适合空间应用的显微自动调焦装置及方法.pdf

一种适合空间应用的显微自动调焦装置及方法，该装置包括与空间目标依次成光学联结的显微光学系统(40)和获取显微图像系统(10)，以及对显微图像进行处理，用以确定清晰成像位置的图像处理系统(20)、以及联结图像处理系统(20)和显微光学系统(40)的微位移控制系统(30)，从而，形成一个闭环控制系统，实现显微自动调焦。该方法主要是依藉微位移控制系统对显微光学系统在规定范围内逐步移动与空间目标的距离获取显微图像，并按灰度差分法，对每一像元进行运算，求出一组灰度极值后再求灰度最大值，并以灰度最大值确定清晰成像位置，由微位移系统去调节显微光学系统与空间目标的距离，实现自动调焦。

1、  一种适合空间应用的显微自动调焦装置，包括：
一显微光学系统(40)，其与空间目标成光学联结并具有显微镜头和移动机构；其特征在于还有：
一图像获取系统(10)，其具有一安装在该显微光学系统(40)的成像面上的CCD成像器件(11)，获取目标显微图像，和一将显微图像转换成数字显微图像的图像数字化模块(12)，以及一存放数字显微图像的图像缓存模块(13)；
一图像处理系统(20)，其具有依次后接该图像缓存模块(13)的DSP接口电路(21)和DSP处理器(22)，对数字显微图像进行调焦处理，得到清晰成像位置；以及
一微位移控制系统(30)，其包含依次相连联的控制装置(31)、步进电机(32)和滚珠丝杆(33)，并分别由控制装置(31)连接图像处理系统(20)和由滚珠丝杆(33)连接显微光学系统(40)，根据图像处理系统(20)所确定成像位置调整显微光学系统(40)与空间目标的距离。

2、  根据权利要求1所述的适合空间应用的显微自动调焦装置，其特征在于：所述微位移控制系统(30)的移动步长为1μm/步。

3、  一种如权利要求1所述装置的空间目标显微自动调焦方法，其包括步骤：
a.移动显微光学系统的显微镜头一个步长，并由图像获取系统采集一幅图像，再转换成一幅数字显微图像；
b.向图像处理系统输入数字显微图像，并由图像处理系统在输入图像中选定一个调焦区域；
c.图像处理系统对该选定区域按灰度差分法计算调焦量，并存储位置量和调焦量；
d.在调焦范围内重复步骤a、b、c，得到设定位置量和相应的调焦量；
e.图像处理系统对得到的一组调焦量计算极值，获得若干个极值点，这些极值点分别代表若干层面空间目标清晰成像位置；
f.图像处理系统从这些极值点中求最大值；以及
g.图像处理系统将最大值信息送微位移控制系统，微位移控制系统将显微光学系统的镜头移至最大值所在位置，即得到空间目标数量最大且细节最丰富层面的清晰成像位置，完成调焦，或按用户要求，通过遥控指令移至其它极值点处，得到其它层面空间目标的清晰成像位置。

4、  根据权利要求3所述空间目标显微自动调焦方法，其特征在于：步骤a中所述显微镜头移动一个步长，等于一微米/步。

5、  根据权利要求3所述空间目标显微自动调焦方法，其特征在于：步骤c中所述灰度差分法是对调焦区域内的每一个像素进行差分运算。

6、  根据权利要求3所述空间目标显微自动调焦方法，其特征在于：步骤e和步骤f中所述求极值和任一组极值中求最大值，其使用函数关系式：
F ( i ) = Σ ( x , y ) { | f i ( x , y ) - f i ( x , y - 1 ) | + | f i ( x , y ) - f i ( x - 1 , y ) | } ]]>
                          (i＝0，1，…，M)
当图像聚焦时，F(i)取最大值。

适合空间应用的显微自动调焦装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种空间显微自动调焦装置及方法，特别是一种适合空间应用的空间立体分布细胞目标的显微自动调焦装置及其方法。
背景技术：
空间生命科学是一个全新的，也是现在世界各国积极研究的领域，在空间进行显微观察研究对空间生命科学发展的意义重大。空间显微观察的目标是装在密闭容器中立体分布的细胞，与装在载波片上的地面显微观察目标有很大的不同。在地面由于重力的作用，目标平铺成一层，可当成一个平面；在空间重力近乎消失，细胞悬浮在容器中，呈空间立体分布。要在空间进行显微观察，首先必须要有针对空间应用的空间立体分布细胞目标的显微自动调焦装置。
现有应用于不同的技术领域的各种自动调焦方法，都不能完全适合空间显微自动调焦。如照相机常用的自动调焦所采用测距法，包括三角测距、红外测距和超声波测距等。该测距自动调焦方法的不足之处在于精度不高，且无法消除容器壁的干扰，不适合空间应用的显微自动调焦。其他，如神舟二号空间晶体观察装置，属于宏观观察，它采用频谱法进行自动调焦，该方法主要不足在于：阈值随目标的不同而不同，不适合复杂背景下的自动调焦，尤其是不适合针对空间立体分布的显微目标的自动调焦。
发明内容：
本发明的目的在于适应空间生命科学实验的特点，提供一种适合空间应用地显微自动调焦装置，实现对空间三维培养细胞的实时观察，为科学研究提供清晰的图像数据。
本发明的另一目的，是提供一种适合空间应用的显微自动调焦方法。
本发明的技术方案如下：
根据本发明的一种适合空间应用的显微自动调焦装置，包括：一显微光学系统，其与空间目标成光学联结并具有显微镜头和移动机构；
其特点是，还有：一图像获取系统，其具有一安装在该显微光学系统的成像面上的CCD成像器件，用以获取目标显微图像，和一将显微图像转换成数字显微图像的图像数字化模块，以及一存放数字显微图像的图像缓存模块；一图像处理系统，其具有依次后接该图像缓存模块的DSP接口电路和DSP处理器，对数字显微图像进行调焦处理，得到清晰成像位置；以及一微位移控制系统，其包含依次相连接的控制装置、步进电机和滚珠丝杆，并分别由控制装置连接图像处理系统和由滚珠丝杆连接显微光学系统，根据图像处理系统所确定成像位置调整显微光学系统与空间目标的距离。
具体地，所述微位移控制系统的移动步长为1μm/步。
根据本发明的上述装置的空间目标显微自动调焦方法，其包括步骤：
a.移动显微光学系统的显微镜头一个步长，由图像获取系统采集一幅图像，并转换成一幅数字显微图像；
b.向图像处理系统输入数字显微图像，并由图像处理系统在输入图像中选定一个调焦区域；
c.图像处理系统对该选定区域按灰度差分法计算调焦量，并存储位置量和调焦量；
d.在调焦范围内重复步骤a、b、c，得到设定位置量和相应的调焦量；
e.图像处理系统对得到的一组调焦量计算极值，获得若干个极值点，这些极值点分别代表若干层面空间目标清晰成像位置；
f.图像处理系统从这些极值点中求最大值；以及
g.图像处理系统将最大值信息送微位移控制系统，微位移控制系统将显微光学系统的镜头移至最大值所在位置，得到空间目标数量最大且细节最丰富层面的清晰成像位置，完成调焦，或按用户要求，通过遥控指令移至其它极值点处，得到其它层面空间目标的清晰成像位置；
进一步：
步骤a中所述显微镜头移动一个步长，等于一微米/步；
步骤c中所述灰度差分法是对调焦区域内的每一个像素进行差分运算；
步骤e和步骤f中所述求极值和任一组极值中求最大值，其使用函数关系式：
F ( i ) = Σ ( x , y ) { | f i ( x , y ) - f i ( x , y - 1 ) | + | f i ( x , y ) - f i ( x - 1 , y ) | } ]]>
              (i＝0，1，…，M)
当图像聚焦时，F(i)取最大值。
本发明的优点是：
1.该自动调焦装置结构紧凑，调焦精确，可以达到微米级精度；
2.该自动调焦装置能够在复杂背景下对空间立体分布的目标进行自动调焦；
3.该自动调焦装置适合空间应用，能够对空间生命科学实验目标实现显微自动调焦。
4.该算法简单，计算量小，适合实现空间工程化；
5.该算法调焦精确，可以达到微米级精度；
6.该算法能够在复杂背景下对空间立体分布的目标进行自动调焦，特别适合在空间环境下实现自动调焦。
附图说明：
图1为本发明的自动调焦装置组成示意图。
图2为本发明的自动调焦程序流程图。
图3为本发明的目标图像示意图。
图4为切片目标细胞的调焦曲线。
图5为双层灵芝孢子的调焦曲线。
图6为多层细胞的调焦曲线。
具体实施方式：
下面根据图1～图6给出本发明一个较好实施例，结合该实施例进一步对本发明作详细阐述。
请参阅图1，本实施例包括显微光学系统40，图像获取系统10、图像处理系统20和微位移控制系统30。其中，在图像获取系统10中，CCD成像器件11安装在显微光学系统40的成像面上，获取目标的显微图像。该显微图像经过图像数字化模块12得到数字的显微图像，并存入图像缓存模块13中。图像处理系统20通过DSP接口电路21以DMA方式将图像缓存模块13中的图像读到内部RAM，再经DSP处理器22进行调焦处理，得到清晰成像的位置。在微位移控制系统30中，控制装置31和图像处理系统20相连，控制装置31驱动步进电机32转动，步进电机32与滚珠丝杆33相连，滚珠丝杆33又和显微光学系统40相连。在控制装置31的控制下，滚珠丝杆33带动显微光学系统40作轴向运动，以调整显微光学系统40与目标之间的距离。开始调焦时，在微位移控制系统30的控制下，显微光学系统40从零位开始，以固定步长(1μm)移动，根据调焦范围移动一定步数。显微光学系统40每移动一个步长，图像获取系统10采集一帧图像，并转换成数字显微图像，再将获取的一系列数字显微图像送入图像处理系统20，进行调焦处理后得到清晰成像的位置。再通过微位移控制系统30，将显微光学系统40移至调焦处理获得的清晰成像位置，从而实现自动调焦。
经过实验验证(如图4，5，6所示)，表明该显微自动调焦装置具有调焦精度高，能够获取空间立体分布目的清晰的显微图像，适合在空间应用。
请参阅图1、图2、图3和图4阐述对空间立体分布的细胞目标的调焦处理算法。该算法引进灰度差分的方法作为图像清晰度的判决函数；同时针对空间立体分布的细胞目标存在多个清晰成像的层面，该方法利用灰度差分法在调焦范围内对图像进行处理，获得一组调焦数值，然后利用求极值的方法获得各极值点的位置，这些极值点的位置就是各层细胞的清晰成像面。比较各个极值点，取得最大值处，其即为细胞细节最丰富的层面，然后移动显微镜至该位置，即完成对细胞细节最丰富的层面自动调焦；同时根据需求，也可以完成对其他成像面的自动调焦。
本实施例中，对空间立体分布的细胞目标进行调焦处理，由驻留在图像处理系统20中的自动调焦程序100执行，步骤流程如图2所示。步骤101，启动自动调焦程序100，接着程序100，依次执行如下步骤：
步骤102镜头移动一个步长，即由微位移控制系统20调节显微光学系统40与目标之距离，一个步长设定为1μm，由图像获取系统10采集一幅显微图像，并把其转换成一幅显微数字图像；
步骤103，输入图像，图像获取系统10把获取之显微数字图像输入图像处理系统20；
步骤104在输入的图像中选定一个调焦区域，即由图像处理系统20进行处理选定；
步骤105，由图像处理系统20对该选定区域按灰度差分法计算调焦量，并存储位置量和调焦量；
步骤106，由图像处理系统20判定是否在调焦范围内？如果在调焦范围(设定300μm)内，便重复步骤(102，103，104，105)，得到300个位置量和相应的调焦量；
如果满调焦范围，则依次执行步骤108，109，110和111；
步骤108，图像处理系统20对得到的一组调焦量计算极值，获得若干个极值点，这些极值点分别代表若干层面细胞的清晰成像位置；
步骤109，图像处理系统20在这些极值点中，求最大值；
步骤110，图像处理系统20将最大值信号送微位移控制系统30，并由微位移控制系统30将显微光学系统40的镜头移至最大值所在位置，即得到细胞数量最大且细节最丰富层面的清晰成像位置，从而完成调焦；也可按用户需求，能过遥控指令，将镜头移至其它极值点处，得到其它层面细胞的清晰成像位置。
最后，执行步骤111，调焦结束。
本发明中调焦区域，可以事先确定区域；也可根据需求把某些特征区域作为调焦区域。
本发明中灰度差分法，是对调焦区域内的每一个像素进行差分运算，如图3所示，这是一个形式简单但很有效的图像清晰度评价函数。对点(i，j)及其左方像素(i，j-1)和上方像素(i-1，j)做差分运算，得到该处灰度值的变化，为了防止求和过程中正负抵消，对差分值取绝对值后求和。函数关系式为：
F ( i ) = Σ ( x , y ) { | f i ( x , y ) - f i ( x , y - 1 ) | + | f i ( x , y ) - f i ( x - 1 , y ) | } ]]>
                  (i＝0，1，…，M)
当图像聚焦时，F(i)取最大值。
通过对单层、双层和多层细胞的调焦实验，如图4～图6所示曲线图，证明本发明可以完成对空间立体分布的细胞目标的自动调焦，由此可见，本发明的自动调焦方法可以完成对空间实验过程中悬浮细胞目标的自动调焦。