CN105530429A - 一种自动聚焦装置及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自动聚焦装置及系统。包括Sensor驱动单元、主控单元、接口单元：由自动聚焦装置的主控单元执行聚焦搜索算法来控制Sensor板的移动，通过调整像距使其自动聚焦。本发明在无需移动及改变前端光学系统下，即可实现自动聚焦，提高了聚焦精度、效率、缩短了聚焦时间，降低了系统的复杂度及成本。

Description

一种自动聚焦装置及系统

技术领域

本发明涉及自动调焦电子显微镜，自动调焦电子望远镜和自动调焦工业相机等技术领域，尤其涉及一种自动聚焦装置。

背景技术

传统相机无论是CMOS还是CCD相机，都是把成像器件固定在底座上，通过C口或者CS口与前端的镜头进行连接，成像器件不能移动。相机的作用是通过光电转换，把光信号变成电信号输出到终端。相机输出图像的方式多种多样，有VGA，HDMI，YPBPR等，也可以通过USB接口输出到PC端显示，并通过PC进行各种图像处理。它的优点是通过标准的接口(C接口或者CS接口)，可以实现相机与镜头(包括普通的定焦镜头，显微镜，望远镜等)实现对接。它的缺点是由于成像机构是固定的，它无法自身实现自动对焦功能。比如接定焦镜头。

如果要实现对焦功能，必须是前端光学系统本身具备自动对焦功能，比如非定焦镜头，ZOOM镜头，AF镜头等，带自动调焦功能的显微镜，望远镜等。很显然，具备自动调焦功能的镜头，显微镜，望远镜等成本都是高昂的。

本发明希望是在前端光学系统不具备自动聚焦功能的前提下，如定焦镜头，普通的不具备调焦功能的生物显微镜，体视显微镜，连续变倍显微镜，望远镜等，使这些普通的光学系统变得不普通，使得这些不具备自动聚焦功能的光学系统具备自动聚焦功能。我们是通过不改变前端光学系统，通过移动成像装置，改变像距来实现的。

本发明不需要改变前端光学系统的结构，也像传统相机一样，是通过标准的C口实现与前端光学系统的连接。后端输出接口多种多样，如HDMI，VGA，USB等，控制方式也多种多样。通过后端的智能分析系统，实现了在表面检测，工件测量，显微观察等广泛领域的应用，它不仅操作方便，而且大大提高了效率(比如免去了显微镜调焦的时间)，提高了对焦的精度(手动调焦是通过人眼判断，自动调焦通过机器判断清晰点)。

发明内容

本发明要解决的第一个问题是相对于传统相机成像装置是固定的，通过C口或者CS口实现与前端光学系统的连接成像，如果前端光学系统不具备自动对焦功能，那么整个系统就不具备自动对焦功能。本发明通过移动成像装置寻找像距使不具备自动聚焦功能的光学系统实现自动聚焦功能。

本发明要解决的第二个问题是相对于传统相机成像装置是固定的，通过C口或者CS口实现与前端光学系统的连接成像，如果前端光学系统不具备自动对焦功能，那么整个系统就不具备自动对焦功能。本发明通过移动成像装置改变像距使不具备自动聚焦功能的光学系统实现自动聚焦功能。

为了解决上述问题本发明提供一种自动聚焦装置，该自动聚焦装置包括Sensor驱动单元、主控单元、接口单元：

在保持被测目标与前端光学系统的位置相对固定的情况下；

由主控单元控制Sensor驱动单元，通过调整像距使其自动聚焦；

被测目标的图像数据通过自动聚焦装置内部的接口单元输出显示。

进一步地，Sensor驱动单元，包括Sensor板、Sensor板位置检测单元、Sensor驱动马达，其中Sensor板，用于将光信号转换成图像信号，并输出图像信号给主控单元；Sensor板位置检测单元用于检测当前Sensor板相对于机械原点的位置，并将Sensor板的位置信息反馈给主控单元；Sensor驱动马达用于在主控单元的控制下驱动Sensor板移动；

主控单元，用于在被测目标与前端光学系统的位置保持相对固定时，对经Sensor驱动单元传输的图像信号进行处理，通过运行聚焦搜索算法来控制所述Sensor驱动马达以驱动所述Sensor板移动，通过调整像距使其自动聚焦；

接口单元，用于将被测目标的图像数据输出和人机交互信号的传输。

进一步地，所述主控单元包括：

图像数据处理单元，用于接收Sensor板发送的图像信号，并对图像信号进行采集和处理，且将处理后的图像数据输出给聚焦值计算单元；

聚焦值计算单元，用于对接收到的图像数据进行处理，计算图像数据对应的聚焦值并将得到的聚焦值输入到聚焦算法单元；

聚焦算法单元，用于接收Sensor板位置检测单元所反馈的Sensor板相对于原点的位置信号和聚焦值计算单元输出的聚焦值，并执行聚焦搜索算法，通过聚焦搜索算法获得最佳聚焦值，聚焦搜索算法产生马达控制信号给马达控制单元，在聚焦搜索算法的控制下使Sensor板移动到所述最佳聚焦值对应的位置；

马达控制单元，用于将聚焦算法单元输出的马达控制信号转换成马达驱动电路的驱动信号输出给Sensor马达驱动电路；

Sensor马达驱动电路，用于根据马达控制单元的驱动信号来驱动Sensor马达，以使Sensor板移动到最佳聚焦值对应的位置。

进一步地，所述主控单元还包括人机交互单元，接收或发送信息给接口单元，实现人机交互。

进一步地，所述聚焦算法单元包括：

粗聚焦算法子单元采用自适应步长，接收Sensor板位置检测单元所反馈的Sensor板的位置信号和聚焦值计算单元输出的聚焦值，执行粗聚焦搜索算法，控制马达控制单元驱动Sensor板移动到最佳聚焦值所在区域范围内后，输出信号给细聚焦算法子单元；

细聚焦算法子单元采用固定步长，接收Sensor板位置检测单元所反馈的Sensor板的位置信号和聚焦值计算单元输出的聚焦值，在接收到粗聚焦算法子单元的信号后执行细聚焦搜索算法，控制马达控制单元驱动Sensor板移动到最佳聚焦值对应的位置。

进一步地，所述图像数据处理单元将多个子区域的图像数据输入给所述聚焦值计算单元；

所述聚焦值计算单元分别对每个子区域的图像数据进行处理，获得每个子区域对应的高频分量聚焦值和低频分量聚焦值；

所述聚焦算法单元还进一步包括：聚焦值选择单元；

聚焦值选择单元接收聚焦值计算单元输出的与图像数据的多个子区域对应的高频分量聚焦值和低频分量聚焦值，通过预设的聚焦值选择算法确定粗聚焦算法子单元和细聚焦算法子单元所使用的聚焦值，以确定最佳聚焦值

进一步地，所述主控单元通过调整像距使其自动聚焦具体为：前端光学系统工作距固定不变，所述主控单元控制Sensor驱动单元内部的Sensor板移动，寻找像距，使其自动聚焦。

进一步地，所述主控单元通过调整像距使其自动聚焦具体为：前端光学系统工作距相对可变，所述主控单元控制Sensor驱动单元内部的Sensor板移动，改变像距，使其自动聚焦。

进一步地，所述的主动单元与所述的Sensor驱动单元可以集成在一个硬件实体中。

进一步地，所述的主动单元与所述的Sensor驱动单元可以分设在不同的硬件实体中，通过硬件连接。

本发明还提供一种自动聚焦电子显微镜，其特征在于包含上述的自动聚焦装置。

本发明还提供一种自动聚焦电子望远镜，其特征在于包含上述自动聚焦装置。

本发明还提供一种自动聚焦工业相机，其特征在于包含上述的自动聚焦装置。

本发明还提供一种自动聚焦电子目镜，其特征在于包含上述自动聚焦装置。

本发明还提供一种自动聚焦电子显微镜，其特征在于包含上述自动聚焦电子目镜。

本发明还提供一种自动聚焦电子望远镜，其特征在于包含上述自动聚焦电子目镜。

与现有电子显微镜和电子望远镜，工业相机相比，本发明的有益效果在于：

A、与传统的搭配不具备自动调焦功能的C口或者CS口相机的电子显微镜和电子望远镜、工业相机相比，只要把传统相机更换成本发明自动调焦装置，无需改变前端光学系统的结构，即可现实自动调焦功能，大大的提高了聚焦精度和缩短了调焦的时间。

B、与传统显微镜及望远镜的前端光学系统工作距固定相比，本发明在其内部设置了Sensor板并通过内部的主控单元来驱动Sensor板的移动，以这种方式实现了前端光学系统可变工作距。

C、相对于自动调焦显微镜，自动调焦望远镜，ZOOM相机等具备调焦功能的光学系统而言，本发明只需移动成像装置，无需改变光学系统内部结构，即可使得不具备调焦功能的光学系统具备自动调焦功能，大大降低了系统的复杂度，也大大降低了成本。

附图说明

图1为传统显微镜和望远镜的工作原理图；

图2为传统电子显微镜和望远镜工作原理图；

图3为本发明自动聚焦装置工作原理图；

图4为传统显微镜和望远镜自动聚焦原理；

图5为本发明实施例提供的工作距固定自动聚焦原理光学示意图；

图6为本发明实施例提供的工作距可变自动聚焦原理光学示意图；

图7为本发明实施例提供的自动聚焦装置结构示意图；

图8为本发明实施例提供的含有自动聚焦装置的光学系统结构示意图。

具体实施方式

下面参照附图对上述发明内容的实施方式进行具体描述。

实施例一

如图1所示，传统的显微镜或望远镜装置是通过把物镜成的实像再次进行放大，从而在明视距离处形成一个清晰的虚像。这种装置只能用来观测，无法进行图像分析及保存，电子显微镜和望远镜很好的弥补了这个缺陷。图2显示的电子显微镜和电子望远镜的工作原理。传统的电子显微镜和电子望远镜虽然把传统的光学信号转换成了数字信号，实现了图像的分析与保存，但是缺乏自动聚焦功能(这里指不包括带自动聚焦功能的显微镜，望远镜，因为本身带自动聚焦功能的光学系统其实现自动聚焦功能的原理与本发明不同，在背景技术里有介绍)。本发明针对传统的电子显微镜和电子望远镜无法实现自动聚焦功能的问题，采用了通过移动自动聚焦装置内的Sensor板，以改变像距的方式实现了自动聚焦，如图3。

根据图1，图2显示的原理图可知，无论是显微镜还是电子显微镜，由于它的成像位置固定即像距v是固定的，焦距f是固定的，根据下面公式1可知，物距u也是固定的，无论是手动聚焦方式还是自动聚焦方式，只能通过移动前端光学系统或者被测目标来“寻找”物距u以实现聚焦。而该实施例区别于传统电子显微镜和电子望远镜的是，在工作距不变的情况下，由自动聚焦装置内部的主控单元来控制装置中Sensor板的移动，以“寻找”合适的像距v来实现自动聚焦，请参考图5，从传统的光学成像公式

$\frac{1}{f}=\frac{1}{u}+\frac{1}{v}$ 公式1

其中，u(物距)是电子显微镜和电子望远镜的前端面到镜片组的距离(常量)，v是像距。根据公式1可知，由于u是常量，因此像距v是唯一的。该实施例公开的自动聚焦装置，就是通过移动自动聚焦装置内部的Sensor板寻找合适的像距v来实现对被测目标的自动聚焦。本发明由自动聚焦装置的主控单元对图像数据进行分析，并执行聚焦搜索算法，通过运行聚焦搜索算法来控制Sensor马达，以驱动Sensor板的移动，并在Sensor板移动的过程中不停的执行聚焦搜索算法，来得到最佳聚焦时Sensor板所在的位置。

图7为该实施例自动聚焦装置的逻辑结构功能框图，该自动聚焦装置包括，Sensor驱动单元21、主控单元22、接口单元23。

Sensor驱动单元21，包括Sensor板21b、Sensor马达21d及Sensor板位置检测单元21f。Sensor板21b用于将前端光学系统得到的光信号转换成图像信息，并将得到的图像信号输入到主控单元22。Sensor马达21d接收主控单元22发送的Sensor马达控制信号，Sensor马达21d根据得到的控制信号来驱动Sensor板21b的移动，使得Sensor板21b移动到最佳聚焦值所对应的位置。Sensor板位置检测单元21f用于检测Sensor板21b的位置，并将其位置信息反馈给主控单元22；

主控单元22，包括图像数据处理单元226a，聚焦值计算单元226b，聚焦算法单元227c，马达控制单元227f和Sensor马达驱动电路225。Sensor板21b将得到的图像信号发送到主控单元22，而主控单元22将处理后的图像数据和Sensor马达控制信号分别输入到接口单元23和Sensor驱动单元21；

接口单元23，接收主控单元22输出的图像数据，并连接显示设备进行图像输出。

主控单元22包括：

图像数据处理单元226a，用于接收Sensor板21b发送的图像信号，并对得到的图像信号进行采集和处理，且将处理后的图像数据输入到聚焦值计算单元226b；

聚焦值计算单元226b，处理经过图像数据处理单元226a处理后的图像数据，计算图像数据所对应的聚焦值，并将得到的聚焦值输入到聚焦算法单元227c；

聚焦算法单元227c，接收Sensor板位置检测单元21f所反馈的Sensor板21b的位置信号，以及聚焦值计算单元226b输出的聚焦值，并通过运行聚焦搜索算法，得到最佳聚焦值。聚焦算法单元227c产生的马达控制信号发送给马达控制单元227f；

马达控制单元227f，将从聚焦算法单元227c得到的马达控制信号转换成驱动信号，并将转换后的驱动信号发送给Sensor马达驱动电路225；Sensor马达驱动电路225，将得到的驱动信号转换成Sensor马达控制信号，并发送到Sensor板21b。

在主控单元22中，图像数据处理单元226a接收Sensor板21发送来的图像信号，将图像信号分成多个子区域处理，将得到的多个区域图像数据发送到聚焦值计算单元226b；聚焦值计算单元226b分别对输入的每个子区域图像数据进行处理，获得各个子区域对应的高频分量聚焦值和低频分量聚焦值；并将得到的聚焦值发送到聚焦算法单元227c；

其中，聚焦算法单元227c包括：

粗聚焦算法子单元，用于接收Sensor板位置检测单元21f所反馈的Sensor板21b的位置信号和聚焦值计算单元226b输出的聚焦值，执行粗聚焦搜索算法，采用自适应步长的方式，其步长大于细聚焦搜索算法所使用的步长，使用粗聚焦搜索算法搜寻到最佳聚焦值所在区域范围，并将得到的Senor马达21d控制信号发送到Sensor马达21d，以使Sensor马达21d驱动Sensor板21b移动到所述最佳聚焦值所在区域范围内，然后输出信号给细聚焦算法子单元，通知细聚焦算法子单元进行进一步的细聚焦搜索；

细聚焦算法子单元，用于接收Sensor板位置检测单元21f所反馈的Sensor板21b的位置信号和聚焦值计算单元227c输出的聚焦值，在接收到粗聚焦算法子单元的信号后执行细聚焦搜索算法，细聚焦搜索算法采用固定步长，在粗聚焦搜索算法子单元所得到的最佳聚焦值所在区域范围内，使用细聚焦搜索算法搜寻到最佳聚焦值所在位置，并将得到的Sensor马达21d控制信号发送到Sensor马达21d，以使Sensor马达21d驱动Sensor板21b移动到最佳聚焦值对应的位置。

聚焦算法单元227c还包括：

聚焦值选择单元，用于接收聚焦值计算单元226b输出的与图像数据的多个子区域对应的高频分量聚焦值和低频分量聚焦值，执行预设的聚焦值选择算法对各子区域对应的高频分量聚焦值和低频分量聚焦值进行分析，确定出当前聚焦搜索算法选择高频分量聚焦值还是选择低频分量聚焦值作为搜索算法聚焦值，以便进行聚焦搜索，并确定合适最佳的聚焦值。

以上，聚焦算法单元227c根据所选择的搜索算法得到的聚焦值和Sensor板位置检测单元21f所反馈的Sensor板21b的位置信号，向马达控制单元227f发送马达驱动信号；马达控制单元227f接收到驱动信号后，再向Sensor马达驱动电路225发送驱动信号；Sensor马达驱动电路225接收到驱动信号后，再向Sensor马达21d发送控制信号；Sensor马达21d根据接收到的控制信号来控制Sensor板21b使其根据所选取的搜索算法设定的步长移动到新的检测位置。通过Sensor板21b多次的往复移动，Sensor板位置检测单元21f搜寻到Sensor板21b在最佳聚焦值时所在的位置，当聚焦算法单元227c判断找到了最佳聚焦值时，通过信号的传输，Sensor马达21d驱动Sensor板21b移动到获得最佳聚焦值时所对应的位置，聚焦完成；在整个聚焦过程中，通过Sensor马达21d驱动Sensor板21b的移动来寻找最佳聚焦值所对应的位置以实现自动聚焦。

基于该实施例提供的自动聚焦装置，要解决的第一个技术问题，所采取的主要思想是由自动聚焦装置内部的主控单元22控制其装置中的Sensor驱动单元21，以改变像距的方式使其自动聚焦。具体是由装置中的主控单元22执行聚焦搜索算法，通过聚焦搜索算法得到最佳聚焦值，主控单元22向装置内部的Sensor驱动单元21发送驱动信号，Sensor驱动单元21中的Sensor马达21d接收主控单元22发送的驱动信号，并控制Sensor驱动单元21中Sensor板21b的移动，使Sensor板21b移动到获得最佳聚焦值时所对应的位置。

实施例二

本发明所要解决的第二个技术问题所采取的实施方式如下所示：

在传统的显微镜和望远镜中，由于工作距是固定的，若被测物体的高度发生了改变，将导致图像不清晰。

如图3和图6所示，该实施例区别于传统电子显微镜和电子望远镜的是物距u是可变的。根据光学成像公式1可知，f是固定的，像距v是可变的(从v到v′)，因此物距u是可变的(从u到u′)。这也就意味着即使被测物体的高度改变，也能够通过自动聚焦装置内部的主控单元执行聚焦搜索算法自动控制Sensor板移动以相应的改变像距(从v到v′)使成像清晰。

自动聚焦的实现步骤同实施例一，在此不再阐述。

实施例三

图8为含有自动聚焦装置的光学系统原理框图，该光学系统可以是自动聚焦显微镜系统、或是自动聚焦望远镜系统，自动聚焦工业用相机，其是由自动聚焦装置、前端光学系统及外接设备组成。其中，实施例三的自动聚焦装置综合了实施例一、实施例二的自动聚焦功能模块，并相应的介绍了某些功能模块的具体硬件实体的实施方式，例如，该实施例三中将图像数据处理单元226a和聚焦值计算单元226b集成在一个数字信号处理器DSP中。在其他实施例中，也可以由大规模可编程逻辑器件或中央处理单元CPU等硬件实现。本发明不对具体的硬件实现方式做出限定，只要能实现本发明所公开的相应功能的硬件实现方式，都应该包括在本发明的保护范围之内。

实施例三提供的含自动聚焦装置的光学系统包括：前端光学系统1、自动聚焦装置2、辅助控制单元3、显示单元4，其中，自动聚焦装置2包括了Sensor驱动单元21、主控单元22和输出接口单元23三个部分。

其中，Sensor驱动单元21包括Sensor板21b、Sensor马达21d和Sensor板位置检测单元21f。

主控单元22包括图像数据处理单元226a、聚焦值计算单元226b、聚焦算法单元227c、马达控制单元227f、Sensor马达驱动电路225、和人机交互单元227a。

接口单元23包括：

视频信号转换单元236，将LVDS接口231得到的视频信号转换成符合标准的视频输出信号，例如高清晰度多媒体接口HDMI视频输出信号；HDMI接口235，用于将视频输出信号输出给外部显示设备。

ARM处理器233，用于接收和识别输出接口单元23中按键板237发送的控制信号，该控制信号可以包括变焦控制信号和光源调节信号；rs485接口234用于接收ARM处理器233和外部键盘3发送的控制信号，并向ARM处理器233和外部键盘3发送控制信号。

自动聚焦装置中的Sensor板21b主要是一个图像传感器，它可以将得到的光信号转换成图像信号，并将图像信号传送到主控单元22中，Sensor板21b可以在Sensor马达21d的带动下自由移动，Sensor板位置检测单元21f用于检测Sensor板21b的位置信息。自动聚焦装置中的Sensor驱动单元21在主控单元22的控制下，移动Sensor板21b来实现自动聚焦功能，具体实现自动聚焦的原理同实施例一，在此不再阐述。

此外，为了实现基于上述自动聚焦装置的自动调焦光学系统(该系统包括不仅限于显微镜，望远镜，工业用相机等))的亮度调节，主控单元22，还包括曝光算法单元227b，曝光算法单元227b运行图像分析技术，自动调节图像的亮度，使图像效果始终保持最佳。

曝光算法单元227b，根据图像数据处理单元226a输出的图像数据计算图像的亮度信息。将计算出的图像亮度信息与预设图像亮度信息进行比较，计算出亮度调整信息，经相应的控制电路并发送亮度控制信号从而控制图像亮度，使得显示图像始终保持合适的亮度。若使用者不需要实时控制图像亮度，也可以设置为手动调节亮度。

在手动调节亮度的模式下，所不同的是需要通过接口单元23接收到亮度调节信号后，向人机交互单元227a发送控制信号。人机交互单元227a调用曝光算法单元227b计算亮度调整信息，经相应的辅助控制单元3并发送亮度控制信号从而控制图像亮度。其中，辅助控制单元3可用外接键盘实现，接口单元23输出的图像信号可通过显示屏、PC显示器、或其他显示系统来接收并显示。

当选择自动调节亮度，程序自动完成亮度调节，其具体通过以下步骤实现：

步骤F1：自动聚焦光学系统启动前的准备；

步骤F2：设置亮度控制模式为自动；

步骤F3：预设图像亮度Y0和允许误差d；

步骤F4：从图像数据处理单元226a读取并记录当前的图像亮度值Y；

步骤F5：曝光算法单元227b对读取的亮度值Y与预设的图像亮度Y0进行比较；

步骤F6：如果abs(Y-Y0)＞d，进入步骤F7，否则进入步骤F8；

步骤F7：若读取的亮度值Y大于阈值Y0+d，则减小光源的亮度，使得图像的亮度值在目标亮度范围[Y0-d，Y0+d]内。若读取的亮度值小于阈值Y0-d，则增大光源的亮度，使得图像的亮度值在目标亮度范围[Y0-d，Y0+d]内。

步骤F8：亮度调节完成。

当选择手动调节亮度，其具体通过以下步骤实现：

步骤G1：自动聚焦光学系统启动前的准备；

步骤G2：设置亮度控制模式为手动；

步骤G3：通过输出接口板23上的按键板237或者外接键盘3向ARM处理器233发送亮度调节命令(亮度增加或者亮度降低)；

步骤G4：ARM处理器233把按键信息翻译成自动聚焦电子目镜能识别的指令，通过串口传送到人机交互单元227a；

步骤G5：人机交互单元227a调用曝光算法单元227b中的手动曝光算法，即亮度加、亮度减；

步骤G6：亮度调节单元根据亮度调节信息，调节图像的亮度。

上述，主控单元22是整个自动聚焦装置的核心部件，它主要用来实线Sensor驱动单元21的聚焦控制，通过接口单元23输出图像到显示终端，通过人机交互单元227a实现人机交互功能等，通过曝光算法单元227b实现自动聚焦过程中图像的自动机手动的亮度调节。

输出接口单元23主要功能是把图像信号通过它(实施例三是通过低压差分信号LVDS接口231、视频信号转换单元236、HDMI接口235)连接到显示单元4(本实施例为显示屏4)，把控制信号通过串口(本实施例是通过串口rs485接口234、ARM处理器233、rs232接口232)将主控单元22及辅助控制单元3(本实施例是外接键盘)连接起来，实现人机交互。

虽然本发明实施例三使用rs232接口222及rs232接口232，来实现人机交互单元227a与输出接口单元23之间的内部信号传输；使用LVDS接口221及LVDS接口231，来实现图像数据处理单元226a与输出接口单元23之间的内部视频信号传输。但本发明不限定具体的内部模块之间的接口类型和传输方式。相应的内部接口功能也可合并到对应的模块中实现。

在实施例三中，主控单元22中的图像数据处理单元226a、聚焦值计算单元226b即可通过DSP处理器226实现，也可通过其他编程器实现，主控单元板22中的人机交互单元227a，曝光算法单元227b，聚焦算法单元227c，马达控制单元227f可以由ARM处理器227实现，也可以由其他微电子处理器实现。

本发明另一具体实施例中，将主控单元22设置在自动聚焦装置的主体外部，即与Sensor驱动单元21分设于不同的硬件实体中，Sensor板21b的图像信号通过硬件接口直接输出给外部包含主控单元的设备(以下简称外部主控设备)，所述的外部主控设备对图像信号进行聚焦搜索算法，通过接口单元将马达控制信号输出给自动聚焦装置的马达驱动电路，通过马达驱动电路驱动Sensor马达，从而改变Sensor板的位置，自动聚焦装置中的Sensor板位置检测单元通过接口单元将Sensor板的位置反馈给外部主控设备中的主控单元。

本发明的另一个实施例中，将主控单元22与Sensor驱动单元21设置于相同的硬件实体中，例如设置于电子目镜中，无需改变现有的电子显微镜、电子望远镜的结构，直接把目镜用本发明的自动聚焦装置替换，即可实现电子显微镜、电子望远镜的自动聚焦。

综上所述，本发明通过一种创新的方式，把传统电子显微镜和电子望远镜与自动聚焦技术有机的结合在一起，而且实现了自动(自动对焦)、智能(不需要懂显微镜和望远镜的操作，自动清晰)、经济(无需改变现有的电子显微镜、电子望远镜的结构，直接把目镜用本发明的自动聚焦装置替换)、操作简便(无需人工操作聚焦)。免除了传统的手动对焦方式带来的低效和低精度，提供了一种方面快捷，精确实用的对焦方式，大大提高了对焦精度和速度。

Claims (16)

1.一种自动聚焦装置，其特征在于，包括：Sensor驱动单元、主控单元、接口单元：

在保持被测目标与前端光学系统的位置相对固定的情况下；

由主控单元控制Sensor驱动单元，通过调整像距使其自动聚焦；

被测目标的图像数据通过自动聚焦装置内部的接口单元输出显示。

2.根据权利要求1所述的自动聚焦装置，其特征在于，

Sensor驱动单元，包括Sensor板、Sensor板位置检测单元、Sensor驱动马达，其中Sensor板，用于将光信号转换成图像信号，并输出图像信号给主控单元；Sensor板位置检测单元用于检测当前Sensor板相对于原点的位置，并将Sensor的位置信息反馈给主控单元；Sensor驱动马达用于在主控单元的控制下驱动Sensor板移动；

主控单元，用于在被测目标与前端光学系统的位置保持相对固定时，对经Sensor驱动单元传输的图像信号进行处理，通过运行聚焦搜索算法来控制所述Sensor驱动马达以驱动所述Sensor板移动，通过调整像距使其自动聚焦；

接口单元，用于将被测目标的图像数据输出和人机交互信号的传输。

3.如权利要求2所述的自动聚焦装置，其特征在于，所述主控单元包括：

图像数据处理单元，用于接收Sensor板发送的图像信号，并对图像信号进行采集和处理，且将处理后的图像数据输出给聚焦值计算单元；

聚焦值计算单元，用于对接收到的图像数据进行处理，计算图像数据对应的聚焦值并将得到的聚焦值输入到聚焦算法单元；

聚焦算法单元，用于接收Sensor板位置检测单元所反馈的Sensor板相对于原点的位置信号和聚焦值计算单元输出的聚焦值，并执行聚焦搜索算法，通过聚焦搜索算法获得最佳聚焦值，聚焦搜索算法产生马达控制信号给马达控制单元，在聚焦搜索算法的控制下使Sensor板移动到所述最佳聚焦值对应的位置；

马达控制单元，用于将聚焦算法单元输出的马达控制信号转换成马达驱动电路的驱动信号输出给Sensor马达驱动电路；

Sensor马达驱动电路，用于根据马达控制单元的驱动信号来驱动Sensor马达，以使Sensor板移动到最佳聚焦值对应的位置。

4.如权利要求3所述的自动聚焦装置，其特征在于，所述主控单元还包括人机交互单元，接收或发送信息给接口单元，实现人机交互。

5.如权利要求1-4所述的任一自动聚焦装置，其特征在于，所述聚焦算法单元包括：

粗聚焦算法子单元采用自适应步长，接收Sensor板位置检测单元所反馈的Sensor板的位置信号和聚焦值计算单元输出的聚焦值，执行粗聚焦搜索算法，控制马达控制单元驱动Sensor板移动到最佳聚焦值所在区域范围内后，输出信号给细聚焦算法子单元；

细聚焦算法子单元采用固定步长，接收Sensor板位置检测单元所反馈的Sensor板的位置信号和聚焦值计算单元输出的聚焦值，在接收到粗聚焦算法子单元的信号后执行细聚焦搜索算法，控制马达控制单元驱动Sensor板移动到最佳聚焦值对应的位置。

6.如权利要求5所述的的自动聚焦装置，其特征在于，

所述图像数据处理单元将多个子区域的图像数据输入给所述聚焦值计算单元；

所述聚焦值计算单元分别对每个子区域的图像数据进行处理，获得每个子区域对应的高频分量聚焦值和低频分量聚焦值；

所述聚焦算法单元还进一步包括：聚焦值选择单元；

聚焦值选择单元接收聚焦值计算单元输出的与图像数据的多个子区域对应的高频分量聚焦值和低频分量聚焦值，通过预设的聚焦值选择算法确定粗聚焦算法子单元和细聚焦算法子单元所使用的聚焦值，以确定最佳聚焦值。

7.如权利要求1至6任一所述的自动聚焦装置，其特征在于，

所述主控单元通过调整像距使其自动聚焦具体为：前端光学系统工作距固定不变，所述主控单元控制Sensor驱动单元内部的Sensor板移动，寻找像距，使其自动聚焦。

8.如权利要求1至6任一所述的自动聚焦装置，其特征在于，

所述主控单元通过调整像距使其自动聚焦具体为：前端光学系统工作距相对可变，所述主控单元控制Sensor驱动单元内部的Sensor板移动，改变像距，使其自动聚焦。

9.如权利要求1至8任一所述的自动聚焦装置，其特征在于，

所述的主控单元与所述的Sensor驱动单元可以集成在一个硬件实体中。

10.如权利要求1至8任一所述的自动聚焦装置，其特征在于，

所述的主控单元与所述的Sensor驱动单元可以分设在不同的硬件实体中。

11.一种自动聚焦电子显微镜，其特征在于包含权利要求1至10任一所述的自动聚焦装置。

12.一种自动聚焦电子望远镜，其特征在于包含权利要求1至10任一所述的自动聚焦装置。

13.一种自动工业相机，其特征在于于包含权利要求1至10任一所述的自动聚焦装置。

14.一种自动聚焦电子目镜，其特征在于包含权利要求1至10任一所述的自动聚焦装置。

15.一种自动聚焦电子显微镜，其特征在于包含权利要求13所述的自动聚焦电子目镜。

16.一种自动聚焦电子望远镜，其特征在于包含权利要求13所述的自动聚焦电子目镜。