显微镜自动聚焦技术概述

一、引言

随着工业自动化的飞速发展，机器视觉逐渐开始在生产和检测中取代传统的人眼。对于机器视觉系统而言，聚焦是最核心的问题，如果焦距没有调整好，拍摄出来的图像是模糊的，后续的工作自然无从谈起。在显微镜下，这个问题更加严峻，由于物镜的景深很小，对调节的精度也提出了新的要求。因此，如何高速准确的聚焦是机器视觉领域的重点问题，而自动聚焦技术正是解决这该问题的关键技术。

二、原理

在半导体、生物等高精密领域，经常需要用到较高倍率的显微镜进行检测等工作。传统的显微镜通过手动调焦，这对人员的专业操作能力有较高的要求，人员也无法长时间保持高度集中的状态，整体的效率较差。而自动聚焦显微镜的操作比较简单，效率也相对较高，但成本会有不少的提高，且准确度也会因为不同的对焦方法而有波动。

从原理上来说，自动聚焦可分为2类，被动式和主动式。

1被动聚焦

被动式自动聚焦基于数字图像处理，对取得的图像进行一系列分析来帮助完成聚焦，又可分为对焦深度法和离焦深度法。被动聚焦是目前应用最广泛的聚焦方式，它成本低，功耗小，算法灵活易于控制，但相对来说聚焦耗费的时间较长，且对图像的质量有较高的要求。

1.1对焦深度法

在焦点的附近采集一系列图像，并对每帧图像进行分析，通过图像的清晰度变化来实现自动对焦，其中的重点是图像的清晰度评价函数与对焦搜索算法。图像的清晰度评价函数应具有无偏性、单峰性、信噪比高、计量数小、灵敏度高等特点，常用的有灰度梯度函数、频谱函数、熵函数等。而对焦搜索算法应具有较快的搜索速度和较强的抗干扰能力，典型算法有爬山搜索法、Fibonacci搜索法和函数逼近法。

简单以爬山法举例而言，系统在焦点附近区域，沿着一个方向移动并且不停的拍照，同时分析每张图的清晰度评价函数，直到越过评价函数峰值，再缩小步长，改变方向，继续运动到峰值，重复上述过程直到满足精度要求。

1.2离焦深度法

离焦分析法区别于对焦深度法，仅需采集2-3帧图像，通过直接分析图像得到离焦信息来完成自动聚焦。该方法需要建立光学系统的离焦模型，确认离焦图像的模糊情况，从而得到深度信息。

综上所述，被动聚焦都需要对实际图像进行算法分析，而显微镜一般都使用面阵相机来取图，图像的信息较多，算法处理起来耗时较长，因此总体的聚焦耗时也较长，另外被动聚焦的准确性仅受图像清晰度和算法影响，对样品本身的特性没有特别的要求。

2主动聚焦

主动式自动聚焦指的是针对自动聚焦功能对系统的硬件进行一些改动，例如直接添加激光测距模块，或者使用离焦误差测量技术对系统进行改进等。主动聚焦调节比较麻烦，成本也较高，但效率上有较高的提升。

2.1激光测距模块

在光学系统外或内部安装激光测距模块，直接通过模块测量出整个光学系统的工作距离，从而帮助对焦。对于显微镜系统而言，激光测距的精度较低，只能在低倍率下使用。

2.2离焦误差测量技术

离焦误差测量技术主要基于光电检测器，通过对系统内部光路进行微调，将光学系统的离焦量通过光电信号转换出来。具体方法有傅科刀口法，临界角法，偏心光束法，像散法等，其响应速度较快，但组装和调试都非常麻烦。

相较于被动聚焦，主动聚焦不需要直接分析图像，因此效率得到了较大的提升。但其需要对系统加装新的传感器，这对系统的安装调试提出了新的要求，它的精度也基于原理有较大的差异。另外，由于分析的信号是样品反射回来的光学信号，因此样品的形貌和反射率等也会对主动聚焦的性能造成影响。

三、结论

上述提到的自动聚焦方式在实际的应用中各有利弊，具体可参考下表。对于工业领域而言，主动聚焦的高速性能是最大的优势。高速、准确，并且调试简单的主动聚焦方案，是今后的主要发展方向。