连续变倍视频显微镜的工作原理及基于嵌入式的设计方案

在20世纪70年代起出现了国产的连续变倍体视显微镜，由于明显优于间隔变倍类型的体视显微镜，从此在体视显微镜领域占据了主导地位。连续变倍体视显微镜有两种基本形式：一是有一组主物镜中间像平面平行于物镜的平面；二是由格里诺发明的机型，其是由两支完全相同的成对物镜，其光轴夹角在11°～14°间，特点是容易校正像差且成本低。因此后者仍是连续变倍体视显微镜的主流机型。

体视显微镜广泛应用于生物解剖、微生物观察、显微外科、矿物结构观察和工业生产。工业主要应用于电子制造业、半导体以及钟表等精细零部件生产、装配、质量检验方面，对于有些工序是必备的工艺装备。尽管体视显微镜是双目观察且连续变倍，立体感强，仍然容易使操作人员产生疲劳感。随着CCD和CMOS图像传感器的出现且成本不断降低，出现了单筒连续变倍视频显微镜。视频单筒显微镜具有视野宽广、直观真实、操作简单且操作人员不易产生疲劳感的优点而发展迅速。在生产线已有取代双目观察的体视显微镜之趋势。

1、 连续变倍视频显微镜及智能化

1．1 连续变倍视频显微镜的工作原理

连续变倍视频显微镜（下称视频显微镜），始于双目观察式体视显微镜。其光学系统主要由连续变倍物镜、目镜和附加前置物镜3部分组成，如图1所示。其中连续变倍物镜属于低倍物镜范围，是视频显微镜的关键部件。观测物经过光学系统成像于CCD（或CMOS）的光敏面上，图像传感器把光信号转换成电信号（视频信号），该信号通过电视系统在屏幕CRT屏显或LCD上显示出物体的像。图2为桂电光机电一体化研究所与梧州市澳特光电仪器公司产学合作研发的DT—10单筒连续变倍视频显微镜。在无前置物镜和1×目镜的条件下，变倍比M=1：6．3，0．7～4．5×连续变倍。通过C接口与1／3inch CCD连接后，显微图像在CLD上显示。光学系统还要使用光强可调的LED同轴光照明或环形LED阵列外照明。

1．2 视频显微镜的自动化、智能化改造

（1）问题的提出：机器视觉被工业生产过程在线自动检测广泛应用，连续变倍视频显微镜的“手动调节+视频观察”模式不能适应在线自动检测的要求。

（2）总体设计方案：智能型连续变倍视频显微镜实质是在连续变倍系统中应用嵌入式技术，取代传统计算机来自动控制显微镜动作的自动系统，在降低了成本的同时能快速实现自动变倍、调焦和检测功能，其简洁而实用的技术让取代人工变倍以及电脑变倍的视频显微镜成为可能。从需求看，要具有自动调焦和电控变倍两大功能。1）从文献可知，设计的自动调焦方案思路是光学系统采集到的显微图像经“CCD+PC”检测，步进电机驱动实施。2）电控变倍方案适用于替代手动在变倍手轮上实现不同角度的转动，而达到光学系统连续变倍的目的。3）综合上述思路，形成了文中总体设计方案，如图3所示。

2、 自动视频显微镜机械结构设计

出于成本考虑，系统结构框架采用桂电光机电一体化研究所与梧州市澳特光电仪器公司合作研发的DT—10单筒连续变倍视频显微镜的主体部分，在调焦和变倍上改造而成。

物镜的移动一般使用步进电机驱动，传动机构有齿轮传动、精密丝杠传动和压电陶瓷等。齿轮传动结构较为简单，传动比可调，传动速度快；缺点是：受啮合精度影响，由磨损间隙可造成一定空回失步，传动精度较低。精密丝杠容易实现高精度位移，缺点是移动速度较慢、影响调节速度。压电陶瓷利用压电效应原理，位移精度较高，可用电路控制位移大小；缺点是移动范围较小，只能用作小位移高精度微调。基于连续变倍视频显微镜的景深较大，调焦、变倍的精度要求较低，因此采用齿轮传动机构。

连续变倍视频显微镜的电控变倍采用齿轮传动，两齿轮分别安装在连续变倍视频显微镜的变倍手轮和步进电机轴上，结构简单，使变倍手轮转动角度可控，实现电控变倍。传动比为1：4，传动齿轮模数为0．5。通过齿轮齿条传动，将电机的转动转化为物镜的移动，实现快速调焦。图4为自动单筒连续变倍视频显微镜结构图。

3、 自动视频显微镜伺服控制系统

3．1 电控变倍

3．1．1 连续变倍光学系统

变倍系统指焦距在一定范围内连续改变而像面位置保持不变的光学系统。目前变倍镜头均是用改变透镜组之间的间隔来改变整个物镜的焦距，在移动透镜改变焦距时，总是伴随着像面的移动，固此要对像面的移动给予补偿，主要有光学补偿和机械补偿两种方式。目前后者是主流的方法。变倍镜头要根据变倍组与补偿组位移间的数值关系计算出补偿曲线，从而设计出补偿像面移动的凸轮机构。通过旋转加工了凸轮曲线槽的镜筒，实现了连续变倍且又保证像面位置不变的目标。

3．1．2 变倍自动化改造

连续变倍视频显微镜的变倍自动化改造，是控制步进电机通过传动装置使变倍手轮精确地转动不同角度，实现自动调节不同放大倍数。电路控制部分的设计主要包括：硬件电路的设计、单片机控制程序的编写和串口数据传送部分的设计。硬件电路主要完成对脉冲进行整形倍频以及对单片机发送的指令进行有效传递。单片机控制程序主要实现对变倍手轮特定转动角度的控制。串口数据传送部分主要完成上位机指令和数据的发送以及有效的反馈，以确保数据正确发送。图5为自动视频显微镜电控变倍原理框图。

3．2 自动调焦

调焦是指沿光轴方向改变物面与物镜的相对位置，使物像关系满足高斯关系，以获得清晰的物镜初次像的工作过程。

基于PC机的自动调焦实验平台，已搭建有JX4自动正置金相显微镜及多媒体互动实验平台等较成熟的仪器，并基于此类实验平台做了一系列调焦实验。文中设计了基于嵌入式自动调焦处理系统，并将基于PC机电自动调焦搜索算法进行了嵌入式移植，依赖于体积小、功耗低、方便系统集成的嵌入式处理系统来实现。自动调焦系统是一个集成光机电等环节的闭环控制系统，设计的自动调焦试验系统框图如图6所示。

在自动连续变倍视频显微镜中，载物台上物体经物镜和光学接口成像于CCD上，由一路Cameralink接口数字视频采集。由嵌入式快速自动调焦单元进行图像的清晰度计算，并分析图像的离焦状态，然后通过RS-232接口发送命令和数据给单片机系统来控制调焦步进电动机的步距和转向进行调焦。该工作过程实质上是一个闭环控制过程，不断地重复循环，直到找到最清晰图像时停止。整个系统由自动调焦算法系统取代PC机处理环节，自动调焦的实现只需将原PC机中开发的应用程序移植到自动调焦算法处理系统即可。

自动调焦系统的软件由两部分组成：自动调焦的图像算法处理和嵌入式系统与微控制器系统的通信处理。在自动调焦的图像算法处理中，采用深度与对比度相比较的面扫描图像处理算法。

由于CCD采集到的图像是全彩色图像，图像的大小为320×320，若对其进行全部处理，则整个自动调焦过程的速度会变慢，为提高自动调焦的速度，取其图像的一部分来进行处理。在实验过程中，选取图像中央的60×60的图像作为自动调焦的对象。首先将全彩色图像转化为0～255级的灰度图像，利用自动调焦的图像处理算法计算出当前图像的灰度值R1，并与上次取得的图像灰度值风进行比较，若R1》R0，则嵌入式系统发出聚焦命令，并传送给微控制器系统，使图像的清晰度更换一次；然后再通过嵌入式系统取得当前图像，并进行比较，直至找到最清晰的图像为止。自动调焦的程序框图如图7所示。

4、 结束语

自动连续变倍视频显微镜是光学技术、光电技术、计算机图像处理技术、自动控制与传动技术的集成，也是光学显微镜智能化、自动化要求的结果，其具有效率高、响应快、成本低等优点，基本满足某些工业生产过程在线自动检测的要求。为视频显微镜的智能化、自动化提供了可行方案。

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