显微镜自动对焦系统设计与应用

[2]．刘义鹏《显微镜自动对焦系统设计与应用》

自动对焦技术越来越多的应用于各种成像系统,无论是在日常生活、科学研究、军事应用等等只要涉及到成像系统的地方都有重要应用.目前,自动对焦技术的各种理论和方法发展很快,然而,其在一些成像系统中的实际应用并不成熟,仍需要进行大量的研究.实用自动对焦系统的设计包括对焦评价函数、控制系统、执行机构、电源和用户界面等方面的设计.本文在以往自动对焦方面工作的基础上,设计了一种应用在显微镜中的自动对焦系统.此系统基于单片机控制和CCD模拟视频信号处理.系统通过对CCD输出的模拟视频信号进行滤波,提取出代表图像清晰程度的高频成分,并以此作为对焦评价值,由单片机控制对焦过程,驱动执行机构完成对焦.测试结果显示,系统对焦结果的稳定性和对焦时间都很好满足了设计要求.此系统的特点是结构简单、对焦速度快、对焦结果稳定、成本低,因此实用性极强.本文包含了以下一些内容:(1)介绍了自动对焦技术的现状、原理和方法.(2)设计出一种基于视频信号模拟滤波的对焦评价方法.(3)设计实现了基于视频信号滤波和单片机控制的显微镜自动对焦系统硬件结构.(4)设计了此显微镜自动对焦系统的软件部分.(5)对此显微镜自动对焦系统性能进行了详细测试.(6)最后,本文对自动对焦技术在显微成像系统中的应用进行了展望,分析了今后需要研究的方向.本文在理论分析的基础上,着重进行了工程设计和实现,将自动对焦的相关理论应用于显微镜系统,并结合实际需求,设计出稳定、实用的系统.

1. 2自动对焦技术现状

自动对焦技术于20世纪70年代最初应用于照相系统。传统的对焦技术大部分是基于测距原理的1，如超声波测距法、反射能量法2,3和一些基于三角测距原理的方法4。随着电子技术和信号处理技术的发展，产生了基于视频信号分析的自动对焦技术，并应用于摄像系统5,6。进入20世纪90年代，以CCD获取图像借助于图像分析与处理的对焦方法得到了发展。

国际上自动对焦技术比较成熟，特别是应用在数字照相机、监控系统方面，但也存在一定的局限性，甚至有误对焦等情况的出现7，而应用在显微镜上的自动对焦相对较少，Nikon 公司已经推出了这方面的产品，但价格比较昂贵。

在自动对焦技术领域的研究中，人们提出了多种多样的自动对焦评价方法。文献8提出了一种基于嫡函数的自动对焦方法;文献9提出了基于能量和嫡的对焦评价方法;文献10提出了一种基于小波变换的多分辨率分析方法来实现数字图像自动聚焦的新算法;文献11提出了一种基于图像清晰度的自动聚焦算法。文献12提出了一种基于尺度变化的DCT自动聚焦算法。浙江大学对数字成像系统的自动对焦技术进行了研究。在图像非均匀采样’3、图像预处理’14、自动对焦区域设计15、自动对焦评价函数方面进行了深入研究，提出了基于分辨力空间变化16、基于彩色图像RGB分析17、基于频谱分析的离焦深度等的自动对焦法18，以及用于数码相机系统中的瞳孔控制自动对焦技术19；基于皮肤探测的自动对焦技术20;并设计了几种用于数字成像的自动对焦系统21.22

华中科技大学的杨少波等对曲面成像的自动聚焦方法进行了研究23，浙江科技学院的郑玉珍等人研究了实时自动对焦技术24。

目前，自动对焦技术在数码相机/摄像机中得到了普遍应用，也在投影系统25、红外成像系统26、显微成像系统27,28,29,30中得到了应用。文献27, 28, 29,30对自动对焦技术在显微成像系统方面的应用进行了一些研究。文献27讨论了适用于显微系统自动对焦的几种实用对焦评价函数。文献28, 29通过CCD采集视频信号，由PC机作为运算控制中心，文献28采用图像的灰度差分绝对值之和算子作为评价函数，文献29采用八邻点平方差之和作为评价函数。文献30设计了基于视频信号模拟滤波和单片机控制的自动对焦系统。

本硕士学位论文的具体内容如下:

第一章介绍了课题的研究意义、自动对焦技术现状，确定本论文的研究内容。

第二章探讨了自动对焦技术的原理和方法。

第三章设计了一种基于CCD 视频信号处理与单片机控制的显微镜自动对焦系统。结合显微镜的原理与特点，设计出系统方案和各个部分硬件结构，包括模拟信号处理、单片机控制于A/D 部分数据采集、执行机构。最后给出系统实物图。

第四章为软件设计。介绍了对焦评价函数的设计，对爬山搜索算法进行了改进，并设计出系统运行流程图和各部分子程序。

第五章为实验和系统精度分析。实验部分包括对焦曲线测试、滤波器通带选择、步长选择、搜索算法实验、执行机构空回测试、系统稳定性测试、系统对焦时间测试:精度分析对系统对焦精度进行了估算。

第六章总结了全文的研究内容，并对课题的后续研究进行展望。

第二章 自动对焦的原理和方法

图2-1显示了光学成像的基本原理。理想成像时有

f

v u 111=+ （2-1）

聚焦时，物体上的一个点在成像平面上聚成一个点，此时的成像平面又称为聚焦平面。若成像平面距镜头的距离不是v 而是s ，那么该物体点在成像平面上不是聚成一个点，而是扩散成具有半径为舶勺圆形光斑，这样图像就变得模糊。成像平面距聚焦平面的距离:一v 越大，散焦程度越大，R 也就越大，图像就越模糊。可用式2一2表示:

()

u s f D s R 1112--= （2一2） 理想成像系统的点扩展函数PSF (Point Spread Function)()y x h ,可以用式(2-3)表示:

()⎰⎰∞∞-∞

∞-=1,dxdy y x h （2-3） 在非相干光源下，圆形孔径的点扩散函数为：

()()21112,⎥⎦⎤⎢⎣

⎡=z z J y x h （2-4） 式中1J 是一阶贝塞尔函数，fr

D z λπ=1，D 为物镜入瞳直径，f 为物镜焦距，λ为窄带非相干光源的中心波长，r 为像面内距中心距离（22y x r +=

）。 由于贝塞尔函数比较复杂，在实际应用中常用二维高斯函数来近似表示此时的点扩散函数：

()2222/)(221,a y x e a y x h +-=π （2-5）

式中a 为点扩散函数分布的标准偏差的扩散参量，它与模糊半径成正比

CR a = （2-6）

则光学传递函数（Optical Transfer Function ）为：

()()[]

222

1,exp ,a v v H ωρω-= （2-7） 光学传递函数反映成像系统对物体不同频率成分的传递能力。其传递效果是频率不变但对比度下降，相位发生推移，并在某一频率处截止，即对比度为零。

根据以上分析可知，光学成像系统等价于一个低通滤波器，不同的离焦情况下滤波器对应的截止频率不同。对焦愈准确，截止频率愈高；离焦量愈大，则截止频率愈低。此时空域上表现为点光源成像后形成的一定大小的模糊圆，相邻的像素相互影像，频域上表现为高频分量流失造成的图像细节模糊。

所谓自动对焦，就是用某种手段使光学成像系统成像时进行自动调节使图像探测器位于理想成像位置上。随着现代成像系统逐渐向智能化的方向发展，自动对焦技术已成为成像系统中必不可少的一个部分。

2.2自动对焦的基本方法

2. 2. 1传统的对焦技术

1.像偏移法

像偏移法利用三角测距原理，由被摄物体发出的光线，同时进入测距器的左、右两端，并成像在接收元件上，通过两组间的信号比较，求得合适的对焦位

2. PSD 测距法

PSD 测距系统是另一种基于三角测距原理的自动对焦技术31。红外发光管经准直透镜向被摄目标发射红外辐射，用接受透镜收集经物体漫反射后的辐射，并会聚在位置检测器件PSD 上。通过对PSD 输出电流比值的探测和运算得到被测物体的物距，从而通过镜头控制系统达到自动对焦的目的。

3.对比度法

当系统对焦时，图像对比度最强；系统离焦时，图像对比度下降，离焦量越大，对比度越低。因此，可以通过一维CCD 作对比度检测，根据检测结果判别是否对焦，并对离焦情况进行对焦处理。