一種超景深顯微圖像獲取方法
【專利摘要】一種超景深顯微圖像獲取方法，在數(shù)字顯微鏡光路中添加可用電壓控制焦距的液體透鏡，通過且利用其作為變焦元件，對被觀察物體的連續(xù)深度范圍內進行一系列聚焦，拍攝一系列連續(xù)的局部聚焦圖片，利用圖像融合處理手段融合出一幅包含了各個高度聚焦信息的超景深清晰圖像。液體透鏡安放的位置經過優(yōu)化保證在變焦的過程中保持放大率不變。本發(fā)明可以有效解決傳統(tǒng)光學顯微鏡景深過小、無法對一定深度范圍的物體進行清晰成像的問題。
【專利說明】一種超景深顯微圖像獲取方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明設計光電檢測技術中的顯微視覺領域，并且更具體地涉及一種獲取超景深顯微圖像的方法。
【背景技術】
[0002]景深決定著視覺檢測系統(tǒng)在光軸方向上能成清晰像的范圍，景深越大，在視覺檢測系統(tǒng)的光軸方向上能看到的深度范圍也就越大。因此，擴展景深是當前視覺檢測系統(tǒng)的迫切所需。
[0003]減小顯微成像系統(tǒng)的數(shù)值孔徑可以有效的擴展景深，但是由于孔徑減小，導致通光量減少使得所成的圖像含有較大的噪聲，同時減小孔徑也會導致顯微系統(tǒng)的分辨率降低，不利于進行顯微觀察。
[0004]也可在顯微成像系統(tǒng)中增加元件來擴展景深。在顯微成像系統(tǒng)中增加元件，使得成像過程中對光路進行某種調制，來保證光學成像系統(tǒng)對離焦量不敏感，獲得對離焦量不敏感的中間模糊圖像，然后經過圖像復原技術對中間模糊圖像進行解碼來獲得最終的清晰圖像，從而達到擴展景深的目的，當該種方法通常涉及復雜的模型建立以及耗時的解碼運算，同時由于所成圖像調制了各個深度的信息，分辨率方面有所降低。
[0005]圖像融合技術也可用于顯微成像系統(tǒng)中擴展景深，通過拍攝一個物體在不同深度的聚焦圖像，然后利用圖像融合算法將這些不同深度聚焦的圖片融合成一幅在連續(xù)深度上都聚焦的圖像，由于該種方法是通過合成各個深度上的清晰部分，所以不存在上述技術中的損失分辨率的問題。目前主要采用的方法為利用電動升降臺帶動被觀測物體在顯微鏡深度方向上進行移動來拍攝物體不同深度上的聚焦圖像，因此受制于電動升降臺的精度和穩(wěn)定性影響，同時影響了顯微成像系統(tǒng)的輕便型。
[0006]因此，為了實現(xiàn)顯微成像系統(tǒng)在不損失分辨率的基礎上，同時保持系統(tǒng)的輕便型，我們提出了一種新的超景深顯微成像裝置及機構。

【發(fā)明內容】

[0007]本發(fā)明的技術解決問題:在不損失顯微成像系統(tǒng)分辨率的基礎上，保持系統(tǒng)的輕便型的同時，擴展顯微成像系統(tǒng)的景深。
[0008]本發(fā)明的技術方案是:本發(fā)明由光學顯微鏡、相機、液體透鏡及其驅動部分、計算機以及超景深成像軟件構成。為了保持放大率不變，經過ZEMAX光學軟件對成像系統(tǒng)的放大率進行仿真，計算得到當液體透鏡位于顯微物鏡的后端面時放大率不變，因此特意設計轉接件將其固定在顯微物鏡的后端面，然后通過改變液體透鏡的驅動電壓來改變整個光學系統(tǒng)的對焦位置。這樣我們在拍攝連續(xù)的圖像序列時，連續(xù)的以一定電壓步長改變液體透鏡驅動電壓，可以拍攝一個物體在不同深度的聚焦圖像，然后運用圖像融合手段將這些局部聚焦圖像融合成一幅包含了被觀察物體各個深度上的信息，擴展了顯微鏡的景深?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0009]通過結合附圖對本發(fā)明的實施例進行詳細描述，本發(fā)明的上述和其它目的、特征、優(yōu)點將會變得更加清楚，其中:
[0010]圖1是根據(jù)本發(fā)明實施例的方法流程圖。
[0011]圖2是根據(jù)本發(fā)明實施例的顯微鏡系統(tǒng)光路圖。
[0012]圖3是根據(jù)本發(fā)明實施例的液體透鏡轉接口。
[0013]圖4是根據(jù)本發(fā)明實施例的液體透鏡原理框圖。
[0014]圖5是根據(jù)本發(fā)明實施例的液體透鏡的驅動電壓和對應光學顯微鏡清晰成像的物平面深度標定曲線圖。
【具體實施方式】
[0015]下面將參照附圖來描述根據(jù)本發(fā)明的實施例。在附圖中，相同的參考標號自始至終表示相同的元件。
[0016]參照附圖來描述根據(jù)本發(fā)明實施例的顯微鏡成像系統(tǒng)光路。
[0017]圖1示出了本發(fā)明實施例的方法流程圖，我們通過連續(xù)改變液體透鏡的驅動電壓，對被觀察物體的各個深度內進行清晰成像，拍攝出一系列局部聚焦圖像。然后對拍攝的一系列局部聚焦圖像進行圖像融合，融合后的圖像包含了被觀察物體各個深度范圍內的信息，實現(xiàn)了超景深顯微圖像的獲取。
[0018]圖2示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的顯微鏡系統(tǒng)光路圖。如圖2所示，顯微鏡系統(tǒng)光路20中包括被測物體21，物鏡22，液體透鏡23，適配鏡24和探測器(XD25。液體透鏡23放置于物鏡22與適配鏡24之間。
[0019]圖3示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的液體透鏡轉接口 30。如圖3所示，轉接頭由兩部分31、32構成，31下部螺紋與32上部螺紋可連接起來，并將液體透鏡至于其內固定，31上部可通過螺紋和轉接鏡連接，32下部可通過螺紋與物鏡相連接，同時32側面開的槽可放置液體透鏡的驅動線。
[0020]其次，簡要說明本發(fā)明的原理。
[0021]首先簡要介紹液體透鏡的原理及特性。液體變焦透鏡是基于電濕效應原理的一種新型光學透鏡。圖4出了液體透鏡的工作原理圖，液體透鏡包含兩種液體，一種為導電液體，另一種為絕緣液體，兩種液體互不浸潤且有一定的折射率差。兩種液體裝在內壁鍍有透明電極的容器中，透明電極的表面沉淀一層疏水介電層，這樣，就在兩層液體之間形成兩個接觸角和接觸面。當在導電液體和內壁透明電極之間施加電壓后，導電液體與電極間電場改變，從而使得接觸角和接觸面的形狀發(fā)生改變，液體透鏡的焦距也就發(fā)生改變。液體變焦透鏡技術目前已基本成熟，已有市場化產品，國內有代理，并且價格也較低，一個液體變焦透鏡大約幾百元。利用液體透鏡的可變焦特性，將其加入數(shù)字顯微成像系統(tǒng)中，當液體透鏡的驅動電壓發(fā)生變化時，則其焦距也發(fā)生變化，根據(jù)雙透鏡焦距合成公式，可知整個顯微系統(tǒng)的合成焦距發(fā)生變化，因此顯微成像系統(tǒng)所能夠清晰成像的物平面距離也發(fā)生變化，因此液體透鏡的驅動電壓和加入液體透鏡的數(shù)字顯微系統(tǒng)的存在一一對應的關系，液體透鏡的這種特性使得其作為一種變焦元件來對物體的不同深度進行聚焦成為可能。
[0022]然后就可將被拍攝物體放置顯微鏡的工作距離附近，通過改變液體透鏡的驅動電壓來改變顯微鏡的聚焦距離來拍攝物體的多個深度上的聚焦圖像，在拍攝過程中，液體透鏡的驅動電壓步長必須足夠小以保證相鄰兩幅的聚焦圖像的聚焦區(qū)域具有重合的部分，這樣才不會導致拍攝過程中信息的缺失。
[0023]接著介紹一下將這些拍攝的各個深度上局部聚焦的圖像融合成一幅全聚焦圖像的算法。目前很多算法被提出用于聚焦圖像合成，例如拉普拉斯金字塔融合、基于小波變換的圖像融合算法等。在本實例，我們利用基于拉普拉斯的金字塔融合方法給出了圖像融合的一種手段。拉普拉斯金字塔可以保存圖像在各個尺度空間上的細節(jié)分量，基于拉普拉斯金字塔分解的圖像融合算法的融合過程是在不同尺度、不同空間分辨率和不同分解層上分別進行的。
[0024]圖5示出了基于拉普拉斯金字塔圖像融合的算法步驟。拉普拉斯金字塔的融合的本質是將圖像序列各個尺度范圍內細節(jié)融合起來。在本實例中，我們首先輸入圖像序列名并記錄下要融合的圖像數(shù)目N，接著依次讀入圖像，并計算其拉普拉斯金字塔，如果是第一次讀入該圖像，則將其保存到臨時金字塔Ptctip中，否則則將該金字塔和臨時金字塔Ptctip融合起來，融合規(guī)則為，如果是金字塔頂層的話，由于其保持了圖像最小尺度上的信息，我們將其簡單相加并平均放入Ptctip的最頂層；對其余層則比較對應像素值的絕對值，并將絕對值較大像素保存到Ptctip的對應層中。當對N幅圖像都完成拉普拉斯金字塔融合后，由融合后的金字塔恢復出一幅包含全部聚焦圖像信息的全聚焦圖像。
[0025]盡管已經示出和描述了本發(fā)明的示例實施例，本領域技術人員應當理解，在不背離權利要求及其等價物中限定的本發(fā)明的范圍和精神的情況下，可以對這些示例實施例做出各種形式和細節(jié)上的變化。
【權利要求】
1.一種超景深顯微圖像獲取方法，其特征在于:將液體透鏡引入數(shù)字成像顯微鏡光路中作為變焦元件，控制整個顯微成像系統(tǒng)的聚焦深度，通過對液體透鏡驅動電壓連續(xù)以一定的步長變化來對物體的各個深度部分成像拍攝一系列局部聚焦圖像，并通過圖像融合算法融合成一幅全聚焦圖像。
2.根據(jù)權利要求1所述的超景深顯微圖像獲取方法，其特征在于:通過改變液體透鏡的驅動電壓可改變其屈光度，進而引起整個光學顯微鏡系統(tǒng)的焦距發(fā)生變化，顯微鏡能夠清晰成像的物面距離變化，從而通過改變液體透鏡驅動電壓，可對靜止物體的某一深度進行成像，即液體透鏡驅動電壓和光學顯微鏡整體聚焦深度具有一一對應的關系。
3.根據(jù)權利要求1所述的超景深顯微圖像獲取方法，其特征在于:通過連續(xù)改變液體透鏡的驅動電壓，對被觀察物體的各個深度內進行清晰成像，拍攝出一系列局部聚焦圖像。
4.根據(jù)權利要求1所述的超景深顯微圖像獲取方法，其特征在于對拍攝的一系列局部聚焦圖像進行圖像融合，融合后的圖像包含了被觀察物體各個深度范圍內的信息，實現(xiàn)了顯微成像系統(tǒng)的超景深。
【文檔編號】G02B21/24GK103499879SQ201310483321
【公開日】2014年1月8日 申請日期:2013年10月16日 優(yōu)先權日:2013年10月16日
【發(fā)明者】屈玉福, 楊海娟, 毛建森, 馬詩潔 申請人:北京航空航天大學