阅读说明：本技术 一种开环控制的显微自动聚焦装置及方法 (Open-loop control microscopic automatic focusing device and method ) 是由 孙召敏 吕琦 胡海星 于 2021-06-30 设计创作，主要内容包括：本发明涉及显微自动聚焦技术领域,公开了一种开环控制的显微自动聚焦方法,执行显微自动聚焦方法的显微自动聚焦装置包括载玻台、摄像头、用于摄像头聚焦的Z轴驱动机构和控制模块,该方法包括如下步骤：控制摄像头在聚焦范围内朝向一个方向移动,同时记录每一帧图像对应的系统时间以及大小和焦距值Z；根据记录的数据计算生成时间与图片大小的曲线图、与焦距值Z的直线图；找到关键节点；控制摄像头反向移动至关键节点后,再做一次线性补偿。本发明通过对聚焦的一次性补偿后,在确保高聚焦度的情况下,有效缩短聚焦时间,提高聚焦效率,有效解决摄像头时戳和控制系统时戳无法精确同步的问题。(The invention relates to the technical field of microscopic automatic focusing, and discloses an open-loop controlled microscopic automatic focusing method.A microscopic automatic focusing device for executing the microscopic automatic focusing method comprises a glass carrying table, a camera, a Z-axis driving mechanism for focusing the camera and a control module, and the method comprises the following steps: controlling the camera to move towards one direction in a focusing range, and simultaneously recording the system time, the size and the focal length value Z corresponding to each frame of image; calculating and generating a curve graph of time and picture size and a line graph of a focal length value Z according to the recorded data; finding a key node; and after the camera is controlled to move reversely to the key node, linear compensation is performed again. According to the invention, after one-time compensation of focusing is carried out, under the condition of ensuring high focusing degree, the focusing time is effectively shortened, the focusing efficiency is improved, and the problem that the camera timestamp and the control system timestamp cannot be accurately synchronized is effectively solved.)

一种开环控制的显微自动聚焦装置及方法

技术领域

本发明属于显微自动聚焦

技术领域

，具体涉及一种开环控制的显微自动聚焦装置及方法。

背景技术

全自动显微镜扫描系统是近年来出现的高精度扫描仪器，被广泛地应用在医学研究、临床应用、生物研究及工业应用等领域。

全自动显微镜扫描系统其核心在于自动聚焦，现有的自动聚焦一般采用闭环控制系统的方式来完成显微镜的自动聚焦，利用步进电机等运动装置控制对焦位置，通过对相机图像传感器采集到的图像进行清晰度计算，由图像清晰度来反馈控制运动装置移动的方向和步长，直到找到清晰度最大的位置即为对焦准确的位置，最终完成调焦，这种聚焦方式存在清晰度评价函数，采用这种方法，虽然成本低，但易出现伪焦峰和局部振荡导致成像不理想或者聚焦失败，针对这一问题，如中国专利CN2020105953409，公开一种基于图像处理的自动聚焦方法，基于改进的Robert灰度函数作为图像清晰度评价函数，并将曲线拟合法的思想嵌入到传统爬山算法的局部搜索这种方法虽然在一定程度上摆脱伪焦峰的干扰，避免了聚焦搜索过程中陷入局部峰值而造成复杂耗时的问题，但这种方法仍然逃不掉闭环控制系统存在系统的复杂性和不稳定性，由于全自动显微镜扫描系统的自动聚焦一般采用丝杆加线性导轨的传动方式来驱动载物台运动进行聚焦，由于机械加工以及装配均存在一定的误差，在自动聚焦寻找聚焦点的过程中，丝杆加线性导轨往复运动时，会存在摄像头时戳和控制系统时戳无法精确同步的问题，导致系统计算出来的聚焦点与实际组焦点存在一定的偏差，这种往复寻找聚焦点的次数越多，其误差就越大，为此，我们提出一种开环控制的显微自动聚焦装置及方法。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中存在摄像头时戳和控制系统时戳无法精确同步的缺点，而提出的一种开环控制的显微自动聚焦装置及方法。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

设计一种开环控制的显微自动聚焦方法，执行所述显微自动聚焦方法的显微自动聚焦装置包括载玻台、摄像头、用于所述摄像头聚焦的Z轴驱动机构和控制模块；

所述方法包括如下步骤：

S1、控制摄像头在聚焦范围内朝向一个方向移动，同时记录每一帧图像对应的系统时间以及大小和焦距值Z；

S2、根据S1记录的数据计算生成时间与图片大小的曲线图、与焦距值Z的直线图；

S3、找到曲线图的波峰点(t2，z2)以及波峰点两侧曲线与直线的交点(t1，z1)和(t3、z3)为关键节点；

S4、根据找到的Z位置，控制摄像头反向移动至z2后，再做一次值为|z1-z3|的线性补偿。

进一步的，所述S2中，系统时间与图片大小的曲线图在摄像头移动的过程中形成倒置的双峰曲线，双峰曲线的两个波谷值为摄像头为聚焦距离最大值，两个波谷中间的一个波峰值为聚焦点。

本本发明还提出了一种开环控制的显微自动聚焦装置，采用开环控制的显微自动聚焦方法，所述载玻台、摄像头、用于所述摄像头聚焦的Z轴驱动机构和控制模块；

所述载玻台设有用于检测的载玻片，用于聚焦的终点；

所述摄像头用于移动时，沿移动方向采集连续的图像；

Z轴驱动机构内至少设有用于驱动摄像头升降的步进电机、可往复运动的线性导轨、与线性导轨相适配的丝杆，所述摄像头设置在线性导轨上，所述丝杆通过联轴器固定设置在步进电机的输出轴上；

所述控制模块包括具有计算图像大小算力的处理器和用于存储控制所述Z轴驱动机构程序的存储器，所述程序可控制Z轴驱动机构驱动摄像头做往复运动。

进一步的，所述摄像头设置在载玻台的下方。

进一步的，还包括照明用的光源，所述光源设置在载玻台的上方，所述光源与摄像头共轴设置。

本发明提出的一种开环控制的显微自动聚焦装置及方法，有益效果在于：本发明采用开环控制的方式实现显微自动聚焦，相比现有的闭环控制具有结构简单，成本低，比较经济，通过对聚焦的一次性补偿后，在确保高聚焦度的情况下，可有效缩短聚焦时间，提高聚焦效率，并有效解决摄像头时戳和控制系统时戳无法精确同步的问题，有效提高聚焦成像的质量。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明关于开环控制的显微自动聚焦方法的流程框图；

图2是本发明的关于开环控制的显微自动聚焦装置的结构示意图；

图3是本发明的关于实施例中曲线与焦距值Z的直线示意图；

图中标记为：1、摄像头；2、载玻台；3、Z轴驱动机构；4、光源。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“设有”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

现结合说明书附图(参见图1-3)，详细说明本发明的结构特点。

一种开环控制的显微自动聚焦装置，载玻台2、摄像头1、用于摄像头1聚焦的Z轴驱动机构3和控制模块，还包括照明用的光源4，光源4设置在载玻台2的上方，载玻台2设有用于检测的载玻片，载玻片为摄像头1的聚焦面，光源4与摄像头1共轴设置，摄像头1设置在载玻台2的下方，在使用时，摄像头1通过光源4的照明，可通过载玻台2中部通孔位置采集载玻片物体的图像。

摄像头1沿XY轴移动时，沿移动方向采集载玻台2上物体的连续图像。

Z轴驱动机构3内至少设有用于驱动摄像头1升降的步进电机、可往复运动的线性导轨、与线性导轨相适配的丝杆，摄像头1设置在线性导轨上，丝杆通过联轴器固定设置在步进电机的输出轴上。控制模块包括具有计算图像大小算力的处理器和用于存储控制Z轴驱动机构3程序的存储器，程序可控制Z轴驱动机构3驱动摄像头1沿z轴方向做往复运动。

本发明还提出一种开环控制的显微自动聚焦方法，包括如下步骤：

步骤1、控制摄像头1在聚焦范围内沿Z轴自上而下移动，同时记录每一帧图像对应的系统时间以及大小和焦距值Z。

步骤2、根据上述记录的数据计算生成系统时间与图片大小的曲线图、与焦距值Z的直线图，系统时间与图片大小的曲线图在摄像头1移动的过程中形成倒置的双峰曲线，双峰曲线的两个波谷值为摄像头1为聚焦距离最大值，两个波谷中间的一个波峰值为聚焦值。

步骤3、找到曲线图的波峰点(t2，z2)以及波峰点两侧曲线与直线的交点(t1，z1)和(t3、z3)为关键节点。

步骤4、根据找到的Z位置，控制摄像头1反向移动至z2后，再做一次值为|z1-z3|的线性补偿。

本发明的开环控制的显微自动聚焦装置及方法，本发明采用开环控制的方式实现显微自动聚焦，相比现有的闭环控制具有结构简单，成本低，比较经济，通过对聚焦的一次性补偿后，在确保高聚焦度的情况下，可有效缩短聚焦时间，提高聚焦效率，并在一定程度上解决摄像头时戳和控制系统时戳无法精确同步带来聚焦不到位的问题，有效提高聚焦成像的质量。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。