顯微鏡自動(dòng)對(duì)焦

1、顯微鏡自動(dòng)對(duì)焦隨著科技的發(fā)展與進(jìn)步， 顯微鏡的某些功能已經(jīng)跟不上時(shí)代的發(fā)展， 自動(dòng)對(duì) 焦技術(shù)越來(lái)越多的應(yīng)用于各種成像系統(tǒng)。 這使得自動(dòng)對(duì)焦技術(shù)的理論和方法迅速 發(fā)展，然而，在一些成像系統(tǒng)中的實(shí)際應(yīng)用并不成熟，仍需要進(jìn)行大量的研究。自動(dòng)對(duì)焦技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r作為現(xiàn)代成像系統(tǒng)中必不可少的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，自動(dòng)對(duì)焦技術(shù)于20世紀(jì)70年代 最初應(yīng)用于照相系統(tǒng) "傳統(tǒng)的對(duì)焦技術(shù)大部分是基于測(cè)距原理的,如超聲波測(cè)距法!反射能量法 .,和一些基于三角測(cè)距原理的方法 "隨著電子技術(shù)和信號(hào)處理技術(shù) 的發(fā)展 ,人們對(duì)準(zhǔn)確對(duì)焦圖像信號(hào)和離焦圖像信號(hào)的鑒別能力得到提高,從而產(chǎn)生了基于視頻信號(hào)分析的自動(dòng)對(duì)焦

2、技術(shù) ,并應(yīng)用于攝像系統(tǒng) "加世紀(jì) 90 年代后,以 ccD（或cMo）s獲取的圖像作為基本信息，以圖像分析與處理技術(shù)作為基礎(chǔ)的自動(dòng) 對(duì)焦技術(shù)得到了很大發(fā)展 ,能自動(dòng)對(duì)焦的數(shù)碼相機(jī)就是這一技術(shù)應(yīng)用的典型代表 "在國(guó)際上,自動(dòng)對(duì)焦技術(shù)已經(jīng)比較成熟 ,特別是在數(shù)碼相機(jī)和安防監(jiān)控系統(tǒng)方面 , 但也還存在著一定的局限性 ,甚至有誤對(duì)焦等情況的出現(xiàn) ,而在顯微鏡上的自動(dòng)對(duì) 焦技術(shù)的應(yīng)用相對(duì)較少，Nikon公司已經(jīng)推出了這方面的產(chǎn)品，但價(jià)格比較昂貴"其 中有一套顯微鏡自動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng) ,它是對(duì)樣品表面附近的標(biāo)記 （標(biāo)記的像）進(jìn)行自動(dòng) 對(duì)焦 ,這樣就避開了樣品本身復(fù)雜多變的信號(hào) ,

3、而只需對(duì)關(guān)于標(biāo)記的簡(jiǎn)單明確的信 號(hào)進(jìn)行處理 ,頻率成分也很單一 ,故能快速準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對(duì)焦 " 性能良好而且判斷準(zhǔn)確的調(diào)焦準(zhǔn)則及策略 ,對(duì)于精確的圖像信息獲取起著極為重 要的作用 "在自動(dòng)對(duì)焦技術(shù)領(lǐng)域的研究中 ,人們提出了多種多樣的自動(dòng)對(duì)焦評(píng)價(jià) 方法"其中,光學(xué)顯微鏡自動(dòng)聚焦的技術(shù)研究一文中,在對(duì)普通光學(xué)顯微鏡進(jìn)行一定改裝的基礎(chǔ)之上 ,設(shè)計(jì)了一套顯微鏡自動(dòng)聚焦系統(tǒng) ,并且給出了圖像的灰度差分 絕對(duì)值之和算子 ,解決了自動(dòng)聚焦過(guò)程中是否正確聚焦的判斷問(wèn)題 ,最后還給出了 一套基于啟發(fā)式搜索算法的聚焦搜索策略 ,以加快焦平面的搜索 "在基于傳統(tǒng)的 基于嫡函

4、數(shù)的自動(dòng)聚焦方法 /文中,提出了一種分步聚焦的快速自動(dòng)聚焦算法 "該 方法較好地解決了傳統(tǒng)的自動(dòng)聚焦方法無(wú)法同時(shí)協(xié)調(diào)聚焦速度與聚焦精度的不 足,而且具有很高的魯棒性 "在一種基于能量和嫡的自動(dòng)聚焦算法文中,提出了一種基于能量和嫡的對(duì)焦評(píng)價(jià)方法 ,在討論鏡頭系統(tǒng)造成圖像模糊原理的基礎(chǔ)上 ,提 出以空域高頻能量和墑作為圖像清晰度判據(jù)并詳細(xì)分析了判據(jù)性能,針對(duì)傳統(tǒng)的MCS 聚焦流程所固有的局限性 ,引入了方向測(cè)試幀概念 , 通過(guò)聯(lián)合使用多種清晰度判據(jù)以及步長(zhǎng)的自適應(yīng)調(diào)整策略提高了自動(dòng)聚焦的可 靠性!聚焦速度以及聚焦靈敏度 "文獻(xiàn)提出了一種基于小波變換的多分辨率分析 方法

5、來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字圖像自動(dòng)聚焦的算法 ,它通過(guò)對(duì)小波變換后清晰圖像和模糊圖像 的高頻系數(shù)的能量值進(jìn)行計(jì)算比較 ,從而可以判斷圖像是否聚焦。 本課題主要研究一下內(nèi)容 ：1. 對(duì)焦評(píng)價(jià)函數(shù)的設(shè)計(jì)及其性能仿真 對(duì)常用的對(duì)焦評(píng)價(jià)函數(shù)，特別是對(duì)基于模擬濾波對(duì)焦評(píng)價(jià)函數(shù)算法的分析比較 后，提出一種基于數(shù)字濾波的對(duì)焦評(píng)價(jià)函數(shù)算法， 而且對(duì)該算法進(jìn)行設(shè)計(jì)和性能 仿真的研究，在仿真的過(guò)程中， 將新的對(duì)焦評(píng)價(jià)函數(shù)算法與以往幾種常用的對(duì)焦 評(píng)價(jià)函數(shù)算法的性能相比較厚，加數(shù)字濾波評(píng)價(jià)函數(shù)算法進(jìn)行改進(jìn)。2. 顯微鏡自動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)在本系統(tǒng)中，硬件設(shè)計(jì)研究中主要是對(duì)單片機(jī)控制驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)，用單片機(jī) 控制步進(jìn)電機(jī)正傳，反轉(zhuǎn)，加

6、速，加速等功能；軟件設(shè)計(jì)研究則主要是人機(jī)交互 界面軟件設(shè)計(jì)。 該用戶界面用來(lái)實(shí)現(xiàn)視頻采集， 對(duì)焦評(píng)價(jià)函數(shù)算法， 優(yōu)化爬山搜 索算法，電機(jī)控制，數(shù)據(jù)庫(kù)等功能。3. 基于數(shù)字濾波對(duì)焦評(píng)價(jià)函數(shù)在顯微鏡自動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)中的應(yīng)用 通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)比較數(shù)字濾波對(duì)焦評(píng)價(jià)函數(shù)算法和幾種常用的對(duì)焦評(píng)價(jià)函數(shù)算法在 顯微鏡自動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)中的實(shí)際性能， 并重點(diǎn)對(duì)對(duì)評(píng)價(jià)函數(shù)算法在整個(gè)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn) 自動(dòng)對(duì)焦的實(shí)現(xiàn)行進(jìn)行比較分析和改進(jìn)，使整個(gè)對(duì)焦系統(tǒng)具有良好的實(shí)現(xiàn)性。 顯微鏡的成像原理1. 一般地 ,樣品經(jīng)短焦距的物鏡在一定的距離應(yīng)形成放大像 ,這個(gè)中間像是倒立的 實(shí)像 ,而在像距比物距大的情況下 ,樣品應(yīng)放在物鏡的焦距之內(nèi) "

7、;.2. 中間像可以當(dāng)作一個(gè)物體 ,它可以通過(guò)目鏡被眼睛所觀察 ,當(dāng)中間像靠近目鏡的 焦平面時(shí) ,最終像就會(huì)在眼睛的一定距離內(nèi)形成 ,這個(gè)最終像是倒立的虛像。此虛 像不能顯示在屏幕上也不能使照相底片感光 "3. 復(fù)式顯微鏡的總放大倍數(shù) M是物鏡放大倍數(shù)M"和目鏡放大倍數(shù)M"的乘積" 顯微成像的影響因素顯微鏡能否得到清晰的圖像與很多因素有關(guān) ,如顯微鏡的景深 !操作場(chǎng)景的光照 ! CCD 的靈敏度等等 "而這些因素中最重要的是顯微鏡的景深 ,因?yàn)榇_保微操作場(chǎng) 景處于顯微鏡景深范圍之內(nèi) ,是成像的第一步 ,同時(shí)應(yīng)該盡量消除或者減少光照變 化及不均勻

8、等因素的影響 "研究成像系統(tǒng)的景深對(duì)自動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)的設(shè)計(jì)非常重要 "當(dāng)顯微鏡調(diào)焦于物面即對(duì)準(zhǔn)平面時(shí) ,如果位于其前和后的物面仍能被看清的話,則該二平面之間的距離稱為顯微鏡的景深"關(guān)于顯微鏡的景深 ,雖然大家的意見(jiàn)不一，但大都認(rèn)為景深應(yīng)該和光波長(zhǎng)兄！顯微鏡物鏡數(shù)值孔徑NA!介質(zhì)折射率n和 顯微鏡放大率 M 這幾個(gè)參數(shù)有關(guān) "顯微鏡的齊焦差眾所周知 ,顯微鏡在使用過(guò)程中要經(jīng)常調(diào)換物鏡和目鏡 ,因此它必須滿足齊焦條件 即當(dāng)調(diào)換物鏡后 ,不需要重新調(diào)焦就能看到物體的像 "從而,不同倍率的物鏡應(yīng)設(shè) 計(jì)有不同的光學(xué)筒長(zhǎng) ,并在光學(xué)和機(jī)構(gòu)上滿足如下三個(gè)要求 :

9、1. 不同倍率的物鏡有相同的物像共扼距 "對(duì)于生物顯微鏡 ,我國(guó)規(guī)定為 195mm"2. 物鏡的像面到鏡筒的上端面 ,即目鏡的支承面的距離固定 "我.國(guó)規(guī)定為 IOmm"為在調(diào)換目鏡后也不需要重新調(diào)焦 ,則目鏡的物方焦平面要與物鏡的像面重合 " 自動(dòng)對(duì)焦技術(shù)的基本方法像偏移法傳統(tǒng)的對(duì)焦技術(shù)測(cè)距法.PSDM距法獸：醫(yī) 超岸波法 旋轉(zhuǎn)光闌離焦檢測(cè)法V A F組件相關(guān)法 對(duì)比度檢測(cè)法動(dòng)態(tài)聚鶴透鏡法視頻信號(hào)分析法基于數(shù)字圖像處理的對(duì)儒方法'對(duì)焦瀝度法 寓焦深度法傳統(tǒng)的對(duì)焦技術(shù)顯微鏡調(diào)焦的方法基本上可以分為內(nèi)調(diào)焦 ！透鏡組調(diào)焦！動(dòng)態(tài)聚焦透鏡調(diào)焦！

10、以及 廣泛采用的調(diào)節(jié)工作臺(tái)與顯微鏡頭相對(duì)位置的方法"實(shí)現(xiàn)其自動(dòng)調(diào)焦，可以通過(guò)附加某種探測(cè)設(shè)備以判斷成像清晰程度，再控制調(diào)焦裝置實(shí)現(xiàn)有針對(duì)性的運(yùn)動(dòng)，使 得顯微鏡成像于最清晰的某一點(diǎn)" 顯微鏡自動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)本章主要介紹了顯微鏡自動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)的總體架構(gòu)，并詳細(xì)敘述了其中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)部分，而步進(jìn)電機(jī)則是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵 "步進(jìn)電機(jī)的選取是我們?cè)谙到y(tǒng)建立的初 期要著重解決的，而當(dāng)選好電機(jī)后，相應(yīng)的裝夾機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也要跟上"為了使步 進(jìn)電機(jī)能夠更好地運(yùn)轉(zhuǎn)，我們?cè)隍?qū)動(dòng)電機(jī)時(shí)，就要考慮步進(jìn)電機(jī)的加速問(wèn)題"對(duì)于 本系統(tǒng)，我們所要處理的是視頻信號(hào)，這就要求我們?cè)O(shè)

11、計(jì)相應(yīng)的模擬電路對(duì)CCD采集來(lái)的視頻信號(hào)進(jìn)行處理"在本章的后半部分，我主要介紹了一下我們將要處 理的電視信號(hào)的一些特點(diǎn)"系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理光學(xué)成像系統(tǒng)可以看作一個(gè)低通濾波器，存在一個(gè)截止頻率，在截止頻率以上的信 息經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)成像后將會(huì)丟失，截止頻率以下的成分被光學(xué)系統(tǒng)調(diào)制和傳遞"對(duì) 于對(duì)焦準(zhǔn)確的圖像，畫面清晰，輪廓清楚，圖像高頻成分的電平幅度大；離焦時(shí)，畫面 不清晰，輪廓不清楚,高頻成分的電平幅度小"因此，本文設(shè)計(jì)了一種基于視頻圖像 高頻成分判別的自動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)"它包括顯微鏡系統(tǒng)!CCD視頻信號(hào)獲取!模擬視頻 信號(hào)處理！單片機(jī)控制與對(duì)焦執(zhí)行機(jī)構(gòu)五個(gè)部

12、分"其中，顯微鏡和CCD負(fù)責(zé)視頻信 號(hào)的獲取,而模擬信號(hào)處理部分使用多路反饋帶通有源濾波器對(duì)獲得的視頻信號(hào) 進(jìn)行濾波，保留高頻成分，并對(duì)一幀圖像中高頻信號(hào)進(jìn)行積分，然后單片機(jī)通過(guò)A" 芯片采集模擬積分信號(hào)/,以此判斷是否處于正確對(duì)焦位置，并根據(jù)搜索算法控制 執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行對(duì)焦"顯微鏡自動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)及優(yōu)化本章主要介紹了顯微鏡自動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)電路部分的設(shè)計(jì) ，用來(lái)處理本系統(tǒng)視頻信號(hào) 的電路部分顯然是進(jìn)行軟件控制及其它后續(xù)工作的基礎(chǔ) "但是，電路的設(shè)計(jì)不是 一跳而就的，它需要我們不斷地實(shí)驗(yàn)與調(diào)整"在系統(tǒng)的調(diào)整過(guò)程中，我們不斷發(fā)現(xiàn) 問(wèn)題解決問(wèn)題,調(diào)整

13、電路并優(yōu)化方案，使系統(tǒng)更加完善"在本章中，主要講述了四個(gè) 方面 :濾波器的設(shè)計(jì)及優(yōu)化 !信號(hào)的放大 !視頻行與單片機(jī)周期間的漂移問(wèn)題和電 機(jī)驅(qū)動(dòng)方式的優(yōu)化 "其中濾波器的設(shè)計(jì)對(duì)系統(tǒng)要處理的視頻信號(hào)起非常重要的作 用,我們不但要設(shè)計(jì)合適濾波器參數(shù) ,而且要對(duì)濾波的方案進(jìn)行一些探討 " 電機(jī)的 驅(qū)動(dòng)方式與系統(tǒng)的對(duì)焦時(shí)間密切相關(guān) ,我們通過(guò)改變其驅(qū)動(dòng)方式的方法 ,提高了系 統(tǒng)的對(duì)焦速度 " 濾波器的設(shè)計(jì)及優(yōu)化電視信號(hào)占有0 6MHz的頻帶寬度，而傳輸?shù)男盘?hào)中比6MHz更高的頻率成分 為無(wú)效的噪聲信號(hào) "圖像的細(xì)節(jié)和清晰度有關(guān) ,離焦的圖像會(huì)喪失掉部分

14、細(xì)節(jié) ,在 頻域上表現(xiàn)為高頻信號(hào)的減弱 "離焦量越大 ,圖像越不清晰 ,信號(hào)的高頻部分越弱 " 因此,我們可以根據(jù)視頻信號(hào)的高頻成分強(qiáng)弱來(lái)判斷圖像是否正確對(duì)焦,以及離焦程度的大 ,小"只要找到了包含高頻成分最多的那幀圖像,對(duì)應(yīng)的成像位置就可被認(rèn)為是最佳對(duì)焦位置 "從而,我們需要設(shè)計(jì)一個(gè)能讓圖像中的高頻部分通過(guò) ,而又 濾掉噪聲的濾波器 0- 濾波器通帶的設(shè)計(jì)及優(yōu)化"在系統(tǒng)調(diào)整的初期 ,經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證 ,我們把濾波器通帶的中心頻率選擇為 ZMHz, 帶寬也為 ZMHz, 取得了較好的實(shí)驗(yàn)效果 ,能夠在較短的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對(duì) 焦,并且分別達(dá)到不同倍

15、數(shù)物鏡下各自的精度要求"在系統(tǒng)的繼續(xù)調(diào)整過(guò)程中 ,我們希望在保證一定的對(duì)焦精度的情況下,加快對(duì)焦的速度 "經(jīng)過(guò)多次探討以及實(shí)驗(yàn),我們發(fā)現(xiàn)在搜索過(guò)程中 ,第一次大步長(zhǎng)粗略地搜索 ,選用更低頻的通帶較為適 合,對(duì)焦的范圍會(huì)更大 ,速度也會(huì)有所提高 "因?yàn)檫@時(shí)低頻的變化明顯 ,且已經(jīng)足夠 讓系統(tǒng)粗略判出大致的聚焦位置 "而第二次以小步長(zhǎng)搜索 ,選用較高頻的通帶 ,更 能反映圖像的細(xì)節(jié)信息 ,能夠保證一定的精度要求 "信號(hào)的放大為了方便后續(xù)的信號(hào)積分!A 了 D變換和數(shù)據(jù)的采樣，濾波后的信號(hào)需要進(jìn)行一定 程度的放大 "而且放大倍數(shù)并不是毫無(wú)規(guī)

16、律的 ,不同亮度 !不同物鏡倍數(shù)的情況下 , 視頻信號(hào)需要不同倍數(shù)地放大 "如果放大倍數(shù)過(guò)小 ,則起不到放大的效果 ,會(huì)使得 系統(tǒng)由于信號(hào)過(guò)小而無(wú)法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對(duì)焦 ;如果放大倍數(shù)過(guò)大 ,則會(huì)使得視頻信號(hào)出 現(xiàn)過(guò)飽和的狀態(tài) ,從而會(huì)使得電機(jī)每次都沖過(guò)頭 ,而不能準(zhǔn)確到達(dá)正確的對(duì)焦位置 , 這是由于對(duì)焦曲線的峰被削平了 ,不再能正確反映對(duì)焦過(guò)程中所采集的圖像信息 的變化，實(shí)驗(yàn)中就出現(xiàn)過(guò)這種情況"我們?cè)谙到y(tǒng)中采用了放大電路，如圖所示，(a)為 同相比例放大器，b()為反相比例放大器6-" 系統(tǒng)對(duì)焦時(shí)間的測(cè)試 系統(tǒng)的對(duì)焦時(shí)間是衡量顯微鏡自動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)性能的一個(gè)重要指標(biāo) ,自然我們希望 系統(tǒng)的對(duì)焦時(shí)間越短越好 ,當(dāng)然 ,也要保證一定的系統(tǒng)精度 "系統(tǒng)對(duì)焦時(shí)間與離焦 程度的大小密切相關(guān) ,離焦較遠(yuǎn)和電機(jī)開始轉(zhuǎn)動(dòng)方向錯(cuò)誤的話 ,都會(huì)使對(duì)焦時(shí)間增 加"在我們系統(tǒng)調(diào)整的整個(gè)過(guò)程中,我們都要對(duì)當(dāng)前系統(tǒng)的對(duì)焦時(shí)間及期望的對(duì)焦時(shí)間做到心中有數(shù) "在我們電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式改變的前后 ,系統(tǒng)的對(duì)焦時(shí)間有了較 明顯的變化 ,"參考文獻(xiàn)1馮華君，王兆遠(yuǎn)紅外能量法二點(diǎn)式自動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)現(xiàn)代照相機(jī)，1992(4),pp.1 72馮華君，反射能量法測(cè)距聚焦系統(tǒng)及其重疊設(shè)計(jì)法光電工程，1998,25位),pp.48 一 533l 李開端 ,趙育良,李英杰