显微镜自动载物台及图像采集自动化研究

1　引　言

显微镜被广泛地应用于科研教学和生产领域,它通过光学系统的作用放大被观察对象,观测微观组织结构,从微观形态来研究认识对象特性。在应力加载细胞培养中,需要长时间定期观察细胞形态的变化,并进行细胞自动识别、计数工作,观察区域较大,为了研究不同应力分布下细胞生长情况,还需要较精确的定位,以便了解细胞生长与应力分布的关系。传统的手动控制显微镜对操作者来讲难以达到X-Y平面的高精度重复定位。Z轴调焦精度受人员主观影响较大,手动操作无法实现长时间的定位观察,人为误差不可避免。利用计算机控制显微镜平台作三维运动,可以实现自动聚焦,使整个图象的采集和处理实现自动化。本文在普通光学显微镜的基础上,将手动载物台改装为由细分步进电机驱动的自动载物台,机械连接采用柔性丝杆方式,确保载物台平稳运动,用计算机及单片机技术控制显微镜平台的三维运动,实现了自动聚焦与图像采集,并进行图像拼接,为后续的细胞识别做好准备工作。

2　系统构成

该系统由计算机、单片机系统、步进电机、显微镜及自动载物台、USB摄像头等组成,如图1。

　　计算机对显微镜的控制通过单片机系统和步进电机对载物台的控制实现。计算机通过串口通信将控制指令发送到单片机,由单片机系统控制步进电机行走]步距,行走速度和方向,再由步进电机驱动显微镜载物台微调旋钮调节载物台X、Y、Z轴的位置。系统使用双相步进电机驱动执行机构。

在单片机系统控制电路中,CPU选用AT89C2051 ,作为控制电路的核心部件。其端口分别控制X、Y、Z方向的步进电机的转动。驱动电路和单片机控制驱动的输出端口,采用了光电隔离措施,以提高控制系统的可靠性和增强工作的安全性。AT89C2051通过RS232串行口,接收从上位控制计算机发送的控制命令,解释命令,完成相应的操作;同时通过串口向上位控制计算机发送相应的应答信息。

　　X、Y方向最大位移范围:50mm,最小位移分辨率:2μm。Z方向(即聚焦方向)最大位移范围就是原显微镜全程,最小转角分辨量:0.9°,最小位移分辨率:0.1μm。

用130万像素的USB摄像头替代原有的图像采集系统,实现显微镜自动聚焦与图像自动采集。显微镜原有的图像采集系统包括CCD摄像头和图像采集卡,CCD摄像头像素单元少,分辨率低,且图像采集卡为ISO标准,很难与现有的计算机主流配置配套。近年来,USB技术发展迅速,USB摄像头性能大幅度提高,而价格却大幅度下降。在教学研究实践中,USB摄像头的清晰度完全可以满足计算机图像分析处理的要求。USB设备还具有接口安装简单,适用性强的优势。与普通的图像采集卡和CCD摄像头相比,USB摄像头拥有较高的性价比。