光學(xué)顯微鏡自動對焦裝置設(shè)計與實(shí)現(xiàn)*

劉 陽，陳 瑾，朱向冰，王元航，李矞輝

(安徽師范大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院，安徽 蕪湖 241000)

光學(xué)顯微鏡自動對焦裝置設(shè)計與實(shí)現(xiàn)*

劉 陽，陳 瑾，朱向冰，王元航，李矞輝

(安徽師范大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院，安徽 蕪湖 241000)

隨著自動對焦技術(shù)的各種理論和方法飛速發(fā)展，該技術(shù)越來越多地應(yīng)用于各種成像系統(tǒng)。但是，其在一些顯微成像領(lǐng)域中的實(shí)際應(yīng)用并不成熟，仍然需要進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)和研究。在對圖像自動對焦方法理論研究的基礎(chǔ)上，利用CCD傳感器、STM32F429單片機(jī)、ADA4861運(yùn)算放大器和步進(jìn)電機(jī)等器件，設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了一種在光學(xué)顯微鏡上應(yīng)用的自動對焦裝置。

自動對焦；爬山搜索算法；CCD傳感器；光學(xué)顯微鏡

0 引言

自動對焦技術(shù)是計算機(jī)視覺、成像系統(tǒng)和各種精密儀器中的關(guān)鍵技術(shù)之一[1]，但是該技術(shù)在顯微成像領(lǐng)域中的實(shí)際應(yīng)用并不成熟，特別是在與光學(xué)顯微鏡配套的自動對焦裝置中的應(yīng)用。本文在對顯微成像原理以及自動對焦方法的理論研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了一種在光學(xué)顯微鏡上應(yīng)用的自動對焦裝置。該裝置基于STM32F429單片機(jī)和CCD傳感器，由CCD傳感器輸出的PAL視頻信號通過模擬濾波后作為顯微圖像對焦的評價標(biāo)準(zhǔn)，基于改進(jìn)后的爬山搜索算法控制由步進(jìn)電機(jī)構(gòu)成的執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行對焦操作，從而完成對焦過程。實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果證明該裝置穩(wěn)定、有效地完成了設(shè)計目的和要求，可以用于生物以及工業(yè)光學(xué)顯微鏡的顯微圖像實(shí)時自動采集。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計

光學(xué)顯微鏡自動對焦裝置是在光學(xué)顯微鏡以不同的放大倍數(shù)觀察不同厚度、不同高度的顯微圖像時，自動控制顯微鏡的準(zhǔn)焦螺旋進(jìn)行自動對焦的裝置。該裝置在避免了人工對焦所產(chǎn)生的誤差的同時，提高了工業(yè)生產(chǎn)線以及實(shí)驗(yàn)室研究人員的工作效率。

如圖1所示，本文所設(shè)計的光學(xué)顯微鏡自動對焦裝置通過CCD傳感器對光學(xué)顯微鏡鏡頭下的顯微圖像進(jìn)行采集，通過有源濾波器將采集到的視頻信號進(jìn)行模擬濾波，提取出其中的中頻分量和高頻分量，進(jìn)行積分后成為電壓值，將此分別作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)粗調(diào)和細(xì)調(diào)的對焦質(zhì)量和離焦程度的評價標(biāo)準(zhǔn)，通過ADC轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號傳輸給STM32F429微處理器，STM32F429微處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后控制對焦執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)焦，從而實(shí)現(xiàn)對焦的設(shè)計目的。

圖1 光學(xué)顯微鏡自動對焦裝置的基本框架

2 硬件設(shè)計

2.1CCD傳感器的選擇

電荷耦合器件(Charge Couple Device,CCD)是一種以電荷為信號載體的微型圖像傳感器,具有光電轉(zhuǎn)換和信號電荷存儲、轉(zhuǎn)移及讀出的功能,其輸出信號通常是符合電視標(biāo)準(zhǔn)的視頻信號,可存儲于適當(dāng)?shù)慕橘|(zhì)或輸入計算機(jī),便于進(jìn)行圖像存儲、增強(qiáng)、識別等處理[2]。本裝置在對光學(xué)顯微鏡視場下的圖像進(jìn)行采集時，所使用的傳感器就是CCD傳感器，但是由于顯微圖像具有亮度低、清晰度高的特點(diǎn)，這對CCD傳感器的有效像素和最低成像照度提出了更高的要求，所以本文選擇了一款超低照度CCD傳感器，它以ICX673AKA為感光元件，配合專用的DSP芯片進(jìn)行圖像的采集，像面尺寸為1/3英寸，有效像素為976×582，最低照度為0.005 Lux，輸出PAL制式的視頻信號，可以滿足本設(shè)計的需求。

2.2濾波器的設(shè)計

濾波器的設(shè)計是本裝置的設(shè)計難點(diǎn)。離焦的圖像會不清晰，而在頻域上的表現(xiàn)就是信號高頻分量的減少，離焦程度越重，信號的高頻分量越弱。因此，可以將高頻成份的強(qiáng)弱作為評價對焦程度的標(biāo)準(zhǔn)。本裝置所采用的CCD傳感器輸出的PAL視頻信號的頻帶寬度為0～6 MHz，更高的頻帶為信號在傳輸過程中所產(chǎn)生的高頻噪聲信號。需要設(shè)計一個能讓圖像中的高頻部分通過，而又濾掉噪聲的濾波器[3]。同時本裝置所采用的CCD傳感器輸出的原始視頻信號強(qiáng)度也很微弱，其輸出電壓峰峰值只有幾百毫伏，濾波器在實(shí)際的濾波過程中對信號也有衰減作用，衰減后的視頻信號就更加的微弱了。因此，濾波器設(shè)計的好壞直接決定了本設(shè)計的對焦質(zhì)量。

本設(shè)計采用了如圖2所示的多路反饋帶通濾波器[4-5]，選用了高速運(yùn)算放大器ADA4861-3來搭建濾波器，ADA4861-3是一款低成本、高速、電流反饋型、三通道運(yùn)算放大器[6]，其-3 dB帶寬為750 MHz，壓擺率為625 μV，0.5%建立時間為13 ns，具有出色的整體性能，可以很好地滿足濾波器在設(shè)計頻帶對運(yùn)算放大器的各項(xiàng)性能要求。在設(shè)計濾波器時借助TI的一款濾波器輔助設(shè)計軟件FilterPro進(jìn)行了性能仿真和參數(shù)優(yōu)化，最終確定了幾組參數(shù)，經(jīng)過裝機(jī)一一測試其在本裝置調(diào)焦時的性能。經(jīng)過實(shí)際測試發(fā)現(xiàn)，將濾波器的中心頻率設(shè)置在2.25 MHz、帶寬設(shè)置為0.75 MHz，可以在大步進(jìn)調(diào)焦時達(dá)到理想的調(diào)焦效果，而精密調(diào)節(jié)則需要將濾波器的中心頻率設(shè)置在3 MHz，帶寬為1 MHz。

圖2 多路反饋帶通濾波器

2.3步進(jìn)電機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)

由于光學(xué)顯微鏡的調(diào)焦螺旋具有很高的靈敏度，在對焦時需要執(zhí)行機(jī)構(gòu)具有較高的精度和較快的響應(yīng)速度，所以對本設(shè)計調(diào)焦執(zhí)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動電機(jī)應(yīng)采用步進(jìn)電機(jī)，每輸入一個脈沖，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)動一步[7]。其具有控制簡便、可以直接進(jìn)行開環(huán)控制、高可靠性、具有定位保持力矩、中低速時具備高轉(zhuǎn)矩的特點(diǎn)[8-9]。

本設(shè)計采用四相五線步進(jìn)電機(jī)28BYJ-48，其減速比為1/64，步距角為5.625°/64，其調(diào)節(jié)精度高，響應(yīng)速度快，可以滿足需求。

在本裝置中，用兩個步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動代替?zhèn)鹘y(tǒng)的粗準(zhǔn)焦和細(xì)準(zhǔn)焦螺旋的轉(zhuǎn)動，有效地避免了在這一操作中人工調(diào)節(jié)的自然抖動所造成的誤差。為了避免在對焦過程中由于步進(jìn)電機(jī)的調(diào)節(jié)范圍過大，導(dǎo)致顯微鏡的物鏡壓在觀察的樣本上，造成樣本與顯微鏡的損壞，在程序算法上，將步進(jìn)電機(jī)所能轉(zhuǎn)過的步距角設(shè)定在一定的范圍內(nèi)，而在硬件上，還在電路中添加了位置傳感器。

3 爬山搜索算法及其改進(jìn)

爬山算法是一種局部擇優(yōu)的方法，它是從當(dāng)前的節(jié)點(diǎn)開始，和周圍的鄰居節(jié)點(diǎn)的值進(jìn)行比較。 如果當(dāng)前節(jié)點(diǎn)是最大的，那么返回當(dāng)前節(jié)點(diǎn)，作為最大值；反之就用最高的鄰居節(jié)點(diǎn)來替換當(dāng)前節(jié)點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)向山峰的高處攀爬的目的，如此循環(huán)直到達(dá)到最高點(diǎn)[10]，如圖3。

圖3 傳統(tǒng)的爬山算法示意圖

普通的爬山算法簡單易行，對于對焦評價函數(shù)曲線較好的情況效果很好，是自動對焦系統(tǒng)中的一種常用算法[11]。但是在實(shí)際測試中發(fā)現(xiàn)，由于顯微圖像亮度較暗，調(diào)焦過程中由于視場內(nèi)光線變化等原因，在對焦曲線上會出現(xiàn)一些局部峰值，普通的爬山算法并不能很好地對顯微圖像進(jìn)行對焦。普通的爬山算法在對焦時，經(jīng)常將由噪聲或光線變化在對焦曲線上形成的一個“局部峰”作為真正的對焦曲線的“主峰”，指導(dǎo)對焦的執(zhí)行機(jī)構(gòu)誤操作，使得對焦失敗。

因此本設(shè)計在普通的爬山算法的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，提出了一種優(yōu)化的爬山算法：首先用大步長對整個對焦曲線進(jìn)行遍歷，找到“主峰”的大致位置，然后再小步長從“主峰”左側(cè)的若干個點(diǎn)開始，對“主峰”進(jìn)行“爬山”，最終確定到對焦曲線上圖像最清晰的一個點(diǎn)。通過這種優(yōu)化的處理方法，可以有效地避免對焦曲線上局部峰值對對焦操作的干擾，進(jìn)而造成誤判斷，同時合理地設(shè)置步長，也提高了對焦的速度，準(zhǔn)確可靠地實(shí)現(xiàn)了對焦。其示意圖如圖4所示。

圖4 優(yōu)化的爬山算法示意圖

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與結(jié)果分析

完成了上述整套設(shè)計制作后，將對焦裝置在光學(xué)顯微鏡上進(jìn)行了測試，通過測試裝置的對焦時間和對焦成功率來判斷整套系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。

對于系統(tǒng)對焦時間的測試，在本實(shí)驗(yàn)中，記錄裝置分別使用4倍、10倍和40倍物鏡觀察植物標(biāo)本，在不同離焦位移下成功對焦所需要的時間，其測試結(jié)果如表1所示。只有當(dāng)裝置具有優(yōu)良的穩(wěn)定性，在一定的失焦范圍內(nèi)都可以穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)對焦功能時，這個裝置才有可能投入生產(chǎn)和應(yīng)用。在表2中，對裝置在4倍、10倍和40倍物鏡下觀察植物標(biāo)本進(jìn)行了穩(wěn)定性測試。

表1 對焦裝置在不同情況下的對焦時間(單位：s)

表2 對焦裝置穩(wěn)定性測試

本裝置在快速穩(wěn)定地對各種程度的失焦圖像進(jìn)行重新對焦的同時，也會極少地出現(xiàn)對焦失敗的情況。造成這種現(xiàn)象可能有如下幾種原因：(1)圖像在對焦時光線變化劇烈，導(dǎo)致系統(tǒng)的對焦曲線改變，從而使系統(tǒng)對焦失敗；(2)在觀察樣本的載體(如蓋玻片、載玻片)上有污漬，系統(tǒng)錯誤地將污漬作為所要觀察的樣本，將焦點(diǎn)對焦在污漬上，從而造成了對焦的失敗；(3)所要觀察的樣品不在同一個高度平面上，改變了對焦曲線的原有特性，影響了對焦焦距的調(diào)節(jié)，從而也會導(dǎo)致對焦失敗。

對于第一種失敗原因，可以采取將CCD傳感器采集到的顯微圖像的亮度進(jìn)行歸一化處理，將亮度變化對圖像造成的影響降到最小。第二種失敗原因主要是因?yàn)閷箞?zhí)行機(jī)構(gòu)的調(diào)焦范圍過小，需要將調(diào)焦范圍做進(jìn)一步的精確調(diào)整。對于第三種原因，希望能夠從光學(xué)系統(tǒng)方面去改進(jìn)顯微鏡的成像質(zhì)量，使不同高度的圖像都能清晰成像。

5 結(jié)論

本文在對顯微成像原理與自動對焦方法的理論研究基礎(chǔ)上，為了完成顯微成像裝置自動對焦的各項(xiàng)要求，設(shè)計制作了這一裝置，并從硬件和算法兩個方面對該裝置進(jìn)行了優(yōu)化，在實(shí)現(xiàn)顯微圖像自動對焦功能的同時，還進(jìn)一步地提高了對焦的速度與準(zhǔn)確度。與此同時，本文也初步地對對焦失敗的幾種原因進(jìn)行了分析，為該設(shè)計的進(jìn)一步改進(jìn)提供了方向。

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The design and implementation of the optical microscope auto-focus mechanism

Liu Yang, Chen Jin, Zhu Xiangbing, Wang Yuanhang, Li Yuhui

(College of Physical and Electronic Information, Anhui Normal University, Wuhu 241000, China)

With the rapid development of the theory and methods of auto-focus technology, the technology is applied to all kinds of imaging system more frequently. However, its practical application in the field of some microscopic imaging is not mature, and still needs a lot of experiments and research. On the basis of theoretical study of image autofocus method, using the CCD sensor, STM32F429 microcontroller, ADA4861 operational amplifier and stepper motor device, an auto-focus device used in optical microscope is designed and implemented.

automatic focus; climbing the mountain search algorithm; the CCD sensor; optical microscope

TN911.73

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.19.025

劉陽，陳瑾，朱向冰，等.光學(xué)顯微鏡自動對焦裝置設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36(19)：87-89.

國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目(201610370016)；安徽師范大學(xué)本科生優(yōu)秀畢業(yè)論文培育計劃(pyjh2016275)；安徽省教育廳質(zhì)量工程項(xiàng)目(2015gxk011)

2017-04-03)

劉陽(1996-),男，本科在讀，主要研究方向：電路與系統(tǒng)。朱向冰(1973-)，通信作者，男，博士，教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向：顯示和照明技術(shù)。E-mail：zxbing@mail.ahnu.edu.cn。