CN101498831B - 一种用于光学成像系统的辅助自动调焦系统及自动调焦方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于光学成像系统的辅助自动调焦系统及自动调焦方法，用于和光学成像系统配套实现自动调焦。辅助自动调焦装置包括一个图像接收装置(5)和至少一个图像分析处理系统(6)；图像接收装置(5)将接收到的目标物(7)的光学图像信号转化为电信号并传送到图像分析处理系统(6)；图像分析处理系统(6)对捕获的图像计算清晰度值，提示清晰度信息，通过手动或自动驱动装置驱动载物台(1)上下移动，当目标物(7)图像的清晰度值与最大清晰度值之差在允许误差范围内时，停止移动。应用本发明可以不改变光学成像系统的光学和机械机构而实现自动调焦，可以根据不同的调焦精度和速度要求进行设置，适应不同情况下的需求。

Description

一种用于光学成像系统的辅助自动调焦系统及自动调焦方法

技术领域：本发明涉及光学成像系统的辅助自动调焦系统及自动调焦方法。 

背景技术：

自从20世纪60年代开始，自动调焦作为一种重要的自动化技术已广泛应用于显微镜、光刻设备和检测仪器等光学成像系统。 

目前应用的自动调焦系统基本是采用图像处理装置、图像接收装置及运动控制装置组成的闭环系统，应用的自动调焦方法是用图像处理装置对图像接收装置捕获的图像进行处理，评价图像的清晰度，根据几幅图像的清晰度确定清晰度变化函数，然后求函数的最大值所对应的位置，由运动控制装置控制载物台运动到该位置(如专利CN1065341A公布的一种光学图像系统的调焦方法及装置)。然而，现实科研、生产中有大量的靠人眼调焦的显微镜、检测仪器等光学系统，这些光学系统广泛应用于科研单位和工矿企业。如果在其上应用现有的自动调焦系统，实施现有的自动调焦方法，要涉及到对原有光学成像系统的光学及机械结构进行改造并增加价值高昂的精密运动控制装置，成本高、改造难度大、改造周期长且会影响光学成像系统本身的固有精度，且现有的自动调焦系统和调焦方法无法根据不同情况下的需求设置调焦精度和调焦速度。为此，本发明的自动调焦系统及方法可以方便地与光学成像系统集成在一起，实现自动调焦。 

发明内容：

本发明的目的是发明一种不需改变光学成像系统的光学和机械机构、不需借助运动控制装置即可实现自动调焦的、用于和光学成像系统的成像透镜、载物台和手动或自动驱动装置配套实现光学成像系统的辅助自动调焦的装置和方法，应用本发明还可以根据需求设置调焦精度和调焦速度，适应不同情况。 

本发明是这样实现的： 

本发明提供的一种用于光学成像系统的辅助自动调焦系统，包括两部分： 

1.一个图像接收装置5，该图像接收装置可以是电荷耦合器件、互补金属氧化物半导体或是其他图像传感器。 

2.至少一个图像分析处理系统6，由计算机或嵌入式系统以及运行在其上的软件组成。 

该辅助自动调焦系统用于和光学成像系统的成像透镜、载物台和手动或自动驱动装置配套实现光学成像系统的自动调焦。其中图像接收装置5和光学成像系统的载物台分别位于成像透镜的两侧，图像接收装置5的像敏面及载物台的几何中心通过由成像透镜确定的光轴且像敏面和载物台平面均与光轴垂直；图像接收装置5将接收到的光学图像信号转化为电信号，并通过传输线把图像的电信号传送到图像分析处理系统6，可以根据不同的精度和速度需求在图像分析处理系统6的软件中设置最大清晰度的允许误差和摄取图像的时间间隔，每隔设置的时间间隔，图像接收装置5摄取目标物的图像，由图像分析处理系统6实时对摄取的图像计算、评价清晰度值，实时提示清晰度信息，通过光学成像系统的手动或自动驱动装置驱动载物台上下移动，当目标物图像的清晰度值与最大清晰度值之差在设置的允许误差范围内时，停止移动，得到调焦清晰的位置。

应用本发明的辅助自动调焦装置实现自动调焦的方法，包括如下步骤： 

A.在辅助自动调焦装置的图像分析处理系统6的软件中设置清晰度值的允许误差T和摄取图像的时间间隔t； 

B.通过光学成像系统的手动或自动驱动装置驱动载物台承载目标物移动到一个成像不清晰的位置； 

C.通过光学成像系统的手动或自动驱动装置驱动载物台朝目标物成像清晰的方向移动； 

D.经过时间间隔t，图像接收装置5摄取此时目标物的图像，传至图像分析处理系统6； 

E.利用在调焦范围内具有单峰性、灵敏度高、信噪比高、运算量小特点的清晰度评价函数对图像进行清晰度值计算，得到此时的清晰度值U₀； 

F.重复C-E的过程，直至图像再次不清晰，得到n个清晰度值U₀-U_n-1，在这n个值中选择最大的一个，作为U_max； 

G.通过光学成像系统的手动或自动驱动装置驱动载物台沿与C-E的移动方向相反的方向移动，即沿目标物再次成像清晰的方向移动； 

H.按照D、E中的方法计算清晰度值U，并计算|U-U_max|的值； 

I.重复G-H的过程，直至|U-U_max|＜T，调焦完成。 

上述图像清晰度值的评价函数可以是一阶或二阶差分算子。 

其中，一阶差分算子的表达式为： 

${\mathrm{FM}}_{\mathrm{Dev}}=\mathrm{\Σ\Σ}|\▿g(x,y)|$

其中， 

可以为Roberts算子、Sobel算子、Prewitt算子等。 

二阶Laplacian差分算子的表达式为： 

${\mathrm{FM}}_{\mathrm{Lap}}=\mathrm{\Σ\Σ}{\left[{\▿}^{2}g(x,y)\right]}^2$

其中， 

应用本发明可以不改变光学成像系统的光学和机械机构而实现自动调焦，可以根据不同的调焦精度和速度要求进行设置，适应不同情况下的需求。应用本发明可以对现实科研、生产中大量靠人眼调焦的显微镜、检测仪器等光学系统进行改造，实现自动调焦，改进试验效果，提高精度。 

附图说明：

附图1是辅助自动调焦系统与光学成像系统的集成图。 

附图2是辅助自动调焦系统用于显微系统的示意图。 

附图3是应用辅助自动调焦系统的自动调焦方法的流程图。 

图面标示： 

载物台1  导轨2  透镜3  导轨4  CCD摄像机5  计算机6  目标物7 

具体实施方式：

参考附图1对本发明制作的较佳的一个系统实施例，并结合自动调焦方法进行详细的阐述。 

附图2示意了本发明用于显微系统的一个实施例，下面对该实施例进行详细的阐述。 

目标物7和图像接收装置5的像敏面几何中心安装在由透镜3所确定的系统光轴上。一束平行光作为光源照射目标物7，经目标物7表面反射后的光经过透镜3后投射到图像接收装置5的像敏面上成像。图像接收装置5通过光电转换，把获取的图像电信号传送到计算机6中的图像采集卡，图像采集卡把模拟图像信号转换成计算机所能处理的数字图像信号。 

参考附图2，在本实施例的系统中，目标物体可以采用白光光源进行照明。承载目标物7的载物台1安装在导轨2上并可以进行线性平稳滑动，在滑动中保证透镜确定的光轴保持不变。 

透镜3安装在导轨4上，可以固定，也可以进行线性平稳滑动。 

图像接收装置采用CCD摄像机，CCD摄像机5安装在导轨4上，可以固定，也可以进行线性平稳滑动。 

所述的计算机6除了具有普通计算机所具有的软硬件部分外，还包含以下两部分： 

图像采集卡：接收来自CCD摄像机5所获取的模拟图像信号，并进行变换，从而把模拟图像信号转换成计算机中的图像分析处理软件能够分析和处理的数字图像格式(如，BMP格式)； 

图像分析处理软件：对来自图像采集卡的数字图像信号进行分析处理，计算图像的清晰度值，为调节物像位置做准备； 

在上述实施例的系统中，也可以采用移动透镜或CCD摄像机的方式进行调节，这种情况也包含在本发明之中。 

在上述实施例的系统中，图像处理系统(如，实例中的计算机6)也可采用其它的单片 机、嵌入式系统等来实现其功能。 

更详细地，应用本发明的辅助自动调焦装置实现自动调焦的方法，包括如下步骤，如附图3所示： 

A.在计算机6的图像分析处理软件中设置清晰度值的允许误差T为最大清晰度值的1/1000，摄取图像的时间间隔t为10ms； 

B.通过光学成像系统的手动或自动驱动装置驱动载物台承载目标物移动到一个成像不清晰的位置； 

C.通过光学成像系统的手动或自动驱动装置驱动载物台朝目标物成像清晰的方向移动； 

D.每隔10ms，CCD摄像机5摄取此时目标物的图像(为了提高调焦函数的精确度，利用CCD摄像机5连续获取多幅图像并利用计算机6中的图像处理软件对其进行多幅平均，从而降低了随机噪声对图像的影响，以此图像作为分析的基础)，并通过图像采集卡把模拟图像信号转换成图像分析处理软件能够识别的数字图像信号，传至计算机6中的图像分析处理软件； 

E.计算机6中的图像分析处理软件利用Laplacian函数对图像进行清晰度值计算，得到此时的评价函数值U₀； 

F.重复C-E的过程，直至图像再次不清晰，得到U_i(i＝1，2，…，n)值，在U_i中选择最大的一个U_max

G.通过光学成像系统的手动或自动驱动装置驱动载物台沿与C-E的移动方向相反的方向移动，即沿目标物再次成像清晰的方向移动； 

H.按照D、E中的方法计算评价函数值U，并计算|U-U_max|的值； 

I.重复G-H的过程，得到U_i(i＝1，2，…，n)值，直至|U_i-U_max|＜T，即|U_i-U_max|＜U_max/1000，调焦完成。 

Claims (3)

1.一种用于光学成像系统的辅助自动调焦装置，用于和光学成像系统的成像透镜、载物台和手动或自动驱动装置配套实现光学成像系统的自动调焦，其特征在于，包括一个图像接收装置(5)和至少一个图像分析处理系统(6)；其中图像接收装置(5)和光学成像系统的载物台分别位于成像透镜的两侧，图像接收装置(5)的像敏面及载物台的几何中心通过由成像透镜确定的光轴且像敏面和载物台平面均与光轴垂直；图像接收装置(5)将接收到的光学图像信号转化为电信号，并通过传输线把图像的电信号传送到图像分析处理系统(6)，图像分析处理系统(6)实时对捕获的图像计算、评价清晰度值，实时提示清晰度信息，通过光学成像系统的手动或自动驱动装置驱动载物台上下移动，当目标物图像的清晰度值与最大清晰度值之差在允许误差范围内时，停止移动。

2.如权利要求1所述的用于光学成像系统的辅助自动调焦装置，其特征在于：所述的图像分析处理系统(6)包括：计算机或嵌入式系统以及运行在其上的软件，在图像分析处理系统(6)的软件中设置最大清晰度的允许误差和摄取图像的时间间隔t。

3.一种应用权利要求1所述的辅助自动调焦装置实现自动调焦的方法，包括如下步骤：

A.在辅助自动调焦装置的图像分析处理系统(6)的软件中设置清晰度值的允许误差T和摄取图像的时间间隔t；

B.通过光学成像系统的手动或自动驱动装置驱动载物台承载目标物移动到一个成像不清晰的位置；

C.通过光学成像系统的手动或自动驱动装置驱动载物台朝目标物成像清晰的方向移动；

D.每隔时间间隔t，图像接收装置(5)摄取此时目标物的图像，传至图像分析处理系统(6)；

E.利用选定的清晰度评价函数对图像进行清晰度值计算，得到此时的清晰度值U_n，其中n为自然数，取值从1开始；

F.重复C-E的过程，直至图像再次不清晰，得到n个清晰度值U₁-U_n，在这n个值中选择最大的一个，作为U_max；

G.通过光学成像系统的手动或自动驱动装置驱动载物台沿与C-E的移动方向相反的方向移动，即沿目标物再次成像清晰的方向移动；

H.按照D、E中的方法计算清晰度值U，并计算|U-U_max|的值；

I.重复G-H的过程，直至|U-U_max|＜T，调焦完成。

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