自动聚焦显微镜系统用模拟电路技术方案

自动聚焦显微镜系统用模拟电路测量直接从显微镜ＣＣＤ相机视频信号来测量物体聚焦的程度。然后该电路返回主机一个指数，用来调整显微物镜的位置，使该物体处于焦点上。通过不同垂直位置上的指数的比较，可找到最佳焦距。为了确定聚焦程度而采用的标准来源于视频信号谱的能量分布。该信号通过高通滤波器、（除去扫描假象的）选通器、平方电路和积分器。视频谱的高频能量在最佳焦距上为最大值，当光学器件散焦时，分布转换成低频。使用本发明专利技术的模拟电路可得到低成本、实时自动聚焦，代替了昂贵的实时影像处理专用硬件。（*该技术在2018年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于显微镜使用领域，在该领域中，显微镜所观察到的影像的焦距是被自动调节的。显微镜焦距的这种自动调节被称为“自动聚焦”。本专利技术在自动聚焦系统中得以应用。本专利技术进一步涉及到模拟电路的加入，该电路起到传递函数的效果，该传递函数归属于自动聚焦系统的显微镜光学，消除损害自动聚焦功能的扫描假象，并弥补照明的不稳定。
技术介绍
自动聚焦在自动化显微镜中是必不可少的，它可解决诸如机械不稳定性、载玻片和盖片的不规则性、活标本的运动以及热膨胀的影响等问题。自动聚焦可以克服这些限制，并可以在全自动、用数量表示的显微镜中进行精确、可重复的测量。许多实验都将受益于自动聚焦，不能缺少自动聚焦的例子包括(a)以高分辨率扫描大的区域，其中视界的深度受到限制(如子宫颈癌检查，每个载片上有10,000个显微镜区)(b)慢速拍摄实验(如从几小时到几天)(c)结合(a)和(b)的慢速拍摄扫描血细胞计数法，其中自动聚焦的速度成为瞬时分辨率的基本决定因素。不论不稳定源是什么，只要位置变量比自动聚焦更正具有更大的时间常量，则自动聚焦将会补偿。典型的自动聚焦系统包括含放大镜和可调载物台的自动显微镜，显微镜滑片固定在载物台上，对滑片上的标本进行放大观察。与载物台配合的电机提供了载物台位置的水平调节。提供了用于放大镜片和载物台间的垂直(Z-轴)调节的装置。这可以包括调整物镜的Z-轴位置或通过载物台Z-轴调节来完成。相机通过放大镜片接收放大影像，并向自动聚焦电子器件提供代表放大影像的电子信号。自动聚焦电子器件按照显示聚焦程度的函数来处理该信号，为垂直调整装置提供调整(或错误)信号。作为响应，垂直调整装置调整物镜或载物台的垂直位置，改变放大影像的焦距。在自动聚焦系统中可以包括其它的电路系统，来自动转移(扫描)滑片上的标本。为自动聚焦而试验了许多方法，包括分辨率、对比度和熵。近来已经显示，光学分辨率的测量能可靠并准确地完成自动聚焦。参见1994年的Cytometry 16上第283-297页，Price，J.H.和Gough D.G.的“Comparison of Phase-Contrast and Fluorescence DigitalAutofocus for Scanning Microscopy”。该实验性证明强化了下面的逻辑定义最高的分辨率发生在最佳焦距处。当影像散焦，并失去分辨率时，细节就会模糊。用可分离高频的滤波器分析傅立叶频谱，可以测量分辨率。高频(信号能量)的平方和可被用作分辨率的度量值。从频谱上讲，这可以是高通滤波器或段通滤波器。典型的滤波器应用的是影像密度的一次导数。另一个是laplacian滤波器，它是影像密度二次导数的测量。laplacian滤波器具有更突出的高通特性，以更小的量级测量分辨率。平方放大了函数值间的差异。为了比较不同的标准，自动聚焦系统典型地计算作为Z-轴位置函数的焦距函数。从每个Z-轴位置得到的影像计算出焦距函数值。根据Price等，使用数字滤波器的焦距函数的典型公式包括一维高通滤波器与影像ixy的卷积，得到平方和，并归一化以降低不稳定照明的影响。这种关系在公式(1)中给出。f(z)＝∑∑(*ixy)2/2(1)其中z是垂直位置，ixy是位置(x，y)处的密度。模拟聚焦电路已在1973年的IEEE Transaction on BiomedicalEngineering，20(2)的第126-32页中，Ali Kujoory，M.，Mayall，B.H.和Momdoleohn，M.L.的“Focus Assist Device for a Flying-SpotMicroscope”和1974年的Journal of Histochemistry andCytochemistry，22(7)的第536-587页中Johnson，E.T.和Goforth，I.J.的“Metaphase Spread Detection and Focus Using Closed CircuitTelevision”中报道过。在1995年的Meas.Sci.Technol.，6的第583-587页中，中Mekeoug，I...Sharpe，J.和.Johnson，K.A的“Low-Cost Automatic Translation and Autofocusing System for aMicroscope”描述了在显微镜使用中的自动聚焦用模拟电路。然而，这些设计并没有考虑选择高频滤波器时自动聚焦系统传递函数的影响。在这些以前的应用中未考虑的其它重要因素包括位于水平线间的滤波器终端影响，该终端影响位于视频信号内，并用于照明不稳定性更正的归一化。进一步说，在信息含量低的影像中，通过在水平线未端的滤波器的失真，背景密度的变化占据显著地位。专利技术解析本专利技术的目的是在例如荧光着色的生物标本的扫描显微镜的使用中，在低成本下应用快速、准确的自动聚焦。本专利技术在自动聚焦系统中应用，该系统包括显微镜、代表由显微镜产生的放大影像的视频信号源和自动显微镜聚焦控制，该控制可根据聚焦指数信号调整显微镜焦距。利用产生聚焦指数信号的模拟电路，在本文中使本专利技术具体化。该电路包括一个滤波器，该滤波器提供代表视频信号中预设频率的过滤信号。瞬态消除器与滤波器连接，消除来自过滤信号的扫描假象。平方电路与瞬态消除器相连，将过滤信号的预设频率部分值平方。与平方电路连接的积分器通过积分过滤信号频率部分的平方值，产生代表显微镜聚焦程度的聚焦指数信号。更可取的是，该电路进一步包括了根据视频信号产生平均照明信号的积分器。处理器将聚焦指数信号和平均照明信号在自动聚焦系统的聚焦控制中结合起来，产生代表显微镜焦距位置的焦距位置信号。该聚焦控制利用焦距位置信号来调整显微镜，使其到达焦距位置。假设交织扫描产生一视频信号，则瞬态消除器也产生加在视频信号上的窗口来定义放大影像区，在该区中将产生聚焦指数信号。因此本专利技术的目的之一是为自动聚焦系统提供一个模拟电路，来产生代表聚焦程度的聚焦指数信号。进一步的目的是提供这种平均照明信号电路，该照明信号通过处理器与聚焦指数信号相结合，产生焦距位置信号。附图概述当结合相应的附图来阅读下面的详细描述时，可以进一步从下面的详细描述中了解本专利技术的目的、优点和特性，其中附图说明图1是完整的自动显微镜系统的框图；图2是自动聚焦显微镜系统用模拟电路的框图；图3a和图3b是说明图2模拟电路操作的波形图表；图4包括图4A、图4B、图4C和图4D，是说明应用图2模拟电路最佳模式的电路示意图；图5是说明数字和模拟聚焦函数曲线图，该曲线用来表明带有图2和图4模拟电路的自动聚焦显微镜系统操作的实验结果；和图6是表示用图1的自动聚焦显微镜系统在不同的可变焦距下放大厚细胞单层的模拟聚焦功能曲线图。实施本专利技术的最佳模式现在参考图，其中相同的参考数字表示相同的元件，如图1中表明，自动聚焦系统10包括含有物镜14和显微镜载物台16的显微镜12，载物台上可固定滑片。载物台16可在X和Y方向上移动，这样，根据已知方法就可以扫描载物台上承载的显微镜滑片的连续区域。这样的一个区域由参考数字18表示。显微镜包括荧光着色生物标本照明用装置20和相衬或其它显微术发射照明用装置本文档来自技高网...

【技术保护点】
在自动聚焦系统中，包含显微镜、代表显微镜产生的放大影像的影像信号源、和自动显微镜聚焦控制，该控制可根据聚焦指数信号使显微镜聚焦，用于产生聚焦指数信号的电路，包括：滤波器，用于提供代表影像信号中预设频率的过滤信号；瞬态消除器，与滤波器 相连，消除来自过滤信号的扫描假象；平方电路，与瞬态消除器相连，平方过滤信号中频率部分的值；和指数积分器，与平方电路相连，通过积分过滤信号的频率部分的平方值，产生代表显微镜焦距的聚焦指数信号。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：杰弗里H普赖斯，米格尔布拉格赞洛查尔，
申请(专利权)人：Q三DM有限责任公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]