[发明专利]基于数值波前传播的高速广域自动聚焦技术

说明书

技术领域

本发明涉及自动聚焦技术，尤其涉及一种基于数值波前传播的高速广域自动聚焦技术。

背景技术

随着生物医学的发展，样品观测尺度要求越来越高，往往需要达到微米甚至纳米级别，作为显微观察的主要工具，显微镜得到了广泛的应用。在样品观测聚焦过程中，由于手动对焦误差较大，自动聚焦技术应运而生。相对于传统手动对焦，自动聚焦技术因其聚焦准确，无需反复调节等优点在显微成像领域有着大量的应用。

传统自动聚焦技术依托激光反射从而实现自动聚焦的目的，可以在没有大量计算的情况下快速定位焦平面，然而，其精度高度依赖于参考表面。由于截面表面变化，参考平面的位置随之变化，因此其误差较高。随着计算机技术的成熟，为了提高自动聚焦图像质量，基于数字图像处理的自动聚焦技术应运而生，其核心思想为沿轴移动样品(或微物镜)，从而多次记录其强度，根据图像的对比度，分辨率，频率分量和熵提取各种标准来确定焦点位置。相对于手动对焦，该自动聚焦技术虽然能提高聚焦的速度及精度，然而其依据于多图像扫描与分析，自动聚焦的速率依然受到限制。此外，扫描平移台移动以及复杂的图像处理进一步降低了自动聚焦速度。更为重要的是，该技术的有效自动聚焦范围通常为几微米，在离焦距离较大时该方法无效。此外，对于现有的自动聚焦技术对于小区域的自动聚焦较为精确，然后对于大样品而言，由于其样品尺寸较大，不同区域之间存在差异，若对其应用相同的算法，最终聚焦平面与真实焦面之间依然存在一定的差异，不利于样品的观测。

因此，高速广域自动聚焦技术尤为重要，从而提高显微镜系统自动聚焦的速度和精度，获得更为清晰的观测图像。

发明内容

针对现有自动聚焦技术的不足，本发明提供一种高速广域自动聚焦技术，能够有效解决现有自动聚焦技术聚焦速度慢，算法复杂，适用范围小等问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：基于数值波前传播的高速广域自动聚焦技术。首先在焦平面附近拍摄一张样品图像，由于其不在焦平面，因此拍摄的样品图像模糊。在该平面两侧对称采集过焦和欠焦图像。将所采集图像带入基于Gerchberg-Saxton算法的强度传输方程(GS-TIE)中从而求解中间位置处的相位分布。结合中间位置处采集的强度信息，样品在中间位置处的波前分布即可获知。将此波前信息沿z轴传播，获得各个位置处的波前分布。利用Tamura系数对各个位置处的波前信息进行评定，从而确定样品真实焦平面的位置。利用电动平移台自动将所测样品移至焦平面位置。

附图说明

图1是基于数值波前传播的自动聚焦程序示意图；

具体实施方式

本发明的目的是解决目前显微镜自动聚焦技术耗时较长，算法较为复杂的问题提出了一种基于数值波前传播的高速广域自动聚焦技术，提高了显微镜自动聚焦的速度和精度，很好的解决了显微镜自动聚焦问题。

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种基于数值波前传播的高速广域自动聚焦技术，从而实现显微镜系统高速广域自动聚焦。

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明：

第1、焦平面附近处图像采集。由于粗调时存在一定的误差，首先在焦平面附近任意位置处采集一张离焦图片，该图片为模糊的图像。

第2、对称图像采集。在上述图片上下区域对称采集两张图片，相对于该图片分别为过焦图像I₁和欠焦图像I₂。

第3、利用GS-TIE方程进行相位求解。

第3.1、利用二维TIE方程表达式：

令表示光场复振幅，I为光强，表示振幅，P为相位，z是光轴方向，▽表示对垂直于z方向的(x，y)方向的微分算子。描述的是菲涅耳衍射场中光强I的轴向梯度与相位P垂轴方向分布的关系。

将(1)式带入二维泊松方程：

利用如下近似：

I₁、I₂分别是两个面的光强分布，Δz是两个面的轴向距离。

即可求出TIE相位分布P。其相位用算子形式表达为：

式中，FT表示二维傅氏变换，FT^-1表示二维傅氏逆变换，表示空间角频率矢量k_x、k_y的模长，“·”表示作用于右边所有项，“·”表示数乘，