用于高速顯微掃描的動態(tài)對焦裝置及對焦跟蹤方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種用于高速顯微掃描的動態(tài)對焦裝置及對焦跟蹤方法，包括：物鏡、液體透鏡離焦探測模塊、智能對焦相機、對焦跟蹤執(zhí)行模塊、對焦控制模塊；液體透鏡離焦探測模塊用于將連續(xù)掃描過程的不同離焦面的物方在智能對焦相機靶面上成像；智能對焦相機連續(xù)采集并處理離焦探測圖像進行離焦偏移編碼；對焦跟蹤執(zhí)行模塊驅(qū)動物鏡和樣本同時實現(xiàn)XY平面掃描運動和Z軸對焦運動；對焦控制模塊控制液體透鏡離焦探測模塊進行連續(xù)離焦?fàn)顟B(tài)探測，并根據(jù)智能對焦相機的離焦偏移編碼，控制對焦跟蹤執(zhí)行模塊實現(xiàn)掃描運動和對焦運動的協(xié)同。本發(fā)明中的方法包括：起始對焦階段和對焦跟蹤階段，能夠大幅提高對焦響應(yīng)速度和對焦跟蹤精度。
【專利說明】
用于高速顯微掃描的動態(tài)對焦裝置及對焦跟蹤方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及圖像采集技術(shù)領(lǐng)域，具體地，涉及一種用于高速顯微掃描的動態(tài)對焦裝置及對焦跟蹤方法。
【背景技術(shù)】
[0002]目前顯微鏡對焦裝置主要采用高速對焦相機結(jié)合上位機的方式進行圖像采集和離焦信息處理，其缺點在于圖像數(shù)據(jù)傳輸和上位機圖像處理會產(chǎn)生大量的時間延遲;另外，由于上位機往往采用windows等非實時操作系統(tǒng)，且往往需要兼顧顯微圖像采集和其他通信、控制功能，難以保證整個對焦系統(tǒng)的實時性，無法滿足高速顯微掃描過程中的對焦跟蹤要求。
[0003]經(jīng)檢索:專利號為:CN102062929B，名稱為:“一種顯微鏡系統(tǒng)的自動聚焦方法和裝置”，屬于顯微鏡系統(tǒng)自動聚焦領(lǐng)域。自動聚焦時，以某固定位置為起點，聚焦電機驅(qū)動流體機構(gòu)以固定步長向前移動，在每一步獲取一定數(shù)量的圖像，行程達到一定距離后，聚焦分析器對每個位置的圖像進行計算，通過加權(quán)求取本次聚焦的最佳焦點位置。為進一步提高聚焦精度，在前一次聚焦分析的基礎(chǔ)上，縮短焦點搜索范圍，縮短移動步長，再進行兩次上述的聚焦操作，最后一次獲得的焦點位置作為顯微鏡系統(tǒng)的最終焦點位置。提供了以計算多維向量為基礎(chǔ)，計算出每個位置聚焦值的方法，更好的滿足了圖像清晰度評價函數(shù)的要求，使聚焦判斷更加準(zhǔn)確。
[0004]但是上述方法在自動聚焦時需要多次改變樣本和物鏡之間相對位置，搜索過程復(fù)雜且耗時，不適應(yīng)于高速顯微掃描的動態(tài)對焦。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種用于高速顯微掃描的動態(tài)對焦裝置及對焦跟蹤控制方法。
[0006]根據(jù)本發(fā)明提供的用于高速顯微掃描的動態(tài)對焦裝置，包括:物鏡、液體透鏡離焦探測模塊、智能對焦相機、對焦跟蹤執(zhí)行模塊、對焦控制模塊；
[0007]所述液體透鏡離焦探測模塊，用于將連續(xù)掃描過程的不同離焦面的物方在智能對焦相機靶面上成像；
[0008]所述智能對焦相機，用于采集連續(xù)掃描過程中的離焦探測圖像，并進行圖像處理，獲取當(dāng)前離焦偏移狀態(tài)；
[0009]所述對焦跟蹤執(zhí)行模塊，用于驅(qū)動物鏡和樣本，實現(xiàn)XY平面掃描運動和Z軸對焦運動；
[0010]所述對焦控制模塊，用于控制液體透鏡離焦探測模塊進行連續(xù)離焦?fàn)顟B(tài)探測，并根據(jù)智能對焦相機的離焦偏移編碼，控制對焦跟蹤執(zhí)行模塊實現(xiàn)掃描運動和對焦運動的協(xié)同。
[0011]優(yōu)選地，所述液體透鏡離焦探測模塊包括:對焦透鏡組、液體透鏡、液體透鏡驅(qū)動器；
[0012]所述對焦透鏡組是一組鏡筒透鏡，用于將正對焦?fàn)顟B(tài)下的物方在智能對焦相機上清晰成像；
[0013]所述液體透鏡，用于將對焦透鏡組的后焦面進行前后微調(diào)，以使得智能對焦相機的靶面在同一像平面上獲取同一物方探測面的多幅不同離焦?fàn)顟B(tài)下的對焦探測圖像；
[0014]所述對焦透鏡組和所述液體透鏡的配置形式是將液體透鏡置于對焦透鏡組靠近像面的一側(cè)。
[0015]優(yōu)選地，所述智能對焦相機通過含有液體透鏡的對焦探測光路在連續(xù)掃描過程中獲取當(dāng)前焦面、遠焦偏移和近焦偏移多幅對焦探測圖像，采用嵌入式高速處理器進行多幅對焦探測圖像的圖像重疊區(qū)域的清晰度對比，獲取當(dāng)前離焦偏移狀態(tài)，并經(jīng)離焦偏移編碼后發(fā)送給所述對焦控制模塊;所述離焦偏移編碼采用將對焦區(qū)間內(nèi)的離焦偏移進行多段等長度劃分，對各段的序號進行編碼的方式，每一段長度小于1/3景深。
[0016]優(yōu)選地，所述對焦控制模塊通過控制液體透鏡分別處于平透、微凹和微凸三種狀態(tài)，在連續(xù)掃描過程中的一個對焦跟蹤周期內(nèi)，實現(xiàn)智能對焦相機的離焦偏移探測，且所述對焦控制模塊根據(jù)智能對焦相機返回的離焦偏移編碼確定下一個周期的對焦平面，控制對焦跟蹤執(zhí)行模塊中的對焦執(zhí)行機構(gòu)和掃描運動機構(gòu)實現(xiàn)對焦運動和掃描運動的協(xié)同，從而實現(xiàn)自適應(yīng)對焦跟蹤。
[0017]根據(jù)本發(fā)明提供的用于高速顯微掃描的對焦跟蹤控制方法，包括如下步驟:
[0018]初始對焦步驟:對焦控制模塊驅(qū)動對焦裝置，使物鏡達到最佳對焦?fàn)顟B(tài)，同時控制液體透鏡為平透狀態(tài)，智能對焦相機的離焦探測圖像清晰度達到最高值，然后進入對焦跟蹤步驟；
[0019]對焦跟蹤步驟:在一個對焦跟蹤周期內(nèi)實現(xiàn)智能對焦相機的離焦偏移探測。
[0020]優(yōu)選地，所述對焦跟蹤步驟包括:
[0021]離焦偏移探測步驟:對焦控制模塊在連續(xù)掃描過程中的三個位置分別控制液體透鏡為平透、微凹、微凸三種狀態(tài)，智能對焦相機同時獲取當(dāng)前物方平面、遠焦偏移平面、近焦偏移平面三幅離焦探測圖像；
[0022]離焦偏移計算步驟:智能對焦相機根據(jù)三幅離焦探測圖像的重疊區(qū)域的圖像清晰度對比，計算當(dāng)前離焦偏移狀態(tài)，進行數(shù)字離焦偏移編碼后發(fā)送給對焦控制模塊；[〇〇23]對焦偏移跟蹤步驟:對焦控制模塊解析離焦偏移編碼，確定下一個對焦跟蹤周期的對焦位置，驅(qū)動對焦執(zhí)行機構(gòu)進行對焦調(diào)整，完成對連續(xù)掃描運動的對焦跟蹤，并進入下一個對焦跟蹤周期。
[0024]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果:
[0025]本發(fā)明提供的用于高速顯微掃描的動態(tài)對焦裝置及對焦跟蹤控制方法，通過含有液體透鏡的對焦探測光路實現(xiàn)物方焦面快速調(diào)整，并通過嵌入式智能相機將連續(xù)掃描過程中的多幅對焦探測圖像的重疊區(qū)域進行采集和清晰度對比以計算離焦偏移，然后通過嵌入式對焦控制器對對焦執(zhí)行機構(gòu)進行驅(qū)動控制，形成高速反饋閉環(huán)，大幅提高了對焦響應(yīng)速度和對焦跟蹤精度。在一個對焦跟蹤周期內(nèi)智能對焦相機獲取的離焦探測圖像不局限于三幅，在滿足系統(tǒng)控制實時性的情況下，探測的物方離焦面越多，系統(tǒng)的探測范圍越大，可靠性越尚。【附圖說明】
[0026]通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、 目的和優(yōu)點將會變得更明顯:[〇〇27]圖1為本發(fā)明提供的用于高速顯微掃描的動態(tài)對焦裝置的結(jié)構(gòu)原理圖；
[0028]圖2為連續(xù)多幀對焦探測圖像及其重疊區(qū)域示意圖；
[0029]圖中:
[0030] 101-樣本；
[0031] 102-物鏡；[〇〇32] 103-對焦執(zhí)行機構(gòu)；[〇〇33] 104-分束器；[〇〇34] 105-成像透鏡組；[〇〇35] 106-成像相機；[〇〇36] 107-對焦透鏡組；
[0037] 108-液體透鏡；[〇〇38] 109-智能對焦相機；[〇〇39] 110-對焦控制模塊
[0040] 111-液體透鏡驅(qū)動器；[〇〇411 112-對焦機構(gòu)驅(qū)動器；[〇〇42] 113-掃描機構(gòu)驅(qū)動器；[〇〇43] 114-掃描運動機構(gòu)；
[0044]201-掃描位置一；
[0045]202-掃描位置二；[〇〇46]203-掃描位置二；[〇〇47]204-當(dāng)前焦面幀；[〇〇48]205-遠焦偏移幀；[〇〇49]206-近焦偏移幀；
[0050]207-重疊區(qū)域?！揪唧w實施方式】[〇〇51]下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明進行詳細(xì)說明。以下實施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變化和改進。這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。[〇〇52]本實施例提供了一種用于高速顯微掃描的動態(tài)對焦裝置及對焦跟蹤方法；
[0053]所述的嵌入式高速對焦跟蹤裝置由物鏡102、液體透鏡對焦探測模塊、智能對焦相機109、對焦跟蹤執(zhí)行模塊、對焦控制模塊110組成；[〇〇54] 所述的物鏡102為20 X、NA0.65的無限遠平場復(fù)消色差物鏡，物方視場約為ImmX 1mm，景深約為lym;
[0055]所述的液體透鏡對焦探測模塊由對焦透鏡組107和液體透鏡108、液體透鏡驅(qū)動器 111組成，含有液體透鏡的對焦探測光路實現(xiàn)約為10倍放大倍數(shù)；
[0056]所述的含有液體透鏡的對焦探測光路和成像光路通過分束器104進行分光；[〇〇57]成像光路主要由成像透鏡組105、成像相機106組成，是顯微掃描成像諸光路，樣本 101通過物鏡102、分束器104和成像透鏡組105在成像相機106上動態(tài)掃描成像；[〇〇58]所述的液體透鏡108的工作焦距近似平透鏡，在液體透鏡驅(qū)動器111驅(qū)動下可以實現(xiàn)平透、微凹以及微凸三種光線彎曲效果；
[0059] 所述的液體透鏡108放置于對焦透鏡組107靠近像方一側(cè)，由于對焦跟蹤時對焦控制模塊11 〇通過控制液體透鏡狀態(tài)改變對焦光路后焦距，實現(xiàn)物方1 -2wii的離焦探測范圍， 液體透鏡工作在平透、微凹以及微凸三種近似平透鏡的狀態(tài)，不會產(chǎn)生明顯像差；[0〇6〇] 所述的智能對焦相機109為嵌入式DSP智能相機，其相面尺寸約為8.8mmX 6.6mm， 處理幀頻為30-50幀/秒，其作用是通過含有液體透鏡的對焦探測光路獲取連續(xù)掃描過程中的多幅對焦探測圖像并進行處理，通過重疊區(qū)域的清晰度對比計算當(dāng)前離焦偏移，并進行尚焦偏移數(shù)字編碼；
[0061]進一步的，離焦偏移數(shù)字編碼采用將對焦區(qū)間的離焦偏移進行0.3WI1每段，等長度階梯式劃分，以當(dāng)前對焦位置為參照對各段的端點序號進行二進制編碼，[-0.6wn，-0.3m， 0111，0.3111，0.6_]對應(yīng)的編碼為二進制[110，111，000,001，010]，其中0_離焦偏移指當(dāng)前對焦跟蹤位置，編碼為二進制[〇〇〇 ];[〇〇62]所述的對焦跟蹤執(zhí)行模塊由對焦機構(gòu)驅(qū)動器112、掃描機構(gòu)驅(qū)動器113、對焦執(zhí)行機構(gòu)103、掃描運動機構(gòu)114組成，分別完成對焦運動和掃描運動；
[0063]所述的對焦控制模塊110具有實時控制能力，可以實現(xiàn)液體透鏡變焦控制、對焦執(zhí)行機構(gòu)運動控制、以及掃描運動機構(gòu)運動控制之間的同步，以滿足對焦運動和掃描運動的協(xié)同；
[0064]所述的對焦跟蹤方法實施方式如下:
[0065] (1)動態(tài)對焦裝置根據(jù)成像相機106采集到圖像的清晰度對比，通過尋優(yōu)搜索法找到理想對焦平面，同時調(diào)整液體透鏡焦距為平透狀態(tài)使得智能對焦相機的離焦探測圖像清晰度達到最尚值，動態(tài)對焦裝置進入對焦跟蹤狀態(tài)；[〇〇66] (2)在連續(xù)掃描過程中的一個對焦跟蹤周期內(nèi)，對焦控制模塊110同步控制掃描機構(gòu)驅(qū)動器113和液體透鏡驅(qū)動器111，使得掃描運動機構(gòu)114分別在掃描位置一201、掃描位置二202和掃描位置三203實現(xiàn)液體透鏡108焦距分別為平透、微凹和微凸三種狀態(tài)；
[0067] (3)智能對焦相機109實時采集液體透鏡焦距調(diào)整前后的3幅圖像，分別為當(dāng)前焦面幀204、遠焦偏移幀205和近焦偏移幀206,3幀圖像分別對應(yīng)于掃描位置一 201、掃描位置二202和掃描位置三203,智能對焦相機計算3幀圖像重疊區(qū)域207的圖像清晰度大小，選取圖像清晰度最大的幀對應(yīng)的離焦偏移序號進行編碼，分別為二進制[111 ]，[〇〇〇]或者 [001 ]，并發(fā)送給對焦控制模塊110;
[0068] (4)對焦控制模塊110根據(jù)智能對焦相機109返回的離焦偏移序號編碼確定下一個周期的對焦平面:若返回編碼為二進制[〇〇〇]，表示當(dāng)前焦面幀的重疊區(qū)域的圖像清晰度最大，則下一個同步周期的對焦平面和本周期的對焦平面一致;若返回編碼為二進制[001]， 表示近焦偏移幀的的重疊區(qū)域的圖像清晰度最大，則下一個同步周期的對焦平面相較于本周期的對焦平面應(yīng)當(dāng)向近焦方向偏移〇.3wn;若返回編碼為二進制[111]，表示遠焦偏移幀的的重疊區(qū)域的圖像清晰度最大，則下一個同步周期的對焦平面相較于本周期的對焦平面應(yīng)當(dāng)向遠焦方向偏移0.3M1;
[0069](5)對焦控制模塊110給對焦機構(gòu)驅(qū)動器112發(fā)出信號，對焦執(zhí)行機構(gòu)103拖動物鏡 102在本同步周期內(nèi)完成對焦跟蹤運動；
[0070](6)對焦控制模塊110給液體透鏡驅(qū)動器111發(fā)出信號，液體透鏡108在本同步周期內(nèi)回復(fù)到平透狀態(tài)，為下一個同步周期的離焦偏移探測做準(zhǔn)備；
[0071](7)動態(tài)對焦裝置進入下一個對焦跟蹤同步周期；
[0072]特別的，本實施例中采用了當(dāng)前焦面幀、遠焦偏移幀和近焦偏移幀3幀對焦探測圖像重疊區(qū)域的圖像清晰度對比的方式確定離焦偏移，但實際實施過程中并不局限于3幀的情況，可以在滿足系統(tǒng)實時性要求的情況下盡可能多的增加離焦探測范圍，以保證對焦跟蹤的魯棒性和可靠性。
[0073]以上對本發(fā)明的具體實施例進行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變化或修改，這并不影響本發(fā)明的實質(zhì)內(nèi)容。在不沖突的情況下，本申請的實施例和實施例中的特征可以任意相互組合。
【主權(quán)項】
1.一種用于高速顯微掃描的動態(tài)對焦裝置，其特征在于，包括:物鏡、液體透鏡離焦探測模塊、智能對焦相機、對焦跟蹤執(zhí)行模塊、對焦控制模塊； 所述液體透鏡離焦探測模塊，用于將連續(xù)掃描過程的不同離焦面的物方在智能對焦相機靶面上成像； 所述智能對焦相機，用于采集連續(xù)掃描過程中的離焦探測圖像，并進行圖像處理，獲取當(dāng)前離焦偏移狀態(tài)； 所述對焦跟蹤執(zhí)行模塊，用于驅(qū)動物鏡和樣本，實現(xiàn)XY平面掃描運動和Z軸對焦運動； 所述對焦控制模塊，用于控制液體透鏡離焦探測模塊進行連續(xù)離焦?fàn)顟B(tài)探測，并根據(jù)智能對焦相機的離焦偏移編碼，控制對焦跟蹤執(zhí)行模塊實現(xiàn)掃描運動和對焦運動的協(xié)同。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于高速顯微掃描的動態(tài)對焦裝置，其特征在于，所述液體透鏡離焦探測模塊包括:對焦透鏡組、液體透鏡、液體透鏡驅(qū)動器； 所述對焦透鏡組是一組鏡筒透鏡，用于將正對焦?fàn)顟B(tài)下的物方在智能對焦相機上清晰成像； 所述液體透鏡，用于將對焦透鏡組的后焦面進行前后微調(diào)，以使得智能對焦相機的靶面在同一像平面上獲取同一物方探測面的多幅不同離焦?fàn)顟B(tài)下的對焦探測圖像； 所述對焦透鏡組和所述液體透鏡的配置形式是將液體透鏡置于對焦透鏡組靠近像面的一側(cè)。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于高速顯微掃描的動態(tài)對焦裝置，其特征在于，所述智能對焦相機通過含有液體透鏡的對焦探測光路在連續(xù)掃描過程中獲取當(dāng)前焦面、遠焦偏移和近焦偏移多幅對焦探測圖像，采用嵌入式高速處理器進行多幅對焦探測圖像的圖像重疊區(qū)域的清晰度對比，獲取當(dāng)前離焦偏移狀態(tài)，并經(jīng)離焦偏移編碼后發(fā)送給所述對焦控制模塊;所述離焦偏移編碼采用將對焦區(qū)間內(nèi)的離焦偏移進行多段等長度劃分，對各段的序號進行編碼的方式，每一段長度小于1/3景深。4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于高速顯微掃描的動態(tài)對焦裝置，其特征在于，所述對焦控制模塊通過控制液體透鏡分別處于平透、微凹和微凸三種狀態(tài)，在連續(xù)掃描過程中的一個對焦跟蹤周期內(nèi)，實現(xiàn)智能對焦相機的離焦偏移探測，且所述對焦控制模塊根據(jù)智能對焦相機返回的離焦偏移編碼確定下一個周期的對焦平面，控制對焦跟蹤執(zhí)行模塊中的對焦執(zhí)行機構(gòu)和掃描運動機構(gòu)實現(xiàn)對焦運動和掃描運動的協(xié)同，從而實現(xiàn)自適應(yīng)對焦跟蹤。5.—種用于高速顯微掃描的對焦跟蹤控制方法，其特征在于，應(yīng)用權(quán)利要求1至4中任一項所述的用于高速顯微掃描的動態(tài)對焦裝置，包括如下步驟: 初始對焦步驟:對焦控制模塊驅(qū)動對焦裝置，使物鏡達到最佳對焦?fàn)顟B(tài)，同時控制液體透鏡為平透狀態(tài)，智能對焦相機的離焦探測圖像清晰度達到最高值，然后進入對焦跟蹤步驟； 對焦跟蹤步驟:在一個對焦跟蹤周期內(nèi)實現(xiàn)智能對焦相機的離焦偏移探測。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的用于高速顯微掃描的對焦跟蹤控制方法，其特征在于，所述對焦跟蹤步驟包括: 離焦偏移探測步驟:對焦控制模塊在連續(xù)掃描過程中的三個位置分別控制液體透鏡為平透、微凹、微凸三種狀態(tài)，智能對焦相機同時獲取當(dāng)前物方平面、遠焦偏移平面、近焦偏移平面三幅離焦探測圖像； 離焦偏移計算步驟:智能對焦相機根據(jù)三幅離焦探測圖像的重疊區(qū)域的圖像清晰度對比，計算當(dāng)前離焦偏移狀態(tài)，進行數(shù)字離焦偏移編碼后發(fā)送給對焦控制模塊； 對焦偏移跟蹤步驟:對焦控制模塊解析離焦偏移編碼，確定下一個對焦跟蹤周期的對焦位置，驅(qū)動對焦執(zhí)行機構(gòu)進行對焦調(diào)整，完成對連續(xù)掃描運動的對焦跟蹤，并進入下一個對焦跟蹤周期。
【文檔編號】G02B21/36GK106019550SQ201610545780
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年7月12日
【發(fā)明人】谷朝臣, 吳開杰, 關(guān)新平
【申請人】上海交通大學(xué)