基于离焦的微操作机器人系统光轴方向深度测量！

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1、第>’卷第(期&##(年(月物理学报;)/9>’，?)9(，N4*+4CH40，&##(%###B"&(#O&##(O>（’#(）O=&:’B%#P@7PMQRNS@PNS?S@P!&##(@F,19MFT29N)-9"""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""基于离焦的微操作机器人系统光轴方向深度测量!!孙明竹赵新卢桂章（南开大学机器人与信息自动化研究所，天津"###$%）（&##’年%%月&’日收到；&##(年%月%&日收到修改稿）在分析显微物镜成像原理的基础上，提出并实现了

2、一种微操作机器人系统光轴方向深度测量方法，该方法通过显微物镜离焦光学传递函数（)*+,-./+0.12340351-+,)1，678）建立物方离焦程度与显微图像模糊程度的关系，由此实现深度测量9由于考虑了透镜参数与衍射效应的影响，方法具有较高的测量精度和较好的线性度，同时利用条状物体快速辨识算法，对原始方法进行了简化，使深度测量可在线完成9进一步，将上述方法应用于实际微操作机器人系统，通过离焦状态双针互插实验验证了方法的有效性，同时拓展了微操作机器人系统的有效操作空间9关键词：深度测量，微操作机器人，显微镜系统成像模型，光学传递函数!"##：:&"#;，:&"

3、#<，’$$#图像的灰度分布特点，并以灰度分布方差作为深度%K引言估计的散焦特征；文献［(］采用规范化谱描述显微图像，并结合主元分析法完成了深度测量9微操作机器人系统是机器人技术向微细操作领然而，上述研究仅仅从图像处理的角度解决实域的延伸，在利用微操作机器人进行生物医学实验际问题，并没有充分考虑显微镜的成像原理，对于不时，准确、快速地获取微操作工具的三维位置信息对同形状的微针，有可能导致方法失效9课题组前期研于系统完成微米、亚微米级的定位及操作十分关究中，提出了一种基于系统辨识技术的显微图像深键［%］［%#］9实验中，微针是常用的微操作工具，用于进行度信息提取

4、方法，该方法从显微镜成像出发，将细胞注射、染色体切割等操作9受到工作空间的限成像系统的点扩散函数（*),1+2*04.J351-+,)1，MN8）制，为微针加装额外的测量或传感装置非常困难，因近似为二维高斯函数，最终实现了在线深度测量9实而很难使用常规的位置检测方法9显微图像是微操际上，离焦问题远比高斯函数描述的成像模型复杂，［%%］作系统中最为重要的反馈信息，利用显微图像获取离焦系统的成像依赖于众多参数，如透镜的焦微针的坐标信息显得十分重要9但是，普通的单目光距、透镜的形状和孔径大小、观测物体与透镜间距、学显微镜只能获得观测区域的二维图像，当微针离光源的性质

5、、光波波长等等，绝大部分参数没有体现开显微镜的景深范围，显微视觉反馈是离焦的模糊在高斯成像模型中9由于模型不够精确，上述方法无图像9因此，如何从模糊的二维平面图像中测量微针法应用于更高精度的深度测量9在光轴方向的深度是微操作系统的一个关键问题9本文以衍射光学模型为基础，深入研究了显微近年来，很多学者对图像复原和离焦深度镜物镜的离焦光学传递函数，提出了一种基于离焦［&—>］（J4*+F30)CJ43)-52，L8L）问题进行了研究9针对光学传递函数的微操作机器人系统深度测量方法9显微图像深度测量，文献［=］分析了显微图像中目标本文第二节详细论述了显微镜系统离焦成

6、像的过深度的判据，并给出了三种模糊度判据的定义；文献程，第三节介绍深度测量方法，第四节展示了实验结［$］以能量最大作为判据确定最清晰图像，并以此为果，并与高斯成像模型结果进行了对比；进一步，基基准求得深度；文献［’］分析了模糊程度不同的显微于上述方法，第五节设计并完成了离焦状态双针互!国家自然科学基金（批准号：=#’$>#>(）、教育部新世纪优秀人才支持计划（批准号：?@A7B#$B#:=:）和高等学校博士学科点专项科研基金（批准号：&##=##>>#"$）资助的课题9!ABC.,/：DEF.)G0)H)+91.1I.,94J59-1+期孙明竹等：基于离焦的微

7、操作机器人系统光轴方向深度测量>"@+插实验，成功实现了光轴方向有效操作空间的拓展!!"!"显微物镜离焦光学传递函数最后是结论部分!显微物镜属于圆形孔径的成像系统，其离焦光"#基于离焦光学传递函数的显微成像学模型如图"所示!当物点&位于距焦平面!’处系统模型时，该物点在像平面上形成一幅离焦的图像，但它在距像平面"’处（聚焦平面处）形成了一幅聚焦的图本文的处理对象是可显示在计算机上的显微图像!在度量离焦距离时，分别设定远离透镜方向为物像，因此，需要对整个显微数字成像系统进行研究!方和像方离焦量的正方向!这样，在图"所示的远离数字成像系统一般由光学成像部分及数字传

8、感部分焦情况，物方离焦量!’67，像方