，可调节六个接触点的空间位置，即可实现盖板的六个自由度的运动；所述驱动杆一、二分别穿过所述导轨槽的槽壁以使其一端设置于所述移动块一、二上、另一端置于所述导轨槽外，使得调节槽调节件的运动范围较大，从而使得整个盖板的行程变动范围较大；相邻的驱动杆一、二高低错落分布从而让六个驱动杆的设置更加节省空间。

Description

多通道成像系统、像面配准方法及调节装置

技术领域

本发明涉及显微成像领域，具体涉及一种用于相机像面配准的调节装置，包含该调节装置的成像系统及该成像系统的像面配准方法。

背景技术

在显微成像领域，为高通量获取多维生物信息，需要对同一个样品不同种类信号进行多通道并行采集。对于多通道信号进行采集，常使用多个相机进行成像，通过对多个相机的像面进行精确调节，使其完全重合，一方面可以减少后期图像处理/配准的时间，另一方面可使相机像面与焦面重合，提高成像分辨率。对相机的像面位置进行精准调节，一般需要调节其空间六自由度(即沿x、y、z三个直角坐标轴方向的移动自由度和绕这三个坐标轴的转动自由度)。现有的方法是分别选用三个线性平移台以及三个旋转偏转台，通过将其串联拼接，形成一个手动调节的六自由度调节装置，这种方式串联拼接形成的六自由度调节装置，整体尺寸较大，对于空间有限的多通道成像显微系统，往往无法兼容。

因此，提供一种适用于多通道成像显微系统的结构紧凑的六自由度调节装置是需要解决的问题。

发明内容

为了解决现有的六自由度调节装置整体尺寸较大的问题，本发明提供了一种结构紧凑的调节装置。

本发明通过以下技术方案实现：

一种用于相机像面配准的调节装置，包括：

底座，所述底座包括三角形主体、三个导轨槽，所述三个导轨槽分别设置于所述正三角形主体的三个边上；

位置调整机构，每个所述导轨槽内均设有一个位置调整机构，所述位置调整机构包括导轨、调节槽调节件、驱动件，所述导轨设置于所述导轨槽内，所述调节槽调节件包括移动块一、移动块二，所述移动块一、移动块二分别与所述导轨可移动配合，所述移动块一、移动块二上均设有斜面以形成调节槽，所述驱动件包括驱动杆一、驱动杆二，所述驱动杆一、驱动杆二与所述导轨相平行，所述驱动杆一穿过所述导轨槽的槽壁以使其一端设置于所述移动块一上、另一端置于所述导轨槽外，所述驱动杆二穿过所述导轨槽的槽壁以使其一端设置于所述移动块二上、另一端置于所述导轨槽外，所述驱动杆一设置的高度高于所述驱动杆二；

相机安装台，包括配合件、盖板，所述配合件固定设置于所述盖板上，所述配合件与调节槽调节件个数相同，一个所述配合件置于一个所述调节槽上，所述盖板上设有相机安装部。

本发明提供的一种用于相机像面配准的调节装置，通过三个位置调整机构的配合，可实现相机安装台的六个自由度的运动，其中驱动件分别驱动移动块一、移动块二运动，使二者形成的调节槽的位置及槽宽发生变化，调节槽上的配合件实现移动，三个调节槽调节件与配合件配合，形成六个点接触，通过调节槽的运动，可调节六个接触点的空间位置，即可实现盖板的六个自由度的运动；所述驱动杆一、二分别穿过所述导轨槽的槽壁以使其一端设置于所述移动块一、二上、另一端置于所述导轨槽外，使得调节槽调节件的运动范围较大，从而使得整个盖板的行程变动范围较大；所述驱动杆一与所述驱动杆二高低错落设置，使得相邻的驱动杆一、二高低错落分布从而让六个驱动杆的设置更加节省空间。

本发明还提供一种多通道成像系统，包括上述的调节装置，所述调节装置上设有待配准相机，还包括二向色镜、基准相机，所述待配准相机通过所述相机安装部设置于所述盖板上，所述基准相机、待配准相机分别处于所述二向色镜将光束分散后不同的光路上。该成像系统的待配准相机安装在上述调节装置上，可以较方便地实现该待配准相机六个自由度的运动，更快速地实现待配准相机的像面调整。

本发明又提供一种多通道成像系统的像面配准方法，所述多通道成像系统为上述的成像系统，所述像面配准方法包括如下步骤：

S1基准相机对样本成像形成基准图像，待配准相机对同一样本进行成像形成待配准图像；

S2将待配准图像与基准图像进行对比，得出所述待配准相机在六个自由度方向上的空间偏移变量，所述六个自由度方向包括纸面上的竖直向下方向x，纸面上的水平向右方向y，垂直于纸面向上方向z，绕x轴旋转的方向θx，绕y轴旋转的方向θy，绕z轴旋转的方向θz，直线位移的正方向和旋转的正方向满足右手螺旋关系，即得出x、y、z、θx、θy、θz的值；

S3通过下面的公式反推得到调节槽调节件在三个轨道上的六个方向的线型移动变量，即a₁、a₂、b₁、b₂、c₁、c₂，所述公式如下：

其中，R表示通过三个圆球中心的圆的半径；

S4根据步骤S3得到的六个方向的线型移动变量，进一步得到各驱动件的移动变量。

该像面配准方法能快速且精准地实现待配准相机的像面调整。

附图说明

图1是本发明提供的一种用于相机像面配准的调节装置的整体结构示意图；

图2是图1的拆分图；

图3是图1中打开相机安装台的示意图；

图4是图1中的调节装置的六个自由度方向及调节槽调节件在三个轨道上运动的六个方向示意图；

图5是单个调节槽调节件的变化引起配合件的水平及垂直方向上的位移变化；

图6是本发明提供的一种多通道成像系统的示意图；

图7是本发明提供的一种多通道成像系统的像面配准方法的流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1-3所示，本发明提供一种用于相机像面配准的调节装置，包括：

底座1，所述底座包括正三角形主体101、三个导轨槽102，所述三个导轨槽分别设置于所述正三角形主体的三个边上；

位置调整机构2，每个所述导轨槽内均设有一个位置调整机构，所述位置调整机构包括导轨201、调节槽调节件、驱动件，所述导轨设置于所述导轨槽内，所述调节槽调节件包括移动块一202、移动块二203，所述移动块一、移动块二分别与所述导轨可移动配合，所述移动块一、移动块二上均设有斜面以形成调节槽，所述驱动件包括驱动杆一204、驱动杆二205，所述驱动杆一、驱动杆二与所述导轨相平行，所述驱动杆一穿过所述导轨槽的槽壁以使其一端设置于所述移动块一上、另一端置于所述导轨槽外，所述驱动杆一设置的高度高于所述驱动杆二；本实施例中的导轨201为滑轨，移动块一202、移动块二203为滑块，所述驱动杆一204、二205均为线性促动器；

相机安装台3，包括配合件301、盖板302，所述配合件固定设置于所述盖板上，所述配合件与调节槽调节件个数相同，一个所述配合件置于一个所述调节槽上，所述盖板上设有相机安装部303，本实施例中配合件301为圆球，所述相机安装部303为安装孔，相机可通过如螺栓的紧固件与安装孔配合来固定相机。

本发明提供一种用于相机像面配准的调节装置，由于六个线性促动器没有解耦，即调节任一线性促动器，都会引起盖板在六个自由度方向上产生偏移。由于三个圆球两两相连接构成正三角形，三个导轨槽中心对称，通过线性促动器工作带动滑块移动，滑块移动导致安装调节件的位置和/或调节槽的大小的变化，6个线性促动器配合工作从而控制盖板的位移及角度。具体的线性促动器在六个方向上的位移对该调节装置在六个自由度方向上的影响关系的公式如下:

其中，a₁、a₂、b₁、b₂、c₁、c₂分别表示调节槽调节件在三个轨道上的六个方向的线型移动变量，x、y、z、θx、θy、θz分别表示调节装置在六个自由度方向上的空间偏移变量，位移的正方向和旋转的正方向满足右手螺旋关系，如图4箭头所指方向；R表示通过三个圆球中心的圆的半径。

通过最终需要得到的六个自由度方向上的空间偏移变量x、y、z、θx、θy、θz的值，由公式(1)反推得到a₁、a₂、b₁、b₂、c₁、c₂，从而可得到各滑块的移动方向及移动大小。

图5以其中一个调节槽调节件为例，说明滑块移动导致调节槽调节件的位置和/或调节槽的大小的变化，从而影响单个圆球沿着导轨方向及垂直方向上的位移变化。其中(1)移动块一202的移动变量a₁与移动块二203的移动变量a₂大小相同，方向相反，则不产生沿导轨方向位移，只产生垂直方向位移a_h。(2)移动块一202的移动变量a₁与移动块二203的移动变量a₂大小相同，方向相同，则不产生垂直方向位移，只产生沿导轨方向a_d。。

进一步地，还包括弹性锁紧件(图中未示出)，所述弹性锁紧件的一端设置于所述盖板302上、另一端设置于所述三角形主体101上。弹性锁紧件的一端与盖板相连、另一端与三角形主体相连，一方面由于其具有弹性，当盖板移动或转动时不受影响；另一方面，由于在相机成像过程中，为降低热效应造成的信号噪声，相机一般采用风冷的方式不间断散热，风扇的机械振动会引起成像的抖动，因此需要提供合适的预载力，一方面把相机约束在盖板上，另一方面避免紧固力过大造成零部件产生屈服形变。当盖板的位置调整好后，弹性锁紧件提供一个预载力将盖板往底座上拉，使得圆球不会随意滚动，整个装置的稳定性更好。

进一步地，所述弹性锁紧件为弹簧一，所述盖板302、三角形主体101上均设有安装环5，所述弹簧一的两端分别穿过所述安装环后锁死以将所述盖板拉向所述三角形主体。在盖板及三角形主体上设有安装环，使得弹簧一更方便地固定在盖板及三角形主体上。

进一步地，所述盖板302、三角形主体101上设有凹槽6，所述安装环5设置于所述凹槽6中。凹槽的设置增大了盖板与三角形主体之间的空间，为弹性锁紧件提供了更大的安装空间，有效地增大了预载力。

进一步地，与所述导轨相平行的所述导轨槽的槽壁上设有开口7。由于相机安装的空间非常有限，在尽量缩小整个装置的体积的情况下，为了使圆球的空间位置不断变化的过程中不会碰到导轨槽的内壁，因此在与导轨相平行的所述导轨槽的槽壁上设有开口。

进一步地，所述位置调整机构还包括弹簧二8，每个移动块一或移动块二上均设有弹簧二，所述弹簧二的一端设置于所述移动块一或移动块二上、另一端设置于所述导轨槽的槽壁上。弹簧二的设置能够对滑块进行进一步地约束，使得滑块不会随意脱离既定的位置，从而增强整个装置的调节精度与稳定性。

如图6所示，本发明还提供一种多通道成像系统，包括上述的调节装置20，所述调节装置上设有待配准相机19，还包括二向色镜17、基准相机18，所述待配准相机通过所述相机安装部设置于所述盖板上，所述基准相机、待配准相机分别处于所述二向色镜将光束分散后不同的光路上。具体实施时，该成像系统还可以包括物镜15和镜筒透镜16。成像时，将样本14放置在载物台21上，光束在进入二向色镜17前，先经过物镜15和镜筒透镜16，物镜15和镜筒透镜16构成简易的显微镜对样本进行成像，然后再经过二向色镜对光束进行分散后分别进入基准相机及待配准相机。

如图7所示，本发明又提供一种多通道成像系统的像面配准方法，所述多通道成像系统为上述的成像系统，所述像面配准方法包括如下步骤：

S1基准相机对样本成像形成基准图像，待配准相机对同一样本进行成像形成待配准图像；

S2将待配准图像与基准图像进行对比，得出所述待配准相机在六个自由度方向上的空间偏移变量，即得出x、y、z、θx、θy、θz的值；

S3通过公式(1)反推得到调节槽调节件在三个轨道上的六个方向的线型移动变量；

S4根据步骤S3得到的六个方向的线型移动变量，进一步得到各驱动件的移动变量。

本发明提供的像面配准方法中通过上述调节装置来调整待配准相机的像面，简便快捷。

进一步地，上述步骤S3具体包括：

S301先将x、y、z、θx、θy、θz的赋值按照θx、θz为其空间偏移变量的值，x、y、z、θy为0带入上述公式，得到第一组a₁、a₂、b₁、b₂、c₁、c₂，以调整所述调节装置使得所述待配准相机的像面与其所在光路上的主光线垂直；

S302再将x、y、z、θx、θy、θz的赋值按照y为其空间偏移变量的值，x、z、θx、θy、θz为0带入上述公式，得到第二组a₁、a₂、b₁、b₂、c₁、c₂，以调整所述调节装置使得所述待配准相机的焦面与所述基准相机的焦面重合；

S303接着将x、y、z、θx、θy、θz的赋值按照θy为其空间偏移变量的值，x、y、z、θx、θz为0带入上述公式，得到第三组a₁、a₂、b₁、b₂、c₁、c₂，以调整所述调节装置使得所述待配准相机的移动方向与样本方向一致；

S304最后将x、y、z、θx、θy、θz的赋值按照x、z为其空间偏移变量的值，y、θx、θy、θz为0带入上述公式，得到第四组a₁、a₂、b₁、b₂、c₁、c₂，以调整所述调节装置使得所述待配准相机与所述基准相机的正中心相重合。

上述的步骤是按照误差影响从小到大的顺序，先调整误差影响较小的参数，从而减小整个像面调整过程中的误差，进而提高精确度。

若存在多个待配准相机需要调整其像面，待配准相机的总数为N，待配准相机n指某一个待配准相机，则每个待配准相机按照上述像面配准方法依次进行。

以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于相机像面配准的调节装置，其特征在于，包括：

底座，所述底座包括三角形主体、三个导轨槽，所述三个导轨槽分别设置于所述三角形主体的三个边上；

位置调整机构，每个所述导轨槽内均设有一个位置调整机构，所述位置调整机构包括导轨、调节槽调节件、驱动件，所述导轨设置于所述导轨槽内，所述调节槽调节件包括移动块一、移动块二，所述移动块一、移动块二分别与所述导轨可移动配合，所述移动块一、移动块二上均设有斜面以形成调节槽，所述驱动件包括驱动杆一、驱动杆二，所述驱动杆一、驱动杆二与所述导轨相平行，所述驱动杆一穿过所述导轨槽的槽壁以使其一端设置于所述移动块一上、另一端置于所述导轨槽外，所述驱动杆二穿过所述导轨槽的槽壁以使其一端设置于所述移动块二上、另一端置于所述导轨槽外，所述驱动杆一与所述驱动杆二高低错落设置；

相机安装台，包括配合件、盖板，所述配合件固定设置于所述盖板上，所述配合件与调节槽调节件个数相同，一个所述配合件置于一个所述调节槽上，所述盖板上设有相机安装部。

2.根据权利要求1所述的调节装置，其特征在于，还包括弹性锁紧件，所述弹性锁紧件的一端设置于所述盖板上、另一端设置于所述三角形主体上。

3.根据权利要求2所述的调节装置，其特征在于，所述弹性锁紧件为弹簧一，所述盖板、三角形主体上均设有安装环，所述弹簧一的两端分别穿过所述安装环后锁死以将所述盖板拉向所述三角形主体。

4.根据权利要求3所述的调节装置，其特征在于，所述盖板、三角形主体上设有凹槽，所述安装环设置于所述凹槽中。

5.根据权利要求1-4任一所述的调节装置，其特征在于，所述配合件为圆球，所述相机安装部为安装孔。

6.根据权利要求5所述的调节装置，其特征在于，与所述导轨相平行的所述导轨槽的槽壁上设有开口。

7.根据权利要求1-4任一所述的调节装置，其特征在于，所述位置调整机构还包括弹簧二，每个移动块一或移动块二上均设有弹簧二，所述弹簧二的一端设置于所述移动块一或移动块二上、另一端设置于所述导轨槽的槽壁上。

8.一种多通道成像系统，其特征在于，包括权利要求1-7任一所述的调节装置，所述调节装置上设有待配准相机，还包括二向色镜、基准相机，所述待配准相机通过所述相机安装部设置于所述盖板上，所述基准相机、待配准相机分别处于所述二向色镜将光束分散后不同的光路上。

9.一种多通道成像系统的像面配准方法，其特征在于，所述多通道成像系统为权利要求8所述的成像系统，所述像面配准方法包括如下步骤：

S1基准相机对样本成像形成基准图像，待配准相机对同一样本进行成像形成待配准图像；

S2将待配准图像与基准图像进行对比，得出所述待配准相机在六个自由度方向上的空间偏移变量，所述六个自由度方向包括纸面上的竖直方向、纸面上的水平方向、垂直于纸面方向、绕x轴旋转的方向、绕y轴旋转的方向、绕z轴旋转的方向，直线位移的正方向和旋转的正方向满足右手螺旋关系，即得出相应的六个自由度方向上的空间偏移变量x、y、z、θx、θy、θz的值；

S3通过下面的公式反推得到调节槽调节件在三个轨道上的六个方向的线型移动变量，即a₁、a₂、b₁、b₂、c₁、c₂，所述公式如下：

其中，R表示通过三个圆球中心的圆的半径；

S4根据步骤S3得到的六个方向的线型移动变量，进一步得到各驱动件的移动变量。

10.根据权利要求9所述的像面配准方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括：

S301先将x、y、z、θx、θy、θz的赋值按照θx、θz为其空间偏移变量的值，x、y、z、θy为0带入上述公式，得到第一组a₁、a₂、b₁、b₂、c₁、c₂，以调整所述调节装置使得所述待配准相机的像面与其所在光路上的主光线垂直；

S302再将x、y、z、θx、θy、θz的赋值按照y为其空间偏移变量的值，x、z、θx、θy、θz为0带入上述公式，得到第二组a₁、a₂、b₁、b₂、c₁、c₂，以调整所述调节装置使得所述待配准相机的焦面与所述基准相机的焦面重合；

S303接着将x、y、z、θx、θy、θz的赋值按照θy为其空间偏移变量的值，x、y、z、θx、θz为0带入上述公式，得到第三组a₁、a₂、b₁、b₂、c₁、c₂，以调整所述调节装置使得所述待配准相机的移动方向与样本方向一致；

S304最后将x、y、z、θx、θy、θz的赋值按照x、z为其空间偏移变量的值，y、θx、θy、θz为0带入上述公式，得到第四组a₁、a₂、b₁、b₂、c₁、c₂，以调整所述调节装置使得所述待配准相机与所述基准相机的正中心相重合。