[发明专利]基于样品测定面平面方程的显微镜自动对焦方法

说明书

技术领域

属于光学显微镜自动对焦领域，适用于样品自动测定过程。

背景技术

显微镜对焦的必要性

测定样品处于光学显微镜物镜准焦范围内成像清晰称为准焦。调节显微镜焦距使样品处于准焦的过程称为对焦。样品移动后，一般需要对焦才能再次准焦。显微镜都有调焦旋钮，可带动显微镜物台升降实现对焦。某些高档显微镜另带有电控装置，操作相应按钮控制电机带动调焦旋钮对焦。样品压平器上下面平行度不够，橡皮泥回弹致使样品不能保持压制后状态，显微镜光轴与物台垂直度不够等都可引起样品移动后偏离准焦状态，称为离焦。准焦范围与显微镜物镜放大倍数有关。低倍物镜范围宽，小范围移动样品后仍可保持准焦。高倍物镜范围窄，小范围移动样品即可超出准焦范围，致使成像模糊。保持样品处于准焦状态是得到正确测定结果的前提，各种自动对焦（也称为显微镜自动调焦、显微镜自动聚焦等）技术应运而生。

已有显微镜自动对焦技术特点

已有的自动对焦技术都通过控制伺服机构（如步进电机）替代人工旋转显微镜调焦旋钮升降物台执行，区别在于确定离焦偏移量原理各异。一是通过分析采集图像的灰度差异或边缘清晰度判断焦距状态与计算离焦偏移量^[1-5]。二是用各种测微距技术直接检测离焦偏移量。前者占主流，后者尚待完善。共同点是每次对焦独立进行，与样品位置无关，对采集的图像准焦即可，因此可用于依据图像识别技术实现的自动测定中。共同缺点有：

（1）速度慢。每一点对焦都通过比对图像或测微值，对焦过程近10秒^[3-4],而有经验的操作者对焦过程不过1-2秒。因此布置较多对焦点丧失实际使用价值；

（2）不能利用对焦点坐标间的关系简化对焦过程与减少对焦次数；

 （3）不适用逐点扫描自动测定技术领域。当测定点多达上万甚至数十万时，每个点独立对焦不现实。当仅测定样品中某一组分数据时，为避免其他组分的干扰，往往要求显微镜视域处于最小状态，无法采集完整图像与图像边缘。测定一个样品，人工总对焦时间一般约2-3分钟。若自动对焦总时间超过该值，意义仅体现在降低对焦繁琐操作方面。这些缺点以及附加装置高成本等原因制约了这类自动调焦技术的推广应用。尤其需要开发可适用于逐点扫描测定技术领域的更快速、有效的自动对焦技术。 

  参考文献

1、蒋海华， 基于图像清晰度评价函数的显微镜自动调焦技术研究[J]. 光学技术, 2008, 第34卷增刊.

2、张红军， 马官营，显微镜自动控制系统的设计[J]. 临沂师范学院学报, 2006, 第28卷第3期.

3、许盛， 李见为，基于智能化自动调焦的高级显微镜系统[J]. 光电工程, 2000, 第27卷第1期.

4、许成，李见为，高级显微镜智能化自动调焦系统的研究及实现[J]. 光学仪器, 2000, 第22卷第5期.

5、唐成辉， 朱森元， 王旭辉，计算机控制下的显微镜自动调焦技术[J]. 兵工自动化, 1999, 第4期。

发明内容

概述

经磨制、抛光后的样品测定面为一个平面（初学者磨制的样品测定面偶呈几个平面，稍加培训即可使磨制的样品测定面满足为一个平面的要求）。移动样品时，各种原因引起离焦偏移量都表现为与样品移动距离有关：移动距离越大，离焦偏移量越大。确定样品测定面平面方程后，即可由样品坐标位置确定离焦偏移量并消除，实现样品准焦。本说明书给出确定样品测定面平面方程方法，由样品位置计算离焦偏移量方法，测定过程中减少对焦次数措施，控制系统技术要求等。                        

2数学原理

令坐标原点F₀（x₀,y₀,z₀）在样品测定面上，z 轴为显微镜光路中心（即物镜中心）。在样品测定面上设定3个监控点：F₁ (x1,y1,z1)、F₂ (x2,y2,z2)、F₃ (x3,y3,z3)，见附图1。则样品面平面方程为（1）式：         

  （1）