顯微鏡自動控制系統的設計與應用分析

摘 要：隨著計算機技術的不斷發展及顯微鏡的廣泛應用，目前已經設計出一種基于圖像處理的顯微鏡自動調焦系統，也就是將計算機自動控制系統作為輔助設施安裝在顯微鏡上，并通過計算機顯示來代替目鏡觀察到的顯微鏡圖片樣品，具有節省掃描時間、防止眼睛疲勞、操作簡單、打印方便等多種優點。筆者現對計算機在顯微鏡自動控制系統中的應用進行分析。

關鍵詞：顯微鏡自動控制系統 計算機 應用分析 設計

中圖分類號：TP274文獻標識碼：A文章編號：1674-098X（2013）04（c）-0077-01

近些年來，隨著光學科技的飛速發展，顯微鏡也逐漸開始應用于科研、檢測、教學、社會生產等各個領域，尤其是在生物醫學方面，顯微鏡的應用最為普遍[1]。然而，顯微鏡在使用過程中有很多不可避免的缺點，這也在一定程度上限制了顯微鏡的應用范圍，如操作使用、圖像信息的處理及打印等方面都不很方便；另外有些物質也不適用于近距離的觀測，還有如果需要觀察的樣品較多，將會增加人體眼睛的疲勞度，長期操作時也會導致觀察準確度大大降低。目前，已經有廠家在顯微鏡上加上CCD，將其成像在電視機上，但圖像清晰度仍不能滿足有關需要，且操作起來較為繁瑣。而顯微鏡自動控制系統就是通過計算機來控制顯微鏡的使用，不僅能夠控制載物臺的移動，還可以對需要觀察的圖像進行采集、存儲及處理，同時方便的自動調焦系統增加了觀察的準確及便利。

1 自動控制系統的組成

顯微鏡自動控制系統主要由電動機與計算機接口、操縱桿與計算機接口、CCD與計算機接口等部分組成。在操作過程中，操作者要根據計算機上的有關成像，通過按下按鈕或扳動操作桿手柄將該信息傳遞給計算機；計算機接收到信息后，主要通過控制電動機而帶動載物臺的移動，從而實現焦距的調整或者視野的變換；然后，顯微鏡上的攝像頭把圖像采集回計算機，就可以完成圖像的存儲及處理工作。顯微鏡自動控制系統將原來顯微鏡與操作人員間的直接式交互轉化為現有的間接式交互，不僅能夠實現較遠距離的觀測，同時在觀察毒性物質時，還能有效避免或降低對人體的傷害。

1.1 電動機與計算機接口

電動機與計算機接口是該系統中最為關鍵的一個環節，通常可以采用限位保護、直流電機控制以及步進電機控制等多種形式實現[2]。一般情況下，載物臺上下方向的移動多由步進電機來控制，從而達到調焦的目的；常采用直流電機來控制載物臺水平方向的移動。直流電機控制具有能夠最大限度調節顯微鏡載物臺，使操作者手感更為舒適的優點。在操作過程中，依次進行直流電機控制、步進電機控制、限位保護，通常出于安全方面考慮，載物臺在向各個方向進行運動時都應該采取限位保護。否則，若直流電機遇到機械障礙或者運動至極限情況時，將會發生堵轉并造成電流急劇增加，若不采取相應處理措施則可能會使電機受損；該系統設計的限流電路，而在電機發生堵轉時，電流急劇增加，能夠將相關信息反饋到計算機上，從而停止輸出指示電機發生堵轉，提示操作者向反方向扳動電機，使電流減小，最終恢復正常的工作。

1.2 操縱桿與計算機接口

本系統采用標準的操縱桿，目前其應用已經非常廣泛，在使用過程中操作人員能夠根據具體的需要來進行合理選擇[3]。操作桿的位置信息則以Windows的標準方式傳遞，在計算機連上操縱桿時，經過有關設置就可以非常便捷的接收操縱桿傳來的消息。因此，操作人員調節手柄后，也能夠通過該窗口直接獲得操縱桿的狀態信息。

1.3 CCD與計算機接口

攝像頭的視頻信號一旦輸入到計算機的圖像采集系統中，就能夠立即實現成像。在使用過程中，可以根據實際的觀察需要選擇合適的采集卡及CCD。通常采集卡上不僅具有相應的圖像采集、存儲功能，同時還能夠實現對圖片的對比度、飽和度及亮度的調節。

2 自動調焦

顯微鏡自動控制系統從原理上來講，其自動調焦可以分為兩類：一種是根據屏幕上圖像的清晰度進行，另一種是通過測量鏡頭與被攝物體之間的距離進行[4]。近些年來，隨著數字圖像處理技術及計算機硬件的飛速發展，圖像的快速發展也逐漸成為了可能。該系統的自動調焦原理就是根據采集到的圖像清晰度，不斷進行載物臺高度的調整，最終得到最為清晰的圖像。

3 信息的處理

在采集到圖像信息后，就可以逐步完成后續的處理工作，如進行數字圖像處理、打印圖像等。信息處理的目的就是最大程度的改善圖像的質量，使其效果更清晰，或者從圖像中提取某些所需的信息。根據本顯微鏡自動控制系統的應用，主要從圖像分析及改善圖像質量兩個方面予以處理。其中圖像分析主要包括邊緣增強、輪廓提取、邊緣檢測等多方面的技術；而圖像質量的改善則包括對比度和亮度的調節，銳化、平滑、矯正技術的使用，主要完成圖像上噪聲及畸變信息的剔除，使其清晰度有所提高，以便實現樣本更準確的測量。

4 結語

目前，顯微鏡自動控制系統已經逐漸應用于實際[5]，并取得了較好的效果。由于該系統能夠作為附件設施安裝在顯微鏡上，因此操作起來較為方便，信息處理也比較簡單；該系統中的自動調焦功能不僅可以應用生物醫學方面，在工業生產等實際中也能發揮很大的作用。在醫院試用過程中，主要應用于檢驗科，與診斷醫生互連不僅可建立病人數據庫、實現資源共享，圖像信息也可作為以后的參考資料，存儲起來作為病歷的一部分；此外，使用圖像識別技術還能夠實現智能診斷。總之，顯微鏡自動控制系統具有圖像清晰、分辨率高、操作觀察隨意方便等優點，還具有廣闊的應用前景。

參考文獻

[1]尤明慧，劉鋼，徐爽.計算機自動控制MBE AlGaAs/GaAs生長系統研究[J].電腦編程技巧與維護，2010，11（4）：13-14

[2]劉冰川，曲利娟，劉慶宏，等.透射電子顯微鏡數字成像系統的研制[J].醫療衛生裝備，2009，26（7）：12-13.

[3]龔丹，曾立波，張宏波，等，透射電子顯微鏡CCD數字圖像系統的研制[J].分析測試技術與分析，2011，12（3）：145-147.

[4]閆彬，李暢.基于LabVIEW的掃描探針顯微鏡PID控制系統的設計與優化[J].儀表技術與傳感器，2008，6（13）：29-31.

[5]姚進，徐強，辛連起，等.電視顯微鏡自動控制系統的研制[J].醫療設備信息，2009，5（6）：221-223.