一种行星表面物质就位探测的自动调焦显微成像系统的制作方法
【专利摘要】本发明提出了一种行星表面物质就位探测的自动调焦显微成像系统，包括照明单元、显微成像单元、图像采集单元、调焦传动单元、上位机单元；照明单元与显微成像单元位于同一光路，显微成像单元包括显微镜物镜、镜筒；调焦传动单元是齿轮外噬合传动装置，其设置方向与照明单元垂直，该单元将齿轮的传动，转化成显微镜筒的移动；图像采集单元与显微镜筒在同一光路，图像采集单元与调焦传动单元连接；上位机单元对采集到图像的清晰度评判，控制整个系统处于准焦状态。本发明能够对采集到的待测样品的图像进行清晰度判别，通过拟合调焦函数，快速找到准焦位置，提高了调焦的速度和精度，且该装置采用单元化设计，具有体积小、功能强等优点。
【专利说明】
一种行星表面物质就位探测的自动调焦显微成像系统
技术领域
[0001]本发明属于光学工程领域，尤其涉及一种自动调焦的显微成像装置，利用图像清晰度评价函数快速实现对焦过程，获取待测样品清晰的显微图像。
【背景技术】
[0002]深空探测领域，显微成像系统作为就位探测的光学载荷，通过对行星地质表层土壤、岩石样品成像，根据图像尺寸、纹理、颜色等特征，可以从微观角度来认知地形地貌、进而判断土壤元素组成、矿物成分分析等。如美国的“机遇号”上携带的显微成像仪(MI)、“凤凰号”火星着陆器携带的光学显微镜(0M)、“好奇号”携带的MAHLI相机、欧空局“ExoMars”号携带的MicroOmega高光谱显微镜等都能从微观角度对采集到的土壤样品进行成像、分析等。
[0003]显微成像载荷获取清晰图像时，传统方法一般是在不同物距下分别对待测样品成像，然后在采集到的一系列图像中选取清晰图像，这种方法采集到的图像较多，耗时较长，效率低下。
【发明内容】
[0004]为了解决【背景技术】中所存在的技术问题，本发明提出了一种自动调焦的显微成像系统装置，该装置能够对采集到的待测样品的图像进行清晰度判别，通过拟合调焦函数，快速找到准焦位置，提高了调焦的速度和精度，且该装置采用单元化设计，具有体积小、功能强等优点，符合航天载荷的轻小化设计原则。
[0005]本发明的技术解决方案是:一种行星表面物质就位探测的自动调焦显微成像系统，其特征在于:所述系统包括照明单元、显微成像单元、图像采集单元、调焦传动单元、上位机单元；
[0006]所述照明单元与显微成像单元位于同一光路，显微成像单元包括显微镜物镜、镜筒。调焦传动单元是齿轮外噬合传动装置，其设置方向与照明单元垂直，该单元将齿轮的传动，转化成显微镜筒的移动。
[0007]图像采集单元与显微镜筒在同一光路，图像采集单元与调焦传动单元连接；
[0008]上位机单元对采集到图像的清晰度评判，拟合调焦曲线，并发送调焦指令，控制整个系统处于准焦状态。
[0009]上述调焦传动单元包括主动轮、从动轮、磁珠、电机以及霍尔传感器；电机驱动主动轮带动从动轮传动;磁珠设置在从动轮上，磁珠与霍尔传感器用来标定齿轮传动时的起点位置;从动轮连接显微镜筒和图像采集单元。
[0010]上述图像采集单元是CXD相机。
[0011]本发明具有如下优点:
[0012]I)本发明采用照明成像共光路的成像单元，使得整个系统集成度更高。
[0013]2)照明光源的波长可选，针对不同样品选用不同波长的光源，以更加全面灵活的分析样品特征。
[0014]3)本装置通过霍尔传感器的标定作用，有效的消除了齿轮传动机构回程差对定位精度的影响。
【附图说明】
[0015]图1是本发明的结构示意图；
[0016]图2是本发明自动调焦显微成像系统工作流程图；
【具体实施方式】
[0017]参见图1，本发明是一种行星表面物质就位探测的自动调焦显微成像系统装置，整个系统包括:照明单元、显微光学成像单元、图像采集单元(CCD相机9)、调焦传动单元(主动轮、从动轮、磁珠、电机、霍尔传感器)、上位机单元。本装置对被测样品进行显微成像时，上位机通过对图像清晰度的判别，计算出准焦位置，并发送相应指令，控制成像系统到达指定位置，快速得到被测物体清晰的显微图像。
[0018]该自动调焦装置的照明部分及显微光学成像部分共光路。LED照明光源I发出的光线经过照明聚光镜照射到分光片上，照向被观测物体样品表面，样品反射回来的光线经过成像镜组成像在像面上。调焦机构为齿轮外噬合传动装置，通过步进电机2驱动主动轮3带动从动轮4传动，镜筒5逐步靠近或远离目标，也就是改变物距的方式，找到准焦位置。从动轮4上安装磁珠6，磁珠6与霍尔传感器7用来标定齿轮传动时的起点位置，以消除齿轮传动机构的回程差对定位精度的影响。步进电机2驱动镜头等步长前进，每走一步，采集一帧图像，上位机8计算该位置图像清晰度，若当前图像清晰度大于前一帧图像，则认为系统逐步靠近准焦位置，当连续四个位置的图像清晰度下降时，则取清晰度最大位置及左右两侧各取两个相邻位置和相应的图像清晰度，实现调焦曲线的拟合，找出峰值位置，发出相应指令，控制成像系统到达峰值位置处，实现调焦过程。
[0019]具体实施过程如下:
[0020]上位机8发送调焦指令，步进电机2正向转动，通过齿轮传动机构，镜筒5逐步靠近待测样品，当霍尔传感器7首次感应到磁珠6磁场时，传感器发送信号至上位机8，将此位置标志为调焦行程起点。
[0021]起点位置处，电机大步长驱动主动轮3转动，每隔等步长采集图像，上位机8判别图像清晰度。当连续四点清晰度下降时，即认为此时已越过准焦位置点，此时电机停转。上位机8则取清晰度最大位置及左右两侧各取两个相邻位置和相应的图像清晰度，实现调焦曲线的拟合，调焦曲线的峰值位置认为是准焦位置。
[0022]电机反转，当霍尔传感器7再次感应到磁场信号时，说明到达起点位置。电机正转，直至驱动调焦机构运转至拟合的准焦位置处，采集图像。
【主权项】
1.一种行星表面物质就位探测的自动调焦显微成像系统，其特征在于:所述系统包括照明单元、显微成像单元、图像采集单元、调焦传动单元、上位机单元； 所述照明单元与显微成像单元位于同一光路，显微成像单元包括显微镜物镜、镜筒；调焦传动单元是齿轮外噬合传动装置，其设置方向与照明单元垂直，该单元将齿轮的传动，转化成显微镜筒的移动； 图像采集单元与显微镜筒在同一光路，图像采集单元与调焦传动单元连接； 上位机单元对采集到图像的清晰度评判，拟合调焦曲线，并发送调焦指令，控制整个系统处于准焦状态。2.根据权利要求1所述的行星表面物质就位探测的自动调焦显微成像系统，其特征在于:所述调焦传动单元包括主动轮、从动轮、磁珠、电机以及霍尔传感器；电机驱动主动轮带动从动轮传动;磁珠设置在从动轮上，磁珠与霍尔传感器用来标定齿轮传动时的起点位置；从动轮连接显微镜筒和图像采集单元。3.根据权利要求2所述的行星表面物质就位探测的自动调焦显微成像系统，其特征在于:所述图像米集单兀是CCD相机。
【文档编号】G02B21/36GK106094193SQ201610607155
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年7月28日 公开号201610607155.0, CN 106094193 A, CN 106094193A, CN 201610607155, CN-A-106094193, CN106094193 A, CN106094193A, CN201610607155, CN201610607155.0
【发明人】陶金有, 葛伟, 王渊博, 杨建峰
【申请人】中国科学院西安光学精密机械研究所