摘 要:自动调焦技术是提高自动显微镜测量精度的一个重要手段,图像清晰度评价函数是计算机自动调焦中的关键技术。根据图像清晰度评价函数实现了显微镜的自动调焦。
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:
3.2 图像灰度梯度向量模方和
F(k)的值反映了图像系列第k幅图像在图像窗口内的灰度变化率大小。一幅图像越模糊,图像中灰度变化率越小,F(k)的值越小。图像由模糊变清晰时,图像中的灰度变化率由小变大。最大值的F(k)对应的图像就是最清晰的图像。
3.3 基于Sobel算子的Tenengrad函数
Tenengrad函数是使用Sobel算子来提取水平和垂直方向的梯度值。评价函数T(I)定义为梯度的平方和。梯度S(x,y)要高于一个阈值T,即
3.4 laplace算法
梯度参数是通过计算相邻步距间的评价函数的差值作为噪声滤波器,相对于中值滤波和平均滤波的方法,该方法计算量小,在数字滤波方面可减少图像处理的工作量,从而提高了自动调焦的速度。
4 显微镜自动调焦过程
下面给出显微镜自动调焦的流程图,如图2所示,CCD摄像机通过光学系统首先采集一幅图像,然后找到图像中的待检区域,由计算机分析、处理,并用能量梯度函数进行评价后,与上一幅图像进行对比。此过程中如果对比度增强,则发出指令驱动物镜向增强方向移动,反之物镜回到上一幅图像所在的位置,然后进行1/2细分。循环此过程,将每一次操作中得到的数值作为该幅图像的评价参量,如果评价参量达到最大值时,并且细分次数达到3次,步进电机停止运动,这时找到最佳清晰点,整个调焦过程结束。
5 结 论
显微镜自动调焦技术是提高显微镜测量精度的关键。其中图像清晰度评价函数的选取更是实现自动调焦的重要环节。在图像处理过程中,可针对待检元件的不同特征选取适当的清晰度评价函数进行编程处理,实现显微镜的自动调焦过程。本文分析了基于图像清晰度评价函数的显微镜自动调焦的基本原理和流程,结合科研实践,根据显微镜自动调焦装置性能的指标进行设计和研究,借助图像清晰度评价函数的方法实现了高精度、快速、实时的自动调焦。
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收稿日期:2008-08-26 E-mail:hh-jiang@126.com
作者简介:蒋海华(1979-),男,广西人,桂林电子科技大学机电工程学院硕士研究生,主要从事机电一体化方面的研究。
