光學(xué)系統(tǒng)自動調(diào)焦概述

1、光學(xué)系統(tǒng)自動調(diào)焦概述摘要： 隨著儀器自動化、智能化的迅速發(fā)展，自動調(diào)焦技術(shù)的應(yīng)用顯得越來越重要，特別是在工業(yè)生產(chǎn)和測量中，往往要用到它。本文就其基本方法、原理和發(fā)展現(xiàn)狀作一簡單概述。關(guān)鍵詞：自動調(diào)焦 圖像處理 評價函數(shù) 尋優(yōu)控制；1 引言在光學(xué)系統(tǒng)中，鏡頭對一定距離的目標(biāo)成像有一個最佳像面位置，這個位置通常滿足物像共扼關(guān)系1，稱為聚焦(Focus)；偏離了這個位置，將導(dǎo)致系統(tǒng)離焦(Defocus)，造成圖像質(zhì)量下降、成像模糊。光學(xué)系統(tǒng)的相對孔徑越大，離焦表現(xiàn)的效果越明顯。離焦會直接影響后續(xù)的信息提取和處理工作。調(diào)整光學(xué)系統(tǒng)由離焦到聚焦的過程稱為調(diào)焦。能否準(zhǔn)確快速調(diào)焦對于一個光學(xué)系統(tǒng)是非常重要的

2、。傳統(tǒng)的手動調(diào)焦依靠人的目測和手調(diào)，耗時長2，可重復(fù)性小，調(diào)整精度受人員主觀影響較大。20世紀(jì)70年代后，微電子技術(shù)的突破、大規(guī)模集成電路和中央處理器的出現(xiàn)，使調(diào)焦開始由過去的目測和手調(diào)成為完全的自動控制，隨著自動化水平不斷提高，自動調(diào)焦技術(shù)也日臻完善，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，在自動化、高精度、高穩(wěn)定性等方面都取得了很大進(jìn)展，現(xiàn)己廣泛應(yīng)用于照相機(jī)、攝像機(jī)、顯微鏡、掃描儀等各種精密儀器中。在初期主要是應(yīng)用在顯微鏡、照相機(jī)和攝影機(jī)等方面，但在過去很長的時間內(nèi)都是以非自動化即目測、手動調(diào)焦的方式進(jìn)行的，這主要由于它適應(yīng)和滿足了當(dāng)時對調(diào)焦精度和速度的要求。但是在近幾十年來，特別是進(jìn)入20世紀(jì)70年代以來，隨

3、著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，同其他領(lǐng)域一樣，精密儀器領(lǐng)域面臨著高精度、高速度、高穩(wěn)定性和自動化的要求，因而自動調(diào)焦技術(shù)不斷完善，應(yīng)用的范圍也迅速擴(kuò)大， 自動調(diào)焦問題已經(jīng)不再是許多儀器實現(xiàn)或性能提高的重要障礙。人們在自動調(diào)焦領(lǐng)域的深入研究，使得這一技術(shù)成為精密光學(xué)儀器領(lǐng)域中的一項重要技術(shù)。2 自動調(diào)焦原理通用光學(xué)儀器常常要對工件進(jìn)行手動調(diào)焦及瞄準(zhǔn)，其調(diào)節(jié)過程長，瞄準(zhǔn)的精度受人為主觀因素的影響較大3。現(xiàn)代化的數(shù)字測量儀器常采用激光、光柵等技術(shù)，雖然儀器的測量精度、 測量速度以及系統(tǒng)的自動化程度都得到了提高，但系統(tǒng)的瞄準(zhǔn)部分仍采用原來的光學(xué)瞄準(zhǔn)方法，瞄準(zhǔn)速度與瞄準(zhǔn)精度仍未得到提高。因此，解決通用光學(xué)儀器及

4、現(xiàn)代化數(shù)字儀器的調(diào)焦與瞄準(zhǔn)問題，從而進(jìn)一步提高測量精度、測量速度及自動化程度，減輕操作人員的勞動強(qiáng)度是十分必要的。隨著 21 世紀(jì)先進(jìn)制造業(yè)自動化生產(chǎn)技術(shù)的迅猛發(fā)展，對伴隨其發(fā)展的質(zhì)量檢測技術(shù)提出了更高的要求。自動化制造生產(chǎn)過程中的完整質(zhì)量檢測系統(tǒng)，在具備實時在線檢測能力的基礎(chǔ)上， 并且朝著高自動化、智能化、柔性化方向發(fā)展。而在計算機(jī)視覺理論基礎(chǔ)上發(fā)展起來的自動化視覺檢測(Automated Machine Vision Inspection)技術(shù)，是一種非接觸式的檢測方法，并且具有檢測速度快、檢測精度高、能夠自動、連續(xù)的進(jìn)行檢測，可以進(jìn)行遙測，便于自動記錄，可以和電子計算機(jī)相連接進(jìn)行處理，可

5、以采用微處理機(jī)做成智能儀器等優(yōu)點，恰好滿足了現(xiàn)代工業(yè)對檢測的要求?，F(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的檢測都是由靜態(tài)向動態(tài)發(fā)展，以及機(jī)器人技術(shù)的大力開發(fā)，更為視覺檢測技術(shù)開拓了廣闊的應(yīng)用前景。圖像測量技術(shù)是近年來在測量領(lǐng)域中形成的新的測量技術(shù)，其優(yōu)點在于可進(jìn)行在線和非接觸測量，而且具有信息量大，精度高，結(jié)構(gòu)簡單， 易于與計算機(jī)相聯(lián)等優(yōu)點。目前在圖像測量技術(shù)中，需進(jìn)一步解決的問題是如何進(jìn)一步提高測量分辨率和調(diào)焦的準(zhǔn)確性。進(jìn)行準(zhǔn)確調(diào)焦是圖像測量的第一步，它是保障測量精度的前提和基礎(chǔ)，因而具有至關(guān)重要的作用。無論是傳統(tǒng)的檢測方法還是視覺檢測方法，凡光學(xué)系統(tǒng)都有成像得問題，成像質(zhì)量是人們對多數(shù)光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行研究時比較關(guān)心的要

6、素之一，因此它直接關(guān)系到研究的成果。人們找出了很多種方法來獲得高質(zhì)量的圖像，而關(guān)鍵技術(shù)便是調(diào)焦問題4。2.1 理論依據(jù)自動調(diào)焦的目的是為了快速地獲得高精度、高清晰的圖像。對于一個成像系統(tǒng)，我們可以用高斯公式描述：式中：v-物距； u-像距； f-焦距。從上面的高斯公式我們可以看出，可以通過變物距、變像距、變焦距三種方式達(dá)到調(diào)焦的目的。當(dāng)物距或像距發(fā)生變化時，由式可知，當(dāng)鏡頭的焦距不變時候那么為了獲得高質(zhì)量的圖像，可以通過改變物距或者像距這兩種途徑來滿足高斯公式。但改變像距的同時光學(xué)系統(tǒng)的放大倍數(shù)也發(fā)生改變，這對于一般的照相機(jī)和攝像機(jī)來可能關(guān)系不大，而對于絕大多數(shù)的精密儀器測量來講，這樣做會影響

7、儀器的使用， 所以一般很少采用像距方式來調(diào)焦，同時由于變焦距法調(diào)焦，是對光學(xué)鏡頭組進(jìn)行調(diào)節(jié)相對復(fù)雜，難度比較高，一般很少采用。所謂調(diào)焦，是指沿光軸方向改變物面(或鏡頭)的位置，使得物像關(guān)系滿足高斯公式，以獲取清晰的圖像。1) 離焦描述：幾何光學(xué)認(rèn)為，平行光發(fā)出的光線經(jīng)過理想的光學(xué)系統(tǒng)，全部匯聚在焦平面上一點，而在離焦位置上(設(shè)為離焦量)呈現(xiàn)彌散斑，彌散斑的形狀與光學(xué)孔徑形狀相似。圖2-1 幾何光學(xué)的離焦描述以最常見的圓形孔徑為例，圖2-1中f為透鏡焦距，D為透鏡通光孔徑，平行于光軸的光線經(jīng)透鏡在焦平面上匯聚成一點，如果探測器平面偏離焦平面，則得到一直徑為d的彌散圓，其中d與偏移量和通光孔徑D成

8、正比、與焦距f成反比。容易看出，當(dāng)探測器位于焦面前和焦面后時，其彌散圓的尺寸變化在焦面的前后是對稱的，而且光強(qiáng)在彌散圓內(nèi)分布均勻。在無像差的光學(xué)系統(tǒng)中，由于衍射的存在，點光源通過光學(xué)系統(tǒng)其能量會散開而不能得到理想的點像，其亮度分布稱為點擴(kuò)散函數(shù)(PSF)，點擴(kuò)散函數(shù)可以通過求傳輸函數(shù)的幅度得到，傳輸函數(shù)又可以通過對光瞳函數(shù)作傅里葉變換得到。圖2-2中，S'為收斂于焦點F的波前，S1'為圓心位于F點后處的離焦位置點P的波前，在對F點張角為處產(chǎn)生的兩個波前距離差 20=1/2n'sin2，其中n'為介質(zhì)折射率。由圖2-2，光瞳函數(shù)為：式中的直角坐標(biāo)(x,y)為歸一化

9、后的波前上的點坐標(biāo)，當(dāng)x2+y2=1時，表示圓形光瞳的邊緣。20圖2-2 衍射理論的離焦描述從以上的分析中可以看出，通過無像差的圓形光闌光學(xué)系統(tǒng)，幾何光學(xué)得出的點擴(kuò)散函數(shù)僅僅是光強(qiáng)分布一致的圓斑，衍射理論通過計算離焦波前和聚焦波前的相位差是更加精確的描述。Stokseth的結(jié)論表明，當(dāng)離焦量較小( 20 < 10)時，幾何光學(xué)并不適合來描述離焦現(xiàn)象；離焦量較大( 20 > 10)時，幾何光學(xué)的結(jié)果才可以在低頻段近似衍射理論。2) 判據(jù)原理：從牛頓成像公式 xx =ff 可知 當(dāng)光學(xué)系統(tǒng)的ff 一定時，以焦點為計算起點的物距x和像距x之間為雙曲線關(guān)系，且有一一對應(yīng)的性質(zhì)，可稱之為物像

10、共軛關(guān)系。當(dāng)x絕對值變大時，x的絕對值將變小，反之當(dāng) x絕對值變小時，x的絕對值將變大。調(diào)焦判別原理根據(jù)牛頓公式xx =ff ，可以找出物上的點在共軛物平面上或平面前后時像方的成像情況。圖2-3 光學(xué)系統(tǒng)的物像關(guān)系圖2-3中a和b為成實像條件下的物像共軛面，攝像機(jī)的CCD感光面安排在b面，a面上的點成像在b面上； c面上的點成像在d面上，其在b面上的像是一個彌散圓；同理，e 面上的點在 b 面上的像也是一個彌散圓。因而不在 a 面的物的像是物上各點在b面上的彌散圓像的卷積，像的清晰度變差。物離共軛面a越遠(yuǎn)清晰度越差。因此可以得出一個結(jié)論，只有在正確調(diào)焦的情況下，圖像各點間的灰度對比度最強(qiáng)；調(diào)焦

11、偏差越大，灰度對比度越弱。這就是實現(xiàn)調(diào)焦判別的理論依據(jù)。2.2 方法介紹自動調(diào)焦技術(shù)己經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種精密儀器中，常見的調(diào)焦方法根據(jù)其判別準(zhǔn)則來源于物方還是像方，可分為主動法和被動法5，主動法是指各種方式的物距檢測；被動法則是像質(zhì)評價。被動法中的以數(shù)字圖像處理作為調(diào)焦檢測函數(shù)的方法，具有算法靈活多變、控制容易實現(xiàn)等優(yōu)點。采用圖像處理法實現(xiàn)自動調(diào)焦的一個關(guān)鍵問題就在于圖像清晰度評價函數(shù)的選取。理想的評價函數(shù)要求：無偏性、單峰性、能反映離焦的極性、對噪聲敏感度低等，通常為提高效率，還希望計算量盡可能的小。自動調(diào)焦系統(tǒng)是一個閉環(huán)的控制系統(tǒng)，它包括信號的自動檢測和自動調(diào)整兩部分，相對于手動調(diào)焦，它具有

12、高精度、高效率的特點，但結(jié)構(gòu)相對來說比較復(fù)雜，成本也比較高。近些年來自動調(diào)焦技術(shù)有的是采用了圖像處理的辦法，有的是采用圖像掃描的辦法，有的是采用氣動式測距的方法。不過總結(jié)起來極有價值的、典型的自動調(diào)焦方法主要有6：1)測距法：包括激光測距法、紅外測距法和超聲波測距法等,他們的共同特點是通過接受反射過來測量目標(biāo)的距離和方位，然后通過計算機(jī)控制自動調(diào)焦。 采用這些方法的儀器一般體積較大，價錢較高，且對近距離不太適合。而且當(dāng)被測物體對紅外光或者是超聲波有較大強(qiáng)的吸收作用時候，將使測距系統(tǒng)失靈或?qū)共粶?zhǔn)確。2)VAF 組件相關(guān)法：VAF(Visitronic Auto Focus)組件或稱為視象自動調(diào)

13、焦組件是由霍尼威爾(Honeywell)公司研制的，它通過電子線路測定左側(cè)固定反射鏡掃描所形成的被攝體象在其對應(yīng)半導(dǎo)體元件上的相對位置關(guān)系(相關(guān)性)，從而進(jìn)行自動調(diào)焦。這種方法設(shè)計巧妙，體積較小，但機(jī)構(gòu)復(fù)雜且精度不高。3)基于圖像處理技術(shù)法：這種方法是基于在正焦(接收器正處于景象平面上)的情況下，圖像各點間的灰度對比度最強(qiáng)；離焦(接收器離開景象平面上)偏差越大，灰度對比度越弱這一調(diào)焦判別的理論依據(jù)的自動調(diào)焦方法。表2-1 自動調(diào)焦方法總結(jié)自動調(diào)焦間接調(diào)焦電容測量式偏心光束式斜光束式氣動式測距式測速法激光測距法紅外測距法超聲波測距法直接調(diào)焦圖像掃描電視掃描二極管多重掃描激光掃描光柵掃描圖像處理刀

14、口法接收器件：光電池、光電二極管陣列、CCD光電攝像管等。像散法平滑法MTF法空間濾波法微分法積分法小波變換法日本的潘太克司(PENTAX)TTL-EFC 系統(tǒng)、歐林巴斯(OLYMPUS)的高級顯微鏡 AHBS 型、我國天津大學(xué)精密儀器系研制的圖象分析顯微鏡、哈爾濱工業(yè)大學(xué)的二維圖像坐標(biāo)測量機(jī)系統(tǒng)等都是采用的這種自動調(diào)焦方法?，F(xiàn)把目前所研究出的各種調(diào)焦方法的詳細(xì)總結(jié)如表2-1 所示。3 評價函數(shù)的選擇自動調(diào)焦發(fā)展到今天，己經(jīng)取得了一定的成就。人們在應(yīng)用圖像處理法的調(diào)焦評價函數(shù)方面進(jìn)行了廣泛的研究，提出了許多調(diào)焦評價函數(shù)，基本上可以分四大類: (1)頻域函數(shù) 這一類函數(shù)是以傅立葉變換(Fouri

15、er transform)為基礎(chǔ)的，高清晰度圖像的主要特征是具有清晰的邊緣和圖像細(xì)節(jié)的復(fù)現(xiàn)性，它對應(yīng)于圖像傅立葉變換后的高頻分量。離焦退化造成的圖像模糊在頻域上體現(xiàn)為高頻成分的衰減，因此，可以用圖像的高頻分量作為自動調(diào)焦的評價函數(shù)7。但是，一般來講，這種方法的計算量是比較大的。 (2)灰度函數(shù) 這一類函數(shù)主要利用對圖像灰度的各種處理方法來表征圖像的清晰度。例如，利用圖像處理方面的梯度函數(shù)提取圖像的邊緣信息。 (3)信息學(xué)函數(shù) 正焦圖像與離焦圖像相比，其灰度值的多樣性要大，即它們的信息含量或熵是不一樣的。圖像趨于離焦時，圖像的灰度值趨于單一灰度，信息含量減少，所以，可以利用圖像的信息熵來作為自動

16、調(diào)焦的評價函數(shù)。 (4)統(tǒng)計學(xué)函數(shù) 完全離焦的圖像是由單一灰度值組成的，正焦圖像則因為包含了清晰圖像信息，表現(xiàn)為多灰度值分布，這一特性可以用直方圖來表示。 一個理想的調(diào)焦函數(shù)，應(yīng)該具有以下特性8-10： 1)無偏性。只有在物面與對焦平面重合時，調(diào)焦評價函數(shù)才取得極值。 2)半寬度。曲線的半寬度是指在函數(shù)最大值50%時的曲線寬度。這一指標(biāo)主要描述了曲線的尖銳程度。一般來講，具有比較尖銳峰值的曲線可以使系統(tǒng)更加容易正確地定位于最佳物面位置，而不尖銳的曲線將增大理想對焦位置的定位不確定性。此外，半寬度小，說明函數(shù)在較大離焦時具有較大的斜率，意味著較高的調(diào)焦靈敏度和判斷離焦的高可靠性。 3)曲線的單調(diào)

17、范圍。曲線的單調(diào)范圍是指在曲線的峰值點處向某一側(cè)的延伸部分是單調(diào)下降趨勢的范圍大小。這一指標(biāo)直接決定了根據(jù)此調(diào)焦特性曲線所能實現(xiàn)的有效調(diào)焦的范圍大小。理想調(diào)焦特性曲線的單調(diào)范圍應(yīng)該是很大的，但在實際光學(xué)系統(tǒng)中，當(dāng)物面離焦量達(dá)到一定程度時，象方視場內(nèi)充滿了背景色和噪聲信號，評價函數(shù)的計算結(jié)果呈現(xiàn)一定的隨機(jī)性，使得曲線的單調(diào)范圍為有限長。 4)單峰性。對于某些函數(shù)來講，應(yīng)該稱為單谷性。就是說，評價函數(shù)有且僅有一個極值，極值對應(yīng)于最清晰的圖像。有時，由于一些干擾的影響，致使調(diào)焦曲線出現(xiàn)一些干擾峰，如果干擾峰在主峰附近，將會給自動調(diào)焦結(jié)果造成較大的誤差。因此，理想的調(diào)焦曲線應(yīng)該比較平滑且單峰。 5)對

18、個別參數(shù)的不敏感性。如果在調(diào)焦過程中，環(huán)境的個別參數(shù)發(fā)生了變化 (例如光照強(qiáng)度)，調(diào)焦程序仍然有較好的特性。 6)能反映離焦極性。為自動調(diào)焦的位置調(diào)整確定正確的方向。 7)較高的信噪比。即使在一定的噪聲干擾下亦能檢測到離焦信號。8)相對計算時間。能使計算機(jī)快速完成評價函數(shù)運算，滿足調(diào)焦實時性的要求。下面來介紹幾種常用的調(diào)焦評價函數(shù)算法11：1) 峰值光強(qiáng)比較法：假定圖像函數(shù)非負(fù)值，即f(x,y)0，則：Emaxf(xi,yj)E越大對焦越好。本方法最簡單，尤其對單點成像最適用，但是對于線掃描和面掃描，得先尋找到峰值點。2) 對比度比較法：對于線掃描：對于面掃描：對比度R越大，對焦越好。3) 標(biāo)

19、準(zhǔn)差比較法：其中，為像面的均值。使值最大的點即為系統(tǒng)的對焦點。但此算法不適合單點成像和線掃描采樣方式。4) 熵值比較法：對于一幅大小的圖像，其總能量可表示為：同時定義：由于的結(jié)構(gòu)類似于信息論中熵的表示法，所以稱它為圖像的熵。根據(jù)山農(nóng)信息論原理，熵最大時信息量最多。將此應(yīng)用于調(diào)焦過程中，當(dāng)E一定時，最大，二維圖像最清晰。用此方法的對焦靈敏度最高，但此算法也不適合單點采樣方式。5) 閾值積分法：根據(jù)圖像的灰度分布，選取一個閾值，并對大于閾值的灰度進(jìn)行求和，其最大值作為圖像的調(diào)焦判據(jù)，精度不高。式中，(為圖像灰度閾值)。此外，利用統(tǒng)計學(xué)函數(shù)方法還有多種算法，如：Range函數(shù)、Menmay函數(shù)、Ma

20、sgrn函數(shù)、直流功率函數(shù)、交流功率函數(shù)等12。4 基于圖像的調(diào)焦系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及控制方案4.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理整個系統(tǒng)為一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)計算機(jī)用軟件判斷離焦，通過計算機(jī)控制自動調(diào)整機(jī)構(gòu)工作，圖像采集卡負(fù)責(zé)采集圖像，送入計算機(jī)內(nèi)存，供離焦判斷之用?；竟ぷ鬟^程如下： 1.首先啟動自動調(diào)焦程序，完成一些必需的初始化工作； 2.計算機(jī)控制圖像采集系統(tǒng)工作，取得圖像數(shù)據(jù)； 3.對圖像數(shù)據(jù)完成調(diào)焦評價函數(shù)運算，取得離焦信號； 4.對離焦信號進(jìn)行判斷，如果未能達(dá)到調(diào)焦要求，完成必要的記錄后，控制自動調(diào)焦機(jī)構(gòu)適當(dāng)調(diào)整，然后重新回到第2步；5.提醒用戶自動調(diào)焦完成，退出自動調(diào)焦軟件系統(tǒng)。上述調(diào)焦過程，因為每一

21、次離焦信號的提取和判斷都有一定的誤差，所以一般情況下理想對焦平面位置的確定都是多次運算比較的結(jié)果。操作者系統(tǒng)計算機(jī)輸入/輸出接口步進(jìn)電機(jī)微位移機(jī)構(gòu)圖像采集卡CCD攝像頭物距調(diào)整圖4-1 基于圖像處理的自動調(diào)焦系統(tǒng)原理框圖4.2 系統(tǒng)尋優(yōu)控制方案自動調(diào)焦的過程是對圖像清晰度的一個逐步優(yōu)化的過程。實際上，理想對焦位置不可能從一幅圖像確定，調(diào)焦過程必須經(jīng)過多次圖像采集、處理、與已有樣本對照并判斷的過程。因此，如何快速而準(zhǔn)確地找到對焦點是系統(tǒng)實現(xiàn)中的一大問題。從前面可以知道，用熵函數(shù)作為評價函數(shù)，得到的調(diào)焦曲線是一條近似的拋物線，所以可以借鑒數(shù)學(xué)某些求極值的方法13。1.斜率法 如圖4-2所示，對焦點

22、P點處的斜率等于零或接近于零，而其它點處(如A、B點)的斜率則大于零或小于零。所以在移動鏡頭的過程中，只要檢測各點處的斜率值就知道離焦的情況，正斜率表示運動方向趨向于對焦點，負(fù)值斜率表示運動方向遠(yuǎn)離對焦點。而零斜率或小于我們設(shè)定的值表示處于對焦點。這一方法的優(yōu)點是調(diào)焦速度快，但由于對焦點P處的斜率變化很小，所以這種方法的調(diào)焦精度并不理想14。圖4-2 斜率法2.逐步搜索法 如圖4-3所示，從A點出發(fā)找到方向后逐步比較采樣值，達(dá)到B點后再返回最小值C點處。B點與C點之差是人為設(shè)定的，這一差值應(yīng)確保C點在A, B區(qū)間之內(nèi)而且為提高調(diào)焦速度B點也不應(yīng)離C點太遠(yuǎn)。該方法的特點是調(diào)焦速度比較快，但由于該

23、方法是以采樣值的大小來確定對焦點的。所以噪聲以及其它干擾都會使系統(tǒng)的調(diào)焦精度受到影響15。圖4-3 逐步搜索法3.對分法 如圖 4-4所示，由光學(xué)可以證明，標(biāo)準(zhǔn)調(diào)焦曲線關(guān)于對焦點是對稱的。故利用對稱特性便可以用對分法找到最佳對焦點。從A點出發(fā)，在曲線另一側(cè)找到A的對稱點B，然后再返回A，行程的一半即達(dá)到對焦點C16。圖4-4 對分法這一方法的精度是相當(dāng)高的，但從圖中可以看出若A點位置不同則 AB的行程也不一樣，從而調(diào)焦時間也不一樣。這就是說調(diào)焦速度很大程度上取決于A點的位置，另一點就是若A點處于C點位置或非常接近C點的時候，則此法可能不穩(wěn)定從而無法找到對焦點。4.綜合法 如圖4-5所示，本系統(tǒng)

24、中我們兼顧調(diào)焦速度和調(diào)焦精度，綜合了逐步搜索法的快速性和對分法的高精度特性，提出一種綜合的方法。從A點出發(fā)，用逐步搜索法找到A'點，從 A'點開始用對分法找到對焦點C點17。圖4-5 綜合法綜合法有兩個優(yōu)點：一是由于C點包含在AA'區(qū)間之內(nèi)18，所以不會出現(xiàn)象對分法中找不到對焦點的不穩(wěn)定情況；二是由于A'B兩點均在C點較近的范圍內(nèi)，所以盡管使用了對分法，整個調(diào)焦過程的時間不會增加很多，而系統(tǒng)的調(diào)焦精度卻河以得到顯著提高19。自動調(diào)焦系統(tǒng)流程圖如圖4-6所示。先任意采集一幅圖像，計算其熵值，然后使步進(jìn)電機(jī)正向前進(jìn)若干步，再次計算熵值。比較兩次的熵值大小，如后一次的

25、值比前一次的小，則電機(jī)前進(jìn)，反之，則后圖4-6 自動調(diào)焦系統(tǒng)流程圖停電機(jī)中斷|差值|電機(jī)反轉(zhuǎn)到B點逐步搜索電機(jī)正轉(zhuǎn)到A'點逐步搜索電機(jī)反轉(zhuǎn)當(dāng)前值移動后的計算熵值開始任意采集一幅圖像計算熵值電機(jī)前進(jìn)重復(fù)n次電機(jī)正轉(zhuǎn)逐步搜索到B'點退；當(dāng)電機(jī)停止后，再先后記錄兩次圖像的熵值，比較其大小，如后一次的值仍比前一次的小，電機(jī)繼續(xù)前進(jìn)，反之則繼續(xù)后退；直到測得后一次的值比前一次的大，電機(jī)反轉(zhuǎn)，同時縮小前進(jìn)的步數(shù)，即縮小調(diào)焦范圍；依次循環(huán)若干次后，判斷此時先后采集的兩幅圖像的熵值差的絕對值是否小于 1.35. (1.35是根據(jù)前面熵值與測量誤差之間的關(guān)系試驗得到的，即當(dāng)熵值達(dá)到1.35左右，

26、測量誤差幾乎不發(fā)生變化)。如果小于，退出自動調(diào)焦軟件，調(diào)焦完成，否則繼續(xù)循壞，進(jìn)行判定，直到判定到清晰圖像為止20。5 自動調(diào)焦技術(shù)的研究現(xiàn)狀隨著儀器自動化、智能化的迅速發(fā)展，自動調(diào)焦技術(shù)的應(yīng)用顯得越來越重要，不僅顯微鏡需要自動調(diào)焦，其它許多光學(xué)儀器，如照相機(jī)、攝象機(jī)、光刻機(jī)以及光學(xué)測量儀等都需要自動調(diào)焦。自動調(diào)焦技術(shù)是一個很早就引起人們重視的研究課題，實現(xiàn)光學(xué)系統(tǒng)的自動調(diào)焦是光學(xué)工作者百年來說一直探索的目標(biāo)。從上個世紀(jì)已經(jīng)有人從事這方面的研究。 最早是法國人于1898年實現(xiàn)了對放大鏡系統(tǒng)的自動調(diào)焦21，后來到1960年，A.Martin的自動調(diào)焦測距器和1968年Canon的自動調(diào)焦相機(jī)才開

27、始使自動調(diào)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)入了新的階段22。進(jìn)入九十年代，自動調(diào)焦技術(shù)已廣泛地用于航天、醫(yī)學(xué)、工業(yè)機(jī)器人視覺、軍事以及各種高精度測量和投影式儀器。七十年代初，美國斯坦福大學(xué)J. M. Tenebanm研究了計算機(jī)視覺系統(tǒng)的自動調(diào)焦問題23。他們根據(jù)圖像的情況提取離焦信號，以調(diào)制閾值梯度作為自動調(diào)焦評價函數(shù)獲得了較好的效果。1976年澳大利亞的R. A. Jarvis對顯微鏡圖像處理系統(tǒng)自動調(diào)焦進(jìn)行了研究24，提出了三種評價函數(shù)，其特點是算法計算簡單，但每種評價函數(shù)僅對具有某種特征的圖像有效。1987年 Ren, Coluo 提出了二種適合于漫反射物體的自動調(diào)焦算法25，并應(yīng)用于機(jī)器人自動調(diào)焦系統(tǒng)。

28、1983年，英國瑞丁大學(xué)物理系Grimbeby. J. B提出用調(diào)制傳遞函數(shù)作為離焦判據(jù)，這一觀點現(xiàn)已被光學(xué)界普遍接受，作為像質(zhì)評價的最佳標(biāo)準(zhǔn)。1988年，美國的Carnegie Mellon大學(xué) Lawrence Firestose用不同調(diào)焦評價函數(shù)對生物組織圖像、 正弦圖像和隨機(jī)圖像進(jìn)行了性能對比分析26-28。 1992年，新加坡國立大學(xué)的TTE，Yeo等人對以前自動調(diào)焦領(lǐng)域出現(xiàn)的評價函數(shù)做了分類、對比，并對單層圖像、多層圖像和彩色圖像的調(diào)焦曲線進(jìn)行了研究，同時介紹了一種通過插值從一系列圖像中提取高質(zhì)量圖像的方法29。日本許多著名的家電生產(chǎn)企業(yè)如Canon 、Sony 、Nikon 、R

29、icoh 都把自動調(diào)焦技術(shù)應(yīng)用于照相機(jī)。例如 Sony 公司利用數(shù)字積分法對視頻信號進(jìn)行分析，認(rèn)為當(dāng)圖像正焦時，積分值最大，把該方法應(yīng)用其生產(chǎn)的照相機(jī)中，取得了較理想的效果。近年來，國內(nèi)有眾多的科研院所及大專院校都對自動調(diào)焦技術(shù)進(jìn)行了研究。上海工業(yè)大學(xué)在1983年利用模擬電路檢測電視信息的高頻分量30，進(jìn)行調(diào)焦判別，取得了較高的調(diào)焦精度。在1984年和1986年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)光學(xué)儀器專業(yè)利用自準(zhǔn)直法研制成功了衛(wèi)星相機(jī)的自動調(diào)焦系統(tǒng)， 精度10m 。1992年，該專業(yè)又研制了具有國內(nèi)先進(jìn)水平的圖像檢測式頻帶切割差動比較CCD自動調(diào)焦系統(tǒng)，1993年，又進(jìn)行了高分辨力 CCD 衛(wèi)星相機(jī)調(diào)焦技術(shù)的

30、研究， 精度為 0.6m。浙江大學(xué)利用圖像微分法，在 10m范圍內(nèi)實現(xiàn)了對顯微系統(tǒng)的調(diào)焦，精度為 1.9m。清華大學(xué)研制的氣動自動調(diào)焦儀，利用噴嘴擋板原理來獲取離散信號，能在±100m的范圍內(nèi)達(dá)到0.5m的調(diào)焦精度。浙江大學(xué)、電子部 45 所和上海光學(xué)儀器研究所都曾利用光電法對照相系統(tǒng)進(jìn)行自動調(diào)焦的研究，均達(dá)到了較高的精度。上海激光技術(shù)研究所對光盤錄放機(jī)的顯微系統(tǒng)利用象散法進(jìn)行自動調(diào)焦，實現(xiàn)了在 500m 范圍內(nèi) 10m的調(diào)焦精度。清華大學(xué)對線寬測量儀的顯微系統(tǒng)利用偏心光束法進(jìn)行自動調(diào)焦，實現(xiàn)了±500m的調(diào)焦范圍內(nèi)0.1m的調(diào)焦精度。參考文獻(xiàn)：1 原育凱.光學(xué)系統(tǒng)的自動調(diào)

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