光學(xué)顯微鏡光電自動(dòng)調焦技術(shù)

自動(dòng)調焦技術(shù)主要應用于高檔實(shí)驗室和研究型(或特殊類(lèi)型)光學(xué)顯微鏡中。光學(xué)顯微鏡光電自動(dòng)調焦技術(shù)的實(shí)質(zhì)是光電子學(xué)技術(shù)、激光技術(shù)、計算機圖像處理技術(shù)、自動(dòng)控制與傳動(dòng)技術(shù)的集成，也是光學(xué)顯微鏡智能化、自動(dòng)化要求的結果，它具有快速響應，準確無(wú)誤的優(yōu)點(diǎn);能動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)地提高顯微鏡圖像的清晰度，為信息儲存和處理創(chuàng )造有利的前提，伴隨著(zhù)自動(dòng)調焦技術(shù)的發(fā)展與普及，將促進(jìn)光學(xué)顯微鏡的產(chǎn)品質(zhì)量與水平。

1.光電自動(dòng)調焦原理

自動(dòng)調焦技術(shù)包括軸向定位(調焦)和伺服運動(dòng)兩大部分，而軸向定位是核心。離焦的實(shí)質(zhì)是顯微鏡物距沒(méi)有找正或在活體觀(guān)測時(shí)因活體被觀(guān)測面的抖動(dòng)產(chǎn)生物距的變化。要實(shí)施自動(dòng)調焦，先要利用離焦檢測，快速、動(dòng)態(tài)地進(jìn)行離焦識別，通過(guò)離焦信號控制伺服系統的執行機構動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)快速響應，自動(dòng)補償其離焦量?，F代光學(xué)儀器實(shí)現離焦常用檢測方法有二：一是用計算機處理視頻圖像，獲取離焦信息;二是用光電法測量物距，提取離焦信號。執行機構選用壓電陶瓷或步進(jìn)電動(dòng)機。當然還出現了不少特殊類(lèi)型的自動(dòng)調焦方式，正所謂“八仙過(guò)海，各顯其能”。

2.有限筒長(cháng)顯微鏡的自動(dòng)調焦

顯微圖像邊緣信號計算機檢測自動(dòng)調焦方式(“CCD+PC”)。本裝置利用視頻信號，根據圖像灰度梯度變化判別其離焦，離焦信號反饋到步進(jìn)電動(dòng)機驅動(dòng)電路上，步進(jìn)電動(dòng)機使顯微鏡本體連同CCD移動(dòng)(也可驅動(dòng)載物臺)，從而實(shí)現自動(dòng)調焦。

該裝置如圖1所示，它源于“手動(dòng)粗調+CCD、計算機自動(dòng)微調”的思路。本裝置有意識地使顯微圖像沒(méi)有完全充滿(mǎn)CCD光靶，這樣就可以把整個(gè)圖像邊緣的清晰程度按離焦判別函數進(jìn)行計算。它的特點(diǎn)是直接從圖像信`患判斷離焦信號，而采用邊緣像檢測的信息處理量較少，因而調焦迅速，且自動(dòng)調焦范圍較小。

圖1 顯微圖像邊緣信號計算機檢測自動(dòng)調焦

為了達到快速聚焦的目的，選用判斷函數為：

式中，Xi,j是M行N列像素陣列中第i列第j列所對應的光強度，列入平方項的作用是提高信噪比并使判別函數具有非負性。顯然，離焦判別函數反映了相鄰像素的反差。f(X)與離焦量AZ的關(guān)系如圖2所示，依據f(X)有兩個(gè)方案實(shí)現自動(dòng)調焦：

①求斜率為0處(由于干擾，難以得到斜率為0);

②極值判別找出f(X)最大值，鎖定電動(dòng)機。該裝置選用后一種辦法。

圖2 離焦曲線(xiàn)

離焦判別的重點(diǎn)是對圖像邊緣的檢測，因為離焦時(shí)邊緣灰度梯度變化較大，比其他部分有更大的權重，邊緣檢測是提取那些周?chē)袼鼗叶扔须A變化或層頂狀變化像素的集合，處于邊緣兩側的點(diǎn)圖像灰度值將發(fā)生急劇的變化。對于階躍狀邊緣數字圖像{g(x,y)}的每個(gè)像素，取它關(guān)于X軸方向和y軸方向的階差之和：

這種算法適用于圓孔邊緣圖像離焦檢測。按此判別函數編寫(xiě)的自動(dòng)調焦控制程序，自動(dòng)跟蹤調焦精度≤±2μm。