光學(xué)系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)焦概述

1、光學(xué)系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)焦概述摘要： 隨著儀器自動(dòng)化、智能化的迅速發(fā)展，自動(dòng)調(diào)焦技術(shù)的應(yīng)用顯得越來(lái)越重要，特別是在工業(yè)生產(chǎn)和測(cè)量中，往往要用到它。本文就其基本方法、原理和發(fā)展現(xiàn)狀作一簡(jiǎn)單概述。關(guān)鍵詞：自動(dòng)調(diào)焦 圖像處理 評(píng)價(jià)函數(shù) 尋優(yōu)控制；1 引言在光學(xué)系統(tǒng)中，鏡頭對(duì)一定距離的目標(biāo)成像有一個(gè)最佳像面位置，這個(gè)位置通常滿足物像共扼關(guān)系1，稱為聚焦(Focus)；偏離了這個(gè)位置，將導(dǎo)致系統(tǒng)離焦(Defocus)，造成圖像質(zhì)量下降、成像模糊。光學(xué)系統(tǒng)的相對(duì)孔徑越大，離焦表現(xiàn)的效果越明顯。離焦會(huì)直接影響后續(xù)的信息提取和處理工作。調(diào)整光學(xué)系統(tǒng)由離焦到聚焦的過(guò)程稱為調(diào)焦。能否準(zhǔn)確快速調(diào)焦對(duì)于一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)是非常重要的

2、。傳統(tǒng)的手動(dòng)調(diào)焦依靠人的目測(cè)和手調(diào)，耗時(shí)長(zhǎng)2，可重復(fù)性小，調(diào)整精度受人員主觀影響較大。20世紀(jì)70年代后，微電子技術(shù)的突破、大規(guī)模集成電路和中央處理器的出現(xiàn)，使調(diào)焦開(kāi)始由過(guò)去的目測(cè)和手調(diào)成為完全的自動(dòng)控制，隨著自動(dòng)化水平不斷提高，自動(dòng)調(diào)焦技術(shù)也日臻完善，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，在自動(dòng)化、高精度、高穩(wěn)定性等方面都取得了很大進(jìn)展，現(xiàn)己廣泛應(yīng)用于照相機(jī)、攝像機(jī)、顯微鏡、掃描儀等各種精密儀器中。在初期主要是應(yīng)用在顯微鏡、照相機(jī)和攝影機(jī)等方面，但在過(guò)去很長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)都是以非自動(dòng)化即目測(cè)、手動(dòng)調(diào)焦的方式進(jìn)行的，這主要由于它適應(yīng)和滿足了當(dāng)時(shí)對(duì)調(diào)焦精度和速度的要求。但是在近幾十年來(lái)，特別是進(jìn)入20世紀(jì)70年代以來(lái)，隨

3、著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，同其他領(lǐng)域一樣，精密儀器領(lǐng)域面臨著高精度、高速度、高穩(wěn)定性和自動(dòng)化的要求，因而自動(dòng)調(diào)焦技術(shù)不斷完善，應(yīng)用的范圍也迅速擴(kuò)大， 自動(dòng)調(diào)焦問(wèn)題已經(jīng)不再是許多儀器實(shí)現(xiàn)或性能提高的重要障礙。人們?cè)谧詣?dòng)調(diào)焦領(lǐng)域的深入研究，使得這一技術(shù)成為精密光學(xué)儀器領(lǐng)域中的一項(xiàng)重要技術(shù)。2 自動(dòng)調(diào)焦原理通用光學(xué)儀器常常要對(duì)工件進(jìn)行手動(dòng)調(diào)焦及瞄準(zhǔn)，其調(diào)節(jié)過(guò)程長(zhǎng)，瞄準(zhǔn)的精度受人為主觀因素的影響較大3?，F(xiàn)代化的數(shù)字測(cè)量?jī)x器常采用激光、光柵等技術(shù)，雖然儀器的測(cè)量精度、 測(cè)量速度以及系統(tǒng)的自動(dòng)化程度都得到了提高，但系統(tǒng)的瞄準(zhǔn)部分仍采用原來(lái)的光學(xué)瞄準(zhǔn)方法，瞄準(zhǔn)速度與瞄準(zhǔn)精度仍未得到提高。因此，解決通用光學(xué)儀器及

4、現(xiàn)代化數(shù)字儀器的調(diào)焦與瞄準(zhǔn)問(wèn)題，從而進(jìn)一步提高測(cè)量精度、測(cè)量速度及自動(dòng)化程度，減輕操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度是十分必要的。隨著 21 世紀(jì)先進(jìn)制造業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)技術(shù)的迅猛發(fā)展，對(duì)伴隨其發(fā)展的質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)提出了更高的要求。自動(dòng)化制造生產(chǎn)過(guò)程中的完整質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)，在具備實(shí)時(shí)在線檢測(cè)能力的基礎(chǔ)上， 并且朝著高自動(dòng)化、智能化、柔性化方向發(fā)展。而在計(jì)算機(jī)視覺(jué)理論基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的自動(dòng)化視覺(jué)檢測(cè)(Automated Machine Vision Inspection)技術(shù)，是一種非接觸式的檢測(cè)方法，并且具有檢測(cè)速度快、檢測(cè)精度高、能夠自動(dòng)、連續(xù)的進(jìn)行檢測(cè)，可以進(jìn)行遙測(cè)，便于自動(dòng)記錄，可以和電子計(jì)算機(jī)相連接進(jìn)行處理，可

5、以采用微處理機(jī)做成智能儀器等優(yōu)點(diǎn)，恰好滿足了現(xiàn)代工業(yè)對(duì)檢測(cè)的要求。現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的檢測(cè)都是由靜態(tài)向動(dòng)態(tài)發(fā)展，以及機(jī)器人技術(shù)的大力開(kāi)發(fā)，更為視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)開(kāi)拓了廣闊的應(yīng)用前景。圖像測(cè)量技術(shù)是近年來(lái)在測(cè)量領(lǐng)域中形成的新的測(cè)量技術(shù)，其優(yōu)點(diǎn)在于可進(jìn)行在線和非接觸測(cè)量，而且具有信息量大，精度高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， 易于與計(jì)算機(jī)相聯(lián)等優(yōu)點(diǎn)。目前在圖像測(cè)量技術(shù)中，需進(jìn)一步解決的問(wèn)題是如何進(jìn)一步提高測(cè)量分辨率和調(diào)焦的準(zhǔn)確性。進(jìn)行準(zhǔn)確調(diào)焦是圖像測(cè)量的第一步，它是保障測(cè)量精度的前提和基礎(chǔ)，因而具有至關(guān)重要的作用。無(wú)論是傳統(tǒng)的檢測(cè)方法還是視覺(jué)檢測(cè)方法，凡光學(xué)系統(tǒng)都有成像得問(wèn)題，成像質(zhì)量是人們對(duì)多數(shù)光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行研究時(shí)比較關(guān)心的要

6、素之一，因此它直接關(guān)系到研究的成果。人們找出了很多種方法來(lái)獲得高質(zhì)量的圖像，而關(guān)鍵技術(shù)便是調(diào)焦問(wèn)題4。2.1 理論依據(jù)自動(dòng)調(diào)焦的目的是為了快速地獲得高精度、高清晰的圖像。對(duì)于一個(gè)成像系統(tǒng)，我們可以用高斯公式描述：式中：v-物距； u-像距； f-焦距。從上面的高斯公式我們可以看出，可以通過(guò)變物距、變像距、變焦距三種方式達(dá)到調(diào)焦的目的。當(dāng)物距或像距發(fā)生變化時(shí)，由式可知，當(dāng)鏡頭的焦距不變時(shí)候那么為了獲得高質(zhì)量的圖像，可以通過(guò)改變物距或者像距這兩種途徑來(lái)滿足高斯公式。但改變像距的同時(shí)光學(xué)系統(tǒng)的放大倍數(shù)也發(fā)生改變，這對(duì)于一般的照相機(jī)和攝像機(jī)來(lái)可能關(guān)系不大，而對(duì)于絕大多數(shù)的精密儀器測(cè)量來(lái)講，這樣做會(huì)影響

7、儀器的使用， 所以一般很少采用像距方式來(lái)調(diào)焦，同時(shí)由于變焦距法調(diào)焦，是對(duì)光學(xué)鏡頭組進(jìn)行調(diào)節(jié)相對(duì)復(fù)雜，難度比較高，一般很少采用。所謂調(diào)焦，是指沿光軸方向改變物面(或鏡頭)的位置，使得物像關(guān)系滿足高斯公式，以獲取清晰的圖像。1) 離焦描述：幾何光學(xué)認(rèn)為，平行光發(fā)出的光線經(jīng)過(guò)理想的光學(xué)系統(tǒng)，全部匯聚在焦平面上一點(diǎn)，而在離焦位置上(設(shè)為離焦量)呈現(xiàn)彌散斑，彌散斑的形狀與光學(xué)孔徑形狀相似。圖2-1 幾何光學(xué)的離焦描述以最常見(jiàn)的圓形孔徑為例，圖2-1中f為透鏡焦距，D為透鏡通光孔徑，平行于光軸的光線經(jīng)透鏡在焦平面上匯聚成一點(diǎn)，如果探測(cè)器平面偏離焦平面，則得到一直徑為d的彌散圓，其中d與偏移量和通光孔徑D成

8、正比、與焦距f成反比。容易看出，當(dāng)探測(cè)器位于焦面前和焦面后時(shí)，其彌散圓的尺寸變化在焦面的前后是對(duì)稱的，而且光強(qiáng)在彌散圓內(nèi)分布均勻。在無(wú)像差的光學(xué)系統(tǒng)中，由于衍射的存在，點(diǎn)光源通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)其能量會(huì)散開(kāi)而不能得到理想的點(diǎn)像，其亮度分布稱為點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)(PSF)，點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)可以通過(guò)求傳輸函數(shù)的幅度得到，傳輸函數(shù)又可以通過(guò)對(duì)光瞳函數(shù)作傅里葉變換得到。圖2-2中，S'為收斂于焦點(diǎn)F的波前，S1'為圓心位于F點(diǎn)后處的離焦位置點(diǎn)P的波前，在對(duì)F點(diǎn)張角為處產(chǎn)生的兩個(gè)波前距離差 20=1/2n'sin2，其中n'為介質(zhì)折射率。由圖2-2，光瞳函數(shù)為：式中的直角坐標(biāo)(x,y)為歸一化

9、后的波前上的點(diǎn)坐標(biāo)，當(dāng)x2+y2=1時(shí)，表示圓形光瞳的邊緣。20圖2-2 衍射理論的離焦描述從以上的分析中可以看出，通過(guò)無(wú)像差的圓形光闌光學(xué)系統(tǒng)，幾何光學(xué)得出的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)僅僅是光強(qiáng)分布一致的圓斑，衍射理論通過(guò)計(jì)算離焦波前和聚焦波前的相位差是更加精確的描述。Stokseth的結(jié)論表明，當(dāng)離焦量較小( 20 < 10)時(shí)，幾何光學(xué)并不適合來(lái)描述離焦現(xiàn)象；離焦量較大( 20 > 10)時(shí)，幾何光學(xué)的結(jié)果才可以在低頻段近似衍射理論。2) 判據(jù)原理：從牛頓成像公式 xx =ff 可知 當(dāng)光學(xué)系統(tǒng)的ff 一定時(shí)，以焦點(diǎn)為計(jì)算起點(diǎn)的物距x和像距x之間為雙曲線關(guān)系，且有一一對(duì)應(yīng)的性質(zhì)，可稱之為物像

10、共軛關(guān)系。當(dāng)x絕對(duì)值變大時(shí)，x的絕對(duì)值將變小，反之當(dāng) x絕對(duì)值變小時(shí)，x的絕對(duì)值將變大。調(diào)焦判別原理根據(jù)牛頓公式xx =ff ，可以找出物上的點(diǎn)在共軛物平面上或平面前后時(shí)像方的成像情況。圖2-3 光學(xué)系統(tǒng)的物像關(guān)系圖2-3中a和b為成實(shí)像條件下的物像共軛面，攝像機(jī)的CCD感光面安排在b面，a面上的點(diǎn)成像在b面上； c面上的點(diǎn)成像在d面上，其在b面上的像是一個(gè)彌散圓；同理，e 面上的點(diǎn)在 b 面上的像也是一個(gè)彌散圓。因而不在 a 面的物的像是物上各點(diǎn)在b面上的彌散圓像的卷積，像的清晰度變差。物離共軛面a越遠(yuǎn)清晰度越差。因此可以得出一個(gè)結(jié)論，只有在正確調(diào)焦的情況下，圖像各點(diǎn)間的灰度對(duì)比度最強(qiáng)；調(diào)焦

11、偏差越大，灰度對(duì)比度越弱。這就是實(shí)現(xiàn)調(diào)焦判別的理論依據(jù)。2.2 方法介紹自動(dòng)調(diào)焦技術(shù)己經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種精密儀器中，常見(jiàn)的調(diào)焦方法根據(jù)其判別準(zhǔn)則來(lái)源于物方還是像方，可分為主動(dòng)法和被動(dòng)法5，主動(dòng)法是指各種方式的物距檢測(cè)；被動(dòng)法則是像質(zhì)評(píng)價(jià)。被動(dòng)法中的以數(shù)字圖像處理作為調(diào)焦檢測(cè)函數(shù)的方法，具有算法靈活多變、控制容易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。采用圖像處理法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)焦的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題就在于圖像清晰度評(píng)價(jià)函數(shù)的選取。理想的評(píng)價(jià)函數(shù)要求：無(wú)偏性、單峰性、能反映離焦的極性、對(duì)噪聲敏感度低等，通常為提高效率，還希望計(jì)算量盡可能的小。自動(dòng)調(diào)焦系統(tǒng)是一個(gè)閉環(huán)的控制系統(tǒng)，它包括信號(hào)的自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)調(diào)整兩部分，相對(duì)于手動(dòng)調(diào)焦，它具有

12、高精度、高效率的特點(diǎn)，但結(jié)構(gòu)相對(duì)來(lái)說(shuō)比較復(fù)雜，成本也比較高。近些年來(lái)自動(dòng)調(diào)焦技術(shù)有的是采用了圖像處理的辦法，有的是采用圖像掃描的辦法，有的是采用氣動(dòng)式測(cè)距的方法。不過(guò)總結(jié)起來(lái)極有價(jià)值的、典型的自動(dòng)調(diào)焦方法主要有6：1)測(cè)距法：包括激光測(cè)距法、紅外測(cè)距法和超聲波測(cè)距法等,他們的共同特點(diǎn)是通過(guò)接受反射過(guò)來(lái)測(cè)量目標(biāo)的距離和方位，然后通過(guò)計(jì)算機(jī)控制自動(dòng)調(diào)焦。 采用這些方法的儀器一般體積較大，價(jià)錢(qián)較高，且對(duì)近距離不太適合。而且當(dāng)被測(cè)物體對(duì)紅外光或者是超聲波有較大強(qiáng)的吸收作用時(shí)候，將使測(cè)距系統(tǒng)失靈或?qū)共粶?zhǔn)確。2)VAF 組件相關(guān)法：VAF(Visitronic Auto Focus)組件或稱為視象自動(dòng)調(diào)

13、焦組件是由霍尼威爾(Honeywell)公司研制的，它通過(guò)電子線路測(cè)定左側(cè)固定反射鏡掃描所形成的被攝體象在其對(duì)應(yīng)半導(dǎo)體元件上的相對(duì)位置關(guān)系(相關(guān)性)，從而進(jìn)行自動(dòng)調(diào)焦。這種方法設(shè)計(jì)巧妙，體積較小，但機(jī)構(gòu)復(fù)雜且精度不高。3)基于圖像處理技術(shù)法：這種方法是基于在正焦(接收器正處于景象平面上)的情況下，圖像各點(diǎn)間的灰度對(duì)比度最強(qiáng)；離焦(接收器離開(kāi)景象平面上)偏差越大，灰度對(duì)比度越弱這一調(diào)焦判別的理論依據(jù)的自動(dòng)調(diào)焦方法。表2-1 自動(dòng)調(diào)焦方法總結(jié)自動(dòng)調(diào)焦間接調(diào)焦電容測(cè)量式偏心光束式斜光束式氣動(dòng)式測(cè)距式測(cè)速法激光測(cè)距法紅外測(cè)距法超聲波測(cè)距法直接調(diào)焦圖像掃描電視掃描二極管多重掃描激光掃描光柵掃描圖像處理刀

14、口法接收器件：光電池、光電二極管陣列、CCD光電攝像管等。像散法平滑法MTF法空間濾波法微分法積分法小波變換法日本的潘太克司(PENTAX)TTL-EFC 系統(tǒng)、歐林巴斯(OLYMPUS)的高級(jí)顯微鏡 AHBS 型、我國(guó)天津大學(xué)精密儀器系研制的圖象分析顯微鏡、哈爾濱工業(yè)大學(xué)的二維圖像坐標(biāo)測(cè)量機(jī)系統(tǒng)等都是采用的這種自動(dòng)調(diào)焦方法?，F(xiàn)把目前所研究出的各種調(diào)焦方法的詳細(xì)總結(jié)如表2-1 所示。3 評(píng)價(jià)函數(shù)的選擇自動(dòng)調(diào)焦發(fā)展到今天，己經(jīng)取得了一定的成就。人們?cè)趹?yīng)用圖像處理法的調(diào)焦評(píng)價(jià)函數(shù)方面進(jìn)行了廣泛的研究，提出了許多調(diào)焦評(píng)價(jià)函數(shù)，基本上可以分四大類: (1)頻域函數(shù) 這一類函數(shù)是以傅立葉變換(Fouri

15、er transform)為基礎(chǔ)的，高清晰度圖像的主要特征是具有清晰的邊緣和圖像細(xì)節(jié)的復(fù)現(xiàn)性，它對(duì)應(yīng)于圖像傅立葉變換后的高頻分量。離焦退化造成的圖像模糊在頻域上體現(xiàn)為高頻成分的衰減，因此，可以用圖像的高頻分量作為自動(dòng)調(diào)焦的評(píng)價(jià)函數(shù)7。但是，一般來(lái)講，這種方法的計(jì)算量是比較大的。 (2)灰度函數(shù) 這一類函數(shù)主要利用對(duì)圖像灰度的各種處理方法來(lái)表征圖像的清晰度。例如，利用圖像處理方面的梯度函數(shù)提取圖像的邊緣信息。 (3)信息學(xué)函數(shù) 正焦圖像與離焦圖像相比，其灰度值的多樣性要大，即它們的信息含量或熵是不一樣的。圖像趨于離焦時(shí)，圖像的灰度值趨于單一灰度，信息含量減少，所以，可以利用圖像的信息熵來(lái)作為自動(dòng)

16、調(diào)焦的評(píng)價(jià)函數(shù)。 (4)統(tǒng)計(jì)學(xué)函數(shù) 完全離焦的圖像是由單一灰度值組成的，正焦圖像則因?yàn)榘饲逦鷪D像信息，表現(xiàn)為多灰度值分布，這一特性可以用直方圖來(lái)表示。 一個(gè)理想的調(diào)焦函數(shù)，應(yīng)該具有以下特性8-10： 1)無(wú)偏性。只有在物面與對(duì)焦平面重合時(shí)，調(diào)焦評(píng)價(jià)函數(shù)才取得極值。 2)半寬度。曲線的半寬度是指在函數(shù)最大值50%時(shí)的曲線寬度。這一指標(biāo)主要描述了曲線的尖銳程度。一般來(lái)講，具有比較尖銳峰值的曲線可以使系統(tǒng)更加容易正確地定位于最佳物面位置，而不尖銳的曲線將增大理想對(duì)焦位置的定位不確定性。此外，半寬度小，說(shuō)明函數(shù)在較大離焦時(shí)具有較大的斜率，意味著較高的調(diào)焦靈敏度和判斷離焦的高可靠性。 3)曲線的單調(diào)

17、范圍。曲線的單調(diào)范圍是指在曲線的峰值點(diǎn)處向某一側(cè)的延伸部分是單調(diào)下降趨勢(shì)的范圍大小。這一指標(biāo)直接決定了根據(jù)此調(diào)焦特性曲線所能實(shí)現(xiàn)的有效調(diào)焦的范圍大小。理想調(diào)焦特性曲線的單調(diào)范圍應(yīng)該是很大的，但在實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)中，當(dāng)物面離焦量達(dá)到一定程度時(shí)，象方視場(chǎng)內(nèi)充滿了背景色和噪聲信號(hào)，評(píng)價(jià)函數(shù)的計(jì)算結(jié)果呈現(xiàn)一定的隨機(jī)性，使得曲線的單調(diào)范圍為有限長(zhǎng)。 4)單峰性。對(duì)于某些函數(shù)來(lái)講，應(yīng)該稱為單谷性。就是說(shuō)，評(píng)價(jià)函數(shù)有且僅有一個(gè)極值，極值對(duì)應(yīng)于最清晰的圖像。有時(shí)，由于一些干擾的影響，致使調(diào)焦曲線出現(xiàn)一些干擾峰，如果干擾峰在主峰附近，將會(huì)給自動(dòng)調(diào)焦結(jié)果造成較大的誤差。因此，理想的調(diào)焦曲線應(yīng)該比較平滑且單峰。 5)對(duì)

18、個(gè)別參數(shù)的不敏感性。如果在調(diào)焦過(guò)程中，環(huán)境的個(gè)別參數(shù)發(fā)生了變化 (例如光照強(qiáng)度)，調(diào)焦程序仍然有較好的特性。 6)能反映離焦極性。為自動(dòng)調(diào)焦的位置調(diào)整確定正確的方向。 7)較高的信噪比。即使在一定的噪聲干擾下亦能檢測(cè)到離焦信號(hào)。8)相對(duì)計(jì)算時(shí)間。能使計(jì)算機(jī)快速完成評(píng)價(jià)函數(shù)運(yùn)算，滿足調(diào)焦實(shí)時(shí)性的要求。下面來(lái)介紹幾種常用的調(diào)焦評(píng)價(jià)函數(shù)算法11：1) 峰值光強(qiáng)比較法：假定圖像函數(shù)非負(fù)值，即f(x,y)0，則：Emaxf(xi,yj)E越大對(duì)焦越好。本方法最簡(jiǎn)單，尤其對(duì)單點(diǎn)成像最適用，但是對(duì)于線掃描和面掃描，得先尋找到峰值點(diǎn)。2) 對(duì)比度比較法：對(duì)于線掃描：對(duì)于面掃描：對(duì)比度R越大，對(duì)焦越好。3) 標(biāo)

19、準(zhǔn)差比較法：其中，為像面的均值。使值最大的點(diǎn)即為系統(tǒng)的對(duì)焦點(diǎn)。但此算法不適合單點(diǎn)成像和線掃描采樣方式。4) 熵值比較法：對(duì)于一幅大小的圖像，其總能量可表示為：同時(shí)定義：由于的結(jié)構(gòu)類似于信息論中熵的表示法，所以稱它為圖像的熵。根據(jù)山農(nóng)信息論原理，熵最大時(shí)信息量最多。將此應(yīng)用于調(diào)焦過(guò)程中，當(dāng)E一定時(shí)，最大，二維圖像最清晰。用此方法的對(duì)焦靈敏度最高，但此算法也不適合單點(diǎn)采樣方式。5) 閾值積分法：根據(jù)圖像的灰度分布，選取一個(gè)閾值，并對(duì)大于閾值的灰度進(jìn)行求和，其最大值作為圖像的調(diào)焦判據(jù)，精度不高。式中，(為圖像灰度閾值)。此外，利用統(tǒng)計(jì)學(xué)函數(shù)方法還有多種算法，如：Range函數(shù)、Menmay函數(shù)、Ma

20、sgrn函數(shù)、直流功率函數(shù)、交流功率函數(shù)等12。4 基于圖像的調(diào)焦系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及控制方案4.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理整個(gè)系統(tǒng)為一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)計(jì)算機(jī)用軟件判斷離焦，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制自動(dòng)調(diào)整機(jī)構(gòu)工作，圖像采集卡負(fù)責(zé)采集圖像，送入計(jì)算機(jī)內(nèi)存，供離焦判斷之用?；竟ぷ鬟^(guò)程如下： 1.首先啟動(dòng)自動(dòng)調(diào)焦程序，完成一些必需的初始化工作； 2.計(jì)算機(jī)控制圖像采集系統(tǒng)工作，取得圖像數(shù)據(jù)； 3.對(duì)圖像數(shù)據(jù)完成調(diào)焦評(píng)價(jià)函數(shù)運(yùn)算，取得離焦信號(hào)； 4.對(duì)離焦信號(hào)進(jìn)行判斷，如果未能達(dá)到調(diào)焦要求，完成必要的記錄后，控制自動(dòng)調(diào)焦機(jī)構(gòu)適當(dāng)調(diào)整，然后重新回到第2步；5.提醒用戶自動(dòng)調(diào)焦完成，退出自動(dòng)調(diào)焦軟件系統(tǒng)。上述調(diào)焦過(guò)程，因?yàn)槊恳?/p>

21、次離焦信號(hào)的提取和判斷都有一定的誤差，所以一般情況下理想對(duì)焦平面位置的確定都是多次運(yùn)算比較的結(jié)果。操作者系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輸入/輸出接口步進(jìn)電機(jī)微位移機(jī)構(gòu)圖像采集卡CCD攝像頭物距調(diào)整圖4-1 基于圖像處理的自動(dòng)調(diào)焦系統(tǒng)原理框圖4.2 系統(tǒng)尋優(yōu)控制方案自動(dòng)調(diào)焦的過(guò)程是對(duì)圖像清晰度的一個(gè)逐步優(yōu)化的過(guò)程。實(shí)際上，理想對(duì)焦位置不可能從一幅圖像確定，調(diào)焦過(guò)程必須經(jīng)過(guò)多次圖像采集、處理、與已有樣本對(duì)照并判斷的過(guò)程。因此，如何快速而準(zhǔn)確地找到對(duì)焦點(diǎn)是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中的一大問(wèn)題。從前面可以知道，用熵函數(shù)作為評(píng)價(jià)函數(shù)，得到的調(diào)焦曲線是一條近似的拋物線，所以可以借鑒數(shù)學(xué)某些求極值的方法13。1.斜率法 如圖4-2所示，對(duì)焦點(diǎn)

22、P點(diǎn)處的斜率等于零或接近于零，而其它點(diǎn)處(如A、B點(diǎn))的斜率則大于零或小于零。所以在移動(dòng)鏡頭的過(guò)程中，只要檢測(cè)各點(diǎn)處的斜率值就知道離焦的情況，正斜率表示運(yùn)動(dòng)方向趨向于對(duì)焦點(diǎn)，負(fù)值斜率表示運(yùn)動(dòng)方向遠(yuǎn)離對(duì)焦點(diǎn)。而零斜率或小于我們?cè)O(shè)定的值表示處于對(duì)焦點(diǎn)。這一方法的優(yōu)點(diǎn)是調(diào)焦速度快，但由于對(duì)焦點(diǎn)P處的斜率變化很小，所以這種方法的調(diào)焦精度并不理想14。圖4-2 斜率法2.逐步搜索法 如圖4-3所示，從A點(diǎn)出發(fā)找到方向后逐步比較采樣值，達(dá)到B點(diǎn)后再返回最小值C點(diǎn)處。B點(diǎn)與C點(diǎn)之差是人為設(shè)定的，這一差值應(yīng)確保C點(diǎn)在A, B區(qū)間之內(nèi)而且為提高調(diào)焦速度B點(diǎn)也不應(yīng)離C點(diǎn)太遠(yuǎn)。該方法的特點(diǎn)是調(diào)焦速度比較快，但由于該

23、方法是以采樣值的大小來(lái)確定對(duì)焦點(diǎn)的。所以噪聲以及其它干擾都會(huì)使系統(tǒng)的調(diào)焦精度受到影響15。圖4-3 逐步搜索法3.對(duì)分法 如圖 4-4所示，由光學(xué)可以證明，標(biāo)準(zhǔn)調(diào)焦曲線關(guān)于對(duì)焦點(diǎn)是對(duì)稱的。故利用對(duì)稱特性便可以用對(duì)分法找到最佳對(duì)焦點(diǎn)。從A點(diǎn)出發(fā)，在曲線另一側(cè)找到A的對(duì)稱點(diǎn)B，然后再返回A，行程的一半即達(dá)到對(duì)焦點(diǎn)C16。圖4-4 對(duì)分法這一方法的精度是相當(dāng)高的，但從圖中可以看出若A點(diǎn)位置不同則 AB的行程也不一樣，從而調(diào)焦時(shí)間也不一樣。這就是說(shuō)調(diào)焦速度很大程度上取決于A點(diǎn)的位置，另一點(diǎn)就是若A點(diǎn)處于C點(diǎn)位置或非常接近C點(diǎn)的時(shí)候，則此法可能不穩(wěn)定從而無(wú)法找到對(duì)焦點(diǎn)。4.綜合法 如圖4-5所示，本系統(tǒng)

24、中我們兼顧調(diào)焦速度和調(diào)焦精度，綜合了逐步搜索法的快速性和對(duì)分法的高精度特性，提出一種綜合的方法。從A點(diǎn)出發(fā)，用逐步搜索法找到A'點(diǎn)，從 A'點(diǎn)開(kāi)始用對(duì)分法找到對(duì)焦點(diǎn)C點(diǎn)17。圖4-5 綜合法綜合法有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：一是由于C點(diǎn)包含在AA'區(qū)間之內(nèi)18，所以不會(huì)出現(xiàn)象對(duì)分法中找不到對(duì)焦點(diǎn)的不穩(wěn)定情況；二是由于A'B兩點(diǎn)均在C點(diǎn)較近的范圍內(nèi)，所以盡管使用了對(duì)分法，整個(gè)調(diào)焦過(guò)程的時(shí)間不會(huì)增加很多，而系統(tǒng)的調(diào)焦精度卻河以得到顯著提高19。自動(dòng)調(diào)焦系統(tǒng)流程圖如圖4-6所示。先任意采集一幅圖像，計(jì)算其熵值，然后使步進(jìn)電機(jī)正向前進(jìn)若干步，再次計(jì)算熵值。比較兩次的熵值大小，如后一次的

25、值比前一次的小，則電機(jī)前進(jìn)，反之，則后圖4-6 自動(dòng)調(diào)焦系統(tǒng)流程圖停電機(jī)中斷|差值|電機(jī)反轉(zhuǎn)到B點(diǎn)逐步搜索電機(jī)正轉(zhuǎn)到A'點(diǎn)逐步搜索電機(jī)反轉(zhuǎn)當(dāng)前值移動(dòng)后的計(jì)算熵值開(kāi)始任意采集一幅圖像計(jì)算熵值電機(jī)前進(jìn)重復(fù)n次電機(jī)正轉(zhuǎn)逐步搜索到B'點(diǎn)退；當(dāng)電機(jī)停止后，再先后記錄兩次圖像的熵值，比較其大小，如后一次的值仍比前一次的小，電機(jī)繼續(xù)前進(jìn)，反之則繼續(xù)后退；直到測(cè)得后一次的值比前一次的大，電機(jī)反轉(zhuǎn)，同時(shí)縮小前進(jìn)的步數(shù)，即縮小調(diào)焦范圍；依次循環(huán)若干次后，判斷此時(shí)先后采集的兩幅圖像的熵值差的絕對(duì)值是否小于 1.35. (1.35是根據(jù)前面熵值與測(cè)量誤差之間的關(guān)系試驗(yàn)得到的，即當(dāng)熵值達(dá)到1.35左右，

26、測(cè)量誤差幾乎不發(fā)生變化)。如果小于，退出自動(dòng)調(diào)焦軟件，調(diào)焦完成，否則繼續(xù)循壞，進(jìn)行判定，直到判定到清晰圖像為止20。5 自動(dòng)調(diào)焦技術(shù)的研究現(xiàn)狀隨著儀器自動(dòng)化、智能化的迅速發(fā)展，自動(dòng)調(diào)焦技術(shù)的應(yīng)用顯得越來(lái)越重要，不僅顯微鏡需要自動(dòng)調(diào)焦，其它許多光學(xué)儀器，如照相機(jī)、攝象機(jī)、光刻機(jī)以及光學(xué)測(cè)量?jī)x等都需要自動(dòng)調(diào)焦。自動(dòng)調(diào)焦技術(shù)是一個(gè)很早就引起人們重視的研究課題，實(shí)現(xiàn)光學(xué)系統(tǒng)的自動(dòng)調(diào)焦是光學(xué)工作者百年來(lái)說(shuō)一直探索的目標(biāo)。從上個(gè)世紀(jì)已經(jīng)有人從事這方面的研究。 最早是法國(guó)人于1898年實(shí)現(xiàn)了對(duì)放大鏡系統(tǒng)的自動(dòng)調(diào)焦21，后來(lái)到1960年，A.Martin的自動(dòng)調(diào)焦測(cè)距器和1968年Canon的自動(dòng)調(diào)焦相機(jī)才開(kāi)

27、始使自動(dòng)調(diào)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)入了新的階段22。進(jìn)入九十年代，自動(dòng)調(diào)焦技術(shù)已廣泛地用于航天、醫(yī)學(xué)、工業(yè)機(jī)器人視覺(jué)、軍事以及各種高精度測(cè)量和投影式儀器。七十年代初，美國(guó)斯坦福大學(xué)J. M. Tenebanm研究了計(jì)算機(jī)視覺(jué)系統(tǒng)的自動(dòng)調(diào)焦問(wèn)題23。他們根據(jù)圖像的情況提取離焦信號(hào)，以調(diào)制閾值梯度作為自動(dòng)調(diào)焦評(píng)價(jià)函數(shù)獲得了較好的效果。1976年澳大利亞的R. A. Jarvis對(duì)顯微鏡圖像處理系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)焦進(jìn)行了研究24，提出了三種評(píng)價(jià)函數(shù)，其特點(diǎn)是算法計(jì)算簡(jiǎn)單，但每種評(píng)價(jià)函數(shù)僅對(duì)具有某種特征的圖像有效。1987年 Ren, Coluo 提出了二種適合于漫反射物體的自動(dòng)調(diào)焦算法25，并應(yīng)用于機(jī)器人自動(dòng)調(diào)焦系統(tǒng)。

28、1983年，英國(guó)瑞丁大學(xué)物理系Grimbeby. J. B提出用調(diào)制傳遞函數(shù)作為離焦判據(jù)，這一觀點(diǎn)現(xiàn)已被光學(xué)界普遍接受，作為像質(zhì)評(píng)價(jià)的最佳標(biāo)準(zhǔn)。1988年，美國(guó)的Carnegie Mellon大學(xué) Lawrence Firestose用不同調(diào)焦評(píng)價(jià)函數(shù)對(duì)生物組織圖像、 正弦圖像和隨機(jī)圖像進(jìn)行了性能對(duì)比分析26-28。 1992年，新加坡國(guó)立大學(xué)的TTE，Yeo等人對(duì)以前自動(dòng)調(diào)焦領(lǐng)域出現(xiàn)的評(píng)價(jià)函數(shù)做了分類、對(duì)比，并對(duì)單層圖像、多層圖像和彩色圖像的調(diào)焦曲線進(jìn)行了研究，同時(shí)介紹了一種通過(guò)插值從一系列圖像中提取高質(zhì)量圖像的方法29。日本許多著名的家電生產(chǎn)企業(yè)如Canon 、Sony 、Nikon 、R

29、icoh 都把自動(dòng)調(diào)焦技術(shù)應(yīng)用于照相機(jī)。例如 Sony 公司利用數(shù)字積分法對(duì)視頻信號(hào)進(jìn)行分析，認(rèn)為當(dāng)圖像正焦時(shí)，積分值最大，把該方法應(yīng)用其生產(chǎn)的照相機(jī)中，取得了較理想的效果。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)有眾多的科研院所及大專院校都對(duì)自動(dòng)調(diào)焦技術(shù)進(jìn)行了研究。上海工業(yè)大學(xué)在1983年利用模擬電路檢測(cè)電視信息的高頻分量30，進(jìn)行調(diào)焦判別，取得了較高的調(diào)焦精度。在1984年和1986年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)光學(xué)儀器專業(yè)利用自準(zhǔn)直法研制成功了衛(wèi)星相機(jī)的自動(dòng)調(diào)焦系統(tǒng)， 精度10m 。1992年，該專業(yè)又研制了具有國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平的圖像檢測(cè)式頻帶切割差動(dòng)比較CCD自動(dòng)調(diào)焦系統(tǒng)，1993年，又進(jìn)行了高分辨力 CCD 衛(wèi)星相機(jī)調(diào)焦技術(shù)的

30、研究， 精度為 0.6m。浙江大學(xué)利用圖像微分法，在 10m范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了對(duì)顯微系統(tǒng)的調(diào)焦，精度為 1.9m。清華大學(xué)研制的氣動(dòng)自動(dòng)調(diào)焦儀，利用噴嘴擋板原理來(lái)獲取離散信號(hào)，能在±100m的范圍內(nèi)達(dá)到0.5m的調(diào)焦精度。浙江大學(xué)、電子部 45 所和上海光學(xué)儀器研究所都曾利用光電法對(duì)照相系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)焦的研究，均達(dá)到了較高的精度。上海激光技術(shù)研究所對(duì)光盤(pán)錄放機(jī)的顯微系統(tǒng)利用象散法進(jìn)行自動(dòng)調(diào)焦，實(shí)現(xiàn)了在 500m 范圍內(nèi) 10m的調(diào)焦精度。清華大學(xué)對(duì)線寬測(cè)量?jī)x的顯微系統(tǒng)利用偏心光束法進(jìn)行自動(dòng)調(diào)焦，實(shí)現(xiàn)了±500m的調(diào)焦范圍內(nèi)0.1m的調(diào)焦精度。參考文獻(xiàn)：1 原育凱.光學(xué)系統(tǒng)的自動(dòng)調(diào)

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