【自有技術大講堂】顯微鏡自動聚焦技術概述

一、引言

隨著工業自動化的飛速發展，機器視覺逐漸開始在生產和檢測中取代傳統的人眼。對于機器視覺系統而言，聚焦是最核心的問題，如果焦距沒有調整好，拍攝出來的圖像是模糊的，后續的工作自然無從談起。在顯微鏡下，這個問題更加嚴峻，由于物鏡的景深很小，對調節的精度也提出了新的要求。因此，如何高速準確的聚焦是機器視覺領域的重點問題，而自動聚焦技術正是解決這該問題的關鍵技術。

二、原理

在半導體、生物等高精密領域，經常需要用到較高倍率的顯微鏡進行檢測等工作。傳統的顯微鏡通過手動調焦，這對人員的專業操作能力有較高的要求，人員也無法長時間保持高度集中的狀態，整體的效率較差。而自動聚焦顯微鏡的操作比較簡單，效率也相對較高，但成本會有不少的提高，且準確度也會因為不同的對焦方法而有波動。

從原理上來說，自動聚焦可分為2類，被動式和主動式。

1  被動聚焦

被動式自動聚焦基于數字圖像處理，對取得的圖像進行一系列分析來幫助完成聚焦，又可分為對焦深度法和離焦深度法。被動聚焦是目前應用最廣泛的聚焦方式，它成本低，功耗小，算法靈活易于控制，但相對來說聚焦耗費的時間較長，且對圖像的質量有較高的要求。

1.1 對焦深度法

在焦點的附近采集一系列圖像，并對每幀圖像進行分析，通過圖像的清晰度變化來實現自動對焦，其中的重點是圖像的清晰度評價函數與對焦搜索算法。圖像的清晰度評價函數應具有無偏性、單峰性、信噪比高、計量數小、靈敏度高等特點，常用的有灰度梯度函數、頻譜函數、熵函數等。而對焦搜索算法應具有較快的搜索速度和較強的抗干擾能力，典型算法有爬山搜索法、Fibonacci搜索法和函數逼近法。

簡單以爬山法舉例而言，系統在焦點附近區域，沿著一個方向移動并且不停的拍照，同時分析每張圖的清晰度評價函數，直到越過評價函數峰值，再縮小步長，改變方向，繼續運動到峰值，重復上述過程直到滿足精度要求。

1.2 離焦深度法

離焦分析法區別于對焦深度法，僅需采集2-3幀圖像，通過直接分析圖像得到離焦信息來完成自動聚焦。該方法需要建立光學系統的離焦模型，確認離焦圖像的模糊情況，從而得到深度信息。

綜上所述，被動聚焦都需要對實際圖像進行算法分析，而顯微鏡一般都使用面陣相機來取圖，圖像的信息較多，算法處理起來耗時較長，因此總體的聚焦耗時也較長，另外被動聚焦的準確性僅受圖像清晰度和算法影響，對樣品本身的特性沒有特別的要求。

2  主動聚焦

主動式自動聚焦指的是針對自動聚焦功能對系統的硬件進行一些改動，例如直接添加激光測距模塊，或者使用離焦誤差測量技術對系統進行改進等。主動聚焦調節比較麻煩，成本也較高，但效率上有較高的提升。

2.1 激光測距模塊

在光學系統外或內部安裝激光測距模塊，直接通過模塊測量出整個光學系統的工作距離，從而幫助對焦。對于顯微鏡系統而言，激光測距的精度較低，只能在低倍率下使用。

2.2 離焦誤差測量技術

        離焦誤差測量技術主要基于光電檢測器，通過對系統內部光路進行微調，將光學系統的離焦量通過光電信號轉換出來。具體方法有傅科刀口法，臨界角法，偏心光束法，像散法等，其響應速度較快，但組裝和調試都非常麻煩。

相較于被動聚焦，主動聚焦不需要直接分析圖像，因此效率得到了較大的提升。但其需要對系統加裝新的傳感器，這對系統的安裝調試提出了新的要求，它的精度也基于原理有較大的差異。另外，由于分析的信號是樣品反射回來的光學信號，因此樣品的形貌和反射率等也會對主動聚焦的性能造成影響。

三、結論

上述提到的自動聚焦方式在實際的應用中各有利弊，具體可參考下表。對于工業領域而言，主動聚焦的高速性能是最大的優勢。高速、準確，并且調試簡單的主動聚焦方案，是今后的主要發展方向。

參考文獻

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