CN114577771B - 一种多路片层光全自动对准装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多路片层光全自动对准装置及方法，该装置包括：片层光位置控制模块，其用于按照当前片层光图像与基准位置之间存在的偏差量对应的补偿量，将每一路片层光调整到基准位置；实时成像模块，其用于连续拍摄记录当前单路片层光图像；图像分析模块，其用于接收片层光图像，判断片层光图像与基准位置之间是否存在预先定义的偏差类型中的偏差，并在判定为是的情形下，分析偏差的所属的偏差类型及获取补偿量，在所有偏差判定为否的情形下，向实时成像模块发出连续拍摄记录下一路片层光图像的指令。本发明以实时采集成像为基础，通过片层光的形态、位置分析计算，将片层光移动到视野中指定的位置，实现多路片层光的全自动对准。

Description

一种多路片层光全自动对准装置及方法

技术领域

本发明涉及荧光显微成像技术领域，特别是关于一种多路片层光全自动对准装置及方法。

背景技术

光片荧光显微镜为实时发育生物学的新兴领域做出了重大贡献。低光毒性和高速多视图采集使得选择性光片荧光显微镜成为研究斑马鱼、果蝇和其它模式生物的器官形态发展以及功能的最佳选择。

随着成像样本的丰富以及成像需求的增多，单路片层光用于对从单个分子到细胞、组织和整个胚胎的样本进行成像已经不够。采用全方位的多路片层光对样品照明，在保证高分辨的条件下可有效扩大成像范围，但是这种情况同时面临着多路片层光的对准问题，而通过未对准的多路片层光所获得的图像对比实际的样品结构会有错位失真的现象。现有的人工手动对准多路片层光，费时费力。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多路片层光全自动对准装置及方法，实现控制上位机全自动对准多路片层光，省时省力。

为实现上述目的，本发明提供一种多路片层光全自动对准装置，其包括：

片层光位置控制模块，其用于按照当前片层光图像与基准位置之间存在的偏差量对应的补偿量，将每一路片层光调整到所述基准位置，所述基准位置以相机视野为基准预先设置；

实时成像模块，其用于连续拍摄记录当前单路片层光图像；

图像分析模块，其用于接收所述片层光图像，判断所述片层光图像与所述基准位置之间是否存在预先定义的偏差类型中的偏差，并在判定为是的情形下，分析所述偏差的所属的偏差类型及获取所述补偿量，输出给所述片层光位置控制模块，在所有偏差判定为否的情形下，向所述实时成像模块发出连续拍摄记录下一路片层光图像的指令。

进一步地，所述偏差类型包括XOZ平面偏差，所述图像分析模块具体包括：

轮廓获取单元，其用于对在样品室中放入荧光微珠溶液的情形下采集到的所述片层光图像进行边缘检测和提取，获得片层光图像的轮廓信息；

XOZ平面偏差判断单元，其用于判断所述轮廓信息与所述基准位置之间是否有角度偏差θ_y，如果有，则判定为存在所述XOZ平面偏差；如果判定为不存在所述XOZ平面偏差，继而判断除所述XOZ平面偏差之外的其它所述偏差类型；其中，所述θ_v为片层光相对于预设Y轴的倾斜角度；

XOZ平面偏差补偿量计算单元，其用于在判定为存在所述XOZ平面偏差的情形下，控制所述片层光位置控制模块沿着以Y轴为中心旋转的方向以预设角度θ’_y进行步进，以及按照下式(1)计算值补偿对应所述θ’_y的位移补偿量Δx：

Δx＝L sinθ’_y (1)

式中，L为片层光激发模块的长度。

进一步地，所述偏差类型包括YOZ平面偏差，所述图像分析模块具体包括：

图像处理分析单元，其用于对在样品室中放入荧光微珠溶液的情形下采集到的所述片层光图像进行图像处理，将荧光微珠与背景分离，并统计其点亮的荧光微珠在所述片层光图像中显示的大小以及按大小沿Z轴的分布情况；

YOZ平面偏差判断单元，其用于判断片层光是否存在θ_x方向的旋转，如果所述荧光微珠的大小沿Z轴的分布特性不呈现为边缘大中间小，而且从边缘到中间逐渐变小，则判定为存在所述YOZ平面偏差；如果所述荧光微珠的大小沿所述Z轴的分布特性呈现为边缘大且中间小，而且从边缘到中间逐渐变小，则判定为不存在所述YOZ平面偏差，继而判断除所述YOZ平面偏差之外的其它所述偏差类型；其中，所述θ_x为片层光当前相对于预设X轴的倾斜角度；

YOZ平面偏差补偿量计算单元，其用于在判定为存在所述YOZ平面偏差的情形下，控制片层光位置控制模块沿着以X轴为中心旋转的方向以预设角度θ’_x进行步进，以及补偿对应所述θ’_x的位移补偿量Δy，其计算公式为下式(2)：

Δy＝L sinθ_x’ (2)

式中，L为片层光激发模块的长度。

进一步地，所述偏差类型包括第一XOY平面偏差，所述图像分析模块具体包括：

图像处理分析单元，其用于对在样品室中放入荧光微珠溶液的情形下采集到的所述片层光图像进行图像处理，将荧光微珠与背景分离，并统计其点亮的荧光微珠在所述片层光图像中显示的大小以及按大小沿X轴的分布情况；

第一XOY平面偏差判断单元，其用于判断片层光是否存在θ_z方向的旋转以及旋转方向，如果所述荧光微珠的大小沿所述X轴的分布特性不呈现为边缘大且中间小，而且从边缘到中间逐渐变小，则判定为存在所述第一XOY平面偏差；如果所述荧光微珠的大小沿所述X轴的分布特性呈现为边缘大且中间小，而且从边缘到中间逐渐变小，则判定为不存在所述第一XOY平面偏差，继而判断除所述第一XOY平面偏差之外的其它所述偏差类型；其中，所述θ_z为片层光当前相对于预设Z轴的倾斜角度；

第一XOY平面偏差补偿量计算单元，其用于控制片层光位置控制模块沿与所述θ_z方向相反的方向，以预设角度θ’_z进行步进。

进一步地，所述偏差类型包括第二XOY平面偏差，所述第二XOY平面偏差包括最小的荧光微珠集合与所述当前片层光图像的中心位置之间的ΔZ偏差；

所述图像分析模块具体包括：

图像处理分析单元，其用于对在样品室中放入荧光微珠溶液的情形下采集到所述片层光图像进行图像处理，将荧光微珠与背景分离，并统计点亮的荧光微珠在所述片层光图像中显示的体积大小以及按大小沿Z轴的分布情况；

ΔZ偏差判断单元，其用于判断最小的荧光微珠集合是否在所述当前片层光图像的中心位置，如果是，则判定为存在所述ΔZ偏差；如果否，则判定为存在所述ΔZ偏差，继而判断除所述ΔZ偏差之外的其它所述偏差类型；

ΔZ偏差补偿量计算单元，其用于在判定为存在所述ΔZ偏差的情形下，控制片层光位置控制模块沿着Z方向以预设步长ΔZ’进行步进。

本发明还提供一种多路片层光全自动对准方法，其包括：

以相机视野为基准，在所述相机视野中为每路片层光预先设置基准位置，按照预设流程将所述每一路片层光调整到所述基准位置；其中，所述预设流程包括：

步骤1，通过实时成像模块的相机连续拍摄记录当前单路片层光图像，并进入步骤2；

步骤2，通过图像分析模块判断所述片层光图像与所述基准位置之间是否存在预先定义的偏差类型中的偏差，如果是，则进入步骤3，反之，则进入步骤4；

步骤3，按照所述偏差的所属的所述偏差类型及偏差量对应的补偿量进行校准，然后返回步骤1；

步骤4，通过实时成像模块的相机连续拍摄记录下一路片层光图像，并进入步骤2。

进一步地，所述步骤2中的所述偏差类型包括XOZ平面偏差，判断所述当前片层光图像与所述基准位置之间是否存在所述XOZ平面偏差的方法具体包括：

步骤21a，对所述步骤1在样品室中放入荧光微珠溶液的情形下采集到的所述片层光图像进行边缘检测和提取，获得片层光图像的轮廓信息；

步骤22a，判断所述轮廓信息与所述基准位置之间是否有角度偏差θ_v，如果有，则判定为存在所述XOZ平面偏差，并进入步骤3中的步骤3a；如果判定为不存在所述XOZ平面偏差，继而判断除所述XOZ平面偏差之外的其它所述偏差类型；其中，所述θ_y为片层光相对于预设Y轴的倾斜角度；

所述步骤3a具体包括：

控制所述片层光位置控制模块沿着以Y轴为中心旋转的方向以预设角度θ’_y进行步进，以及按照下式(1)计算值补偿对应所述θ’_y的位移补偿量Δx：

Δx＝L sinθ’_y (1)

式中，L为片层光激发模块的长度。

进一步地，所述步骤2中的所述偏差类型为YOZ平面偏差，在样品室中放入荧光微珠溶液的情形下，判断所述当前片层光图像与所述基准位置之间是否存在所述YOZ平面偏差的方法具体包括：

步骤21b，对所述步骤1采集到的所述片层光图像进行图像处理，将荧光微珠与背景分离，并统计其点亮的荧光微珠在所述片层光图像中显示的大小以及按大小沿Z轴的分布情况；

步骤22b，判断片层光是否存在θ_x方向的旋转，如果所述荧光微珠的大小沿Z轴的分布特性不呈现为边缘大中间小，而且从边缘到中间逐渐变小，则判定为存在所述YOZ平面偏差，并进入步骤3中的步骤3b；如果所述荧光微珠的大小沿所述Z轴的分布特性呈现为边缘大且中间小，而且从边缘到中间逐渐变小，则判定为不存在所述YOZ平面偏差，继而判断除所述YOZ平面偏差之外的其它所述偏差类型；其中，所述θ_x为片层光当前相对于预设X轴的倾斜角度；

所述步骤3b具体包括：

控制片层光位置控制模块沿着以X轴为中心旋转的方向以预设角度θ’_x进行步进，以及补偿对应所述θ’_x的位移补偿量Δy，其计算公式为下式(2)：

Δy＝L sinθ_x’ (2)

式中，L为片层光激发模块的长度。

进一步地，所述步骤2中，所述偏差类型为第一XOY平面偏差，在样品室中放入荧光微珠溶液的情形下，判断所述当前片层光图像与所述基准位置之间是否存在所述第一XOY平面偏差的方法具体包括：

步骤21c，对所述步骤1采集到的所述片层光图像进行图像处理，将荧光微珠与背景分离，并统计其点亮的荧光微珠在所述片层光图像中显示的大小以及按大小沿X轴的分布情况；

步骤22c，判断片层光是否存在θ_z方向的旋转以及旋转方向，如果所述荧光微珠的大小沿所述X轴的分布特性不呈现为边缘大且中间小，而且从边缘到中间逐渐变小，则判定为存在所述第一XOY平面偏差，并进入步骤3中的步骤3c；如果所述荧光微珠的大小沿所述X轴的分布特性呈现为边缘大且中间小，而且从边缘到中间逐渐变小，则判定为不存在所述第一XOY平面偏差，继而判断除所述第一XOY平面偏差之外的其它所述偏差类型；其中，所述θ_z为片层光当前相对于预设Z轴的倾斜角度；

所述步骤3c具体包括：

控制片层光位置控制模块沿与所述θ_z方向相反的方向，以预设角度θ’_z进行步进。

进一步地，所述步骤2中的所述偏差类型为第二XOY平面偏差，所述第二XOY平面偏差包括最小的荧光微珠集合与所述当前片层光图像的中心位置之间的ΔZ偏差，在样品室中放入荧光微珠溶液的情形下，判断所述当前片层光图像与所述基准位置之间是否存在所述ΔZ偏差的方法具体包括：

步骤21d，对所述步骤1采集到的所述片层光图像进行图像处理，将荧光微珠与背景分离，并统计其点亮的荧光微珠在所述片层光图像中显示的体积大小以及按大小沿Z轴的分布情况；

步骤22d，判断最小的荧光微珠集合是否在所述当前片层光图像的中心位置，如果是，则判定为存在所述ΔZ偏差，并进入步骤3中的步骤3d；如果否，则判定为存在所述ΔZ偏差，继而判断除所述ΔZ偏差之外的其它所述偏差类型；

所述步骤3d具体包括：

控制片层光位置控制模块沿着Z方向以预设步长ΔZ’进行步进。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：本发明由实时成像模块实现对多路片层光的采集成像，由图像分析模块实现对多路片层光当前的方位、角度分析，计算将其移动到视野中指定位置处需要的平移距离和旋转角度，并及时传递给到片层光位置控制模块控制片层光的位移和旋转，经过多次计算迭代优化完成对多路激发片层光的对准。

附图说明

图1a为本发明实施例提供的多路片层光全自动对准系统的子模块关系。

图1b为图1a的片层光的形态示意图。

图2为本发明实施例提供的两路片层光对准的硬件结构示意图。

图3为本发明实施例提供的多路片层光对准方法的流程示意图。

图4为本发明实施例提供的相机视野中为片层光预设十字线位置。

图5为本发明实施例提供的左边为相机视野中的片层光θy对准的轮廓图像示意图，十字线为片层光基准位置，右边为对应的位移补偿Δx示意图。

图6为本发明实施例提供的左边为相机视野中的片层光的θx对准示意图，十字线为片层光基准位置，右边为对应的位移补偿Δy示意图。

图7为本发明实施例提供的相机视野中的片层光的θz对准示意图，十字线为片层光基准位置。

图8为本发明实施例提供的相机视野中的片层光的Δz调整示意图，十字线为片层光基准位置，虚线标识了图像分析结果。

具体实施方式

在附图中，使用相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

在本发明的描述中，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

在不冲突的情况下，本发明各实施例及各实施方式中的技术特征可以相互组合，并不局限于该技术特征所在的实施例或实施方式中。

下面结合附图以及具体实施例对本发明做进一步的说明，需要指出的是，下面仅以一种最优化的技术方案对本发明的技术方案以及设计原理进行详细阐述，但本发明的保护范围并不仅限于此。

本文涉及下列术语，为便于理解，对其含义说明如下。本领域技术人员应当理解，下列术语也可能有其它名称，但在不脱离其含义的情形下，其它任何名称都应当被认为与本文所列术语一致。

如图1b所示，片层光是一种荧光成像系统常用的激发照明方式，不同于平行光束和聚焦光束，这是一种在空间中沿一个方向汇聚，沿另一个垂直的方向平行传输的片层光束。由于其特殊形态和传输特性，通常借用高斯光束的束腰和瑞利长度的概念，一般定义片层光的束腰宽度为片层光厚度，以束腰为中心，在瑞利长度范围内为其有效的片层光长度，片层光厚度在微米量级，而片层光长度在微米到亚毫米量级。文中，Y轴方向为片层光厚度的方向，Z轴方向为片层光长度的方向，X轴为垂直于Y轴和Z轴。

如图1a所示，本发明实施例提供的多路片层光全自动对准装置包括片层光位置控制模块1、实时成像模块2和图像分析模块3，其中：

片层光位置控制模块1包括多轴位置控制装置11，其步进精度为亚微米量级，行程为毫米量级，可用市面上的多种位移台进行替换，为了减小成本可采用非闭环控制。多轴位置控制装置11侧面积夹持有片层光激发模块12。多轴位置控制装置11具有三轴电动位移台和三轴电动旋转台，用于联动控制片层光激发模块1发出的片层光沿Δx、Δy、Δz方向的平移和沿θx、θy、θz方向的旋转。具体地，片层光位置控制模块1用于按照当前片层光图像与基准位置之间存在的偏差量对应的补偿量，将每一路片层光调整到所述基准位置。如图4所示，所述基准位置以相机视野为基准预先设置，所述基准位置通常但不限于以十字线进行表示，该十字线的中心一般在相机视野的中心，并沿其所在平面的竖向和横向交叉。

实时成像模块2用于连续拍摄记录当前单路片层光图像。如图2所示，实时成像模块2包括相机21、管镜-pizeo-物镜22，管镜-pizeo-物镜22的正下方设置有样品室6，样品室6中放入荧光微珠溶液，以便于拍摄片层光的形态和位置。样品室6的侧面为需要对准的片层光激发模块12，每路片层光激发模块12由电动的多轴位置控制装置11夹持。

图像分析模块3可以包括上位机和计算模块，用于接收所述片层光图像，判断所述片层光图像与所述基准位置之间是否存在预先定义的偏差类型中的偏差，并在判定为是的情形下，分析所述偏差的所属的偏差类型及获取所述补偿量，输出给所述片层光位置控制模块，在所有偏差判定为否的情形下，向所述实时成像模块发出连续拍摄记录下一路片层光图像的指令。

在一个实施例中，如图5所示，所述偏差类型包括XOZ平面偏差，XOZ平面偏差包括角度偏差θ_y和位移补偿量Δx；其中，所述θ_y为片层光相对于预设Y轴的倾斜角度。所述图像分析模块具体包括轮廓获取单元、XOZ平面偏差判断单元和XOZ平面偏差补偿量计算单元，其中：

轮廓获取单元用于对在样品室中放入荧光微珠溶液的情形下采集到的所述片层光图像进行边缘检测和提取，获得片层光图像的轮廓信息。

XOZ平面偏差判断单元用于判断所述轮廓信息与所述基准位置之间是否有角度偏差θ_y，如果有，则判定为存在所述XOZ平面偏差；如果判定为不存在所述XOZ平面偏差，继而判断除所述XOZ平面偏差之外的其它所述偏差类型。

XOZ平面偏差补偿量计算单元用于在判定为存在所述XOZ平面偏差的情形下，控制所述片层光位置控制模块沿着以Y轴为中心旋转的方向以预设角度θ’_y进行步进，以及按照下式(1)计算值补偿对应所述θ’_y的位移补偿量Δx，预设角度θ’_y最好是最小步进角度，这样有利于提高控制精度：

Δx＝L sinθ’_y (1)

式中，L为片层光激发模块的长度。

在一个实施例中，如图6所示，所述偏差类型包括YOZ平面偏差，YOZ平面偏差包括θ_x和位移补偿量Δy；其中，所述θ_x为片层光当前相对于预设X轴的倾斜角度。所述图像分析模块具体包括图像处理分析单元、YOZ平面偏差判断单元和YOZ平面偏差补偿量计算单元，其中：

图像处理分析单元用于对在样品室中放入荧光微珠溶液的情形下采集到的所述片层光图像进行图像处理，将荧光微珠与背景分离，并统计其点亮的荧光微珠在所述片层光图像中显示的大小以及按大小沿Z轴的分布情况。

YOZ平面偏差判断单元用于判断片层光是否存在θ_x方向的旋转，如果所述荧光微珠的大小沿Z轴的分布特性不呈现为边缘大中间小，而且从边缘到中间逐渐变小，则判定为存在所述YOZ平面偏差；如果所述荧光微珠的大小沿所述Z轴的分布特性呈现为边缘大且中间小，而且从边缘到中间逐渐变小，则判定为不存在所述YOZ平面偏差，继而判断除所述YOZ平面偏差之外的其它所述偏差类型；其中，所述θ_x为片层光当前相对于预设X轴的倾斜角度。

YOZ平面偏差补偿量计算单元用于在判定为存在所述YOZ平面偏差的情形下，控制片层光位置控制模块沿着以X轴为中心旋转的方向以预设角度θ’_x进行步进，以及补偿对应所述θ’_x的位移补偿量Δy，其计算公式为下式(2)，预设角度θ’_x最好是最小步进角度，这样有利于提高控制精度：

Δy＝L sinθ_x’ (2)

式中，L为片层光激发模块的长度。

在一个实施例中，如图7所示，所述偏差类型包括第一XOY平面偏差，第一XOY平面偏差包括θ_z和位移补偿量Δy；其中，所述θ_z为片层光当前相对于预设Z轴的倾斜角度。所述图像分析模块具体包括图像处理分析单元、XOY平面偏差判断单元、第一XOY平面偏差补偿量计算单元和第一XOY平面偏差补偿量计算单元，其中：

图像处理分析单元用于对在样品室中放入荧光微珠溶液的情形下采集到的所述片层光图像进行图像处理，将荧光微珠与背景分离，并统计其点亮的荧光微珠在所述片层光图像中显示的大小以及按大小沿X轴的分布情况。

第一XOY平面偏差判断单元用于判断片层光是否存在θ_z方向的旋转以及旋转方向，如果所述荧光微珠的大小沿所述X轴的分布特性不呈现为边缘大且中间小，而且从边缘到中间逐渐变小，则判定为存在所述第一XOY平面偏差；如果所述荧光微珠的大小沿所述X轴的分布特性呈现为边缘大且中间小，而且从边缘到中间逐渐变小，则判定为不存在所述第一XOY平面偏差，继而判断除所述XOY平面偏差之外的其它所述偏差类型。

第一XOY平面偏差补偿量计算单元用于控制片层光位置控制模块沿与所述θ_z方向相反的方向，以预设角度θ’_z进行步进，预设角度θ’_z最好是最小步进角度，这样有利于提高控制精度。

在一个实施例中，如图8所示，所述偏差类型包括第二XOY平面偏差，第二XOY平面偏差包括最小的荧光微珠集合与所述当前片层光图像的中心位置之间的ΔZ偏差；

所述图像分析模块具体包括图像处理分析单元、ΔZ偏差判断单元和ΔZ偏差补偿量计算单元，其中：

图像处理分析单元用于对在样品室中放入荧光微珠溶液的情形下采集到所述片层光图像进行图像处理，将荧光微珠与背景分离，并统计点亮的荧光微珠在所述片层光图像中显示的体积大小以及按大小沿Z轴的分布情况。

ΔZ偏差判断单元用于判断最小的荧光微珠集合是否在所述当前片层光图像的中心位置，如果是，则判定为存在所述ΔZ偏差；如果否，则判定为存在所述ΔZ偏差，继而判断除所述ΔZ偏差之外的其它所述偏差类型。

ΔZ偏差补偿量计算单元用于在判定为存在所述ΔZ偏差的情形下，控制片层光位置控制模块沿着Z方向以预设步长ΔZ’进行步进，预设步长ΔZ’最好是最小步进长度，这样有利于提高控制精度。

在一个实施例中，如图3所示，所述偏差类型包括上述各实施例中的所有偏差类型，在完成系统硬件装配后，首先，系统初始化；然后，依靠机械结构的精度，可以保证在相机中初步找到多路片层光，调整相机的曝光时间设置，使视野中片层光明亮清晰；再按照XOZ平面偏差、YOZ平面偏差、XOY平面偏差和ΔZ偏差的先后顺序，判断每一路片层光是否存在对应偏差类型中的偏差，并根据判断结果按流程分别进行校准，并且，在每次校准单路片层光的一种类型的偏差后，重新将其拉回相机视野中，并对片层光的其它类型偏差进行判断，经过多次迭代，便能够将单路片层光移到基准位置。再判断是否还有另一路的片层光需要对准，如果有，重复上面的流程，直到每一路片层光都移动到基准位置，至此，多路片层光全部完成对准。

本发明在多路片层光荧光成像中，无需手动调焦并对准多边光片，依靠全自动对准装置更方便、快捷，缩短实验前的装调时间，甚至可以在重复试验前及时自检纠正错位。

本发明实施例还提供的多路片层光全自动对准方法包括：

以相机视野为基准，在所述相机视野中为每路片层光预先设置基准位置，按照预设流程将所述每一路片层光调整到所述基准位置，所述基准位置通常但不限于以十字线进行表示。其中，所述预设流程包括：

步骤1，通过实时成像模块的相机连续拍摄记录当前单路片层光图像，并进入步骤2；

步骤2，通过图像分析模块判断所述片层光图像与所述基准位置之间是否存在预先定义的偏差类型中的偏差，如果是，则进入步骤3，反之，则进入步骤4；

步骤3，按照所述偏差的所属的所述偏差类型及偏差量对应的补偿量进行校准，然后返回步骤1；

步骤4，通过实时成像模块的相机连续拍摄记录下一路片层光图像，并进入步骤2。

由于一个不理想状态的片层光的位移与旋转一般都是耦合在一起的，沿一个轴向旋转或移动往往会带来另外的倾斜和位移，甚至可能移出相机视野中，因此，本实施例按预设流程分别判断每一路片层光是否存在偏差类型中的偏差，并根据判断结果按流程分别进行校准，并且，在每次校准单路片层光的一种类型的偏差后，都需要重新将其拉回相机视野中，并对片层光的其它类型偏差进行判断，经过多次迭代，便能够将单路片层光移到基准位置。再判断是否还有另一路的片层光需要对准，如果有，重复上面的流程，直到每一路片层光都移动到基准位置，至此，多路片层光全部完成对准。

在一个实施例中，所述步骤2中的所述偏差类型包括XOZ平面偏差，XOZ平面偏差指的是片层光相对于预设Y轴存在倾斜角度θ_v。

那么，判断所述当前片层光图像与所述基准位置之间是否存在所述XOZ平面偏差的方法具体包括：

步骤21a，对所述步骤1在样品室中放入荧光微珠溶液的情形下采集到的所述片层光图像进行边缘检测和提取，获得片层光图像的轮廓信息。本步骤中的对片层光图像进行边缘检测和提取的实现方式为现有技术，再次不再展开描述。

步骤22a，判断所述轮廓信息与所述基准位置之间是否有角度偏差θ_y，如果有，则判定为存在所述XOZ平面偏差，如图4所示，并进入步骤3中的步骤3a；如果判定为不存在所述XOZ平面偏差，继而判断除所述XOZ平面偏差之外的其它所述偏差类型。

所述步骤3a具体包括：

控制所述片层光位置控制模块沿着以Y轴为中心旋转的方向以预设角度θ’_y进行步进，以及按照下式(1)计算值补偿对应所述θ’_y的位移补偿量Δx：

Δx＝L sinθ’_y (1)

式中，L为片层光激发模块的长度。

在一个实施例中，所述步骤2中的所述偏差类型为YOZ平面偏差，YOZ平面偏差指的是片层光当前相对于预设X轴的倾斜角度θ_x。

在样品室中放入荧光微珠溶液的情形下，判断所述当前片层光图像与所述基准位置之间是否存在所述YOZ平面偏差的方法具体包括：

步骤21b，对所述步骤1采集到的所述片层光图像进行图像处理，将荧光微珠与背景分离，并统计其点亮的荧光微珠在所述片层光图像中显示的大小以及按大小沿Z轴的分布情况。

步骤22b，判断片层光是否存在θ_x方向的旋转，如果所述荧光微珠的大小沿Z轴的分布特性不呈现为边缘大中间小，而且从边缘到中间逐渐变小，则判定为存在所述YOZ平面偏差，如图5所示，并进入步骤3中的步骤3b；如果所述荧光微珠的大小沿所述Z轴的分布特性呈现为边缘大且中间小，而且从边缘到中间逐渐变小，则判定为不存在所述YOZ平面偏差，继而判断除所述YOZ平面偏差之外的其它所述偏差类型。

所述步骤3b具体包括：

控制片层光位置控制模块沿着以X轴为中心旋转的方向以预设角度θ’_x进行步进，以及补偿对应所述θ’_x的位移补偿量Δy，其计算公式为下式(2)，直到分析结果显示不存在θ_x方向的旋转，预设角度θ’_x最好是最小步进角度，这样有利于提高控制精度：

Δy＝L sinθ_x (2)

式中，L为片层光激发模块的长度。

在一个实施例中，所述步骤2中，所述偏差类型为第一XOY平面偏差，第一XOY平面偏差指的是片层光当前相对于预设Z轴的倾斜角度θ_z。

在样品室中放入荧光微珠溶液的情形下，判断所述当前片层光图像与所述基准位置之间是否存在所述第一XOY平面偏差的方法具体包括：

步骤21c，对所述步骤1采集到的所述片层光图像进行图像处理，将荧光微珠与背景分离，并统计其点亮的荧光微珠在所述片层光图像中显示的大小以及按大小沿X轴的分布情况；

步骤22c，判断片层光是否存在θ_z方向的旋转以及旋转方向，如果所述荧光微珠的大小沿所述X轴的分布特性不呈现为边缘大且中间小，而且从边缘到中间逐渐变小，则判定为存在所述第一XOY平面偏差，如图6所示，并进入步骤3中的步骤3c；如果所述荧光微珠的大小沿所述X轴的分布特性呈现为边缘大且中间小，而且从边缘到中间逐渐变小，则判定为不存在所述第一XOY平面偏差，继而判断除所述第一XOY平面偏差之外的其它所述偏差类型。

所述步骤3c具体包括：

控制片层光位置控制模块沿与所述θ_z方向相反的方向，以预设角度θ’_z进行步进，预设角度θ’_z最好是最小步进角度，这样有利于提高控制精度。

在一个实施例中，所述步骤2中的所述偏差类型包括第二XOY平面偏差，所述第二XOY平面偏差包括最小的荧光微珠集合与所述当前片层光图像的中心位置(当前相机视野中的片层光的中心位置)之间的ΔZ偏差，在样品室中放入荧光微珠溶液的情形下，判断所述当前片层光图像与所述基准位置之间是否存在所述ΔZ偏差的方法具体包括：

步骤21d，对所述步骤1采集到的所述片层光图像进行图像处理，将荧光微珠与背景分离，并统计其点亮的荧光微珠在所述片层光图像中显示的体积大小以及按大小沿Z轴的分布情况。

步骤22d，判断最小的荧光微珠集合是否在所述当前片层光图像的中心位置，如果是，则判定为存在所述ΔZ偏差，并进入步骤3中的步骤3d；如果否，则判定为存在所述ΔZ偏差，继而判断除所述ΔZ偏差之外的其它所述偏差类型。

所述步骤3d具体包括：

控制片层光位置控制模块沿着Z方向以预设步长ΔZ’进行步进，预设步长ΔZ’最好是最小步进长度，这样有利于提高控制精度。

最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。本领域的普通技术人员应当理解：可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种多路片层光全自动对准装置，其特征在于，包括：

片层光位置控制模块，其用于按照当前片层光图像与基准位置之间存在的偏差量对应的补偿量，将每一路片层光调整到所述基准位置，所述基准位置以相机视野为基准预先设置；

实时成像模块，其用于连续拍摄记录当前单路片层光图像；

图像分析模块，其用于接收所述片层光图像，判断所述片层光图像与所述基准位置之间是否存在预先定义的偏差类型中的偏差，并在判定为是的情形下，分析所述偏差的所属的偏差类型及获取所述补偿量，输出给所述片层光位置控制模块，在所有偏差判定为否的情形下，向所述实时成像模块发出连续拍摄记录下一路片层光图像的指令；

所述偏差类型包括XOZ平面偏差，所述图像分析模块具体包括：

轮廓获取单元，其用于对在样品室中放入荧光微珠溶液的情形下采集到的所述片层光图像进行边缘检测和提取，获得片层光图像的轮廓信息；

XOZ平面偏差判断单元，其用于判断所述轮廓信息与所述基准位置之间是否有角度偏差θ_y，如果有，则判定为存在所述XOZ平面偏差；如果判定为不存在所述XOZ平面偏差，继而判断除所述XOZ平面偏差之外的其它所述偏差类型；其中，所述θ_y为片层光相对于预设Y轴的倾斜角度；

XOZ平面偏差补偿量计算单元，其用于在判定为存在所述XOZ平面偏差的情形下，控制所述片层光位置控制模块沿着以Y轴为中心旋转的方向以预设角度θ’_y进行步进，以及按照下式(1)计算值补偿对应所述θ’_y的位移补偿量Δx：

Δx＝Lsinθ’_y (1)

式中，L为片层光激发模块的长度。

2.如权利要求1所述的多路片层光全自动对准装置，其特征在于，所述偏差类型包括YOZ平面偏差，所述图像分析模块具体包括：

图像处理分析单元，其用于对在样品室中放入荧光微珠溶液的情形下采集到的所述片层光图像进行图像处理，将荧光微珠与背景分离，并统计其点亮的荧光微珠在所述片层光图像中显示的大小以及按大小沿Z轴的分布情况；

YOZ平面偏差判断单元，其用于判断片层光是否存在θ_x方向的旋转，如果所述荧光微珠的大小沿Z轴的分布特性不呈现为边缘大中间小，而且从边缘到中间逐渐变小，则判定为存在所述YOZ平面偏差；如果所述荧光微珠的大小沿所述Z轴的分布特性呈现为边缘大且中间小，而且从边缘到中间逐渐变小，则判定为不存在所述YOZ平面偏差，继而判断除所述YOZ平面偏差之外的其它所述偏差类型；其中，所述θ_x为片层光当前相对于预设X轴的倾斜角度；

YOZ平面偏差补偿量计算单元，其用于在判定为存在所述YOZ平面偏差的情形下，控制片层光位置控制模块沿着以X轴为中心旋转的方向以预设角度θ’_x进行步进，以及补偿对应所述θ’_x的位移补偿量Δy，其计算公式为下式(2)：

Δy＝L sinθ_x’ (2)

式中，L为片层光激发模块的长度。

3.如权利要求1或2所述的多路片层光全自动对准装置，其特征在于，所述偏差类型包括第一XOY平面偏差，所述图像分析模块具体包括：

图像处理分析单元，其用于对在样品室中放入荧光微珠溶液的情形下采集到的所述片层光图像进行图像处理，将荧光微珠与背景分离，并统计其点亮的荧光微珠在所述片层光图像中显示的大小以及按大小沿X轴的分布情况；

第一XOY平面偏差判断单元，其用于判断片层光是否存在θ_z方向的旋转以及旋转方向，如果所述荧光微珠的大小沿所述X轴的分布特性不呈现为边缘大且中间小，而且从边缘到中间逐渐变小，则判定为存在所述第一XOY平面偏差；如果所述荧光微珠的大小沿所述X轴的分布特性呈现为边缘大且中间小，而且从边缘到中间逐渐变小，则判定为不存在所述第一XOY平面偏差，继而判断除所述第一XOY平面偏差之外的其它所述偏差类型；其中，所述θ_z为片层光当前相对于预设Z轴的倾斜角度；

第一XOY平面偏差补偿量计算单元，其用于控制片层光位置控制模块沿与所述θ_z方向相反的方向，以预设角度θ’_z进行步进。

4.如权利要求1或2所述的多路片层光全自动对准装置，其特征在于，所述偏差类型包括第二XOY平面偏差，所述第二XOY平面偏差包括最小的荧光微珠集合与所述当前片层光图像的中心位置之间的ΔZ偏差；

所述图像分析模块具体包括：

图像处理分析单元，其用于对在样品室中放入荧光微珠溶液的情形下采集到所述片层光图像进行图像处理，将荧光微珠与背景分离，并统计点亮的荧光微珠在所述片层光图像中显示的体积大小以及按大小沿Z轴的分布情况；

ΔZ偏差判断单元，其用于判断最小的荧光微珠集合是否在所述当前片层光图像的中心位置，如果是，则判定为存在所述ΔZ偏差；如果否，则判定为存在所述ΔZ偏差，继而判断除所述ΔZ偏差之外的其它所述偏差类型；

ΔZ偏差补偿量计算单元，其用于在判定为存在所述ΔZ偏差的情形下，控制片层光位置控制模块沿着Z方向以预设步长ΔZ’进行步进。

5.如权利要求3所述的多路片层光全自动对准装置，其特征在于，所述偏差类型包括第二XOY平面偏差，所述第二XOY平面偏差包括最小的荧光微珠集合与所述当前片层光图像的中心位置之间的ΔZ偏差；

所述图像分析模块具体包括：

图像处理分析单元，其用于对在样品室中放入荧光微珠溶液的情形下采集到所述片层光图像进行图像处理，将荧光微珠与背景分离，并统计点亮的荧光微珠在所述片层光图像中显示的体积大小以及按大小沿Z轴的分布情况；

ΔZ偏差判断单元，其用于判断最小的荧光微珠集合是否在所述当前片层光图像的中心位置，如果是，则判定为存在所述ΔZ偏差；如果否，则判定为存在所述ΔZ偏差，继而判断除所述ΔZ偏差之外的其它所述偏差类型；

ΔZ偏差补偿量计算单元，其用于在判定为存在所述ΔZ偏差的情形下，控制片层光位置控制模块沿着Z方向以预设步长ΔZ’进行步进。

6.一种多路片层光全自动对准方法，其特征在于，包括：

以相机视野为基准，在所述相机视野中为每路片层光预先设置基准位置，按照预设流程将所述每一路片层光调整到所述基准位置；其中，所述预设流程包括：

步骤1，通过实时成像模块的相机连续拍摄记录当前单路片层光图像，并进入步骤2；

步骤2，通过图像分析模块判断所述片层光图像与所述基准位置之间是否存在预先定义的偏差类型中的偏差，如果是，则进入步骤3，反之，则进入步骤4；

步骤3，按照所述偏差的所属的所述偏差类型及偏差量对应的补偿量进行校准，然后返回步骤1；

步骤4，通过实时成像模块的相机连续拍摄记录下一路片层光图像，并进入步骤2；

所述步骤2中的所述偏差类型包括XOZ平面偏差，判断所述当前片层光图像与所述基准位置之间是否存在所述XOZ平面偏差的方法具体包括：

步骤21a，对所述步骤1在样品室中放入荧光微珠溶液的情形下采集到的所述片层光图像进行边缘检测和提取，获得片层光图像的轮廓信息；

步骤22a，判断所述轮廓信息与所述基准位置之间是否有角度偏差θ_y，如果有，则判定为存在所述XOZ平面偏差，并进入步骤3中的步骤3a；如果判定为不存在所述XOZ平面偏差，继而判断除所述XOZ平面偏差之外的其它所述偏差类型；其中，所述θ_y为片层光相对于预设Y轴的倾斜角度；

所述步骤3a具体包括：

控制片层光位置控制模块沿着以Y轴为中心旋转的方向以预设角度θ’_y进行步进，以及按照下式(1)计算值补偿对应所述θ’_y的位移补偿量Δx：

Δx＝L sinθ’_y (I)

式中，L为片层光激发模块的长度。

7.如权利要求6所述的多路片层光全自动对准方法，其特征在于，所述步骤2中的所述偏差类型为YOZ平面偏差，在样品室中放入荧光微珠溶液的情形下，判断所述当前片层光图像与所述基准位置之间是否存在所述YOZ平面偏差的方法具体包括：

步骤21b，对所述步骤1采集到的所述片层光图像进行图像处理，将荧光微珠与背景分离，并统计其点亮的荧光微珠在所述片层光图像中显示的大小以及按大小沿Z轴的分布情况；

步骤22b，判断片层光是否存在θ_x方向的旋转，如果所述荧光微珠的大小沿Z轴的分布特性不呈现为边缘大中间小，而且从边缘到中间逐渐变小，则判定为存在所述YOZ平面偏差，并进入步骤3中的步骤3b；如果所述荧光微珠的大小沿所述Z轴的分布特性呈现为边缘大且中间小，而且从边缘到中间逐渐变小，则判定为不存在所述YOZ平面偏差，继而判断除所述YOZ平面偏差之外的其它所述偏差类型；其中，所述θ_x为片层光当前相对于预设X轴的倾斜角度；

所述步骤3b具体包括：

控制片层光位置控制模块沿着以X轴为中心旋转的方向以预设角度θ’_x进行步进，以及补偿对应所述θ’_x的位移补偿量Δy，其计算公式为下式(2)：

Δy＝L sinθ_x’ (2)

式中，L为片层光激发模块的长度。

8.如权利要求6或7所述的多路片层光全自动对准方法，其特征在于，所述步骤2中，所述偏差类型为第一XOY平面偏差，在样品室中放入荧光微珠溶液的情形下，判断所述当前片层光图像与所述基准位置之间是否存在所述第一XOY平面偏差的方法具体包括：

步骤21c，对所述步骤1采集到的所述片层光图像进行图像处理，将荧光微珠与背景分离，并统计其点亮的荧光微珠在所述片层光图像中显示的大小以及按大小沿X轴的分布情况；

步骤22c，判断片层光是否存在θ_z方向的旋转以及旋转方向，如果所述荧光微珠的大小沿所述X轴的分布特性不呈现为边缘大且中间小，而且从边缘到中间逐渐变小，则判定为存在所述第一XOY平面偏差，并进入步骤3中的步骤3c；如果所述荧光微珠的大小沿所述X轴的分布特性呈现为边缘大且中间小，而且从边缘到中间逐渐变小，则判定为不存在所述第一XOY平面偏差，继而判断除所述第一XOY平面偏差之外的其它所述偏差类型；其中，所述θ_z为片层光当前相对于预设Z轴的倾斜角度；

所述步骤3c具体包括：

控制片层光位置控制模块沿与所述θ_z方向相反的方向，以预设角度θ’_z进行步进。

9.如权利要求6或7所述的多路片层光全自动对准方法，其特征在于，所述步骤2中的所述偏差类型为第二XOY平面偏差，所述第二XOY平面偏差包括最小的荧光微珠集合与所述当前片层光图像的中心位置之间的ΔZ偏差，在样品室中放入荧光微珠溶液的情形下，判断所述当前片层光图像与所述基准位置之间是否存在所述ΔZ偏差的方法具体包括：

步骤21d，对所述步骤1采集到的所述片层光图像进行图像处理，将荧光微珠与背景分离，并统计其点亮的荧光微珠在所述片层光图像中显示的体积大小以及按大小沿Z轴的分布情况；

步骤22d，判断最小的荧光微珠集合是否在所述当前片层光图像的中心位置，如果是，则判定为存在所述ΔZ偏差，并进入步骤3中的步骤3d；如果否，则判定为存在所述ΔZ偏差，继而判断除所述ΔZ偏差之外的其它所述偏差类型；

所述步骤3d具体包括：

控制片层光位置控制模块沿着Z方向以预设步长ΔZ’进行步进。

10.如权利要求8所述的多路片层光全自动对准方法，其特征在于，所述步骤2中的所述偏差类型为第二XOY平面偏差，所述第二XOY平面偏差包括最小的荧光微珠集合与所述当前片层光图像的中心位置之间的ΔZ偏差，在样品室中放入荧光微珠溶液的情形下，判断所述当前片层光图像与所述基准位置之间是否存在所述ΔZ偏差的方法具体包括：

步骤21d，对所述步骤1采集到的所述片层光图像进行图像处理，将荧光微珠与背景分离，并统计其点亮的荧光微珠在所述片层光图像中显示的体积大小以及按大小沿Z轴的分布情况；

步骤22d，判断最小的荧光微珠集合是否在所述当前片层光图像的中心位置，如果是，则判定为存在所述ΔZ偏差，并进入步骤3中的步骤3d；如果否，则判定为存在所述ΔZ偏差，继而判断除所述ΔZ偏差之外的其它所述偏差类型；

所述步骤3d具体包括：

控制片层光位置控制模块沿着Z方向以预设步长ΔZ’进行步进。

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