CN112584047B

CN112584047B - 一种面阵相机连续扫描成像的控制方法

Info

Publication number: CN112584047B
Application number: CN202011445927.8A
Authority: CN
Inventors: 郑众喜; 张芳超; 刘伟; 蔡小玲
Original assignee: Suzhou Youna Medical Equipment Co ltd
Current assignee: Wuhan Youyun Intelligent Medical Technology Co.,Ltd.
Priority date: 2020-12-11
Filing date: 2020-12-11
Publication date: 2021-10-01
Anticipated expiration: 2040-12-11
Also published as: CN112584047A

Abstract

本发明涉及成像技术领域，具体涉及一种面阵相机连续扫描成像的控制方法。针对现有技术中线阵相机和面阵相机的成像方法均不能够满足生物医药领域对成像速度的需求，本发明提供的面阵相机连续扫描的控制方法主要包括如下步骤：(1)确定面阵相机开始采图的位置阵列(X_i，Y_i，Z_i)，(2)控制系统发出控制信号使位移装置驱动面阵相机或被扫描目标根据X_i和Y_i的值，在X轴和Y轴方向上保持恒速运动，并完成对被扫描目标的扫描；采图具体包括如下步骤：(a)调焦装置完成焦距调节；(b)面阵相机完成采图成像。本发明能够提供面阵相机的扫描成像速度，特别适用于生物医药领域中，需要对生物样品进行放大的显微成像过程。

Description

一种面阵相机连续扫描成像的控制方法

技术领域

本发明涉及成像技术领域，具体涉及一种面阵相机连续扫描成像的控制方法。

背景技术

随着互补金属氧化物半导体(CMOS)技术和相机成像技术的发展，成像应用已经普及到工业和医疗等各个领域。

从成像产品形态角度，目前市面上分为面阵相机和线阵相机两个主要形态。线阵相机由一行或数行感光单元(CCD/CMOS)组成，感光区域成线型，一般芯片上只有数K感光单元(像素点)。面阵相机一般是由数百行到数千行感光单元组成，感光区域成矩形，一般芯片上有数十K～数十M感光单元(像素点)。

线阵相机(如图1所示)中，线阵CCD/CMOS图像传感器是由一列MOS(金属—氧化物—半导体)光敏单元和一列CCD/CMOS移位寄存器并行而构成的。如果要用线阵CCD/CMOS获取二维图像，必须配以扫描运动，而且为了能确定图像每一像素点在被测件上的对应位置，还必须配以光栅等器件以记录线阵CCD/CMOS每一扫描行的坐标。

由于感光单元排列是一维的，所以每次曝光仅仅是目标上的一条线被成像，形成一行图像，随着目标物体与摄像机之间的相对运动，摄像机连续曝光，最后形成一幅二维图像。一般只有在两种情况下使用这种相机：(1)被测视野为细长的带状，比如滚筒上检测的问题；(2)需要极大的视野或极高的精度。

采用线阵相机进行扫描成像的方法的优点是：每一行扫描的像素数可以是512～12000，总像元数相对面阵CCD/CMOS相机较少，而且像元尺寸比较灵活，帧幅数高，特别适用于一维动态目标的测量。但是，由于线阵相机每次只能对一行或数行成像，线阵相机的扫描对相机或者目标移动的精度较高。且存在扫描速度过慢的问题，限制了其应用。

面阵相机(如图2所示)中，面阵CCD/CMOS图像传感器按照一定的方式将一维线阵CCD/CMOS的光敏单元及移位寄作器排列成二维阵列。其传输和读出的方式有不同的类型，基本构成有帧转移方式、行间转移方式两种。

面阵摄像机的感光单元按二维阵列排列，阵列中的每个感光单元对应一个像素，被拍摄的目标的一个面被成像，目标与摄像机之间可以是静止的，也可以是相对运动的。

CCD/CMOS面阵图像传感器主要用来装配轻型摄像机供工业监视及民用，主要优点是分辨率高、弥散性低、噪声小，可以获取二维图像信息，测量图像直观。缺点是像元总数多，而每行的像元数一般相对线阵CCD/CMOS较少，帧幅率受到限制。此外，对于成像面积较大的情况，目前面阵相机连续成像时需要将运动中的相机或者目标短暂停留，不断重复“停止-拍照”的动作直到完成全部拍照成像，存在成像速度较慢的缺陷。

对于成像技术，由于应用领域不同，对成像的要求也不一样，因而通常需要根据对成像的要求选择合适的成像相机和方法。在生物医药领域，大都是把样品放大几十倍到几百倍的显微模式下成像，对成像速度有很高要求，现有的线阵相机扫描和面阵相机拍照模式都不能满足成像速度进一步提升的需求。

发明内容

针对现有技术中线阵相机和面阵相机的成像方法均不能够满足生物医药领域对成像速度的需求，本发明提供一种面阵相机连续扫描成像的控制方法，其目的在于：提高面阵相机的成像速度使其能够用于生物医药领域的成像。

一种面阵相机连续扫描成像的控制方法，通过控制系统控制位移装置、调焦装置和面阵相机动作，具体包括如下步骤：

(1)在被扫描目标表面设置采图点阵列，确定阵列中每一个采图点的平面坐标(X_i，Y_i)；在每一个采图点(X_i，Y_i)处通过调节被扫描目标的表面高度计算面阵相机的焦距位置(Z_i)，得到面阵相机开始采图的位置阵列(X_i，Y_i，Z_i)；

其中，i根据采图的顺序取0至n的整数；X、Y和Z为以被扫描目标为参考系的三维坐标系的坐标值，X轴和Y轴形成的平面与面阵相机采图的方向垂直，Z轴与面阵相机采图的方向平行；

(2)控制系统发出控制信号使位移装置驱动面阵相机或被扫描目标根据X_i和Y_i的值，在X轴和Y轴方向上保持恒速运动，并完成对被扫描目标的扫描；

所述扫描的过程为按照i取0至n的顺序，在位置(X_i,Y_i,Z_i)进行采图，每一次采图具体包括如下步骤：

(a)控制系统发出控制信号，根据Z_i值，使调焦装置完成焦距调节；所述焦距调节在面阵相机在X轴和Y轴方向上到达位置(X_i,Y_i)之前完成；

(b)面阵相机运动至位置(X_i,Y_i)时，控制系统发出触发采图的控制信号，使面阵相机完成采图成像。

优选的，步骤(b)中，在所述面阵相机进行采图成像的过程中，调焦装置根据实际焦平面和焦距位置(Z_i)的偏差，对焦距进行动态修正。

优选的，采图点阵列的设置方式满足如下条件：所述被扫描目标表面在Y轴方向上被分隔成至少两列扫描区域，所述面阵相机或被扫描目标保持恒速运动的运动路径为：首先，使面阵相机位于一列扫描区域的一端，并沿着扫描区域的X轴直线运动；完成所述扫描区域的采图成像后，沿着Y轴运动使面阵相机位于另一列扫描区域的一端，再次沿着X轴直线运动；重复上述过程直至对被扫描目标的扫描完成。

优选的，触发采图的控制信号发出的时间点通过检测或计算位移装置的运动路程确定。

优选的，所述面阵相机完成一次采图成像的时间T_c满足：

V_x×T_c≤R_i和V_y×T_c≤R_i，

其中，V_x和V_y分别是位移装置驱动面阵相机或被扫描目标在三维空间中的X和Y两个坐标轴上的运动速度，R_i对采图成像得到的图像像素分辨率的需求。

优选的，所述面阵相机由X_m-1运动至X_m所需要的时间T_x、面阵相机由Y_m-1运动至Y_m所需要的时间T_y及焦距位置由Z_m-1调节至Z_m所需要的时间T_z满足：

MAX(T_x,T_y,T_z)≤T_J，

其中，T_J是相邻两次触发采图的控制信号之间的时间间隔，MAX(T_x,T_y,T_z)是指T_x、T_y或T_z中的最大值，(X_m,Y_m,Z_m)和(X_m-1,Y_m-1,Z_m-1)分别是相邻两个采图成像位置坐标值。

本发明还提供应用上述控制方法的装置，包括控制系统、位移装置、调焦装置和面阵相机，所述控制系统分别与位移装置、调焦装置和面阵相机通过电性连接。

优选的，还包括照明系统，所述照明系统中的光源为LED或科勒照明；

和/或，所述控制系统为服务器、PC或微处理器；

和/或，所述位移装置包括X轴驱动装置和Y轴驱动装置；

和/或，所述面阵相机包括成像系统，所述成像系统包括光学物镜、管镜和/或成像镜；

和/或，所述调焦装置用于驱动被扫描目标或面阵相机中的光学元件运动。

优选的，所述位移装置还包括Z轴驱动装置；

和/或，所述X轴驱动装置和Y轴驱动装置上设置有位移传感器。

和/或，所述调焦装置，和/或，X轴驱动装置，和/或，Y轴驱动装置，和/或，Z轴驱动装置包括丝杆马达或线性马达。

本发明还提供上述装置用于生物样品的显微成像的用途。

采用本发明提供的控制方法，能够实现不停顿面阵相机(或被扫描目标)移动的前提下，连续扫描采集图像，从而提高扫描成像的速度。

显然，根据本发明的上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，还可以做出其它多种形式的修改、替换或变更。

以下通过实施例形式的具体实施方式，对本发明的上述内容再作进一步的详细说明。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实例。凡基于本发明上述内容所实现的技术均属于本发明的范围。

附图说明

图1为现有技术中线扫描相机的工作原理；

图2为现有技术中面阵相机的工作原理；

图3为本发明方法的控制信号流程图；

图4为实施例1的扫描路径示意图；

图5为实施例1的工作流程图。

具体实施方式

本发明实施例中未具体说明的数据采集、传输、储存和处理等步骤的算法，以及未具体说明的硬件结构、电路连接等均可通过现有技术已公开的内容实现。

实施例1

本实施例的扫描成像装置结构如下：

包括控制系统、位移装置、调焦装置、面阵相机和照明系统，所述控制系统分别与位移装置、调焦装置和面阵相机通过电性连接。

控制系统可选择为PC，通过软件指令发出控制信号。控制系统还可选择为至少一个PCL控制器组成的系统，通过电气信号控制(硬触发)或软件指令控制(软触发)。

所述位移装置包括X轴驱动装置和Y轴驱动装置，X轴驱动装置和Y轴驱动装置采用丝杆马达或线性马达。被扫描目标固定在位移装置上。X轴驱动装置和Y轴驱动装置上设置位移传感器，以向控制系统反馈被扫描目标的移动距离。作为一种优选的方案，控制系统还可以包括独立控制X轴驱动装置和Y轴驱动装置的控制器，用于直接发出触发采图的控制信号。

所述调焦装置为一个Z轴方向的驱动装置。

面阵相机包括用于显微成像的成像系统，所述成像系统包括光学物镜、管镜和成像镜，所述管镜和成像镜之间可根据每次采图范围大小、相机感光区域大小和采图光学放大倍数等需求设置放大镜等光学组件。光路上的物镜和其它可以改变焦距的光学元件固定在调焦装置上。通过调焦装置驱动光学元件在Z轴方向上运动，从而实现焦距的调节。

照明系统采用LED、科勒照明(Koehler Illumination)等可见光源。

所述X轴、Y轴和Z轴为三维空间中的三个坐标轴，其中，X轴和Y轴是三维空间中的两个相互垂直的坐标轴，X轴和Y轴形成的平面与面阵相机采图的方向垂直，Z轴与面阵相机采图的方向垂直。

采用上述装置，本实施例进行显微成像的控制方法如下：

(1)控制系统发出控制信号控制位移装置，使位移装置驱动面阵相机或被扫描目标保持恒速运动，直至对被扫描目标的扫描完成。

运动路径通过如下方式确定：根据扫描目标大小、扫描速度、相机采图时间和像素分辨率等数据计算覆盖整个目标的采图点阵列，阵列中采图点完成调焦后的焦距位置点(也即是每次面阵相机开始采图的位置)记为三维坐标(X，Y，Z)。本实施例将被扫描目标在Y轴方向上分隔成至少两列扫描区域，每一列扫描区域的中线由一列所述采图点连线形成。

所述面阵相机或被扫描目标保持恒速运动的运动路径为：首先，使面阵相机位于一列扫描区域的一端，并沿着扫描区域的X轴直线运动；完成所述扫描区域的采图成像后，沿着Y轴运动使面阵相机位于另一列扫描区域的一端，再次沿着X轴直线运动；重复上述过程直至对被扫描目标的扫描完成。

需要说明的是，本申请中所述的X轴和Y轴是在几何空间中是等同的，即可以互相交换。例如：本实施例也可以将被扫描目标在X轴方向上分隔成至少两列扫描区域，每一列扫描区域的中线由一列所述采图点连线形成。此时，面阵相机或被扫描目标保持恒速运动的运动路径则设置为：首先，使面阵相机位于一列扫描区域的一端，并沿着扫描区域的Y轴直线运动；完成所述扫描区域的采图成像后，沿着X轴运动使面阵相机位于另一列扫描区域的一端，再次沿着Y轴直线运动；重复上述过程直至对被扫描目标的扫描完成。

(2)控制系统发出控制信号控制调焦装置，使调焦装置完成针对下一个采图成像位置的焦距调节；

(3)面阵相机相对于被扫描目标的位置到达了一个采图点，此时，控制系统发出触发采图的控制信号控制面阵相机，使面阵相机完成一次采图成像；采图成像开始的时间点的具体值可通过检测或计算位移装置的运动路程确定。

(4)使调焦装置开始针对下一个采图成像位置进行焦距调节，重复步骤(2)至步骤(3)，完成下一个采图成像位置的采图成像；

(5)重复步骤(4)，直至对被扫描目标的扫描完成(即完成对每一个采图点的采图，采图成像的范围完全覆盖被扫描目标)。

为了满足足够的分辨率，步骤(3)中，所述面阵相机完成采图成像的时间T_c满足：

V_x×T_c≤R_i和V_y×T_c≤R_i，

其中，V_x和V_y分别是位移装置驱动面阵相机或被扫描目标在三维空间中的X和Y两个坐标轴上的运动速度，X轴和Y轴形成的平面与面阵相机采图的方向垂直，R_i对采图成像得到的图像像素分辨率的需求。所述采图成像的时间T_c为同一次采图成像的结束时间点与开始的时间点之间的时间差值。

为了满足扫描成像的连续性，所述面阵相机由X_m-1运动至X_m所需要的时间T_x、面阵相机由Y_m-1运动至Y_m所需要的时间T_y及焦距位置由Z_m-1调节至Z_m所需要的时间T_z满足：

MAX(T_x,T_y,T_z)≤T_J，

通过上述实施例可以看到，通过本发明的技术方案，能够实现连续移动面阵相机(或被扫描目标)的情况下进行扫描成相的过程。相比于现有技术中的面阵相机成像，本发明的扫描过程中面阵相机(或被扫描目标)的移动是连续的，而不需要停顿，因此能够大大增加扫描成像的速度。该方法特别适用于生物医药领域中，需要对生物样品进行放大的显微成像过程。

Claims

1.一种面阵相机连续扫描成像的控制方法，其特征在于：通过控制系统控制位移装置、调焦装置和面阵相机动作，具体包括如下步骤：

（1）在被扫描目标表面设置采图点阵列，确定阵列中每一个采图点的平面坐标（X_i，Y_i）；在每一个采图点（X_i，Y_i）处通过调节被扫描目标的表面高度计算面阵相机的焦距位置（Z_i），得到面阵相机开始采图的位置阵列（X_i，Y_i，Z_i）；

其中， i根据采图的顺序取0至n的整数；X、Y和Z为以被扫描目标为参考系的三维坐标系的坐标值，X轴和Y轴形成的平面与面阵相机采图的方向垂直，Z轴与面阵相机采图的方向平行；

（2）控制系统发出控制信号使位移装置驱动面阵相机或被扫描目标根据X_i和Y_i的值，在X轴和Y轴方向上保持恒速运动，并完成对被扫描目标的扫描；

所述扫描的过程为按照i取0至n的顺序，在位置(X_i, Y_i, Z_i)进行采图，每一次采图具体包括如下步骤：

（a）控制系统发出控制信号，根据Z_i值，使调焦装置完成焦距调节；所述焦距调节在面阵相机在X轴和Y轴方向上到达位置（X_i, Y_i）之前完成；

（b）面阵相机运动至位置（X_i, Y_i）时，控制系统发出触发采图的控制信号，使面阵相机完成采图成像；

所述面阵相机完成一次采图成像的时间T_c满足：

V_x×T_c≤R_i和 V_y×T_c≤R_i，

2.按照权利要求1所述的控制方法，其特征在于：步骤（b）中，在所述面阵相机进行采图成像的过程中，调焦装置根据实际焦平面和焦距位置（Z_i）的偏差，对焦距进行动态修正。

3.按照权利要求1所述的控制方法，其特征在于：采图点阵列的设置方式满足如下条件：所述被扫描目标表面在Y轴方向上被分隔成至少两列扫描区域，所述面阵相机或被扫描目标保持恒速运动的运动路径为：首先，使面阵相机位于一列扫描区域的一端，并沿着扫描区域的X轴直线运动；完成所述扫描区域的采图成像后，沿着Y轴运动使面阵相机位于另一列扫描区域的一端，再次沿着X轴直线运动；重复上述过程直至对被扫描目标的扫描完成。

4.按照权利要求1所述的控制方法，其特征在于：触发采图的控制信号发出的时间点通过检测或计算位移装置的运动路程确定。

5.按照权利要求1所述的控制方法，其特征在于：所述面阵相机由X_m-1运动至X_m所需要的时间T_x、面阵相机由Y_m-1运动至Y_m所需要的时间T_y及焦距位置由Z_m-1调节至Z_m所需要的时间T_z满足：

MAX (T_x, T_y, T_z) ≤ T_J，

其中，T_J是相邻两次触发采图的控制信号之间的时间间隔，MAX (T_x, T_y, T_z)是指T_x、T_y或T_z中的最大值，(X_m, Y_m, Z_m) 和(X_m-1, Y_m-1, Z_m-1)分别是相邻两个采图成像位置坐标值。

6.按照权利要求1所述的控制方法，其特征在于：所述控制信号为电气信号或软件指令。

7.应用权利要求1-6任一项所述控制方法的装置，其特征在于：包括控制系统、位移装置、调焦装置和面阵相机，所述控制系统分别与位移装置、调焦装置和面阵相机通过电性连接。

8.按照权利要求7所述的装置，其特征在于：还包括照明系统，所述照明系统中的光源为LED或科勒照明；

和/或，所述控制系统为服务器、PC或微处理器；

和/或，所述位移装置包括X轴驱动装置和Y轴驱动装置；

和/或，所述调焦装置用于驱动被扫描目标或面阵相机中的光学元件运动；

和/或，所述位移装置还包括Z轴驱动装置；

和/或，所述X轴驱动装置和Y轴驱动装置上设置有位移传感器;

9.按照权利要求7或8所述的装置用于生物样品的显微成像。