本发明可以应用在超声显微镜辅助定位，具体来说是一种基于光学成像的超声显微镜辅助定位方法。
背景技术：
1、超声显微镜是一种利用超声波检测技术观察样品微观结构的显微镜仪器，以其在非破坏性条件下对材料内部结构进行高分辨率观察的特点，作为无损检测器件广泛应用于生物医学、材料工程、电子工业等领域。
2、超声显微镜通过激励超声波探头以产生并发射超声波，这种脉冲波通过耦合介质传递至被测样品。相较于空气，超声波在水中衰减程度较低，且水作为耦合介质具有易获取、易清洁的特点，因此常选用水来浸没样品，并确保探头前端亦浸没在水中，以保证超声波全程在水中传播。
3、利用超声显微镜获得样品内部图像，需要使超声波探头一边发射超声波一边在xy平面内进行扫描。要形成一幅合格的声学图像，扫面机构需在样品上方来回扫描运动。为了得到理想的超声显微结果并节省扫描时间，在进行超声显微前，需要预先设置好合适的扫描范围。
4、传统的扫描方式依赖操作人员通过人眼观察样品的大致位置，将超声波探头移动至待测样品的正上方处。接着，调整超声波探头与样品之间的距离，使样品待测深度附近的反射回波强度最大，即让探头焦点达到待测深度。然后，根据样品尺寸大小，人为设定一个扫描范围，扫描范围以超声波探头所处位置为中心。这样便完成了超声显微镜的前置准备工作，可以进行扫描任务。
5、仅仅依靠操作人员的人眼难以做到精确定位，且定位时间长。人眼判断位置的误差较大，导致定位精度低，进而使得探头的扫描范围出现偏差，易发生扫描图像未能完全涵盖样品的状况。为了确保样品完整被涵盖，通常需要增大扫描范围，这不仅延长了扫描时间，还降低了整体工作效率。尤其是在样品尺寸不明确的情况下，可能需要多次改变扫描范围才能获得样品完整图像。对操作人员，尤其是缺乏相关理论知识的人员，在调整超声波探头与样品间距离，即探头的z方向高度时，因担心探头与样品发生接触碰撞而频繁观察，降低了检测效率。
6、此外，实际操作环境中，操作人员的所在位置与超声显微镜的距离可能较远，这使得为了观察样品和探头位置，实验员需要频繁往返运动，进一步降低了检测效率。
7、实际应用中，通常需要样品覆盖图像的绝大部分区域，传统方法不可避免多次调整扫描范围。对于每日需要检测数以万计工件的工厂而言，这种低效的扫描方式尤为难以接受。在大规模生产环境中，检测效率直接影响生产效率和成本控制。频繁的人眼定位和多次扫描不仅增加了时间成本，还可能导致由于人为误差而产生的质量问题。
8、公开号为cn204536278u(申请号cn201520204930.9)的中国发明专利申请，公开了一种利用摄像头进行超声波探头定位的装置。该发明对探头的实际位置确定需要进行换算，增加了操作的复杂性和时间成本；此外，在扫描过程中，该装置无法实时显示超声波探头的位置，导致操作人员难以实时监控和调整探头的精确位置；
9、该发明仅能保证超声波探头在样品中心正上方的定位，但对于扫描范围的设定仍然需要人为估计。这对于尺寸不明确的样品尤其成问题，容易导致扫描范围过大，从而增加了扫描时间和数据处理的复杂性。
技术实现思路
1、本发明旨在提供一种实现快速、准确和简便的探头定位利用摄像头进行光学辅助超声波探头定位的装置。
2、本发明包括三轴扫描驱动装置,超声波探头和用于光学辅助定位的第一摄像装置和第二摄像装置，所述第一摄像装置安装在超声显微镜正上方，所述第二摄像装置安装在超声显微镜正前方且平行于水槽xz平面，所述第一摄像装置采用投影矩阵实现超声波探头的xy平面定位，通过在第一摄像装置的显示图像上选择点位，将超声波探头移动至与之对应的实际平面中的真实位置；在正前方第二摄像装置的显示图像上选择点位，实时获取超声波探头与样品间的距离。
3、进一步地，所述第一摄像装置和第二摄像装置确保其能够覆盖整个水槽的xyz平面以辅助超声波探头定位,通过实时图像反馈，在摄像头显示图像上观察和调整超声波探头位置。
4、进一步地，所述三轴扫描驱动装置包括x轴扫描仪，y轴扫描仪和z轴扫描仪，x轴扫描仪，采用直线电机驱动的磁悬浮导轨，能够沿±x方向移动探头立柱和超声波探头；y轴扫描仪和z轴扫描仪，采用步进电机驱动，能够沿±y,z方向移动探头立柱和超声波探头，超声波探头扫描过程中浸没在充满水的水槽中，与被测样品在z方向上保持一定距离。
5、进一步地，所述第一摄像装置采用投影矩阵实现超声波探头的xy平面定位的方法包括：
6、原始图像平面和目标图像平面通过投影变换联系在一起构建单应性矩阵；
7、通过线性方程组来表示投影变化构建出涵盖单应性矩阵h所有参数的两个线性方程：
8、xi(h31xi+h32yi+h33)＝h11xi+h12yi+h13
9、yi(h31xi+h32yi+h33)＝h21xi+h22yi+h23
10、获取第一摄像装置显示图像的像素坐标系到实际水槽平台平面的世界坐标系的投影矩阵实现光学辅助定位；
11、采用奇异值分解方法，使得||a·h-b||最小，将求解得到的向量h转换单应性矩阵h后，获得了从摄像头显示图像的像素坐标系到水槽平面的世界坐标系的投影矩阵；
12、在摄像头显示图像上选取位置，获取所述位置在像素坐标系下坐标值，利用投影矩阵h，将所述坐标值转换到世界坐标系中的对应坐标。
13、进一步地，所述第二摄像装置采用三角形相似原理确定超声波探头与样品距离的方法包括：将超声波探头移动至浸没水中，保证其出现在第二摄像装置的显示图像上，此时在世界坐标系中，探头与第二摄像装置的y方向距离为d0，将超声波探头下降一定高度d，在第二摄像装置显示图像上获得v方向的像素变化值p1；
14、改变超声波探头位置，沿相机坐标系zc轴，即世界坐标系的y轴负方向，将超声波探头移动距离d，再次将超声波探头下降高度d，在第二摄像装置显示图像上获得其v方向的像素变化值p2，根据三角形相似原理，可得：
15、
16、求解方程组可求得f和d0，经过换算可以获得第二摄像装置在世界坐标系下的y方向坐标y0，可以继续超声波探头与样品间距离的测量；
17、通过第一摄像装置获得探头所处位置的y坐标值，在第二摄像装置的显示图像上点选样品上沿表面，获取其像素点纵坐标v1；跟踪探头下降时显示图像的像素值变化，实时获取超声波探头下沿的像素点纵坐标v2；
18、计算二者差值，由探头到第二摄像装置的深度信息，根据三角形相似原理可以计算出二者实际距离δh。
19、本发明采用上述技术方案与现有技术相比，最大的特点在于：
20、本发明通过两个摄像头分别于正上方和正前方放置，实现对超声波探头在水槽平台二维平面的xy坐标定位和超声波探头在z方向与样品距离δh的测量，可以使操作人员无需人眼反复观察，即可方便地定位超声波探头位置；同时，解决了操作人员对操作过程中探头与样品是否碰撞的担忧。
21、本发明通过操作人员在第一摄像装置显示图像上框选扫描范围，实现一次准确的范围选取，避免了多次调整扫描范围带来的时间浪费和成本增加。
22、本发明全程通过pc等操作终端控制，操作人员在操作时无需长距离移动，避免了因无意义移动而带来的时间耗费。
1.一种基于光学成像的超声显微镜辅助定位方法，其特征在于，包括三轴扫描驱动装置,超声波探头和用于光学辅助定位的第一摄像装置和第二摄像装置，所述第一摄像装置安装在超声显微镜正上方，所述第二摄像装置安装在超声显微镜正前方且平行于水槽xz平面，所述第一摄像装置采用投影矩阵实现超声波探头的xy平面定位，通过在第一摄像装置的显示图像上选择点位，将超声波探头移动至与之对应的实际平面中的真实位置；在正前方第二摄像装置的显示图像上选择点位，实时获取超声波探头与样品间的距离。
2.根据权利要求1所述的一种基于光学成像的超声显微镜辅助定位方法，其特征在于，所述第一摄像装置和第二摄像装置确保其能够覆盖整个水槽的xyz平面以辅助超声波探头定位,通过实时图像反馈，在摄像头显示图像上观察和调整超声波探头位置。
3.根据权利要求1所述的一种基于光学成像的超声显微镜辅助定位方法，其特征在于，所述三轴扫描驱动装置包括x轴扫描仪，y轴扫描仪和z轴扫描仪，x轴扫描仪，采用直线电机驱动的磁悬浮导轨，能够沿±x方向移动探头立柱和超声波探头；y轴扫描仪和z轴扫描仪，采用步进电机驱动，能够沿±y,z方向移动探头立柱和超声波探头，超声波探头扫描过程中浸没在充满水的水槽中，与被测样品在z方向上保持一定距离。
4.根据权利要求1所述的一种基于光学成像的超声显微镜辅助定位方法，其特征在于，所述第一摄像装置采用投影矩阵实现超声波探头的xy平面定位的方法包括：
5.根据权利要求1所述的一种基于光学成像的超声显微镜辅助定位方法，其特征在于，所述第二摄像装置采用三角形相似原理确定超声波探头与样品距离的方法包括：将超声波探头移动至浸没水中，保证其出现在第二摄像装置的显示图像上，此时在世界坐标系中，探头与第二摄像装置的y方向距离为d0，将超声波探头下降一定高度d，在第二摄像装置显示图像上获得v方向的像素变化值p1；
