光学显微镜自动聚焦系统设计与实现

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1、华中科技大学硕士学位论文摘要*光学显微镜是一种精密的光学仪器，以其精度高、抗干扰能力强、稳定性好等优点，在生物、医学、化学等行业中发挥着非常重要的作用。在生物医学应用中，用显微镜对样品进行显微观察及监测时，如果仅仅靠手动聚焦，容易带来一定的人为误差，而且自动化程度低。因此，对光学显微镜进行自动控制，实现聚焦过程的全自动化，可以提高实验与分析的速度，降低人为操作对显微成像质量的影响。本文在以往自动聚焦方面工作的基础上，设计了一种应用在显微镜中的自动聚焦系统。此系统基于单片机控制和数字图像处理。系统通过图像采集卡捕获CCD拍摄的生物样品显微图像，运

2、用图像清晰度评价算法分析图像的清晰度，然后依据自动搜索算法与单片机进行通讯，控制步进电机的运动，进而通过传动机构驱动显微镜物镜上下运动从而完成聚焦。本系统采用弹性联轴器与显微镜调焦轴直接耦合的方式，结合细分驱动，有效地减小了传动机构的回程差，提高了聚焦控制精度。在对几种常用图像清晰度评价算子进行分析的基础上，针对普通CCD拍摄的低对比度生物样品图像，证实了图像自相关算子是评价低对比度生物样品图像清晰度的有效算法。实验结果表明，该系统自动聚焦的准确度和实时性基本上满足生物学研究的需要。关键词：显微镜自动聚焦步进电机数字图像处理*本文工作由国家自然

3、科学基金（60410131）和国家海外杰出青年科学基金（30328014）资助完成I华中科技大学硕士学位论文AbstractOpticalmicroscopeisaprecisioninstrument.Itisplayinganimportantroleinbiology,medicineandchemistryforitsadvantageofhighprecision,strongabilityofanti-interferenceandstability.Inbiomedicalapplication,factitiouserroris

4、easytobebroughtinwhenobservingthespecimenbymanualfocusing,andtheautomationlevelislow-grade.So,ifapplyingautofocuscontroltoopticalmicroscope,thespeedofexperimentandanalysiswillbeincreasedandthequalityofmicroscopeimagingwouldbeimproved.Inthispaper,amicroscopeautofocussystemisd

5、esigned.TheautofocussystemisbasedonMCUcontrolanddigitalimageprocess.ThesystemcapturebiologyspecimenimagethroughCCDcameraandimagegrabcard,thenjudgethedefinitionofimagethroughimageevaluationarithmeticandcommunicatewithMCUunderthecontrolofauto-searcharithmetic.Objective'smoveme

6、ntisthendrivenbysteppermotorthroughmechanicalgear.Inautofocussystem,bydirectlymatchingflexibleshaftcouplingandfocusingaxisofmicroscope,integratingmicro-stepdriver,themechanicaltoleranceofgearwasdiminishedwhiletheaccuracyoffocuswasimprovedeffectively.Then,itisprovedthattheaut

7、o-correlationoperatorisoneeffectiveapproachtoevaluatelow-contrastimagespeciallybasedontheperformancecomparisonofsomeimageanalysisoperators.Biologyexperimentshaveshownthattheproposedschememeetstherequirementofautofocusbothonaccuracyandspeed.Keywords:MicroscopeAutofocusStepper

8、motorDigitalimageprocessII独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除