一种显微切片的扫描方法及扫描装置 【技术领域】
本发明属于显微镜技术领域， 具体涉及一种显微切片的扫描方法及扫描装置。背景技术 虚拟显微镜可以获得大视场的同时获得高分辨率的图像， 得到广泛的应用， 目前 主要有三种技术 ： 第一种是， 面阵图像传感器配合切片的扫描， 具体是切片移动一个视场 后， 停下来等面阵图像传感器曝光， 曝光结束后再移动至下一个视场， 依此类推， 获得多个 连续视场的图像数据， 最后拼接成全视场的图像。 该方法具有实现简单， 但切片需要走走停 停， 而且停止后还需再等待一段时间， 确保切片稳定后再开始曝光， 因而速度比较慢 ； 第二 种是， 线阵图像传感器配合切片的匀速运动， 一般称为线扫方式， 其在扫描时， 切片是保持 匀速运动， 速度很快， 但是控制复杂， 要求载物台的控制精度高， 并需要有辅助的对焦装置， 系统成本高 ； 第三种是， 微透镜阵列配合面阵图像传感器扫描， 速度非常快， 但是由于对焦 范围是对整个切片的组织部分进行聚焦， 图像质量也不很好， 其面阵图像传感器需要定制， 系统结构非常复杂。
发明内容 本发明要解决的技术问题是 ： 克服现有技术的不足， 提供一种扫描速度快、 系统简 单的显微切片的扫描方法及扫描装置。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是 ： 一种显微切片的扫描方法， 其特征 在于 ： 将待测切片沿着其纵向划分成若干个连续的扫描条带， 每个扫描条带的宽度设为成 像系统的物方视场在纵向方向的尺寸， 并且将每个扫描条带沿着横向再划分成若干个连续 的扫描视场， 每个扫描视场的长度设为成像系统的物方视场在横向方向的尺寸 ； 还包括如 下步骤 ：
a) 控制切片与成像系统在横向上相对连续运动， 即使切片的当前扫描条带连续穿 过成像系统的物方视场 ；
b) 当切片的当前扫描条带的当前扫描视场移动完全进入成像系统的物方视场时， 成像系统开始曝光， 曝光时间为 1 ～ 80μs ； 此时切片和成像系统仍在相对运动 ；
c) 采集当前扫描条带的当前扫描视场的曝光后的图像数据 ；
d) 将该当前扫描条带的当前扫描视场的图像数据和之前的当前扫描条带的所有 已存储图像数据合并， 作为当前扫描条带的图像数据存储于存储器中 ；
e) 判断切片的当前扫描条带是否扫描完成 ； 如果未完成， 则将当前扫描条带的下 一个扫描视场认定为当前扫描视场， 并返回步骤 b) ； 否则， 继续下一步骤 ；
f) 将当前扫描条带的图像数据和之前的已扫描的所有扫描条带的已存储图像数 据合并， 作为该切片整个扫描区域的图像数据存储于存储器中 ；
g) 判断切片的所有扫描条带是否扫描完成 ； 如果未完成， 控制切片和成像系统在 纵向上相对移动， 使成像系统位于切片的下一个扫描条带上， 并将下一个扫描条带认定为
当前扫描条带， 将下一个扫描条带的第一个扫描视场认定为当前扫描视场， 并返回步骤 a) ； 否则， 结束对该切片的扫描。
优选的， 所述步骤 a) 中， 切片与成像系统在横向上相对连续运动， 即： 或者是成像 系统静止， 切片运动 ； 或者是成像系统运动， 切片静止。
优选的， 所述步骤 a) 中， 切片与成像系统在横向上相对连续运动， 或者是匀速运 动， 或者是非匀速运动 ； 只要保证在成像系统曝光期间内的相对运动速度不会导致图像模 糊即可。
优选的， 成像系统的曝光时间， 是根据切片与成像系统的相对运动速度确定的， 只 要保证在成像系统曝光期间内， 切片与成像系统相对运动的速度不会导致图像模糊即可。
优选的， 成像系统的曝光时间为 20μs。
一种实施上述扫描方法的扫描装置， 包括计算机， 其特征在于 ： 还包括同轴设置的 照明系统、 成像系统， 所述照明系统与成像系统之间， 还设置有一自动三维移动平台 ； 一控 制器控制所述自动三维移动平台运动， 所述自动三维移动平台上可放置待测的切片 ； 所述 计算机与所述控制器、 成像系统分别相互电联接， 控制所述成像系统、 以及通过所述控制器 控制所述自动三维移动平台同步工作 ； 并使得所述自动三维移动平台上放置的待测切片与 成像系统处于连续的相对运动中。
优选的， 在所述自动三维移动平台上、 所述自动三维移动平台与成像系统之间， 设 置有切片支撑架 ； 所述切片支撑架用于放置待测的切片。
优选的， 所述控制器控制自动三维移动平台带动切片支撑架及其上待测的切片， 同时或分别在 X 方向即横向、 Y 方向即纵向和 Z 方向即轴向运动。
优选的， 所述的成像系统包括同轴顺序设置的成像镜头和图像传感器。
优选的， 所述的成像镜头包括同轴顺序设置的物镜和成像透镜。
优选的， 所述图像传感器为面阵图像传感器 ； 所述的面阵图像传感器， 其最短曝光 时间为 μs 数量级。
优选的， 所述的照明系统包括光源和照明透镜。
一种实施上述扫描方法的扫描装置， 包括计算机， 其特征在于 ： 还包括依次同轴 顺序设置的照明系统、 切片支撑架、 成像系统， 所述切片支撑架固定不动， 其上可放置待测 的切片 ； 所述成像系统与一自动三维移动平台连接 ； 所述自动三维移动平台由一控制器控 制， 可带动所述成像系统运动 ； 所述计算机分别与所述控制器、 成像系统相互电联接， 由所 述计算机控制所述成像系统、 以及通过所述控制器控制所述自动三维移动平台同步工作 ； 并使得所述成像系统与所述切片支撑架上放置的待测切片处于连续的相对运动中。
优选的， 所述控制器控制自动三维移动平台， 带动所述成像系统， 同时或分别在 X 方向即横向、 Y 方向即纵向和 Z 方向即轴向运动。
优选的， 所述的成像系统包括同轴顺序设置的成像镜头和图像传感器。
优选的， 所述的成像镜头包括同轴顺序设置的物镜和成像透镜。
优选的， 所述图像传感器为面阵图像传感器 ； 所述的面阵图像传感器， 其最短曝光 时间为 μs 数量级。
优选的， 所述的照明系统包括光源和照明透镜。
与现有技术相比， 本发明的有益效果是 ： 1) 扫描某个条带时时， 切片是连续运动的， 没有停留时间， 扫描速度得以有效提高 ； 2) 切片不需要严格的匀速运动， 对自动载物台 的控制精度要求较低， 比较容易实现， 也降低系统的成本 ； 3) 采用普通的面阵图像传感器， 不需要用昂贵的线阵图像传感器， 进一步降低系统成本 ； 4) 采用普通的面阵图像传感器， 可以直接用其建立对焦模型， 不需要额外的辅助对焦装置。 附图说明
图 1 是本发明实施例一、 实施例三和实施例四的扫描装置的结构框图 ；
图 2 是本发明实施例二、 实施例五的扫描装置的结构框图 ；
图 3 是切片沿 Y 方向分成 M 个扫描条带的示意图 ；
图 4 是图 3 中任一条扫描条带分成 N 个连续视场的示意图 ；
图中标记为 ： 1、 照明系统 ； 11、 光源 ； 12、 照明透镜 ； 2、 自动三维移动台 ； 3、 切片支 撑架 ； 4、 切片 ； 5、 成像系统 ； 51、 物镜 ； 52、 成像透镜 ； 53、 面阵图像传感器 ； 6、 计算机 ； 7、 控 制器。 具体实施方式 下面结合附图实施例， 对本发明做进一步描述 ：
实施例一
如图 1、 3、 4 所示， 一种显微切片的扫描方法， 先将待测的切片 4 置于自动三维移动 台 2 上， 沿着其纵向划分成若干个连续的扫描条带， 每个扫描条带的宽度设为面阵图像传 感器 53 的对应物方视场在纵向方向的尺寸， 并且将每个扫描条带沿着横向再划分成若干 个连续的扫描视场， 每个扫描视场的长度设为面阵图像传感器 53 的对应物方视场在横向 方向的尺寸 ；
a) 计算机 6 通过控制器 7 控制自动三维移动台 2 带动切片 4 的当前扫描条带， 沿 着 X 方向 ( 即横向 ) 连续运动， 穿过面阵图像传感器 53 对应的物方视场， 同时控制自动三 维移动台 2 在 Z 方向 ( 即轴向 ) 往当前视场的对焦位置 ( 事先建立对焦模型 ) 运动 ；
b) 当切片 4 在 Z 方向移到当前扫描条带的当前扫描视场的对焦位置后， 在 Z 方向 停止运动 ( 因 Z 方向的运动行程很短， 到达对焦位置的时间也很短 )， 待当前扫描视场沿着 X 方向连续移动， 进入面阵图像传感器 53 的对应物方视场 80％～ 90％时， 计算机 6 控制面 阵图像传感器 53 启动曝光， 曝光时间为 20μs ； 该曝光时间是现有相机能支持的最短曝光 时间 ； 当然， 该曝光时间越短越好， 这样可以减小图像模糊， 以致切片 4 由于运动引起的图 像模糊可以忽略 ；
c) 面阵图像传感器 53 曝光结束， 计算机 6 采集当前扫描条带的当前扫描视场的曝 光后的图像数据 ；
d) 计算机 6 将该当前扫描条带的当前扫描视场的图像数据， 和之前的当前扫描条 带的所有已存储图像数据， 根据重叠部分用软件拼接起来， 作为当前扫描条带的图像数据 存储于计算机 6 中 ；
e) 计算机 6 判断切片 4 的当前扫描条带是否扫描完成 ： 如果完成， 继续下一步骤 ； 否则， 就将当前扫描条带的下一个扫描视场认定为当前扫描视场， 并返回步骤 b) ；
f) 计算机 6 控制自动三维移动台 2 停止沿 X 方向运动， 同时， 将当前扫描条带的图
像数据和之前的已扫描的所有扫描条带的已存储图像数据合并， 作为该切片 4 整个扫描区 域的图像数据存储于计算机 6 中 ；
g) 计算机 6 判断切片 4 的所有扫描条带是否扫描完成 ： 如果完成， 结束对切片 4 的 扫描 ； 否则， 计算机 6 就控制自动三维移动台 2 带动切片 4 沿着 Y 向 ( 即纵向 ) 移动至下一 个扫描条带， 将下一个扫描条带认定为当前扫描条带， 将下一个扫描条带的第一个扫描视 场认定为当前扫描视场， 并返回步骤 a)。
实施例二
如图 2、 3、 4 所示， 该实施例是在实施例一基础上改进。实施例一中， 成像系统 5 是 固定的， 切片 4 是随自动三维移动平台 2 运动的 ； 本实施例二， 改为切片 4 固定在切片支撑 架 3 上， 而成像系统 5 固定在自动三维移动平台 3 上， 成像系统 5 随着自动三维移动平台 3 运动， 具体步骤如下 ：
先将待测的切片 4 置于切片支撑架 3 上， 沿着其纵向 ( 即 Y 向 ) 划分成若干个连 续的扫描条带， 每个扫描条带的宽度设为成像系统 5 的对应物方视场在纵向方向的尺寸， 并且将每个扫描条带沿着横向再划分成若干个连续的扫描视场， 每个扫描视场的长度设为 面阵图像传感器 53 的对应物方视场在横向 ( 即 X 向 ) 方向的尺寸 ； a) 计算机 6 通过控制器 7 控制自动三维移动平台 2 带动与其硬连接的成像系统 5 在横向上连续运动， 亦即， 使成像系统 5 沿着切片 4 的当前扫描条带连续运动 ；
b) 当切片 4 的当前扫描条带的当前扫描视场移动完全进入成像系统 5 对应的物方 视场时， 计算机 6 控制成像系统 5 开始曝光 ( 此时成像系统 5 仍在自动三维移动平台 2 的 带动下连续运动 ) ；
c) 成像系统 5 曝光结束后， 计算机 6 采集当前扫描条带的当前扫描视场的曝光后 的图像数据 ；
d) 计算机 6 将该当前扫描条带的当前扫描视场的图像数据， 和之前的当前扫描 条带的所有已存储图像数据合并， 作为当前扫描条带的图像数据存储于计算机 6 的存储器 中；
e) 计算机 6 判断切片 4 的当前扫描条带是否扫描完成 ； 如果未完成， 则将当前扫 描条带的下一个扫描视场认定为当前扫描视场， 并返回步骤 b) ； 否则， 继续下一步骤 ；
f) 计算机 6 将当前扫描条带的图像数据， 和之前的已扫描的所有扫描条带的已存 储图像数据合并， 作为切片 4 整个扫描区域的图像数据存储于计算机 6 的存储器中 ；
g) 计算机 6 判断切片 4 的所有扫描条带是否扫描完成 ； 如果未完成， 则通过控制 器 7 控制自动三维移动平台 2 带动与其硬连接的成像系统 5 在纵向运动， 使成像系统 5 移至 切片 4 的下一个扫描条带， 并将下一个扫描条带的第一个扫描视场认定为当前扫描视场， 并返回步骤 a) ； 否则， 结束对切片 4 的扫描。
实施例三
如图 1、 3、 4 所示， 该实施例是在实施例一基础上改进， 旨在进一步提高扫描速度。 其中， 面阵图像传感器 53 带有外触发功能 ； 自动三维移动台 2 的 X 向和 Y 向带有高精度的 位移传感器如光栅， 以准确知道自动三维移动台 2 的移动距离， 并在 X 向每移动一个准确的 扫描视场后， 控制器 7 输出一个信号， 作为面阵图像传感器 53 的外触发信号， 启动曝光， 曝 光结束后， 计算机 6 读取面阵图像传感器 53 的图像数据。由于获得的都是准确相邻视场
的图像数据， 可以直接无缝拼接， 不需要再通过软件算法拼接， 同时每个扫描视场没有重叠 率， 所以可以进一步提高扫描速度。
具体步骤如下 ：
先将待测的切片 4 置于自动三维移动台 2 上， 沿着其纵向划分成若干个连续的扫 描条带， 每个扫描条带的宽度设为面阵图像传感器 53 的对应物方视场在纵向方向的尺寸， 并且将每个扫描条带沿着横向再划分成若干个连续的扫描视场， 每个扫描视场的长度设为 面阵图像传感器 53 的对应物方视场在横向方向的尺寸 ；
a) 计算机 6 通过控制器 7， 控制自动三维移动台 2 带动切片 4 的当前扫描条带， 沿 着 X 方向连续运动， 穿过面阵图像传感器 53 对应的物方视场， 同时控制自动三维移动台 2 在 Z 方向 ( 即轴向 ) 往当前视场的对焦位置 ( 事先建立对焦模型 ) 运动 ；
b) 当切片 4 在 Z 方向移到当前扫描条带的当前扫描视场的对焦位置后， 在 Z 方向 停止运动 ( 因 Z 方向的运动行程很短， 到达对焦位置的时间也很短 )， 待当前扫描视场沿着 X 方向连续移动完全进入面阵图像传感器 53 的对应物方视场时， 控制器 7 输出一个信号， 作 为面阵图像传感器 53 外触发信号， 启动曝光， 曝光时间为 20μs ； 该曝光时间是现有相机能 支持的最短曝光时间 ； 当然， 该曝光时间越短越好， 这样可以减小图像模糊， 以致切片运动 引起的图像模糊可以忽略 ； c) 面阵图像传感器 53 曝光结束， 计算机 6 采集当前扫描条带的当前扫描视场的曝 光后的图像数据 ；
d)) 计算机 6 将该当前扫描条带的当前扫描视场的图像数据， 和之前的当前扫描 条带的所有已存储图像数直接拼接， 作为当前扫描条带的图像数据存储于计算机 6 中 ；
e) 计算机 6 判断切片 4 的当前扫描条带是否扫描完成 ； 如果未完成， 则将当前扫 描条带的下一个扫描视场认定为当前扫描视场， 并返回步骤 b) ； 否则， 继续下一步骤 ；
f) 计算机 6 通过控制器 7 控制自动三维移动台 2 停止沿 X 方向运动， 同时将当前 扫描条带的图像数据， 和之前的已扫描的所有扫描条带的已存储图像数据合并， 作为该切 片 4 整个扫描区域的图像数据存储于计算机 6 中 ；
g) 计算机 6 判断切片 4 的所有扫描条带是否扫描完成 ； 如果未完成， 控制自动三 维移动台 2 带动切片 4 沿着 Y 向移动至下一个扫描条带， 将下一个扫描条带认定为当前扫 描条带， 将下一个扫描条带的第一个扫描视场认定为当前扫描视场， 并返回步骤 a) ； 否则， 结束对切片 4 的扫描。
实施例四
如图 1、 3、 4 所示， 一种显微切片的扫描装置， 包括计算机 6， 还包括同轴设置的照 明系统 1、 成像系统 5， 所述照明系统 1 与成像系统 5 之间， 还设置有一自动三维移动平台 2 ； 在所述自动三维移动平台 2 上、 所述自动三维移动平台 2 与成像系统 5 之间， 设置有切片支 撑架 ； 所述切片支撑架用于放置待测的切片 ；
一控制器 7 控制所述自动三维移动平台 2 运动， 所述自动三维移动平台 2 上可放 置待测的切片 4 ； 所述计算机 6 与所述控制器 7、 成像系统 5 分别相互电联接， 控制所述成像 系统 5、 以及通过所述控制器 7 控制所述自动三维移动平台 2 同步工作 ； 并使得所述自动三 维移动平台 2 上放置的待测切片 4 与成像系统 5 处于连续的相对运动中 ；
所述控制器 7 控制自动三维移动平台 2 带动切片支撑架 3 及其上待测的切片 4， 同
时或分别在 X 方向即横向、 Y 方向即纵向和 Z 方向即轴向运动 ； 所述的成像系统 5 包括同轴 顺序设置的成像镜头和图像传感器 ； 所述的成像镜头包括同轴顺序设置的物镜 51 和成像 透镜 52 ； 所述图像传感器为面阵图像传感器 53 ； 所述的照明系统 1 包括光源 11 和照明透镜 12。
实施例五
如图 2、 3、 4 所示， 一种显微切片的扫描装置， 包括计算机， 还包括依次同轴顺序设 置的照明系统 1、 切片支撑架 3、 成像系统 5， 所述切片支撑架 3 固定不动， 其上可放置待测的 切片 4 ； 所述成像系统 5 与一自动三维移动平台 2 连接 ； 所述自动三维移动平台 2 由一控制 器 7 控制， 所述控制器 7 控制自动三维移动平台 2 带动所述成像系统 5， 同时或分别在 X 方 向即横向、 Y 方向即纵向和 Z 方向即轴向运动 ； 所述计算机 6 分别与所述控制器 7、 成像系统 5 相互电联接， 由所述计算机 6 控制所述成像系统 5、 以及通过所述控制器 7 控制所述自动 三维移动平台 2 同步工作 ； 并使得所述成像系统 5 与所述切片支撑架 3 上放置的待测切片 4 处于连续的相对运动中 ；
所述的成像系统 5 包括同轴顺序设置的成像镜头和图像传感器 ； 所述的成像镜头 包括同轴顺序设置的物镜 51 和成像透镜 52 ； 所述图像传感器为面阵图像传感器 53 ； 所述 的照明系统 1 包括光源 11 和照明透镜 12。
光源 11 具有较高的亮度， 使得面阵图像传感器 53 可以用较短的曝光时间获得图 像； 自动三维移动台 2 上放置待扫描的切片 4 ； 控制器 7 的输出接至自动三维移动台 2， 控制 器 7 向自动三维移动台 2 输出驱动信号， 使自动三维移动台 2 上的切片 4 沿横向和 / 或纵 向移动 ； 面阵图像传感器 53 能支持最短的曝光时间为 μs 数量级 ； 计算机 6 分别与控制器 7、 面阵图像传感器 53 相互电连接， 控制自动三维移动台 2 和面阵图像传感器 53 的同步工 作， 使得自动三维移动台 2 带动切片 4 移动一个扫描视场后， 面阵图像传感器 53 立即曝光。
所述的光源 11， 提供较强的亮度， 以保证面阵图像传感器 53 工作在最短曝光时间 情况下， 可以获得足够亮度的图像， 或者选用大功率的卤素灯 (50W)、 LED(3W) 等等， 或者选 用具有同步闪光功能的光源， 只在曝光期间工作即闪光 ； 面阵图像传感器 53 是采用逐行扫 描方式对切片 4 进行成像的， 首先需将切片 4 沿着纵向划分成 M 若干个连续的扫描条带， 每 个扫描条带的宽度设为面阵图像传感器 53 的对应物方视场在纵向方向的尺寸， 并且将每 个扫描条带沿着横向再划分成若干个连续的扫描视场， 每个扫描视场的长度设为面阵图像 传感器 53 的对应物方视场在横向方向的尺寸。
如图 3 所示， 是切片 4 沿 Y 方向分成 M 个扫描条带的示意图， 假设切片 4 是沿 X 方向 匀速运动， 其长为 Sx， 宽为 Sy， 面阵图像传感器 53 对应的物方视场是长为 Fx， 宽为 Fy 的矩 形， 将切片 4 的扫描区域分成 M 个连续的长为 Sx， 宽为 Fy 的扫描条带， 其中 ： 表示上取整函数。
如图 4 所示， 是其中一条扫描条带分成 N 个连续视场的示意图， 宽度为 Fy， 长 度 为 Sx 的 扫 描 条 带 在 X 方 向 以 物 方 视 场 的 长 Fx 为 单 位 分 成 N 个 连 续 的 视 场， 其中 ：
本发明采用了将切片 4 沿着纵向划分成若干个连续的扫描条带， 每个扫描条带的 宽度设为面阵图像传感器 53 的对应物方视场在纵向方向的尺寸， 并且将每个扫描条带沿着横向再划分成若干个连续的扫描视场， 每个扫描视场的长度设为面阵图像传感器 53 的 对应物方视场在横向方向的尺寸， 工作时控制切片 4 的每个扫描条带依次穿过面阵图像传 感器 53 对应的物方视场， 并且每穿过一个扫描视场， 面阵图像传感器 53 就曝光一次， 而且 曝光时间足够短， 保证相对运动引起的图像模糊可以忽略， 这样在扫描过程中， 切片 4 和面 阵图像传感器 53 是一直在相对运动， 有效提高了扫描速度。
所述的切片 4 的运动， 指的是切片 4 与面阵图像传感器 53 及物镜 51、 成像透镜 52 的相对运动 ； 既可以是切片 4 运动， 而面阵图像传感器 53 及物镜 51、 成像透镜 52 静止， 也 可以是切片 4 静止， 面阵图像传感器 53 及物镜 51、 成像透镜 52 运动。
所述切片 4 的运动， 可以是匀速运动， 也可以是非匀速运动， 只要保证在面阵图像 传感器 53 曝光期间内的速度， 不会导致图像模糊即可。
以上所述， 仅是本发明的较佳实施例而已， 并非是对本发明作其它形式的限制， 任 何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等 效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容， 依据本发明的技术实质对以上实施例所 作的任何简单修改、 等同变化与改型， 仍属于本发明技术方案的保护范围。