[發(fā)明專利]基于激光光斑圖像自動聚焦的方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710749519.3
• 申請日: 2017-08-28
• 公開（公告）號: CN107390356A
• 公開（公告）日: 2017-11-24
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李春;周智飛;李智斌;何天應(yīng)
• 申請（專利權(quán)）人: 電子科技大學(xué)
• 主分類號: G02B21/24
• 分類號: G02B21/24;G02B21/36
• 代理公司: 成都正華專利代理事務(wù)所(普通合伙)51229
• 代理人: 李蕊

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于光學(xué)顯微鏡自動聚焦領(lǐng)域，具體涉及一種基于激光光斑圖像自動聚焦的方法。

背景技術(shù)

在顯微鏡成像時(shí)，由于物鏡焦深比較短的因素，在一點(diǎn)聚焦后，移動至其他點(diǎn)的過程中由于載物臺或樣品的水平性不好等原因，圖像會變得模糊。

為解決這一問題，普通的基于圖像灰度等聚焦方式由于其需要采集多幅圖像，算法復(fù)雜并且在不能根據(jù)一幅圖像就可以給出離焦的方向與距離。

因此考慮效率因素圖像灰度聚焦的方式在一些要求高速實(shí)時(shí)的系統(tǒng)中并不適用。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有技術(shù)中的上述不足，本發(fā)明提供一種基于激光光斑圖像自動聚焦的方法，可有效解決現(xiàn)有顯微鏡圖像聚焦方法復(fù)雜，且不能根據(jù)一幅圖像得出離焦方向與距離的問題。

一種基于激光光斑圖像自動聚焦的方法，包括以下步驟：

(1)采用激光擴(kuò)束器擴(kuò)束激光光束，并使擴(kuò)束后光束的發(fā)散角小于1.2mard；

(2)將擴(kuò)束后的光束光斑修正為半圓形，并使其正入射到顯微鏡的物鏡中，調(diào)整光路，使光斑圓心與物鏡通光孔的圓心重合；

(3)在顯微鏡內(nèi)設(shè)置有與處理終端連接的數(shù)字成像系統(tǒng)，處理終端將數(shù)字成像系統(tǒng)采集到的位于焦點(diǎn)處的樣品圖像轉(zhuǎn)化為二維矩陣，再將二維矩陣轉(zhuǎn)化為一維矩陣，濾波，然后以一維矩陣元素位置為X軸，對應(yīng)元素值為Y軸，形成焦點(diǎn)曲線圖，調(diào)整數(shù)字成像系統(tǒng)位置，使焦點(diǎn)曲線圖中的峰值處于X軸中點(diǎn)處；

(4)數(shù)字成像系統(tǒng)繼續(xù)采集樣品圖像，通過步驟(3)中所述方法形成曲線圖，通過曲線圖峰值與X軸中心點(diǎn)位置關(guān)系，判斷樣品離焦距離與方向；

(5)在顯微鏡Z軸微調(diào)部分設(shè)置有與處理終端連接的調(diào)焦機(jī)構(gòu)，處理終端根據(jù)步驟(4)中的判斷結(jié)果驅(qū)動調(diào)焦機(jī)構(gòu)運(yùn)動，使樣品聚焦，然后再進(jìn)行下一樣品的檢測。

進(jìn)一步地，步驟(2)中采用遮擋的方式對光束光斑進(jìn)行修正，使其變?yōu)榘雸A形。

進(jìn)一步地，步驟(3)中數(shù)字成像系統(tǒng)為CMOS攝像頭或CCD攝像頭。

進(jìn)一步地，數(shù)字成像系統(tǒng)前設(shè)置有帶通濾波片。

進(jìn)一步地，步驟(4)中離焦距離與方向的判斷過程為：

如果樣品在焦點(diǎn)上方，曲線圖峰值位置會在X軸中心點(diǎn)右側(cè)，離焦越大峰值離X軸中心點(diǎn)越遠(yuǎn)，反之，當(dāng)樣品在焦點(diǎn)下方時(shí)，峰值位置會在X軸中心點(diǎn)左側(cè)，離焦越大，峰值離X軸中心點(diǎn)越遠(yuǎn)。

進(jìn)一步地，數(shù)字成像系統(tǒng)和調(diào)焦機(jī)構(gòu)均通過通信連接的方式與處理終端連接。

進(jìn)一步地，調(diào)焦機(jī)構(gòu)為Z軸壓電位移臺、Z軸步進(jìn)電機(jī)位移臺、帶動顯微鏡上細(xì)準(zhǔn)焦螺旋轉(zhuǎn)動的步進(jìn)電機(jī)、或設(shè)置于顯微鏡物鏡上的壓電物鏡；且所述步進(jìn)電機(jī)與細(xì)準(zhǔn)焦螺旋之間設(shè)置有呈圓筒狀的轉(zhuǎn)接件。

本發(fā)明的有益效果為：

采用本發(fā)明方法進(jìn)行圖像聚焦時(shí)，先建立焦點(diǎn)曲線圖，當(dāng)樣品處于聚焦時(shí)，調(diào)節(jié)成像系統(tǒng)位置，使曲線圖中峰值位于X軸中心點(diǎn)處，確定聚焦時(shí)樣品峰值所處位置，并以此作為基準(zhǔn)，進(jìn)行后續(xù)樣品檢測；其原理為：當(dāng)半圓形的激光入射物鏡后，如果樣品在物鏡的焦點(diǎn)，數(shù)字成像系統(tǒng)所采集到的光斑為一圓形光斑，當(dāng)樣品在物鏡焦點(diǎn)上方時(shí)數(shù)字成像系統(tǒng)采集到的光斑圖像為右半圓且離焦點(diǎn)越遠(yuǎn)圖形面積越大，反之，樣品在物鏡焦點(diǎn)下方時(shí)數(shù)字成像系統(tǒng)采集到的光斑圖形為左半圓且其面積隨離焦度變大而變大。

如果樣品在焦點(diǎn)上方，則后續(xù)樣品峰值位置會在X軸中心點(diǎn)右側(cè)，離焦越大峰值離X軸中心點(diǎn)越遠(yuǎn)，反之，當(dāng)樣品在焦點(diǎn)下方時(shí)，峰值位置會在X軸中心點(diǎn)左側(cè)，離焦越大，峰值離X軸中心點(diǎn)越遠(yuǎn)，根據(jù)后續(xù)樣品檢測曲線圖峰值與X軸中心點(diǎn)的距離和位置關(guān)系，可通過一幅圖像即可精確得出離焦距離和離焦方向，解決了在離焦圓的情況下聚焦算法輸出的方向距離與實(shí)際的離焦方向與距離差距較大的問題。

采用本發(fā)明方法進(jìn)行顯微鏡樣品觀察時(shí)，完成一次聚焦過程最快可低于0.05s，可保證在樣品移動的過程中數(shù)字成像系統(tǒng)檢測到的圖像始終處于聚焦?fàn)顟B(tài)，保證圖像一直處于清晰狀態(tài)，大大提升了樣品的檢測效率。

本發(fā)明提供一種快速自動對焦方法，該方法不需要對光路進(jìn)行大的改動，并且具有速度快，算法運(yùn)算復(fù)雜度低的特點(diǎn)，克服了現(xiàn)有圖像灰度聚焦方式時(shí)間消耗大且算法復(fù)雜的問題。

附圖說明

圖1為自動聚焦系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2基于激光光斑的圖像自動聚焦方法的自動對焦原理圖；

圖3為基于激光光斑的圖像自動聚焦方法的不同聚焦位置的算法示意圖；

圖4為基于激光光斑的圖像自動聚焦方法用于大范圍拉曼掃描成像光路圖；