CN103487927B - 一种显微镜自动调焦方法 - Google Patents

Abstract

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，同时利用相机捕捉显微图像并传输到计算机进行聚焦评价，找到显微图像处于最佳聚焦状态时的液体透镜电压，然后利用液体透镜的电压‑焦距曲线反算出当前被观察物体距离显微镜焦平面的距离，利用精密电动升降台移动被观察物体到显微镜焦平面处，同时液体透镜驱动电压恢复初始值。由于在自动对焦前后，显微镜结构并未发生变化，因此可以保持放大率不变，同时本发明利用液体透镜作为测距元件，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。这两种方法都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，同时由于电动变焦镜头引入的焦距变化，使得整体显微成像系统成像特性发生变化，不能保证调焦前后显微成像系统的放大率一致。

因此，为了实现调焦前后显微成像系统放大率保持一致，同时提高自动调焦系统的速度和精度，本发明提出一种新的自动调焦策略。

发明内容

本发明的技术解决问题：为了保障显微成像系统获取高清晰度图像，可在调焦前后保持显微成像系统放大率不变，同时实现了调焦过程的快速响度性和较高的精度。

本发明的技术方案是：本发明将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，编写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。在自动调焦前需要对液体透镜的驱动电压-聚焦深度曲线进行标定。自动调焦时首先利用液体透镜的可变焦能力以及聚焦评价函数可以找到当被观察物体图像处于最佳清晰状态时对应的液体透镜的驱动电压值，然后利用液体透镜的驱动电压-聚焦深度曲线可换算出被观察物体所处的深度，利用此深度和显微镜的工作距离差驱动电动升降台带动被观察物体到显微镜的初始工作距离处，同时液体透镜驱动电压恢复至初始值，自动调焦过程完成。

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。

图5是根据本发明实施例的液体透镜的驱动电压和对应光学显微镜清晰成像的物平面深度标定曲线图。

图6是根据本发明实施例的自动调焦软件流程图。

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。

图1示出了本发明实施例的自动聚焦方法流程图。首先利用液体透镜作为测距元件，方法是利用其作为变焦元件进行被动调焦，得到图像最清晰时液体透镜驱动电压，利用之前标定的液体透镜驱动电压——聚焦深度曲线来换算出当前物面距离，利用精密电动升降台移动被观察物体到显微镜焦平面处，同时液体透镜驱动电压恢复初始值，则自动对焦完成。

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：

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

接着介绍一下如何利用液体变焦镜头、精密电动升降台和聚焦评价函数来对液体变焦镜头的驱动电压——聚焦深度图进行标定。首先我们规定液体透镜的初始驱动电压为35V，在标定过程中，我们以液体透镜的驱动电压作为自变量，令其在25～48V范围内以1V为步长进行变化，在每一个驱动电压下利用精密电动升降台和聚焦评价函数进行被动对焦，并记录对焦完毕后的精密电动升降台的位置，图5示出了液体透镜的驱动电压-聚焦深度标定结果图。我们利用得到的数据，对其进行二次函数拟合，得到精密电动升降台聚焦时位置y和液体透镜的驱动电压x关系为：

y＝ax²+bx+c （2）

用该函数拟合曲线的R平方值大于或等于0.9995，表明该标定曲线和所测得的数据吻合度很高。

接着介绍下该自动调焦系统的构成。图6示出了该自动调焦系统的系统构成，主要由计算机、自动对焦软件、数字相机、液体透镜及其驱动部分、电动精密升降台及其驱动部分、光学显微镜组成。液体透镜通过转接头添加进光学显微镜光路中。

然后介绍一下如何利用上述的标定曲线及我们设计的自动调焦系统及其软件进行保持放大率不变的自动调焦，自动调焦软件过程流程图如图6所示，首先应记录下液体透镜的初始电压值U₀及其由公式（2）计算出的对应的清晰成像的精密升降台位置y₀，然后采用液体透镜做为变焦元件，以Tenengrad函数作为聚焦评价函数，爬山法作为焦点搜索策略，进行自动对焦，该过程对焦完成后，记录下当物面处于最清晰状态时液体透镜的驱动电压U_t，则由公式（3）可计算出此时被观察物面所对应的精密升降台位置y_t，至此液体透镜完成测距元件的功能，我们希望可在液体透镜驱动初始电压U₀处观察物体，这样调焦前后液体透镜的焦距不发生变化，整个成像系统的放大率也没有变化，则可将电动升降台相对移动Δy=y₀-y_t距离，且将液体透镜的驱动电压恢复到U₀，至此电动升降台带动物体到达当液体透镜驱动电压为U₀时的聚焦深度处，实现放大率不变的自动对焦。经过试验测定该种聚焦方法精度为3.7um。

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 (5)

1.一种显微镜自动调焦方法，该方法所用装置由显微镜、液体透镜及其驱动部分、电动精密升降台及其驱动部分、数字照相机构成，其特征在于：利用液体透镜作为测距元件，测出当前物面到显微镜工作点的相对距离，然后控制电动升降台移动物面到此距离处，完成自动对焦；

将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，编写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；在自动调焦前需要对液体透镜的驱动电压-聚焦深度曲线进行标定；自动调焦时首先利用液体透镜的可变焦能力以及聚焦评价函数可以找到当被观察物体图像处于最佳清晰状态时对应的液体透镜的驱动电压值，然后利用液体透镜的驱动电压-聚焦深度曲线可换算出被观察物体所处的深度，利用此深度和显微镜的工作距离差驱动电动升降台带动被观察物体到显微镜的初始工作距离处，同时液体透镜驱动电压恢复至初始值，自动调焦过程完成。

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：利用液体透镜作为测距元件，测量出当前物平面距离在初始驱动电压下清晰成像的物平面的相对距离。

3.根据权利要求2所述的显微镜自动调焦方法，其特征在于：液体透镜作为一种测距元件，需要对其驱动电压和所清晰成像的物面距离之间的关系进行标定，得到液体透镜的驱动电压——聚焦深度曲线。

4.根据权利要求2所述的显微镜自动调焦方法，其特征在于：在测距过程中，利用液体透镜作为变焦元件，采用聚焦评价算子计算图像清晰度来反馈对其驱动电压进行伺服控制，直到成像图像最清晰，测量出当前物平面清晰成像时液体透镜的驱动电压，并通过液体透镜的驱动电压——聚焦深度对应关系计算出当前物平面深度。

5.根据权利要求1所述的显微镜自动调焦方法，其特征在于：当测距结束后，计算出当前物平面深度距离在液体透镜初始电压时的清晰成像的物平面深度之差，并由电动精密升降台控制物平面到液体透镜初始电压时的清晰成像的物平面深度处，液体透镜的驱动电压恢复至初始位置处。