一种光学显微镜自动对焦系统

本发明涉及光学显微镜，尤其是涉及一种光学显微镜自动对焦系统。

背景技术：

1、显微镜在生物医学、材料化学、工业检测等领域发挥着不可替代的作用。在显微镜的操作过程中，对焦是一个至关重要的步骤。由于传统的手动调焦依靠操作人员目测，效率低、精度差且具有一定的主观随意性。随着计算机技术、显微摄像技术、机电一体化技术的不断发展以及应用要求的不断提高，由计算机、显微摄像头和光学显微镜共同搭建的光学显微镜自动检测对焦系统开始被广泛需求。这种自动检测系统的开发与应用可以极大的减少人工工作量，提高检测效率和准确度，节省大量时间。这对于科学研究和实验工作来说，具有极大的意义。

2、现有的显微镜自动调焦系统主要针对大型全自动一体化显微镜，这些显微镜价格昂贵且驱动装置安装在显微镜主体内部无法自由拆卸，而普通的手动调焦的光学显微镜很少具有自动调焦系统，同时现有少数应用自动对焦系统的普通手动显微镜仍存在着外部驱动装置安装到显微镜时，需要对显微镜主体结构进行较大的改动，即需要拆卸零件或改装结构才能完成安装使用，用户一般无法独立完成改造，因此，对于上述的显微镜自动调焦装置的普及存在较大难度。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种光学显微镜自动对焦系统，能简单高效、准确灵活且方便安装和使用的光学显微镜的自动调焦系统。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种光学显微镜自动对焦系统，包括成像装置、失焦检测装置和驱动装置，所述驱动装置与所述失焦检测装置连接，所述失焦检测装置与所述成像装置连接；

3、所述驱动装置包括联接件、减速箱、单片机和旋转驱动元件，所述旋转驱动元件与所述减速箱连接，所述减速箱与联接件的一端连接，所述联接件的另一端与所述显微镜的旋转手轮连接；

4、所述成像装置包括工业相机和光学显微镜，所述光学显微镜与所述工业相机连接，所述工业相机与所述失焦检测装置连接；

5、所述失焦检测装置包括电脑和软件。

6、优选的，所述软件包括工业相机成像实时显示以及定时拍照程序、图像失焦检测程序、失焦程度等级划分程序、串口通信程序、驱动程序。

7、优选的，所述图像失焦检测程序包括傅里叶变换边缘检测算法和高斯滤波。

8、优选的，所述单片机通过所述串口通信程序接收指令并执行所述驱动程序。

9、优选的，所述联接件包括阶梯型轴、梯形夹紧外壳、压片、十字爪弹簧、联轴器，所述联轴器与所述阶梯型轴的一端连接，所述阶梯型轴的另一端与所述梯形夹紧外壳连接，所述梯形夹紧外壳与所述弹簧压片连接，所述弹簧压片上设置有弹簧孔，所述弹簧孔与所述十字爪弹簧连接，所述十字爪弹簧与所述阶梯型轴连接。

10、优选的，所述阶梯型轴包括大轴径的夹紧端、中轴径和小轴径的光轴端，所述小轴径的光轴端通过联轴器与所述减速箱连接，所述大轴径的夹紧端设置有外螺纹，所述外螺纹上设置有十字槽，所述十字槽与所述十字爪弹簧连接。

11、优选的，所述减速箱包括减速箱外壳、伞齿轮一、伞齿轮二、传动轴和滚动轴承，所述滚动轴承设置有多个，多个所述滚动轴承与所述传动轴连接，传动轴一的两端均与所述滚动轴承连接，一个所述滚动轴承通过连接件与所述联轴器连接，另一个所述滚动轴承通过连接件与所述减速箱外壳连接，所述减速箱外壳设置在支撑平台上，传动轴二的一端与所述滚动轴承连接，所述传动轴二的另一端与所述伞齿轮二连接，所述伞齿轮二与所述伞齿轮一相配合，所述伞齿轮一与所述传动轴一连接。

12、优选的，所述支撑平台包括支撑架、支撑板、紧定螺钉，所述紧定螺钉与所述支撑板连接，所述支撑板与所述支撑架连接，所述支撑板上设置有连接孔，所述连接孔与所述旋转驱动元件连接。

13、优选的，所述旋转驱动元件包括步进电机，所述步进电机与所述传动轴二端部的所述滚动轴承连接。

14、本发明中自动对焦执行过程主要包括如下步骤：

15、s1、利用成像装置和驱动装置获取一系列固定间隔时间和固定方向、步长的照片。

16、s2、利用电脑上位机软件中的工业相机成像实时显示以及定时拍照程序将利用工业相机通过光学显微镜获取到的图像实时显示到电脑屏幕上，另外控制工业相机定时拍照，并将照片按照序号加时间加步长的命名方式命名并储存到固定的文件夹里。

17、s3、利用失焦检测装置调用由成像装置获取的照片进行失焦程度检测，通过傅里叶变换边缘检测算法、高斯滤波对该照片进行失焦检测，该失焦检测算法通过获取照片具体的清晰度数值来实现图像模糊程度判断，数值越大图片模糊程度越小，失焦程度越小；对一系列连续照片进行失焦检测并通过比较检测结果，自动找出焦点处对应的图片并获取焦点处图像的清晰度数值，并计算出从拍摄第一张照片到获取到焦点处的照片之间的步长，依据焦点处的清晰度数值和不同清晰度照片之间的步长差，准确计算出步长改变和清晰度之间的线性关系，以此将调焦时驱动元件的运动步长与该步长下的清晰度变化值互相对应确定失焦程度，后续调焦则根据该位置下获取的照片的清晰度值和焦点处图像的清晰度值之差计算出驱动元件需要运动的步长，实现了准确快速对焦。

18、s4、定时获取照片并处存到文件夹中利用上位机软件中的图像失焦检测程序在连续相邻两次拍照之间完成从储存照片的文件里获取最新拍摄的照片，并计算出清晰度值，将被检测的照片的名称和检测数值结果以文本的形式保存到相应的文件夹中，将计算出的清晰度数值直接标注在被检测照片上并将照片另存到相应的文件夹中并在上位机中对应的图像显示区域中显示出来，实现可视化。

19、s5、根据当前位置下获取的照片的清晰度值和焦点处的清晰度值判断是否失焦，若不失焦，则不需要进行任何操作，若失焦，则计算出该清晰度数值对应的调焦步长。

20、s6、利用串口通信发送相应的命令来控制驱动模块进行调焦。

21、s7、驱动模块中控制任务通过单片机来完成，单片机通过串口通信接收到计算机发来的指令后会执行相应的驱动程序用来控制驱动元件即步进电机的工作。

22、s8、步进电机通过转过一定的步长进行显微镜的调焦，即利用步进电机驱动通过旋转准焦螺旋的手动轮进行调焦，步进电机的输出轴与减速箱的输入轴相连接，减速箱的输出轴与联接件光滑面的小轴连接，联接件的夹紧端与光学显微镜的准焦螺旋的手动轮连接，整体结构简单高效的实现了输入元件与输出元件运动的同步性，同时也提高了步长即旋转角度的精准性。

23、根据模糊程度划分模糊等级步骤如下：

24、步骤一、利用成像装置获取第一张照片并保存到文件夹中。

25、步骤二、利用失焦检测装置对第一张照片进行失焦检测，将检测后的结果a1保存到储存结果数据的文件夹中。

26、步骤三、利用成像装置和驱动装置获取任意方向、固定步长的第二张照片，并对第二张照片进行失焦检测，将检测后的清晰度值a2与第一张照片清晰度值a1相比较。

27、步骤四、确定调焦方向，若a1<a2，则步骤三中选择的任意方向为正方向即为焦点的方向，确定该方向为调焦方向，若a1>a2，则任意方向为负方向即为远离焦点的方向，确定调焦方向为该方向的反方向，给步进电机发送反向旋转的命令。

28、步骤五、利用成像装置和驱动装置获取调焦方向上一系列固定间隔时间和步长的照片，该系列照片包含焦点处的照片。

29、步骤六、对一系列照片进行失焦检测，获取具体的数值结果，将计算后的结果按拍照步长从小到大的顺序排列起来(最终的数据如果以步长为横坐标、以数值结果为纵坐标将会呈现出一个开口向下含有最大值的二次函数形状，最大值就是在焦点处拍摄的照片的清晰度数值)。

30、步骤七、从排列好的计算结果中自动选择出最大值，最大值对应的照片就是焦点处的图片，该数值也是焦点处图像的清晰度数值。

31、步骤八、计算出从拍摄第一张照片到获取到焦点处的照片之间的步长，依据焦点处的清晰度数值和不同清晰度照片之间的步长差，准确计算出步长改变和清晰度之间的线性关系，以此将调焦时驱动元件的运动步长与该步长下的清晰度变化值互相对应确定失焦程度，后续调焦则根据该位置下获取的照片的清晰度值和焦点处图像的清晰度值之差计算出驱动元件需要运动的步长。

32、其中，图像的清晰度计算的具体过程如下：基于快速离散傅里叶算法原理公式，将图像由时域变换到频域:

33、

34、其中，wn是复数域中的基本元素，定义为x(k)表示频域的信号；x(n)表示时域的信号，在图像处理中，x(n)是图像中的像素值序列；n是图像中的像素总数；j为虚数单位符号；k表示频率域中的频率点；n表示想要转换的数据的大小。可以解释为:快速傅里叶变换，是由时域转换到频域(或者称为图像空间域到频域的转换)，通过以上提到的公式，可以求得频域信号x(k)。

35、计算幅度谱a(k)：傅里叶变换的结果通常包括幅度谱和相位谱。幅度谱是频域信号的模值，它提供了信号在不同频率上的强度信息。

36、a(k)＝|x(k)|

37、将图像分成若干区域，计算每个区域的幅度谱平均值：可以通过计算每个区域内所有频率点上的幅度值的平均来实现平均值的计算。这可以通过将所有幅度值相加，然后除以幅度值的数量(即频率点的数量)来完成。在每个区域内，幅度谱的平均值m可以通过以下公式计算：

38、

39、幅度谱的平均值m作为图像在该区域内的清晰度值。然后根据图像内每个区域的m值，加权后求平均值，即得到整个图像的清晰度值。

40、综上，本发明采用上述结构的一种光学显微镜自动对焦系统，能简单高效、准确灵活的实现光学显微镜的自动调焦；应用图像失焦检测算法和失焦程度等级划分算法提升了调焦的响应速度实现精准快速对焦；驱动装置结构简单可靠且具有可调节性，可应用于不同型号的光学显微镜上，安装过程中无需对显微镜本体结构做出改动，简化了安装过程，方便轻松安装使用，低成本高效率解决了目前普通手动调焦光学显微镜缺少自动调焦功能的问题。

41、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。