CN218585024U - 一种采用液态镜头的数字切片快速对焦系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种采用液态镜头的数字切片快速对焦系统，在数字切片扫描仪的光路中，安装有液态镜头、左对焦相机和右对焦相机；液态镜头安装在物镜和取像相机之间；左对焦相机和右对焦相机分别安装在取像相机的左侧和右侧以采集焦面图像；计算机处理装置与左对焦相机和右对焦相机分别相连接，以根据左对焦相机或右对焦相机采集的焦面图像获取到焦面信号；计算机处理装置与恒流源驱动器相连接以发送焦面信号；恒流源驱动器与液态镜头相连接以发送不同的驱动电流控制液态镜头进行对焦。本实用新型增加了两个扩大对焦FOV的对焦相机(左对焦相机和右对焦相机)以快速获得焦面信号，进而控制液态镜头快速调节到焦面。

Description

一种采用液态镜头的数字切片快速对焦系统

技术领域

本实用新型涉及图像扫描显微技术领域，具体来涉及一种采用液态镜头的数字切片扫描快速对焦系统。

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(也称为虚拟数字切片图像)。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提高。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，所以对焦方式是影响扫描速度的关键因素；而对焦准确与否，直接影响图像的质量。

目前在显微和扫描对焦的应用产品中，使用的对焦方法大都使用机械运动改变镜头的焦面进行对焦，也有采用压电陶瓷驱动器进行对焦。前者由于机械运动的摩擦和损耗会产生机械误差和空回误差，加工难度大并且伴有较大的噪声，后者虽然响应速度快，但是有调节距离短，成本高等因素没能大量应用在显微镜和扫描仪中。

此外，在使用大面阵相机的显微和数字扫描系统的应用中，提高扫描速度的方法之一是提高相机的帧率和连续对数字切片进行扫描，前者可以选择较高帧率的相机解决，而后者要提高速度则取决于对焦的快慢。

实用新型内容

本实用新型针对现有技术的上述缺陷，提供一种采用液态镜头的数字切片扫描快速对焦系统，增加了两个扩大对焦FOV的对焦相机(左对焦相机和右对焦相机)以快速获得焦面信号，进而控制液态镜头快速调节到焦面。

本实用新型采用如下技术方案：

一种采用液态镜头的数字切片快速对焦系统，包括：数字切片扫描仪、恒流源驱动器和计算机处理装置；所述数字切片扫描仪包括物镜及取像相机；在数字切片扫描仪的光路中，还安装有液态镜头、左对焦相机和右对焦相机；所述液态镜头安装在所述物镜和取像相机之间；所述左对焦相机和右对焦相机分别安装在所述取像相机的左侧和右侧以采集焦面图像；所述计算机处理装置与所述左对焦相机和右对焦相机分别相连接，以根据所述左对焦相机或所述右对焦相机采集的焦面图像获取到焦面信号；所述计算机处理装置与所述恒流源驱动器相连接以发送所述焦面信号；所述恒流源驱动器与所述液态镜头相连接以发送不同的驱动电流控制液态镜头进行对焦。

优选的，所述液态镜头的通光孔径为5-16mm。

优选的，所述液态镜头安装在无穷远校正物镜和镜筒透镜之间。

优选的，所述数字切片扫描仪的光路通过分光装置切分为三路，分别为主光路、左光路和右光路；所述取像相机在光路管径中接收所述主光路并形成数字切片图像；所述左对焦相机在光路管径中接收所述左光路并形成左焦面图像；所述右对焦相机在光路管径中接收所述右光路并形成右焦面图像；所述左对焦相机和右对焦相机获得的FOV大于取像相机且超前当前FOV至少一个视野。

优选的，所述数字切片扫描仪还包括载物台和支架；所述载物台安装在X轴；所述支架安装在Y轴；所述物镜、取像相机、液态镜头、左对焦相机和右对焦相机安装在Z轴，且同光路一道安装在Y轴上；Z轴与X轴和Y轴分别垂直，X轴、Y轴和Z轴构成正交坐标系；在使用液态镜头对焦过程中，固定整个Z轴，以Y轴带动Z轴前后运动，并以X轴左右运动进行连续扫描。

优选的，所述的采用液态镜头的数字切片快速对焦系统，还包括：USB集线器；所述计算机处理装置、取像相机、左对焦相机、右对焦相机和恒流源驱动器分别通过USB线与所述USB集线器相连接；所述液态镜头通过USB线与所述恒流源驱动器相连接。

优选的，所述恒流源驱动器包括一LC低通滤波器。

优选的，所述取像相机水平放置；所述左对焦相机和右对焦相机倾斜放置。

优选的，所述数字切片扫描仪还包括照明装置；所述照明装置为采集数字切片图像提供光源。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果如下：

本实用新型在数字切片扫描仪中，在取像相机和物镜之间安装自动对焦液态镜头，该液态镜头可在不同的焦距距离之间进行快速切换，镜头响应时间小(如小于2.5ms)，加上取像相机取图和计算机处理装置的处理时间，获得焦距时间远小于机械调焦系统，该液态镜头可配备10针的可锁定I/O Molex连接器，供GPIO、触发器(恒流源驱动器，简称驱动器)使用，并与USB集线器相连接可实现USB信号输送；本实用新型的对焦液态镜头可以通过计算机处理装置轻松触发，可以进行单独配置以适合应用需求，并瞬间确保获得完美的清晰图像；此外，本实用新型在数字切片扫描仪的光路中设计了两个对焦相机(左对焦相机和右对焦相机)，能够提前获得2扫描运动方向(前进方向和返回方向)的前一个及以上的视场焦面，为连续扫描提供快速对焦，从而达到系统连续扫描，提高扫描速度的目的。

根据下文结合附图对本实用新型具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本实用新型的上述及其他目的、优点和特征。

附图说明

图1为本实用新型实施例的数字切片扫描仪的结构图一；

图2为本实用新型实施例的数字切片扫描仪的结构图二；

图3为本实用新型实施例的液态镜头的结构示意图；其中，(a)表示前视图；(b)表示A-A剖视图；(b)表示立体示意图；

图4为本实用新型实施例的取像相机和对焦相机的FOV示意图；

图5为本实用新型实施例的数字切片扫描快速对焦系统各部件之间的连接示意图；

图6为本实用新型实施例的不同的焦面信号与驱动电流的对应关系图；

图7为本实用新型实施例的恒流源驱动器中的LC低通滤波器的电路图；

图8为本实用新型实施例的液态镜头增加LC滤波器后的稳定时间；

附图标识：10、数字切片扫描仪；101、取像相机；102、左对焦相机；1021、左对焦相机的输出口；103、右对焦相机；1031、右对焦相机的输出口；104、液态镜头；1041、液态镜头的输入口；105、物镜；106、数字切片；107、载物台；108、支架；109、光路管径；20、计算机处理装置；30、恒流源驱动器；40、USB集线器。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“放入”、“接触”等应做广义理解，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，也可以是电连接或可以相互通讯；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或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

参见图1、2和图5所示，一种采用液态镜头的数字切片扫描快速对焦系统，包括：数字切片扫描仪10、恒流源驱动器30和计算机处理装置20；所述数字切片扫描仪10包括物镜105及取像相机101；在数字切片扫描仪10的光路中，还安装有液态镜头104、左对焦相机102和右对焦相机103；所述液态镜头104安装在所述物镜105和取像相机101之间；所述左对焦相机102和右对焦相机103分别安装在所述取像相机101的左侧和右侧以采集焦面图像；所述计算机处理装置20与所述左对焦相机102和右对焦相机103分别相连接，以根据所述左对焦相机102或所述右对焦相机103采集的焦面图像获取到焦面信号；所述计算机处理装置20与所述恒流源驱动器30相连接以发送所述焦面信号；所述恒流源驱动器30与所述液态镜头104相连接以发送不同的驱动电流控制液态镜头104进行对焦。

本实施例中，在光路的左右安装左对焦相机102和右对焦相机103，能够保证所述数字切片扫描仪10在连续扫描过程中，来回不间断扫描整个物面。此外，所述左对焦相机102或所述右对焦相机103每次得到两个或多个视场FOV的焦面图像并发送给所述计算机处理装置20，所述计算机处理装置20不间断将前一个或一个以上的焦面信号与当前焦面信号进行对比后，将产生的偏差信号发送给所述恒流源驱动器30，所述恒流源驱动器30产生不同的驱动电流以驱动液态镜头104，从而使取像相机101得到正确的焦面。

液态镜头104原理为：由一个容器和覆盖在其上的弹性高分子膜组成，容器里充满了光学流体,镜头的形变(弯曲)正比于流体所受的压力。该镜头有电磁驱动器,用来施加压力。因此，镜头的焦距是通过流过电磁驱动器线圈的电流来控制。更准确地来说就是一种动态调整透镜折射率或通过改变其自身曲率来改变焦距的新型光学元件，由于没有移动部件，故被称为固态AF系统。

液态镜头104的优点包括：首先，对于光学镜头的不确定性，纯电路可量化的液态镜头104对焦更加准确，光学数据更精准；其次，它可以实现几毫秒内在不同焦距的迅速转换，这无疑是自动对焦系统的理想组件；第三，由于镜头本身没有任何移动的部件，所以它更能抵抗振动，冲击。

本实施例中，所述液态镜头104的通光孔径为5-16mm。通光孔径越大越好，本实施例以10mm通光孔径为例，本实施例的液态镜头104采用Opotune公司的液态镜头104，具体的结构图参见图3所示。

具体的，液态镜头104安装在无穷远校正物镜105和镜筒透镜之间。这种结构也要求液态镜头104有着(包含)无穷远焦距。通过恒流源驱动器30改变液态镜头104上的电流，可以改变取像相机101到切片的焦距。

所述数字切片扫描仪10的光路通过分光装置(未在图中示出)切分为三路，分别为主光路、左光路和右光路；所述取像相机101在光路管径109中接收所述主光路并形成数字切片图像；所述左对焦相机102在光路管径109中接收所述左光路并形成左焦面图像；所述右对焦相机103在光路管径109中接收所述右光路并形成右焦面图像。

参见图4所示，所述左对焦相机102和右对焦相机103在不同运动方向能够获得所述取像相机101FOV以外相邻的至少一个FOV，即所述左对焦相机102和右对焦相机103获得的FOV大于取像相机101且超前当前FOV至少一个视野，以获取前一个或多个焦面。

具体的，所述数字切片扫描仪10在连续扫描过程中，所述左对焦相机102在前进方向时工作，所述右对焦相机103在返回方向时工作；或者，所述右对焦相机103在前进方向时工作，所述左对焦相机102在返回方向时工作，即在来回连续扫描中获得不同方向的焦距，从而保证连续扫描对焦的正确性。

进一步的，所述数字切片扫描仪10还包括载物台107和支架108；所述载物台107安装在X轴；所述支架108安装在Y轴；所述物镜105、取像相机101、液态镜头104、左对焦相机102和右对焦相机103安装在Z轴，且同光路一道安装在Y轴上；Z轴与X轴和Y轴分别垂直，X轴、Y轴和Z轴构成正交坐标系；在使用液态镜头104对焦过程中，固定整个Z轴并没有任何机械装置运动，以Y轴带动Z轴前后运动。此外，还可以固定Z轴，以X轴左右运动进行连续扫描。

参见图5所示，所述的采用液态镜头的数字切片扫描快速对焦系统，还包括：USB集线器40；所述计算机处理装置20、取像相机101、左对焦相机102、右对焦相机103和恒流源驱动器30分别通过USB线与所述USB集线器40相连接；所述液态镜头104通过USB线与所述恒流源驱动器30相连接。

具体的，左对焦相机的输出口1021和右对焦相机的输出口1031分别与所述计算机处理装置20相连接。恒流源驱动器30的USB3.0输入口(或2.0)与一个USB集线器40相连接，并与计算机处理装置20连接。恒流源驱动器30的输出口与液态镜头的输入口1041通过USB电缆连接。当对焦相机获取到焦面图像后，送入计算机处理装置20，通过扫描软件和计算处理，将分析出的焦面信号通过USB集线器40的USB3.0接口传输给恒流源驱动器30的输入口，通过电缆将恒流源驱动器30的驱动电流输入给液态镜头104，从而快速改变光学系统焦距，到达对焦的目的。本实施例中，所述液态镜头104通过专用线/专用连接器与所述恒流源驱动器30相连接，具体可配备10针的可锁定I/O Molex连接器。当然，在其他实施例中还可以配置连接线或连接器，可根据具体应用进行选择，只要能够使所述液态镜头104与所述恒流源驱动器30能相互通信即可。

不同的焦面信号与驱动电流的对应关系参见图6所示，图中将驱动电流信号坐标和焦面变化方向坐标放一起。由图6可知，驱动电流与焦面信号成正比。设定驱动器电流以某初始值E，此时调节光学系统，使焦面在反方向的最低点M；当驱动器电流为最大Q点时，使焦面在正方向的最高点N；当驱动器电流为P点时，使焦面在O点中心位置。

此外，本实施例中，在对同种数字切片进行扫描过程中，左对焦相机102或右对焦相机103采集焦面图像并发送给计算机处理装置20，计算机处理装置20对焦面进行分析计算，对其组织结构的特征参数和聚焦因子进行深入学习以获得一组或多组焦面参考值，并进行保留，为下一次或下一张切片快速获得焦面提供驱动信号。具体为通过左对焦相机102和右对焦相机103，获取切面样品的焦面图像，送入计算机处理装置20的应用软件去分析图像，计算出图像的聚焦曲线，然后拟合获取聚焦曲线的峰值，根据校准获取的峰值和Z轴的对应关系，调节Z轴到参考线位置，完成对焦相机对焦过程。

综上，本实施例根据光学系统的设计要求和液态镜头104的光学特性，首先，将液态镜头104安装在有着(包含)无穷远焦距的光路中；其次，为了达到连续来回对数字切片一定面积的扫描和对焦取图，在主光路中分出两路分光供给左右对焦相机103使用；整个光路系统包含有取像相机101、两个对焦相机、液态镜头104、物镜105和其他光学件组成。此外，还安装有照明装置，照明装置为数字切片106的光源。所述物镜105用于对照亮部分的数字切片106进行观察；与计算机处理装置20相连接的恒流源驱动器30，通过电缆与液态镜头104相连接。

本实施里的采用液态镜头的数字切片扫描快速对焦系统的控制过程如下：

1)将切片样品放置在系统的载物台上，启动照明装置，Z轴上的对焦相机(左对焦相机和右对焦相机)获取至少一张焦面图像，送入计算机处理装置，通过应用软件计算后，得出焦面信号并通过USB接口传送到恒流源驱动器转换成一定比例的电流，以该电流驱动液态镜头并获取计算后得到的与焦面信号一致的焦面。整个对焦过程产生的时间非常短，当液态镜头得到焦面驱动信号后仅需3-5mS时间即可完成对焦。

2)假设Y轴运动方向由后向前开始连续扫描，当取像相机获得第一个焦面的同时，左对焦相机取到两个FOV视场焦面信号见，后一个焦面信号将提供给取像相机，以便得到下一幅图像的焦面，当取像相机完成当前取像后，Y轴向前移动了一个FOV，这个FOV的焦面在上一个对焦相机的FOV中已经得到，所以取像相机可以连续不断的得到后一个FOV的焦面。周而复始，可以完成提前对焦并获取焦面的连续扫描过程。

3)当Y轴运动到软件设定的界面时，X轴向左(或向右)移动一个FOV，Y轴运动将改变方向，即Y轴运动方向由前向后连续扫描。此时由于方向改变，右对焦相机将工作，完成提前对焦的任务。系统工作过程与上述2)相同，直至按软件设定的扫描区域扫描完成。

本实施例由于采用了液体镜头调焦装置，省略了扫描系统的调焦部分和步进电机，从而使光轴变轻。在整个扫描过程中，系统振动得到改善，使系统稳定时间大大缩短。同时也改善了图像质量。

此外，为了提高整个系统的稳定性，对恒流源驱动器也进行了改进，具体的，参见图6所示，增加了一个LC低通滤波器，目的是使驱动电流上升时间与液态镜头稳定时间一致。

具体的，设计LC低通滤波器的阻抗与所选的液态镜头阻抗相等即可。通常恒流源电流上升时间为2-3mS,液态镜头稳定时间为5mS，通过计算和多次测试结果，增加LC低通滤波器后恒流源驱动时间可与液态镜头稳定时间一致。参见图7所示，为液态镜头增加LC滤波器后的稳定时间。由图可知，液态镜头达到稳定度的90％以上，只需要5mS左右。

上述仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本实用新型进行非实质性的改动，均应属于侵犯本实用新型保护范围的行为。

Claims (9)

1.一种采用液态镜头的数字切片快速对焦系统，其特征在于，包括：数字切片扫描仪、恒流源驱动器和计算机处理装置；所述数字切片扫描仪包括物镜及取像相机；在数字切片扫描仪的光路中，还安装有液态镜头、左对焦相机和右对焦相机；所述液态镜头安装在所述物镜和取像相机之间；所述左对焦相机和右对焦相机分别安装在所述取像相机的左侧和右侧以采集焦面图像；所述计算机处理装置与所述左对焦相机和右对焦相机分别相连接，以根据所述左对焦相机或所述右对焦相机采集的焦面图像获取到焦面信号；所述计算机处理装置与所述恒流源驱动器相连接以发送所述焦面信号；所述恒流源驱动器与所述液态镜头相连接以发送不同的驱动电流控制液态镜头进行对焦；

所述数字切片扫描仪的光路通过分光装置切分为三路，分别为主光路、左光路和右光路；所述取像相机在光路管径中接收所述主光路并形成数字切片图像；所述左对焦相机在光路管径中接收所述左光路并形成左焦面图像；所述右对焦相机在光路管径中接收所述右光路并形成右焦面图像；所述左对焦相机和右对焦相机获得的FOV大于取像相机且超前当前FOV至少一个视野；所述计算机处理装置不间断将前一个或一个以上的焦面信号与当前焦面信号进行对比后，将产生的偏差信号发送给所述恒流源驱动器。

2.根据权利要求1所述的采用液态镜头的数字切片快速对焦系统，其特征在于，所述液态镜头的通光孔径为5-16mm。

3.根据权利要求1所述的采用液态镜头的数字切片快速对焦系统，其特征在于，所述液态镜头安装在无穷远校正物镜和镜筒透镜之间。

4.根据权利要求1所述的采用液态镜头的数字切片快速对焦系统，其特征在于，所述数字切片扫描仪的光路通过分光装置切分为三路，分别为主光路、左光路和右光路；所述取像相机在光路管径中接收所述主光路并形成数字切片图像；所述左对焦相机在光路管径中接收所述左光路并形成左焦面图像；所述右对焦相机在光路管径中接收所述右光路并形成右焦面图像；所述左对焦相机和右对焦相机获得的FOV大于取像相机且超前当前FOV至少一个视野。

5.根据权利要求1所述的采用液态镜头的数字切片快速对焦系统，其特征在于，所述数字切片扫描仪还包括载物台和支架；所述载物台安装在X轴；所述支架安装在Y轴；所述物镜、取像相机、液态镜头、左对焦相机和右对焦相机安装在Z轴，且同光路一道安装在Y轴上；Z轴与X轴和Y轴分别垂直，X轴、Y轴和Z轴构成正交坐标系；在使用液态镜头对焦过程中，固定整个Z轴，以Y轴带动Z轴前后运动，并以X轴左右运动进行连续扫描。

6.根据权利要求1所述的采用液态镜头的数字切片快速对焦系统，其特征在于，还包括：USB集线器；所述计算机处理装置、取像相机、左对焦相机、右对焦相机和恒流源驱动器分别通过USB线与所述USB集线器相连接；所述液态镜头通过与所述恒流源驱动器相连接。

7.根据权利要求1所述的采用液态镜头的数字切片快速对焦系统，其特征在于，所述恒流源驱动器包括一LC低通滤波器。

8.根据权利要求1所述的采用液态镜头的数字切片快速对焦系统，其特征在于，所述取像相机水平放置；所述左对焦相机和右对焦相机倾斜放置。

9.根据权利要求1所述的采用液态镜头的数字切片快速对焦系统，其特征在于，所述数字切片扫描仪还包括照明装置；所述照明装置为采集数字切片图像提供光源。

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