光學顯微鏡光電自動調焦技術

自動調焦技術主要應用于高檔實驗室和研究型(或特殊類型)光學顯微鏡中。光學顯微鏡光電自動調焦技術的實質是光電子學技術、激光技術、計算機圖像處理技術、自動控制與傳動技術的集成，也是光學顯微鏡智能化、自動化要求的結果，它具有快速響應，準確無誤的優點;能動態實時地提高顯微鏡圖像的清晰度，為信息儲存和處理創造有利的前提，伴隨著自動調焦技術的發展與普及，將促進光學顯微鏡的產品質量與水平。

1.光電自動調焦原理

自動調焦技術包括軸向定位(調焦)和伺服運動兩大部分，而軸向定位是核心。離焦的實質是顯微鏡物距沒有找正或在活體觀測時因活體被觀測面的抖動產生物距的變化。要實施自動調焦，先要利用離焦檢測，快速、動態地進行離焦識別，通過離焦信號控制伺服系統的執行機構動態實時快速響應，自動補償其離焦量。現代光學儀器實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電動機。當然還出現了不少特殊類型的自動調焦方式，正所謂“八仙過海，各顯其能”。

2.有限筒長顯微鏡的自動調焦

顯微圖像邊緣信號計算機檢測自動調焦方式(“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電動機驅動電路上，步進電動機使顯微鏡本體連同CCD移動(也可驅動載物臺)，從而實現自動調焦。

該裝置如圖1所示，它源于“手動粗調+CCD、計算機自動微調”的思路。本裝置有意識地使顯微圖像沒有完全充滿CCD光靶，這樣就可以把整個圖像邊緣的清晰程度按離焦判別函數進行計算。它的特點是直接從圖像信`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，且自動調焦范圍較小。

圖1 顯微圖像邊緣信號計算機檢測自動調焦

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的關系如圖2所示，依據f(X)有兩個方案實現自動調焦：

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，鎖定電動機。該裝置選用后一種辦法。

圖2 離焦曲線

離焦判別的重點是對圖像邊緣的檢測，因為離焦時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圍像素灰度有階變化或層頂狀變化像素的集合，處于邊緣兩側的點圖像灰度值將發生急劇的變化。對于階躍狀邊緣數字圖像{g(x,y)}的每個像素，取它關于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。按此判別函數編寫的自動調焦控制程序，自動跟蹤調焦精度≤±2μm。