（机械电子工程专业论文）生物显微镜自动控制载物台的设计与开发.pdf

摘要 摘要 本文详细讨论了普通生物显微镜自动控制载物台的设计与开发过程。 首先回顾了显微镜的发展，总结了国内外对于自动控制显微镜的研究进展。 为实现显微镜的自动控制，文章从显微镜基本构造开始，通过对显微镜基本部件 工作原理的分析，提出从载物台，调焦机构，图像获取装置等几个方面来进行设 计开发，提出来调焦刻度的思想，并编程实现了图像的获取与处理。 文章讨论了采用步进电机来实现自动载物台的控制，图像获取装置的设计， 从视觉系统的光学性能要求出发讨论了c 的选用，调焦机构通过加装步进电 机来实现调焦精度的提高，提出了显微视场的自动对准机构和物镜转换器的设计 方案。 在图像清晰度评价函数选取的讨论中，文章采用梯度算子作为主要研究对 象，在聚集实时性，计算量、聚焦灵敏度上做了平衡，采用了【印l e 平方和算 子作为图像清晰度评价函数，并采集了2 0 幅不同清晰度人体血液图片对算法进 行了验证，证明该算法的可行性。在传统的聚焦控制算法中，清晰度判据函数 t e r i o n ) 的值呈现一条抛物线( 即c - n 曲线) ，文章提出通过在程序中设定捕获图 像数量，设定调焦步长，将c - n 曲线进行离散化，实现了自动改变调焦机构的精 度。 文章对系统实现过程的程序设计进行了讨论。对基于d f o rw i n d a w s ( v 】哪) 方式的图像捕获编程进行了详细论述，对图像的l 印1 e 梯度平方和算 法进行了编程实现。对步进电机的单片机控制进行的讨论中，设计能产生固定频 率脉冲的脉冲发生电路对步进电机进行控制，最后一章中还对整个系统的精度进 行了分析说明。 关键孚；显微镜，自动调焦，n j i ，视场寻找 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t mt h i sp a p w ed i s c i l s sm e 卸岫m a t i ci m p r o v e m e n tp r o c e 豁o f c 嗽n o nm i c m s c o p e i n d c t a i l ho r d c rt o a l i z i n gm e 锄胁一c o n t r o lo ft h em i c m s c o p e ，t h et c x ts 叫si nt l l e f i 】n i i a m e m a ls 衄l c t i l o f 也em i c r o s c o p e 觚dc a r r i t h r o u g hi m p r o 、r a n e n tb r i 啦g 丘o m 也ef 缸t sa b 伽“h ec a r r i e r ，a 由l l s 切l e n tm c c h a i l i s mo f t h ei m 硒n gl e n s 姐di m a g e a c q l l i s m o nd e 、r i a n d o n j nt h es 锄e 劬e ，w ed i s c l l s s 曲o u t 视场寻找一 通讯一 粗聚焦一 通讯一 细聚焦一 完成。 a ) 视场寻找：通过安装在载物台x ，y 方向上中部的位置传感器，使 没有在物镜视野范围内的标本能迅速的移动到视野范围内来。 b ) 粗聚焦：如第二章第四节所述，所谓粗聚焦，即单片机通过读取接 近开关信号，检测当前显微镜的工作距离是否合适，而工作距离是由当 前工作的显微镜的物镜和目镜组合决定的，这就使工作距离存在有限的 几个不同的值，这在粗聚焦阶段尤为重要。 c ) 细聚焦：指单片机通过读取上位机指令，驱动z 轴电机作步进运动 来调整显微镜的工作距离的方法 最终设计的单片机控制系统流程图如图5 1 ： 山东大学硕士学位论文 图5 1 控制系统流程 5 2 1 步进电机与驱动器的选择 选择步进电机时，应使步距角和机械系统匹配，这样可以得到机床所需的脉 冲当量。电机的步距角取决于负载精度的要求，将负载的最小分辨率( 当量) 换算 第5 章系统控制部分设计 到电机轴上，每个当量电机应走多少角度。电机的步距角应等于或小于此角度 在机械传动过程中为了使得有更小的脉冲当量，一是可以改变丝杆的导程，二是 可以通过步进电机的细分驱动来完成。但细分只能改变其分辨率，不改变其精度 精度是由电机的固有特性所决定目前市场上步进电机的步距角一般有。 o 3 6 ，o 7 2 ( 五相电机) 、o 9 1 8 ( 二、四相电机) 、1 5 3 ( 三相电机) 等。 静力矩相等的电机，由于电流参数不同，其运行特性差别很大，可依据矩频 特性曲线图，判断电机的电流( 参考驱动电源及驱动电压) 。 力矩与功率换算如下： p=qm(式51) q = 2 丌啪o ( 式5 - 2 ) p = 2 彻m 6 0 ( 式5 3 ) 其p 为功率单位为瓦，q 为每秒角速度，单位为弧度，n 为每分钟转速，m 为力矩单位为牛顿米 p = 2 丌m 删半步工作)( 式5 哪 其中f 为每秒脉冲数( 简称p p s ) 我们选择的步进电机是北京和利时公司生产的3 5 b y g 两相混合式步进电机， 具体参数如第二章所述，该型号是2 相反应式步进电机，步距角为1 8 度。 目前采用的步进电机细分驱动方式有很多，诸如有斩波式和脉宽调制( p w m ) 式等，在本系统中我们采用的是与步进电机配套的细分驱动器，从而不需要自己 设计细分驱动电路，只需给细分驱动器提供步进脉冲即可。 步进电机驱动器的使用大大简化了步进电机的控制，我们选用的驱动器是和 步进电机配套的，由北京和利时公司生产的s h 2 0 4 0 2 a 型两相混合式步进电机 细分驱动器。它可提供“细分；输出电流o 之安培；电源电压直流1 0 4 0 伏； 输入信号光电隔离；具有短路和电机接线错相保护 驱动器外形如图5 - 2 ； 山东大学硕士学位论文 尺寸如图5 3 所示： 图5 2 步进电机驱动器 霉； 唾卿匦虱豆i 控制步迸电机运动，通过硬件发生恒定脉冲作为控制脉冲，方向和脱机 由单片机控制。 用于工作距离检测的接近开关中断信号查询与更新。 z 轴方向控制与坐标计算，实现调焦刻度法。 读取视场限位开关信号，实现自动视场寻找。 单片机控制步进电机的电路图如图5 5 ： 第5 章系统控制部分设计 5 2 系统控制精度的分析 5 2 1 误差来源的分析 图5 5 电路图 1 、误差独立作用原理： 一个误差源使仪器产生一定的误差，仪器误差是其误差源的线性函数，与其 他误差源无关，这就是误差的独立作用原理。 仪器的输出和有关零部件参数之间的关系可以用数学关系式表示为： 儿= 厂( x ，吼1 ，9 0 2 ，9 0 3 ，9 0 。) ( 式5 5 ) 其中，x 被测尺寸 吼。，孙，吼仪器有关零部件参数，n 为零件数。 ) 0 指示参数，一般与示值呈线性关系。下标o 表示没有误差时 的名义值。 独立作用原理可以表示为： 山东大学硕士学位论文 缈= 车舡 带回 其中，缈是仪器各误差源共同作用所产生的误差。 幻，表示各参数相应的误差。 2 、仪器的误差分类 仪器的误差可分为：原理误差、制造误差和运行误差。在本系统中，三种误 差都存在，但他们的作用范围对象不同，所产生的误差对系统精度的影响也不同。 原理误差：主要是显微镜的光学系统产生的，因为我们使用的显微镜光学系 统不可能是一个理想的光学系统。因为非理想系统所必有的光学像差、图像传感 器捕获图像时量化的误差等等，这些误差从理论上就不可消除，导致原理性误差 的必然存在。但这类误差对系统的分析没有较大影响，因为这类误差较为稳定， 对于每次观测，这类误差总是一个接近固定的值，而且在不同档次的光学图像采 集系统中，这类误差也相差不大 制造误差：系统中的制造误差是指的机械传动机构的制造误差，决定这类误 差的是机械加工设备的加工精度，如果加工精度越高，这类误差也就越小，在目 前可获得的加工条件下，我们采用的丝杠传动机构、齿轮齿条机构和步进电机都 已经达到了一定的精度等级。 运行误差：在系统中主要是指仪器在工作过程中产生的误差，包括变形，磨 损，间隙以及温度误差等。这类误差来源一方面是制造的问题，另一方面操作过 程中产生的。 如上所述，系统中的原理性误差在目前条件下只可以通过选用精度高，设计 优良的光学镜头和图像传感器来解决。而制造误差同原理误差一样，系统中使用 的机构部件一经选定，其制造误差便一定存在，要减小这类误差同样是通过选用 高精度的机械部件来解决。运行误差是最主要的误差，也是最可能得到补偿的。 3 、定位精度和重复定位精度 定位误差是指实际位置与指令位置的一致程度，其不一致量即为定位误差。 重复定位精度则是指在相同条件下，操作方法不变，进行规定次数操作所得到的 连续结果的一致程度。 第5 章系统控制部分设计 对于一个显微镜来说，准确获取图像和获取清晰的图像是主要任务也就是 指在显微图像定位上要有一定的重复定位精度和定位精度，因为显微镜载物台可 以看作一个x y 工作台，载玻片和盖玻片在x ，y 两轴电机的共同作用下移动 到视场中央，然后z 轴电机带动调焦机构调整显微镜的工作距离，最终使图像传 感器能得到最清晰的显微图像。 从这一个过程可以看出，整个系统精度要求最严格的地方在z 轴，因为对于 载物台来说，显微镜每次观察到的视场很小，如果显微图像很大，就需要移动视 场，然后对显微图像进行后期图像拼接，这时候要求x 、y 方向需要很高的定位 精度；而对于无拼接功能设计时，对于载物台x ，y 方向的定位精度的要求并不 高，它只要保证载物台所在平面位于物镜物方焦点平面内既可，而保证载物台准 确的与物镜物方焦点保持在一个平面的是z 轴调焦机构，这就是z 轴的定位精 度设计应该比x 、y 方向的精度设计的优先级要高。即优先保证z 轴上具有良好 的定位精度和重复定位精度。 齿轮系统和螺旋副是精密机械装置的重要转动部件，要传递精确的运动就应 当有准确稳定的传动比，并有较小的摩擦与间隙。在低速系统中他们是比例环节， 在高速系统中他们又是惯性或积分环节。因此它们除了要有很高的静态精度还应 有较高的传动刚度，较小的转动惯量和适中的阻尼特性，以此才能获得较小的定 位误差和重复定位误差。 5 2 2 系统中的相关精度分析 x s p - 4 c 型双目生物显微镜的载物台升降系统是采用的齿轮齿条结构。经过 改造后，我们采用了步进电机轴与大手轮轴相联接后，在不细分的情况下，步长 可以达到1o t 】吼；当步进电机4 细分后，z 轴步长达到2 5 i m 。 系统中显微镜载物台的工作范围设计为x 方向为9 嘶m ，y 方向为6 嘶m ，如 第二章所述，因为x 和y 方向传动比不同，在联接步进电机后，在采用相同的 细分情况下，实现的步进步长并不相同，我们经过初步计算可到达到2 0 也5 啪 的运行精度。 在目前我们的改造中，因为并没有对机械传动结构作过多的设计，所以理论 上的计算值是不可能达到的。如果有条件，还可以通过在在舞台上安装精度高的 山东大学硕士学位论文 检测系统检测获得较精确的实际输出参数，将这些参数与目标函数进行比较获取 差异程度信息，利用高分辨率补偿环节进行有效的补偿来实现高精度。 系统中的x - y 工作台的设计方案采用步进电机一齿轮齿条与工作台组成的 串联系统。 影响系统定位精度的主要因素有： a ) 驱动电机的输出转速转角的误差。 b ) 传动系统的制造误差，即齿轮齿条的误差。 c ) 系统在运动方向上的空回误差与摩擦误差。 d ) 系统的刚度引起的受力变形。 e ) 温升引起的热变形。 f ) 运行中的爬行和速度不均匀的情况【”】。 5 3 本章小结 第五章集中精力对整个显微镜自动控制及调焦系统进行了精度分析。本章没 有对精度理论作过多的阐述，而是列举了大量实验数据对误差进行了说明，并对 产生的原因进行了深入的分析，对不同的部件，精读分析采取了不同的角度， 最后还提出了精度补偿措施。 第6 章结论与展望 6 1 结论 第6 章结论与展望 论文主要内容是讨论了普通生物显微镜自动控制载物台的设计与开发过程。 文章通过对普通光学生物显微镜原理及结构的回顾，提出我们的自己的改造 方案。改造方案把载物台，聚焦机构，获取装置三方面作为改造重点，提出了对 物镜转换器的改造构想，并创新的提出了视场自动对准的改造设计。 论述了本系统中自动聚焦算法的实现。通过对自动聚焦算法原理的探究，并 加以实验验证，综合前人工作成果，提出使用适合于显微镜实时聚焦要求的自动 聚焦评价函数，并对其进行了程序化，应用到实际系统中，取得良好的效果，为 了适应系统的快速响应，提出了调焦刻度法，简化了传统m c s 变步长的搜索策 略。 开发了自动聚焦软件，包括p c 端程序和下位机上的控制程序，p c 端的程序 主要实现了对图像的自动捕获，坐标的确定，聚焦评价函数的计算，而下位机主 要是实现对步进电机的控制、视场对准以及粗聚焦的实现。 对整个显微镜自动控制及调焦系统进行了精度分析。列举了大量实验数据对 误差进行了说明，并对产生的原因进行了深入的分析 6 2 展望 通过本课题的研究，我们在改造显微镜的工作上积累了丰富的经验，收集了 大量的第一手的资料，这些为把显微镜的进一步改造奠定了基础。下一步要完成 的工作可以从这几个方面来进行： 1 、目前我们采用的传动机构是齿轮齿条，如需提高传动精度，可以采 用丝杠代替，甚至可以采用直线电机来代替步进电机，这些提高精度的措施 需要在今后的工作中做大量的研究。 2 、显微镜自动聚焦算法的进一步研究。 目前，我们提出来的基于调焦刻度的自动调焦方法在实际并没有在 山东大学硕士学位论文 实践中大规模的应用，这需要在下一步工作中加以验证，把理论上的计 算值与实际操作时候的情况加以对比，从而完善该方法的可靠性。 4 、视场自动对准的研究 视场自动对准在自动显微镜中尚未有成熟研究成果与相关论文发 表。本课题队这一部分的研究并未完全深入，在下一步的工作中，可以 在这方面加大研究力度。 5 、在图像处理软件方面的进一步开发 对于软件方面，在系统控制精度能够保证的前提下，可以再加入网 络功能，即使整个显微镜自动控制系统能够具有局域网甚至因特网通讯 的功能，加入这样的功能应用前景广泛，比如：在中小学生物课程教学 中，教学老师就可以统一控制学生的聚焦清晰度，图像分析等过程。 通过以上几方面的深入研究，以期今后的自动显微镜能够更加智能化，操作 更为简单，为学校教学，专业机构的显微分析提供更大的便利。 山东大学硕士学位论文 参考文献 【1 】曾照芳，翟建才临床检验仪器学北京：人民卫生出版社2 0 0 1 【2 】周文斌万能工具显微镜目镜视场数据采集数字化的研究天津大学硕士学 位论文，2 0 0 4 ：3 1 0 3 】潘文明计算机控制显微镜微动平台，南开大学硕士学位论文2 0 0 0 ：1 2 1 3 删张武祖，许世文利用迭频滤波实现自动调焦的原理与分析哈工大学报1 9 8 5 【5 】张武祖，许世文利用c c d 实现高精度自动调焦系统哈工大学报1 9 8 6 3 ：2 l - 2 4 6 】刘煌高分辨率c c d 卫星自动调焦的研究哈尔滨工业大学硕士学位论文 1 9 9 3 ：1 仉1 2 【刀尤学军高分辨率c c d 卫星相机自动调焦的研究哈尔滨工业大学硕士学位 论文1 9 9 4 ：1 1 1 3 【8 】李庆样，王东生，李玉和现代精密仪器设计，北京：清华大学出版社，2 0 0 4 【9 】光学仪器丛书生物显微镜编写组编，生物显微镜，北京：机械工业出版 社，1 9 7 7 【1 0 】康辉映像光学，天津：南开大学出版社，1 9 9 6 1 1 】刘丹计算机图像处理的数学和算法基础，北京：国防工业出版社，2 0 0 5 【1 2 】原育凯中科院上海技术物理研究所，光学系统的自动调焦方法，红外月刊， 2 0 0 4 【1 3 】康宗明，张莉，谢攀一种基于能量和熵的自动聚焦算法，电子学报， 2 0 0 3 ，v o l2 3 j 的一 f 1 4 】李国新，王国宇，王汝霖，张黎基于自动聚焦算法的多聚焦图像融合，计算 机应用研究，2 0 0 5 ( 3 ) 【1 5 】谢攀，张利，康宗明，谢时根一种基于尺度变化的d c t 自动聚焦算法，清 华大学学报，2 0 0 3 ，v o l 4 3 ，n o 1 【1 6 】胡昌华等，基于m a 豇，a b 的系统分析与设计一小波分析，西安：西安电子 科技大学出版社，1 9 9 9 f 17 】原育凯光学系统的自动调焦方法，红外月刊，2 0 0 4 ( 6 ) 山东大学硕士学位论文 1 8 】营维乐，姜威，周贤，一种基于小波变换的数字图像自动聚焦算法，山东：山 东大学学报，2 0 0 4 ，v 0 1 3 4 ，n o 6 【1 9 】贾永红数字图像处理，武汉：武汉大学出版社，2 0 0 3 2 0 】孙即祥图像分析，北京：科学出版社，2 0 0 5 2 1 】杨再华，李玉和，李庆祥，郭阳宽基于边缘特征提取的图像清晰度评价函 数，计算机工程与应用，2 0 0 5 ( 1 0 ) 【2 2 】曹茂永，孙农良，郁道银离焦模糊图像清晰度评价函数的研究，仪器仪表 学抿2 0 0 l ，1 2 2 ，n o 3 增刊 2 3 】朱孔凤，姜威，王瑞芳，张进，周贤一种新的图像清晰度评价函数，红外 与激光工程，2 0 0 5 ( 8 ) 【2 4 】高赞，姜威，朱孔凤，王超基于r o b e n s 梯度的自动聚焦算法，红外与激光 工程2 0 0 6 ( 2 ) 【2 5 】孙明磊，宗光华，余恚伟基于图像分析的显微视觉自动聚焦系统，北京航 空航天大学学报，2 0 0 5 ( 2 ) 2 6 】u uk e ，y 缸gj i n g y l l ，q 啪j u 儿b 1 盯i d t i 丘c 撕a n dr 髓t o r a t i o no fh a g c s 研t ho i l f 二矗) c 惦b l l l r 忉a c t aa 1 n m 以c as i n i c a ，1 9 9 4 ，2 0 ( 1 ) ：5 8 6 4 【2 7 】s a n 唧，c c l l 趾e 1 ，了j a c o t a u 协f o c 璐f o ra u t 啷a 砌m i 哪勰s a n b l yu n d 盯a m i c r o s c o p e 唧i n l a g ep r o c e s s i i l 岛1 9 9 6 ，1 ( 1 6 2 9 ) ：6 7 7 6 8 0 【2 8 】a s 锄幻s ，c 嘶zd es o l o r z a ，j j 、均u e m e ta 1 e v a l u 撕o no fa u t o f 如璐 f u n c 廿o n si nm o l e c u l 盯c y t o g e i l e 咖加l a l y s i s 【j j m i c r o s c o p 弘1 9 9 7 ，18 8 ( 3 ) ：2 “2 7 2 【2 9 】宗光华，孙明磊，毕树生，于靖军，余志伟显微视觉自动聚焦研究，光学 学报，2 0 0 5 ( 9 ) 3 0 】邓星钟，周祖德，邓坚，机电传动控制，武汉：华中理工大学出版社，1 9 9 1 【3 1 】w d i b o n d 公司，w 7 8 e 5 1 6 b 数据手册，2 0 0 4 【3 2 】刘旭东，阮秋琦应用硎实现视频采集与处理，电信工程技术与标准化 应用，2 0 0 5 ( 2 ) 3 3 】刘显荣w i n d o w s 平台下视频捕捉的几种实现方法，重庆科技学院学报，自然 科学版，2 0 0 6 ( 6 ) 【3 4 】m i c r o s o f t ，m s d nl i b r a 2 0 0 6 山东大学硕士学位论文 【3 5 】刘旭东，阮秋琦，v f w 实现视频采集与处理，电信工程技术与标准化应用， 2 0 0 5 ( 2 ) 【3 6 】刘克，杨静宇，权军等离焦图像模糊辨识及复原方法研究阴自动化学报， 1 9 9 4 ，2 0 ( 1 ) ：5 8 “ 3 7 】金泰义精度理论与应用，合肥：中国科学技术大学出版社，2 0 0 5 ( 2 ) 【3 8 】钟志光，卢君，刘伟荣乳l a lc - 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2 0 6 【5 l 】h h a r m sa n dh m a 鸺c o i n p a i i s o no f d i 百t a lf o c 惦c r i t e r i af o ra t v m i c f o s c o p es y s t 锄i c y t o m 哟5 1 9 8 4 ：2 3 6 2 4 3 【5 2 】b 衄n jf ，d e w ，bs ，h o m 吐j b ，g ，t ，n e i r a t h ，p w 孤d s e l l e r s ，w d a i l a u t om a t e dm i 汀o s c o p ef o rc y t o l o g i cr e s e a r c h 1 9 7 l ，v o l2 4 ：1 0 0 一1 l o 7 l 山东大学硕士学位论文 【5 3 】m 船o nd c ，g r e 吼d k a ut om 砷b df o c l l s 啦o fac o m p u t e rc o u e d m i c m s c o p e l m e et r 螂b i o m e de n gb v 0 12 2 ，1 9 7 5 ：1 3 7 - 1 5 0 【5 4 】m e n d e l s o h nm l ，m a ) m 1b h c 彻n p u t 昏o r i e r l t e da n a l y s i s o fh 啪蛆 c h 暂咖o s o m 嚣1 c o m p u tb i o lm c dv o l2 1 9 9 2 ：1 3 7 1 5 0 5 5 】s h e ，z 1 1 i s h 眦，g r a 弘d a b i o 觚旺m i c r o s c o p e a i 哟f o c 璐1 9 9 7 ( 1 6 5 ) ：4 9 【5 6 】s c h a c 彘i ，f 眦屿d i e 吐l 盯，s i 鲥正1 1 l eg r o 耐n ge y e ：孤加南c l l ss y s t e mt h a t w b l l 【s o n v e r y p o o r i m a g 髓v i s i o n 酗e 撒血1 9 9 9 ，v o l 3 9 n o 9 ：5 8 卜1 5 8 9 【5 7 】m u r a l is u b b a r ，仇a l o i ，a m n i k z a d ，f o c u s ：i i l gt c c h n i q u 鹤，s p m ， 1 9 9 2 、，o n 8 2 3 【5 8 】 0 m o h t a d i 锄d j l c s 盟z r e