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针对已有显微自动对焦方法存在的不足,提出了一种通过倾斜安装摄像头所采集图像的清晰聚焦带偏离视场中心的距离和方向来探测样本离焦量及离焦方向的方法,并搭建了一套显微自动对焦系统对该方法进行可行性验证。结果表明:该方法可以通过检测样本单帧倾斜面图像聚焦带偏离视场中心的水平偏移量,并根据标定好的离焦量-聚焦带偏移量曲线,快速获取离焦量及离焦方向,配以电机驱动可实现自动对焦。该方法的光学结构简单,可直接在常规三目显微成像系统中使用,因此可应用于各领域在线、在位大视场高分辨检测所需要的自动对焦过程。
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第
卷
第
期
光
学
学
报
年
月
基于倾斜摄像头的显微自动对焦方法
叶 一 青
,
易 定 容
,
张 勇 贞
,
孔 令 华
,
蒋 威
华侨大学机电及自动化学院
福建 厦门
福建工程学院机械与汽车工程学院
福建 福州
摘要
针对已有显微自动对焦方法存在的不足
提出了一种通过倾斜安装摄像头所采 集图 像的清 晰聚 焦带偏 离视
场中心的距离和方向来探测样本离焦量及离焦方向的方法
并搭建了一套显微自动对 焦系 统对该 方法 进行可 行性
验证
结果表明
该方法可以通过检测样本单帧倾斜面 图像 聚 焦带 偏离 视 场中 心的 水 平偏 移量
并 根据 标定 好 的
离焦量
聚焦带偏移量曲线
快速获取离焦量及离焦方向
配以电机驱动可实现自动对焦
该方法的光学结构简单
可直接在常规三目显微成像系 统 中 使 用
因 此 可 应 用 于 各 领 域 在 线
在 位 大 视 场 高 分 辨 检 测 所 需 要 的 自 动 对 焦
过程
关键词
显微
自动对焦
倾斜摄像头
图像处理
中图分类号
文献标识码
doi
Microsco
py
AutofocusMethodUsin
g
TiltCamera
Colle
g
eo
f
MechanicalEn
g
ineerin
g
andAutomation
Hua
q
iaoUniversit
y
Xiamen
Fu
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China
Schoolo
f
MechanicalandAutomotiveEn
g
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Fu
j
ianUniversit
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o
f
Technolo
gy
Fuzhou
Fu
j
ian
China
Abstract
insitu
Ke
y
words
OCIScodes
收稿日期
修回日期
录用日期
基金项目
国家自然科学基金
华侨大学研究生科研创新基金
EGmail
引
言
现代光电检测
医学病理诊断
生物工程研究等
的蓬勃发展对先进 显 微成像技 术 提出了快 速 响应
高分辨率
高精度等要 求
针对传统 光 学显微镜 依
靠手动调焦
人为判断
自动化程 度 低等问题
众多
学者提出了基于不同原理的显微自动对焦系统
显微自动对焦方法的核心为离焦量测量
根据
是否采用额外硬件
常用的离 焦 量测量方 法 可分为
主动式对焦和被动式对焦
被动式对焦直接根据成
像结果进行调焦
它又可分 为 对焦深度 法 和离焦深
度法
对焦深度法主要采用图像清晰度评价函数
对焦面搜索过程中 的每一帧 图 像进行评 价
通过图
像 清 晰 度 评 价 曲 线 的 最 大 值 来 获 取 焦 面 位 置
等
李雪等
分别对
种适用于显微成
像系统的图像清晰 度 评价函数 进 行了仿真 与 对比
光
学
学
报
分析了不同函数算法在不同条件下的性能表现与特
点
研究表明
大多 数 算法只能 在 某些特定 的 情况
下才有较好的效果
等
发 现
与 传 统 的 对
焦深度法相比
将对 焦 深度法和 离 焦深度法 相 结合
的方法在一定程度 上提高了 自 动对焦的 速 度
但仍
需复杂的焦面搜索算法
被动式对焦的焦面搜索效
率较低
限制了其在 大 视场高分 辨 率测量时 所 需要
的子孔径扫描中的应用
主动式对焦通过外部辅助
设备进行离焦量和 离 焦方向的 检 测
范富明等
张小波等
采用激光三角法对薄膜晶体管液晶显示
面板进行了在线检 测
该方法通 过 分析半圆 光 斑半
径大小及成像方向 来 分别获取 离 焦量及离 焦 方向
在使 用
物 镜 的 条 件 下
寻 焦 范 围 达 到 了
对焦时间小于
但该光路 结 构中拦
光板的位置安装精 度要求较 高
且该方法 对 测量样
本也有一定要求
样本的反 射 率会导致 光 斑鬼影的
产生
等
在 成 像 光 路 中 设 置 了 两 片 精 密 螺
旋光栅
进而提出了 一 种基于叠 栅 效应的显 微 自动
对焦系统
通过对离焦情况下叠栅图案进行分析
建
立了离焦量与叠栅图案偏转角度的关系
在
的测量范围内
系统能在
内完成聚焦
但该方
法同样存在光路结 构复杂
光栅安装 精 度要求较 高
等问题
毛新越 等
基 于 差 动 原 理
在 像 面 焦 前
焦后等距位置设置 一对光电 倍 增管
获得了双 光 路
信号
然后将两路信 号 曲线相减 得 到具有过 零 特性
的差动曲线
过零点对应显微成像系统的聚焦位置
杨宇等
使用 光 电 位 置 传 感 器
进 行 了 快 速
全貌扫描
该方法的输入输出线性度不佳
需要用软
件进行校准
等
提出了
与 单 缝 掩 模 相
结合的方法
根据
检测到的狭缝图像位置确定
焦面
测 量 范 围 能 达 到
检 测 误 差 为
蒋章伟等
通过双色激光辅助对焦方法
扩大 寻 焦 范 围
实 现 了
的 对 焦 范 围 和
的对焦精 度
之 后 结 合 图 像 灰 度 标 准 差 函 数
进行精密寻焦
近年来
众多学者 将 电压调焦 液 体
透镜应用于自动对焦系统中
从而
样本可以在无轴
向机械运动的情况 下完成对 焦
但仍需结 合 图像处
理算法或象限光电二极管进行离焦量的计算
为了实现更 加有效可行 的显微快速 自动对焦
本文提出了一种基于倾斜摄像头对焦原理的显微自
动对焦方法
该方 法的光路 结 构简单
可以在已 有
的三目显微镜上添加一个倾斜安装的简易摄像头作
为离焦量和离焦方 向检测的 辅 助设备
通过分析 单
帧倾斜摄像头图像清晰聚焦带离开视场中心的距离
和方向
并结合预先标定的曲线
就可以快速获得离
焦量及离焦方向
实现自动对焦
基于倾斜摄像头的对焦原理
基于倾斜摄像头的显微自动对焦系统原理如图
所示
其中
正置摄像头
用于获取像 焦平面
P
处的样本图像信息
以实现样本 的实时观 测
倾
斜摄像头
用于获取倾斜成像 面
P
上的倾斜面
图像信息
进而获得样 本 的离焦量 及 离焦方向
其
中
倾斜成像面
P
与像焦平面
P
所成夹角为
θ
像
方离 焦 量
Z
与 倾 斜 面 图 像 的 关 系 如 图
所 示
当样本位于焦平面
P
时
倾斜成像面
P
与像焦平
面
P
相交于
O
此时
倾斜面图像水平中心附近有
一条纵向的清晰 聚 焦 带
F
聚 焦 带
F
水 平 向 外 延
伸并逐渐模 糊
当 样 本 位 于 离 焦 面
P
时
物 方 离
焦量记 为
Z
倾 斜 成 像 面
P
与 像 离 焦 面
P
交 于
O
相较于像焦平面
P
的倾斜面图像
像离焦面
P
的倾斜面图像聚焦带
F
发生了水平偏移
对倾斜面
图像进行分析
可求得聚焦带
F
水平中心位置偏离
倾斜面图像视场中心的方向和距离
以下简称为
倾
斜面图像聚 焦带偏移量
记为
ΔN
因此
通过建
立离焦量
Z
与倾斜面图像聚焦带偏移量
N
的几
何关系
即可在仅分析单帧倾斜面图像的情况下
快
图
基于倾斜摄像头的显微自动对焦系统原理图
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