一种具有实时聚焦的显微切片快速数字扫描装置及其方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种具有实时聚焦的显微切片快速数字扫描装置及其方法，该装置包含一个数字显微成像系统及一个与之匹配组合的实时对焦装置。该数字显微镜系统包括计算机、实现光电转换的图像探测装置、显微光学成像系统、自动载物台及对应的运动及控制系统、显微镜照明光学系统及照明光源等。实时对焦装置包括一个测量样品离焦量的装置和一个驱动样品或者物镜移动并使得样品与物镜的焦面的重合的装置。本发明专利技术能够在切片扫描过程中实时探测样本离开成像系统焦面的距离并实现实时对焦，从而获得优良图像。利用该实时对焦技术可以避免耗时的焦面建模过程；同时兼顾大的对焦范围与对焦精度；另外该方法不仅效率高，而且成本低。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开了，该装置包含一个数字显微成像系统及一个与之匹配组合的实时对焦装置。该数字显微镜系统包括计算机、实现光电转换的图像探测装置、显微光学成像系统、自动载物台及对应的运动及控制系统、显微镜照明光学系统及照明光源等。实时对焦装置包括一个测量样品离焦量的装置和一个驱动样品或者物镜移动并使得样品与物镜的焦面的重合的装置。本专利技术能够在切片扫描过程中实时探测样本离开成像系统焦面的距离并实现实时对焦，从而获得优良图像。利用该实时对焦技术可以避免耗时的焦面建模过程；同时兼顾大的对焦范围与对焦精度；另外该方法不仅效率高，而且成本低。【专利说明】
本专利技术属于显微镜
，特别是涉及。
技术介绍
在教学、远程病理诊断、基于软件的智能自动识别系统等应用中，都需要对显微镜下观察的组织样品全貌提供给多人阅读，或异地阅读，或不同时候在既无实际切片又无显微镜情况下阅读、诊断、或者永久保存。这些应用都需要将组织样品全区域或相当大部分区域进行数字化。为了这一需求，显微切片全片数字快速扫描系统又称虚拟显微成像系统就是最近二十多年发展起来的一项高度集成显微光学成像技术、数字成像技术、控制技术于一体的装置。操作员在显微镜下实际观察组织样品时，一般是在低放大倍数下对组织样品进行快速扫描，寻找到感兴趣或可疑区域后，再换用高倍数物镜对样品局部放大观察。然而，在对组织样品全区域或相当大部分区域进行数字化扫描过程中，一般采用高放大倍数如20X，40X物镜观察，这样，一个相机的视场即一个瞬间能看到的样品区域就非常小。这样就需要使得相机与样品有上百个甚至上万个相对移动才能在高放大倍数下将大部分组织区域或者全部数字化扫描完毕。区分不同显微切片全片数字扫描系统或者方法的关键指标有:扫描图像质量与扫描全片的速度。图像质量主要由显微光学系统决定，也与扫描过程中显微光学系统是否对焦有关系，而且受后者影响很大。在显微光学系统光学性能满足要求下，实际扫描所获得图像质量则主要由样品在扫描过程中是否始终保持良好对焦而定:即样品待测表面与光学成像系统的焦面重合好坏/离焦量大小而定，重合越好，图像质量越好；离焦量越大，图像质量越差。为了减小待测样品离焦量，显微切片全片数字扫描系统需要在扫描过程中根据当前扫描位置的变化而进行实时调焦操作。这是因为样品表面高低不平会导致样品表面不同位置有几个微米的高度差；由于加工精度原因载物台运动到不同位置时也会导致其表面不同位置在经过物镜时有高度差，这个差额值一般在几个微米甚至几十个微米之间；在完成全片扫描的长达几分钟时间内，物镜本身有可能在Z轴上不能锁定位置造成滑动而离焦；再有，热膨胀造成的可以高达I个微米的热效应也会致使样品表面Z值变化。实时调焦操作需要知道样品当前扫描点的焦面位置信息。根据确定样品当前扫描点的焦面位置所使用的方法的不同，显微切片全片数字扫描系统大体上可以分为两类:一类是焦面建模法。使用焦面建模法的虚拟扫描系统，首先上片:将切片上传到载物台并固定好；第二步:获取多个位置焦面数字；在对其扫描前，首先选定切片多处不同位置，控制载物台移动，按序列的将所选定的每个位置移动到物镜下；在每一个位置，通过调节物镜与样品光轴方向即Z向的相对距离并在不同Z值下多次拍照，图像清晰的那一个位置就是该样品点的焦面值；重复这个操作，获取样品多个分离位置的焦面值；第三步:拟合建模；计算机根据几个孤立点位置的焦面位置情况，拟合出一个样品的连续的焦面表面模型；第四步:实际扫描；控制载物台移动开始扫描，从样品待测区域的起点开始，每一个扫描位置的焦面位置根据扫描前所获取的焦面表面模型获得，焦面调节可以是载物台在Z轴方向运动也可以是物镜在Z轴方向运动。利用焦面建模的全片数字扫描系统，其缺点是焦面建模时间长，往往与实际全片扫描的时间相当或者更长。同时建模选点多，所获得的焦面模型就准确，各个实际扫描点的焦面信息就比较准确，然而所需要时间很长，建模时间可以长达几分钟。因此出现第二类焦面信息获取方法即实时测焦方法。在实时测焦方面，美国专利申请US7，232，980、美国专利申请US7，813，579、美国专利申请US8027548、美国专利申请US8,184，920、US5432331, US6023056, US7171054,欧洲专利申请 EP2390706 及其他专利申请TO2011/080670，W02011/161594，W02005/010495等公布用于可以用于数字图像扫描系统的实时测量离焦量的方法，这类方法的共同点是利用倾斜相机来实现样品离开物镜焦面即样品离焦量的测量。这类方法的共同缺点是:第一，在成像所需要的相机之外，还需要一个调焦专用相机，因此该类方法所导致的调焦装置昂贵。第二，该方法所导致的调焦速度会较低，因为成像过程、图像因为数据量大导致传输速度低，大部分相机的帧率都只有15fps，即便忽略计算比较时间，一个帧率15fps的相机所能达到的最快焦面测量周期在60毫秒。第三个缺点是不能兼顾离焦距离测量范围与精度:相机倾斜度高测量范围大但是精度较差，反之，相机倾斜度小测量精度高但是测量范围就小，容易造成焦面丢失现象。第四个缺点是该实时对焦装置体积大，对放置位置要求高。美国专利申请US20110134308A1公布一种可以用于数字图像扫描系统的实时对焦方法。该实时对焦方案的实时对焦装置中包含一个实时聚焦功能专用的倾斜光栅和一个与之匹配的成像相机。调制倾斜光栅照明模式，产生周期明暗相间的照明空间调制模式落射到样品上，成像相机获取的带有明暗相间照明模式的样品，通过计算机分析相机的明暗条纹中最亮的条纹在图像水平面的位置，从而获取样品待测点离开物镜焦面的距离，通过调焦系统驱动而达到样品表面与物镜焦面重合。然而该方法的第一个缺点是，需要一个调焦专用相机、一个产生明暗条纹的光栅，该方法所导致的调焦装置昂贵。第二个缺点是，该方法所导致的调焦速度会较低，因为成像过程、图像因为数据量大导致传输速度低，大部分相机的帧率都只有15fps，即便忽略计算比较时间，一个帧率15fps的相机所能达到的最快焦面测量周期在60毫秒。第三个缺点是不能兼顾离焦距离测量范围与精度:光栅倾斜度高测量范围大但是精度较差，反之，光栅倾斜度小测量精度高但是测量范围就小，容易造成焦面丢失现象。第四个缺点是该实时对焦装置体积大，对放置位置要求高。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术之不足，提供，是利用实时测量样品离焦量来避免扫描前耗时的焦面建模过程，将样品当前扫描点的焦面测量与扫描过程并行处理，从而能够提高系统速度与通量，具有简单、快捷、造价低、每小时扫描切片数量通量高、能够较好地兼顾测量范围与测量精度的特点。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是:一种具有实时聚焦的显微切片快速数字扫描装置，包括一个数字显微成像系统及一个与之匹配组合的实时对焦装置；所述数字显微成像系统至少包括计算机、与计算机相连的能够实现光电转换的图像探测装置、显微光学成像系统、与显微光学成像系统同轴设置的照明光学系统及照明光源；在同轴放置的显微光学成像系统与照明光学系统之间放置有自动载物台，自动载物台在载物台控制系统控制下能够带动载物台上的样品沿着至少两个方向即X/Y方向运动，所述计本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有实时聚焦的显微切片快速数字扫描装置，包括一个数字显微成像系统及一个与之匹配组合的实时对焦装置；所述数字显微成像系统至少包括计算机、与计算机相连的能够实现光电转换的图像探测装置、显微光学成像系统、与显微光学成像系统同轴设置的照明光学系统及照明光源；在同轴放置的显微光学成像系统与照明光学系统之间放置有自动载物台，自动载物台在载物台控制系统控制下能够带动载物台上的样品沿着至少两个方向运动，所述计算机与所述载物台控制系统电相连；所述实时对焦装置包括一个测量样品离焦量的离焦测量装置和一个实现样品与显微光学成像系统的物镜的焦面相重合的离焦运动控制装置；其特征在于： 所述离焦测量装置包含沿预置的第一直线方向放置的至少一对光信号探测元件；所述第一直线方向与所述图像探测装置的成像面的共轭面XY之间形成一个夹角，各个光信号探测元件在XY平面上的投影位置不相同并且都是在显微光学成像系统的物镜与管镜的视场区域之内； 所述至少一对光信号探测元件分别将所接收到的光强度信号线性或接近线性地转换为电信号并分别输出到与之相联接的电信号强度比较元件中，所述比较元件将至少一对光信号探测元件的信号进行比较运算，并输出一个标志样品离开物镜焦面距离的比较信号到与之相连的离焦运动控制装置； 所述离焦运动控制装置根据样品离焦量大小，驱动物镜或者驱动所述自动载物台带动样品沿着Z轴运动，其运动的范围足够使得待测样品表面与物镜的焦面位置在Z轴方向上重合。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：易定容，
申请(专利权)人：麦克奥迪实业集团有限公司，
类型：发明
国别省市：福建;35