（机械工程专业论文）基于普通显微镜的图像采集系统数字化技术研究.pdf

摘要 摘要 目前，高科技研究型显微镜( 例如透射电子显微镜、扫描电子显微镜) 等光 学仪器的调焦系统大部分都已经采用了自动调焦，有些配备数字照相系统，这些 仪器价格昂贵。本研究基于普通显微镜进行改造，开发出数字化显微图像自动采 集系统，获取准确的图像信息，并应用于生物医学、材料学、科研实验等各个领 域中。 本论文主要开展了数字化显微镜图像采集系统技术研究，设计了数字化图像 采集系统的总体方案，并对各部分进行了的详细设计。采用步进电机来实现自动 载物台的控制和物镜切换，设计了相应的软硬件接口。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 c d 的选用。调焦机构通过加装步进电机来 实现自动调焦，开发了显微视场的自动对准机构及物镜控制转换机构。 研发了显微图像获取的自动聚焦技术，提出了一种自动聚焦算法来实现显微 图像自动聚焦。该算法综合了快速灰度差分法和高精度拉普拉斯函数法的优点， 根据聚焦过程中各阶段聚焦评价函数的梯度，选择合适的焦距评价函数和步长， 并通过改变步长实现了从快速粗调到精确细调的过渡，在实际应用中达到了较好 的效果。 图像拼接技术一直是计算机视觉、图像处理和计算机图形学的热点研究方 向。按照图像拼接的流程，对图像预处理、图像配准和图像融合等关键技术进行 了讨论，提出了一种图像拼接方法，开发了相应的拼接程序，实践证明该方法能 够较好地满足图像处理过程的实时性和准确性，并且很好地解决了场景拼接过程 中常见的“拼缝 现象。 基于普通显微镜开发的显微图像数字化采集系统，已成功应用于远程医疗和 显微镜生物观察实验的互动教学中，并收到良好的效果。 关键词：数字显微镜；自动载物台；步进电机；自动聚焦；图像拼接。 v i i 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t c u r r e n t l y , h i g h t e c hr e s e a r c hm i c r o s c o p e s ( s u c ha s t h et r a n s m i s s i o ne l e c t r o n m i c r o s c o p e ，s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e ) a so p t i c a li n s t r u m e n t sm o s t l yh a v eu s e d a u t o f o c u s i n gs y s t e m ，a n ds o m em i c r o s c o p e sa r ee q u i p p e dw i t hd i g i t a lp h o t o g r a p h y s y s t e m h o w e v e r , t h e s ee q u i p m e n t sa r ee x p e n s i v e t h i sp r o j e c ta i m st oi m p r o v et h e o r d i n a r ym i c r o s c o p e sa n dd e v e l o pt h ed i g i t a la c q u i s i t i o ns y s t e mo ft h em i c r o s c o p i c i m a g ew h i c hc a na c c u r a t e l ya c q u i r et h ei m a g ei n f o r m a t i o n i ta l s oc a nb ew i l d l yu s e d i na r e a ss u c ha sb i o m e d i c i n e ，m a t e r i a l ss c i e n c e ，r e s e a r c he x p e r i m e n t sa n ds oo n i nt h i sp a p e r ，w ed os o m er e s e a r c ha b o u tt h ei m a g ea c q u i s i t i o ns y s t e mo ft h e d i g i t a lm i c r o s c o p e ，a n dd e s c r i b ei t sd e s i g ns c h e m e t h e r ea r ea l s od e s c r i p t i o n sa b o u t t h ed e t a i l e dd e s i g no fe v e r yp a r t 。t h ea r t i c l eh a sb e e nd i s c u s s e dt h a ti ta d o p t s s t e p b y - s t e pe l e c t r i cm o t o rt oc o m e t oa u t o - c o n t r o lt h r o u g hr e f o r m i n gt h ec a r r i e ra n d t h eo b j e c t i v el e n s ，t h ed e s i g no ft h ei m a g ea c q u i s i t i o nd e v i c e ，f r o mv i e ws y s t e m a t i c o p t i c a lq u a l i t ya n dd e m a n d s t os t a r to f fd i s c u s s i n gt os e l e c ta n du s ec c d ，a d j u s t m e n t m e c h a n i s mo ft h ei m a g i n gl e n si sd e s i g n e db ya d d i n gt h es t e p b y s t e pe l e c t r i cm o t o r p r e t e n d i n gt or e a l i z eh i g hf o c u s i n ga c c u r a c ya n db r i n g sf o r w a r di n n o v a t i o nd e s i g n a b o u tt h ea u t oa l i g n m e n td e v i c ei nm i c r of i e l do fv i e w t h ea u t o f o c u s i n gt e c h n o l o g yo fa c q u i r i n gm i c r o s c o p i ci m a g ei ss t u d i e d ，a n da l l a u t o f o c u sa l g o r i t h mi sp r o p o s e dt or e a l i z et h em i c r o s c o p i ci m a g ea u t o - f o c u s i n g t h e a l g o r i t h m ，w h i c hc o m b i n e sg r a ys c a l ed i f f e r e n c em e t h o da n dh i g h a c c u r a c yl a p l a c i a n f u n c t i o nm e t h o d ，i sa b l et op r o p e r l ys e l e c tt h ef o c u s i n gc r i t e r i o nf u n c t i o na n ds t e p l e n g t ha c c o r d i n gt ot h eg r a d i e n t so ft h ef o c u s i n ge v a l u a t i o nf u n c t i o n si ne a c hp e r i o d o ft h ef o c u s i n gp r o c e s s i tu t i l i z e sav a r i a b l es t e p - l e n g t hm e t h o dt or e a l i z et h e t r a n s i t i o nf r o mf a s tr o u g ha d j u s t m e n tt oa c c u r a t eo n e ，w h i c ha c h i e v e ds a t i s f y i n g r e s u l t si np r a c t i c a lu s e s v i i i 摘要 i m a g em o s a i ci s a ni m p o r t a n tr e s e a r c hf i e l do fc o m p u t e r v i s i o n ，i m a g e p r o c e s s i n ga n dc o m p u t e rg r a p h i ca l lt h et i m e t h em e t h o do fi m a g em o s a i ci s g e n e r a t e dw h i l et h e c r i t i c a l t e c h n o l o g ys u c h a s i m a g ep r e p r o c e s s i n g ，i m a g e r e g i s t r a t i o na n di m a g ec o m p o s i t i o ni sd i s c u s s e da c c o r d i n gt ot h ep r o c e s so fi m a g e m o s a i c t h em e t h o dc a ns i g n i f i c a n t l yr e d u c et h et i m eo fm a t c h i n ga n ds o l v et h e p r o b l e mo f j o i n t t h ed i g i t a la c q u i s i t i o ns y s t e mo fm i c r o s c o p i ci m a g eb a s e do nt h ee x p l o i t a t i o no f o r d i n a r ym i c r o s c o p eh a sb e e ns u c c e s s f u l l ya p p l i e dt ot h ei n t e r a c t i v et e a c h i n go f r e m o t em e d i c a lt r e a t m e n ta n dt h ee x p e r i m e n to fo b s e r v i n gc r e a t u r e sb ym i c r o s c o p e w i t hs a t i s f y i n gr e s u l t s k e yw o r d s ：d i g i t a lm i c r o s c o p e ；a u t o m a t i cc a r r i e r ；s t e pm o t o r ；a u t o f o c u s ；i m a g e m 0 s a l c 。 i x 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中己经注明引用的内容外，本论文包 含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。对本文的研作 出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法 律责任由本人承担。 论文作者签名：日期：j 莎二，型 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅：本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名仓k 之委一导师签名夕燧日 第1 章绪论 1 1 课题背景和选题依据 第l 章绪论 在许多科研和生产领域，普通光学显微镜被用来采集和观察物态的细微结构 图像，以便进行分析、处理来获取各种重要信息。例如，冶金工业中的金相分析 n 3 、医疗卫生中的血液分析和病理切片分析、机械工业中的润滑油分析等。随着 处理样品的增多和人们对检测速度要求的提高，普通显微镜的手工操作越来越不 能满足实际生产科研的需要，因此实现显微镜图像自动采集、存储和识别已成为 当务之急。 普通显微镜系统采用人工聚焦，可以得到较好的聚焦效果，但聚焦效果要受 到操作人员的影响，同时在某些特定的工作环境与系统要求下，如比较恶劣的环 境，或者是自动化程度很高的系统下，人工聚焦将无法正常进行，必须进行自动 聚焦才能达到相应效果；由于普通显微镜的视野较小，医院医师无法通过一幅图 像进行全面诊视，对于较大目标图像的数据测量也需要把不完整的图像拼接为一 个整体，因此能够实现图像自动聚焦、图像自动拼接的数字化显微镜就应运而生。 数字化显微镜髓1 是结合了图像传感器和数字图像处理全过程的新型显微镜， 由它获取的图像可以在显示器上进行观察并可以随时记录，因此高像素、高清晰 的数字化显微镜改写了传统光学显微镜的历史，它具有传统光学显微镜不能比拟 的优势： 1 、数字化显微镜改变了传统显微镜手动操作方式，它通过机电系统和计算 机设备，把一些原来由手动操作的机械动作转由机电控制完成，于是，数字化显 微镜控制系统可实现多个特征点记忆自动回溯、物镜与照明自动匹配、厚度不均 匀切片焦距自动校正、不同物镜光轴、齐焦、自动补偿和高低倍物镜转换聚光镜 自动切换等任务。 2 、数字化显微镜改变了单一变量的传统显微镜下检测的模式，发展到数字 化显微镜控制的动态检测、显微镜设备间的协调控制、检测过程优化控制，大大 提高运用显微镜的自动化水平和工作效率，提高了运用显微镜观察的精确性和工 作效率。 1 山东大学硕士学位论文 3 、数字化显微镜将镜下视野图像从单幅肉眼观察升级为计算机控制高速全 景自动拼图，可以通过计算机显示器实时动态显示当前采集的图像，操作者不必 频繁地通过目镜观察样品情况，并支持显微图像同步浏览、自动回位，支持多幅 生物组织显微图像自动拼接。 4 、普通显微镜都有固定的景深，在纵向变化范围较大的情况下，难以各个 层面都清晰显示，增大放大倍数时更加明显。数字化控制显微镜系统可以实现对 标本各层面进行聚焦图像处理，可以得到各点均清晰聚焦的整幅图像。 所以，数字化显微镜打破了传统光学显微镜的观念，突破了传统光学显微镜 的诸多限制，将光学显微镜采集到的图像数字化，显示于液晶显示器或大投影上， 便于多人观察、研究，进行影像测量，存储打印；可广泛应用于生物教学、科研 实验、微小精密器件生产等诸多领域。 目前国外市场上已出现的数字化显微镜价格昂贵，国内也有很多显微镜数字 化系统方面的研究，由于他们数字化控制手段不尽相同，其最终产品在国内还未 能大力推广，因此显微镜数字化技术研究与开发仍具有很好的市场潜在价值。 1 2 显微镜数字化技术的发展状况 二十世纪七十年代后，随着微电子技术的迅速发展，大规模集成电路和中央 处理器的出现使聚焦由过去的目测和手调变为完全的自动控制。随着自动化水平 不断提高，自动聚焦技术也日臻完善，应用范围不断扩大，显微镜在自动化、高 精度、高稳定性等方面都取得了较大进展。进入二十世纪九十年代，自动调焦技 术已经广泛应用于航天、医学、军事以及各种精密测量和高精度投影仪器等领域， 显微镜数字化控制技术发展成为一门集光、电、机械于一体的复杂技术。 数字化显微镜是随着图像采集卡和计算机接口技术的发展而被提出并且快 速发展起来的。图像传感器和计算机接口技术口1 的革新是数字化显微镜发展的根 本，虽然数字化显微镜的理念很简单，但过去由于受到图像传感器分辨率、采集 率和计算机接口传输速率的限制，使得数码显微镜的实现不具有可用性。随着高 分辨率高图像传感器的研制和高速接口( u s b 、i e e e l 3 9 4 ) 技术的日益成熟，使 得实时采集传输高分辨率图像成为现实，这为显微镜数字化技术的发展提供了一 个良好的平台。 相对于普通的数码照相机，数码显微镜中的摄像可以在预览窗口中调节好图 2 第1 章绪论 像效果并将图像的最佳状态拍摄下来，即可保存或处理，能达到既真实又实时的 效果，而照相无法对图像进行预处理，特别是对于一些细节如色彩、局部结构的 清晰度等进行直接的调节，只有等图像输入电脑后才能知道图像的效果，若不理 想，必须重拍，这样要想拍到一张符合自己要求的数码图像，可能要经过多次的 反复拍摄才可以。 数字化显微镜最终是通过软件来实现其强大功能的，所以软件功能的多少、 强大与否非常关键。如是否可以实现动态实时预览，动静态捕捉，录音，录像， 目标的分割和计算，存储打印报告，远程共享和图像处理等功能，这些功能是在 生物教学和交流中经常用到的。在国外和国内部分重点中学应用较多的软件有： m o t i ci m a g e 2 0i m a g ep l u s2 0 等软件，如麦克奥迪所有的数字化显微镜都可 以实现实时图像预览。 国外显微镜数字化技术的发展远早于国内，现在数字化显微镜研究开发也主 要是在国外，数字化显微镜的技术还主要由国外厂商所具有，现在大多数应用的 数字化显微镜产品还是国外产品，所以数字化显微镜的价格相对来讲还很高。国 内的研发较为滞后，国内厂商研制生产的数字化显微镜种类较少，较少的一部分 也是一些低端的数字化显微镜产品，而且配套的图像处理系统也不够完善， 最近几年国内有一些相关技术研究，并有成套的产品推出，如m o t i c - j l 航图 像技术研发中心研制的b a 6 0 0 m o t 自动显微镜，它具有细胞图像自动扫描、定位、 识别、系列光学切片自动获取、三维重建功能的平台由于数字化显微镜整个系 统非常大，涉及的技术多，开发难度大，成套系统开发的较少，数字化显微镜造 价高，尤其是国外公司推出的成套系统价格不菲，达百万以上，国内的使用单位 往往无力承担。 显微镜自动聚焦技术有多种方法，传统的有红外线和超声波测距法，实际应 用中采用变步距遍历搜索方法实现自动聚焦h 1 ，通过改变步长实现了从快速粗调 到精确细调的过渡，跟传统聚焦算法相比，该算法能快速准确地完成自动聚焦， 该方法更为灵活实用，特别是在数字显微镜的应用中尤为突出。 显微镜图像拼接技术目前主要应用于全景视频系统和地理信息系统中，实现 若干幅部分重叠的小图像拼接成一幅大的图像，以得到全景信息，国外专家主要 对消除在固定点旋转摄像机拍摄自然景物时形成的透视变形，和将捕捉的图像拼 接为全景图进行了研究畸1 。国内方面浙江大学c a d c g 国家重点实验室和中国科学 3 山东大学硕士学位论文 院自动化所模式识别国家重点实验室在图像匹配和图像拼接方面作了较多的研 究工作。 现代生物医学、材料学等显微图像研究应用，需要由高级计算机图像工作站 与数字化显微镜一起组成智能化显微图像分析系统哺1 ，以提高自动化程度和工作 效率，降低人为干扰，提高分析精度，而显微图像处理软件的智能化程度、显微 图像处理、分析、识别的算法仍是制约显微镜数字化技术发展的重要因素。 1 3 课题的主要研究内容 如前所述，目前国内市场上的自动显微镜多为国外厂商所占据，因为价格高， 用户二次开发难度大，目前，存在于国内大专院校，中学，研究所中大部分的显 微镜还是手动调整载物台、手工聚焦的普通光学显微镜。本论文提出对普通光学 显微镜进行数字化改造的目标在于提供一种适合普通光学显微镜改造的，成本低 廉的，改造难度低的，改造工作量小的显微镜自动化改造方案。提供载物台的自 动控制，光学系统的自动聚焦，并对显微图像进行的处理以适应不同分析的需要。 对于基于普通显微镜的图像采集数字化技术研究，目前这方面还没有比较系 统的专著和介绍，所以在本论文中通过分析普通光学显微镜的结构，把计算机控 制技术、单片机控制技术、显微图像自动聚焦技术和机械结构设计技术应用到普 通显微镜的改造中，并在显微图像采集系统数字化技术方面取得了一定的实用效 果。 论文的主要内容包括： 1 显微镜图像采集系统数字化设计。 2 显微镜运动控制系统设计。 3 显微镜自动聚焦系统设计。 4 显微图像自动拼接技术开发及应用。 4 第2 章数字化显微镜图像采集系统技术原理及硬件设计 第2 章数字化显微镜图像采集系统技术原理及硬件设计 2 1 显微镜的主要构造及成像原理 光学显微镜是利用光学原理，把人眼所不能分辨的微小物体放大成像，其结 构包括三大部分：机械部分、光学部分和照明部分。机械部件主要包括调焦机构、 载物台、物镜转换器等运动夹持部件以及底座、镜臂等支持部件；光学系统包括 目镜、物镜；照明部分装在载物台下方，包括光源、反光镜、集光器，如图2 - 1 所示。 l 、机械部分 1 ) 镜座：用以支持整个镜体。 2 ) 镜柱：用以连接镜座和镜臂。 3 ) 镜臂：是取放显微镜时手握部位。 4 ) 镜筒：上端装有目镜，下端装有 物镜转换器。 精 5 ) 物镜转换器( 旋转器) ：接于棱镜 壳的下方，可自由转动，盘上有3 5 个 圆孔，是安装物镜部位，转动转换器，可 以调换不同倍数的物镜，当听到碰叩声 时，方可进行观察，此时物镜光轴恰好对 准通光孔中心，光路接通。 图2 - 1 显微镜结构 髓霄 6 ) 镜台( 载物台) ：在镜筒下方，形状有方、圆两种，用以放置玻片标本， 中央有一通光孔，我们所用的显微镜其镜台上装有玻片标本推进器( 推片器) ，推 进器左侧有弹簧夹，用以夹持玻片标本，镜台下有推进器调节轮，可使玻片标本 作左右、前后方向的移动。 7 ) 调节器：是装在镜柱上的大小两种螺旋，调节时使载物台作粗调和微调 的升降运动，从而使被观察物体对焦清晰成像。 2 、光学部分 1 ) 目镜：装在镜筒的上端，通常备有2 - - - 3 个，上面刻有5 、l o 或1 5 符号以表示其放大倍数，一般装的是1 0 的目镜。 5 山东大学硕士学位论文 2 ) 物镜：装在镜筒下端的旋转器上，一般有3 - 5 个物镜，其中最短的刻有 “1 0 ”符号的为低倍镜，较长的刻有“4 0 符号的为高倍镜，最长的刻有 “1 0 0 x 符号的为油镜。 3 、照明部分 1 ) 光源：有卤素灯、钨丝灯、汞灯、荧光灯等。 2 ) 反光镜：装在镜座上面，可向任意方向转动，它有平、凹两面，其作用 是将光源光线反射到聚光器上，再经通光孔照明标本。 3 ) 集光器( 聚光器) 位于镜台下方的集光器架上，由聚光镜和光圈组成，其作 用是把光线集中到所要观察的标本上。 4 、显微镜的成像原理 由目镜、镜筒、物镜等组成的显微镜成像系统原理，如图2 3 所示。经两个 凸透镜的两次放大，第一次是被观察的物体被物镜放大后呈倒立的放大的实像， 第二次倒立的放大的实像经目镜放大后呈正立的放大的虚像，显微镜的放大倍数 是这两次放大倍数的积。 目镜 i ，_ _ j z ：上 - 一l 一一 l l ， 、 ，一f 、 吣辫一，一r 二 、 - - - 叮 - 万l j- i 1 f 7 ；1 耸譬茹摩7 rr f 一 p ， 图2 - 2 显微镜成像原理 其中：f ，物是指物镜焦距，f 。是指目镜焦距，表示光学间隔，在显微镜上就 是镜筒长度，p 7 表示的出瞳距离，d 表示出射光瞳直径，指射出显微镜后光束的 大小。 5 、数字化显微镜 数字化显微镜包括光学系统、机械装置和摄像机，利用现代数字技术原理， 将数字技术同显微镜技术相结合，使显微图象数字化，直接显示于电脑屏幕，储 存在电脑中，随时可以打印出图片或胶片，或通过网络传输。其原理是通过c c d 6 第2 章数字化显微镜图像采集系统技术原理及硬件设计 或c m o s 摄像技术将显微镜的物镜或者目镜放大之后所成像部分，通过光电转换， 把光信号转换为电信号，并进一步引入电脑进行显示。 2 2 数字化显微镜总体方案设计 普通显微镜载物台移动、镜头聚焦、物镜转换和照明光源调控等操作均由人 工手动完成，这样无法实现显微图像的智能化处理，更无法实现远程控制。要改 变这些情况，必须设计数字化显微镜控制系统及配套机械结构，通过改变显微镜 的手动操作方式，来实现显微镜的自动化控制。 由于显微镜载物台的运动过程、机械轨迹比较简单，基于单片机的步进电机 控制系统被应用于数字化显微镜的控制中。考虑到显微镜载物台运动方式要求程 序化控制和图像采集处理的需要，本课题采用计算机相配套的单片机控制系统， 计算机与单片机的通信由r s 2 3 2 串行口实现。 显微镜数字化图像采集系统由计算机、单片机系统、步进电机、显微镜及自 动载物台、摄像头等组成，如图2 - 3 所示。它的工作原理是由计算机通过r s 2 3 2 串口对平台控制器发出指令，控制器中单片机收到指令后，即对该指令进行分析 判断，并根据指令设置相应内置步进电机的移动步数、移动速度、视场数和方向， 通过其精密机械传动机构，使对应的x - y z 载物台和物境转换器做精确移动，完 成一次控制操作。控制器通过单片机r s 2 3 2 接口向计算机发出一个返回信号，通 知计算机此次工作完毕，等待下次指令的接收，这样控制器依次执行计算机的控 制指令，完成计算机对x - y - z 扫描平台和调焦机构的连续控制。 l 潮头l i 图i f 显徽镜及自 l 蝴器卜 i 图一i 动载物台 p c 机系统 i 嬲t 执h 黼h 鞘机系统ei l 图2 - 3 数字化显微采集系统总体方案结构图 数字化显微镜图像采集系统硬件详细设计主要包括对载物台、物镜转换器、 摄像系统、伺服驱动及计算机控制系统等部分的设计。 7 山东大学硕士学位论文 2 3 显微镜载物台的改造 显微镜载物台是供操作时安装被检验物体用的，载物台分为固定台座和活动 台面两大部分。台座通过支架固定在显微镜的基体上，台面和台座之间用导轨联 接，通过导轨，台面和在台座上前后移动，在活动台面上，装有可作左右移动的 夹片装置。在活动台面的中心，有个长条形孔，保证台面作前后移动时，在整 个移动范围内，台下透射照明光线不被遮蔽。在活动台面的右后角上，有两个安 装在同一轴线上的滚花手轮，转动上面的小手轮时，使台面做前后移动，当移动 下面的大手轮时，驱动夹片装簧在台面上作左右移动。需要指出的是，载物台的 微调位移量是比较小的，不超过25 m m 。 以显微镜o l y m p u sc x 3 1 ( 如图24 ) 为例，对其载物台进行改造的设计原理 是采用单片机控制步进电机转动，而电机轴与载物台传动机构联接，这样把电机 的转动转换为载物台x 、y 方向的平动，以及载物台z 向升降运动。 电机驱动工作台方式大体有两种，一种是驱动电机与x 向或y 向工作台联成 一体，这种形式结构比较简单，但造成底层的驱动重量增人，电机的振动也会影 响工作台的精度；另一种足电机不与工作台联成一体，而是装在机座上，这种形 式的机械结构较为复杂，但减轻了下层电机的驱动重量，适用于高速运动。 载物台的导轨主要是保证整个运动部件的相对位置和相对运动的精度，以及 承受载荷包括工作台、滑板部件的重量。 在改造工作中，导轨仍沿用原来的显微镜 载物台的导轨。 xy 工作台系统基本上是由工作台滑 板、直线移动导轨、传动机构、驱动电机、 控制装置和位移检测等组成。在设计改造 xy 工作台时，传动系统的精度对整个x y 工作台及仪器设备的性能影响最大，所以 把机械部分与控制部分视为一体进行考 虑，同时在工作台拆装改造时必须慎之又 慎。 圉2 - 4 显微镜o l y m p u sc x 3 1 筇2 章数字化艟微镜l 刳像采集系统技术原 q 及蚀件“ 剧 园俺园 k 对于普通缸微镜柬说，一般被观察杯奉的重量几乎可以忽略不计，而且在移 动祝场的速度并不要求达到很高，所以综台设计强度和精度的要求，在不对载物 台进 ，大改动的情况下，时载物台x 和y 方向的改造，采用原载物台的传动机构， 把步进电机轴通过暇轴器与原传动机构按钏联接，使驱动电机lx 向和y 向t 作 白联成体。这样遵循了通过细分来提高步进精度的思路，不必在机械机构上进 行过多的改造， 是降低了成本，二足降低了改造难度，并凡改造后的机构精度 完全能螗满足要求， 洞焦机构按功能可分为耕 动调焦机构和微动调焦机构，按照行进方式分镜筒 升降式、弯把升降式和载物台升降式。凋焦机构要求系统在橱节过程中应用自如、 问隙遁巾，镜筒或载物台沿光轴作连续、平稳、准确的直线运动，凋节到位后不 f 滑，不宅叫。粗调位移量不应小于3 c m ，当粗调机构的运动灵敏皮小f 景深时， 则需要更精细的传动机制来进行微动调焦= 当转动粗动调焦于轮时，光学系统就 迅速的上下移动，当转动微动手轮一个角度时，光学系统仅仅作微量的r 刀和下 降。 普通显微的调焦机构的凋焦最小步长是微动调伟机构缺定的，所以我们采用 的步进电机代替粗动和微动涧焦f 轮，只使用一台步进电机实现调焦，步进电机 q 山东大学硕士学位论文 调焦机构的最小调焦步长必须等于小于原来微动调焦机构的最小步长，这就为步 进电机选用提供了依据。 调焦机构的改造也就是载物台z 向改造，在载物台z 向的改造工作中，主要是 对调焦手轮的改造，一般是对左调焦手轮进行改装，调焦手轮通过联轴器与电机 相联，然后使用一圆套筒包容电机、联轴器和调节器，并固定在镜柱上，电机再 固定在套筒上，这样达到电机不与工作台联成一体，而是装在镜柱上。这样的改 造结构虽然复杂，但采用步进电机不与工作台联成一体的方式，没有给整个载物 台增加重量，能更好地保证导轨原来的滑动精度，如图2 - 5 所示。 用百分表( 精度为0 0 1m i l l ) 对载物台两个方向的重复定位精度进行了测 试。首先将载物台某一位置进行零点标定，并向一个方向给出一定步数的脉冲， 然后再返回相同的步数，记录与零点的偏差，重复进行l o 次，计算这一步数的 重复定位误差。在x 轴方向取1 4m m ( 3 5 步) ，2 8m m ( 7 0 步) 和4 8m m ( 1 2 0 步) ，在y 轴方向取1 2m m ( 3 0 步) ，2 4m m ( 6 0 步) 和4 0r a m ( 1 0 0 步) 。 计算结果是：在x 方向上的标准偏差分别为o1 = 0 0 1 8m m ，o2 = o 0 2 5m m 和 o3 = 0 0 3 2m i l l ，平均标准偏差ox = 0 0 2 5m m ；在y 方向上的标准偏差 分别为o1 = 0 0 0 9 册，o2 = 0 0 1 4m m 和o3 = 0 0 2 3t o n i ，平均标准偏差oy = 0 0 1 5 唧。在x 轴方向上的重复误差分别为ax l = 0 0 1 6 r a m ，hx 2 = 0 0 1 9 r a m ，ax 3 = 0 0 2 6m m ：在y 轴方向上的重复误差分别为ay l = 0 0 0 6 姗，ay 2 = 0 0 1 0m i l l ， a y 3 = 0 0 1 7 r a m 。测试结果表明，显微镜载物台在x 和y 方向上的重复定位误差分 别为a x = 0 0 2 0m i l l ，a y = o 0 1 l m m ，满足了精度要求。 2 4 物镜转换器的改造 物镜转换器的精度都直接影响着显微镜的质量，一般用两个指标来考核物镜 转换器的精度，一个是转换器的定位精度，指的是当一个物镜处在工作状态下时， 它的视场中心对于其他物镜处于同样的工作状态时的视场中心偏移量；另一个指 标是物镜转换器的齐焦精度，它指的是当一个物镜被调焦在工作位置以后，转换 到其他物镜时，应在不重新调焦的情况下就能看到物象，如图2 - 6 所示。 显微镜的物镜转换器主要由固定板和转动板组成。本改造实验所采用的显微 镜大多是一个四孔物镜转换器，对这个部件进行自动化改造时，采用驱动电机主 轴转动带动转动板旋转。我们把电机安装在镜柱内侧，电机主轴通过联轴器与伞 齿传动机构相联，伞齿传动机构把转动传递给物镜转换器，从而实现物镜转换器 1 0 第2 章数字化屁微镜幽像采集系统技术原理及硬件设计 的自动旋转。伞齿传动机构采用尼龙材料，因为这样使传动的l 噪音减小，同时它 水身有自润滑功能，如图26 ，27 所示。 随建 目26 伞齿传动机构联接 h27 命齿传动机构的安皴 2 5 摄像头的选择 普通 i 微镜需要人眼从目镜中观察标本的显微图像，通过调整聚焦手轮和载 物台位置，得到清晰的显微图像，这过程比较费时费力，我们采用在目镜后方 安装数字摄像机，把显微图像通过图像传感器自动获取到计算机中，配合自动聚 焦算法，使培后存计苒机中得到的艋微图像是最清晰的，这样省去了手动调焦和 移动载物台的工作。 数7 摄相火( c c d 或c m o s ) 将显微镜的接物镜或者目镜放大之后所成像部分， 通过光屯转换，把光信号转换为电信号，通过串行通讯( 如u s b ) 的方式接入电脑 进行显示。它是数字化图像采集系统获取图像数据的基础，图像获取过程如图28 所示。 c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ( c c d ) 电荷耦合器件是一种半导体装置，能够把光 学影像转化为数字信弓。c m o s ( c o m p l e m e n t a r ym e t a lo x id es e m i c o n d u c t o r ) ，即 “互补金属氧化物半导体”。c c d 和c m o s 在制造上的主要区别是c c d 是集成在半 导体单晶材料上，】叮c m o s 是集成在被称做金属氧化物的半导体材料上，t 作原 理没有本质的区别。c c d 只有少数几个厂商例如索尼、松下等掌握这种技术。而 f lc c d 制造工艺较复杂，采用c c d 的摄像头价格都会相对比较贵，在其他条件相 同的情况下，c c d 芯片的摄像二 = 比c m o s 的摄像头成像质量高一些。但c m o s 价格实 惠，所以研究级的摄像头还足以c c d 为主。近年来c m o s 的摄像头重要技术进步很 快，在同定噪音抑制等方面获得了明显的提高。在这里我们两种部可采用，但要 1 1 山东大学硕士学位沦文 求较高的图像分辨率 图28 图像获取意幽 显微镜图像采集系统采用2 0 0 万像素以上的 t ；s b 摄像头，可以实现显微镜自动聚焦弓图像自 动采集，u s b 设备具有接口安装简单，适用性强 的优势，拥有较高的性价比。本论文采用数宁摄 像机易创y m 3 1 0 ( 如图2g ) ，这款摄相机是该公 司为显微镜图像采集系统独立丌发的，其技术参 数如下： 1 ) 1 0 万纯物理像素高分辨率数码摄像系统， l 2 英寸逐行扫描图像传感器。 幽29 易创州3 1 0 摄像机 2 ) 图像分辨率：2 0 4 8 x 15 3 6 ，0 帧秒8 0 0 6 0 0 ，2 0 帧秒。具有手动自 动曝光、手动自动白平衡，保证目镜下和电脑屏幕的显微镜图象同步清晰。 3 ) u s b 20 数字传输接口，标准c - m o u nr 接1 ，数据传输速率最高可达4 8 0 m p s 。 4 ) 图像单帧捕捉，殴定间隔拍照，实时录像功能( a v i 文件格式) 。 5 ) 支持i n d 0 w s 2 。0 0 ，x pp r o f e s s i o n a l 操作系统。 26 载物台伺服驱动系统 在分析了园内外多种类型的运动控制器的基础上，考虑到既经济又实用，控 制又简单，本系统采用步进电机作为显微镜载物台位置运动控制驱动单元。步进 电机是将数字脉冲输人转换为旋转或直线增量运动种电磁执行元件，尚呆用适 h 第2 章数字化显微镜图像采集系统技术原理及硬件设计 当的控制时，步进电机的输出步数( 转角位移量) 总是和输入的电脉冲数相等，在 增量运动方面，它具有迅速加速、减速和停机能力，还具有低转动惯量、无漂移 和无累积定位误差特征，其控制线路经济简单，不需要反馈编码器和相应的电子 线路。为此载物台驱动及物镜转换的驱动，这里均采用了结构简单的步进电机作 为驱动源。 2 6 1 步进电机的特点 1 ) 一般步进电机的精度为步距角的3 5 ： 2 ) 步进电机外表允许的最高温度为摄氏8 0 - 9 0 度： 3 ) 步进电机的力矩会随转速的升高而下降： 4 ) 步进电机低速时可以正常运转，但若高于一定速度就无法启动，并伴有 啸叫声。 2 6 2 步进电机的选型 步进电机一般在较大范围内调速使用，其功率是变化的，一般只用力矩来衡 量。力矩与功率换算如下： p = qxm ，q = 2 兀n 6 0 ，p = 2 兀n m 6 0 其中功率p 的单位为瓦，q 为每秒角速度，n 为每分钟转速，m 为力矩，单 位为牛x 米。步进电机有步距角( 涉及到相数) 、静转矩及电流三大要素组成。一 旦三大要素确定，步进电机的型号就 确定下来了，如图2 - 1 0 所示。 1 ) 步距角的选择 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。目前市场上步进电机的步距 角一般有0 3 6 0 7 2 ( 五相电机) 、0 9 0 8 ( 二、四相电机) 、1 5 3 ( 三 相电机) 等。 图2 一1 0 选择步进电机流程图 1 3 2 ) 静力矩的选择 步进电机的动态力矩很难确定，往往先确定 1 j lr c j ) j 矩。静力矩的选择依 据是电机工作的负载，而负载口分为惯性负载和摩擦负载两种。币一的赞陛负载 和单一的摩擦负载是小存在的。直接启动时两种负载均要考虑，加速启动时主要 考虑惯性负载，恒速运行时j l 要考虑摩擦负载。般情| 兕下，静力矩应为摩擦负 载的2 3 倍，静力矩旦选定，电机的几何尺寸便能确定下来。 3 ) f 乜流的选择 静力矩相等的电机，m 十电流参数小同，其运行特性差别很大，町依据矩频 特性曲线图，判断电机的电流( 参考驱动电源及驱动电压) 。 在本溧题中我们选用3 5 b y g 两相混合式步进电机，如图2 儿a 所示。 i ) 其技术特点 绝缘f 乜阻 5 0 0 v d c1 0 0 ) , i om i n 轴向问隙 o0 8 1 r a n 。 径向跳动00 2 n mm a x 7 温升6 5 km a x 绝缘强度5 0 0 vm1 m 1n u t e 环境温度一2 0 c 5 0 。c 绝缘等级b 数 目21 i a3 5 b y g 步进电机 2 ) 其外形尺寸，单位：i i u n ，如图21 1 b 所示 唾謦 2 63 步进电机的驱动方法 图2 一】l b 步进电机外形尺寸 步进电机不能直接接到交d 流电源上工作，而必须使用专用设备步进电 第2 錾数字化靠微镜削像采集系统挂术原理及硬件设计 动机驱动器。步进1 1 t 功机驱动系统的一性能，除与电动机臼身的能有天外，也在 诎人柞度r 取决于驰动器的优劣。 步进电动机驰动器的主要构成如图2 - 1 2 所示，一般l 如环形分配器、信号处 理缬、推动绒、驱动级等各_ 寿【i 分自i 成，用于功率步进电动机的鲋动器还要有多种 保护线路。 l 环形分配嚣 一信号放大与扯理r 叫推动纽f 斗驱动级i _ = = 广 叫保护绥 。 j j 剐21 2 步进电动机驱动器构成 本课题中选择两相张a 台式步进电机细分驱动器s h 一2 0 4 0 3 ，如图21 3 a 所示 ) 苒技术特点如r 1 0 v 4 0 v 直流供 u h 桥双极恒相流驱动 最大3 a 的八种输“ 电流町选 最大6 4 细分的七种细分模式可选 输入信号光电隔离 标准t 阳堆脉刊，接几 脱机保持功能 、r 暂闭式机壳可适应更严苛环境 提供节能的自动半电流锁定功能 2 ) 其i 乜路接线罔，如图21 3 b 所目； 目2 1 3 a 驱动器外形 吲21 3 b 电路接线目 2 7 计算机控制系统 制系统的构成 数字化显微镜图像采集控 机和底层单片机控制系统。本 制系统部分设计构成由两部分组成，即由上层p c 控制系统的上位机是基于w i n d o w s 操作系统，主要 完成显微图像数据捕捉和处理，而下位机是以a t 8 9 c 5 2 单片机为主要核心器件的 步进电机多轴控制系统盯3 ，主要完成显微镜载物台物镜切换的运动控制。单片机 从上位机接收信息，进而控制步进电机转动，驱动载物台移动， 动的实时控制。 2 7 2 单片机与步进电机驱动接口设计 从而实现多轴运 图2 - 1 4 单片机与步进电机驱动器接口 如图2 一1 4 所示，可以由a t 8 9 c 5 2 的一个p 口同时控制三个轴的步进电机驱 动器脉冲信号或方向控制信号，再将x 、y 、z 轴的步进电机驱动 和使能信号( f r e e ) 接在一起，由7 4 l s l 3 8 译码选通，译码器的选 器选通信号( c e ) 通端为低电平， 经反向后输出，7 4 l s l 3 8 的c 端接地，a 、b 由a t 8 9 c 5 2 的p 1 7 和p i 6 控制。 1 6 第2 章数字化显微镜图像采集系统技术原理及硬件设计 2 7 3 单片机与p c 机通信联接 单片机是系统执行部分的核心，它负责接收p c 主机发出的指令，按指令来 控制步进电机驱动器，并将执行的情况返回到主机。单片机与主机的通信通过串 口来实现，a t 8 9 c 5 2 有一个串口收发器、接收端( r x d ) 和发射端( t x d ) 。单片机与 计算机的串口通信必须遵循r s 一2 3 2 协议，在r s 一2 3 2 的规范中，电压在+ 3 v + 1 5 v 之间成为“0 或“s p a c e ，电压在一3 v 一1 5 v 之间称为“1 ”