光学显微镜光电自动调焦技术

自动调焦技术主要应用于高档实验室和研究型(或特殊类型)光学显微镜中。光学显微镜光电自动调焦技术的实质是光电子学技术、激光技术、计算机图像处理技术、自动控制与传动技术的集成，也是光学显微镜智能化、自动化要求的结果，它具有快速响应，准确无误的优点;能动态实时地提高显微镜图像的清晰度，为信息储存和处理创造有利的前提，伴随着自动调焦技术的发展与普及，将促进光学显微镜的产品质量与水平。

1.光电自动调焦原理

自动调焦技术包括轴向定位(调焦)和伺服运动两大部分，而轴向定位是核心。离焦的实质是显微镜物距没有找正或在活体观测时因活体被观测面的抖动产生物距的变化。要实施自动调焦，先要利用离焦检测，快速、动态地进行离焦识别，通过离焦信号控制伺服系统的执行机构动态实时快速响应，自动补偿其离焦量。现代光学仪器实现离焦常用检测方法有二：一是用计算机处理视频图像，获取离焦信息;二是用光电法测量物距，提取离焦信号。执行机构选用压电陶瓷或步进电动机。当然还出现了不少特殊类型的自动调焦方式，正所谓“八仙过海，各显其能”。

2.有限筒长显微镜的自动调焦

显微图像边缘信号计算机检测自动调焦方式(“CCD+PC”)。本装置利用视频信号，根据图像灰度梯度变化判别其离焦，离焦信号反馈到步进电动机驱动电路上，步进电动机使显微镜本体连同CCD移动(也可驱动载物台)，从而实现自动调焦。

该装置如图1所示，它源于“手动粗调+CCD、计算机自动微调”的思路。本装置有意识地使显微图像没有完全充满CCD光靶，这样就可以把整个图像边缘的清晰程度按离焦判别函数进行计算。它的特点是直接从图像信`患判断离焦信号，而采用边缘像检测的信息处理量较少，因而调焦迅速，且自动调焦范围较小。

图1 显微图像边缘信号计算机检测自动调焦

为了达到快速聚焦的目的，选用判断函数为：

式中，Xi,j是M行N列像素阵列中第i列第j列所对应的光强度，列入平方项的作用是提高信噪比并使判别函数具有非负性。显然，离焦判别函数反映了相邻像素的反差。f(X)与离焦量AZ的关系如图2所示，依据f(X)有两个方案实现自动调焦：

①求斜率为0处(由于干扰，难以得到斜率为0);

②极值判别找出f(X)最大值，锁定电动机。该装置选用后一种办法。

图2 离焦曲线

离焦判别的重点是对图像边缘的检测，因为离焦时边缘灰度梯度变化较大，比其他部分有更大的权重，边缘检测是提取那些周围像素灰度有阶变化或层顶状变化像素的集合，处于边缘两侧的点图像灰度值将发生急剧的变化。对于阶跃状边缘数字图像{g(x,y)}的每个像素，取它关于X轴方向和y轴方向的阶差之和：

这种算法适用于圆孔边缘图像离焦检测。按此判别函数编写的自动调焦控制程序，自动跟踪调焦精度≤±2μm。