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      3. 【自有技術大講堂】顯微鏡自動聚焦技術概述

        網站首頁    行業信息    【自有技術大講堂】顯微鏡自動聚焦技術概述

         

        一、引言

         

        隨著工業自動化的飛速發展,機器視覺逐漸開始在生產和檢測中取代傳統的人眼。對于機器視覺系統而言,聚焦是核心的問題,如果焦距沒有調整好,拍攝出來的圖像是模糊的,后續的工作自然無從談起。在顯微鏡下,這個問題更加嚴峻,由于物鏡的景深很小,對調節的精度也提出了新的要求。因此,如何高速準確的聚焦是機器視覺領域的重點問題,而自動聚焦技術正是解決這問題的關鍵技術。

         

        二、原理

         

        在半導體、生物等高精密領域,經常需要用到較高倍率的顯微鏡進行檢測等工作。傳統的顯微鏡通過手動調焦,這對人員的專業操作能力有較高的要求,人員也無法長時間保持高度集中的狀態,整體的效率較差。而自動聚焦顯微鏡的操作比較簡單,效率也相對較高,但成本會有不少的提高,且準確度也會因為不同的對焦方法而有波動。

         

        從原理上來說,自動聚焦可分為2類,被動式和主動式。

         

        1  被動聚焦

         

        被動式自動聚焦基于數字圖像處理,對取得的圖像進行一系列分析來幫助完成聚焦,又可分為對焦深度法和離焦深度法。被動聚焦是目前應用最廣泛的聚焦方式,它成本低,功耗小,算法靈活易于控制,但相對來說聚焦耗費的時間較長,且對圖像的質量有較高的要求。

         

        1.1 對焦深度法

         

        在焦點的附近采集一系列圖像,并對每幀圖像進行分析,通過圖像的清晰度變化來實現自動對焦,其中的重點圖像的清晰度評價函數與對焦搜索算法。圖像的清晰度評價函數應具有無偏性、單峰性、信噪比高、計量數小、靈敏度高等特點,常用的有灰度梯度函數、頻譜函數、熵函數等。而對焦搜索算法應具有較快的搜索速度和較強的抗干擾能力,典型算法有爬山搜索法、Fibonacci搜索法和函數逼近法。

         

        簡單以爬山法舉例而言,系統在焦點附近區域,沿著一個方向移動并且不停的拍照,同時分析每張圖的清晰度評價函數,直到越過評價函數峰值,小步長,改變方向,繼續運動到峰值,重復上述過程直到滿足精度要求。

         

        1.2 離焦深度法

         

        焦分析法區別于對焦深度法,僅需采集2-3幀圖像,通過直接分析圖像得到焦信息來完成自動聚焦。該方法需要建立光學系統的離焦模型,確認離焦圖像的模糊情況,從而得到深度信息。

         

        綜上所述,被動聚焦都需要對實際圖像進行算法分析,而顯微鏡一般都使用面陣相機來取圖,圖像的信息較多,算法處理起來耗時較長,因此總體的聚焦耗時較長,另外被動聚焦的準確性僅受圖像清晰度和算法影響,對樣品本身的特性沒有特別的要求。

         

        2  主動聚焦

         

        主動式自動聚焦指的是針對自動聚焦功能系統的硬件進行一些改動,例如直接添加激光測距模塊,或者使用離焦誤差測量技術對系統進行改進。主動聚焦調節比較麻煩,成本也較高,但效率較高的提升。

         

        2.1 激光測距模塊

         

        在光學系統外或內部安裝激光測距模塊,直接通過模塊測量出整個光學系統的工作距離,從而幫助對焦。對于顯微鏡系統而言,激光測距的精度較低,只能在低倍率下使用。

         

        2.2 離焦誤差測量技術

         

                離焦誤差測量技術主要基于光電檢測器,通過對系統內部光路進行微調,將光學系統的離焦量通過光電信號轉換出來。具體方法傅科刀口法,臨界角法,偏心光束法,像散法等,其響應速度較快,但組裝和調試都非常麻煩。

         

        相較于被動聚焦,主動聚焦不需要直接分析圖像,因此效率得到了較大的提升。但其需要對系統加裝新的傳感器,這對系統的安裝調試提出了新的要求,的精度也基于原理有較大的差異。另外,由于分析的信號是樣品反射回來的光學信號,因此樣品的形貌和反射率等也會對主動聚焦的性能造成影響。

         

        三、結論

         

        上述提到的自動聚焦方式在實際的應用中各有利弊,具體可參考下表。對于工業領域而言,主動聚焦的高速性能是最大的優勢。高速、準確,并且調試簡單的主動聚焦方案,是今后的主要發展方向。

         

         

        參考文獻

        [1]田畔, 谷朝臣, 胡潔,. 顯微鏡自動對焦方法研究綜述[C]// 上海交通大學博士生學術論壇——機械百年智能制造智造中國學術論壇. 2013.

         

        [2]馮華君, 李奇, 徐之海. 數字成像中的自動對焦技術[C]// 先生九十華誕文集暨中國光學學會2004年學術大會論文集. 2004.

        2022年5月18日 09:45
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