基于智能化自动调焦的高级显微镜系统

　　引　言

　　随着仪器自动化、智能化的迅速发展,自动调焦技术的应用显得越来越重要,不仅显微镜需要自动调焦,其它许多光学仪器,如照相机、摄象机、光刻机以及光学测量仪等都需要自动调焦。为此,人们在这个领域进行了大量的研究与探索,总结出了许多极有价值的自动调焦方法,典型的自动调焦方法主要有:1)测距法:包括激光测距法、红外测距法和超声波测距法等,它们的共同特点都是通过接收反射波来测量目标的距离和方位,然后通过计算机来控制自动调焦。采用这些方法的仪器一般体积较大,价钱较贵,且对于近距离不太适用;2)VAF组件相关法:VAF(Visitronic Auto Focus)组件或称为视象自动调焦组件是由霍尼威尔(Honeywell)公司研制的,它通过电子线路测定左侧固定反射镜扫描所形成的被摄体象在其对应半导体元件上的相对位置关系(相关性),从而进行自动调焦。这种方法设计巧妙,体积较小,但机构复杂且精度不太高;3)对比度检测法:对比检测法又简称反差法,它需要在受光面上接收目标物体的影象,在正焦(接收器正处于景象平面上)时,对比度最大,散焦(接收器离开景象平面上)时,对比度下降,这是一种较先进的自动调焦方法,日本的潘太克司(PENTAX)TTL-EFC系统、欧林巴斯(OLYMPUS)的高级显微镜AHBS型、我国天津大学精密仪器系研制的图象分析显微镜等都是采用的这种自动调焦方法。本论文所涉及的工作系原国家机电部项目“高级研究显微镜”的组成部分,针对我国迄今为止尚未有商品化自动调焦显微镜这一问题,要求采用当今较为先进的光电与计算机一体化技术,开发出实用化的自动调焦显微镜系统。

　　在此项目中,我们采用了对比度法,以256位SSPD光电二极管列阵作为摄象器件,再配合以先进的8098型16位单片机系统,研制出了实时调焦的显微镜系统。该系统对光源控制、信号采集及调焦过程实现了全自动化操作,且调焦重复精度优于10μm,整个调焦过程在10s时间内可全部完成。

　　1　自动调焦显微镜的构成

　　自动调焦显微镜的总体结构如图1所示,设计的基本思想是基于光学图象信号的采集、分析与处理,最后驱动载物台上下移动来达到自动调焦的目的。整个系统由光学系统、光源系统、探测系统以及单片机与步进电机控制系统构成。

　　1.1　光学系统

　　自动调焦显微镜的光学系统是在原来的基础上略加改动构成,即在通往照相端的光路上加了一个可推入、拉出的反光镜,且在反光镜后图象传感器前加了一组摄影目镜,使通过目镜观察到的样片图象同样能准确成象在图象传感器上,并保证传感器对图象信号有足够的分辨率。显然,光路的这种结构使得自动聚焦与样片拍摄是分时进行的,即自动聚焦完成后,可通过推入反光镜切换光路来进行样片拍摄。这种结构的好处是可避免进一步的分光,造成光强损失,从而保证对透过率3%～98%的样片在光功率P≤100W的光源照明下,仍可正常地进行自动调焦与拍摄。