CN103529543A - 一种显微镜自动调焦方法 - Google Patents

Abstract

提供了一种显微镜自动调焦方法，利用可用电压控制焦距的液体透镜安置于显微镜光路中作为变焦元件，在捕捉视频流的同时对液体透镜的驱动电压进行连续步进变化，并对捕捉的每幅图像进行聚焦评价，利用焦点搜索算法找到显微图像处于最佳聚焦状态时的液体透镜电压，然后驱动液体透镜电压到此位置处，自动调焦完成，本发明充分利用了液体透镜响应速度快、迟滞小的优点，解决了传统用移动升降台自动调焦时调焦慢和不准的问题。

Description

一种显微镜自动调焦方法

技术领域

本发明涉及光电检测技术中的显微视觉领域，并且更具体地涉及一种用于显微视觉自动调焦的方法。

背景技术

自动对焦系统是自动视频显微镜观察、测量以及深度信息重建的关键部件，有关显微镜自动对焦系统的研究一直是显微镜研究的热点，尤其是对大数值孔径、高放大倍率和小景深的自动视频显微镜。

目前提出的自动对焦系统主要有基于外部辅助测量设备的主动式自动对焦系统和基于图像质量评价的被动式自动对焦系统。基于外部辅助测量设备的主动式自动对焦系统根据外部测量设备测量的光学成像系统与被成像目标距离来调节二者的距离而实现自动对焦，但这种方法安装调试复杂，并且系统结构也较复杂，因此较少使用。目前应用较多的是基于图像质量评价的被动式自动对焦系统，通过使用自动对焦评价函数对所采集图像的质量评价来搜索焦点位置。被动式自动对焦系统实现简单，使用方便，目前的被动式自动对焦系统主要采用电机驱动平台移动和利用电动变焦镜头，并利用聚焦评价对运动进行反馈，使得被观察物体调至到显微镜工作距处，该方法受到电机运动过程中电机精度、振动、响应速度及迟滞误差的限制，引起调焦精度的限制。

液体透镜是一种基于电湿效应原理的新型光学透镜，通过改变加在其两端电极上的电压可迅速精确的改变其焦距，因此可利用其置于显微光路中代替电动变焦镜头，由于液体透镜响应快和稳定，可提高自动对焦系统的速度和精度。

发明内容

本发明的技术解决问题：利用可变焦液体透镜实现显微系统的自动调焦，保证显微成像系统可迅速精准的获取到高清晰图像。

本发明的技术方案是：实现本发明方法的装置由光学显微镜、相机、液体透镜及其驱动部分以及自动调焦系统软件构成，液体透镜通过特意设计的转接件固定在显微物镜的后端面，自动调焦系统软件可实现对液体透镜、精密电动升降台和相机的综合控制，同时可实现一键自动对焦功能。自动调焦软件实现了液体透镜驱动电压步进变化和视频流捕捉、图像聚焦评价的同步，通过最大值搜索算法，得到当图像聚焦评价值最大时的液体透镜驱动电压，将液体透镜驱动电压调至此值，则自动聚焦完成。

附图说明

通过结合附图对本发明的实施例进行详细描述，本发明的上述和其它目的、特征、优点将会变得更加清楚，其中：

图1是根据本发明实施例的自动聚焦方法流程图。

图2是根据本发明实施例的显微镜系统光路图。

图3是根据本发明实施例的液体透镜转接口。

图4是根据本发明实施例的液体透镜原理框图。

具体实施方式

下面将参照附图来描述根据本发明的实施例。在附图中，相同的参考标号自始至终表示相同的元件。

参照附图来描述根据本发明实施例的显微镜成像系统光路。

图1示出了本发明实施例的自动聚焦方法流程图。在自动对焦过程中利用液体透镜作为变焦元件，利用聚焦评价算子实时评价显微图像聚焦状态，利用焦点搜索算法对液体透镜驱动电压进行伺服控制，直至显微图像聚焦评价值最高，显微图像达到最清晰状态时聚焦完成。

图2示出了根据本发明实施例的显微镜系统光路图。如图2所示，显微镜系统光路20中包括被测物体21，物镜22，液体透镜23，适配镜24和探测器CCD25。液体透镜23放置于物镜22与适配镜24之间。

图3示出了根据本发明实施例的液体透镜转接口30。如图3所示，转接头由两部分31、32构成，31下部螺纹与32上部螺纹可连接起来，并将液体透镜至于其内固定，31上部可通过螺纹和转接镜连接，32下部可通过螺纹与物镜相连接，同时32侧面开的槽可放置液体透镜的驱动线。

其次，简要说明本发明的原理。

首先简要介绍液体透镜的原理及特性。液体变焦透镜是基于电湿效应原理的一种新型光学透镜。图4示出了液体透镜的工作原理图，液体透镜包含两种液体，一种为导电液体，另一种为绝缘液体，两种液体互不浸润且有一定的折射率差。两种液体装在内壁镀有透明电极的容器中，透明电极的表面沉淀一层疏水介电层，这样，就在两层液体之间形成两个接触角和接触面。当在导电液体和内壁透明电极之间施加电压后，导电液体与电极间电场改变，从而使得接触角和接触面的形状发生改变，液体透镜的焦距也就发生改变。液体变焦透镜技术目前已基本成熟，已有市场化产品，国内有代理，并且价格也较低，一个液体变焦透镜大约几百元。利用液体透镜的可变焦特性，将其加入数字显微成像系统中，当液体透镜的驱动电压发生变化时，则其焦距也发生变化，根据双透镜焦距合成公式，可知整个显微系统的合成焦距发生变化，因此显微成像系统所能够清晰成像的物平面距离也发生变化，因此液体透镜的驱动电压和加入液体透镜的数字显微系统的存在一一对应的关系，液体透镜的这种特性使得其作为一种被动测距元件成为可能。

然后介绍一下本发明中定量考察拍摄图像的清晰度的聚焦评价函数。由于对焦的图像相对于离焦图像，在空间域上表现为具有更清晰的边缘，更多的细节，在频域率上有更多的高频分量，因此很多在空间域和频率上进行评价的聚焦评价算法被提出，在发明中，我们采用空间域中Tenegrad函数（如公式1所示）来对图像的聚焦离焦状态进行判断。

$F_{\mathrm{TEN}}=\underset{\mathrm{Height}}{\mathrm{\Σ}}\underset{\mathrm{Width}}{\mathrm{\Σ}}[G_x{(x,y)}^2+G_y{(x,y)}^2]---\left(1\right)$

其中，G_x(x,y)和G_y(x,y)是原图像与Sobel算子S_x和S_y的卷积结果。Sobel算子如下所示：

$S_x=\left(\begin{array}{ccc}-1& 0& 1\\ -2& 0& 2\\ -1& 0& 1\end{array}\right),$ $S_y=\left(\begin{array}{ccc}1& 2& 1\\ 0& 0& 0\\ -1& -2& -1\end{array}\right)$

接着介绍一下本自动调焦软件中的最大值搜索算法，本发明采用爬山法，其基本步骤为：

1）设置初始调焦方向,沿初始调焦方向微调一步,若聚焦函数值下降量超过一个门限,则改变调焦方向。

2）沿调焦方向大步长调焦,找到聚焦函数下降点后返回调焦过程中记录的最大值点。

3）沿大步长调焦方向微调一个小步长,若聚焦函数值上升则小步长微调方向正确.否则,改变小步长调焦方向。

4）沿小步长调焦方向寻找下降点,找到聚焦函数下降点后返回调焦过程中记录的最大值点,即为正确聚焦点。

实验过程中每改变一次液体透镜驱动电压后，就利用相机捕捉当前图像，同时利用上文提到的聚焦评价函数进行聚焦评价，如上文所述的爬山法一直运行，直到找到图像聚焦评价值最大时的液体透镜驱动电压，则自动聚焦完成。

尽管已经示出和描述了本发明的示例实施例，本领域技术人员应当理解，在不背离权利要求及其等价物中限定的本发明的范围和精神的情况下，可以对这些示例实施例做出各种形式和细节上的变化。

Claims (3)

1.一种显微镜自动调焦方法，该方法装置由光学显微镜、液体透镜及其驱动模块、数字相机、计算机以及自动对焦软件构成，其特征在于：将液体透镜引入光学显微镜光路中，利用液体透镜作为变焦元件，通过控制其两端电极电压来改变其屈光度引起整个光学系统焦距变化。通过对视频图像进行聚焦评价来伺服控制液体透镜驱动电压变化，直至视频图像聚焦评价值最高，图像达到最清晰状态。

2.根据权利要求1所述的显微镜自动调焦方法，其特征在于：整个显微镜光学系统的焦距由液体透镜驱动电压控制，当改变液体透镜驱动电压时其屈光度变化引起整个显微光学系统变化，固定物体不同，当连续改变液体透镜驱动电压并使其经过最佳聚焦时液体透镜电压时，显微图像呈现从模糊到清晰再到模糊的变化过程。

3.根据权利要求1所述的显微镜自动调焦方法，其特征在于：自动对焦软件实现对液体透镜焦距、相机图像捕捉、图像质量评价的综合控制功能，采用自动对焦评价函数对图像进行实时评价，并运用焦点搜索算法实时对液体透镜驱动电压进行伺服控制，使其收敛至可呈现最佳聚焦图像时的液体透镜驱动电压。

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