光学显微镜自动对焦装置设计与实现*

刘 阳，陈 瑾，朱向冰，王元航，李矞辉

(安徽师范大学 物理与电子信息学院，安徽 芜湖 241000)

光学显微镜自动对焦装置设计与实现*

刘 阳，陈 瑾，朱向冰，王元航，李矞辉

(安徽师范大学 物理与电子信息学院，安徽 芜湖 241000)

随着自动对焦技术的各种理论和方法飞速发展，该技术越来越多地应用于各种成像系统。但是，其在一些显微成像领域中的实际应用并不成熟，仍然需要进行大量的实验和研究。在对图像自动对焦方法理论研究的基础上，利用CCD传感器、STM32F429单片机、ADA4861运算放大器和步进电机等器件，设计并实现了一种在光学显微镜上应用的自动对焦装置。

自动对焦；爬山搜索算法；CCD传感器；光学显微镜

0 引言

自动对焦技术是计算机视觉、成像系统和各种精密仪器中的关键技术之一[1]，但是该技术在显微成像领域中的实际应用并不成熟，特别是在与光学显微镜配套的自动对焦装置中的应用。本文在对显微成像原理以及自动对焦方法的理论研究的基础上，设计并实现了一种在光学显微镜上应用的自动对焦装置。该装置基于STM32F429单片机和CCD传感器，由CCD传感器输出的PAL视频信号通过模拟滤波后作为显微图像对焦的评价标准，基于改进后的爬山搜索算法控制由步进电机构成的执行机构进行对焦操作，从而完成对焦过程。实验测试结果证明该装置稳定、有效地完成了设计目的和要求，可以用于生物以及工业光学显微镜的显微图像实时自动采集。

1 系统方案设计

光学显微镜自动对焦装置是在光学显微镜以不同的放大倍数观察不同厚度、不同高度的显微图像时，自动控制显微镜的准焦螺旋进行自动对焦的装置。该装置在避免了人工对焦所产生的误差的同时，提高了工业生产线以及实验室研究人员的工作效率。

如图1所示，本文所设计的光学显微镜自动对焦装置通过CCD传感器对光学显微镜镜头下的显微图像进行采集，通过有源滤波器将采集到的视频信号进行模拟滤波，提取出其中的中频分量和高频分量，进行积分后成为电压值，将此分别作为执行机构粗调和细调的对焦质量和离焦程度的评价标准，通过ADC转换器将其转换成数字信号传输给STM32F429微处理器，STM32F429微处理器进行数据处理后控制对焦执行机构进行调焦，从而实现对焦的设计目的。

图1 光学显微镜自动对焦装置的基本框架

2 硬件设计

2.1CCD传感器的选择

电荷耦合器件(Charge Couple Device,CCD)是一种以电荷为信号载体的微型图像传感器,具有光电转换和信号电荷存储、转移及读出的功能,其输出信号通常是符合电视标准的视频信号,可存储于适当的介质或输入计算机,便于进行图像存储、增强、识别等处理[2]。本装置在对光学显微镜视场下的图像进行采集时，所使用的传感器就是CCD传感器，但是由于显微图像具有亮度低、清晰度高的特点，这对CCD传感器的有效像素和最低成像照度提出了更高的要求，所以本文选择了一款超低照度CCD传感器，它以ICX673AKA为感光元件，配合专用的DSP芯片进行图像的采集，像面尺寸为1/3英寸，有效像素为976×582，最低照度为0.005 Lux，输出PAL制式的视频信号，可以满足本设计的需求。

2.2滤波器的设计

滤波器的设计是本装置的设计难点。离焦的图像会不清晰，而在频域上的表现就是信号高频分量的减少，离焦程度越重，信号的高频分量越弱。因此，可以将高频成份的强弱作为评价对焦程度的标准。本装置所采用的CCD传感器输出的PAL视频信号的频带宽度为0～6 MHz，更高的频带为信号在传输过程中所产生的高频噪声信号。需要设计一个能让图像中的高频部分通过，而又滤掉噪声的滤波器[3]。同时本装置所采用的CCD传感器输出的原始视频信号强度也很微弱，其输出电压峰峰值只有几百毫伏，滤波器在实际的滤波过程中对信号也有衰减作用，衰减后的视频信号就更加的微弱了。因此，滤波器设计的好坏直接决定了本设计的对焦质量。

本设计采用了如图2所示的多路反馈带通滤波器[4-5]，选用了高速运算放大器ADA4861-3来搭建滤波器，ADA4861-3是一款低成本、高速、电流反馈型、三通道运算放大器[6]，其-3 dB带宽为750 MHz，压摆率为625 μV，0.5%建立时间为13 ns，具有出色的整体性能，可以很好地满足滤波器在设计频带对运算放大器的各项性能要求。在设计滤波器时借助TI的一款滤波器辅助设计软件FilterPro进行了性能仿真和参数优化，最终确定了几组参数，经过装机一一测试其在本装置调焦时的性能。经过实际测试发现，将滤波器的中心频率设置在2.25 MHz、带宽设置为0.75 MHz，可以在大步进调焦时达到理想的调焦效果，而精密调节则需要将滤波器的中心频率设置在3 MHz，带宽为1 MHz。

图2 多路反馈带通滤波器

2.3步进电机执行机构

由于光学显微镜的调焦螺旋具有很高的灵敏度，在对焦时需要执行机构具有较高的精度和较快的响应速度，所以对本设计调焦执行机构的驱动电机应采用步进电机，每输入一个脉冲，步进电机就转动一步[7]。其具有控制简便、可以直接进行开环控制、高可靠性、具有定位保持力矩、中低速时具备高转矩的特点[8-9]。

本设计采用四相五线步进电机28BYJ-48，其减速比为1/64，步距角为5.625°/64，其调节精度高，响应速度快，可以满足需求。

在本装置中，用两个步进电机的转动代替传统的粗准焦和细准焦螺旋的转动，有效地避免了在这一操作中人工调节的自然抖动所造成的误差。为了避免在对焦过程中由于步进电机的调节范围过大，导致显微镜的物镜压在观察的样本上，造成样本与显微镜的损坏，在程序算法上，将步进电机所能转过的步距角设定在一定的范围内，而在硬件上，还在电路中添加了位置传感器。

3 爬山搜索算法及其改进

爬山算法是一种局部择优的方法，它是从当前的节点开始，和周围的邻居节点的值进行比较。 如果当前节点是最大的，那么返回当前节点，作为最大值；反之就用最高的邻居节点来替换当前节点，从而实现向山峰的高处攀爬的目的，如此循环直到达到最高点[10]，如图3。

图3 传统的爬山算法示意图

普通的爬山算法简单易行，对于对焦评价函数曲线较好的情况效果很好，是自动对焦系统中的一种常用算法[11]。但是在实际测试中发现，由于显微图像亮度较暗，调焦过程中由于视场内光线变化等原因，在对焦曲线上会出现一些局部峰值，普通的爬山算法并不能很好地对显微图像进行对焦。普通的爬山算法在对焦时，经常将由噪声或光线变化在对焦曲线上形成的一个“局部峰”作为真正的对焦曲线的“主峰”，指导对焦的执行机构误操作，使得对焦失败。

因此本设计在普通的爬山算法的基础上进行了改进，提出了一种优化的爬山算法：首先用大步长对整个对焦曲线进行遍历，找到“主峰”的大致位置，然后再小步长从“主峰”左侧的若干个点开始，对“主峰”进行“爬山”，最终确定到对焦曲线上图像最清晰的一个点。通过这种优化的处理方法，可以有效地避免对焦曲线上局部峰值对对焦操作的干扰，进而造成误判断，同时合理地设置步长，也提高了对焦的速度，准确可靠地实现了对焦。其示意图如图4所示。

图4 优化的爬山算法示意图

4 实验数据与结果分析

完成了上述整套设计制作后，将对焦装置在光学显微镜上进行了测试，通过测试装置的对焦时间和对焦成功率来判断整套系统的性能和稳定性。

对于系统对焦时间的测试，在本实验中，记录装置分别使用4倍、10倍和40倍物镜观察植物标本，在不同离焦位移下成功对焦所需要的时间，其测试结果如表1所示。只有当装置具有优良的稳定性，在一定的失焦范围内都可以稳定地实现对焦功能时，这个装置才有可能投入生产和应用。在表2中，对装置在4倍、10倍和40倍物镜下观察植物标本进行了稳定性测试。

表1 对焦装置在不同情况下的对焦时间(单位：s)

表2 对焦装置稳定性测试

本装置在快速稳定地对各种程度的失焦图像进行重新对焦的同时，也会极少地出现对焦失败的情况。造成这种现象可能有如下几种原因：(1)图像在对焦时光线变化剧烈，导致系统的对焦曲线改变，从而使系统对焦失败；(2)在观察样本的载体(如盖玻片、载玻片)上有污渍，系统错误地将污渍作为所要观察的样本，将焦点对焦在污渍上，从而造成了对焦的失败；(3)所要观察的样品不在同一个高度平面上，改变了对焦曲线的原有特性，影响了对焦焦距的调节，从而也会导致对焦失败。

对于第一种失败原因，可以采取将CCD传感器采集到的显微图像的亮度进行归一化处理，将亮度变化对图像造成的影响降到最小。第二种失败原因主要是因为对焦执行机构的调焦范围过小，需要将调焦范围做进一步的精确调整。对于第三种原因，希望能够从光学系统方面去改进显微镜的成像质量，使不同高度的图像都能清晰成像。

5 结论

本文在对显微成像原理与自动对焦方法的理论研究基础上，为了完成显微成像装置自动对焦的各项要求，设计制作了这一装置，并从硬件和算法两个方面对该装置进行了优化，在实现显微图像自动对焦功能的同时，还进一步地提高了对焦的速度与准确度。与此同时，本文也初步地对对焦失败的几种原因进行了分析，为该设计的进一步改进提供了方向。

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[11] 周洪斌.粒子群优化算法应用研究[D].苏州:苏州大学,2009.

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

刘阳，陈瑾，朱向冰，等.光学显微镜自动对焦装置设计与实现[J].微型机与应用，2017,36(19)：87-89.

国家级大学生创新创业项目(201610370016)；安徽师范大学本科生优秀毕业论文培育计划(pyjh2016275)；安徽省教育厅质量工程项目(2015gxk011)

2017-04-03)

刘阳(1996-),男，本科在读，主要研究方向：电路与系统。朱向冰(1973-)，通信作者，男，博士，教授，硕士生导师，主要研究方向：显示和照明技术。E-mail：zxbing@mail.ahnu.edu.cn。