CN111157529B - 图像采集方法及装置、自动对准方法及设备、核酸检测器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种图像采集方法，该方法包括：设置成像模块的光轴与第一被摄物体的中心轴线的夹角为10°~80°；第二被摄物体表面过第一关注部位中心的一条直线与成像模块的光轴与处于同一个平面内，且夹角为90°，该同一个平面与第二被摄物体表面之间的夹角为10°~80°；成像模块的光轴与照明模块的光轴的夹角为80°~90°，从而可实现了成像模块与各个部件角度的匹配；再通过成像模块和照明模块采集两个被摄物体的图像，进行三维物体结构和清晰边界的高灰度差异成像。本发明还公开了应用上述方法的自动对准方法、图像采集装置、自动对准设备和核酸检测器，从而可在图像导引下，实现了第一被摄物体与第二被摄物体的精准对位。

Description

图像采集方法及装置、自动对准方法及设备、核酸检测器

技术领域

本发明涉及核酸检测技术领域，特别涉及一种图像采集方法、自动对准方法、图像采集装置、自动对准设备和核酸检测器。

背景技术

目前在基于微流控恒温扩增芯片法的2019-nCoV新型冠状病毒等6种呼吸道常见病毒恒温扩增核酸分析系统使用中，其样本的前处理、核酸提取、混匀、加样过程完全由人工完成。人为加样在加样量和加样重复性上的差异，以及不同人的加样差异，以及大量加样检测时，由于疲劳带来的加样误差，造成后期核酸检测结果的误差，以及尤其是在传染性病毒核酸加样时对人和环境的污染以及安全隐患，都是目前存在的问题。

欲实现自动化，加样环节是决定其样本是否进样和进样量多少的关键环节，而加样Tip头能否精准定位到加样孔，又是决定样本是否可以加样成功的关键。现有自动对准有的采用图像导引技术。其中，图像采集系统因被检测物所处的环境、结构、物理等特征的差异会使系统结构参数差异很大。在现有图像导引技术中，主要关注装置的控制方法。而对于其视觉导引装置，因其被检测物微孔和微管是常规的不透明材料，且不存在微管吸液与不吸液的图像差异，从而无法借助无图像差异的图像导引技术来实现精准对准加样。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种图像采集方法，能够进行三维物体结构和清晰边界的高灰度差异成像，从而以便于在图像的导引下，实现了第一被摄物体与第二被摄物体的第一关注部位的精准对位。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种图像采集方法，包括：

设置成像模块与第一被摄物体、第二被摄物体的配合角度；其中，成像模块的光轴与第一被摄物体的被摄部位的中心轴线的夹角为10°~80°；第二被摄物体表面设有第一关注部位，第二被摄物体表面过第一关注部位中心的一条直线与成像模块的光轴处于同一个平面内，且夹角为90°，所述同一个平面与所述第二被摄物体表面之间的夹角为10°~80°；

设置成像模块与照明模块的配合角度；其中，成像模块的光轴与照明模块的光轴的夹角为80°~90°；

利用成像模块和照明模块采集第一被摄物体与第二被摄物体的图像。

优选地，在所述设置成像模块与照明模块的配合角度之后，在所述利用成像模块和照明模块采集第一被摄物体与第二被摄物体的图像之前，还包括：

调整照明模块光源的照明角度，以使得第一被摄物体和第二被摄物体均能分配到照明模块的照明度。

优选地，在所述设置成像模块与照明模块的配合角度之后，在所述利用成像模块和照明模块采集第一被摄物体与第二被摄物体的图像之前，还包括：

调整照明模块的亮度、成像模块的曝光时间和/或增益值的大小，使第二被摄物体表面除第一关注部位外的其他位置的灰度值为第一预设范围，第一关注部位和第一被摄物体的灰度值为第二预设范围。

优选地，第二被摄物体表面还设有第二关注部位，设置成像模块与第二被摄物体的配合角度为：

成像模块的光轴与第二被摄物体的第一关注部位的中心点和第二关注部位的中心点之间的连线处于同一个平面内，且夹角为90°，所述同一个平面与所述第二被摄物体表面之间的夹角为10°~80°。

一种自动对准方法，采用如上所述的图像采集方法，在所述利用成像模块和照明模块采集第一被摄物体与第二被摄物体的图像之后，还包括：

根据成像模块采集的图像信息计算第一被摄物体与第二被摄物体的第一关注部位的偏斜量；

判断第一被摄物体与第二被摄物体的第一关注部位的偏斜量是否大于或等于预设偏斜量；若偏斜量大于或等于预设偏斜量，则调整第一被摄物体的位置，再通过成像模块重新采集图像；若偏斜量小于预设偏斜量，则输出已变成对准的信号。

优选地，在所述根据成像模块采集的图像信息计算第一被摄物体与第二被摄物体的第一关注部位的偏斜量之前，还包括：

利用机械手将第一被摄物体移动至标定位置。

优选地，所述标定位置的标定方法包括：相机标定方法和机械臂对位标定方法。

一种图像采集装置，包括：第一被摄物体、第二被摄物体、成像模块和照明模块；

所述成像模块的光轴与所述第一被摄物体被摄部位的中心轴线的夹角为10°~80°；

所述第二被摄物体的表面设有第一关注部位，所述第二被摄物体表面过第一关注部位中心的一条直线与所述成像模块的光轴处于同一个平面内，且夹角为90°，所述同一个平面与所述第二被摄物体表面之间的夹角为10°~80°；

所述照明模块的光轴与所述成像模块的光轴的夹角为80°~90°；

所述成像模块用于在所述照明模块的照明下，采集所述第一被摄物体与所述第二被摄物体的图像。

优选地，所述第一被摄物体为加样机构，所述第二被摄物体为被加样机构。

优选地，所述加样机构为加样吸头；所述被加样机构为加样芯片；所述第一关注部位为加样孔。

优选地，所述第二被摄物体表面还设有第二关注部位；

所述成像模块的光轴与所述第一关注部位的中心点和第二关注部位的中心点之间的连线处于同一个平面内，且夹角为90°，所述同一个平面与所述第二被摄物体表面之间的夹角为10°~80°。

优选地，所述成像模块包括：

成像物镜；

用于采集所述成像物镜的获取图像，并将所述成像物镜的获取图像传输至自动对准设备的控制器的成像探测器。

优选地，所述成像物镜为大工作距离可调焦的显微模块；所述显微模块的工作距离为50~90mm可调，调焦范围从0.3到1X可调。优选地，所述照明模块包括：光源整形镜和照明光源；

所述照明光源用于对所述照明光源的光源整形，以使得所述第一被摄物体和所述第二被摄物体均能分配到所述照明光源的光照度。

优选地，所述光源整形镜用于对所述照明光源的光源整形为适合所述第一被摄物体与所述第二被摄物体照明需求的光束直径和均匀度；

所述光束直径为10mm~40mm；所述均匀度的范围是大于8mm的任意光束直径。

优选地，所述光源整形镜的结构为科勒式照明光路结构。

优选地，所述光源整形镜包括：单个非球面镜或双胶合镜。

优选地，所述照明光源为光源是白光或者单色可见光的照明灯。

优选地，所述照明灯包括：LED发光二级管或激光管。

优选地，所述LED发光二级管光源的发散角为30°~120°。

一种自动对准设备，包括：第一被摄物体、第二被摄物体、机械手和图像采集装置，所述图像采集装置为如上所述的图像采集装置；所述第二被摄物体的表面设有第一关注部位；

自动对准设备的计算模块能够根据成像模块采集的对位图像信息计算第一被摄物体与第二被摄物体的第一关注部位的偏斜量；

自动对准设备的控制器能够根据计算模块计算的偏斜量与预设偏斜量的比较结果，通过所述机械手控制所述第一被摄物体移动至对准所述第二被摄物体的第一关注部位。

一种核酸检测器，包括：主机运动平台组件、芯片底盘、恒温扩增核酸分析模块和自动对准设备，所述自动对准设备为如上所述的自动对准设备；

所述核酸检测器还包括：密封仪器腔体；所述主机运动平台组件、所述芯片底盘、所述恒温扩增核酸分析模块和所述自动对准设备均设置于所述密封仪器腔体内；

所述主机运动平台组件可进出设置于所述恒温扩增核酸分析模块；所述芯片底盘设置于所述主机运动平台组件；加样芯片安装于所述芯片底盘；图像采集模块按照预设角度设置于处于推出状态的所述主机运动平台组件的斜上方。

从上述的技术方案可以看出，本发明提供的图像采集方法中，通过成像模块分别与第一被摄物体、第二被摄物体的第一关注部位和照明模块的配合角度的设置，实现了成像模块与各个部件工作角度的匹配，使得成像模块采集的图像在物体边界产生了的灰度级分层，即为使得成像模块采集的图像为物体边界具有灰度差异的图像，提升了图像采集的有效性，以便于在图像导引下，实现了第一被摄物体与第二被摄物体的第一关注部位的精准对位。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的图像采集方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的图像采集装置的结构原理图；

图3为本发明实施例提供的芯片加样孔和出气孔与成像光路的位置关系示意图；

图4为本发明实施例提供的自动对准方法的流程图；

图5为本发明实施例提供的加样芯片的示意图；

图6为本发明实施例提供的加样吸头无液体的显微图像；

图7为本发明实施例提供的加样吸头有液体的显微图像；

图8为本发明实施例提供的加样吸头、芯片加样孔和芯片出气孔有液体的高边界灰度差的显微图像；

图9为本发明实施例提供的核酸检测器的结构侧视图；

图10为本发明另一实施例提供的核酸检测器的结构侧视图。

其中，1为主机运动平台组件，2为芯片底盘，3为加样芯片，4为加样孔，5为出气孔，6为成像物镜，7为成像探测器，8为光源整形镜，9为照明光源，10为恒温扩增核酸分析模块，11为加样吸头，12为机械手，13为液体反光边界，14为带液体的加样吸头。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供的图像采集方法，如图1所示，包括：

设置成像模块与第一被摄物体、第二被摄物体的配合角度；其中，成像模块的光轴与第一被摄物体的被摄部位的中心轴线的夹角为10°~80°；第二被摄物体表面设有第一关注部位，第二被摄物体表面过第一关注部位中心的一条直线与成像模块的光轴处于同一个平面内，且夹角为90°，该同一个平面与第二被摄物体表面之间的夹角为10°~80°；需要说明的是，这里第二被摄物体表面过第一关注部位中心的直线并不具体限定是哪一条；

设置成像模块与照明模块的配合角度；其中，成像模块的光轴与照明模块的光轴的夹角为80°~90°；

利用成像模块和照明模块采集第一被摄物体与第二被摄物体的图像。需要说明的是，此步骤主要为采集第一被摄物体与第二被摄物体的第一关注部位的对位图像。

从上述的技术方案可以看出，本发明实施例提供的图像采集方法中，通过成像模块与第一被摄物体、第二被摄物体的第一关注部位和照明模块的配合角度的设置，实现了成像模块与各个部件工作角度的匹配，使得成像模块采集的图像在物体边界产生了的灰度级分层，即为使得成像模块采集的图像为物体边界具有灰度差异的图像，从而提升了图像采集的有效性，以便于在图像导引下，实现了第一被摄物体与第二被摄物体的第一关注部位的精准对位。

在本方案中，在所述设置成像模块与照明模块的配合角度之后，在所述利用成像模块和照明模块采集第一被摄物体与第二被摄物体的图像之前，还包括：

调整照明模块光源的照明角度，以使得第一被摄物体和第二被摄物体均能分配到照明模块的照明度。如此设计，可使得成像模块采集的图像在物体边界产生更加清晰的灰度级分层，不仅实现图像视觉上的三维立体效果，而且也实现图像边界高灰度差异，即为使得成像模块采集的图像为物体边界具有高灰度差异的图像，进而以便于自动对准设备（详情请见下文）的控制器能够根据成像模块的图像信息，控制调整第一被摄物体的位置，以达到第一被摄物体能够精准对位于第二被摄物体的第一关注部位的效果。正因如此，本方案特别适用于加样吸头11与加样芯片3的加样孔4的精准对位。

在本方案的另一个实施例中，若第二被摄物体表面还设有第二关注部位，则设置成像模块与第二被摄物体的配合角度为：

成像模块的光轴与第二被摄物体的第一关注部位的中心点和第二关注部位的中心点之间的连线处于同一个平面内，且夹角为90°，所述同一个平面与所述第二被摄物体表面之间的夹角为10°~80°。

需要进一步说明的是，这两个中心点之间的连线与成像模块的光轴处于同一个平面内，而且该平面与第二被摄物体所在的平面之间的夹角是空间10度到80度；由此可见，本实施例特别适用于第二被摄物体具有两个关注部位的场景。相应地，如图5所示，本方案也特别适用于加样吸头11具有加样孔4和出气孔5的两个关注部位的场景。在本方案中，通过引入第二关注部位，有利于降低了采集图像的处理难度，以便增加了图像导引的精度，从而有助于实现了加样吸头11与加样芯片3的加样孔4的更加精准的对位。

本发明实施例提供还提供了一种自动对准方法，采用如上所述的图像采集方法，在所述利用成像模块和照明模块采集第一被摄物体与第二被摄物体的图像之后，还包括：

根据成像模块采集的图像信息计算第一被摄物体与第二被摄物体的第一关注部位的偏斜量；需要说明的是，上述的偏斜量即为在X轴和Y轴两个方向上，位于标定位置的第一被摄物体相对于第二被摄物体的第一关注部位的偏斜量；

判断第一被摄物体与第二被摄物体的第一关注部位的偏斜量是否大于或等于预设偏斜量；若偏斜量大于或等于预设偏斜量，则调整第一被摄物体的位置，再通过成像模块重新采集图像；需要说明的是，在偏斜量大于预设偏斜量时，需要调整第一被摄物体相对于第二被摄物体的第一关注部位的位置，以便于缩小两者的偏斜量。当然，可能存在第一被摄物体机械位移的精度偏差，导致实际情况可能无法一次对准。因此，需要反复此流程，直到两者的偏斜量满足在X、Y方向上均小于预设偏斜量的要求；

若偏斜量小于预设偏斜量，则输出已变成对准的信号。也就是启动在对准后的操作步骤（比如，在加样吸头11与加样芯片3的加样孔4对准后，启动加样吸头11往加样芯片3的加样孔4加样）。进一步地，在本方案中，首先通过成像模块获取其两者的边界清晰的高灰度差异的图像，再通过第一被摄物体与第二被摄物体的第一关注部位的偏斜量与预设偏斜量的比较结果（即为其两者的图像反馈），控制调整第一被摄物体的位置，以实现第一被摄物体与第二被摄物体的第一关注部位的精准对准。

在本方案的另一实施例中，在所述根据成像模块采集的图像信息计算第一被摄物体与第二被摄物体的第一关注部位的偏斜量之前，还包括：

利用机械手将第一被摄物体移动至标定位置。

具体地，所述标定位置的标定方法包括：相机标定方法和机械臂对位标定方法。即为此标定位的标定方法分两步，第一步是相机标定，基于改进后的张正友相机内外参标定方法对相机进行标定；第二步是机械臂对位标定，通过手动更改控制驱动系统参数来移动机械臂实现对准，也可以基于机器学习的方法对机械臂进行自动控制实现机械臂的对位标定。

本发明实施例还提供了一种图像采集装置，包括：第一被摄物体、第二被摄物体和图像采集模块；图像采集模块包括：成像模块和照明模块；

成像模块的光轴与第一被摄物体被摄部位的中心轴线的夹角为10°~80°；

第二被摄物体的表面设有第一关注部位，第二被摄物体表面过第一关注部位中心的一条直线与成像模块的光轴处于同一个平面内，且夹角为90°，该同一个平面与第二被摄物体表面之间的夹角为10°~80°；需要说明的是，这里第二被摄物体表面过第一关注部位中心的直线并不具体限定是哪一条；

照明模块的光轴与成像模块的光轴的夹角为80°~90°；

成像模块用于在照明模块的照明下，采集第一被摄物体与第二被摄物体的图像。

从上述的技术方案可以看出，本发明实施例提供的图像采集装置中，通过成像模块与第一被摄物体、第二被摄物体的第一关注部位和照明模块的配合角度的设置，实现了成像模块与各个部件工作角度的匹配，使得成像模块采集的图像在物体边界产生了的灰度级分层，即为使得成像模块采集的图像为物体边界具有灰度差异的图像，从而提升了图像采集的有效性，以便于在图像导引下，实现了第一被摄物体与第二被摄物体的第一关注部位的精准对位。

在本方案中，第一被摄物体为加样机构，第二被摄物体为被加样机构。具体的，首先通过成像模块采集加样机构与被加样机构的被加样部位的对位图像，然后再通过图像反馈控制调整加样机构的位置，以便于在图像导引下，加样机构能够精准对准被加样机构的被加样部位，从而使得图像采集装置能够实现精准对准的效果。

作为优选，如图2所示，加样机构为加样吸头11；被加样机构为加样芯片3；第一关注部位为加样孔4。相应地，首先通过成像模块采集加样吸头11与加样芯片3的加样孔4的对位图像，然后在对位图像的导引下，控制调整加样吸头11精准定位到加样芯片3的加样孔4，即为有助于完成了检测样本自动精准加样的过程，从而代替了人工的微流控芯片的加样方式，解放了人工劳动，还可防止环境污染，而且还具有安全、高效等特点。当然，本方案中的加样吸头11为透明的材质，以便于产生加样吸头11在吸液时和不吸液时的图像差异（如图6和图7所示），最终以确保了成像模块能够采集到物体边界具有高灰度差异的图像。

为了进一步优化上述的技术方案，第二被摄物体表面还设有第二关注部位；

成像模块的光轴与第一关注部位的中心点和第二关注部位的中心点之间的连线处于同一个平面内，且夹角为90°，该同一个平面与第二被摄物体表面之间的夹角为10°~80°。需要说明的是，这两个中心点之间的连线与成像模块的光轴处于同一个平面内，而且该平面与第二被摄物体（即为加样芯片3）所在的平面之间的夹角是空间10度到80度；当然，第二被摄物体的第二关注部位即为加样芯片3的出气孔5；由此可见，本实施例特别适用于第二被摄物体具有两个关注部位的场景。相应地，本方案也特别适用于加样吸头11具有加样孔4和出气孔5的两个关注部位的场景。在本方案中，通过引入第二关注部位，有利于降低了采集图像的处理难度，以便增加了图像导引的精度，从而有助于实现了加样吸头11与加样芯片3的加样孔4的更加精准的对位。

具体地，如图2所示，成像模块包括：

成像物镜6；

用于采集成像物镜6的获取图像，并将成像物镜6的获取图像传输至系统控制器的成像探测器7。

进一步地，成像物镜6为大工作距离可调焦的显微模块，显微模块的工作距离为50~90mm可调，调焦范围从0.3到1X可调；而且，其后端可接隔圈加大后工作距离，以此提高成像模块的放大倍数，有助于实现了大工作距离下的高清显微成像。

在本方案中，如图2所示，照明模块包括：光源整形镜8和照明光源9；

光源整形镜8用于对照明光源9的光源整形，以使得第一被摄物体和第二被摄物体均能分配到照明光源9的光照度。如此设计，可使得成像模块采集的图像在物体边界产生更加清晰的灰度级分层，不仅实现图像视觉上的三维立体效果，而且也实现图像边界高灰度差异，即为使得成像模块采集的图像为物体边界具有高灰度差异的图像，从而以便于自动对准设备（详情请见下文）的控制器能够更好地根据成像模块的图像信息，控制调整第一被摄物体的位置，以达到第一被摄物体精准对准第二被摄物体的第一关注部位的效果。正因如此，本方案也特别适用于加样吸头11与加样芯片3的加样孔4的精准对准。

为了进一步优化上述的技术方案，光源整形镜8用于对照明光源9的光源整形为适合第一被摄物体与第二被摄物体照明需求的光束直径和均匀度；

其中，光束直径可以为大于10mm，小于40mm的任意光束直径，均匀度的范围可以是大于8mm的任意光束直径。进一步地，以加样芯片3的加样孔4和出气孔5为例进行说明：其光束中心是以加样芯片3的加样孔4与出气孔5连线为中心点的对称光束，光斑均匀度范围是以加样芯片3的加样孔4与出气孔5连线为中心，直径大于8mm的范围。

在本方案中，光源整形镜8的结构为科勒式照明光路结构，或者其光源与光源整形镜8之间的距离为7mm到9mm的任意尺寸。进一步地，光源整形镜8优选为单个非球面镜或双胶合镜。

具体地，照明光源9为光源是白光或者单色可见光的照明灯。进一步地，照明灯优选为LED发光二级管或激光管。其中，LED发光二级管具有价格便宜，体积小等特点。另外，在获得相同的光功率的情况下，激光管光利用率较高。当然，本方案还可以选用灯光均匀性好，无需整形的其它照明灯。

再进一步地，LED发光二级管光源的发散角为30°~120°，以提高图像采集效果。

本发明实施例还提供了一种自动对准设备，包括：机械手12和图像采集装置，所述图像采集装置为如上所述的图像采集装置；

自动对准设备的计算模块能够根据成像模块采集的对位图像信息计算第一被摄物体与第二被摄物体的第一关注部位的偏斜量；

自动对准设备的控制器能够根据计算模块计算的偏斜量与预设偏斜量的比较结果，通过所述机械手控制所述第一被摄物体移动至对准所述第二被摄物体的第一关注部位。具体地，通过成像模块获得边界清晰的高灰度差异成像，并在此图像导引下实现加样吸头实时、精准定位，自动完成对加样芯片的加样，以替代人工加样带来的诸多问题，如效率低，重复性、一致性差，样本污染、泄露造成的操作者感染风险高等。

本发明实施例还提供了一种核酸检测器，如图9所示，包括：主机运动平台组件1、芯片底盘2、恒温扩增核酸分析模块10和自动对准设备，所述自动对准设备为如上所述的自动对准设备；

主机运动平台组件1可进出设置于恒温扩增核酸分析模块10；芯片底盘2设置于主机运动平台组件1；加样芯片3安装于芯片底盘2；图像采集模块按照预设角度设置于处于推出到位状态的主机运动平台组件1的斜上方。具体地，首先通过机械手12将加样吸头11移动至标定位置，然后再利用图像采集模块采集获得加样吸头11与加样孔4的具有边界高对比度的对位图像，再基于对位图像的反馈控制调整加样吸头11的位置，以达到在图像导引下，加样吸头11能够精准定位于加样孔4的效果，最后再通过主机运动平台组件1将加样芯片3送进恒温扩增核酸分析模块10检测，从而使得本系统实现了自动对准加样、自动核酸检测等功能的集成。

当然，如图9和图10所示，本核酸检测器还可分为单模块式的核酸检测器和多模块式的核酸检测器，其结构组成和实施原理，此处不再赘述。

下面结合具体实施例对本方案作进一步介绍：

本发明设计了一种在图像引导下，控制Tip加样吸头实时精准定位到加样芯片的加样孔，完成检测样本精准加样的装置和控制方法。以实现代替人工的微流控芯片的加样方式，解放人工劳动，防止环境污染，安全、高效。

本发明的目的：设计了一套自动对准加样的图像导引装置，开发可见光照明的自动对准加样图像采集系统，实现对塑料透明材质的平面芯片和塑料材质漏斗状携带液态生物样本的Tip头（即为加样吸头11，下同），进行三维物体结构和清晰边界的高灰度差异成像，并在此图像导引下实现Tip头实时、精准定位，自动完成对微流控芯片（即为加样芯片3，下同）的加样，以替代人工加样带来的诸多问题，如效率低，重复性、一致性差，样本污染、泄露造成的操作者感染风险高等。

如图2所示，成像模块包括成像物镜6和成像探测器7。成像物镜6是一个大工作距离可调焦显微模块；成像探测器7是图像采集、传输模块；光源整形镜8用于对光源整形为适合检测孔照明需求的光束直径和均匀度；照明光源9可以是大角度发散的LED发光二级管，也可以是激光管，还可以是其它照明灯等，其光源可以是白光或者单色可见光。

照明模块，位于成像模块的正下方，倾斜照明芯片加样孔和出气孔，照明模块的安装角度可以是除与成像物镜和加样Tip头干涉的任何空间角度（即为照明光路与成像光路的位置关系不仅仅如图2的关系，也可以是任意角度关系，只要是两者不会有空间上的干涉），其目的是照明微流控芯片的加样孔和出气孔，且照明效果保证加样孔边界成像后的图像边界清晰，且背景噪声均匀一致。即为通过设计照明光路、成像光路与加样孔匹配的角度，通过照明光在芯片加样孔和加样Tip头的光照度分配，来实现上述效果。而且，此匹配角度可以是在保证照明光路、成像光路、加样Tip头三者空间不干涉情况下的角度匹配。 具体角度是：成像光路光轴与加样Tip头的中心轴夹角是10度到80度范围；成像光路与照明光路的光轴夹角是80度到90度范围；成像光路和照明光路以及加样Tip头的中心轴位置可以不在一个切平面上。

成像模块的光轴与芯片加样孔和出气孔中心轴同轴；具体地，如图2所示，加样芯片3的加样孔4和出气孔5的两个孔中心形成一个连接轴线，此连接轴线与成像模块的光轴处于同一个平面内，且在这个平面内，两个轴线成90度角，即垂直关系。而且，两者形成的这个平面与加样芯片3所在的平面之间的夹角是空间10度到80度。另外，照明模块的光轴方向的限定为：成像光路与照明光路的光轴夹角是80度到90度范围。此外，成像模块的安装角度可以是空间10度到80度的任意角度，即为成像模块的光轴与加样Tip头之间的夹角可以是空间10度到80度的任意角度。成像模块图像视场大小为8x6mm或更大，图像分辨率最高为10um或者其它小于50um的任意分辨率，畸变率小于1%，如此设计，可在满足加样Tip头与芯片加样孔在一个视场中的同时，保证高精度、高准确度、高重复性的一次加样成功。采集的图像见图6、图7、图8的显微图像。

进一步地，核酸检测器的位置关系说明：

如图9所示，主机运动平台组件1携载着微流控芯片及内部光学检测模块、旋转电机，其按固定行程出仓，将芯片传送到指定位置；微流控芯片安装在芯片底盘2上，芯片底盘2在电机带动下可绕中心原点转动；微流控芯片的加样孔4是一个锥形孔，底边孔径约0.8~1mm，上边孔径1.3~1.5 mm，加样孔旁边是出气孔5，两孔的孔间距约2mm，加样TIP头由机械手12抓取，并可以延X轴、Y轴、Z轴方向做直线平移；微流控芯片与水平方向平行放置，芯片转动归零时，即home位，芯片加样孔与出气孔的两孔中心形成的直线与系统Y轴平行；加样Tip头与芯片处于垂直关系；加样Tip头可以在Z轴、X轴、Y轴方向做平行直线移动；

更为具体地，将加样芯片装载到恒温扩增核酸分析模块的芯片底盘上；启动恒温扩增核酸分析模块，使主机运动平台组件出仓，运动到提前设定的出仓位置；然后，启动芯片平台转动装置，使得芯片转动到home位，此时，芯片的加样孔和出气孔形成的直线与X轴垂直（如图3所示），即两个孔正好位于成像视场的中心位置；然后，由自动控制系统启动Tip头机器手臂，去指定的Tip头盒抓取Tip头，控制系统控制取完Tip头的机器手臂去样本池吸取固定量的检测样本，并运动到标定好的位置，此标定位的标定方法分两步，第一步是相机标定，基于改进后的张正友相机内外参数标定方法对相机进行标定；第二步是机械臂对位标定，通过手动更改控制驱动系统参数来移动机械臂实现对准，也可以基于机器学习的方法对机械臂进行自动控制实现机械臂的对位标定。

然而，因加样Tip头可能在抓取过程中存在歪斜，或者芯片出仓位置与理论位置的偏差，使得实际加样Tip头与实际芯片加样孔之间并不精准对位，这个过程可以由实时采集的数字图像清晰的呈现，通过图像处理算法计算X轴和Y轴两个方向上Tip与加样孔之间的偏斜量。另外，由于机械位移的精度偏差，实际情况可能无法一次对准，需要反复此流程，直到满足X、Y方向的偏斜量小于50um，其对准精度、速度、稳定性远高于人眼的和手进行对准加样的精度和速度，有效保证了加样的重复性和稳定性，具体流程如图4所示。

本发明的关键技术点：

1、一种图像导引自动对准加样装置，包括Tip头、图像采集模块（其模块包括成像模块和照明模块）、恒温核酸扩增检测模块，三者之间空间结构匹配，以实现自动对准芯片加样孔，满足加样功能的图像导引自动对准使用要求，见图9。

2、图像采集光路设计了一个大工作距离可调焦显微光路，光路调焦范围从0.3到1X可调，光路的工作距离为50~90mm可调，后端可接隔圈加大后工作距离，提高系统的放大倍数，光路放大倍数设定为1X，从而实现了大工作距离下高清显微成像。

3、照明光路整形为均匀照明，通过设计照明光路、成像光路与加样孔匹配的角度，通过照明光在芯片加样孔和加样Tip头的光照度分配，使得采集的图像在物体边界产生清晰的灰度级分层，实现图像视觉上的三维立体效果，以及实现图像边界高灰度差异，降低因图像边界灰度值无差异造成图像处理的难度甚至失败，同时根据芯片和TIP的材料特性及不同位置的反光、透光特性，以及Tip在冲液的情况下，会出现Tip头有多边界存在（如图7），引起图像处理过程中因边界随机而不能定位Tip，为就解决此问题，调整了照明光的光亮度或者探测器的曝光时间、增益值以及与之相匹配的照明角度，使得此匹配结构获得图像不受不同吸液量和不同液体光反射特性的影响，得到一张边界高对比度的图像（见图8）。

其中，光照度分配的进一步说明如下：

光照射到带液体的Tip上，光角度调整到一个合适的角度，此时会使得在加样Tip头处的反射光尽量多的被成像光路接收，同时照射到加样孔和出气孔上的反射光尽量多的被成像光路接收，而照射到芯片其它位置的照明光，因角度的调整，因位置的不同，会使得反射的光的角度不同，反射的光的强度不同，因此造成进入成像光路的光照度不同，从而在成像光路的成像探测器上产生不同光电转化，从而产生不同位置的灰度差异。

其中，上文的调整方式说明如下：

固定一个照明角度，根据照明角度在加样芯片上和加样Tip头上的光亮度分配情况，来调整照明光的光亮度、探测器的曝光时间、增益值；其中，照明光的光亮度的提高，可以提高整个辐照面的光照亮度；曝光时间的提高是一种对整个辐照面光照度的积分累加，在提高光照度的同时，也起到一个匀化图像光照度的作用，非所见即所得；增益是一种光电子转化后的电子增强作用，对整个辐照面不会有积分累加且匀化图像的作用，是一种所见即所得；因此，把加样Tip头、芯片加样孔、芯片出气孔获得的反射光作为信号光，而芯片其它位置的反射光作为背景噪声光，再合理匹配三者的数量关系，可以获得高的信燥比，即边界高对比度的图像，如图8所示。

前述调整照明模块的亮度、成像模块的曝光时间和/或增益值的大小，使第二被摄物体表面除第一关注部位外的其他位置的灰度值为第一预设范围，第一关注部位和第一被摄物体的灰度值为第二预设范围，在本实施例中具体地包括，首先调整光源的亮度，使得图像中除加样Tip头、芯片加样孔、芯片出气孔外的芯片其它位置的灰度值为80~100，此时如果加样Tip头、芯片加样孔、芯片出气孔位置的灰度值与芯片其它位置的灰度值比小于1.5倍，则通过提高增益值的大小，使其比值达到1.5倍，且同时也使得芯片其它位置的灰度值达到120左右；然后再提高曝光时间，使图像中加样Tip头、芯片加样孔、芯片出气孔的灰度值到达225，如图8所示。在整个调整过程中，以图像的灰度值为唯一依据，增益和曝光时间随其变化并不是唯一。

本发明的技术效果：

本发明实现了集成恒温核酸扩增检测模块后，在芯片X和Y方向重复定位精度小于50微米，以及Tip在芯片正上方，即芯片和Tip头成空间立体结构的情况下，依然能够获得边界清晰的高灰度差异的图像，通过图像反馈控制自动调整Tip头的位置，满足图像导引下的全集成自动对准加样的使用需要。

这取决于充分利用空间结构、材料透光和漫反射/散射的光学特性、以及照明光线的几何特性、成像光路的成像角度对图像的空间结构的划分等光物理特性而合理设计的结果。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (21)

1.一种图像采集方法，其特征在于，包括：

设置成像模块与第一被摄物体、第二被摄物体的配合角度；其中，成像模块的光轴与第一被摄物体的中心轴线的夹角为10°~80°；第二被摄物体表面设有第一关注部位，第二被摄物体表面过第一关注部位中心的一条直线与成像模块的光轴处于同一个平面内，且夹角为90°，所述同一个平面与所述第二被摄物体表面之间的夹角为10°~80°；

设置成像模块与照明模块的配合角度；其中，成像模块的光轴与照明模块的光轴的夹角为80°~90°；

利用成像模块和照明模块采集第一被摄物体与第二被摄物体的图像。

2.根据权利要求1所述的图像采集方法，其特征在于，在所述设置成像模块与照明模块的配合角度之后，在所述利用成像模块和照明模块采集第一被摄物体与第二被摄物体的图像之前，还包括：

调整照明模块在第一被摄物体和第二被摄物体的光照度分配，提高第一被摄物体和第二被摄物体的反射光强度。

3.根据权利要求1所述的图像采集方法，其特征在于，在所述设置成像模块与照明模块的配合角度之后，在所述利用成像模块和照明模块采集第一被摄物体与第二被摄物体的图像之前，还包括：

调整照明模块的亮度、成像模块的曝光时间和/或增益值的大小，使第二被摄物体表面除第一关注部位外的其他位置的灰度值为第一预设范围，第一关注部位和第一被摄物体的灰度值为第二预设范围。

4.根据权利要求1所述的图像采集方法，其特征在于，第二被摄物体表面还设有第二关注部位，设置成像模块与第二被摄物体的配合角度为：

第二被摄物体的第一关注部位中心点和第二关注部位中心点之间的连线与成像模块的光轴处于同一个平面内，且夹角为90°，所述同一个平面与所述第二被摄物体表面之间的夹角为10°~80°。

5.一种自动对准方法，其特征在于，采用如权利要求1至4任意一项所述的图像采集方法，在所述利用成像模块和照明模块采集第一被摄物体与第二被摄物体的图像之后，还包括：

根据成像模块采集的图像信息计算第一被摄物体与第二被摄物体的第一关注部位的偏斜量；

判断第一被摄物体与第二被摄物体的第一关注部位的偏斜量是否大于或等于预设偏斜量；若偏斜量大于或等于预设偏斜量，则调整第一被摄物体和/或第二被摄物体的位置，再重复前述图像采集、计算偏斜量和与预设偏斜量比较；若偏斜量小于预设偏斜量，则输出已变成对准的信号。

6.根据权利要求5所述的自动对准方法，其特征在于，在所述根据成像模块采集的图像信息计算第一被摄物体与第二被摄物体的第一关注部位的偏斜量之前，还包括：

利用机械手将第一被摄物体和/或第二被摄物体移动至标定位置。

7.根据权利要求6所述的自动对准方法，其特征在于，所述标定位置的标定方法包括：相机标定和机械臂对位标定。

8.一种图像采集装置，其特征在于，包括：第一被摄物体、第二被摄物体和图像采集模块；所述图像采集模块包括：成像模块和照明模块；

所述成像模块的光轴与所述第一被摄物体的中心轴线的夹角为10°~80°；

所述第二被摄物体的表面设有第一关注部位，所述第二被摄物体的表面过第一关注部位中心的一条直线与所述成像模块的光轴处于同一个平面内，且夹角为90°，所述同一个平面与所述第二被摄物体表面之间的夹角为10°~80°；

所述照明模块的光轴与所述成像模块的光轴的夹角为80°~90°；

所述成像模块用于在所述照明模块的照明下，采集所述第一被摄物体与所述第二被摄物体的图像。

9.根据权利要求8所述的图像采集装置，其特征在于，所述第一被摄物体为加样机构，所述第二被摄物体为被加样机构。

10.根据权利要求9所述的图像采集装置，其特征在于，所述加样机构为加样吸头（11）；所述被加样机构为加样芯片（3）；所述第一关注部位为所述加样芯片（3）表面的加样孔（4）。

11.根据权利要求8所述的图像采集装置，其特征在于，所述第二被摄物体表面还设有第二关注部位；

所述第一关注部位的中心点和第二关注部位的中心点之间的连线与所述成像模块的光轴处于同一个平面内，且夹角为90°，所述同一个平面与所述第二被摄物体表面之间的夹角为10°~80°。

12.根据权利要求8所述的图像采集装置，其特征在于，所述成像模块包括：

成像物镜（6）；

用于采集所述成像物镜（6）的获取图像，并将所述成像物镜（6）的获取图像传输至系统控制器的成像探测器（7）。

13.根据权利要求12所述的图像采集装置，其特征在于，所述成像物镜（6）为大工作距离可调焦的显微模块；所述显微模块的工作距离为50~90mm可调，调焦范围从0.3到1X可调。

14.根据权利要求8所述的图像采集装置，其特征在于，所述照明模块包括：光源整形镜（8）和照明光源（9）。

15.根据权利要求14所述的图像采集装置，其特征在于，所述光源整形镜（8）用于对所述照明光源（9）的光源整形为适合所述第一被摄物体与所述第二被摄物体照明需求的光束直径和均匀度；

所述光束直径为大于10mm，小于40mm的任意光束直径；所述均匀度的范围是大于8mm的任意光束直径。

16.根据权利要求14所述的图像采集装置，其特征在于，所述光源整形镜（8）包括：单个非球面镜或双胶合镜。

17.根据权利要求16所述的图像采集装置，其特征在于，所述光源整形镜（8）的结构为科勒式照明光路结构，或者其光源与所述光源整形镜（8）之间的距离为7mm到9mm的任意尺寸。

18.根据权利要求14所述的图像采集装置，其特征在于，所述照明光源（9）为光源是白光或者单色可见光的照明灯。

19.根据权利要求18所述的图像采集装置，其特征在于，所述照明光源（9）包括：激光管，或发散角是30度到120度的LED发光二级管。

20.一种自动对准设备，包括：机械手（12）和图像采集装置，其特征在于，所述图像采集装置为如权利要求8至19任意一项所述的图像采集装置；

自动对准设备的计算模块能够根据成像模块采集的图像信息计算第一被摄物体与第二被摄物体的第一关注部位的偏斜量；

自动对准设备的控制器能够根据计算模块计算的偏斜量与预设偏斜量的比较结果，通过所述机械手（12）控制所述第一被摄物体移动至对准所述第二被摄物体的第一关注部位。

21.一种核酸检测器，包括：主机运动平台组件（1）、芯片底盘（2）、恒温扩增核酸分析模块（10）和自动对准设备，其特征在于，所述自动对准设备为如权利要求20所述的自动对准设备；

所述主机运动平台组件（1）可进出设置于所述恒温扩增核酸分析模块（10）；所述芯片底盘（2）设置于所述主机运动平台组件（1）；加样芯片（3）安装于所述芯片底盘（2）；图像采集模块设置于所述主机运动平台组件（1）。

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