連續變倍視頻顯微鏡的工作原理及基于嵌入式的設計方案

在20世紀70年代起出現了國產的連續變倍體視顯微鏡，由于明顯優于間隔變倍類型的體視顯微鏡，從此在體視顯微鏡領域占據了主導地位。連續變倍體視顯微鏡有兩種基本形式：一是有一組主物鏡中間像平面平行于物鏡的平面；二是由格里諾發明的機型，其是由兩支完全相同的成對物鏡，其光軸夾角在11°～14°間，特點是容易校正像差且成本低。因此后者仍是連續變倍體視顯微鏡的主流機型。

體視顯微鏡廣泛應用于生物解剖、微生物觀察、顯微外科、礦物結構觀察和工業生產。工業主要應用于電子制造業、半導體以及鐘表等精細零部件生產、裝配、質量檢驗方面，對于有些工序是必備的工藝裝備。盡管體視顯微鏡是雙目觀察且連續變倍，立體感強，仍然容易使操作人員產生疲勞感。隨著CCD和CMOS圖像傳感器的出現且成本不斷降低，出現了單筒連續變倍視頻顯微鏡。視頻單筒顯微鏡具有視野寬廣、直觀真實、操作簡單且操作人員不易產生疲勞感的優點而發展迅速。在生產線已有取代雙目觀察的體視顯微鏡之趨勢。

1、 連續變倍視頻顯微鏡及智能化

1．1 連續變倍視頻顯微鏡的工作原理

連續變倍視頻顯微鏡（下稱視頻顯微鏡），始于雙目觀察式體視顯微鏡。其光學系統主要由連續變倍物鏡、目鏡和附加前置物鏡3部分組成，如圖1所示。其中連續變倍物鏡屬于低倍物鏡范圍，是視頻顯微鏡的關鍵部件。觀測物經過光學系統成像于CCD（或CMOS）的光敏面上，圖像傳感器把光信號轉換成電信號（視頻信號），該信號通過電視系統在屏幕CRT屏顯或LCD上顯示出物體的像。圖2為桂電光機電一體化研究所與梧州市澳特光電儀器公司產學合作研發的DT—10單筒連續變倍視頻顯微鏡。在無前置物鏡和1×目鏡的條件下，變倍比M=1：6．3，0．7～4．5×連續變倍。通過C接口與1／3inch CCD連接后，顯微圖像在CLD上顯示。光學系統還要使用光強可調的LED同軸光照明或環形LED陣列外照明。

1．2 視頻顯微鏡的自動化、智能化改造

（1）問題的提出：機器視覺被工業生產過程在線自動檢測廣泛應用，連續變倍視頻顯微鏡的“手動調節+視頻觀察”模式不能適應在線自動檢測的要求。

（2）總體設計方案：智能型連續變倍視頻顯微鏡實質是在連續變倍系統中應用嵌入式技術，取代傳統計算機來自動控制顯微鏡動作的自動系統，在降低了成本的同時能快速實現自動變倍、調焦和檢測功能，其簡潔而實用的技術讓取代人工變倍以及電腦變倍的視頻顯微鏡成為可能。從需求看，要具有自動調焦和電控變倍兩大功能。1）從文獻可知，設計的自動調焦方案思路是光學系統采集到的顯微圖像經“CCD+PC”檢測，步進電機驅動實施。2）電控變倍方案適用于替代手動在變倍手輪上實現不同角度的轉動，而達到光學系統連續變倍的目的。3）綜合上述思路，形成了文中總體設計方案，如圖3所示。

2、 自動視頻顯微鏡機械結構設計

出于成本考慮，系統結構框架采用桂電光機電一體化研究所與梧州市澳特光電儀器公司合作研發的DT—10單筒連續變倍視頻顯微鏡的主體部分，在調焦和變倍上改造而成。

物鏡的移動一般使用步進電機驅動，傳動機構有齒輪傳動、精密絲杠傳動和壓電陶瓷等。齒輪傳動結構較為簡單，傳動比可調，傳動速度快；缺點是：受嚙合精度影響，由磨損間隙可造成一定空回失步，傳動精度較低。精密絲杠容易實現高精度位移，缺點是移動速度較慢、影響調節速度。壓電陶瓷利用壓電效應原理，位移精度較高，可用電路控制位移大??；缺點是移動范圍較小，只能用作小位移高精度微調?；谶B續變倍視頻顯微鏡的景深較大，調焦、變倍的精度要求較低，因此采用齒輪傳動機構。

連續變倍視頻顯微鏡的電控變倍采用齒輪傳動，兩齒輪分別安裝在連續變倍視頻顯微鏡的變倍手輪和步進電機軸上，結構簡單，使變倍手輪轉動角度可控，實現電控變倍。傳動比為1：4，傳動齒輪模數為0．5。通過齒輪齒條傳動，將電機的轉動轉化為物鏡的移動，實現快速調焦。圖4為自動單筒連續變倍視頻顯微鏡結構圖。

3、 自動視頻顯微鏡伺服控制系統

3．1 電控變倍

3．1．1 連續變倍光學系統

變倍系統指焦距在一定范圍內連續改變而像面位置保持不變的光學系統。目前變倍鏡頭均是用改變透鏡組之間的間隔來改變整個物鏡的焦距，在移動透鏡改變焦距時，總是伴隨著像面的移動，固此要對像面的移動給予補償，主要有光學補償和機械補償兩種方式。目前后者是主流的方法。變倍鏡頭要根據變倍組與補償組位移間的數值關系計算出補償曲線，從而設計出補償像面移動的凸輪機構。通過旋轉加工了凸輪曲線槽的鏡筒，實現了連續變倍且又保證像面位置不變的目標。

3．1．2 變倍自動化改造

連續變倍視頻顯微鏡的變倍自動化改造，是控制步進電機通過傳動裝置使變倍手輪精確地轉動不同角度，實現自動調節不同放大倍數。電路控制部分的設計主要包括：硬件電路的設計、單片機控制程序的編寫和串口數據傳送部分的設計。硬件電路主要完成對脈沖進行整形倍頻以及對單片機發送的指令進行有效傳遞。單片機控制程序主要實現對變倍手輪特定轉動角度的控制。串口數據傳送部分主要完成上位機指令和數據的發送以及有效的反饋，以確保數據正確發送。圖5為自動視頻顯微鏡電控變倍原理框圖。

3．2 自動調焦

調焦是指沿光軸方向改變物面與物鏡的相對位置，使物像關系滿足高斯關系，以獲得清晰的物鏡初次像的工作過程。

基于PC機的自動調焦實驗平臺，已搭建有JX4自動正置金相顯微鏡及多媒體互動實驗平臺等較成熟的儀器，并基于此類實驗平臺做了一系列調焦實驗。文中設計了基于嵌入式自動調焦處理系統，并將基于PC機電自動調焦搜索算法進行了嵌入式移植，依賴于體積小、功耗低、方便系統集成的嵌入式處理系統來實現。自動調焦系統是一個集成光機電等環節的閉環控制系統，設計的自動調焦試驗系統框圖如圖6所示。

在自動連續變倍視頻顯微鏡中，載物臺上物體經物鏡和光學接口成像于CCD上，由一路Cameralink接口數字視頻采集。由嵌入式快速自動調焦單元進行圖像的清晰度計算，并分析圖像的離焦狀態，然后通過RS-232接口發送命令和數據給單片機系統來控制調焦步進電動機的步距和轉向進行調焦。該工作過程實質上是一個閉環控制過程，不斷地重復循環，直到找到最清晰圖像時停止。整個系統由自動調焦算法系統取代PC機處理環節，自動調焦的實現只需將原PC機中開發的應用程序移植到自動調焦算法處理系統即可。

自動調焦系統的軟件由兩部分組成：自動調焦的圖像算法處理和嵌入式系統與微控制器系統的通信處理。在自動調焦的圖像算法處理中，采用深度與對比度相比較的面掃描圖像處理算法。

由于CCD采集到的圖像是全彩色圖像，圖像的大小為320×320，若對其進行全部處理，則整個自動調焦過程的速度會變慢，為提高自動調焦的速度，取其圖像的一部分來進行處理。在實驗過程中，選取圖像中央的60×60的圖像作為自動調焦的對象。首先將全彩色圖像轉化為0～255級的灰度圖像，利用自動調焦的圖像處理算法計算出當前圖像的灰度值R1，并與上次取得的圖像灰度值風進行比較，若R1》R0，則嵌入式系統發出聚焦命令，并傳送給微控制器系統，使圖像的清晰度更換一次；然后再通過嵌入式系統取得當前圖像，并進行比較，直至找到最清晰的圖像為止。自動調焦的程序框圖如圖7所示。

4、 結束語

自動連續變倍視頻顯微鏡是光學技術、光電技術、計算機圖像處理技術、自動控制與傳動技術的集成，也是光學顯微鏡智能化、自動化要求的結果，其具有效率高、響應快、成本低等優點，基本滿足某些工業生產過程在線自動檢測的要求。為視頻顯微鏡的智能化、自動化提供了可行方案。

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