一、引言

隨著工業(yè)自動化的飛速發(fā)展，機(jī)器視覺逐漸開始在生產(chǎn)和檢測中取代傳統(tǒng)的人眼。對于機(jī)器視覺系統(tǒng)而言，聚焦是最核心的問題，如果焦距沒有調(diào)整好，拍攝出來的圖像是模糊的，后續(xù)的工作自然無從談起。在顯微鏡下，這個問題更加嚴(yán)峻，由于物鏡的景深很小，對調(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)器視覺領(lǐng)域的重點問題，而自動聚焦技術(shù)正是解決這該問題的關(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)行檢測等工作。傳統(tǒng)的顯微鏡通過手動調(diào)焦，這對人員的專業(yè)操作能力有較高的要求，人員也無法長時間保持高度集中的狀態(tài)，整體的效率較差。而自動聚焦顯微鏡的操作比較簡單，效率也相對較高，但成本會有不少的提高，且準(zhǔn)確度也會因為不同的對焦方法而有波動。

從原理上來說，自動聚焦可分為2類，被動式和主動式。

1被動聚焦

被動式自動聚焦基于數(shù)字圖像處理，對取得的圖像進(jìn)行一系列分析來幫助完成聚焦，又可分為對焦深度法和離焦深度法。被動聚焦是目前應(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，但相對來說聚焦耗費的時間較長，且對圖像的質(zhì)量有較高的要求。

1.1對焦深度法

在焦點的附近采集一系列圖像，并對每幀圖像進(jìn)行分析，通過圖像的清晰度變化來實現(xiàn)自動對焦，其中的重點是圖像的清晰度評價函數(shù)與對焦搜索算法。圖像的清晰度評價函數(shù)應(yīng)具有無偏性、單峰性、信噪比高、計量數(shù)小、靈敏度高等特點，常用的有灰度梯度函數(shù)、頻譜函數(shù)、熵函數(shù)等。而對焦搜索算法應(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。

簡單以爬山法舉例而言，系統(tǒng)在焦點附近區(qū)域，沿著一個方向移動并且不停的拍照，同時分析每張圖的清晰度評價函數(shù)，直到越過評價函數(shù)峰值，再縮小步長，改變方向，繼續(xù)運動到峰值，重復(fù)上述過程直到滿足精度要求。

1.2離焦深度法

離焦分析法區(qū)別于對焦深度法，僅需采集2-3幀圖像，通過直接分析圖像得到離焦信息來完成自動聚焦。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，被動聚焦都需要對實際圖像進(jìn)行算法分析，而顯微鏡一般都使用面陣相機(jī)來取圖，圖像的信息較多，算法處理起來耗時較長，因此總體的聚焦耗時也較長，另外被動聚焦的準(zhǔn)確性僅受圖像清晰度和算法影響，對樣品本身的特性沒有特別的要求。

2主動聚焦

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

2.1激光測距模塊

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

2.2離焦誤差測量技術(shù)

離焦誤差測量技術(shù)主要基于光電檢測器，通過對系統(tǒng)內(nèi)部光路進(jìn)行微調(diào)，將光學(xué)系統(tǒng)的離焦量通過光電信號轉(zhuǎn)換出來。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。

相較于被動聚焦，主動聚焦不需要直接分析圖像，因此效率得到了較大的提升。但其需要對系統(tǒng)加裝新的傳感器，這對系統(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，由于分析的信號是樣品反射回來的光學(xué)信號，因此樣品的形貌和反射率等也會對主動聚焦的性能造成影響。

三、結(jié)論

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