CN111458835A - 一种显微镜多视野自动对焦系统及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种显微镜多视野自动对焦系统，包括显微镜主体、步进电机控制系统、拍摄单元、移动载物平台；使用方法包括手动将显微镜物镜调至相对聚焦区间，在该区间内通过步进电机改变载物台z轴坐标并获取视频图像，计算并比较移动区间端点目标物体图像灰度值方差的平均值，根据黄金分割法进行优化迭代得到最值，实现z轴方向的自动对焦；步进电机控制载物台在xy轴平面按s形前进方向进行改变，实现平面上连续位置的扫描，最后将扫描图像进行拼接。本发明提供的自动对焦系统方法具有计算复杂度低等优点，可拍摄高分辨率和大视野医学图像。

Description

一种显微镜多视野自动对焦系统及其使用方法

技术领域：

本发明涉及数字图像技术领域，尤其涉及一种显微镜多视野自动对焦系统及其使用方法。

背景技术：

显微镜自1590年由荷兰的詹森父子发明以来，能够帮助研究员观察肉眼不可见的微小物体，打开了微观世界的大门，在生物学界乃至整个科学界一直享有举足轻重的作用。

物镜对焦是显微镜观测流程中重要一环，然而随着科技的迅猛发展，传统的手动调焦方式难以适应现代科学的要求。研究员通过肉眼观测以及作业疲劳易使测量的最终结果产生偏差，手动对焦也存在着效率低等缺陷。利用显微镜自动对焦的技术能够很好的解决上述问题，将研究员从枯燥的重复劳动中解放，着手于更加具有创造力的工作。

目前国内外对于显微镜自动对焦技术的探索还处于起步阶段，主要的研究与应用集中在医学领域。自动对焦系统研究也以静态单图为主，缺少样本连续位置的动态对焦，影响所获样本的完整性。

因此，本发明提出一种基于灰度值方差值的显微镜多视野多图像自动对焦系统，旨在实现快速、精准的显微镜连续自动对焦。

发明内容：

本发明的目的在于针对上述存在的问题，提供了一种显微镜多视野自动对焦系统及其使用方法，实现了对不同视野样本的快速对焦。

一种显微镜多视野自动对焦系统至少包括显微镜主体、步进电机控制系统、拍摄单元、移动载物平台，其使用方法包括以下步骤：

步骤1:将所述显微镜物镜手动大致调焦，使某一位置观测到的图像相对清晰；

步骤2:通过所述步进电机控制所述移动载物平台，改变所述移动载物平台z轴坐标，利用所述拍摄单元采集样本视频图像；

步骤3:对所述样本每一帧的视频图像进行清晰度评价计算，在所述载物平台z轴移动范围内通过一维线性优化法寻找清晰度评价函数极大值，记录为焦点近似点；

步骤4:将所述对焦图像及对应坐标上传至所述软件可视化窗口中，等待后续图像拼接；

步骤5:通过所述步进电机控制所述载物平台按固定步长沿xy轴平面按s形前进方向，每一个测量点处重复所述步骤2、步骤3、步骤4，直至所述软件界面端呈现完整的所述样本对焦拼接图像。

作为本发明的进一步改进，所述视频图像清晰度采用灰度值方差平均值作为评估函数进行测量，在所述处理器中计算得到该图像对比度值。所述载物平台在预先给定的z轴方向区间内先沿正方向移动，判断该距离内所拍图像清晰度评价函数的大小趋势,如果是递增的,则继续沿该方向移动并找出集合中最清晰的图像;如果是递减的，则向相反方向移动载物平台并对拍摄图像的清晰度进行计算，找出最清晰的图像。

作为本发明的进一步改进，所述图像清晰度评估函数一维线性优化采用黄金分割法寻找该函数的极大值，比较所述载物平台z轴方向移动区间端点两位置的灰度值方差的平均值，并进行优化迭代，直至移动区间小于给定阈值，停止迭代，得到焦点的近似解，实现z方向上的自动对焦，并将对焦图像与对应三轴坐标进行保存。

作为本发明的进一步改进，所述步进电机控制所述移动载物平台沿xy轴平面移动时，若在x轴方向给定一个位移偏量，则y轴方向坐标保持不变。若在y轴方向给定一个位移偏量，则x轴方向坐标保持不变。根据上述移动规则进行直线s形前进，实现平面上连续位置的扫描。

有益效果：

本发明通过采集及计算图像灰度值方差的平均值，利用黄金分割一维线性优化法迭代以实现显微镜镜头的自动对焦，获取对焦图片。与现有技术相比，该自动对焦方法计算量小，精度高，大大节省人力与物力资源，提高了对焦效率。

本发明打破了传统静态单图片对焦的局限，利用步进电机控制载物平台按固定步长沿xy轴平面按s形方向前进，实现了多视野的动态对焦。通过软件自动拼接对焦图像集，可以获得清晰完整的被测物图像，提升了系统的测量完整性，特别是当测量物表面凹凸不平时，具有很大的优势。

附图说明：

图1为本发明的显微镜自动对焦控制平台系统示意图；

图2为本发明的显微镜自动对焦及拼接流程图；

图3为本发明的对焦拼接扫描过程图；

图4为本发明基于Labview开发环境搭建的系统扫描界面软件图。

附图标记列表：

1-摄像头，2-物镜，3-三坐标台，4-电机控制器，5-多功能采集卡。

具体实施方式：

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

实施例

搭建整个显微镜多视野多图像对焦系统平台，包括所述控制系统、所述视频图像采集系统与所述数据处理系统的搭建。其整体系统示意图如图1所示，载物台位置由xyz三坐标移动台3自动调整，多功能采集卡5根据摄像头1采集得到的图像，采用灰度判断函数评价并输出脉冲序列给电机控制器4，用以控制三坐标台3上的异步电机。将被测样本安放在移动载物平台上，系统参数调试完毕后，准备进行测试。

将所述显微镜物镜手动大致粗调焦，使某一位置观测到的图像相对清晰，打开所述视频图像采集系统，开启系统自动进行细调焦。

通过所述步进电机控制所述移动载物平台，10000脉冲对应1mm改变所述移动载物平台的z轴坐标。利用所述拍摄单元采集样本视频图像，传送到数据处理器中进行分析。注意在整个测试过程中保证所述显微镜物镜的位置固定不变。

采集的真彩图片集先由系统进行灰度处理，对焦的图像轮廓清楚、细节丰富、对比度高，可采用灰度值方差平均值作为图像清晰度评估函数。如图2所示，在所述系统中预先设定好扫描视野的大小，当所述载物平台移动到初始位置后，沿设定的z轴方向区间进行正方向移动，计算清晰度评价数值并判断该移动方向上所拍图像清晰度评价函数的大小趋势，如果是递增的，则继续沿该方向进行移动并计算拍摄图像的清晰度；如果是递减的，则向相反方向移动所述载物平台。

灰度评价函数具有单峰性特征，可采用一维线性优化法寻找清晰度评价函数的极大值。本发明采用黄金分割法进行迭代，计算量小效率高，可实现显微镜自动对焦系统的高效性。当z轴移动区间足够小时，停止迭代，得到焦点的近似解。系统记录此时所拍图像的坐标即为第一个对焦图像点的坐标，同时该图像作为第一帧对焦图像进行保存，呈现在所述终端软件系统窗口中。

得到当前对焦图像后，所述步进电机控制所述载物平台沿xy轴平面进行移动，并保持z轴方向不发生改变。在移动过程中，若所述载物平台在x轴方向有一个移动位移偏量，则y轴方向坐标保持不变。若所述载物平台在y轴方向有一个移动位移偏量，则x轴方向坐标保持不变。根据此移动规则进行直线s形前进，实现平面上连续位置的扫描。将扫描图像依次进行图像清晰度评估，黄金分割线性优化寻找极大值。

所获一系列对焦图像在所述处理器终端以对应的三维坐标名进行保存，实验人员可在终端软件系统窗口中观察到完整的样本对焦图像集，实现了显微镜多视野多图像的快速自动对焦。图3、图4分别为具体的对焦拼接扫描过程图及基于Labview软件搭建的系统扫描界面软件图。

以上所述之实例，只是本发明的较佳例，并非限制本发明的实施范围。在不背离本发明精神及其实质的情况下，技术人员可根据本发明做出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种显微镜多视野自动对焦系统，其特征在于，包括显微镜主体、步进电机控制系统、拍摄单元和移动载物平台。

2.根据权利要求1所述的一种显微镜多视野自动对焦系统的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1:将显微镜主体的物镜手动调焦，使观测到的图像清晰；

步骤2:通过步进电机控制系统控制移动载物平台，改变移动载物平台z轴坐标，利用拍摄单元采集样本视频图像；

步骤3:对样本每一帧的视频图像进行清晰度评价计算，在移动载物平台z轴移动范围内通过一维线性优化法寻找清晰度评价函数极大值，记录为焦点近似点；

步骤4:将对焦图像及对应坐标上传至软件可视化窗口中，等待后续图像拼接；

步骤5:通过步进电机控制系统控制移动载物平台按固定步长沿xy轴平面按s形前进方向，每一个测量点处重复步骤2、步骤3和步骤4，直至软件界面端呈现完整的样本对焦拼接图像。

3.根据权利要求2所述的一种显微镜多视野自动对焦系统的使用方法，其特征在于，所述视频图像清晰度采用灰度值方差平均值作为评估函数进行测量，在处理器中计算得到该图像对比度值；所述移动载物平台在预先给定的z轴方向区间内先沿正方向移动，判断该距离内所拍图像清晰度评价函数的大小趋势，如果是递增的，则继续沿该方向移动并找出集合中最清晰的图像；如果是递减的，则向相反方向移动移动载物平台并对拍摄图像的清晰度进行计算，找出最清晰的图像。

4.根据权利要求2所述的一种显微镜多视野自动对焦系统的使用方法，其特征在于，图像清晰度评估函数一维线性优化采用黄金分割法寻找该函数的极大值，比较所述移动载物平台z轴方向移动区间端点两位置的灰度值方差的平均值，并进行优化迭代，直至移动区间小于给定阈值，停止迭代，得到焦点的近似解，实现z方向上的自动对焦，并将对焦图像与对应三轴坐标进行保存。

5.根据权利要求2所述的一种显微镜多视野自动对焦系统的使用方法，其特征在于，所述步进电机控制系统控制移动载物平台沿xy轴平面移动时，若在x轴方向给定一个位移偏量，则y轴方向坐标保持不变；若在y轴方向给定一个位移偏量，则x轴方向坐标保持不变；根据上述移动规则进行直线s形前进，实现平面上连续位置的扫描。

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