CN109752832A - 一种显微镜镜筒在z轴上的运动控制方法及自动显微镜 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种显微镜镜筒在Z轴上的运动控制方法及自动显微镜，显微镜包括一台固设在显微镜镜筒一侧的相机，显微镜镜筒上具有至少一处的可被相机识别的标记点，通过相机获得标记点在当前图像中的当前像素位置；计得当前像素位置与标记点在预先标定时所获得的理想像素位置之间在高度方向上的像素个数差；依据像素个数差信息按预设规则计算出显微镜镜筒当前高度与理想高度之间的高度偏差信息；通过高度偏差信息对显微镜镜筒进行高度调节。通过采用本发明中方法以及本发明中自动显微镜，无需高绝对定位精度的定位模块和直线运动模块来控制Z轴，而使用低精度硬件定位与软件计算定位达到了相同的实用效果，极大降低了成本。
Description
技术领域
本发明涉及病理数字化领域，具体涉及一种显微镜镜筒在Z轴上的运动控制方法及自动显微镜。
背景技术
自动显微镜(motorized microscope)技术经过十数年发展，已比较成熟。但其中具有全切片扫描(whole slide imaging)功能的型号多基于高精度机械定位的原理，成本极高，限制了其在中低预算需求用户中的广泛应用。
本质而言，自动显微镜和传统的手动显微镜一样通常使用三个自由度移动被观察的样本：X、Y轴水平面移动以及Z轴垂直移动。其中，Z轴移动镜头，直接决定显微光学***的物距，因而决定了对焦成像效果。
为了保证运行过程可控而稳定，Z轴与X、Y轴同样需要高精度的定位功能，但设计Z轴的定位***的条件与X、Y轴有所不同：一方面Z轴上受重力作用，可以保证向下方向没有死区（镜筒的运行基本是通过丝杠滑块副带动，在重力作用下，可以保证滑块始终紧密地接触到丝杠，因此在丝杠转动时滑块即行在丝杠上开始运动，而不会出现“空程”）。
另一方面，使用高倍率而短景深的镜头时，只有在Z轴高度恰好位于能保证光学***齐/合焦的位置处时才能观察到清晰的图像，略微上下移动(通常只需要几微米，而总行程有数千微米)使得失焦后，画面便非常模糊，无法通过其测定Z轴当前的高度，加上样本上广泛存在未被样本覆盖而为彻底空白、无法通过显微图像判定合焦平面的区域，因而无法保证在任意位置时测定Z轴高度。这意味着现有技术中必须使用极高绝对定位精度、价格高昂的Z轴测量运动***。即通过高精度的定位装置首先找出当前镜筒与目标齐/合焦的位置处的高度差，再通过控制行走装置来驱动镜筒向下或向上行走到达理想位置。高精度的定位装置价格昂贵，不易维护。
另外，为了拍摄样本的全片鸟瞰照片，自动显微镜上通常配有与显微镜头分离的、低倍率的鸟瞰摄像头，但其与运动控制通常无关。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提出一种避免采用高成本的、维护不易的高精度硬件定位装置而能够实现相同效果的显微镜镜筒在Z轴上的运动控制方法及采用该方法的自动显微镜。
本发明为解决上述技术问题提出的技术方案（一）是：一种显微镜镜筒在Z轴上的运动控制方法，所述显微镜包括一台固设在显微镜镜筒一侧的相机，所述显微镜镜筒上具有至少一处的可被所述相机识别的标记点，所述方法包括以下步骤：
通过所述相机获得一幅关于显微镜镜筒处于当前高度位置时的数字图像，找出所述标记点在该图像中的当前像素位置；
计得所述当前像素位置与所述标记点在预先标定时所获得的理想像素位置之间在高度方向上的像素个数差；
依据所述像素个数差信息按预设规则计算出所述显微镜镜筒当前高度与理想高度之间的高度偏差信息；
通过所述高度偏差信息对显微镜镜筒进行高度调节。
进一步的，所述标记点的理想像素位置是由所述相机拍摄处于理想高度位置处的显微镜镜筒后得到图像进而在该图像中获得。
进一步的，所述对显微镜镜筒进行高度调节是通过镜筒Z轴行走机构实现，所述镜筒Z轴行走机构包括一根竖直设置的Z轴丝杠、驱动所述Z轴丝杠转动的Z轴电机和设置在所述Z轴丝杠上的Z轴滑块，所述Z轴滑块固联到所述显微镜镜筒。
本发明为解决上述技术问题提出的技术方案（二）是：一种自动显微镜，包括镜筒，其特征在于：
所述自动显微镜包括载物台、中央控制器、一台固设在所述镜筒一侧的相机和用于带动镜筒沿Z轴往复运动的Z轴行走机构，
所述镜筒上具有至少一处的可被所述相机识别的标记点，
所述相机适于在中央控制器控制下进行拍摄，并将所得图像即时传输给中央控制器，
所述中央控制器适于控制相机进行拍摄，所述中央控制器具有图像识别处理单元，所述图像识别处理单元适于在图像中识别出标记点并获得关于该标记点的当前像素位置；所述中央控制器具有计算单元，所述计算单元适于计算出标记点的当前像素位置与理想像素位置之间在高度方向上的像素个数差，进而根据所述像素个数差按预设规则计算出所述显微镜镜筒当前高度与理想高度之间的高度偏差信息；所述中央控制器还适于根据所述高度偏差信息控制所述Z轴行走机构带动所述镜筒运行到理想高度位置处。
进一步的，还包括以45度倾角设置在镜筒与相机之间的反光镜，
所述载物台为二维平移载物台，所述二维平移载物台能够在所述中央控制器的控制下将样片带动到所述反光镜下方。
进一步的，所述自动显微镜具有镜筒固定架，所述镜筒固定架上水平连接有向前伸出的镜筒水平抱箍架，所述镜筒装配在所述镜筒水平抱箍架中且能够在所述镜筒水平抱箍架的扶持下沿Z轴方向自由上下滑动，
所述Z轴行走机构设置在镜筒与镜筒固定架之间，所述Z轴行走机构包括竖直设置的Z轴丝杠和用于驱动所述Z轴丝杠的Z轴电机，所述Z轴丝杠上设置有Z轴滑块，所述Z轴滑块固联到镜筒下部。
进一步的，所述载物台具有照明模块，所述照明模块设于样片放置处下方，
所述标记点为设置在镜筒物镜底沿处的一圈倒角，当所述照明模块开启时所述倒角被照亮。
进一步的，所述载物台为能够沿XY轴进行二维水平移动的载物台，
所述载物台包括X轴电机，X轴电机的动力输出轴上连接有X轴丝杠，丝杠上连接有X轴滑块，X轴滑块连接到下层载物台；
下层载物台上设置有Y轴电机，Y轴电机的动力输出轴上连接有Y轴丝杠，Y轴丝杠上连接有Y轴滑块，Y轴直线轴承连接到上层载物台，上层载物台的台面上设置有样片放置处。
进一步的，所述镜筒上连接有激光反射板，所述激光反射板上方设置有用于与所述激光反射板配合测距的激光测距模块，所述激光测距模块的信号输出给中央控制器。
本发明的有益效果是：
通过采用本发明中方法以及本发明中自动显微镜，无需高绝对定位精度的定位模块和直线运动模块来控制Z轴，而使用低精度硬件定位与软件计算定位达到了相同的实用效果，极大降低了成本。
本发明中自动显微镜还通过一个摄像头来实现两种用途：其一，通过摄像头配合完成软件计算定位物镜高度，控制***成本；其二，通过45度反光镜和对样片的移动实现鸟瞰照片的采集。
并且***可以进行自动校正，运输或者设备磨损老化都可能造成硬件定位***参数发生变化，而固定且封闭的成像***质量以及软件计算十分稳定，通过自动校正参数，可以极大延长产品的有效使用寿命。
附图说明
下面结合附图对本发明的自动显微镜作进一步说明。
图1是实施例一中自动显微镜的外壳结构图；
图2是实施例一中自动显微镜的结构示意图；
图3是实施例一中自动显微镜的右视图；
图4是实施例一中自动显微镜去除镜筒水平抱箍架后的结构示意图；
图5是反光板的结构示意图；
图6是实施例一中自动显微镜正前方斜45度视角的结构示意图；
图7是实施例一中自动显微镜的俯视图；
图8是实施例一中自动显微镜的A-A向结构剖示图。
具体实施方式
实施例一
根据图1所示，本实施例中的自动显微镜在正常工作时放置在柜式机箱内，机箱的前部具有活动门，操作人员可以打开活动门进而装载样片。
如图2、图3和图4所示，本实施例中的自动显微镜包括镜筒1，在本实施例中作为优选的是：自动显微镜具有n型的镜筒固定架2，镜筒固定架2上连接有水平向前伸出的镜筒水平抱箍架3，镜筒1装配在镜筒水平抱箍架3中且能够在镜筒水平抱箍架3扶持下沿Z轴方向自由上下滑动。在其它应用场景中可以不限采用本实施例公开的镜筒1的固定方案，只要具有类似的镜筒1固定扶持作用即可。镜筒上可连接有专门拍摄放大后图像的采集摄像头98，也可供肉眼观察。
自动显微镜还包括载物台4、中央控制器（图中未示出）、一台固设在镜筒1一侧的相机5和用于带动镜筒1沿Z轴往复运动的Z轴行走机构6。载物台4具有样片放置处401，样片放置处401用于固定样片（图中未示出）。
镜筒1上具有至少一处可被相机5识别的标记点。标记点可以为涂装在镜筒1表面的特征色点/块，也可以是能够形成明显视角反差的凸起/凹槽。如图2和图6所示，在本实施例中标记点为设置在镜筒1物镜底沿处的一圈倒角101，载物台4具有照明模块（图中未示出），照明模块安装在设于样片放置处401下方的照明模块安装座410中。当照明模块开启时，光线穿过样片时将样片打亮并且一并倒角101照亮。从相机5所在位置拍摄过去，标记点反映在图像中部分即为一道具有一定高度和宽度的亮银色水平条纹，该亮银色水平条纹即为标记点在图像中的成像部分。
相机5适于在中央控制器控制下进行拍摄，并将所得图像即时传输给中央控制器。
中央控制器具有图像识别处理单元，图像识别处理单元适于在图像中识别出代表标记点的像素部分并获得关于该标记点的当前像素位置，当前像素位置可以采用标记点图像中任一个像素位置信息或多个像素的位置信息集合来表示。
中央控制器具有计算单元，计算单元适于计算出标记点的当前像素位置与理想像素位置之间在高度方向上的像素个数差，进而根据像素个数差按预设规则计算出显微镜镜筒1当前高度与理想高度之间的高度偏差信息。在本实施例中所谓标记点的理想像素位置是指在出厂或后续维护标定时，先由相机5拍摄处于理想高度位置处的显微镜镜筒1后得到图像，再由中央控制器对该图像的图像识别处理后获得的。理想高度是指镜筒1的高度适宜于物-目镜配合观察到清晰的样片放大成像。前述预设规则是指像素个数差与实际高度差的比例关系，该比例关系是由相机5与镜筒1之间的间距以及相机5镜头或成像模块硬件性质所决定，该预设规则既可以通过有限次试验确定，也可以直接通过相机5镜头或成像模块硬件的参数来确定。
中央控制器还适于根据高度偏差信息控制Z轴行走机构6带动镜筒1运行到理想高度位置处。如图8所示，在本实施例中，Z轴行走机构6设置在镜筒1与镜筒固定架2之间，Z轴行走机构6包括竖直设置的Z轴丝杠602和用于驱动Z轴丝杠602的Z轴电机601，Z轴丝杠602上设置有Z轴滑块603，Z轴滑块603固联到镜筒1下部。那么中央控制器的控制端连接到Z轴电机601的受控端。当然出于不同情况所需，Z轴行走机构6也可以由其它具有同等功能的硬件机构代替。
为了实现基于一台相机5而实现两种功能，在本实施例中进一步的还可以包括以45度倾角设置在镜筒1与相机5之间的反光镜（图中未示出）。如图6示出了本实施例中用于固定反光镜的安装座7，该安装座7具有一对用于连接到镜筒固定架2的连接耳701，在连接耳701的下方具有呈45度倾角的反光镜连接槽702。反光镜得以通过反光镜连接槽702呈45度倾角安装连接在安装座7中。本实施例仅公开了一种较为合理的反光镜安装方案，出于其它考虑也可以采用其它具有同等技术效果的反光镜安装方案。
如图7所示，载物台4为二维平移载物台4，二维平移载物台4能够在中央控制器的控制下将样片带动到反光镜下方。其中作为优选的是：该载物台4为能够沿XY轴进行二维水平移动的载物台4。载物台4包括X轴电机402，X轴电机402的动力输出轴上连接有X轴丝杠403，X轴丝杠403上连接有X轴滑块404，X轴滑块404连接到下层载物台405。下层载物台405上设置有Y轴电机406，Y轴电机406的动力输出轴上连接有Y轴丝杠407，Y轴丝杠407上连接有Y轴滑块408，Y轴直线轴承连接到上层载物台409，上层载物台409的台面上设置有样片放置处401。
如图5所示，为了适应镜筒1在Z轴方向上更大的行走间距的，可以作为优选的是：镜筒1上连接有激光反射板801，激光反射板801上方设置有用于与激光反射板801配合测距的激光测距模块802，激光测距模块802的信号输出给中央控制器。本实施例中的激光测距模块802安设在镜筒水平抱箍架3处，出于其他考虑也可以安装在其它位置。这样当镜筒1位于较高位置使得相机5无法拍摄到标记点时，中央控制器通过激光测距模块802的粗略测距结果先控制Z轴行走机构6进行初次下降。当相机5能够拍摄到标记点时，进而再利用前述像素差值信息进行精确地二次控制下降（不再赘述）。
实施例二
本实施例涉及一种显微镜镜筒1在Z轴上的运动控制方法，该方法建立在实施例一中技术方案的核心思想基础上，解决技术问题所需且本实施例未提及的部分延用实施例一中提供的相关技术方案。
一种显微镜镜筒1在Z轴上的运动控制方法，显微镜包括一台固设在显微镜镜筒1一侧的相机5，显微镜镜筒1上具有至少一处的可被相机5识别的标记点，方法包括以下步骤：
通过相机5获得一幅关于显微镜镜筒1处于当前高度位置时的数字图像，找出标记点在该图像中的当前像素位置。
计得当前像素位置与标记点在预先标定时所获得的理想像素位置之间在高度方向上的像素个数差。
依据像素个数差信息按预设规则计算出显微镜镜筒1当前高度与理想高度之间的高度偏差信息。
通过高度偏差信息对显微镜镜筒1进行高度调节。
其中作为优选的是：标记点的理想像素位置是由相机5拍摄处于理想高度位置处的显微镜镜筒1后得到图像进而在该图像中获得。
其中作为优选的是：对显微镜镜筒1进行高度调节是通过镜筒1Z轴行走机构6实现，镜筒1Z轴行走机构6包括一根竖直设置的Z轴丝杠602、驱动Z轴丝杠602转动的Z轴电机601和设置在Z轴丝杠602上的Z轴滑块603，Z轴滑块603固联到显微镜镜筒1。
本发明的不局限于上述实施例，本发明的上述各个实施例的技术方案彼此可以交叉组合形成新的技术方案，另外凡采用等同替换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围内。
Claims (9)
1.一种显微镜镜筒在Z轴上的运动控制方法，其特征在于：所述显微镜包括一台固设在显微镜镜筒一侧的相机，所述显微镜镜筒上具有至少一处的可被所述相机识别的标记点，所述方法包括以下步骤：
通过所述相机获得一幅关于显微镜镜筒处于当前高度位置时的数字图像，找出所述标记点在该图像中的当前像素位置；
计得所述当前像素位置与所述标记点在预先标定时所获得的理想像素位置之间在高度方向上的像素个数差；
依据所述像素个数差信息按预设规则计算出所述显微镜镜筒当前高度与理想高度之间的高度偏差信息；
通过所述高度偏差信息对显微镜镜筒进行高度调节。
2.根据权利要求1所述显微镜镜筒在Z轴上的运动控制方法，其特征在于：所述标记点的理想像素位置是由所述相机拍摄处于理想高度位置处的显微镜镜筒后得到图像进而在该图像中获得。
3.根据权利要求1所述显微镜镜筒在Z轴上的运动控制方法，其特征在于：所述对显微镜镜筒进行高度调节是通过镜筒Z轴行走机构实现，所述镜筒Z轴行走机构包括一根竖直设置的Z轴丝杠、驱动所述Z轴丝杠转动的Z轴电机和设置在所述Z轴丝杠上的Z轴滑块，所述Z轴滑块固联到所述显微镜镜筒。
4.一种自动显微镜，包括镜筒，其特征在于：
所述自动显微镜包括载物台、中央控制器、一台固设在所述镜筒一侧的相机和用于带动镜筒沿Z轴往复运动的Z轴行走机构，
所述镜筒上具有至少一处的可被所述相机识别的标记点，
所述相机适于在中央控制器控制下进行拍摄，并将所得图像即时传输给中央控制器，
所述中央控制器具有图像识别处理单元，所述图像识别处理单元适于在图像中识别出标记点并获得关于该标记点的当前像素位置；所述中央控制器具有计算单元，所述计算单元适于计算出标记点的当前像素位置与理想像素位置之间在高度方向上的像素个数差，进而根据所述像素个数差按预设规则计算出所述显微镜镜筒当前高度与理想高度之间的高度偏差信息；所述中央控制器还适于根据所述高度偏差信息控制所述Z轴行走机构带动所述镜筒运行到理想高度位置处。
5.根据权利要求4所述自动显微镜，其特征在于：还包括以45度倾角设置在镜筒与相机之间的反光镜，
所述载物台为二维平移载物台，所述二维平移载物台能够在所述中央控制器的控制下将样片带动到所述反光镜下方。
6.根据权利要求4所述自动显微镜，其特征在于：所述自动显微镜具有镜筒固定架，所述镜筒固定架上水平连接有向前伸出的镜筒水平抱箍架，所述镜筒装配在所述镜筒水平抱箍架中且能够在所述镜筒水平抱箍架的扶持下沿Z轴方向自由上下滑动，
所述Z轴行走机构设置在镜筒与镜筒固定架之间，所述Z轴行走机构包括竖直设置的Z轴丝杠和用于驱动所述Z轴丝杠的Z轴电机，所述Z轴丝杠上设置有Z轴滑块，所述Z轴滑块固联到镜筒下部。
7.根据权利要求4所述自动显微镜，其特征在于：所述载物台具有照明模块，所述照明模块设于样片放置处下方，
所述标记点为设置在镜筒物镜底沿处的一圈倒角，当所述照明模块开启时所述倒角被照亮。
8.根据权利要求4所述所述自动显微镜，其特征在于：所述载物台为能够沿XY轴进行二维水平移动的载物台，
所述载物台包括X轴电机，X轴电机的动力输出轴上连接有X轴丝杠，丝杠上连接有X轴滑块，X轴滑块连接到下层载物台；
下层载物台上设置有Y轴电机，Y轴电机的动力输出轴上连接有Y轴丝杠，Y轴丝杠上连接有Y轴滑块，Y轴直线轴承连接到上层载物台，上层载物台的台面上设置有样片放置处。
9.根据权利要求4、5、6、7或8所述自动显微镜，其特征在于：所述镜筒上连接有激光反射板，所述激光反射板上方设置有用于与所述激光反射板配合测距的激光测距模块，所述激光测距模块的信号输出给中央控制器。
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