光學(xué)顯微鏡自動(dòng)對(duì)焦裝置設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

劉 陽(yáng)，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(dòng)對(duì)焦裝置設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

劉 陽(yáng)，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(dòng)對(duì)焦技術(shù)的各種理論和方法飛速發(fā)展，該技術(shù)越來(lái)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(duì)圖像自動(dòng)對(duì)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(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種在光學(xué)顯微鏡上應(yīng)用的自動(dòng)對(duì)焦裝置。

自動(dòng)對(duì)焦；爬山搜索算法；CCD傳感器；光學(xué)顯微鏡

0 引言

自動(dòng)對(duì)焦技術(shù)是計(jì)算機(jī)視覺(jué)、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(dòng)對(duì)焦裝置中的應(yīng)用。本文在對(duì)顯微成像原理以及自動(dòng)對(duì)焦方法的理論研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種在光學(xué)顯微鏡上應(yīng)用的自動(dòng)對(duì)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(hào)通過(guò)模擬濾波后作為顯微圖像對(duì)焦的評(píng)價(jià)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(duì)焦操作，從而完成對(duì)焦過(guò)程。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果證明該裝置穩(wěn)定、有效地完成了設(shè)計(jì)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(shí)自動(dòng)采集。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

光學(xué)顯微鏡自動(dòng)對(duì)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(shí)，自動(dòng)控制顯微鏡的準(zhǔn)焦螺旋進(jìn)行自動(dòng)對(duì)焦的裝置。該裝置在避免了人工對(duì)焦所產(chǎn)生的誤差的同時(shí)，提高了工業(yè)生產(chǎn)線(xiàn)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(jì)的光學(xué)顯微鏡自動(dòng)對(duì)焦裝置通過(guò)CCD傳感器對(duì)光學(xué)顯微鏡鏡頭下的顯微圖像進(jìn)行采集，通過(guò)有源濾波器將采集到的視頻信號(hào)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(duì)焦質(zhì)量和離焦程度的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)ADC轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)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(duì)焦執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)焦，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)焦的設(shè)計(jì)目的。

圖1 光學(xué)顯微鏡自動(dòng)對(duì)焦裝置的基本框架

2 硬件設(shè)計(jì)

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(hào)載體的微型圖像傳感器,具有光電轉(zhuǎn)換和信號(hào)電荷存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)移及讀出的功能,其輸出信號(hào)通常是符合電視標(biāo)準(zhǔn)的視頻信號(hào),可存儲(chǔ)于適當(dāng)?shù)慕橘|(zhì)或輸入計(jì)算機(jī),便于進(jìn)行圖像存儲(chǔ)、增強(qiáng)、識(shí)別等處理[2]。本裝置在對(duì)光學(xué)顯微鏡視場(chǎng)下的圖像進(jìn)行采集時(shí)，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(duì)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(zhuān)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(hào)，可以滿(mǎn)足本設(shè)計(jì)的需求。

2.2濾波器的設(shè)計(jì)

濾波器的設(shè)計(jì)是本裝置的設(shè)計(jì)難點(diǎn)。離焦的圖像會(huì)不清晰，而在頻域上的表現(xiàn)就是信號(hào)高頻分量的減少，離焦程度越重，信號(hào)的高頻分量越弱。因此，可以將高頻成份的強(qiáng)弱作為評(píng)價(jià)對(duì)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(hào)的頻帶寬度為0～6 MHz，更高的頻帶為信號(hào)在傳輸過(guò)程中所產(chǎn)生的高頻噪聲信號(hào)。需要設(shè)計(jì)一個(gè)能讓圖像中的高頻部分通過(guò)，而又濾掉噪聲的濾波器[3]。同時(shí)本裝置所采用的CCD傳感器輸出的原始視頻信號(hào)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(guò)程中對(duì)信號(hào)也有衰減作用，衰減后的視頻信號(hào)就更加的微弱了。因此，濾波器設(shè)計(jì)的好壞直接決定了本設(shè)計(jì)的對(duì)焦質(zhì)量。

本設(shè)計(jì)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(lái)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(shí)間為13 ns，具有出色的整體性能，可以很好地滿(mǎn)足濾波器在設(shè)計(jì)頻帶對(duì)運(yùn)算放大器的各項(xiàng)性能要求。在設(shè)計(jì)濾波器時(shí)借助TI的一款濾波器輔助設(shè)計(jì)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(guò)裝機(jī)一一測(cè)試其在本裝置調(diào)焦時(shí)的性能。經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)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(shí)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(duì)焦時(shí)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(duì)本設(shè)計(jì)調(diào)焦執(zhí)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)應(yīng)采用步進(jìn)電機(jī)，每輸入一個(gè)脈沖，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一步[7]。其具有控制簡(jiǎn)便、可以直接進(jìn)行開(kāi)環(huán)控制、高可靠性、具有定位保持力矩、中低速時(shí)具備高轉(zhuǎn)矩的特點(diǎn)[8-9]。

本設(shè)計(jì)采用四相五線(xiàn)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(mǎn)足需求。

在本裝置中，用兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的粗準(zhǔn)焦和細(xì)準(zhǔn)焦螺旋的轉(zhuǎn)動(dòng)，有效地避免了在這一操作中人工調(diào)節(jié)的自然抖動(dòng)所造成的誤差。為了避免在對(duì)焦過(guò)程中由于步進(jìn)電機(jī)的調(diào)節(jié)范圍過(guò)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(guò)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(kāi)始，和周?chē)泥従庸?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(lái)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(jiǎn)單易行，對(duì)于對(duì)焦評(píng)價(jià)函數(shù)曲線(xiàn)較好的情況效果很好，是自動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)中的一種常用算法[11]。但是在實(shí)際測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，由于顯微圖像亮度較暗，調(diào)焦過(guò)程中由于視場(chǎng)內(nèi)光線(xiàn)變化等原因，在對(duì)焦曲線(xiàn)上會(huì)出現(xiàn)一些局部峰值，普通的爬山算法并不能很好地對(duì)顯微圖像進(jìn)行對(duì)焦。普通的爬山算法在對(duì)焦時(shí)，經(jīng)常將由噪聲或光線(xiàn)變化在對(duì)焦曲線(xiàn)上形成的一個(gè)“局部峰”作為真正的對(duì)焦曲線(xiàn)的“主峰”，指導(dǎo)對(duì)焦的執(zhí)行機(jī)構(gòu)誤操作，使得對(duì)焦失敗。

因此本設(shè)計(jì)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(zhǎng)對(duì)整個(gè)對(duì)焦曲線(xiàn)進(jìn)行遍歷，找到“主峰”的大致位置，然后再小步長(zhǎng)從“主峰”左側(cè)的若干個(gè)點(diǎn)開(kāi)始，對(duì)“主峰”進(jìn)行“爬山”，最終確定到對(duì)焦曲線(xiàn)上圖像最清晰的一個(gè)點(diǎn)。通過(guò)這種優(yōu)化的處理方法，可以有效地避免對(duì)焦曲線(xiàn)上局部峰值對(duì)對(duì)焦操作的干擾，進(jìn)而造成誤判斷，同時(shí)合理地設(shè)置步長(zhǎng)，也提高了對(duì)焦的速度，準(zhǔn)確可靠地實(shí)現(xiàn)了對(duì)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(jì)制作后，將對(duì)焦裝置在光學(xué)顯微鏡上進(jìn)行了測(cè)試，通過(guò)測(cè)試裝置的對(duì)焦時(shí)間和對(duì)焦成功率來(lái)判斷整套系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。

對(duì)于系統(tǒng)對(duì)焦時(shí)間的測(cè)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(duì)焦所需要的時(shí)間，其測(cè)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(duì)焦功能時(shí)，這個(gè)裝置才有可能投入生產(chǎn)和應(yīng)用。在表2中，對(duì)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(cè)試。

表1 對(duì)焦裝置在不同情況下的對(duì)焦時(shí)間(單位：s)

表2 對(duì)焦裝置穩(wěn)定性測(cè)試

本裝置在快速穩(wěn)定地對(duì)各種程度的失焦圖像進(jìn)行重新對(duì)焦的同時(shí)，也會(huì)極少地出現(xiàn)對(duì)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(duì)焦時(shí)光線(xiàn)變化劇烈，導(dǎo)致系統(tǒng)的對(duì)焦曲線(xiàn)改變，從而使系統(tǒng)對(duì)焦失??；(2)在觀察樣本的載體(如蓋玻片、載玻片)上有污漬，系統(tǒng)錯(cuò)誤地將污漬作為所要觀察的樣本，將焦點(diǎn)對(duì)焦在污漬上，從而造成了對(duì)焦的失敗；(3)所要觀察的樣品不在同一個(gè)高度平面上，改變了對(duì)焦曲線(xiàn)的原有特性，影響了對(duì)焦焦距的調(diào)節(jié)，從而也會(huì)導(dǎo)致對(duì)焦失敗。

對(duì)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(duì)圖像造成的影響降到最小。第二種失敗原因主要是因?yàn)閷?duì)焦執(zhí)行機(jī)構(gòu)的調(diào)焦范圍過(guò)小，需要將調(diào)焦范圍做進(jìn)一步的精確調(diào)整。對(duì)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(duì)顯微成像原理與自動(dòng)對(duì)焦方法的理論研究基礎(chǔ)上，為了完成顯微成像裝置自動(dòng)對(duì)焦的各項(xiàng)要求，設(shè)計(jì)制作了這一裝置，并從硬件和算法兩個(gè)方面對(duì)該裝置進(jìn)行了優(yōu)化，在實(shí)現(xiàn)顯微圖像自動(dòng)對(duì)焦功能的同時(shí)，還進(jìn)一步地提高了對(duì)焦的速度與準(zhǔn)確度。與此同時(shí)，本文也初步地對(duì)對(duì)焦失敗的幾種原因進(jìn)行了分析，為該設(shè)計(jì)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(yáng)，陳瑾，朱向冰，等.光學(xué)顯微鏡自動(dòng)對(duì)焦裝置設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36(19)：87-89.

國(guó)家級(jí)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(jì)劃(pyjh2016275)；安徽省教育廳質(zhì)量工程項(xiàng)目(2015gxk011)

2017-04-03)

劉陽(yáng)(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。