显微镜自动对焦

1、显微镜自动对焦随着科技的发展与进步，显微镜的某些功能已经跟不上时代的发展，自动对焦技术越来越多的应用于各种成像系统。这使得自动对焦技术的理论和方法迅速发展，然而，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。自动对焦技术的发展状况作为现代成像系统中必不可少的一项关键技术,自动对焦技术于2O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,如超声波测距法!反射能量法.,和一些基于三角测距原理的方法"随着电子技术和信号处理技术的发展,人们对准确对焦图像信号和离焦图像信号的鉴别能力得到提高,从而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

2、"加世纪90年代后,以ccD(或cMo)s获取的图像作为基本信息,以图像分析与处理技术作为基础的自动对焦技术得到了很大发展,能自动对焦的数码相机就是这一技术应用的典型代表"在国际上,自动对焦技术已经比较成熟,特别是在数码相机和安防监控系统方面,但也还存在着一定的局限性,甚至有误对焦等情况的出现,而在显微镜上的自动对焦技术的应用相对较少,Nikon公司已经推出了这方面的产品,但价格比较昂贵"其中有一套显微镜自动对焦系统,它是对样品表面附近的标记(标记的像)进行自动对焦,这样就避开了样品本身复杂多变的信号,而只需对关于标记的简单明确的信号进行处理,频率成分也很单一,故

3、能快速准确地实现自动对焦"性能良好而且判断准确的调焦准则及策略,对于精确的图像信息获取起着极为重要的作用"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"其中,光学显微镜自动聚焦的技术研究一文中,在对普通光学显微镜进行一定改装的基础之上,设计了一套显微镜自动聚焦系统,并且给出了图像的灰度差分绝对值之和算子,解决了自动聚焦过程中是否正确聚焦的判断问题,最后还给出了一套基于启发式搜索算法的聚焦搜索策略,以加快焦平面的搜索"在基于传统的基于嫡函数的自动聚焦方法/文中,提出了一种分步聚焦的快速自动聚焦算法"该方法较好地解决了传统的自动

4、聚焦方法无法同时协调聚焦速度与聚焦精度的不足,而且具有很高的鲁棒性"在一种基于能量和嫡的自动聚焦算法文中,提出了一种基于能量和嫡的对焦评价方法,在讨论镜头系统造成图像模糊原理的基础上,提出以空域高频能量和墒作为图像清晰度判据并详细分析了判据性能,针对传统的MCS聚焦流程所固有的局限性,引入了方向测试帧概念,通过联合使用多种清晰度判据以及步长的自适应调整策略提高了自动聚焦的可靠性!聚焦速度以及聚焦灵敏度"文献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算法,它通过对小波变换后清晰图像和模糊图像的高频系数的能量值进行计算比较,从而可以判断图像是否聚焦。本课题

5、主要研究一下内容：1. 对焦评价函数的设计及其性能仿真对常用的对焦评价函数，特别是对基于模拟滤波对焦评价函数算法的分析比较后，提出一种基于数字滤波的对焦评价函数算法，而且对该算法进行设计和性能仿真的研究，在仿真的过程中，将新的对焦评价函数算法与以往几种常用的对焦评价函数算法的性能相比较厚，加数字滤波评价函数算法进行改进。2. 显微镜自动对焦系统的实现 在本系统中，硬件设计研究中主要是对单片机控制驱动电路的设计，用单片机控制步进电机正传，反转，加速，加速等功能；软件设计研究则主要是人机交互界面软件设计。该用户界面用来实现视频采集，对焦评价函数算法，优化爬山搜索算法，电机控制，数据库等功能。3.

6、基于数字滤波对焦评价函数在显微镜自动对焦系统中的应用 通过实验来比较数字滤波对焦评价函数算法和几种常用的对焦评价函数算法在显微镜自动对焦系统中的实际性能，并重点对对评价函数算法在整个系统中实现自动对焦的实现行进行比较分析和改进，使整个对焦系统具有良好的实现性。显微镜的成像原理1.一般地,样品经短焦距的物镜在一定的距离应形成放大像,这个中间像是倒立的实像,而在像距比物距大的情况下,样品应放在物镜的焦距之内".2.中间像可以当作一个物体,它可以通过目镜被眼睛所观察,当中间像靠近目镜的焦平面时,最终像就会在眼睛的一定距离内形成,这个最终像是倒立的虚像。此虚像不能显示在屏幕上也不能使照相底片

7、感光"3.复式显微镜的总放大倍数M是物镜放大倍数M"和目镜放大倍数M"的乘积"显微成像的影响因素显微镜能否得到清晰的图像与很多因素有关,如显微镜的景深!操作场景的光照!CCD的灵敏度等等"而这些因素中最重要的是显微镜的景深,因为确保微操作场景处于显微镜景深范围之内,是成像的第一步,同时应该尽量消除或者减少光照变化及不均匀等因素的影响"研究成像系统的景深对自动对焦系统的设计非常重要"当显微镜调焦于物面即对准平面时,如果位于其前和后的物面仍能被看清的话,则该二平面之间的距离称为显微镜的景深"关于显微镜的景深,虽然大家的

8、意见不一,但大都认为景深应该和光波长兄!显微镜物镜数值孔径NA!介质折射率n和显微镜放大率M这几个参数有关"显微镜的齐焦差众所周知,显微镜在使用过程中要经常调换物镜和目镜,因此它必须满足齐焦条件,即当调换物镜后,不需要重新调焦就能看到物体的像"从而,不同倍率的物镜应设计有不同的光学筒长,并在光学和机构上满足如下三个要求:1.不同倍率的物镜有相同的物像共扼距"对于生物显微镜,我国规定为195mm"2.物镜的像面到镜筒的上端面,即目镜的支承面的距离固定"我.国规定为IOmm"3.为在调换目镜后也不需要重新调焦,则目镜的物方焦平面要与物镜的

9、像面重合"自动对焦技术的基本方法传统的对焦技术显微镜调焦的方法基本上可以分为内调焦!透镜组调焦!动态聚焦透镜调焦!以及广泛采用的调节工作台与显微镜头相对位置的方法"实现其自动调焦,可以通过附加某种探测设备以判断成像清晰程度,再控制调焦装置实现有针对性的运动,使得显微镜成像于最清晰的某一点"显微镜自动对焦系统的总体结构本章主要介绍了显微镜自动对焦系统的总体架构,并详细叙述了其中的执行机构部分,而步进电机则是执行机构的关键"步进电机的选取是我们在系统建立的初期要着重解决的,而当选好电机后,相应的装夹机械结构设计也要跟上"为了使步进电机能够更好地运转

10、,我们在驱动电机时,就要考虑步进电机的加速问题"对于本系统,我们所要处理的是视频信号,这就要求我们设计相应的模拟电路对CCD采集来的视频信号进行处理"在本章的后半部分,我主要介绍了一下我们将要处理的电视信号的一些特点"系统结构及原理光学成像系统可以看作一个低通滤波器,存在一个截止频率,在截止频率以上的信息经光学系统成像后将会丢失,截止频率以下的成分被光学系统调制和传递"对于对焦准确的图像,画面清晰,轮廓清楚,图像高频成分的电平幅度大;离焦时,画面不清晰,轮廓不清楚,高频成分的电平幅度小"因此,本文设计了一种基于视频图像高频成分判别的自动对焦系统

11、"它包括显微镜系统!CCD视频信号获取!模拟视频信号处理!单片机控制与对焦执行机构五个部分"其中,显微镜和CCD负责视频信号的获取,而模拟信号处理部分使用多路反馈带通有源滤波器对获得的视频信号进行滤波,保留高频成分,并对一帧图像中高频信号进行积分,然后单片机通过A"芯片采集模拟积分信号/,以此判断是否处于正确对焦位置,并根据搜索算法控制执行机构进行对焦"显微镜自动对焦系统硬件的设计及优化本章主要介绍了显微镜自动对焦系统电路部分的设计,用来处理本系统视频信号的电路部分显然是进行软件控制及其它后续工作的基础"但是,电路的设计不是一跳而就的,它需要我

12、们不断地实验与调整"在系统的调整过程中,我们不断发现问题解决问题,调整电路并优化方案,使系统更加完善"在本章中,主要讲述了四个方面:滤波器的设计及优化!信号的放大!视频行与单片机周期间的漂移问题和电机驱动方式的优化"其中滤波器的设计对系统要处理的视频信号起非常重要的作用,我们不但要设计合适滤波器参数,而且要对滤波的方案进行一些探讨"电机的驱动方式与系统的对焦时间密切相关,我们通过改变其驱动方式的方法,提高了系统的对焦速度"滤波器的设计及优化电视信号占有0一6MHz的频带宽度,而传输的信号中比6MHz更高的频率成分为无效的噪声信号"图像

13、的细节和清晰度有关,离焦的图像会丧失掉部分细节,在频域上表现为高频信号的减弱"离焦量越大,图像越不清晰,信号的高频部分越弱"因此,我们可以根据视频信号的高频成分强弱来判断图像是否正确对焦,以及离焦程度的大,小"只要找到了包含高频成分最多的那帧图像,对应的成像位置就可被认为是最佳对焦位置"从而,我们需要设计一个能让图像中的高频部分通过,而又滤掉噪声的滤波器0-滤波器通带的设计及优化"在系统调整的初期,经过实验的验证,我们把滤波器通带的中心频率选择为ZMHz,带宽也为ZMHz,取得了较好的实验效果,能够在较短的时间内实现自动对焦,并且分别达到不同倍

14、数物镜下各自的精度要求"在系统的继续调整过程中,我们希望在保证一定的对焦精度的情况下,加快对焦的速度"经过多次探讨以及实验,我们发现在搜索过程中,第一次大步长粗略地搜索,选用更低频的通带较为适合,对焦的范围会更大,速度也会有所提高"因为这时低频的变化明显,且已经足够让系统粗略判出大致的聚焦位置"而第二次以小步长搜索,选用较高频的通带,更能反映图像的细节信息,能够保证一定的精度要求"信号的放大为了方便后续的信号积分!A了D变换和数据的采样,滤波后的信号需要进行一定程度的放大"而且放大倍数并不是毫无规律的,不同亮度!不同物镜倍数的情况下,

15、视频信号需要不同倍数地放大"如果放大倍数过小,则起不到放大的效果,会使得系统由于信号过小而无法实现自动对焦;如果放大倍数过大,则会使得视频信号出现过饱和的状态,从而会使得电机每次都冲过头,而不能准确到达正确的对焦位置,这是由于对焦曲线的峰被削平了,不再能正确反映对焦过程中所采集的图像信息的变化,实验中就出现过这种情况"我们在系统中采用了放大电路,如图所示,(a)为同相比例放大器,b()为反相比例放大器6-"系统对焦时间的测试系统的对焦时间是衡量显微镜自动对焦系统性能的一个重要指标,自然我们希望系统的对焦时间越短越好,当然,也要保证一定的系统精度"系统对焦时间与离焦程度的大小密切相关,离焦较远和电机开始转动方向错误的话,都会使对焦时间增加"在我们系统调整的整个过程中,我们都要对当前系统的对焦时间及期望的对焦时间做到心中有数"在我们电机驱动方式改变的前后,系统的对焦时间有了较明显的变化,"参考文献l冯华君,王兆远.红外能量法二点式自动对焦系统.现代照相机,1992(4),pp.1一72冯华君,反射能量法测距聚焦系统及其重叠设计法.光电工程,1998,25位),pp.48一533l李开端,赵育良,李英杰,等.面阵CCD航