CN116430566A - 一种共聚焦显微镜智能管理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种共聚焦显微镜智能管理方法，包括获得当前环境照明亮度并对当前环境照明亮度进行调整；构建环境照明亮度变化量所对应的映射亮度变动模型；对经反光板表面反射的光强进行修正；与数据库中存储的各镜头型号所对应的工作距离范围进行匹配识别，筛选出相似匹配度最大的光强所对应的镜头型号。本发明通过调整当前的环境照明亮度使得当前环境照明亮度与数据库中存储的环境照明亮度在允许的范围内，降低环境照明亮度与数据库存储的环境照明亮度间的差异化，并采用映射亮度变动模型对当前照明环境亮度下光强的修正以及工作距离范围处理，以筛选出数据库中与之匹配的镜头型号，提高了镜头匹配识别的准确性以及测量数据的准确性。
Description
技术领域
本发明属于共聚焦显微镜技术领域，涉及到一种共聚焦显微镜智能管理方法。
背景技术
共聚焦显微镜以激光为光源，由于共聚焦显微镜镜头的测量量程不同，配置有多个镜头，根据待测物体表面尺寸，需更换显微镜镜头，以满足不同测量需求。
现有采用人工手动根据待测物体表面高度差进行镜头型号的选择，并同步与该镜头型号相匹配的校准文件，由于人工选择存在的误差，往往存在镜头与镜头型号所对应的校准文件不匹配，导致测量的数据与待观察物体表面的形貌数据严重不符，特别对于测量精度要求高的待观察物体，会导致测量失真，严重影响技术人员对测量数据真实性的判断，另外，若采用智能化进行镜头识别，存在各镜头工作距离范围以及焦点深度部分重叠情况下的干扰，导致识别的准确性差，无法保证与镜头型号相匹配的校准文件和镜头在测量中共同配合，造成形貌测量数据的精度差，无法实现对共聚焦显微镜的智能管理。
发明内容
本发明公开了一种共聚焦显微镜智能管理方法，解决了现有背景技术中存在的问题。
本发明在其一个应用方面中提供了一种共聚焦显微镜智能管理方法，包括：驱动待识别激光共聚焦显微镜镜头移动至位于测量平台上反光板区域上方；
获得当前环境照明亮度，基于匹配数据库中存储的校准文件所对应的环境照明亮度进行差异化分析，并对当前环境照明亮度进行调整；
构建环境照明亮度变化量对经反光板表面反射的光强变化量间的映射亮度变动模型；
对当前环境照明亮度下经反光板表面反射的光强进行修正，获得标准环境照明亮度下镜头采集的光强；
逐级调整待识别镜头与反光板间的高度，筛选出修正后的光强大于设定光强阈值所对应的工作距离范围，并与数据库中存储的各镜头型号所对应的工作距离范围进行匹配识别，筛选出相似匹配度最大的光强所对应的镜头型号。
进一步地，获取当前环境照明亮度以及数据库中存储的标准文件所对应的环境照明亮度，判断当前和存储的环境照明亮度间亮度偏移程度是否大于设定的亮度偏移系数，若大于设定的亮度偏移程度，对大于设定的亮度偏移系数的环境照明亮度进行调整。
进一步地，所述环境照明亮度偏移系数
，/>
为环境照明亮度偏移系数，/>
为当前照明环境下距测量平台第j个单位高度下的环境照明亮度，/>
为数据库存储的标准照明环境下距测量平台第j个单位高度下的环境照明亮度，T为镜头与测量平台间相距的单位高度数量。
进一步地，以同一激光镜头在同一位置高度进行实验模拟，逐次降低环境照明亮度，获得经反光板表面反射的光强值，构建各环境照明亮度下与镜头接收的经反光板表面检测点反射的光强间的照明亮度-光强表，对各环境照明亮度下亮度-光强表内的数据与该激光镜头在同一位置高度以及标准环境照明亮度下的光强进行训练，获得照明环境亮度变化量对经反光板表面反射的光强变化量间的映射亮度变动模型。
进一步地，所述映射亮度变动模型：
，/>
表示为当前位置下环境照明亮度/>
相比标准环境照明亮度的光强变化量，/>
为高度比例影响系数，
，d为镜头到测量平台间的距离，D为镜头的最佳工作距离，最佳工作距离为镜头中心到焦点间的距离，e为自然数，/>
为所允许的最大环境照明亮度，/>
为允许的最小环境照明亮度，/>
为设定的标准环境照明亮度，/>
为标准环境照明亮度/>
所对应的光强。
进一步地，光强修正表达式：
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对当前环境照明亮度补偿后所对应镜头接收的光强，/>
为当前环境照明亮度下镜头采集的光强, />
表示为当前位置下环境照明亮度相比标准环境照明亮度的光强变化量。
进一步地，待识别镜头与数据库中存储的各镜头型号进行匹配识别，方法如下：
步骤Q1、提取数据库中各镜头型号在标准照明亮度下所对应的光强大于设定光强阈值的工作距离范围；
步骤Q2、筛选出与待识别镜头工作距离范围有重叠工作距离的镜头型号所对应的工作距离范围；
步骤Q3、判断待识别镜头中的最小工作距离是否在该镜头型号所在的工作距离范围内，若不在，执行步骤Q4，若在，执行步骤Q5；
步骤Q4、判断待识别镜头中的最大工作距离是否在该镜头型号所在的工作距离范围内，若在，分析出待识别镜头与该镜头型号的匹配相似系数
，/>
为第k个镜头型号所对应的最大工作距离，/>
为第k个镜头型号所对应的最小工作距离，/>
为待识别镜头的最大工作距离；
步骤Q5，判断待识别镜头中的最大工作距离是否在该镜头型号所在的工作范围内，若在，则待识别镜头与数据库中有重叠工作距离的镜头型号的匹配相似系数
，
为待识别镜头的最小工作距离，若不在，则待识别镜头与该镜头型号的匹配相似系数
；
步骤Q6、若待识别镜头的工作距离范围大于各镜头型号所对应的工作距离范围，则待识别镜头与该镜头型号的匹配相似系数
；
步骤Q7、筛选出待识别镜头与各镜头型号间的匹配相似系数，并筛选出匹配相似系数最大的镜头型号。
进一步地，采用Z轴高度变化下光强变化量进行分析，具体分析方法如下：
步骤W1、建立数据库中存储的各镜头型号接收随Z轴高度变化量下经反光板表面反射的光强的变化量，采用Z轴高度变化量下光强的衰减情况，能够排除因光源自身发出的光衰减而造成的误差；
步骤W2、筛选出与待识别镜头间的匹配相似系数大于设定的匹配相似系数阈值的各镜头型号，并提取与待识别镜头间的匹配相似系数大于设定的匹配相似系数阈值的各镜头型号在各Z轴高度下的光强；
步骤W3、分析出各镜头型号对应的焦点深度以及各镜头型号随单位Z轴高度变化下光强的变化量；
步骤W4、筛选出待识别镜头与各镜头在Z轴高度下随单位Z轴高度变化量。
进一步地，所述变化量相似度的计算公式：
，D为镜头的最佳工作距离，s表示为二分之一的焦点深度，/>
表示为待识别镜头在x高度下随单位Z轴高度变化量所对应的光强变化量，/>
表示为第k个镜头在x高度下随单位Z轴高度变化量所对应的光强变化量。
有益效果：
本发明提供的共聚焦显微镜智能管理方法，通过将待识别镜头移动至反光板所在区域下的当前环境照明亮度与数据库中存储的校准文件对应的环境照明亮度进行分析，以调整当前的环境照明亮度使得当前环境照明亮度与数据库中存储的环境照明亮度在允许的范围内，降低环境照明亮度与数据库存储的环境照明亮度间的差异化，减小环境照明亮度对共聚焦显微镜管理存在的干扰。
本发明对允许范围内的环境照明亮度变化量与经反光板表面反射的光强变化量间建立映射亮度变动模型，能够准确地分析出在当前位置高度下环境照明亮度的变化对经反光板表面反射的光强变化量间的关联性，为不同位置下不同照明亮度变化量对共聚焦显微镜接收的光强变化情况，提供可靠的数据支持。
本发明通过采用映射亮度变动模型下的光强变化量对当前照明环境亮度下光强的修正，并对修正后的光强进行分析，以精准获得标准环境照明亮度下镜头所接收或采集的光强，减小外界环境照明亮度对镜头所接收的光强的干扰程度，使得镜头所接收的光强与数据库存储的当前照明亮度下的光强数值更接近，并筛选出大于设定光强阈值所对应的工作距离范围，进而与数据库中存储的各镜头所对应的工作距离范围进行匹配分析，提高了镜头匹配识别的准确性，同时提高了激光共聚焦传感器对待观察物体表面形貌测量的精度，满足不同的测量需求，实现对共聚焦显微镜镜头的智能管理。
本发明通过对Z轴高度变化下的光强变化量进行分析，能够再次对工作区间范围相似度大且焦点深度重叠区域的镜头进行精确识别，减少镜头识别存在的不精准而导致测量数据偏离待观察物体表面真实的数据。
具体实施方式
为使本公开实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本公开实施例，对本公开实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本公开的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
共聚焦显微镜以激光为光源，由共聚焦成像扫描系统、电子光学系统和微机图像分析系统组成，由于共聚焦显微镜镜头的测量量程不同，在对不同待测物体表面进行测量时，因待测物体表面高度差的限制，需更换镜头以满足对待观测物体表面形貌测量的准确性，若待测物体表面高度差大于镜头的测量量程，则无法获得待观测物体表面形貌，若待测物体表面高度差远小于镜头的测量量程会导致，测量量程大的镜头对物体表面测量的准确性低。
实施例一
一种共聚焦显微镜智能管理方法，包括：
步骤1、驱动待识别激光共聚焦显微镜镜头移动至位于测量平台上反光板区域上方；
具体：获取当前激光共聚焦显微镜镜头所在的平面的XY位置坐标，以及获取测量平台上反光板所在区域的位置坐标范围，分析镜头在测量平台上移动至反光板上所需沿X轴和Y轴方向上允许移动的距离范围，X轴方向上允许移动的距离范围为
，Y轴方向上允许移动的距离范围为/>
；
当手动输入镜头沿测量平台X轴方向上移动的距离超过X轴方向上允许移动的距离范围或沿测量平台Y轴方向上移动的距离超过Y轴方向上允许移动的距离范围时，对镜头沿测量平台X轴和Y轴方向上的移动距离进行校正。
对手动输入镜头沿测量平台X轴和Y轴方向上移动的距离校正，X轴校正距离
：，Y轴校正距离/>
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，
表示为镜头从当前位置沿X轴方向移动的最小距离，/>
表示为镜头从当前位置沿X轴方向移动的最大距离，/>
表示为镜头从当前位置沿Y轴方向移动的最小距离，/>
表示为镜头从当前位置沿Y轴方向移动的最大距离，Dx为手动输入的镜头沿X轴方向上移动的距离，Dy为手动输入的镜头沿Y轴方向上移动的距离。
当无需手动调节的情况下，根据显微镜镜头的当前位置
以及反光板中心的位置/>
，获得显微镜镜头向靠近反光板方向移动的过程中沿X轴方向上移动的距离Dx1以及沿Y轴方向上移动的距离Dy1，具体为/>
。
步骤2、获得当前环境照明亮度，基于匹配数据库中存储的校准文件所对应的环境照明亮度进行差异化分析，并对当前环境照明亮度进行调整；
具体：当亮度存在差异差的情况下，筛选出照明类型，因环境照明采用同轴光、环形光、左上、左下、右上和右下等不同照明方式以及照明亮度的调节，以保证当前环境照明亮度与数据库中存储的校准文件所对应的环境照明亮度相接近，对于照明亮度无法达到完全一致的情况时，分析出照明亮度间的差异化，结合照明亮度的差异化，为后期进行照明亮度与测量点所对应的灰度值间关系提供支持。
获取当前环境照明亮度以及数据库中存储的标准文件所对应的环境照明亮度，判断当前和存储的环境照明亮度间亮度偏移程度是否大于设定的亮度偏移程度，若大于设定的亮度偏移程度，环境照明亮度会影响共聚焦显微镜镜头接收的光强，导致无法有效对因环境照明亮度对镜头接收的光强进行补偿，造成检测的数据误差过大，通过环境照明亮度偏移系数与所设定的亮度偏移系数进行对比，以对大于设定的亮度偏移系数的环境照明亮度进行调整，降低环境照明亮度与数据库中设定的照明亮度间的差异。
环境照明亮度偏移程度，采用偏移系数进行定量评估，具体：环境照明亮度偏移系数
，/>
为环境照明亮度偏移系数，/>
为当前照明环境下距测量平台第j个单位高度下的环境照明亮度，/>
为数据库存储的标准照明环境下距测量平台第j个单位高度下的环境照明亮度，T为镜头与测量平台间相距的单位高度数量。
步骤3、构建环境照明亮度变化量对经反光板表面反射的光强变化量间的映射亮度变动模型。
以同一激光镜头在同一位置高度进行实验模拟，仅逐次降低环境照明亮度，获得经反光板表面反射的光强值，构建各环境照明亮度下与镜头接收的经反光板表面检测点反射的光强间的照明亮度-光强表，对各环境照明亮度下亮度-光强表内的数据与该激光镜头在同一位置高度以及标准环境照明亮度下的光强进行训练，获得照明环境亮度变化量对经反光板表面反射的光强变化量间的映射亮度变动模型。
所述映射亮度变动模型：
，/>
表示为当前位置下环境照明亮度/>
相比标准环境照明亮度的光强变化量，/>
为高度比例影响系数，
，d为镜头到测量平台间的距离，D为镜头的最佳工作距离，最佳工作距离为镜头中心到焦点间的距离，e为自然数，/>
为所允许的最大环境照明亮度，/>
为允许的最小环境照明亮度，/>
为设定的标准环境照明亮度，/>
为标准环境照明亮度/>
所对应的光强。步骤4、对当前环境照明亮度下经反光板表面反射的光强进行修正，获得标准环境照明亮度下镜头采集的光强。
光强修正表达式：
,/>
对当前环境照明亮度补偿后所对应镜头接收的光强，/>
为当前环境照明亮度下镜头采集的光强,/>
表示为当前位置下环境照明亮度相比标准环境照明亮度的光强变化量。基于当前环境照明亮度对经反光板表面反射的光强进行补偿，能够消除在允许的亮度偏移系数下因环境照明亮度的差异而导致的同一镜头在同一高度下所采集的光强存在差异，降低镜头识别的难度，最大化地减小因不同型号的镜头到最佳焦点位置间的高度间的差异小的两镜头的识别困难，消除外界环境条件对检测的数据真实性的干扰。
步骤5、逐级调整待识别镜头与反光板间的高度，筛选出修正后的光强大于设定光强阈值所对应的工作距离范围，并与数据库中存储的各镜头型号所对应的工作距离范围进行匹配识别，筛选出相似匹配度最大的光强所对应的镜头型号。
由于不同镜头的数值孔径等参数不同，对激光汇聚的工作距离也不同，即同一镜头在距反光板表面不同距离下所接收到的光强不同，通过排除环境照明光的干扰情况下，将待识别镜头的工作距离范围与数据库中存储的各镜头型号的工作距离范围间的匹配程度来筛选出待识别镜头所对应的镜头型号。
具体，待识别镜头与数据库中存储的各镜头型号进行匹配识别，方法如下：
步骤Q1、提取数据库中各镜头型号在标准照明亮度下所对应的光强大于设定光强阈值的工作距离范围；
步骤Q2、筛选出与待识别镜头工作距离范围有重叠工作距离的镜头型号所对应的工作距离范围；
步骤Q3、判断待识别镜头中的最小工作距离是否在该镜头型号所在的工作距离范围内，若不在，执行步骤Q4，若在，执行步骤Q5；
步骤Q4、判断待识别镜头中的最大工作距离是否在该镜头型号所在的工作距离范围内，若在，分析出待识别镜头与该镜头型号的匹配相似系数
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为第k个镜头型号所对应的最小工作距离，
为待识别镜头的最大工作距离；
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为待识别镜头的最小工作距离，若不在，则待识别镜头与该镜头型号的匹配相似系数/>
；
步骤Q6、若待识别镜头的工作距离范围大于各镜头型号所对应的工作距离范围，则待识别镜头与该镜头型号的匹配相似系数
；
步骤Q7、筛选出待识别镜头与各镜头型号间的匹配相似系数，并筛选出匹配相似系数最大的镜头型号。
将待识别镜头所对应的工作距离范围与各镜头型号所对应的工作距离范围间存在重叠情况下的分析，能够准确获得待识别镜头与各镜头型号间的匹配相似系数，进而筛选出与待识别镜头的工作距离范围的匹配相似系数最大的镜头型号，提高了待识别镜头与各镜头型号间匹配程度计算的精确性，能够准确识别出激光共聚焦传感器所对应的镜头型号，进而根据镜头型号调取与该镜头型号相匹配的校准文件，提高了激光共聚焦传感器对待观察物体表面形貌测量的准确性。
实施例二
对于工作区间范围相似度大且焦点深度重叠区域大的各镜头在识别时，存在识别难度大，易造成镜头型号的误识别，为了对镜头型号进一步地细化识别，需动态调整Z轴高度，基于Z轴高度变化下光强变化量对其再次筛选，大大增加了相似程度大的各镜头信号的识别精度。
在实施例一的基础上，对匹配相似系数大于设定匹配相似系数阈值的各镜头型号进一步进行识别，采用Z轴高度变化下光强变化量进行分析，具体分析方法如下：
步骤W1、建立数据库中存储的各镜头型号接收随Z轴高度变化量下经反光板表面反射的光强的变化量，采用Z轴高度变化量下光强的衰减情况，能够排除因光源自身发出的光衰减而造成的误差；
步骤W2、筛选出与待识别镜头间的匹配相似系数大于设定的匹配相似系数阈值的各镜头型号，并提取与待识别镜头间的匹配相似系数大于设定的匹配相似系数阈值的各镜头型号在各Z轴高度下的光强；
步骤W3、分析出各镜头型号对应的焦点深度以及各镜头型号随单位Z轴高度变化下光强的变化量；
步骤W4、筛选出待识别镜头与各镜头在Z轴高度下随单位Z轴高度变化量所对应的光强变化量间的变化量相似度最大的镜头所对应的型号，能够准确筛选出镜头型号，提高了镜头型号识别的准确性。
变化量相似度计算公式：
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表示为待识别镜头在x高度下随单位Z轴高度变化量所对应的光强变化量，/>
表示为第k个镜头在x高度下随单位Z轴高度变化量所对应的光强变化量。
以上内容仅仅是对本发明的构思所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的构思或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种共聚焦显微镜智能管理方法，其特征在于：包括：
驱动待识别激光共聚焦显微镜镜头移动至位于测量平台上反光板区域上方；
获得当前环境照明亮度，基于匹配数据库中存储的校准文件所对应的环境照明亮度进行差异化分析，并对当前环境照明亮度进行调整；
构建环境照明亮度变化量对经反光板表面反射的光强变化量间的映射亮度变动模型；
对当前环境照明亮度下经反光板表面反射的光强进行修正，获得标准环境照明亮度下镜头采集的光强；
逐级调整待识别镜头与反光板间的高度，筛选出修正后的光强大于设定光强阈值所对应的工作距离范围，并与数据库中存储的各镜头型号所对应的工作距离范围进行匹配识别，筛选出相似匹配度最大的光强所对应的镜头型号。
2.根据权利要求1所述的一种共聚焦显微镜智能管理方法，其特征在于，获取当前环境照明亮度以及数据库中存储的标准文件所对应的环境照明亮度，判断当前和存储的环境照明亮度间亮度偏移程度是否大于设定的亮度偏移系数，若大于设定的亮度偏移程度，对大于设定的亮度偏移系数的环境照明亮度进行调整。
3.根据权利要求2所述的一种共聚焦显微镜智能管理方法，其特征在于，所述环境照明亮度偏移系数
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为环境照明亮度偏移系数，/>
为当前照明环境下距测量平台第j个单位高度下的环境照明亮度，/>
为数据库存储的标准照明环境下距测量平台第j个单位高度下的环境照明亮度，T为镜头与测量平台间相距的单位高度数量。
4.根据权利要求3所述的一种共聚焦显微镜智能管理方法，其特征在于，以同一激光镜头在同一位置高度进行实验模拟，逐次降低环境照明亮度，获得经反光板表面反射的光强值，构建各环境照明亮度下与镜头接收的经反光板表面检测点反射的光强间的照明亮度-光强表，对各环境照明亮度下亮度-光强表内的数据与该激光镜头在同一位置高度以及标准环境照明亮度下的光强进行训练，获得照明环境亮度变化量对经反光板表面反射的光强变化量间的映射亮度变动模型。
5.根据权利要求4所述的一种共聚焦显微镜智能管理方法，其特征在于，所述映射亮度变动模型：
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表示为当前位置下环境照明亮度/>
相比标准环境照明亮度的光强变化量，/>
为高度比例影响系数，/>
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为标准环境照明亮度/>
所对应的光强。
6.根据权利要求5所述的一种共聚焦显微镜智能管理方法，其特征在于，光强修正表达式：
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为当前环境照明亮度补偿后所对应镜头接收的光强，/>
为当前环境照明亮度下镜头采集的光强,/>
表示为当前位置下环境照明亮度相比标准环境照明亮度的光强变化量。
7.根据权利要求1所述的一种共聚焦显微镜智能管理方法，其特征在于，待识别镜头与数据库中存储的各镜头型号进行匹配识别，方法如下：
步骤Q1、提取数据库中各镜头型号在标准照明亮度下所对应的光强大于设定光强阈值的工作距离范围；
步骤Q2、筛选出与待识别镜头工作距离范围有重叠工作距离的镜头型号所对应的工作距离范围；
步骤Q3、判断待识别镜头中的最小工作距离是否在该镜头型号所在的工作距离范围内，若不在，执行步骤Q4，若在，执行步骤Q5；
步骤Q4、判断待识别镜头中的最大工作距离是否在该镜头型号所在的工作距离范围内，若在，分析出待识别镜头与该镜头型号的匹配相似系数
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为第k个镜头型号所对应的最小工作距离，
为待识别镜头的最大工作距离；
步骤Q5，判断待识别镜头中的最大工作距离是否在该镜头型号所在的工作范围内，若在，则待识别镜头与数据库中有重叠工作距离的镜头型号的匹配相似系数
，
为待识别镜头的最小工作距离，若不在，则待识别镜头与该镜头型号的匹配相似系数
；
步骤Q6、若待识别镜头的工作距离范围大于各镜头型号所对应的工作距离范围，则待识别镜头与该镜头型号的匹配相似系数
；
步骤Q7、筛选出待识别镜头与各镜头型号间的匹配相似系数，并筛选出匹配相似系数最大的镜头型号。
8.根据权利要求1-7中任意一项所述的一种共聚焦显微镜智能管理方法，其特征在于，采用Z轴高度变化下光强变化量进行分析，具体分析方法如下：
步骤W1、建立数据库中存储的各镜头型号接收随Z轴高度变化量下经反光板表面反射的光强的变化量，采用Z轴高度变化量下光强的衰减情况，能够排除因光源自身发出的光衰减而造成的误差；步骤W2、筛选出与待识别镜头间的匹配相似系数大于设定的匹配相似系数阈值的各镜头型号，并提取与待识别镜头间的匹配相似系数大于设定的匹配相似系数阈值的各镜头型号在各Z轴高度下的光强；
步骤W3、分析出各镜头型号对应的焦点深度以及各镜头型号随单位Z轴高度变化下光强的变化量；
步骤W4、筛选出待识别镜头与各镜头在Z轴高度下随单位Z轴高度变化量所对应的光强变化量间的变化量相似度最大的镜头所对应的型号。
9.根据权利要求8所述的一种共聚焦显微镜智能管理方法，其特征在于，所述变化量相似度的计算公式：
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表示为待识别镜头在x高度下随单位Z轴高度变化量所对应的光强变化量，/>
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