CN114485461A - 一种加快数字切片扫描仪扫描速度的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种加快数字切片扫描仪扫描速度的方法，该数字切片扫描仪包括显微光学系统、获取显微视场图片的扫描相机、对焦相机、三轴运动平台及压电陶瓷驱动装置；压电陶瓷驱动装置连接三轴运动平台；扫描过程中，通过对焦相机获取显微视场中的光照度均匀度值，并反馈给计算机处理系统，经计算机处理系统的识别和计算判断该载物台与Z轴动线之间是否垂直；若不垂直，则控制该压电陶瓷驱动装置动作，使该载物台与Z轴动线之间垂直，进而通过调节压电陶瓷驱动装置和/或显微光学系统物镜和/或对焦相机重新对载物台上的切片进行对焦。它具有如下优点：实现快速对焦，快速连续扫描并获取高质量图像。
Description
技术领域
本发明涉及数字切片扫描仪，尤其涉及一种加快数字切片扫描仪扫描速度的方法。
背景技术
数字切片扫描仪由光学、机械、电子、计算机等组成的精密仪器，工作原理为通过控制显微成像系统和切片以一定的规则运动，获取多张连续的高分辨率图像，再拼接生成一张高分辨率的全切片图像(也称为虚拟切片)。用户可以对该张高分辨率的数字图片进行保存、管理、分享，具有可随意放大缩小等优点。该应用已经广泛用于病理诊断、教学培训、药物研究和科学研究等领域。
随着应用的推广，对扫描仪的性能要求越来越高，尤其是对扫描质量与速度的要求越来越高。要获得高质量的图像，要求相机对焦准确，而通常数字化一张切片需要拍摄成千上万个视野的图像拼接成全切片图像，所以对焦方式会影响扫描速度。而对焦准确与否，与扫描系统的运动轴的平行度和垂直度有非常大的关系，而运动轴的平行度与垂直度问题最终会反应在运动轴上用于置放切片的载物台与Z轴动线的垂直度上。
由于机械加工和安装的误差及运动轴(X轴动线、Y轴动线、Z轴)之间的相对运动，造成系统的定位偏差在扫描过程中是随机变化的，即扫描过程中，焦面也是随机变化的，所以现有产品的面阵相机扫描仪很难采用连续扫描取图的方式，大部分是采用建模后进行单步扫描。这样建模时间长，尤其是要获得高质量的图像，模型点要求成倍增加。用这种对焦和扫描方式，整张图片的扫描时间将大大增加。
发明内容
本发明提供了一种加快数字切片扫描仪扫描速度的方法，其克服了背景技术中所述的现有技术的不足。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种加快数字切片扫描仪扫描速度的方法，该数字切片扫描仪包括显微光学系统、获取显微视场图片的扫描相机、对焦相机、三轴运动平台及压电陶瓷驱动装置，三轴运动平台包括X轴动线、Y轴动线、Z轴动线和设在该X轴动线上的用于置放切片的载物台，该显微光学系统设在Z轴动线上，Z轴动线位于Y轴动线上并能随着Y轴动线沿Y轴动线方向运动,Z轴动线与显微光学系统中经过物镜的光轴平行；
该压电陶瓷驱动装置连接三轴运动平台，用于调节载物台与Z轴动线之间的垂直度；
扫描仪扫描过程中，通过对焦相机获取显微视场中的光照度均匀度值，该CV值能反应载物台与Z轴动线之间的垂直度情况；
将该CV值反馈给计算机处理系统，经过计算机处理系统的识别和计算判断该载物台与Z轴动线之间是否垂直；
若不垂直，则控制该压电陶瓷驱动装置动作，调整该三轴运动平台，使该载物台与Z轴动线之间垂直，进而通过调节压电陶瓷驱动装置和/或显微光学系统物镜和/或对焦相机重新对载物台上的切片进行对焦；若垂直，不进行载物台与Z轴动线之间的垂直度调整和切片对焦。
一实施例之中：在进行垂直度的调节过程中，该对焦相机将显微视场CV值实时反馈给计算机处理系统，使该计算机处理系统与该压电陶瓷驱动装置之间形成闭环反馈调节控制。
一实施例之中：该压电陶瓷驱动装置包括多路压电陶瓷驱动器和多路压电控制器，该计算机处理系统向多路压电控制器发送控制命令，再由多路压电控制器控制多路压电陶瓷驱动器动作，来调整载物台与Z轴动线的垂直度。
一实施例之中：在多路压电陶瓷驱动器调整载物台与Z轴动线的垂直度的同时，该多路压电陶瓷驱动器将其调节过程实时反馈给多路压电控制器，使多路压电陶瓷驱动器与多路压电控制器之间形成闭环反馈控制调节。
一实施例之中：该多路压电陶瓷驱动器为至少两路的压电陶瓷驱动器，固定在载物台的下方并对载物台进行调节，从而使载物台与Z轴动线垂直。
一实施例之中：该三轴运动平台还包括设在该Y轴动线上的一托盘，该Z轴动线、显微光学系统、扫描相机和对焦相机位于该托盘上，通过Y轴动线驱动托盘沿Y轴动线方向运动来带动显微光学系统、扫描相机和对焦相机沿Y轴动线方向运动，该多路压电陶瓷驱动器为至少两路的压电陶瓷驱动器，固定在该托盘下方并对该托盘进行调节，从而使X轴动线上的载物台与Z轴动线垂直。
一实施例之中：该多路压电陶瓷驱动器为至少两路的压电陶瓷驱动器，该Y轴动线上设有一托盘，该Z轴动线、显微光学系统、扫描相机和对焦相机位于该托盘上，通过Y轴动线驱动托盘沿Y轴动线方向运动来带动显微光学系统、扫描相机和对焦相机沿Y轴动线方向运动，该多路压电陶瓷驱动器为至少两路的压电陶瓷驱动器，该多路压电陶瓷驱动器的各路分布在载物台和托盘的下方并对载物台和托盘进行调节，从而使X轴动线上的载物台与Z轴动线垂直。
一实施例之中：该多路压电陶瓷驱动器为四路压电陶瓷驱动器，四路压电陶瓷驱动器分别固定在载物台的四个矩形角位置下方，对载物台的四个矩形角位置进行调节，从而使X轴动线上的载物台与Z轴动线垂直。
一实施例之中：该多路压电陶瓷驱动器为四路压电陶瓷驱动器，四路压电陶瓷驱动器分别固定在托盘的四个矩形角位置下方，对托盘的四个矩形角位置进行调节，从而使X轴动线上的载物台与Z轴动线垂直。
一实施例之中：该载物台为轻型合金铝载物台，载物台的中心位留出让光源通过的光孔。
本技术方案与背景技术相比，它具有如下优点：
本案通过对焦相机获取显微视场的光照度均匀度值，经计算机处理系统判断三轴运动平台的载物台与Z轴动线的垂直度情况，再根据该垂直度情况决定是否控制压电陶瓷驱动装置动作以调节三轴运动平台上的载物台与Z轴动线之间的垂直度，保证扫描过程三轴运动平台的定位的一致性，保证载物台与Z轴动线垂直。由于压电陶瓷驱动装置具有微秒级的反应速度，可以实现载物台与Z轴动线垂直度的快速调节，一旦载物台与Z轴动线垂直后，再通过压电陶瓷驱动装置或Z轴动线运动调节即可实现快速对焦，以满足快速连续扫描获取高质量图像的目的。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1为数字切片扫描仪的立体结构示意图之一；
图2为数字切片扫描仪的立体结构示意图之二；
图3为图2中调节载物台的多路压电陶瓷驱动器的安装示意图。
图4为数字切片扫描仪的侧面视图。
图5为加快数字切片扫描仪扫描速度的控制原理图。
具体实施方式
请查阅图1至图4，一种加快数字切片扫描仪扫描速度的方法，该数字切片扫描仪包括显微光学系统10、获取显微视场图片的扫描相机20、对焦相机30、三轴运动平台40及压电陶瓷驱动装置50，三轴运动平台40上具有X轴动线41、Y轴动线42、Z轴动线和设在该X轴动线41上的用于置放切片的载物台60，该显微光学系统10设在Z轴动线上，Z轴动线位于Y轴动线42上并能随着Y轴动线42沿Y轴动线42方向运动,Z轴动线与显微光学系统中经过物镜的光轴平行；该压电陶瓷驱动装置连接三轴运动平台，用于调节载物台60与Z轴动线之间的垂直度。
该压电陶瓷驱动装置50包括多路压电陶瓷驱动器51和多路压电控制器52。该多路压电陶瓷驱动器51在该三轴运动平台40上可有以下几种设置方式：
(1)请查阅图1至图3，该多路压电陶瓷驱动器51为至少两路的压电陶瓷驱动器，固定在载物台60的下方并对载物台60进行调节，从而使载物台60与Z轴动线垂直。更为具体地，该多路压电陶瓷驱动器51为四路压电陶瓷驱动器，四路压电陶瓷驱动器分别固定在载物台60的四个矩形角位置下方，对载物台60的四个矩形角位置进行调节，从而使Y轴动线42上的载物台60与Z轴动线垂直。
(2)请查阅图4，该三轴运动平台40还包括设在该Y轴动线42上的一托盘80，该Z轴动线、显微光学系统10、扫描相机20和对焦相机30位于该托盘80上，通过Y轴动线42驱动托盘80沿Y轴动线42方向运动来带动显微光学系统10、扫描相机20和对焦相机30沿Y轴动线42方向运动，该多路压电陶瓷驱动器51为至少两路的压电陶瓷驱动器，固定在该托盘80下方并对该托盘进行调节，从而使X轴动线41上的载物台60与Z轴动线垂直。更为具体地，该多路压电陶瓷驱动器51为四路压电陶瓷驱动器，四路压电陶瓷驱动器分别固定在托盘的四个矩形角位置下方，对托盘80的四个矩形角位置进行调节，从而使X轴动线41上的载物台60与Z轴动线垂直。
(3)该多路压电陶瓷驱动器51为至少两路的压电陶瓷驱动器，该多路压电陶瓷驱动器51的各路分布在载物台60和托盘80的下方并对载物60和托盘80进行调节，从而使X轴动线41上的载物台60与Z轴动线垂直。
上述至少两路的压电陶瓷驱动器的每一路包括一陶瓷驱动单元，即一路对应一个能够动作并驱动被控对象运动的陶瓷驱动单元。
通常情况下，通过两路压电陶瓷驱动器对载物台60与Z轴动线的垂直度进行调节时，根据两点定一线，仅能对两路压电陶瓷驱动器连线方向进行调节，即实现载物台60的线调节。通过三路或三路以上的驱动器对载物台60与Z轴动线的垂直度调节时，根据三点定一面，可对载物台60的整个面的任意方向的调节，对于该垂直度的调节精度更高。
结合上述硬件设置，扫描仪的对焦和扫描过程如下，请查阅图5：
扫描仪扫描过程中，通过对焦相机30获取显微视场中的光照度均匀度值，光照度均匀度指规定表面上的最小照度与平均照度之比。最小照度的值可按照逐点计算法计算出来，该CV值能反应载物台60与Z轴动线之间的垂直度情况，通过现有的CV软件可以得到一个视场的多个位置的光照度均匀度值，例如当该视场中的4个角位置的光照度均匀度值不同时，为不垂直；该4个值相减得到的值越小，垂直度越高，反之则相反；该光照度均匀度值按照一定的时间间隔获取，该时间间隔可根据精度要求设置。
将该CV值反馈给计算机处理系统70，经过计算机处理系统70的识别和计算判断该载物台60与Z轴动线之间是否垂直，若不垂直，则控制该压电陶瓷驱动装置50动作，按照上述压电陶瓷驱动装置50的设置方式，调整该三轴运动平台40，使该载物台60与Z轴动线之间垂直，进而通过调节压电陶瓷驱动装置50和/或显微光学系统的物镜11和/或对焦相机30重新对载物台60上的切片进行对焦，寻找确切焦面；若垂直，则不进行载物台60与Z轴动线之间的垂直度调整和切片对焦；减少扫描过程中的总的对焦次数，实现对焦总时间的缩短。
在进行垂直度的调节过程中，该对焦相机30将显微视场CV值实时反馈给计算机处理系统70，使该计算机处理系统70与该压电陶瓷驱动装置50之间形成闭环反馈调节控制。提高载物台60与Z轴动线的垂直度的调节精度。
对压电陶瓷驱动装置50的控制过程中，该计算机处理系统70向多路压电控制器52发送控制命令，再由多路压电控制器52控制多路压电陶瓷驱动器51动作，来调整载物台60与Z轴动线的垂直度。在多路压电陶瓷驱动器51调整载物台60与Z轴动线的垂直度的同时，该多路压电陶瓷驱动器51将其调节过程实时反馈给多路压电控制器52，使多路压电陶瓷驱动器51与多路压电控制器52之间形成闭环反馈调节控制，提高多路压电陶瓷驱动器51的调节精度。
快速响应是压电陶瓷驱动装置50的特点,在施加电压和电流上升速度足够快的条件下,压电陶瓷驱动器51可在约为其谐振频率f0的周期1/3的时间内到达相应的位移,即调节时间
压电陶瓷驱动器51带有测试质量时,谐振频率为
式中,Meff为有效质量，KT为压电陶瓷驱动器的刚度。
实验中压电陶瓷驱动器51所驱动的有效质量
式中,MT为压电陶瓷驱动器的质量；M为压电陶瓷驱动器上的安装质量,即其上附带结构所增加的质量。
在本案的测试试验中，选用的压电陶瓷驱动装置50，其主要参数为:标称位移20um(100V)，最大位移40um(150V)，刚度50N/pm，通过计算和多次测试结果显示,该压电陶瓷驱动装置50的响应输出时间非常短,稳定后约15ms。
为了提高压电陶瓷驱动器51的反应时间，所采用的载物台60为轻型合金铝载物台，载物台60中心位留出较大的光孔61让光源通过，载物台的尺寸可取10cmX10cm。
扫描仪扫描过程中，通过对焦相机30获取显微视场的光照度均匀度值，经计算机处理系统判断三轴运动平台40的载物台与Z轴动线的垂直度情况，再根据该垂直度情况决定是否控制压电陶瓷驱动装置50动作以调节三轴运动平台40上的载物台60与Z轴动线之间的垂直度，保证扫描过程三轴运动平台40的定位的一致性，保证载物台60与Z轴动线垂直。若计算机处理系统判断出载物台60与Z轴动线保持垂直而无需压电陶瓷驱动装置50进行垂直度调整时，也说明了三轴运动平台40的X轴动线41、Y轴动线42和Z轴动线在扫描移动过程中彼此之间保持了较好的平行度和垂直度，焦面在扫描过程中不发生改变，可不进行调焦动作，即减少了调焦次数，由于压电陶瓷驱动装置50具有微秒级的反应速度，可以实现载物台60与Z轴动线垂直度的快速调节，一旦载物台60与Z轴动线垂直后，再通过压电陶瓷驱动装置50或Z轴动线运动调节即可实现快速对焦，以满足快速连续扫描获取高质量图像的目的。
以上所述，仅为本发明较佳实施例而已，故不能依此限定本发明实施的范围，即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖的范围内。
Claims (10)
1.一种加快数字切片扫描仪扫描速度的方法，其特征在于：该数字切片扫描仪包括显微光学系统、获取显微视场图片的扫描相机、对焦相机、三轴运动平台及压电陶瓷驱动装置，三轴运动平台包括X轴动线、Y轴动线、Z轴动线和设在该X轴动线上的用于置放切片的载物台，该显微光学系统设在Z轴动线上，Z轴动线位于Y轴动线上并能随着Y轴动线沿Y轴动线方向运动,Z轴动线与显微光学系统中经过物镜的光轴平行；
该压电陶瓷驱动装置连接三轴运动平台，用于调节载物台与Z轴动线之间的垂直度；
扫描仪扫描过程中，通过对焦相机获取显微视场中的光照度均匀度值，该CV值能反应载物台与Z轴动线之间的垂直度情况；
将该CV值反馈给计算机处理系统，经过计算机处理系统的识别和计算判断该载物台与Z轴动线之间是否垂直；
若不垂直，则控制该压电陶瓷驱动装置动作，调整该三轴运动平台使该载物台与Z轴动线之间垂直，进而通过调节压电陶瓷驱动装置和/或显微光学系统物镜和/或对焦相机重新对载物台上的切片进行对焦；若垂直，不进行载物台与Z轴动线之间的垂直度调整和切片对焦。
2.根据权利要求1所述的一种加快数字切片扫描仪扫描速度的方法，其特征在于：在进行垂直度的调节过程中，该对焦相机将显微视场CV值实时反馈给计算机处理系统，使该计算机处理系统与该压电陶瓷驱动装置之间形成闭环反馈调节控制。
3.根据权利要求2所述的一种加快数字切片扫描仪扫描速度的方法，其特征在于：该压电陶瓷驱动装置包括多路压电陶瓷驱动器和多路压电控制器，该计算机处理系统向多路压电控制器发送控制命令，再由多路压电控制器控制多路压电陶瓷驱动器动作，来调整载物台与Z轴动线的垂直度。
4.根据权利要求3所述的一种加快数字切片扫描仪扫描速度的方法，其特征在于：在多路压电陶瓷驱动器调整载物台与Z轴动线的垂直度的同时，该多路压电陶瓷驱动器将其调节过程实时反馈给多路压电控制器，使多路压电陶瓷驱动器与多路压电控制器之间形成闭环反馈控制调节。
5.根据权利要求3或4所述的一种加快数字切片扫描仪扫描速度的方法，其特征在于：该多路压电陶瓷驱动器为至少两路的压电陶瓷驱动器，固定在载物台的下方并对载物台进行调节，从而使载物台与Z轴动线垂直。
6.根据权利要求3或4所述的一种加快数字切片扫描仪扫描速度的方法，其特征在于：该三轴运动平台还包括设在该Y轴动线上的一托盘，该Z轴动线、显微光学系统、扫描相机和对焦相机位于该托盘上，通过Y轴动线驱动托盘沿Y轴动线方向运动来带动显微光学系统、扫描相机和对焦相机沿Y轴动线方向运动，该多路压电陶瓷驱动器为至少两路的压电陶瓷驱动器，固定在该托盘下方并对该托盘进行调节，从而使X轴动线上的载物台与Z轴动线垂直。
7.根据权利要求3或4所述的一种加快数字切片扫描仪扫描速度的方法，其特征在于：该多路压电陶瓷驱动器为至少两路的压电陶瓷驱动器，该Y轴动线上设有一托盘，该Z轴动线、显微光学系统、扫描相机和对焦相机位于该托盘上，通过Y轴动线驱动托盘沿Y轴动线方向运动来带动显微光学系统、扫描相机和对焦相机沿Y轴动线方向运动，该多路压电陶瓷驱动器为至少两路的压电陶瓷驱动器，该多路压电陶瓷驱动器的各路分布在载物台和托盘的下方并对载物台和托盘进行调节，从而使X轴动线上的载物台与Z轴动线垂直。
8.根据权利要求5所述的一种加快数字切片扫描仪扫描速度的方法，其特征在于：该多路压电陶瓷驱动器为四路压电陶瓷驱动器，四路压电陶瓷驱动器分别固定在载物台的四个矩形角位置下方，对载物台的四个矩形角位置进行调节，从而使X轴动线上的载物台与Z轴动线垂直。
9.根据权利要求6所述的一种加快数字切片扫描仪扫描速度的方法，其特征在于：该多路压电陶瓷驱动器为四路压电陶瓷驱动器，四路压电陶瓷驱动器分别固定在托盘的四个矩形角位置下方，对托盘的四个矩形角位置进行调节，从而使X轴动线上的载物台与Z轴动线垂直。
10.根据权利要求9所述的一种加快数字切片扫描仪扫描速度的方法，其特征在于：该载物台为轻型合金铝载物台，载物台的中心位留出让光源通过的光孔。
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