光學(xué)顯微鏡光電自動(dòng)調(diào)焦技術(shù)

自動(dòng)調(diào)焦技術(shù)主要應(yīng)用于高檔實(shí)驗(yàn)室和研究型(或特殊類型)光學(xué)顯微鏡中。光學(xué)顯微鏡光電自動(dòng)調(diào)焦技術(shù)的實(shí)質(zhì)是光電子學(xué)技術(shù)、激光技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)、自動(dòng)控制與傳動(dòng)技術(shù)的集成，也是光學(xué)顯微鏡智能化、自動(dòng)化要求的結(jié)果，它具有快速響應(yīng)，準(zhǔn)確無(wú)誤的優(yōu)點(diǎn);能動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)地提高顯微鏡圖像的清晰度，為信息儲(chǔ)存和處理創(chuàng)造有利的前提，伴隨著自動(dòng)調(diào)焦技術(shù)的發(fā)展與普及，將促進(jìn)光學(xué)顯微鏡的產(chǎn)品質(zhì)量與水平。

1.光電自動(dòng)調(diào)焦原理

自動(dòng)調(diào)焦技術(shù)包括軸向定位(調(diào)焦)和伺服運(yùn)動(dòng)兩大部分，而軸向定位是核心。離焦的實(shí)質(zhì)是顯微鏡物距沒(méi)有找正或在活體觀測(cè)時(shí)因活體被觀測(cè)面的抖動(dòng)產(chǎn)生物距的變化。要實(shí)施自動(dòng)調(diào)焦，先要利用離焦檢測(cè)，快速、動(dòng)態(tài)地進(jìn)行離焦識(shí)別，通過(guò)離焦信號(hào)控制伺服系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)快速響應(yīng)，自動(dòng)補(bǔ)償其離焦量。現(xiàn)代光學(xué)儀器實(shí)現(xiàn)離焦常用檢測(cè)方法有二：一是用計(jì)算機(jī)處理視頻圖像，獲取離焦信息;二是用光電法測(cè)量物距，提取離焦信號(hào)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)選用壓電陶瓷或步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。當(dāng)然還出現(xiàn)了不少特殊類型的自動(dòng)調(diào)焦方式，正所謂“八仙過(guò)海，各顯其能”。

2.有限筒長(zhǎng)顯微鏡的自動(dòng)調(diào)焦

顯微圖像邊緣信號(hào)計(jì)算機(jī)檢測(cè)自動(dòng)調(diào)焦方式(“CCD+PC”)。本裝置利用視頻信號(hào)，根據(jù)圖像灰度梯度變化判別其離焦，離焦信號(hào)反饋到步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路上，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)使顯微鏡本體連同CCD移動(dòng)(也可驅(qū)動(dòng)載物臺(tái))，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)焦。

該裝置如圖1所示，它源于“手動(dòng)粗調(diào)+CCD、計(jì)算機(jī)自動(dòng)微調(diào)”的思路。本裝置有意識(shí)地使顯微圖像沒(méi)有完全充滿CCD光靶，這樣就可以把整個(gè)圖像邊緣的清晰程度按離焦判別函數(shù)進(jìn)行計(jì)算。它的特點(diǎn)是直接從圖像信`患判斷離焦信號(hào)，而采用邊緣像檢測(cè)的信息處理量較少，因而調(diào)焦迅速，且自動(dòng)調(diào)焦范圍較小。

圖1 顯微圖像邊緣信號(hào)計(jì)算機(jī)檢測(cè)自動(dòng)調(diào)焦

為了達(dá)到快速聚焦的目的，選用判斷函數(shù)為：

式中，Xi,j是M行N列像素陣列中第i列第j列所對(duì)應(yīng)的光強(qiáng)度，列入平方項(xiàng)的作用是提高信噪比并使判別函數(shù)具有非負(fù)性。顯然，離焦判別函數(shù)反映了相鄰像素的反差。f(X)與離焦量AZ的關(guān)系如圖2所示，依據(jù)f(X)有兩個(gè)方案實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)焦：

①求斜率為0處(由于干擾，難以得到斜率為0);

②極值判別找出f(X)最大值，鎖定電動(dòng)機(jī)。該裝置選用后一種辦法。

圖2 離焦曲線

離焦判別的重點(diǎn)是對(duì)圖像邊緣的檢測(cè)，因?yàn)殡x焦時(shí)邊緣灰度梯度變化較大，比其他部分有更大的權(quán)重，邊緣檢測(cè)是提取那些周圍像素灰度有階變化或?qū)禹敔钭兓袼氐募希幱谶吘墐蓚?cè)的點(diǎn)圖像灰度值將發(fā)生急劇的變化。對(duì)于階躍狀邊緣數(shù)字圖像{g(x,y)}的每個(gè)像素，取它關(guān)于X軸方向和y軸方向的階差之和：

這種算法適用于圓孔邊緣圖像離焦檢測(cè)。按此判別函數(shù)編寫的自動(dòng)調(diào)焦控制程序，自動(dòng)跟蹤調(diào)焦精度≤±2μm。