本發(fā)明涉及自動(dòng)對(duì)焦，特別涉及一種基于單光子計(jì)數(shù)的顯微自動(dòng)對(duì)焦方法。

背景技術(shù)：

1、熒光共聚焦和受激輻射顯微鏡是當(dāng)今生物醫(yī)學(xué)研究高分辨成像的重要手段，為了減少光毒性對(duì)樣品的影響，使用激光光源功率更低，照射時(shí)間更短，普通ccd和cmos對(duì)弱熒光信號(hào)檢測(cè)不靈敏，不適用原子熒光探測(cè)技術(shù)，而基于雪崩光電二極管的單光子計(jì)數(shù)器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)弱光的高靈敏檢測(cè)。

2、超分辨成像過(guò)程通過(guò)激光束在樣本上進(jìn)行逐點(diǎn)掃描，在每個(gè)掃描點(diǎn)上激光激發(fā)樣本中的熒光物質(zhì)，產(chǎn)生熒光信號(hào)，熒光信號(hào)通過(guò)單光子計(jì)數(shù)器進(jìn)行精確計(jì)數(shù)。在焦點(diǎn)處激發(fā)出的熒光信號(hào)最強(qiáng)，能最大程度還原實(shí)際樣品信息，因此需要對(duì)焦得到高質(zhì)量圖像，但是在高倍物鏡下熒光信號(hào)微弱導(dǎo)致手動(dòng)對(duì)焦困難。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提供了一種基于單光子計(jì)數(shù)的顯微自動(dòng)對(duì)焦方法，用以解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問(wèn)題，即現(xiàn)有技術(shù)中超分辨高質(zhì)量成像手動(dòng)對(duì)焦困難的問(wèn)題，本發(fā)明提供一種基于單光子計(jì)數(shù)的顯微自動(dòng)對(duì)焦方法，該方法包括：

2、采用光子計(jì)數(shù)器獲取多路通道信號(hào)，根據(jù)多路通道信號(hào)進(jìn)行單像素成像，確定樣品的灰度圖；

3、通過(guò)采用清晰度評(píng)價(jià)算子與灰度圖進(jìn)行卷積，得到該位置的清晰度評(píng)價(jià)值，將當(dāng)前位置的清晰度評(píng)價(jià)值與上一位置的清晰度評(píng)價(jià)值進(jìn)行比較，將最大值對(duì)應(yīng)的位置作為初步焦點(diǎn)位置，將納米壓電平移臺(tái)移動(dòng)至初步焦點(diǎn)位置；

4、將初步焦點(diǎn)位置作為下一次搜索區(qū)間的中心點(diǎn)，確定目標(biāo)區(qū)域，采用改進(jìn)爬山搜索算法，通過(guò)逐步縮小納米壓電平移臺(tái)的步長(zhǎng)、步距以及像素點(diǎn)陣，對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行多尺度搜索，依次確定不同步長(zhǎng)、步距以及像素點(diǎn)陣對(duì)應(yīng)的搜索位置，采用清晰度評(píng)價(jià)值設(shè)定對(duì)前后兩次搜索位置進(jìn)行比較，以對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行調(diào)節(jié)，確定最終焦點(diǎn)位置；

5、將納米壓電平移臺(tái)從初步焦點(diǎn)位置移動(dòng)至最終焦點(diǎn)位置，完成自動(dòng)對(duì)焦，獲取樣品的最佳成像位置。

6、可選的，所述通過(guò)采用清晰度評(píng)價(jià)算子與灰度圖進(jìn)行卷積，得到該位置的清晰度評(píng)價(jià)值，將當(dāng)前位置的清晰度評(píng)價(jià)值與上一位置的清晰度評(píng)價(jià)值進(jìn)行比較，將最大值對(duì)應(yīng)的位置作為初步焦點(diǎn)位置，具體包括：

7、通過(guò)如下公式得到清晰度評(píng)價(jià)算子：

8、

9、式中，h為清晰度評(píng)價(jià)算子，f(x，y)為圖像灰度值，*為卷積運(yùn)算，si代表各個(gè)方向模板；

10、其中：

11、

12、將清晰度評(píng)價(jià)算子與灰度圖進(jìn)行卷積計(jì)算，得到該位置的清晰度評(píng)價(jià)值；

13、依次計(jì)算灰度圖評(píng)價(jià)值，將得到的灰度圖評(píng)價(jià)值進(jìn)行排序，將最大值對(duì)應(yīng)的位置作為初步焦點(diǎn)位置。

14、可選的，所述樣品的灰度圖的獲取，具體包括：

15、根據(jù)激發(fā)光連續(xù)激光器發(fā)出激光，采用預(yù)設(shè)的時(shí)序?qū)悠愤M(jìn)行逐點(diǎn)掃描，通過(guò)單光子計(jì)數(shù)器獲取掃描時(shí)產(chǎn)生的多路通道信號(hào)，得到樣品的灰度圖；其中，所述多路通道信號(hào)包括暗噪聲、激光器a熒光信號(hào)、激光器a和b熒光信號(hào)和激光器b熒光信號(hào)。

16、還包括：

17、對(duì)所述多路通道信號(hào)進(jìn)行信號(hào)去噪和歸一化處理。

18、相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的有益效果如下：本發(fā)明提供了一種基于單光子計(jì)數(shù)的顯微自動(dòng)對(duì)焦方法，該方法通過(guò)不同階段單光子計(jì)數(shù)器收集的信號(hào)重構(gòu)圖像，計(jì)算清晰度評(píng)價(jià)函數(shù)，通過(guò)改進(jìn)爬山搜索法，能夠獲取前后兩次清晰度評(píng)價(jià)值確定步進(jìn)方向，并通過(guò)下一次的評(píng)價(jià)值判定該階段的焦點(diǎn)位置，驅(qū)動(dòng)壓電平移臺(tái)達(dá)到目標(biāo)位置，實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確的熒光超分辨系統(tǒng)的自動(dòng)對(duì)焦；此外，通過(guò)多尺度搜索和精細(xì)調(diào)節(jié)，最大程度還原真實(shí)焦點(diǎn)圖像，提高了成像精度。

技術(shù)特征：

1.一種基于單光子計(jì)數(shù)的顯微自動(dòng)對(duì)焦方法，其特征在于，包括：

2.如權(quán)利要求1所述基于單光子計(jì)數(shù)的顯微自動(dòng)對(duì)焦方法，其特征在于，所述通過(guò)采用清晰度評(píng)價(jià)算子與灰度圖進(jìn)行卷積，得到該位置的清晰度評(píng)價(jià)值，將當(dāng)前位置的清晰度評(píng)價(jià)值與上一位置的清晰度評(píng)價(jià)值進(jìn)行比較，將最大值對(duì)應(yīng)的位置作為初步焦點(diǎn)位置，具體包括：

3.如權(quán)利要求1所述基于單光子計(jì)數(shù)的顯微自動(dòng)對(duì)焦方法，其特征在于，所述樣品的灰度圖的獲取，具體包括：

4.如權(quán)利要求3所述基于單光子計(jì)數(shù)的顯微自動(dòng)對(duì)焦方法，其特征在于，還包括：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于單光子計(jì)數(shù)的顯微自動(dòng)對(duì)焦方法，涉及自動(dòng)對(duì)焦領(lǐng)域，包括采用光子計(jì)數(shù)器獲取多路通道信號(hào)，根據(jù)多路通道信號(hào)進(jìn)行單像素成像，確定樣品的灰度圖；通過(guò)采用清晰度評(píng)價(jià)算子與灰度圖進(jìn)行卷積，得到該位置的清晰度評(píng)價(jià)值，將當(dāng)前位置與上一位置的清晰度評(píng)價(jià)值進(jìn)行比較，確定初步焦點(diǎn)位置，將納米壓電平移臺(tái)移動(dòng)至初步焦點(diǎn)位置；將初步焦點(diǎn)位置作為下一次搜索區(qū)間的中心點(diǎn)，確定目標(biāo)區(qū)域，采用改進(jìn)型爬山搜索算法對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行調(diào)節(jié)，確定最終焦點(diǎn)位置；將納米壓電平移臺(tái)從初步焦點(diǎn)位置移動(dòng)至最終焦點(diǎn)位置，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對(duì)焦。

技術(shù)研發(fā)人員：王凱歌,劉洋,常晨皓,趙偉,張琛,馮曉強(qiáng)
受保護(hù)的技術(shù)使用者：西北大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/29