一、引言

隨著工業(yè)自動(dòng)化的飛速發(fā)展，機(jī)器視覺(jué)逐漸開(kāi)始在生產(chǎn)和檢測(cè)中取代傳統(tǒng)的人眼。對(duì)于機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)而言，聚焦是最核心的問(wèn)題，如果焦距沒(méi)有調(diào)整好，拍攝出來(lái)的圖像是模糊的，后續(xù)的工作自然無(wú)從談起。在顯微鏡下，這個(gè)問(wèn)題更加嚴(yán)峻，由于物鏡的景深很小，對(duì)調(diào)節(jié)的精度也提出了新的要求。因此，如何高速準(zhǔn)確的聚焦是機(jī)器視覺(jué)領(lǐng)域的重點(diǎn)問(wèn)題，而自動(dòng)聚焦技術(shù)正是解決這該問(wèn)題的關(guān)鍵技術(shù)。

二、原理

在半導(dǎo)體、生物等高精密領(lǐng)域，經(jīng)常需要用到較高倍率的顯微鏡進(jìn)行檢測(cè)等工作。傳統(tǒng)的顯微鏡通過(guò)手動(dòng)調(diào)焦，這對(duì)人員的專業(yè)操作能力有較高的要求，人員也無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間保持高度集中的狀態(tài)，整體的效率較差。而自動(dòng)聚焦顯微鏡的操作比較簡(jiǎn)單，效率也相對(duì)較高，但成本會(huì)有不少的提高，且準(zhǔn)確度也會(huì)因?yàn)椴煌膶?duì)焦方法而有波動(dòng)。

從原理上來(lái)說(shuō)，自動(dòng)聚焦可分為2類，被動(dòng)式和主動(dòng)式。

1被動(dòng)聚焦

被動(dòng)式自動(dòng)聚焦基于數(shù)字圖像處理，對(duì)取得的圖像進(jìn)行一系列分析來(lái)幫助完成聚焦，又可分為對(duì)焦深度法和離焦深度法。被動(dòng)聚焦是目前應(yīng)用最廣泛的聚焦方式，它成本低，功耗小，算法靈活易于控制，但相對(duì)來(lái)說(shuō)聚焦耗費(fèi)的時(shí)間較長(zhǎng)，且對(duì)圖像的質(zhì)量有較高的要求。

1.1對(duì)焦深度法

在焦點(diǎn)的附近采集一系列圖像，并對(duì)每幀圖像進(jìn)行分析，通過(guò)圖像的清晰度變化來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對(duì)焦，其中的重點(diǎn)是圖像的清晰度評(píng)價(jià)函數(shù)與對(duì)焦搜索算法。圖像的清晰度評(píng)價(jià)函數(shù)應(yīng)具有無(wú)偏性、單峰性、信噪比高、計(jì)量數(shù)小、靈敏度高等特點(diǎn)，常用的有灰度梯度函數(shù)、頻譜函數(shù)、熵函數(shù)等。而對(duì)焦搜索算法應(yīng)具有較快的搜索速度和較強(qiáng)的抗干擾能力，典型算法有爬山搜索法、Fibonacci搜索法和函數(shù)逼近法。

簡(jiǎn)單以爬山法舉例而言，系統(tǒng)在焦點(diǎn)附近區(qū)域，沿著一個(gè)方向移動(dòng)并且不停的拍照，同時(shí)分析每張圖的清晰度評(píng)價(jià)函數(shù)，直到越過(guò)評(píng)價(jià)函數(shù)峰值，再縮小步長(zhǎng)，改變方向，繼續(xù)運(yùn)動(dòng)到峰值，重復(fù)上述過(guò)程直到滿足精度要求。

1.2離焦深度法

離焦分析法區(qū)別于對(duì)焦深度法，僅需采集2-3幀圖像，通過(guò)直接分析圖像得到離焦信息來(lái)完成自動(dòng)聚焦。該方法需要建立光學(xué)系統(tǒng)的離焦模型，確認(rèn)離焦圖像的模糊情況，從而得到深度信息。

綜上所述，被動(dòng)聚焦都需要對(duì)實(shí)際圖像進(jìn)行算法分析，而顯微鏡一般都使用面陣相機(jī)來(lái)取圖，圖像的信息較多，算法處理起來(lái)耗時(shí)較長(zhǎng)，因此總體的聚焦耗時(shí)也較長(zhǎng)，另外被動(dòng)聚焦的準(zhǔn)確性僅受圖像清晰度和算法影響，對(duì)樣品本身的特性沒(méi)有特別的要求。

2主動(dòng)聚焦

主動(dòng)式自動(dòng)聚焦指的是針對(duì)自動(dòng)聚焦功能對(duì)系統(tǒng)的硬件進(jìn)行一些改動(dòng)，例如直接添加激光測(cè)距模塊，或者使用離焦誤差測(cè)量技術(shù)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)等。主動(dòng)聚焦調(diào)節(jié)比較麻煩，成本也較高，但效率上有較高的提升。

2.1激光測(cè)距模塊

在光學(xué)系統(tǒng)外或內(nèi)部安裝激光測(cè)距模塊，直接通過(guò)模塊測(cè)量出整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的工作距離，從而幫助對(duì)焦。對(duì)于顯微鏡系統(tǒng)而言，激光測(cè)距的精度較低，只能在低倍率下使用。

2.2離焦誤差測(cè)量技術(shù)

離焦誤差測(cè)量技術(shù)主要基于光電檢測(cè)器，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部光路進(jìn)行微調(diào)，將光學(xué)系統(tǒng)的離焦量通過(guò)光電信號(hào)轉(zhuǎn)換出來(lái)。具體方法有傅科刀口法，臨界角法，偏心光束法，像散法等，其響應(yīng)速度較快，但組裝和調(diào)試都非常麻煩。

相較于被動(dòng)聚焦，主動(dòng)聚焦不需要直接分析圖像，因此效率得到了較大的提升。但其需要對(duì)系統(tǒng)加裝新的傳感器，這對(duì)系統(tǒng)的安裝調(diào)試提出了新的要求，它的精度也基于原理有較大的差異。另外，由于分析的信號(hào)是樣品反射回來(lái)的光學(xué)信號(hào)，因此樣品的形貌和反射率等也會(huì)對(duì)主動(dòng)聚焦的性能造成影響。

三、結(jié)論

上述提到的自動(dòng)聚焦方式在實(shí)際的應(yīng)用中各有利弊，具體可參考下表。對(duì)于工業(yè)領(lǐng)域而言，主動(dòng)聚焦的高速性能是最大的優(yōu)勢(shì)。高速、準(zhǔn)確，并且調(diào)試簡(jiǎn)單的主動(dòng)聚焦方案，是今后的主要發(fā)展方向。