CN209656982U - 一种用于显微视觉系统的自动对焦装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于显微视觉系统的自动对焦装置。该装置包括一个显微光学系统、一个数字摄像系统、一个玻片夹持装置和一个Z向运动装置。显微光学系统由显微物镜、结像透镜、聚光镜、光源组成。Z向运动装置与聚光镜相连，驱动聚光镜与显微物镜之间相互移动。Z向运动装置具有顶针，顶针与玻片紧密接触，并驱动玻片运动。数字摄像系统在玻片运动过程中对玻片上的样品区域进行显微摄像，并利用数字图像处理的方法评价图像锐利度，确定最佳焦点，实现自动对焦。本实用新型适用于大数值孔径显微摄像的自动对焦，并具有对焦速度快、光学分辨率稳定、对切片夹持装置平整度要求低等特点。

Description

一种用于显微视觉系统的自动对焦装置

技术领域

本实用新型属于自动对焦领域，具体涉及一种用于显微视觉系统的自动对焦装置及方法。本实用新型可用于基于显微摄像的设备及仪器，尤其适用于数字病理切片扫描仪的快速对焦。

背景技术

显微视觉系统的自动对焦技术在生物医学领域应用广泛，它可以提高数字图像拍摄的速度，并使所获取显微图像的图像质量不受人为因素的影响。常见的显微视觉系统的自动对焦通常有两种方式：一种是驱动载物台实现对焦，另一种是驱动物镜实现对焦。在ZL200820169109.8专利中公开了一种基于可升降自动载物台的自动聚焦显微镜，但由于载物台重量较高无法实现快速高频响的聚焦。在日本奥林巴斯光学株式会社提交的专利申请03136023.8中通过移动分像透镜和显微物镜实现聚焦，这种技术对于运动系统的运动精度要求较高。

近些年随着远程医学的发展，远程病理诊断催生了一种新的医疗设备：数字病理切片扫描仪。数字病理切片扫描仪是一种将现代数字系统与传统光学原理有机结合的系统。它通过采集扫描传统的玻璃病理切片，得到显示患者细胞组织状况的高分辨率数字图像。再应用计算机技术对得到的图像自动进行高精度多视野无缝隙拼接和处理，获得优质的全切片数字化图像(whole slide image，WSI)。患者的数字切片图像一经生成，不同地区的医学专家便可通过图像对患者的病情进行诊断。也可将患者的数字切片图像传输于远程会诊平台，方便多名会诊专家同时对疑难杂病患者的切片图像进行取阅，讨论与诊断。

显微视觉系统的自动对焦技术是数字病理切片扫描仪的关键核心技术。在麦克奥迪实业集团有限公司递交的专利“一种数字切片实时扫描自动聚焦跟踪方法”(ZL201310549338.8)和专利申请 201410008180.8中公开了一种基于移动载物台的自动聚焦装置和以此为基础的切片扫描设备。在宁波江丰生物信息技术有限公司递交的专利201410767713.0“基于图像采集装置的快速准确对焦扫描病理切片组织的方法”和专利申请201610706704.X“一种组织切片扫描装置以及组织切片扫描方法”中则公开了一种移动显微物镜的组织切片扫描技术。两者市场产品公开的信息显示，基于移动显微物镜的数字切片扫描设备拥有更高的扫描效率。但基于移动显微物镜的技术具有两个明显的缺点：一是改变了显微物镜和结像透镜之间的距离，在不同的聚焦位置，显微图像的空间分辨率具有差异，存在影响诊断的可能性；二是该方法如果要实现高效扫描，对于切片放置的平整性要求较高，因此切片夹具的互换性较差。因此开发一种新的对焦技术对于数字病理切片扫描仪的进一步发展很有必要。

发明内容

本实用新型的目的是针对生物医学领域对于显微图像分析的应用需求，提供一种通过驱动聚光镜实现显微视觉系统自动对焦的新装置和新方法，该方法具有聚焦速度快、空间分辨率稳定、切片适应性广等特点，特别适用于数字病理切片扫描系统的对焦应用。

为达到上述目的，本实用新型采用如下技术方案予以解决：

一种用于显微视觉系统的自动对焦装置，包括显微光学系统、数字摄像系统、玻片夹持装置和Z向运动装置；

显微光学系统由显微物镜、结像透镜、聚光镜、光源组成，且显微物镜、结像透镜、聚光镜彼此同轴；数字摄像系统由变倍镜和相机组成；变倍镜与结像透镜同轴；Z向运动装置与聚光镜相连，驱动聚光镜与显微物镜之间相互移动；Z向运动装置安装有顶针，顶针与玻片紧密接触，并驱动玻片运动。

进一步的，所述的一种用于显微视觉系统的自动对焦装置的显微光学系统中，显微物镜、结像透镜、聚光镜彼此同轴。

进一步的，所述的一种用于显微视觉系统的自动对焦装置，其Z 向运动装置通过夹具将聚光镜与动侧连接在一起；聚光镜的光轴方向上与Z向运动装置的运动方向平行；聚光镜的光轴方向上垂直于玻片。

进一步的，所述的一种用于显微视觉系统的自动对焦装置，顶针安装在所述夹具上，且所述聚光镜的光轴中心与顶针中心间的连线与玻片的长轴平行。

进一步的，所述的一种用于显微视觉系统的自动对焦装置，其特征在于：所述夹具的上端面与聚光镜上端面平齐；聚光镜的工作距离 A.W.D.、玻片厚度G.D.、顶针超出聚光镜上端面的高度H之间具有如下关系：H＝A.W.D.-G.D.。

所述的一种用于显微视觉系统的自动对焦装置，其显微物镜的工作距离O.W.D.与玻片上表面到显微物镜的前透镜表面的最小距离 MinD之间有如下关系：MinD＝N×O.W.D.，且0.1<N<0.95；所述显微物镜的工作距离O.W.D.与玻片上表面到显微物镜的前透镜表面的最大距离MaxD之间有如下关系：MaxD＝M×O.W.D.，且1.2<M<10；所述Z向运动装置的行程L＝MaxD-MinD。

所述的一种用于显微视觉系统的自动对焦装置，其特征在于：所述玻片夹持装置沿玻片的长边方向一侧具有单边导向燕尾槽结构，另一侧具有弹簧顶针；弹簧顶针的顶端是一个楔形面。

进一步的，所述的一种用于显微视觉系统的自动对焦装置，其玻片夹持装置与导向机构相连，导向机构确保玻片在顶针作用下沿着显微物镜的光轴方向运动；导向机构动侧和不动侧之间具有压簧，压簧将对动侧施加一个远离显微物镜的力；优选的导向机构包括：导轨与滑块机构、呈平行四边形的平面连杆机构。

依托上述装置，本实用新型提供了一种用于显微视觉系统的自动对焦方法，通过驱动聚光镜进而移动玻片位置，改变待观察样品和物镜之间的距离实现对焦，具体包括如下步骤：

步骤1、控制Z向运动装置使聚光镜远离显微物镜，直至运动装置的负限位，玻片夹持装置在压簧作用下远离显微物镜，最终玻片上表面到显微物镜的前透镜表面的距离为MaxD；

步骤2、控制Z向运动装置使聚光镜朝着靠近显微物镜的方向运动一个步距Δd，玻片在顶针作用下也向显微物镜运动一个步距Δd，控制数字摄像系统拍摄一幅视野图像并记录当前位置；

步骤3、控制Z向运动装置使聚光镜朝着靠近显微物镜的方向运动，并如步骤2每行进一个步距Δd拍摄一幅视野图像并记录对应位置，直至玻片上表面到显微物镜的前透镜表面的距离为MinD；

步骤4、计算所有视野图像的锐利度，并找出锐利度最大的一幅图像，在该位置前后各找相邻的k幅图像，并按照高斯函数对锐利度和位置进行拟合，求解区间内的高斯函数极大值点对应的位置Xpos，该位置即为当前视野的焦点，k的具体取值应满足以下条件：

0.3×O.W.D./Δd≤k≤0.8×O.W.D./Δd；

步骤5、控制Z向运动装置运动至Xpos，完成对焦。

本实用新型相对于现有技术的有益效果为：

第一，通过驱动聚光镜进而移动玻片实现对焦，这对于大数值孔径(0.6以上)的显微物镜有着更优的照明效果。因为大数值孔径显微物镜往往需要大数值孔径(1.1以上)的聚光镜，而大数值孔径的聚光镜其工作距离往往较小，一般在距离切片1mm以内，通过夹具将聚光镜和顶针连接在一起，可以保证工作距离稳定。

第二，本实用新型提供的通过顶切片实现聚焦的方法具有良好的自适应性。因压簧作用的存在，当玻片上的组织厚度足够均匀时，顶针将保证组织自动在焦点位置，而不用因为切片放置的平整性不佳重新移动位置，提高了对焦效率，因此特别适用于病理切片扫描系统应用。

第三，本实用新型不改变显微物镜、结像透镜、相机之间的距离，因此所获取显微图像的空间分辨率稳定。

附图说明

图1是本实用新型一种用于显微视觉系统的自动对焦装置的结构组成示意图；

图2是本实用新型实施例玻片、顶针与聚光镜的位置关系示意图；

图3是本实用新型实施例的导轨与滑块导向机构示意图；

图4是本实用新型实施例的平面连杆导向机构示意图；

图5是本实用新型实施例的利用高斯函数拟合求解焦点位置示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型做具体说明。

本实用新型的实施例涉及一种通过驱动聚光镜实现显微视觉系统自动对焦的新装置和新方法，可用于数字病理切片扫描系统的对焦应用。

如图1所示，一种用于显微视觉系统的自动对焦装置，包括显微光学系统、数字摄像系统、玻片夹持装置301和Z向运动装置401，其中：显微光学系统由显微物镜101、结像透镜102、聚光镜103、光源104组成；数字摄像系统由变倍镜201和相机202组成；Z向运动装置401与聚光镜103相连，驱动聚光镜103与显微物镜101之间相互移动；Z向运动装置401安装有顶针402，顶针402与玻片501 紧密接触，并驱动玻片501运动。

在本实施例中，显微物镜101、结像透镜102、聚光镜103彼此同轴。变倍镜201也与结像透镜102同轴。变倍镜201优选的倍率为 2倍、1倍、0.75倍、0.61倍、0.5倍和0.3倍。当变倍镜201的倍率为1倍时，变倍镜201可以没有实体的物理透镜。

在本实施例中，一种用于显微视觉系统的自动对焦装置，其Z 向运动装置401通过夹具403将聚光镜103与Z向运动装置401的动侧连接在一起；聚光镜103的光轴方向与Z向运动装置的运动方向平行；聚光镜103的光轴方向上垂直于玻片。

如图2所示，在本实施例中，一种用于显微视觉系统的自动对焦装置，顶针402安装在夹具403上，且聚光镜103的光轴中心与顶针 402中心间的连线与玻片501的长轴平行。夹具403的上端面与聚光镜103上端面平齐；聚光镜103的工作距离A.W.D.、玻片501的厚度G.D.、顶针402超出聚光镜103上端面的高度H之间具有如下关系：H＝A.W.D.-G.D.。

在本实施例中，一种用于显微视觉系统的自动对焦装置，其显微物镜101的工作距离O.W.D.与玻片501上表面到显微物镜101的前透镜表面的最小距离MinD之间有如下关系：MinD＝N×O.W.D.，且0.1<N<0.95；显微物镜101的工作距离O.W.D.与玻片501上表面到显微物镜101的前透镜表面的最大距离MaxD之间有如下关系： MaxD＝M×O.W.D.，且1.2<M<10；Z向运动装置401的行程L＝ MaxD-MinD。

如图1、3、4所示，一种用于显微视觉系统的自动对焦装置，玻片夹持装置301沿玻片501的长边方向一侧具有单边导向燕尾槽结构 304，另一侧具有弹簧顶针303；弹簧顶针303的顶端是一个楔形面。

本实施例中，一种用于显微视觉系统的自动对焦装置，其玻片夹持装置301与导向机构302相连，导向机构302确保玻片501在顶针 402作用下沿着显微物镜101的光轴方向运动。

本实施例提供了导向机构302的两种实现方式。

导向机构302的实现方式一：如图3所示，导向机构302由导轨 306和滑块307构成，这里优选的导轨类型为交叉滚子导轨。滑块307 安装在导向机构302的动侧308上，导轨306安装在导向机构302的不动侧309上。导向机构302的动侧308和不动侧309之间具有压簧305，压簧305对动侧308施加一个远离显微物镜101的力。

导向机构302的实现方式二：如图4所示，导向机构302是一个呈平行四边形的平面连杆机构。本实施例提供了一种基于柔性铰链的一体式平面连杆机构，导向机构302的动侧308和不动侧309之间利用梁310和梁311保持连接，动侧308、不动侧309、梁310和梁311 呈平行四边形结构。导向机构302的动侧308和不动侧309之间装有压簧312和压簧313，压簧312和压簧313对动侧308施加一个远离显微物镜101的力。

依托上述装置，本实用新型提供了一种用于显微视觉系统的自动对焦方法，通过驱动聚光镜103进而移动玻片501位置，改变待观察样品和显微物镜101之间的距离实现对焦，具体包括如下步骤：

步骤1、控制Z向运动装置401使聚光镜103远离显微物镜101，直至运动装置的负限位，玻片夹持装置301在压簧作用下远离显微物镜101，最终玻片501上表面到显微物镜101的前透镜表面的距离为 MaxD；

步骤2、控制Z向运动装置401使聚光镜103朝着靠近显微物镜 101的方向运动一个步距Δd，玻片501在顶针作用下也向显微物镜101 运动一个步距Δd，控制数字摄像系统拍摄一幅视野图像并记录当前位置；

步骤3、控制Z向运动装置401使聚光镜103朝着靠近显微物镜 101的方向运动，并如步骤2每行进一个步距Δd拍摄一幅视野图像并记录对应位置，直至玻片501上表面到显微物镜101的前透镜表面的距离为MinD；

步骤4、如图5所示，计算所有视野图像的锐利度，得到位置- 锐利度曲线601；图中x轴为视野图像对应的Z向运动装置401的运动位置，并找出锐利度最大的一幅图像及其对应的位置603；在位置 603前后各找相邻的k幅图像，k的具体取值应满足以下条件： 0.3×O.W.D./Δd≤k≤0.8×O.W.D./Δd；按照高斯函数对2k图像所对应的位置-锐利度曲线进行拟合，所拟合的曲线如602所示，求解区间内的高斯函数极大值点对应的位置Xpos，该位置即为当前视野的焦点；拟合时所采用的高斯函数表达式为：

步骤5、控制Z向运动装置401运动至Xpos，完成对焦。

以上所述的实施例只是本实用新型的一种较佳的方案，然其并非用以限制本实用新型。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本实用新型的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本实用新型的保护范围内。

Claims (8)

1.一种用于显微视觉系统的自动对焦装置，包括显微光学系统、数字摄像系统、玻片夹持装置和Z向运动装置，其特征在于：

显微光学系统由显微物镜、结像透镜、聚光镜、光源组成，且显微物镜、结像透镜、聚光镜彼此同轴；数字摄像系统由变倍镜和相机组成；变倍镜与结像透镜同轴；Z向运动装置与聚光镜相连，驱动聚光镜与显微物镜之间相互移动；Z向运动装置安装有顶针，顶针与玻片紧密接触，并驱动玻片运动。

2.如权利要求1所述的一种用于显微视觉系统的自动对焦装置，其特征在于：所述Z向运动装置通过夹具将聚光镜与Z向运动装置的动侧连接在一起；聚光镜的光轴方向上与Z向运动装置的运动方向平行；聚光镜的光轴方向上垂直于玻片。

3.如权利要求2所述的一种用于显微视觉系统的自动对焦装置，其特征在于：顶针安装在夹具上，且聚光镜的光轴中心与顶针中心间的连线与玻片的长轴平行；夹具的上端面与聚光镜上端面平齐；聚光镜的工作距离A.W.D.、玻片的厚度G.D.、顶针超出聚光镜上端面的高度H之间具有如下关系：H＝A.W.D.-G.D.。

4.如权利要求3所述的一种用于显微视觉系统的自动对焦装置，其特征在于：所述显微物镜的工作距离O.W.D.与玻片上表面到显微物镜的前透镜表面的最小距离MinD之间有如下关系：MinD＝N×O.W.D.，且0.1<N<0.95；所述显微物镜的工作距离O.W.D.与玻片上表面到显微物镜的前透镜表面的最大距离MaxD之间有如下关系：MaxD＝M×O.W.D.，且1.2<M<10；所述Z向运动装置的行程L＝MaxD-MinD。

5.如权利要求4所述的一种用于显微视觉系统的自动对焦装置，其特征在于：所述玻片夹持装置沿玻片的长边方向一侧具有单边导向燕尾槽结构，另一侧具有弹簧顶针；弹簧顶针的顶端是一个楔形面。

6.如权利要求5所述的一种用于显微视觉系统的自动对焦装置，其特征在于：所述玻片夹持装置与导向机构相连，导向机构确保玻片在顶针作用下沿着显微物镜的光轴方向运动；导向机构动侧和不动侧之间具有压簧，压簧将对动侧施加一个远离显微物镜的力。

7.如权利要求6所述的一种用于显微视觉系统的自动对焦装置，其特征在于：导向机构为交叉滚子导轨机构，由导轨和滑块构成，滑块安装在导向机构的动侧上，导轨安装在导向机构的不动侧上；导向机构的动侧和不动侧之间具有压簧，压簧对动侧施加一个远离显微物镜的力。

8.如权利要求6所述的一种用于显微视觉系统的自动对焦装置，其特征在于：导向机构为基于柔性铰链的一体式平面连杆机构，其动侧和不动侧之间利用上下两条梁(310、311)保持连接，动侧和不动侧以及下两条梁(310、311)整体呈平行四边形结构；且导向机构的动侧和不动侧之间装有两根压簧(312、313)，两根压簧(312、313)对动侧施加一个远离显微物镜的力。