一种用于显微视觉系统的自动对焦装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种用于显微视觉系统的自动对焦装置及方法，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。本发明专利技术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。

An automatic focusing device and method for micro vision system

【技术实现步骤摘要】
一种用于显微视觉系统的自动对焦装置及方法
本专利技术属于自动对焦领域，具体涉及一种用于显微视觉系统的自动对焦装置及方法。本专利技术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。
技术介绍
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(wholeslideimage，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。
技术实现思路
本专利技术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，本专利技术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，本专利技术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。本专利技术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，本专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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：/n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。/n

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙安玉，居冰峰，杜慧林，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33