面向微操作的显微视觉系统自动聚焦实现技术的方法研究

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1、密级：非密中图分类号：TP273硕士学位论文面向微操作的显微视觉系统自动聚焦实现技术的方法研究研究生：许功元导师：胡斌梁、康辉民学科：机械工程研究方向：现代设计理论与方法2018年05月AThesisSubmittedfortheDegreeofMasterThemethodofautomaticfocusingtechnologyformicrooperationorientedmicrovisionsystemCandidate：XuGongyuanSupervisorandRank：HuBinliang(Professor)KangHuimin(Associa

2、teProfessor)面向微操作的显微视觉系统自动聚焦实现技术的方法研究学位类型学术型学位作者姓名许功元作者学号15010301022学科（专业学位类别)机械工程研究方向（专业领域)现代设计理论与方法导师姓名及职称胡斌梁教授康辉民副教授实践导师姓名及职称所在学院机电工程学院论文提交日期2018年05月学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明

3、的法律后果由本人承担。作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权湖南科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期：年月日导师签名：日期：年月日摘要随着显微视觉、精密测量、微机电系统、生物细胞工程和精密器件加工等技术的迅速发展，越来越多的科研和生产领域需要用到微操作系统。本文通过分析微操作系统的研究背景以及国内

4、外发展现状，说明了自动聚焦技术的重要性，在探讨了目前自动聚焦技术中存在的问题基础上确定本文的研究方向。本课题将聚焦深度法作为研究自动聚焦技术的重点，针对聚焦系统中实验平台的搭建，聚焦策略中评价函数易存在局部极值点，聚焦搜索中精度低、耗时长等问题进行了深入的研究。论文主要研究内容如下：(1)分析了光学显微镜成像原理，从空域和频域两个角度说明了光学成像系统中离焦的原因；分析了现有聚焦技术的原理及优缺点，突出了聚焦深度法对本课题的优势，为后续章节研究和改进基于聚焦深度法的自动聚焦技术做了铺垫。(2)针对基于聚焦深度法自动聚焦技术的三个关键问题进行了相关算法的研究与改进设计

5、：在聚焦评价函数方面，本文提出了6组定量分析指标对目前常用的评价函数进行对比分析，最终确定了在粗、精调焦过程分段采用SMD+Tenegrad函数的清晰度评价策略；在聚焦窗口选择方面，本文基于BasedCam软件对目标物进行任意ROI（感兴趣区域）的批量化图像采集，提高聚焦精度的同时缩短了调焦用时；在聚焦搜索算法方面，本文提出了一种基于遍历搜索法和迭代搜索法的改进搜索算法，通过取上轮调焦评价值均值约束二次调焦区域并结合步长减半的搜索策略实现了粗调焦过程节省调焦用时、快速找寻正焦范围，精调焦过程精确定位最清晰显微图像的目的。(3)进行了自动聚焦系统实验平台的的二次开发设

6、计。本文采用不直接升降载物台而是通过改变显微镜头以调整物距的方式进行调焦设计，这样可以有效降低因载物台上下移动造成目标物抖动的影响；为取代手动操作，本文通过设计齿轮、联轴器等传动机构以及步进电机、驱动器等执行机构和控制电路等，在上、下位机的控制下实现了调焦系统的硬件设计。(4)使用上、下位机相结合的方式搭建了显微视觉平台，进行了相关的测试实验和调焦实验，验证了本聚焦方案的可行性。关键词：微操作；自动聚焦；图像清晰度评价函数；聚焦窗口；聚焦搜索算法iiiAbstractWiththerapiddevelopmentoftechnologies,moreandmorer

7、esearchandproductionfieldsneedmicro-operatingsystems,suchasmicroscopicvision,precisionmeasurement,micro-electromechanicalsystems,biologicalcellengineering,precisiondeviceprocessinandsoon.Thearticleanalyzestheresearchofbackgroundanddevelopmentstatusofthemicro-operatingsystem,andexplai