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连续变倍视频显微镜的工作原理及基于嵌入式的

在20世纪70年代起呈现了国产的继续变倍体视显微镜,因为显着优于距离变倍类型的体视显微镜,从此在体视显微镜领域盘踞了主导职位地方。继续变倍体视显微镜有两种基础形式:一是有一组主物镜中心像平面平行于物镜的平面;二是由格里诺发现的机型,其是由两支完全相同的成对物镜,其光轴夹角在11°~14°间,特征是轻易校对像差且资源低。是以后者仍是继续变倍体视显微镜的主流机型。

体视显微镜广泛利用于生物解剖、微生物察看、显微外科、矿物布局察看和工业临盆。工业主要利用于电子制造业、半导体以及钟表等精细零部件临盆、装置、质量查验方面,对付有些工序是必备的工艺设置设备摆设。只管体视显微镜是双目察看且继续变倍,立体感强,仍旧轻易使操作职员孕育发生疲惫感。跟着CCD和CMOS图像传感器的呈现且资源赓续低落,呈现了单筒继续变倍视频显微镜。视频单筒显微镜具有视野宽广、直不雅真实、操作简单且操作职员不易孕育发生疲惫感的优点而成长迅速。在临盆线已有取代双目察看的体视显微镜之趋势。

1、 继续变倍视频显微镜及智能化

1.1 继续变倍视频显微镜的事情道理

继续变倍视频显微镜(下称视频显微镜),始于双目察看式体视显微镜。其光学系统主要由继续变倍物镜、目镜和附加前置物镜3部分组成,如图1所示。此中继续变倍物镜属于低倍物镜范围,是视频显微镜的关键部件。不雅测物颠末光学系统成像于CCD(或CMOS)的光敏面上,图像传感器把光旌旗灯号转换成电旌旗灯号(视频旌旗灯号),该旌旗灯号经由过程电视系统在屏幕CRT屏显或LCD上显示出物体的像。图2为桂电光机电一体化钻研所与梧州市澳特光电仪器公司产学相助研发的DT—10单筒继续变倍视频显微镜。在无前置物镜和1×目镜的前提下,变倍比M=1:6.3,0.7~4.5×继续变倍。经由过程C接口与1/3inch CCD连接后,显微图像在CLD上显示。光学系统还要应用光强可调的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:机械视觉被工业临盆历程在线自动检测广泛利用,继续变倍视频显微镜的“手动调节+视频察看”模式不能适应在线自动检测的要求。

(2)总体设计规划:智能型继续变倍视频显微镜实质是在继续变倍系统中利用嵌入式技巧,取代传统谋略机来自动节制显微镜动作的自动系统,在低落了资源的同时能快速实现自动变倍、调焦和检测功能,其简洁而实用的技巧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年夜功能。1)从文献可知,设计的自动调焦规划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)电控变倍规划适用于替代手动在变倍手轮上实现不合角度的迁移转变,而达到光学系统继续变倍的目的。3)综合上述思路,形成了文中总体设计规划,如图3所示。

2、 自动视频显微镜机器布局设计

出于资源斟酌,系统布局框架采纳桂电光机电一体化钻研所与梧州市澳特光电仪器公司相助研发的DT—10单筒继续变倍视频显微镜的主体部分,在调焦和变倍上改造而成。

物镜的移动一样平常应用步进电机驱动,传念头构有齿轮传动、周详丝杠传动和压电陶瓷等。齿轮传动布局较为简单,传动比可调,传动速率快;毛病是:受啮合精度影响,由磨损间隙可造成必然空回掉步,传动精度较低。周详丝杠轻易实现高精度位移,毛病是移动速率较慢、影响调节速率。压电陶瓷使用压电效应道理,位移精度较高,可用电路节制位移大年夜小;毛病是移动范围较小,只能用作小位移高精度微调。基于继续变倍视频显微镜的景深较大年夜,调焦、变倍的精度要求较低,是以采纳齿轮传念头构。

继续变倍视频显微镜的电控变倍采纳齿轮传动,两齿轮分手安装在继续变倍视频显微镜的变倍手轮和步进电机轴上,布局简单,使变倍手轮迁移转变角度可控,实现电控变倍。传动比为1:4,传动齿轮模数为0.5。经由过程齿轮齿条传动,将电机的迁移转变转化为物镜的移动,实现快速调焦。图4为自动单筒继续变倍视频显微镜布局图。

3、 自动视频显微镜伺服节制系统

3.1 电控变倍

3.1.1 继续变倍光学系统

变倍系统指焦距在必然范围内继续改变而像面位置维持不变的光学系统。今朝变倍镜头均是用改变透镜组之间的距离来改变全部物镜的焦距,在移动透镜改变焦距时,老是伴跟着像面的移动,固此要对像面的移动给予补偿,主要有光学补偿和机器补偿两种要领。今朝后者是主流的措施。变倍镜头要根据变倍组与补偿组位移间的数值关系谋略出补偿曲线,从而设计出补偿像面移动的凸轮机构。经由过程扭转加工了凸轮曲线槽的镜筒,实现了继续变倍且又包管像面位置不变的目标。

3.1.2 变倍自动化改造

继续变倍视频显微镜的变倍自动化改造,是节制步进电机经由过程传动装配使变倍手轮正确地迁移转变不合角度,实现自动调节不合放大年夜倍数。电路节制部分的设计主要包括:硬件电路的设计、单片机节制法度榜样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通报。单片机节制法度榜样主要实现对变倍手轮特定迁移转变角度的节制。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,以确保数据精确发送。图5为自动视频显微镜电控变倍道理框图。

3.2 自动调焦

调焦是指沿光轴偏向改变物面与物镜的相对位置,使物像关系满意高斯关系,以得到清晰的物镜初次像的事情历程。

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置惩罚系统,并将基于PC机电自动调焦搜索算法进行了嵌入式移植,依附于体积小、功耗低、方便系统集成的嵌入式处置惩罚系统来实现。自动调焦系统是一个集成光机电等环节的闭环节制系统,设计的自动调焦试验系统框图如图6所示。

在自动继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,由一起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谋略,并阐发图像的离焦状态,然后经由过程RS-232接口发送敕令和数据给单片机系统来节制调焦步进电念头的步距和转向进行调焦。该事情历程实质上是一个闭环节制历程,赓续地重复轮回,直到找到最清晰图像时竣事。全部系统由自动调焦算法系统取代PC机处置惩罚环节,自动调焦的实现只需将原PC机中开拓的利用法度榜样移植到自动调焦算法处置惩罚系统即可。

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置惩罚和嵌入式系统与微节制器系统的通信处置惩罚。在自动调焦的图像算法处置惩罚中,采纳深度与比较度相对照的面扫描图像处置惩罚算法。

因为CCD采集到的图像是全彩色图像,图像的大年夜小为320×320,若对其进行整个处置惩罚,则全部自动调焦历程的速率会变慢,为前进自动调焦的速率,取其图像的一部分来进行处置惩罚。在实验历程中,拔取图像中央的60×60的图像作为自动调焦的工具。首先将全彩色图像转化为0~255级的灰度图像,使用自动调焦的图像处置惩罚算法谋略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对照,若R1》R0,则嵌入式系统发出聚焦敕令,并传送给微节制器系统,使图像的清晰度替换一次;然后再经由过程嵌入式系统取适合前图像,并进行对照,直至找到最清晰的图像为止。自动调焦的法度榜样框图如图7所示。

4、 停止语

自动继续变倍视频显微镜是光学技巧、光电技巧、谋略机图像处置惩罚技巧、自动节制与传动技巧的集成,也是光学显微镜智能化、自动化要求的结果,其具有效率高、相应快、资源低等优点,基础满意某些工业临盆历程在线自动检测的要求。为视频显微镜的智能化、自动化供给了可行规划。

责任编辑:gt

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