光鑷系統(tǒng)的粒子自動(dòng)對(duì)焦成像方法研究

趙志丹 周哲海 張曉林 祝連慶

(北京信息科技大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，北京 100192)

光鑷系統(tǒng)的粒子自動(dòng)對(duì)焦成像方法研究

趙志丹 周哲海 張曉林 祝連慶

(北京信息科技大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，北京 100192)

光鑷系統(tǒng)是集計(jì)算機(jī)技術(shù)、物理技術(shù)、控制技術(shù)及圖像處理技術(shù)等于一體的復(fù)雜操控系統(tǒng)，微小粒子的自動(dòng)對(duì)焦成像是實(shí)現(xiàn)粒子捕獲及操控的關(guān)鍵。為了優(yōu)化光鑷系統(tǒng)中自動(dòng)對(duì)焦成像過(guò)程，對(duì)自動(dòng)對(duì)焦成像方法進(jìn)行了研究，并在研究經(jīng)典搜索算法的基礎(chǔ)上，提出了一種改進(jìn)的爬山算法。將曲線擬合方法集成到爬山算法中，避免了傳統(tǒng)的爬山算法最后在焦點(diǎn)附近反復(fù)搜索的缺點(diǎn)。最后搭建了試驗(yàn)系統(tǒng)，試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了方法的可行性和有效性。

光鑷 粒子捕獲 自動(dòng)對(duì)焦成像 爬山算法 曲線擬合

0 引言

光鑷是利用聚焦激光束產(chǎn)生的輻射力操控微小粒子的技術(shù)。相關(guān)研究最早可追溯至20世紀(jì)70年代，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的Ashkin發(fā)現(xiàn)了在激光的作用下粒子會(huì)改變運(yùn)動(dòng)狀態(tài)[1]，并在1986年成功使用單光束實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的三維粒子捕獲，即單光束梯度力勢(shì)阱[2]。隨后，國(guó)內(nèi)外眾多研究機(jī)構(gòu)開(kāi)展了光鑷的相關(guān)研究。目前，該技術(shù)已在生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、物理學(xué)、材料學(xué)等領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用[3]。

在光鑷技術(shù)這種集計(jì)算機(jī)技術(shù)、物理技術(shù)、控制技術(shù)及圖像處理技術(shù)于一體的復(fù)雜系統(tǒng)技術(shù)中，每一個(gè)環(huán)節(jié)都會(huì)影響其精密度，其中微小粒子的自動(dòng)對(duì)焦成像是實(shí)現(xiàn)粒子捕獲及操控的關(guān)鍵。只有準(zhǔn)確、快速地獲得高清晰度的粒子成像，才能準(zhǔn)確分析粒子的形貌及空間位置信息、光鑷系統(tǒng)的操控性能，為操控系統(tǒng)提供準(zhǔn)確的指令信息。

本文在研究光鑷系統(tǒng)中的粒子自動(dòng)對(duì)焦成像方法的經(jīng)典算法的基礎(chǔ)上，提出了一種改進(jìn)的爬山算法。將曲線擬合方法集成到爬山算法中，避免了傳統(tǒng)算法在焦點(diǎn)附近反復(fù)搜索的缺點(diǎn)。通過(guò)搭建光鑷系統(tǒng)，進(jìn)行了初步的試驗(yàn)驗(yàn)證，研究結(jié)果表明，利用該算法可有效地實(shí)現(xiàn)粒子的自動(dòng)對(duì)焦控制，驗(yàn)證了方法的可行性和有效性。

1 方法的基本原理

自動(dòng)對(duì)焦技術(shù)在成像領(lǐng)域獲得了非常廣泛的應(yīng)用，并提出了很多的方法[4-8]?？傮w上講，自動(dòng)對(duì)焦方法可分為主動(dòng)式和被動(dòng)式兩大類。主動(dòng)式對(duì)焦方法根據(jù)系統(tǒng)成像原理，采用測(cè)距傳感器主動(dòng)對(duì)被測(cè)工件平面、鏡頭以及 CMOS 之間的相對(duì)距離進(jìn)行測(cè)量，使相機(jī)剛好移動(dòng)到 CMOS 與像平面重合的位置。被動(dòng)式對(duì)焦方法是以近幾十年來(lái)迅速發(fā)展的計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)為基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)不同的位置獲取圖像清晰度的判斷，從而不斷調(diào)整相機(jī)或鏡頭的位置，并最終找到獲得清晰圖像的對(duì)焦位置。

本文主要研究基于機(jī)器視覺(jué)的被動(dòng)式對(duì)焦方法。該方法是以圖像清晰度的判據(jù)為基礎(chǔ)的對(duì)焦過(guò)程，如圖1所示。系統(tǒng)采集到圖像數(shù)據(jù)后，計(jì)算機(jī)按照事前預(yù)置的函數(shù)對(duì)圖像進(jìn)行相關(guān)的評(píng)價(jià)計(jì)算，然后根據(jù)計(jì)算結(jié)果和搜索算法去控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的運(yùn)行軌跡，最終實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的過(guò)程調(diào)節(jié)。

圖1 自動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)流程圖

Fig.1 Process of auto-focusing system

與傳統(tǒng)的自動(dòng)調(diào)焦方式相比，基于數(shù)字圖像處理的自動(dòng)調(diào)焦方式充分利用了計(jì)算機(jī)處理數(shù)字信號(hào)的硬件高速度和軟件靈活性。該類型方法主要有離焦深度法和對(duì)焦深度法：離焦深度法是從離焦圖像中取得深度信息，只需獲得兩三幅圖像便可完成對(duì)焦，速度快但對(duì)焦精度低；對(duì)焦深度法是建立在搜索算法基礎(chǔ)上的，通過(guò)改變相對(duì)位置獲得一系列模糊程度不等的圖像，通過(guò)計(jì)算構(gòu)建對(duì)焦區(qū)間上的圖像清晰度評(píng)價(jià)曲線來(lái)確定對(duì)焦位置。根據(jù)以上分析，精確采用對(duì)焦深度法，該方法包括3個(gè)步驟：圖像的采集、圖像清晰度評(píng)價(jià)、對(duì)焦控制算法的選擇。

自動(dòng)調(diào)焦的過(guò)程就是利用調(diào)焦搜索算法求取調(diào)焦評(píng)價(jià)函數(shù)最大值的過(guò)程。調(diào)焦搜索算法可以分為判定搜索方向和搜索評(píng)價(jià)函數(shù)峰值兩個(gè)步驟。一般需要至少采集兩幀圖像，然后根據(jù)這兩幀圖像的評(píng)價(jià)函數(shù)值大小來(lái)確定調(diào)焦方向。有時(shí)為了避免局部極值的干擾，可以采集3幀甚至更多幀圖像來(lái)確保調(diào)焦方向的正確性。理想的搜索方法應(yīng)滿足如下條件：① 采集的圖像盡量少；② 電機(jī)往返的次數(shù)盡量少；③ 評(píng)價(jià)函數(shù)峰值的定位準(zhǔn)確。

典型的搜索方法主要包括黃金分割搜索算法、尺子搜索算法、爬山搜索算法、曲線擬合搜索算法等。爬山法在實(shí)際應(yīng)用中有較高的可行性[9-10]，但該方法容易陷入評(píng)價(jià)函數(shù)的局部極值。此外，該方法在精調(diào)焦階段需要在焦點(diǎn)位置附近進(jìn)行大量的搜索，降低了搜索的效率。為此，本文提出將爬山搜索算法和曲線擬合的搜索方法相結(jié)合，在焦點(diǎn)附近采用曲線擬合的搜索方法可以得到較高準(zhǔn)確度的焦點(diǎn)位置。

1.1 焦點(diǎn)方向的判斷

由于噪聲的存在，調(diào)焦評(píng)價(jià)函數(shù)曲線可能會(huì)存在多個(gè)局部的極值點(diǎn)。采用傳統(tǒng)的爬山法易陷入局部的極值，導(dǎo)致不能搜索到真正的焦點(diǎn)位置，故需要對(duì)爬山算法進(jìn)行一些改進(jìn)。傳統(tǒng)的爬山算法一般通過(guò)比較兩點(diǎn)的調(diào)焦評(píng)價(jià)函數(shù)的值來(lái)判斷搜索方向，比較容易受到噪聲的影響。本文改進(jìn)的具體方法是：搜索開(kāi)始時(shí)，在同一方向上采集3幀圖像，對(duì)應(yīng)的調(diào)焦評(píng)價(jià)函數(shù)值分別為K1、K2和K3。若K1≤K2≤K3，則此時(shí)在爬山階段，應(yīng)該繼續(xù)往同一方向搜索；如果出現(xiàn)K1>K2且K2≤K3的情況，則說(shuō)明遇到噪聲擾動(dòng)，應(yīng)該繼續(xù)往同一方向搜索；若K1>K2>K3，說(shuō)明此時(shí)處于下坡的階段，需要改變搜索方向。

1.2 自適應(yīng)步長(zhǎng)

1.3 曲線擬合

將上面得到的最大點(diǎn)及左右極值點(diǎn)進(jìn)行曲線擬合，然后驅(qū)使電機(jī)直達(dá)焦點(diǎn)位置，可極大地提高搜索的效率和精度。該算法的主要流程如圖2所示，分為粗搜索和精搜索兩個(gè)階段。

圖2 改進(jìn)的爬山搜索算法流程圖

2 試驗(yàn)系統(tǒng)搭建及驗(yàn)證

為驗(yàn)證所提出的改進(jìn)的爬山算法的自動(dòng)對(duì)焦方法的可行性與有效性，搭建了光鑷系統(tǒng)，并引入自動(dòng)對(duì)焦技術(shù)，進(jìn)行了初步的試驗(yàn)研究。

2.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

光鑷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示，主要分為光束整形、粒子捕獲、粒子成像3個(gè)部分。

圖3 光鑷系統(tǒng)及其自動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖

① 光束整形部分，將激光器發(fā)出的光束經(jīng)過(guò)針孔濾波器后，被準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直為平行光束，然后利用光闌和衰減器控制光斑的大小和強(qiáng)弱，通過(guò)偏振片后控制光束的偏振態(tài)。該光束進(jìn)一步被空間光調(diào)制器(spatial light modulator, SLM)調(diào)制，得到具有特定的振幅及相位分布的激光束；不同振幅及相位分布的激光束對(duì)應(yīng)不同強(qiáng)度分布的聚焦光場(chǎng)分布。

② 粒子捕獲部分，具有特定振幅及相位分布的激光器被捕獲透鏡聚焦為具有特定強(qiáng)度分布的聚焦光斑。當(dāng)實(shí)時(shí)利用SLM調(diào)控激光束的振幅及相位分布時(shí)，可實(shí)時(shí)調(diào)控聚焦光斑的空間分布，從而實(shí)現(xiàn)微小粒子的捕獲及靈活操控，如空間移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)等。

③ 粒子成像部分，采用LED作為照明光源照明捕獲的粒子，并通過(guò)捕獲透鏡成像到CCD相機(jī)上。在相機(jī)前加入濾光片可濾出捕獲激光束，只允許照明光束通過(guò)，從而避免捕獲激光束對(duì)應(yīng)像的干擾。利用步進(jìn)電機(jī)或壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器控制CCD在導(dǎo)軌上的空間位置，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對(duì)焦，獲得高清晰度的粒子成像。計(jì)算機(jī)接收CCD采集圖像，通過(guò)本論文提出的搜索算法，計(jì)算理想焦平面的位置，經(jīng)過(guò)不斷的步進(jìn)驅(qū)動(dòng)、搜索計(jì)算，最終使CCD置于理想焦平面的位置，從而獲得高清晰度成像，為進(jìn)一步的粒子空間特征信息分析提供了基礎(chǔ)。利用該自動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)，還可以實(shí)時(shí)追蹤粒子的空間運(yùn)動(dòng)過(guò)程。

本試驗(yàn)系統(tǒng)采用532 nm激光器作為捕獲光源，使用100倍的放大物鏡，捕獲粒子直徑約5m的聚苯乙烯小球，利用步進(jìn)電機(jī)(最小步長(zhǎng)為0.312 5 μm)驅(qū)動(dòng)CCD在導(dǎo)軌上移動(dòng)，并選取Brener 算子作為清晰度評(píng)價(jià)函數(shù)。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

圖4是基于以上自動(dòng)對(duì)焦光鑷系統(tǒng)，利用改進(jìn)的爬山搜索方法得到的對(duì)焦前后粒子在CCD上的成像結(jié)果。很顯然，通過(guò)自動(dòng)對(duì)焦處理，得到了高清晰度的粒子成像。

圖4 自動(dòng)調(diào)焦前后CCD采集到的粒子圖像對(duì)比

系統(tǒng)穩(wěn)定性是顯微自動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)一個(gè)很重要的特性。只有當(dāng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性優(yōu)良，可重復(fù)操作，在一定的范圍內(nèi)確保每次都能準(zhǔn)確的對(duì)焦，該系統(tǒng)才有可能被實(shí)際應(yīng)用。

當(dāng)物鏡倍率為100倍時(shí)，隨機(jī)選取理想焦平面兩側(cè)20個(gè)不同的初始位置，通過(guò)搜索算法獲得最終的對(duì)焦位置，均值為50.725 μm，均方差δ=0.512。各對(duì)焦結(jié)果在準(zhǔn)焦位置附近的分布如圖5所示。從圖5可看出，對(duì)焦分布曲線沒(méi)什么大起伏，因此說(shuō)明分布比較穩(wěn)定。

圖5 不同位置對(duì)焦結(jié)果的分布圖

另外，對(duì)焦時(shí)間也是衡量自動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)性能的一個(gè)很重要指標(biāo)，在保證對(duì)焦精度的情況下，對(duì)焦時(shí)間越短越好。系統(tǒng)的對(duì)焦時(shí)間和離焦程度大小有非常大的關(guān)系，當(dāng)離焦很遠(yuǎn)時(shí)，有可能誤判，甚至將出現(xiàn)南轅北轍的現(xiàn)象。當(dāng)然可以通過(guò)程序設(shè)計(jì)改善此現(xiàn)象，如設(shè)定一個(gè)最大單向位移，超過(guò)此范圍評(píng)價(jià)函數(shù)值還是沒(méi)有明顯變化的就立即向反向運(yùn)動(dòng)。調(diào)焦時(shí)間主要受路徑搜索策略和步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行耗時(shí)影響。

表1是基于本文提出的搜索算法的自動(dòng)對(duì)焦的耗時(shí)結(jié)果。

表1 偏離位置和對(duì)應(yīng)的搜索時(shí)間

通過(guò)結(jié)果分析可知，系統(tǒng)可以在相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)獲得理想焦平面位置，但步進(jìn)電機(jī)的耗時(shí)還是較大。由于該步進(jìn)電機(jī)不支持運(yùn)行時(shí)讀出位移，因此在電機(jī)運(yùn)行時(shí)間就立即給個(gè)Timer定時(shí)讀出串口回傳信號(hào)。這個(gè)定時(shí)器的定時(shí)時(shí)間不大好設(shè)置，這也是本系統(tǒng)接下來(lái)需要重點(diǎn)改進(jìn)的地方，例如可采用壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器代替步進(jìn)電機(jī)以提高系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文研究了光鑷系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)粒子高清晰度成像的自動(dòng)對(duì)焦方法，提出了一種改進(jìn)的爬山搜索算法，可準(zhǔn)確、高效率地實(shí)現(xiàn)理想焦平面的定位，避免了在焦平面的反復(fù)搜索。為驗(yàn)證方法的可行性和有效性，搭建了光鑷系統(tǒng)及其自動(dòng)對(duì)焦成像系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了粒子的快速高清晰度成像。利用該系統(tǒng)，當(dāng)CCD處于不同的初始位置時(shí)都能在若干秒內(nèi)快速對(duì)焦成像。為進(jìn)一步提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，可考慮采用壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器來(lái)驅(qū)動(dòng)CCD的移動(dòng)。

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Research on Autofocus Imaging Method of Particles in Optical Tweezers System

Optical tweezers system is a complicated manipulation system that integrates computer technology, physics technology, control technology and image processing technology. Autofocus imaging of the micro particles is the key point to implement particle capture and manipulation. In order to optimize the autofocus imaging processing in optical tweezers system, the autofocus imaging methods are researched; and on the basis of researching the classical researching algorithm, the improved hill-climbing algorithm is proposed. The curve fitting method is integrated into hill climbing algorithm to avoid the disadvantage of traditional hill climbing algorithm, i.e., repeated researches are conducted near the focus point. Finally, the experimental system is setup; the result of experiments verifies the feasibility and effectiveness of this method.

Optical tweezers Particle capture Autofocus imaging Hill-climbing algorithm Curve fitting

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(編號(hào)：61108047、61475021)；

教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才基金資助項(xiàng)目(編號(hào)：NCET-13-0667)；

北京市青年拔尖人才基金資助項(xiàng)目(編號(hào)：CIT&TCD201404113)。

趙志丹(1988-)，女，現(xiàn)為北京信息科技大學(xué)光學(xué)工程專業(yè)在讀碩士研究生；主要從事光鑷系統(tǒng)控制技術(shù)方面的研究。

TP27;TH74

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201510006

修改稿收到日期：2014-12-07。