1 长春理工大学光电工程学院，吉林 长春 130022
2 中国科学院苏州生物医学工程技术研究所，江苏 苏州 215163
电动化、智能化的光学显微成像系统需要能够实时测量系统的焦面漂移并进行校正，从而实现对活细胞的长时间观测和全片的病理切片扫描。设计一种探测非对称光束界面反射后的光斑位置从而进行焦面漂移测量的方法。利用ZEMAX软件光学仿真了反射光斑在不同离焦情况下的光斑形状，搭建了集成化的漂移测量模块并在商用正置显微镜上对其进行了验证。结果表明，针对60×浸油物镜，所提系统的漂移测量精度达250 nm，漂移校正的响应时间小于500 ms，满足了高分辨率长时间成像的要求。
光学系统 自动聚焦 轴向漂移 非对称光束 闭环反馈 激光与光电子学进展
2024, 61(4): 0411014
1 哈尔滨工业大学物理学院，黑龙江 哈尔滨 150001
2 天津工业大学物理科学与技术学院，天津 300387
为克服扫描计算成像系统测量和计算速度慢的缺点，综述一些快速计算成像技术，从测量和计算方面论述提高速度的方法。在基于光场调制的计算光学成像法中，介绍轴向扫描、横向扫描、多波长扫描、散射介质、多距离等调制方式。针对快速定量相位成像技术，介绍定量相位成像方法、基于Kramers-Kronig关系的快速定量相位成像方法、基于对角扩展采样的计算成像方法、基于对称照明的单帧计算成像方法。针对自动聚焦技术，介绍自动聚焦技术分类、核心算法、基于Tanimoto系数和多相梯度绝对值的自动聚焦方法、基于特征区域提取和细分搜索的快速自动聚焦方法。
计算光学成像 调制成像 定量相位成像 自动聚焦 激光与光电子学进展
2024, 61(2): 0211007
中国海洋大学 信息科学与工程学部， 山东 青岛 266000
针对爬山算法在自动聚焦中出现的诸如准确率差、速度慢等问题，提出了一种结合自适应步长和两步搜索法的分区搜索算法。方法根据聚焦评价函数值大小和曲线线形将聚焦评价曲线分为平缓和陡峭两个区域，平缓区域使用自适应步长进行搜索，提高自动聚焦搜索速度；陡峭区域使用两步搜索法，避免假峰值干扰所导致的聚焦错误，提高自动聚焦准确率。实验结果表明，分区搜索算法相较于爬山算法聚焦速度提升了11.25%，且具有更好的准确性和抗干扰能力。
自动聚焦 爬山算法 分区搜索 自适应步长 两步搜索 automatic focusing hill climbing partition search algorithm self-adaptive step two-step search
1 成都理工大学 数理学院 ，成都 610000
2 成都理工大学 核技术与自动化工程学院，成都 610000
3 成都理工大学 地球物理学院，成都 610000
在多景深场景下，已知目标物类型，当目标物位于图像中心位置时，传统的聚焦评价函数曲线灵敏度较低；当目标物偏离中心位置时，聚焦评价函数曲线容易出现局部极大值或无法准确判断出准焦图像，影响自动聚焦系统。针对这两种情况，提出了一种基于U-Net神经网络判断目标物位置，设定对应窗口和评价函数的方法，即当目标物位于图像中心位置时，提出了一种新的聚焦评价函数——SMD-Roberts函数；当目标物不在图像中心位置时，设定对应窗口，选择SML评价函数对图像像质进行评价。实验结果表明，与传统的灰度梯度自动聚焦评价函数和传统的取窗法相比，该方法得到的聚焦评价函数灵敏度最少提高0.0241，耗时最少减少0.0355 s，单峰最少减少1个次峰，有效地解决了多景深场景下，应用聚焦评价函数判断目标物最清晰位置不准确及聚焦评价函数曲线出现双峰的问题，明显地提高了评价函数的无偏性、单峰性以及灵敏度。该方法普适性强，更适用于自动聚焦系统。
自动聚焦 评价函数 神经网络 图像分割 灰度梯度 automatic focus evaluation function neural network image segmentation gray gradient 强激光与粒子束
2022, 34(12): 129001
河北工程大学数理科学与工程学院，河北 邯郸 056038
本文针对普通显微镜相衬成像需要手动聚焦、切换相位板等问题，提出了一种基于深度学习的自动聚焦相衬显微方法，并且基于该方法设计了一种基于U-Net的网络框架。在该网络框架中引入残差模块和空间注意力机制，目的是使网络更好地利用特征图之间的关系，同时使用密集模块加强特征信息复用，以提高网络的性能。采用三种不同类型的样本在不同的焦距下进行训练网络，数值计算和实验结果表明，所提方法可以快速、精准地实现自动聚焦相衬成像，并达到去噪的效果。此外，将本文所提网络框架与U-Net、生成对抗网络进行了比较，较高的SSIM值显示了所提网络框架的优势。最后，使用基于少量数据集即可完成训练的生成对抗网络对自动聚焦相衬成像进行验证，证明了该方法的可行性。本文所提出的基于改进U-Net的自动聚焦相衬成像方法有助于细胞生物学研究。
医用光学 深度学习 相衬显微 自动聚焦 U-Net 中国激光
2022, 49(15): 1507302
长春理工大学 跨尺度微纳制造教育部重点实验室, 长春 130022
数字同轴全息对刀技术中微细铣刀全息再现像的自动聚焦是实现高精度自动对刀的关键技术, 其中聚焦评价函数是判别图像质量的依据。通过比较几种常用的聚焦评价函数的评价性能, 探讨了数字全息自动对焦过程中刀具的成像特点以及适用的聚焦评价方法, 发现小波变换聚焦评价函数能适应高精度聚焦的需要。针对自动调焦问题, 提出一种分段递进搜索方法, 将搜索过程分为两个过程: 大步距粗调和小步距精调, 分段搜索最优解。然后比较分析了所提搜索方法与经典的模拟退火算法和Levenberg-Marquardt算法的搜索性能。实验结果表明, 所提分段递进搜索方法适用性更强, 并通过计算机模拟实验进一步验证了其有效性。
数字全息 自动聚焦 聚焦评价函数 微细铣刀 搜索算法 digital holography auto-focusing focus evaluation function micro milling tool search algorithm
自动聚焦技术在红外热像仪监控领域有着非常重要的作用。目前业内红外自动聚焦技术存在聚焦成功率低、架构复杂、聚焦速度慢等状况，为此提出了一种基于 FPGA的红外镜头自动聚焦技术，采用单 FPGA实现了红外图像处理显示和自动聚焦的功能。鉴于红外图像普遍存在竖条纹噪声和随机噪声等特点，本文在实现聚焦过程中对红外清晰度评价算法和爬山算法做了改进和优化。实验结果表明本文提出的算法和实现方式能够很好地实现红外镜头的自动聚焦，同时具备集成度高、聚焦速度快、成功率高等特点，有比较广泛的应用前景。
红外 自动聚焦 清晰度评价 爬山算法 infrared, autofocus, FPGA, definition evaluation, FPGA
1 中北大学，山西太原 030051
2 山西戴德测控技术有限公司，山西太原 030006
与可见光自动聚焦系统相比，红外自动聚焦系统的核心问题在于因红外探测器特殊的成像原理，聚焦过程被分为由远及近聚焦和由近及远聚焦。针对这两个过程所使用的自动聚焦函数，在分析各自聚焦函数曲线特征的基础上，运用灵敏度、陡峭区宽度、陡峭度、平缓区波动量和时间 5个针对性的评价指标，对常用的 13个典型的清晰度评价函数进行定量分析，提出适合两个聚焦过程的最优函数。结论表明：在由近及远的聚焦过程中，FLaplace可作为该过程的最优函数；而由远及近的聚焦过程中， FLaplace和 FSML可作为最优函数的选取。
红外 自动聚焦 聚焦函数 评价指标 infrared, autofocus, focusing-function, evaluation
