CN105785561A - 一种数字显微镜及其聚焦方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种数字显微镜及其聚焦方法。本发明将聚焦镜片组、变焦镜片组及相应的控制电路集成在显微镜的内部，由显微镜内部的主控单元执行聚焦搜索算法及聚焦跟踪算法，控制聚焦镜片组和聚焦镜片组移动，通过调整像距使显微镜实现自动聚焦，以及通过改变焦距使显微镜变倍。通过本发明，无需移动载物台和显微镜即可实现自动聚焦，提高了聚焦效率和缩短了聚焦时间，通过本发明变焦跟踪算法可实现连续变倍与跟踪，且能够实现变倍全程图像清晰。本发明还能够通过主控单元执行曝光算法，根据通光量的改变来自动调节位于显微镜前端的辅助光源的亮度，从而实现曝光均匀。

Description

一种数字显微镜及其聚焦方法

技术领域

本发明涉及显微镜技术领域，尤其涉及一种数字显微镜及其聚焦方法。

背景技术

传统的显微镜的聚焦多是采用人工手动聚焦的方式，这种聚焦方式完全依赖于人的主观判断，使得聚焦效率低下，尤其是在目标量大的情况下极易让人产生视觉疲劳，降低对目标物的调焦精度且容易让人产生厌烦的情绪。

现有的自动聚焦显微镜多采用控制载物台或显微镜主体移动，寻找已设定的物距方式来实现自动聚焦，如图1所示，这种方式可调节范围有限，且当被测目标较大时，为了实现正确的聚焦则显微镜的支架需要设计的很长，这样不利于人工的观察和使用。

传统的显微镜的工作距通常是固定不变的，因为传统的显微镜中的像距是固定不变的，物镜的放大倍数也是固定的。由光学系统可知，当放大倍数和像距都固定不变时，其物距也是固定的，即工作距是固定不变的。传统的显微镜根据不同的被测目标而移动载物台就是为了找到成清晰像的物距，以实现正确的聚焦。工作距固定，这将会导致当被测目标较高时，由于显微镜的支架长短有限，将会无法实现正确聚焦。

当观测不同大小的物体时，传统显微镜是通过转换不同的物镜来实现变焦的，这种变焦显微镜一般不具备自动聚焦功能，所以需要首先在小倍率下手动调节载物台实现正确聚焦后，再来实现变焦操作。这将会大大的降低工作效率，且如果在小倍率下没有完成正确聚焦，那么后续变焦的操作就无法观测到清晰的结果。

传统的显微镜在移动载物台实现聚焦的过程中，被测目标与显微镜的距离不停变化，显微镜的透光量也会发生变化，传统的显微镜没有考虑显微镜透光量的改变。这将会导致显微镜在移动载物台的过程中，会出现被测结果的图像过曝或者光线不足，这两种情况都将会影响显微镜的自动聚焦时间和结果。

发明内容

本发明所要解决的第一个技术问题是区别于传统显微镜通过移动载物台或显微镜主体寻找设定好的物距u以实现聚焦的方式，本发明在工作距固定的情况下，通过控制显微镜主体内部聚焦镜片组的移动来寻找像距v以实现自动聚焦。

本发明所要解决的第二个技术问题是区别于传统显微镜在工作距固定的情况下实现聚焦，本发明在工作距相对可变的情况下，通过改变像距实现自动聚焦。

本发明所要解决的第三个技术问题是区别于传统显微镜，其在工作距固定条件下，依据一个机械机构保持变焦(变焦的过程实际就是改变图像放大倍率的过程，所以也可称为变倍)过程中图像清晰，本发明在工作距相对可变的情况下，通过算法实现各工作距下的变倍过程中图像清晰。

本发明所要解决的第四个技术问题是区别于传统的显微镜照明通过手动方式调节光源亮度，本发明可实现自动调节光源的亮度。

基于本发明实施例的一方面，本发明提供一种数字显微镜聚焦方法，该方法包括：

保持被测目标与显微镜主体的位置相对固定；

由主控单元控制显微镜主体内部的聚焦镜片组移动，通过调整像距使显微镜自动聚焦；

被测目标的图像数据通过显微镜主体内部的接口单元输出显示。

进一步地，所述的调整像距，是指显微镜工作距固定不变，通过主控单元控制显微镜主体内部的聚焦镜片组移动，寻找像距，使显微镜自动聚焦。

进一步地，所述的调整像距，是指显微镜工作距相对可变，通过主控单元控制显微镜主体内部的聚焦镜片组移动，改变像距，使显微镜自动聚焦。

进一步地，所述的调整像距，是指显微镜工作距相对可变，在连续变倍过程中，通过主控单元控制显微镜主体内部的镜片组移动，改变像距，使显微镜自动聚焦，所述显微镜主体内部的镜片组包括聚焦镜片组、变焦镜片组。

进一步地，所述由主控单元控制显微镜主体内部的聚焦镜片组移动，通过调整像距使显微镜自动聚焦具体包括：

由主控单元执行聚焦搜索算法，通过聚焦搜索算法获得最佳聚焦值，所述聚焦搜索算法通过控制显微镜主体内部的聚焦马达，由聚焦马达驱动显微镜主体内部的聚焦镜片组移动，使聚焦镜片组在所述聚焦搜索算法的控制下移动到所述最佳聚焦值对应的位置。

进一步地，所述聚焦搜索算法包括粗聚焦搜索算法和细聚焦搜索算法：

所述粗聚焦搜索算法采用自适应步长，以大于细聚焦搜索算法所用步长的步长，搜寻最佳聚焦值所在区域范围，并驱动聚焦镜片组移动到所述最佳聚焦值所在区域范围内；

所述细聚焦搜索算法采用固定步长，在所述粗聚焦搜索算法所确定的最佳聚焦值所在区域范围内搜寻最佳聚焦值所在位置，并驱动聚焦镜片组移动到最佳聚焦值对应的位置。

进一步地，所述粗聚焦搜索算法和所述细聚焦搜索算法包括如下确定聚焦搜索算法所使用的聚焦值的步骤：

当显微镜主体内部的聚焦镜片组在聚焦搜索算法的控制下移动到某一搜索位置后，主控单元采集被测目标在显微镜主体内部的Sensor板上的图像数据；

将采集获得的图像数据分成多个子区域，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；

通过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进行聚焦搜索，以确定最佳聚焦值。

进一步地，所述方法还包括：由主控单元控制显微镜主体内部的变焦镜片组和聚焦镜片组移动，通过改变焦距使显微镜变倍的步骤，具体为：

通过所述接口单元接收外部变焦控制信号；

主控单元根据外部变焦控制信号执行变焦跟踪算法，所述变焦跟踪算法通过控制显微镜主体内部的变焦马达和聚焦马达，由变焦马达和聚焦马达驱动显微镜主体内部的变焦镜片组和聚焦镜片组移动实现变焦，通过变焦跟踪算法保证变焦过程中图像始终保持清晰。

进一步地，所述变焦完成后，所述方法还包括：在所述变倍的步骤之后，所述主控单元再次执行聚焦搜索算法，再一次实施更精确的自动聚焦。

进一步地，所述方法还包括自动调节光源亮度的步骤：

主控单元对采集的被测目标在显微镜主体内部的Sensor板上的成像数据进行处理后得到图像的亮度信息；

将得到的图像亮度信息与预设图像亮度信息进行比较，计算光源亮度调整信息；

所述主控单元依据所述光源亮度调整信息调整位于显微镜主体头部的辅助光源的亮度。

进一步地，所述方法还包括：

通过接口单元接收外部输入的亮度调节信号并传送给主控单元；

主控单元还用于根据外部输入的亮度调节信号，实现手动调节辅助光源亮度。

基于本发明实施例的另一方面，本发明还提供一种数字显微镜，该数字显微镜包括：

镜头，其中包括聚焦镜片组、聚焦马达及镜片组位置检测单元；所述聚焦马达用于在主控单元的控制下驱动聚焦镜片组移动；所述镜片组位置检测单元用于检测聚焦镜片组的位置，并将聚焦镜片组的位置信息反馈给主控单元；

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；

主控单元，用于在被测目标与显微镜主体的位置保持相对固定时，对图像信号进行处理，通过运行聚焦搜索算法来控制所述聚焦马达以驱动所述聚焦镜片组移动，通过调整像距使显微镜自动聚焦；

接口单元，用于将被测目标的图像数据输出。

进一步地，所述主控单元通过调整像距使显微镜自动聚焦具体为：显微镜工作距固定不变，所述主控单元控制显微镜主体内部的聚焦镜片组移动，寻找像距，使显微镜自动聚焦。

进一步地，所述主控单元通过调整像距使显微镜自动聚焦具体为：显微镜工作距相对可变，所述主控单元控制显微镜主体内部的聚焦镜片组移动，改变像距，使显微镜自动聚焦。

进一步地，所述主控单元包括：

图像数据处理单元，用于对Sensor板的图像信号进行采集和处理，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，用于接收镜片组位置检测单元所反馈的聚焦镜片组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聚焦镜片组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聚焦马达驱动电路；

聚焦马达驱动电路，用于根据马达控制单元的驱动信号来驱动聚焦马达，以使聚焦镜片组移动到最佳聚焦值对应的位置。

进一步地，所述聚焦算法单元包括：

粗聚焦算法子单元，用于采用自适应步长，以大于细聚焦搜索算法所用步长的步长，搜寻最佳聚焦值所在区域范围，并通过控制马达控制单元驱动聚焦镜片组移动到所述最佳聚焦值所在区域范围内；

细聚焦算法子单元，用于采用固定步长，在所述粗聚焦搜索算法所确定的最佳聚焦值所在区域范围内搜寻最佳聚焦值所在位置，并通过控制马达控制单元驱动聚焦镜片组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还用于将图像数据分成多个子区域；

所述聚焦值计算单元具体用于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，用于通过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进行聚焦搜索，以确定最佳聚焦值。

进一步地，所述镜头还包括，变焦镜片组和变焦马达，所述变焦马达用于在主控单元的控制下驱动变焦镜片组移动；

所述镜片组位置检测单元，还用于检测变焦镜片组的位置，并将变焦镜片组的位置信息反馈给主控单元；

所述主控单元通过调整像距使显微镜自动聚焦具体为：显微镜工作距相对可变，在连续变倍过程中，所述主控单元控制显微镜主体内部的镜片组移动，改变像距，使显微镜自动聚焦，所述显微镜主体内部的镜片组包括聚焦镜片组、变焦镜片组。

进一步地，所述主控单元还用于通过接口单元接收外部变焦控制信号，在外部变焦控制信号的触发下，通过运行变焦跟踪算法来驱动变焦马达以控制变焦镜片组的移动,使显微镜变倍；

所述主控单元进一步包括：

人机交互单元，用于从接口单元接收外部变焦控制信号，并通过变焦算法单元执行变焦跟踪算法；

变焦算法单元，用于接收镜片组位置检测单元反馈的变焦镜片组和聚焦镜片组的位置信号，并执行变焦跟踪算法，所述变焦跟踪算法产生马达控制信号给马达控制单元，在变焦跟踪算法的控制下使变焦镜片组和聚焦镜片组移动实现变倍；

变焦马达驱动电路，用于根据马达控制单元的驱动信号来驱动变焦马达，以使得变焦马达来驱动变焦镜片组移动；

所述马达控制单元还用于将变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变焦马达驱动电路。

进一步地，所述主控单元包括：

曝光算法单元，用于根据图像数据处理单元输出的图像数据计算图像的亮度信息；并将得到的图像亮度信息与预设图像亮度信息进行比较，计算光源亮度调整信息；

光源亮度控制单元，用于根据所述光源亮度调整信息输出光源亮度控制信号给光源亮度调节电路；

光源亮度调节电路，用于根据所述光源亮度控制信号调节输出到辅助光源的电量，从而调节辅助光源的亮度；

所述显微镜主体还包括，辅助光源，位于显微镜的镜头朝向被测目标的一侧。

进一步地，所述接口单元还用于，接收外部输入的光源亮度调节信号并

传送给主控单元；

所述主控单元还用于根据外部输入的亮度调节信号，实现手动调节辅助光源亮度。

与现有自动聚焦显微镜相比，本发明的有益效果在于：

A、与传统显微镜移动载物台的方式实现自动聚焦相比，本发明将聚焦镜片组及相应的控制电路集成在显微镜的内部，通过显微镜内部的主控单元来控制其内部的聚焦镜片组移动，通过改变像距的方式使显微镜自动聚焦，而无需移动载物台和显微镜即可实现自动聚焦，大大的提高了聚焦效率和缩短了聚焦时间。

B、与传统显微镜工作距固定相比，本发明在其内部设置了聚焦镜片组并通过内部的主控单元来驱动聚焦镜片组的移动，以这种方式实现了可变工作距，不管被测目标的高度是多少，都能实现正确聚焦，无需预先设置载物台的高度；

C、与传统显微镜无法实现自动聚焦相比，本发明显微镜在变倍过程中，主控单元根据变焦跟踪算法来控制变焦镜片组和聚焦镜片组的移动，从而实现在变倍过程中自动聚焦。

D、与传统显微镜在变倍前需要手动聚焦后再来实现变倍操作相比，本发明显微镜无需手动对焦，而在当前倍率下由显微镜内部的主控单元控制聚焦镜片组移动来实现自动聚焦；且本发明通过变焦跟踪算法可实现连续变倍与跟踪，且变倍全程图像清晰。

F、与传统显微镜不考虑变倍过程中显微镜的通光量发生改变导致被测物体照明不足或者过曝相比，本发明显微镜内部的主控单元执行曝光算法，根据通光量的改变来自动调节位于显微镜前端的辅助光源的亮度，保证曝光均匀，照明效果佳。

附图说明

图1为传统显微镜自动聚焦原理；

图2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3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4为本发明实施例提供的倍率、工作距都可变自动聚焦光学原理图；

图5为本发明实施例提供的工作距固定可实现自动聚焦的数字显微镜结构示意图；

图6为本发明实施例提供的倍率、工作距都可变的自动聚焦数字显微镜结构示意图；

图7为本发明实施例提供的光源亮度自动控制原理结构示意图；

图8为本发明实施例提供的一种数字显微镜系统结构示意图；

图9为本发明实施例提供的工作距固定自动聚焦方法流程图；

图10为本发明实施例提供的聚焦值与镜片组位置关系；

图11为本发明实施例提供的聚焦搜索算法中粗聚焦搜索算法流程图；

图12为本发明实施例提供的聚焦搜索算法中细聚焦搜索算法流程图；

图13为本发明实施例提供的焦距f、像距v、工作距w变化关系图；

图14为本发明实施例提供的实际变焦曲线与理论曲线关系图；

图15为本发明实施例提供的亮度自动调节流程图。

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

针对本发明所要解决的第一个技术问题，该实施例采取实施方式如下：

如图1所示，传统显微镜由于像距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，只能通过移动载物台来“寻找”物距u以实现聚焦。而该实施例区别于传统显微镜的是，在工作距不变的情况下，由显微镜内部的主控单元来控制显微镜中聚焦镜片组的移动，以“寻找”合适的像距v来实现自动聚焦，请参考图2，这使得光学成像公式从传统的

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

变为

$\frac{1}{f}=\frac{1}{L-v}+\frac{1}{v}$ 公式2

中L是共轭距，L＝u+v＝w+n，w是工作距，n是显微镜前端面到像面的距离(常量)。因此由公式2可以得出如下公式

$\frac{1}{f}=\frac{1}{w+n-v}+\frac{1}{v}$ 公式3

根据公式3可知由于工作距w是固定的，n是常量，因此像距v是唯一的。该实施例公开的自动聚焦方法，就是通过移动显微镜内部的聚焦镜片组寻找合适的像距v来实现对被测目标的自动聚焦。本发明由显微镜系统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聚焦马达，以驱动聚焦镜片组的移动，并在聚焦镜片组移动的过程中得到不同的聚焦值，通过分析不同的聚焦值来得到最佳聚焦值时聚焦镜片组所在的位置。

图5为该实施例自动聚焦数字显微镜的逻辑结构功能框图，在该实施例中，将观测目标放置在载物台1上，固定载物台1和数字显微镜(其目的是为了固定工作距w)，其中，该数字显微镜包括，镜头22、Sensors板23(成像板)、主控单元24、接口单元25。

镜头22，包括聚焦镜片组22b、聚焦马达22d及镜片组位置检测单元22e。镜片组位置检测单元22e用于检测聚焦镜片组22b的位置，并将其位置信息反馈给主控单元24。聚焦马达22d接收主控单元24发送的聚焦马达控制信号，聚焦马达22d根据得到的控制信号来驱动聚焦镜片组22b的移动，使得聚焦镜片组22b移动到最佳聚焦值时所对应的位置。镜头22将被测目标经过聚焦镜片组成像后的光信号发送到Sensor板；

Sensor板23，用于将镜头22发送来的光信号转换成图像信号，并将得到的图像信号输入到主控单元24；

主控单元24，包括图像数据处理单元246a，聚焦值计算单元246b，聚焦算法单元247c，马达控制单元247f和聚焦马达驱动电路245。Sensor板23将得到的图像信号发送到主控单元24，而主控单元24将处理后的图像数据和聚焦马达控制信号分别输入到接口单元25和镜头22；

接口单元25，接收主控单元24输出的图像数据，并连接显示设备。

主控单元24包括：

图像数据处理单元246a，用于将Sensor板23得到的图像信号进行采集和处理，并将处理后的图像数据输入到聚焦值计算单元246b；

聚焦值计算单元246b，处理经过图像数据处理单元246a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247c；

聚焦算法单元247c，其接收镜片组位置检测单元22e所反馈的聚焦镜片组22b的位置信号，以及聚焦值计算单元246b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247c产生的马达控制信号发送给马达控制单元247f；

马达控制单元247f，将从聚焦算法单元247c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聚焦马达驱动电路245；

聚焦马达驱动电路245，将得到的驱动信号转换成聚焦马达控制信号，并发送到镜头22。

在主控单元24中，图像数据处理单元246a在处理Sensor输入的图像信号时，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输入到聚焦值计算单元246b；聚焦值计算单元246b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；

其中，聚焦算法单元247c包括：

粗聚焦算法子单元，用于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，并将得到的聚焦马达控制信号发送到聚焦马达22d，以使聚焦马达22d驱动聚焦镜片组22b移动到所述最佳聚焦值所在区域范围内；

细聚焦算法子单元，用于采用固定步长，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，并将得到的聚焦马达控制信号发送到聚焦马达22d，以使聚焦马达22d驱动聚焦镜片组22b移动到最佳聚焦值对应的位置。

聚焦算法单元247c还包括：

聚焦值选择单元，用于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，确定合适的聚焦值。

聚焦算法单元247c依据选择出的搜索算法聚焦值和镜片组位置检测单元22e反馈的聚焦镜片组的位置信号，聚焦算法单元247c发送马达驱动信号给马达控制单元247f，马达控制单元247f向聚焦马达驱动电路245发送驱动信号，聚焦马达驱动电路245接收到驱动信号后再向聚焦马达22d发送控制信号，聚焦马达22d控制聚焦镜片组22b按搜索算法设定的步长移动到新的检测位置。通过聚焦镜片组22b多次的往复移动，镜片组位置检测单元22e搜寻到聚焦镜片组22b在最佳聚焦值时所在的位置，当聚焦算法单元247c判断找到了最佳聚焦值时，通过信号的传输，聚焦马达22d驱动聚焦镜片组22b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，通过聚焦马达22d驱动聚焦镜片组22b的移动来寻找最佳聚焦值所对应的位置以实现自动聚焦，而不需要控制载物台1的移动。

基于该实施例提供的数字显微镜，要解决的第一个技术问题，所采取的主要思想是由显微镜内部的主控单元24控制显微镜的镜头22，以改变像距的方式使显微镜自动聚焦。具体是由显微镜的主控单元24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24向显微镜内部的镜头22发送驱动信号，镜头22中的聚焦马达22d接收主控单元24发送的驱动信号，并控制镜头22中聚焦镜片组22b的移动，使聚焦镜片组22b移动到获得最佳聚焦值时所对应的位置。

图9显示了在工作距固定的情况下，数字显微镜实现自动聚焦的方法。该方法通过实时的采集被测目标通过聚焦镜片组22b成像后的原始图像，经过图像数据处理单元246a得到多组图像数据，多组图像数据经过聚焦值计算单元246b得到多组聚焦值，聚焦算法单元247c依据多组聚焦值及阈值，选取一个合适的值作为聚焦评价值，经过粗聚焦和细聚焦的两个阶段，在不同阶段采用不同的步长来控制马达的聚焦速度和精度，在粗聚焦阶段，通过对聚焦值的分析，采取大步长快速聚焦，找到最佳聚焦值所在的区域范围，驱动聚焦镜片组22b移动到最佳聚焦值区域范围内的某个基准位置；在细聚焦阶段，通过小步长在搜索算法，找到最佳清晰点，即找到最佳聚焦值所对应的位置，驱动聚焦镜片组22b移动到最清晰的位置，即移动到获得最佳聚焦值时所对应的位置。具体实施例如下：

步骤S1：数字显微镜启动前的准备工作，将被测目标放入载物台1，固定载物台1，数字显微镜主体2(其目的是为了固定工作距),连接显示屏4；

步骤S2：通过sensor板23实时采集被测目标通过显微镜镜头22成像后的图像数据；

步骤S3：sensor板23将获得的原始图像数据输出到图像数据处理单元246a中，图像数据处理单元246a将接收到的原始图像数据直接输出给接口单元25以供外部显示。同时，图像数据处理单元246a根据预设的图像数据处理算法，将得到的原始图像数据分割成n个子区域图像数据，将得到的n个图像数据发送到聚焦值计算单元246b中；

步骤S4：聚焦值计算单元246b分别对n个子区域的图像数据进行聚焦值计算，得到n组不同的高频分量聚焦值和低频分量聚焦值；

步骤S5：通过预设的聚焦值选择算法分别对n组高频分量聚焦值和低频分量聚焦值进行分析，根据预设的阈值，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使用的聚焦值，以进行聚焦搜索，确定最佳聚焦值。

具体方法为：若n组高频分量聚焦值之一大于等于选定的阈值T，则选择n组高频分量聚焦值中值最大的那组高频分量聚焦值作为聚焦搜索中使用的聚焦评价值，若高频分量聚焦值都小于选定的阈值T，则选择n组低频分量聚焦值中值最大的那组低频分量聚焦值作为聚焦搜索中使用的聚焦评价值。其中，聚焦评价值用于确定最佳聚焦值所在的区域范围；

步骤S6：根据选择的聚焦评价值，采用自适应步长的粗聚焦搜索算法搜索；

该实施例中聚焦搜索包括粗聚焦搜索和细聚焦搜索两个过程：

粗聚焦搜索采用自适应步长，其步长大于细聚焦搜索中所使用的步长。粗聚焦搜索算法寻找出最佳聚焦值所在区域范围，并通过向镜头22中发送驱动信号，来实现镜头22中聚焦镜片组22b的移动，使得聚焦镜片组22b移动到最佳聚焦值所在区域范围内。

细聚焦搜索采用固定步长，其在粗聚焦完成后，在其确定的最佳聚焦值所在区域范围内搜寻获得最佳聚焦值时聚焦镜片组22b所在位置，并向镜头22中发送驱动信号，以控制镜头22中聚焦镜片组22b移动到获得最佳聚焦值时所对应的位置。

步骤S7：在运行粗聚焦搜索算法的过程中，主控单元24向聚焦马达22d发送驱动信号，以使得聚焦马达22d能够控制聚焦镜片组22b完成m次往返移动以找出最佳聚焦值所在的区域范围，若完成了m次往返移动，则执行步骤S8，否则执行步骤S5；

步骤S8：读取运行粗聚焦搜索算法时所确定的最佳聚焦值所在区域范围内的某一位置D0；

步骤S9：主控单元24向聚焦马达22d发送驱动信号，聚焦马达22d接收到驱动信号后控制聚焦镜片组22b移动到位置D0；

步骤S10：粗聚焦搜索过程结束，进入细聚焦搜索过程；

步骤S11：在细聚焦搜索过程中根据步骤S5中选择的聚焦评价值，采用固定步长的方式运行细聚焦搜索算法；

步骤S12：在细聚焦搜索过程中，主控单元24向聚焦马达22d发送驱动信号，聚焦马达22d接收到驱动信号后控制聚焦镜片组22b完成k次往返移动，以找出获得最佳聚焦值时聚焦镜片组22b所在位置的D1；若完成k次往返移动，则执行步骤S13；否则，执行步骤S11；

步骤S13：读取细聚焦搜索过程中获得最佳聚焦值时聚焦镜片组22b所在的位置D1；

步骤S14：主控单元24向聚焦马达22d发送驱动信号，聚焦马达22d接收到驱动信号后控制聚焦镜片组22b移动到位置D1；

步骤S15：细聚焦搜索过程完成。至此，数字显微镜的自动聚焦过程全部结束。

实施例一中，采用自适应步长进行粗聚焦搜索的步骤流程，如图11所示。其中搜索步长为显微镜中聚焦马达22d控制聚焦镜片组22b每次运动的距离，该步长的取值对算法的实时性和正确性有着一定的影响：步长太小的话将会影响算法的聚焦时间，步长太大的话将会使得搜索过程中出现跃顶现象，这将会导致聚焦的不正确。聚焦值下降百分比T2用来决定数字显微镜中聚焦马达22d控制聚焦镜片组22b移动方向。

阈值T0用来判别聚焦搜索时是使用高频分量聚焦值还是低频分量聚焦值作为聚焦搜索算法中使用的聚焦值，从图10的聚焦值与镜片组位置关系图可以看出，为了保证聚焦正确性和实时性，必须设置一个合适的阈值，使得当被测目标是弱目标时能使用低频分量进行正确聚焦，而当被测目标是高亮目标时能使用高频分量进行正确聚焦，具体选择聚焦评价值的方案参见工作距固定自动聚焦方法实施例步骤S5所述的方案进行。

阈值T0、T1用来决定聚焦马达22d控制聚焦镜片组22b移动的步长的大小，当图像处于远焦位置时，聚焦马达22d控制聚焦镜片组22b以大步长移动，当图像处于近焦位置时聚焦马达22d控制聚焦镜片组22b以较小步长移动。

开始粗聚焦搜索之前，需要依据实施例一的步骤S4，得到n组高频聚焦值和低频聚焦值后，进入以下粗聚焦搜索步骤：

步骤C1：开始粗聚焦算法，初始情况下，聚焦马达22d控制聚焦镜片组22b沿着某一方向以步长|S₀|＝a1移动，记录聚焦镜片组22b移动的位置和每帧图像的数据；

步骤C2：如果n组高频聚焦值中某组值大于阈值T0，进入步骤C3；如果n组低频聚焦值中某组大于阈值T1，进入步骤C4，否则进入步骤C5；

步骤C3：选取最大的高频聚焦值作为聚焦评价值，设置S₀＝a1，聚焦镜片组22b沿原初始方向移动S₀，进入步骤C6；

步骤C4：选取最大的聚焦值作为聚焦评价值，设置S₀＝a2，聚焦镜片组22b沿原初始方向移动S₀，进入步骤C6；

步骤C5：选取最大的低频聚焦值作为聚焦评价值，设置S₀＝a3，聚焦镜片组22b沿原初始方向移动S₀，进入步骤C6；

步骤C6：如果聚焦值下降百分比大于阈值T2，进入步骤C7，否则进入步骤C8；

步骤C7：聚焦镜片组22b沿着反方向移动，移动步长S₀，即设置S₀＝-S₀，进入步骤C8；

步骤C8：如果镜片组m次反向移动完成后，则进入步骤C9，否则进入步骤C2；

步骤C9：读取在获得粗聚焦搜索过程中确定的最大聚焦值区域时聚焦镜片组22b所在的位置D0，并确定细聚焦的搜索范围为[D0-S₀,D0+S₀]；

步骤C10：聚焦马达22d控制聚焦镜片组22b移动到位置D0；

步骤C11：粗聚焦结束，进入细聚焦。

本发明的数字显微镜根据实例一中步骤S4得到的n组高频聚焦值和n组低频聚焦值，进入以下细聚焦搜索步骤，如图12所示，细聚焦搜索包括以下步骤：

步骤D1：开始细聚焦搜索，初始情况下，聚焦马达22d控制聚焦镜片组22b沿着某一方向以步长|S₀|＝a4移动，并记录聚焦镜片组22b移动的位置和每帧图像的数据；

步骤D2：如果n组高频聚焦值中某组值大于阈值T0，进入步骤D3，否则进入步骤D4；

步骤D3：选取最大的那组高频聚焦值作为聚焦评价值，设置S₀＝a4，聚焦镜片组22b沿原初始方向移动S₀，进入步骤D4；

步骤D4：选取最大的那组低频聚焦值作为聚焦评价值，设置S₀＝a4，聚焦镜片组22b沿原初始方向移动S₀；

步骤D5：如果聚焦值下降百分比大于阈值T2或者镜头的位置超出了细聚焦的搜索范围[D0-S₀,D0+S₀]，进入步骤D6，否则进入步骤D7；

步骤D6：设置S₀＝-S₀，聚焦镜片组22b沿着反方向移动S₀，进入步骤D7；

步骤D7：如果聚焦镜片组完成了k次反向移动搜索，则进入步骤D8。否则，进入步骤D2；

步骤D8：读取细聚焦搜索过程中获得最大聚焦值时聚焦镜片组22b所在的位置D1；

该步骤所确定的位置D1即为聚焦搜索完成后，获得最佳聚焦值时聚焦镜片组22b所在的位置。

步骤D9：聚焦马达22d控制聚焦镜片组22b移动到位置D1；

步骤D10：细聚焦结束，聚焦完成。

本实施例中选择阈值T0＝100000，阈值T1＝2000000，阈值T3＝0.2，a1＝2，a2＝8，a3＝16，a4＝1，n＝5，m＝2，k＝2。在实际应用中，可根据不同的场景灵活确定，本发明不做限定。

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，需要重新调整载物台或者显微镜主体方可重新成像清晰，而且载物台移动的范围是有限的，这种显微镜在被测目标较大，大小超过了其可控范围时，将会导致无论载物台如何移动都无法实现正确聚焦；此外，由于被测物体的大小预先不可知，往往会导致调焦或者聚焦的时间过长。

如图3和图4所示，该实施例区别于传统显微镜的是工作距w是可变的，根据光学成像公式3可知，f是固定的，像距v是可变的(从v到v')，n是常量，因此工作距w是可变的(从w到w')。这也就意味着无论被测物体的高度如何改变，都能够通过数字显微镜内部的主控单元执行聚焦搜索算法自动控制聚焦镜片组移动以相应的改变像距(从v到v')使成像清晰，无需预先知道物体成像清晰的大致位置。

同理，根据实施例一中提供的数字显微镜结构，操作人员可以手动移动载物台，改变工作距(从w到w')，而数字显微镜内部的主控单元24通过运行聚焦搜索算法后，自动控制聚焦镜片组22b的移动来改变像距(从v到v')，从而实现自动聚焦。特别注意的是，移动载物台1不是用来聚焦，而是用户根据被测物体的大小，改变工作距w，使目标物体成像后得到一个合适的大小。

实施例三

本发明所要解决的第三个技术问题所采取的实施方式如下所示：

传统的显微镜，由于工作距w是不变的，要保证在变倍的过程中显示图像始终清晰，必须保持焦距f与像距v能够依据焦距f与像距v之间的变化关系曲线，同时进行改变。但传统显微镜由于受到工作距固定以及调节机构的限制，实际输出图像的清晰度受到很大影响。

本发明该实施例区别于传统显微镜，该实施例的工作距w是可变的，在任一工作距下都能够实现在变倍过程中，输出图像始终清晰。如图6所示，在变倍的过程中主控单元24向镜头22中的变焦马达22c发送驱动信号，以控制变焦镜片组22a和聚焦镜片组22b能够按照图13所示的焦距f、像距v、工作距w变化关系图同时进行移动，并通过算法实时调整修正聚焦镜片组22b的位置，使保持在整个变倍的过程中图像始终清晰。该实施例中的数字显微镜区别于传统显微镜需要一个凸轮机构来实现变倍过程中能够聚焦，该实施例通过算法实现自动聚焦，精度很高，而且可以实现任一工作距下的变倍操作。实施例三的显微镜结构如图6所示，基于实施例一中的数字显微镜结构，实施例三在显微镜内部增加了相应的实现变焦的控制单元和变焦镜片组，以下就将与实施例一中不同之处详细描述，相同的地方请参考实施例一，此处不再赘述：

实施例三中在镜头22中增加了变焦镜片组22a和变焦马达22c，变焦马达22c用于接收主控单元24发送的变焦驱动信号，并控制变焦镜片组22a移动；此外，镜片组位置检测单元22e还用于检测变焦镜片组22a的位置，并将变焦镜片组的位置信息反馈给变焦算法单元247d；

相比于实施例一，实施例三中的主控单元24还接收接口单元25中发送的变焦控制信号，使其能够在外部变焦控制信号的触发下，通过运行变焦跟踪算法，以使得主控单元24向镜头22中发送驱动信号，以控制变焦镜片组22a和聚焦镜片组22b的移动，以通过改变像距和焦距的方式使显微镜在变倍的时能自动聚焦；

相比实施例一，主控单元24还包括：

人机交互单元247a，用于接收接口单元25发送的外部变焦控制信号，并控制变焦算法单元247d执行变焦跟踪算法；

变焦算法单元247d，用于执行变焦跟踪算法，并向马达控制单元247f发送控制信号，以使在运行变焦跟踪算法过程中，变焦镜片组22a和聚焦镜片组22b能够移动以实现变倍时自动聚焦；

变焦跟踪算法如图13所示(焦距f、像距v及工作距w三者之间的关系曲线)，在变倍的过程中同时控制聚焦镜片组和变焦镜片组的移动，通过变焦跟踪算法实时调整和修正聚焦镜片组22b的位置，使得在整个变倍的过程中图像始终保持清晰，当目标放大到合适的倍率后，停止变倍操作。

马达控制单元247f，还用于将变焦算法单元247d输出的马达控制信号转换成马达驱动电路所需驱动信号，并向变焦马达驱动电路244发送变焦驱动信号；

变焦马达驱动电路244，接收马达控制单元247f发送的变焦驱动信号，并向变焦马达22c发送驱动信号，以使变焦马达22c能够控制变焦镜片组22a的移动。

在实施例三的数字显微镜中，首先在载物台1上放置被测目标，固定载物台1和显微镜(其目的是为了固定工作距w)，在变倍前通过实施例一或者实施例二提出的自动聚焦方法实现对被测目标的自动聚焦，使目标物体成清晰像。

在实施例三中，在接口单元25上连接微型的控制按键以向接口单元25发送变焦控制信号，或在接口单元25上连接外部控制设备或键盘，向接口单元25发送变焦控制信号，接口单元25将得到的变焦控制信号传送给人机交互单元247a。

本实施例三中，在变倍完成后，通过实施例一或实施例二提出的自动聚焦方法能够实现对被测物体的更精确的自动聚焦，确保目标物体成像在最清晰的位置。

根据实施例三提供的数字显微镜的结构,解决本发明中提出的第三个技术问题时，采用下述的变倍方法，该方法中倍率和工作距都可变，且在变倍的同时完成自动聚焦，实现了全程变倍跟踪，图像清晰。与传统显微镜的变倍方式不同，该实施例的工作距w是可变的，在任一工作距下都能够实现变倍。在变倍的过程中通过主控单元24向镜头22发送驱动信号，以使聚焦马达22d和变焦马达22c控制变焦镜片组22a和聚焦镜片组22b的移动，且移动时按照图13所示关系曲线图进行移动，并通过运行聚焦跟踪算法实时调整和修正聚焦镜片组22b的位置，使在整个变倍的过程中图像能够始终清晰,具体实现方法如下所示:

首先按实施例一中的自动聚焦方法，找到物体成像清晰时的聚焦镜片组22b像距的位置，记录该初始聚焦镜片组22b像距的位置F_start(Z₀)和焦距Z₀，根据被测目标F_start(Z₀)的值的大小，从预先存储的相应于不同工作距下，像距v的位置与焦距Z对应的关系的理论曲线中(实施例三是7条理论曲线(A,B,C,D,E,F,G)，如图13所示)，选取紧邻F_start(Z₀)所在的离实际运行曲线最近的两条理论曲线作为上下边界曲线，上边界曲线记做F_near(Z)，下边界曲线记做F_far(Z)，根据如下公式(4)自动计算实际聚焦镜片组22b、变焦镜片组22a运行的轨迹，实际变焦曲线与理论曲线关系图如图14所示。

$F_{\mathrm{dest}}\left(Z\right)=\frac{F_{\mathrm{start}}\left(Z_0\right)-F_{\mathrm{far}}\left(Z_0\right)}{F_{\mathrm{near}}\left(Z_0\right)-F_{\mathrm{far}}\left(Z_0\right)}*(F_{\mathrm{near}}\left(Z\right)-F_{\mathrm{far}}\left(Z\right))$ 公式(4)

其中，F_dest(Z)表示聚焦镜片组22b相应于焦距为Z时，聚焦镜片组22b的位置，F_start(Z₀)表示聚焦镜片组22b相应于焦距在初始Z₀时，聚焦镜片组22b按实际运行曲线的初始位置，F_near(Z₀)表示焦距在Z₀时，离实际运行曲线最近的上边界理论曲线F_near(Z)表征的聚焦镜片组所在的位置；F_far(Z₀)表示焦距在Z₀时，离实际运行曲线最近的下边界理论曲线F_far(Z)表征的聚焦镜片组所在的位置；F_near(Z)表示位置相应于焦距在Z处离实际运行曲线最近的上边界理论曲线表征的聚焦镜片组所在的位置；F_far(Z)表示位置相应于焦距在Z处离实际运行曲线最近的下边界理论曲线的表征的聚焦镜片组所在的位置；

在图8所示的数字显微镜系统结构中，实施例三提供是一种倍率和工作距都可变的自动聚焦方法，具体实施步骤如下所示：

步骤E1：数字显微镜启动前的准备工作，载物台1上放置观测目标，固定载物台1和显微镜主体2，连接显示屏4；

如果需要调整工作距，则手段调节载物台1或者显微镜2的高度；

步骤E2：按照实施例一的自动聚焦方法实现被测目标的自动聚焦，使目标物体成清晰像；

步骤E3：记录下当前聚焦镜片组22b的像距F_start(Z₀)和焦距Z₀；

步骤E4：通过接口单元25上的按键板257或者外接键盘3控制显微镜变倍；

步骤E5：ARM处理器253把用户的按键操作“翻译”成显微镜可识别的命令并通过rs232接口252和rs232接口242传送到人机交互单元247a；

步骤E6：人机交互单元247a控制变焦算法单元247d运行变焦跟踪算法；

步骤E7：变焦算法单元247d根据公式(4)得到被测目标在焦距z下的像距F_dest(Z)；

步骤E8：变焦算法单元247d向马达控制单元247f发送马达控制信号。马达控制单元247f接收到控制信号后，向变焦马达驱动电路244和聚焦马达驱动电路245发送驱动信号。变焦马达驱动电路244接收到驱动信号后，控制变焦镜片组22a移动到位置z。同时聚焦马达驱动电路245接收到驱动信号后控制聚焦镜片组22b移动到位置F_dest(Z)，并通过算法实时调整修正聚焦镜片组22b的位置，使保持在整个变焦的过程中图像始终清晰；

步骤E9：变倍完成后，可以按照前述实施例一中提供的自动聚焦算法实现对被测目标的更精确的自动聚焦。

实施例四

本发明所要解决的第四个技术问题所采用的实施方式如下所示：

传统的显微镜照明是通过手动调节光源亮度来提高被测目标的亮度，在实际应用中，当周围环境变化和倍率改变时，镜头的通光量不停的发生改变，为了保证正确的自动聚焦，则需要不停的调节光源亮度，直到达到满意的效果。在这种情况下，手动调整辅助光源的亮度显然不可能。

如图7所示的数字显微镜结构，是在实施例一提供的数字显微镜结构的基础上，添加了辅助光源21以及相应的控制电路。类似的，实施例四的辅助光源及其控制电路也可与本发明实施例一、实施例二和实施例三组合以实现数字显微镜的自动亮度调节。实施例四根据被测目标和放大倍率的不同，曝光算法单元247b运行图像分析技术，自动调节光源的亮度，使图像效果始终保持最佳。

如图7所示，以下针对亮度调节的部分进行详细说明，与实施例一、实施例二和实施例三相同的部分，此处不再赘述。在实施例四中，主控单元24进一步包括：

曝光算法单元247b，根据图像数据处理单元246a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，计算出光源亮度调整信息。并向光源亮度控制单元247e发送光源控制信号；

光源亮度控制单元247e，接收曝光算法单元247b发送的光源控制信号，并向光源亮度调节电路243发送调节信号；

光源亮度调节电路243，接收光源亮度控制单元247e发送的调节信号，并向辅助光源21发送控制信号，从而控制辅助光源21的亮度；

实施例四的数字显微镜还包括辅助光源，位于显微镜的镜头处，光源朝向被测目标。

通过实施例四提供的辅助光源及相应的控制电路，能够使显微镜在变倍和自动聚焦的过程中，显微镜实时的控制光源的亮度，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光源亮度，也可以设置为手动调节亮度。

如图8所示，在手动调节亮度的模式下，所不同的是需要通过接口单元25接入光源辅助控制单元，该光源辅助控制单元发送光源亮度调节信号，接口单元25接收到光源亮度调节信号后，向人机交互单元247a发送光源控制信号。人机交互单元247a调用曝光算法单元247b计算光源亮度调整信息,光源亮度控制单元247e根据得到的光源亮度调整信息，通过光源亮度调节电路243，调节辅助光源21的亮度。其中，辅助控制单元可用外接键盘实现，接口单元25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。

根据实施例四提供的数字显微镜原理结构，解决本发明中所要解决的第四个技术问题，其亮度自动调节流程如图15所示。

将辅助光源打开后，需要选择是自动调节亮度还是手动调节亮度。当选择自动调节亮度后，程序自动完成亮度调节，其具体通过以下步骤实现：

步骤F1：数字显微镜启动前的准备工作，将被观测目标放在载物台1上，固定载物台1和显微镜主体2，打开光源，连接显示单元；

步骤F2：设置光源控制模式为自动；

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246a读取并记录当前的图像亮度值Y；

步骤F5：曝光算法单元247b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。

在手动调节亮度的模式下，参考图8所示例的数字显微镜结构，具体手动亮度调节方法如下：

步骤G1：数字显微镜启动前的准备工作，将被观测目标放在载物台1上，固定载物台1和显微镜主体2，打开光源，连接显示单元；

步骤G2：设置光源控制模式为手动；

步骤G3：通过输出接口板25上的按键板257或者外接键盘3向ARM处理器253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253把按键信息翻译成显微镜能识别的指令，通过串口传送到人机交互单元247a；

步骤G5：人机交互单元247a调用曝光算法单元247b中的手动曝光算法，即亮度加、亮度减；

步骤G6：光源亮度调节单元247e根据亮度调节信息，通过光源亮度调节电路243，调节辅助光源21的亮度；

步骤G7：手动光源亮度调节完成。

实施例五

图8为实施例五的原来框图，其是由数字显微镜及外接设备组成。其中，实施例五的数字显微镜综合了实施例一、实施例二、实施例三和实施例四的自动聚焦、变焦及光源亮度调节等功能模块，并相应的介绍了某些功能模块的硬件实现，例如，该实施例五中将图像数据处理单元246a和聚焦值计算单元246b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。

实施例五提供的显微镜系统包括：载物台1、数字显微镜主体2、显示单元4，其中，数字显微镜主体2包括了辅助光源21、显微镜镜头22、sensor板23、主控单元24、输出接口单元25五个部分。

其中,显微镜镜头22包括聚焦(AF)镜片组22b、变焦(ZOOM)镜片组22a、变焦马达22c、聚焦马达22d、位置检测单元22e.位置检测单元22f；

主控单元24包括图像数据处理单元246a、聚焦值计算单元246b、曝光算法单元247b、聚焦算法单元247c、变焦算法单元247d、马达控制单元247f、变焦马达驱动单元244、聚焦马达驱动单元245、光源亮度控制单元247e、光源亮度调节单元243、人机交互单元247a；

其中，接口单元25包括：

视频信号转换单元256，将LVDS接口251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25，用于将视频输出信号输出给外部显示设备。

ARM处理器253，用于接收和识别，接口单元25中按键板257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254用于接收ARM处理器253和外部键盘3发送的控制信号，并向ARM处理器253和外部键盘3发送控制信号。

辅助光源21是用来解决被测物体亮度不够时增加进光量，降低图像噪声，本实施例辅助光源21可采用环形灯实现；

显微镜镜头22是用来成像，该镜头组的聚焦(AF)镜片组22b和变焦(ZOOM)镜片组22a，都可以在各自的马达(变焦马达22c，聚焦马达22d)的带动下自由移动，而且都带有各自的位置检测机构(位置检测单元22e.位置检测单元22f)，以便检测镜片组的位置，位置检测单元22e、位置检测单元22f，可分别用于检测变焦镜片组22a、聚焦镜片组22b的位置信息，显微镜镜头22在主控单元24的控制下，可以实现变倍、自动聚焦、亮度调节等多项功能；

sensor板23主要是一个图像传感器，它用来把光信号转换成图像信号，并把图像信号传送到主控单元24；

主控单元24是整个数字显微镜系统的核心部件，它主要用来实现数字显微镜镜头22的变焦，聚焦控制，以及辅助光源21的自动亮度调节，输出图像接口单元25，通过人机交互单元247a实现人机交互功能等；

输出接口单元25主要功能是把图像信号通过它(实施例五是通过低压差分信号LVDS接口251、视频信号转换单元256、HDMI接口255)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254、ARM处理器253、rs232接口252)将主控单元24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。

虽然本发明实施例五使用rs232接口242及rs232接口252，来实现人机交互单元247a与接口单元25之间的内部信号传输；使用LVDS接口241及LVDS接口251，来实现图像数据处理单元246a与接口单元25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，如rs232接口242的功能可合并到人机交互单元247a中实现，LVDS接口251的功能可合并到视频转换芯片中实现等。

在实施例五中，主控单元24中的图像数据处理单元246a、聚焦值计算单元246b即可通过DSP处理器246实现，也可通过其他编程器实现，主控单元板24中的人机交互单元247a，曝光算法单元247b，聚焦算法单元247c，变焦算法单元247d，光源亮度控制单元247e，马达控制单元247f可以由ARM处理器247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，将主控单元设置在数字显微镜主体外部，Sensor板的图像信号通过接口单元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如前述实施例的聚焦搜索算法、变焦跟踪算法，通过接口单元将马达控制信号输出给数字显微镜主体内部的马达驱动电路，通过马达驱动电路驱动聚焦马达、变焦马达，从而改变聚焦镜片组、变焦镜片组的位置，显微镜镜头中的位置检测单元通过接口单元将聚焦镜片组、变焦镜片组的位置反馈给外部主控设备中的主控单元。

综上所述，本发明通过一种创新的方式，把传统显微镜的变焦功能，自动聚焦功能，光源调节功能有机的结合在一起，而且实现了自动，智能，经济，而且操作简便。用户只需要接通电源，把被测物体放置在载物台上，然后通过zoom按键放大到一个合适的倍率，其它一切程序自动完成。免除了传统的对焦，切换物镜，调节光源等步骤，简单，方便。

Claims (21)

1.一种数字显微镜聚焦方法，其特征在于，

保持被测目标与显微镜主体的位置相对固定；

由主控单元控制显微镜主体内部的聚焦镜片组移动，通过调整像距使显微镜自动聚焦；

被测目标的图像数据通过显微镜主体内部的接口单元输出显示。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的调整像距，是指显微镜工作距固定不变，通过主控单元控制显微镜主体内部的聚焦镜片组移动，寻找像距，使显微镜自动聚焦。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的调整像距，是指显微镜工作距相对可变，通过主控单元控制显微镜主体内部的聚焦镜片组移动，改变像距，使显微镜自动聚焦。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的调整像距，是指显微镜工作距相对可变，在连续变倍过程中，通过主控单元控制显微镜主体内部的镜片组移动，改变像距，使显微镜自动聚焦，所述显微镜主体内部的镜片组包括聚焦镜片组、变焦镜片组。

5.如权利要求1至4任一项所述的方法，其特征在于，所述由主控单元控制显微镜主体内部的聚焦镜片组移动，通过调整像距使显微镜自动聚焦具体包括：

由主控单元执行聚焦搜索算法，通过聚焦搜索算法获得最佳聚焦值，所述聚焦搜索算法通过控制显微镜主体内部的聚焦马达，由聚焦马达驱动显微镜主体内部的聚焦镜片组移动，使聚焦镜片组在所述聚焦搜索算法的控制下移动到所述最佳聚焦值对应的位置。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述聚焦搜索算法包括粗聚焦搜索算法和细聚焦搜索算法：

所述粗聚焦搜索算法采用自适应步长，以大于细聚焦搜索算法所用步长的步长，搜寻最佳聚焦值所在区域范围，并驱动聚焦镜片组移动到所述最佳聚焦值所在区域范围内；

所述细聚焦搜索算法采用固定步长，在所述粗聚焦搜索算法所确定的最佳聚焦值所在区域范围内搜寻最佳聚焦值所在位置，并驱动聚焦镜片组移动到最佳聚焦值对应的位置。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述粗聚焦搜索算法和所述细聚焦搜索算法包括如下确定聚焦搜索算法所使用的聚焦值的步骤：

当显微镜主体内部的聚焦镜片组在聚焦搜索算法的控制下移动到某一搜索位置后，主控单元采集被测目标在显微镜主体内部的Sensor板上的图像数据；

将采集获得的图像数据分成多个子区域，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；

通过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进行聚焦搜索，以确定最佳聚焦值。

8.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：由主控单元控制显微镜主体内部的变焦镜片组和聚焦镜片组移动，通过改变焦距使显微镜变倍的步骤，具体为：

通过所述接口单元接收外部变焦控制信号；

主控单元根据外部变焦控制信号执行变焦跟踪算法，所述变焦跟踪算法通过控制显微镜主体内部的变焦马达和聚焦马达，由变焦马达和聚焦马达驱动显微镜主体内部的变焦镜片组和聚焦镜片组移动实现变焦，通过变焦跟踪算法保证变焦过程中图像始终保持清晰。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述变焦完成后，所述方法还包括：在所述变倍的步骤之后，所述主控单元再次执行聚焦搜索算法，再一次实施更精确的自动聚焦。

10.如权利要求1、2、3、4、8或9所述的方法，其特征在于，所述方法还包括自动调节光源亮度的步骤：

主控单元对采集的被测目标在显微镜主体内部的Sensor板上的成像数据进行处理后得到图像的亮度信息；

将得到的图像亮度信息与预设图像亮度信息进行比较，计算光源亮度调整信息；

所述主控单元依据所述光源亮度调整信息调整位于显微镜主体头部的辅助光源的亮度。

11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

通过接口单元接收外部输入的亮度调节信号并传送给主控单元；

主控单元还用于根据外部输入的亮度调节信号，实现手动调节辅助光源亮度。

12.一种数字显微镜，其特征在于，该数字显微镜包括：

镜头，其中包括聚焦镜片组、聚焦马达及镜片组位置检测单元；所述聚焦马达用于在主控单元的控制下驱动聚焦镜片组移动；所述镜片组位置检测单元用于检测聚焦镜片组的位置，并将聚焦镜片组的位置信息反馈给主控单元；

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；

主控单元，用于在被测目标与显微镜主体的位置保持相对固定时，对图像信号进行处理，通过运行聚焦搜索算法来控制所述聚焦马达以驱动所述聚焦镜片组移动，通过调整像距使显微镜自动聚焦；

接口单元，用于将被测目标的图像数据输出。

13.如权利要求12所述的数字显微镜，其特征在于，

所述主控单元通过调整像距使显微镜自动聚焦具体为：显微镜工作距固定不变，所述主控单元控制显微镜主体内部的聚焦镜片组移动，寻找像距，使显微镜自动聚焦。

14.如权利要求12所述的数字显微镜，其特征在于，

所述主控单元通过调整像距使显微镜自动聚焦具体为：显微镜工作距相对可变，所述主控单元控制显微镜主体内部的聚焦镜片组移动，改变像距，使显微镜自动聚焦。

15.如权利要求12至14任一项所述的数字显微镜，其特征在于，所述主控单元包括：

图像数据处理单元，用于对Sensor板的图像信号进行采集和处理，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，用于接收镜片组位置检测单元所反馈的聚焦镜片组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聚焦镜片组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聚焦马达驱动电路；

聚焦马达驱动电路，用于根据马达控制单元的驱动信号来驱动聚焦马达，以使聚焦镜片组移动到最佳聚焦值对应的位置。

16.如权利要求15所述的数字显微镜，其特征在于，所述聚焦算法单元包括：

粗聚焦算法子单元，用于采用自适应步长，以大于细聚焦搜索算法所用步长的步长，搜寻最佳聚焦值所在区域范围，并通过控制马达控制单元驱动聚焦镜片组移动到所述最佳聚焦值所在区域范围内；

细聚焦算法子单元，用于采用固定步长，在粗聚焦搜索算法所确定的最佳聚焦值所在区域范围内搜寻最佳聚焦值所在位置，并通过控制马达控制单元驱动聚焦镜片组移动到最佳聚焦值对应的位置。

17.如权利要求16所述的数字显微镜，其特征在于，

所述图像数据处理单元还用于将图像数据分成多个子区域；

所述聚焦值计算单元具体用于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，用于通过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进行聚焦搜索，以确定最佳聚焦值。

18.如权利要求15所述的数字显微镜，其特征在于，

所述镜头还包括，变焦镜片组和变焦马达，所述变焦马达用于在主控单元的控制下驱动变焦镜片组移动；

所述镜片组位置检测单元，还用于检测变焦镜片组的位置，并将变焦镜片组的位置信息反馈给主控单元；

所述主控单元通过调整像距使显微镜自动聚焦具体为：显微镜工作距相对可变，在连续变倍过程中，所述主控单元控制显微镜主体内部的镜片组移动，改变像距，使显微镜自动聚焦，所述显微镜主体内部的镜片组包括聚焦镜片组、变焦镜片组。

19.如权利要求18所述的数字显微镜，其特征在于，

所述主控单元还用于通过接口单元接收外部变焦控制信号，在外部变焦控制信号的触发下，通过运行变焦跟踪算法来驱动变焦马达以控制变焦镜片组的移动,使显微镜变倍；

所述主控单元进一步包括：

人机交互单元，用于从接口单元接收外部变焦控制信号；

变焦算法单元，用于接收镜片组位置检测单元反馈的变焦镜片组和聚焦镜片组的位置信号及变焦控制信号，执行变焦跟踪算法，所述变焦跟踪算法产生马达控制信号给马达控制单元，在变焦跟踪算法的控制下使变焦镜片组和聚焦镜片组移动实现变倍；

变焦马达驱动电路，用于根据马达控制单元的驱动信号来驱动变焦马达，以使得变焦马达来驱动变焦镜片组移动；

所述马达控制单元还用于将变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变焦马达驱动电路。

20.如权利要求12、13、14、18或19所述的数字显微镜，其特征在于，所述主控单元包括：

曝光算法单元，用于根据图像数据处理单元输出的图像数据计算图像的亮度信息；并将得到的图像亮度信息与预设图像亮度信息进行比较，计算光源亮度调整信息；

光源亮度控制单元，用于根据所述光源亮度调整信息输出光源亮度控制信号给光源亮度调节电路；

光源亮度调节电路，用于根据所述光源亮度控制信号调节输出到辅助光源的电量，从而调节辅助光源的亮度；

所述显微镜主体还包括，辅助光源，位于显微镜的镜头朝向被测目标的一侧。

21.如权利要求20所述的数字显微镜，其特征在于，

所述接口单元还与曝光算法单元连接，将接收到的外部输入的光源亮度调节信号传送给主控单元内的曝光算法单元；

所述曝光算法单元根据图像数据处理单元输出的图像数据计算图像的亮度信息，将得到的图像亮度信息与光源亮度调节信号所要调节到的图像亮度信息进行比较，计算光源亮度调整信息并将光源亮度调整信息输出给光源亮度控制单元，实现手动调节辅助光源亮度。