基于图像清晰度评价函数的显微镜自动调焦技术研究

　　1　引　言

　　调焦技术手段分手动和自动两种:手动调焦靠人眼目测,效率低、精度差、随意性强;自动调焦包括信号自动检测和自动调整两部分,其特点是效率高、精度高、对调焦方法的选择有很强的依赖性、结构复杂。

　　随着科学技术的发展,为了迅速准确地对微小图像进行自动化采集、处理和识别,对显微镜的自动化程度提出了更高的要求,集光、机、电及计算机技术 为一体的自动显微镜技术得到了长足的发展。自动调焦技术是自动显微镜的核心技术之一,它直接影响到观测精度和图像质量,还会使后期图像处理遇到困难,甚至 无法进行。

　　2　自动显微镜调焦原理

　　光学显微镜物镜成像原理来自于高斯公式: 1/l′-1/l=1/f′。对于定焦距物镜来说,系统一旦确定,焦距f′不变,因此只能靠调整物面沿光轴方向的变化位置才能得到清晰的物镜像,物镜像通 过投影物镜把物镜像再次成像到CCD光靶面上。因此调焦的实质就是指沿光轴方向改变物面与物镜的相对位置,使物像关系满足高斯关系,以获得清晰的物镜像的 工作过程。

　　图像清晰度自动调焦是一种直接调焦方法,通过对成像的清晰度进行图像处理实现自动调焦。其原理图如图1所示。

　　系统中载物台上物体经物镜和投影物镜成像于CCD上采集卡将CCD传感器采集到的图像信号转换成数字信号至计算机上,由计算机的调焦软件对图像 进行清晰度计算,并分析图像的离焦状态,然后通过RS232接口发送指令给电机驱动控制系统来调整电机的转向。通过重复的比较图像的清晰度,直到找到最清 晰的图像为止。

　　3　图像清晰度评价函数

　　图像清晰度评价函数的设计是清晰度法显微镜自动调焦中的关键技术,显微镜自动调焦是一类建立在搜索算法上的自动调焦方法。它通过图像清晰度评价函数对不同对焦位置所成像的清晰度进行评价,利用正确对焦时图像最清晰这个特征找到正确的对焦位置。

　　该方法中最关键的是图像清晰度评价函数的选取。理想的清晰度评价函数应该满足单峰性、准确性、重复精度高、信噪比高;调焦范围大,适用范围广, 对光强波动、图像噪声等不过分敏感,并且应该具有较小的计算量,以满足快速调焦的要求。基于图像清晰度评价函数的不同特征,针对不同待检元件图像的特点, 提出了以下几种图像清晰度评价函数。在各函数公式中,设I(x,y)代表点( x,y)处的图像灰度值,M、N分别为二维图像的长和宽,Z0为最终计算的最佳焦面位置。

　　3.1　灰度方差算子

　　一幅聚焦清晰的图像应有较多的灰度变化,因此图像的聚焦程度也可以用灰度变化的平均程度即方差来衡量。图像的灰度方差算子定义如下: