CN112965232A - 一种基于水盒的显微***及其自动对焦方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了显微视觉技术领域的一种基于水盒的显微***及其自动对焦方法，包括：图像采集***，用于采集被测物体的图像，并传输至上位机；水盒，其内盛有深度可调的液体，设置在被测物体与图像采集***的物镜之间，用于改变被测物体的成像位置；水盒液位控制单元，设置于上位机和水盒之间，用于根据上位机的控制指令改变水盒内的液体的深度。本发明通过在显微物镜和拍摄目标之间增加一个水盒，并通过水盒液位控制单元，控制液位，从而改变拍摄目标到显微物镜之间的光程，调节焦点的位置实现自动聚焦，具有对焦速度快、精度高，制造、使用成本低等特点。
Description
技术领域
本发明属于显微视觉技术领域，具体涉及一种基于水盒的显微***及其自动对焦方法。
背景技术
显微视觉被广泛地应用于医学、IC制造、生物工程、微机电***装配等领域，具有视场小、景深短等特点。显微视觉须通过聚焦来获取清晰图像。自动聚焦技术是自动控制显微视觉***的核心功能，是显微视觉高精度测量基础，而准确、快速聚焦又是自动聚焦技术的关键。目前，自动聚焦主要通过观测到拍摄目标的图像特征或镜头与目标的距离，判定离焦状态，进而通过机械运动调整物镜或整体设备与晶圆的相对位置，从而实现对焦的目的。该方法虽然可以快速实现对焦，但其对焦过程，对焦精度都依赖于机械运动的精度与速度，导致成本高。
发明内容
为解决现有技术中的不足，本发明提供一种基于水盒的显微***及其自动对焦方法，具有对焦速度快、精度高，制造、使用成本低等特点。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
第一方面，提供一种显微***，包括：图像采集***，用于采集被测物体的图像，并传输至上位机；水盒，其内盛有深度可调的液体，设置在被测物体与图像采集***的物镜之间，用于改变被测物体的成像位置；水盒液位控制单元，设置于上位机和水盒之间，用于根据上位机的控制指令改变水盒内的液体的深度。
进一步地，所述水盒液位控制单元包括控制盒，所述控制盒与所述水盒连通，形成连通器结构；在所述控制盒内放置有铁块，所述铁块与电磁组件磁耦合连接，所述电磁组件与电流控制电路电连接，所述电流控制电路与所述上位机电连接。
进一步地，所述电磁组件为带线圈的铁磁体，所述线圈与所述电流控制电路电连接。
进一步地，所述水盒内的液体为水。
进一步地，所述图像采集***为显微镜***，所述显微镜***采用CCD或CMOS相机。
第二方面，提供一种显微***的自动对焦方法，采用第一方面所述的显微***，包括：按照设定的规律改变水盒内的液体的深度；在水盒内的液体处于不同的深度时，分别采集被测物体的图像并计算图像的清晰度评价函数，获得清晰度评价函数值；基于清晰度评价函数值调整水盒内的液体的深度，直至完成自动对焦。
进一步地，所述按照设定的规律改变水盒内的液体的深度，具体为：增大作用于电磁组件的电流，铁块上浮，水盒内的液位下降；减小作用于电磁组件的电流，铁块下沉，水盒内的液位上升。
进一步地，所述基于清晰度评价函数值调整水盒内的液体的深度，直至完成自动对焦，具体包括：
如清晰度评价函数值增大，则继续按照设定的电流差ΔI增大作用于电磁组件上的电流；直到清晰度评价函数值下降，则将作用于电磁组件上的电流减小ΔI，此时认为已经对焦；
如清晰度评价函数值减小，则继续按照设定的电流差ΔI减小作用于电磁组件上的电流，直到清晰度评价函数值下降，则将作用于电磁组件上的电流增大ΔI，此时认为已经对焦。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：本发明通过在显微物镜和拍摄目标之间增加一个水盒，并通过水盒液位控制单元，控制液位，从而改变拍摄目标到显微物镜之间的光程，调节焦点的位置实现自动聚焦，具有对焦速度快、精度高，制造、使用成本低等特点。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种显微***的对焦原理示意图；
图2是本发明实施例提供的一种显微***的***结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例一：
如图1所示，凸透镜1的焦距为f，在凸透镜1和焦点之间增加一个厚度为d，折射率为n的透明晶体2时，此时凸透镜1聚焦的位置变为：
即，此时拍摄目标在这个位置上，可以实现对焦。
由于水的折射率大于空气的折射率，本实施例中，采用盛有水的水盒(由透明材料制作，如玻璃、透明树脂、塑料等)代替透明晶体2，当水盒中的水位发生变化时，聚焦位置也会随之发生变化；本实施例中也可以采用折射率大于水的其它透明液体。
利用传统的自动聚焦中的判断离焦的方法，如计算图像清晰度方法,确定是否离焦。产生信号，改变电流，控制铁磁体的磁力，调整铁块的高度，控制水位发生变化，改变厚度，从而改变聚焦位置，实现聚焦，获得清晰的图像。
如图2所示，一种显微***，包括：图像采集***3，用于采集被测物体4的图像，并传输至上位机5；水盒6，其内盛有深度可调的液体，设置在被测物体4与图像采集***3的物镜31之间，用于改变被测物体4的成像位置；水盒液位控制单元，设置于上位机5和水盒6之间，用于根据上位机5的控制指令改变水盒6内的液体的深度。
本实施例中，水盒液位控制单元包括控制盒71，控制盒71与水盒6连通，形成连通器结构；在控制盒71内放置有铁块72，铁块72与电磁组件73磁耦合连接，电磁组件73与电流控制电路74电连接，电流控制电路74与上位机5电连接。电磁组件73为带线圈的铁磁体，线圈与电流控制电路74电连接。水盒6内的液体为水。图像采集***3为显微镜***，显微镜***采用CCD或CMOS相机33，目镜32，物镜31。目镜32、物镜31都是凸透镜。被测物体4的表面经过物镜31和目镜32两次放大，由相机33采集相应的图像。
对于电磁组件产生的磁力为：
其中，u0为真空磁导率，S为电磁组件与铁块重合的面积，I为电流，W为线圈匝数，R1为磁组。这些变量中，只有电流I是可变量。
对于铁块的受力：
F＝G-ρVg (3)
式中：G为铁块的重力，V为铁块浸入水中的体积，g为重力加速度，ρ为水的密度。
通过改变电流的值，可以改变磁力，从而改变铁块浸入水中的体积，从而改变液面的高度。最终实现聚焦位置的变化。图2中，R表示圆柱状水盒的半径，r表示圆柱状铁块的半径，H表示水位高度，h表示铁块浸入水中的高度。
本实施例通过在显微物镜和拍摄目标之间增加一个水盒，并通过水盒液位控制单元，控制液位，从而改变拍摄目标到显微物镜之间的光程，调节焦点的位置实现自动聚焦，具有对焦速度快、精度高，制造、使用成本低等特点。
实施例二：
基于实施例一所述的显微***，本实施例提供一种显微***的自动对焦方法，包括：
按照设定的规律改变水盒内的液体的深度；具体为：增大作用于电磁组件的电流，铁块上浮，水盒内的液位下降；减小作用于电磁组件的电流，铁块下沉，水盒内的液位上升。
在水盒内的液体处于不同的深度时，分别采集被测物体的图像并计算图像的清晰度评价函数，获得清晰度评价函数值；
基于清晰度评价函数值调整水盒内的液体的深度，直至完成自动对焦，具体包括：
如清晰度评价函数值增大，则继续按照设定的电流差ΔI增大作用于电磁组件上的电流；直到清晰度评价函数值下降，则将作用于电磁组件上的电流减小ΔI，此时认为已经对焦；
如清晰度评价函数值减小，则继续按照设定的电流差ΔI减小作用于电磁组件上的电流，直到清晰度评价函数值下降，则将作用于电磁组件上的电流增大ΔI，此时认为已经对焦。
本实施例中，显微***的自动对焦方法，具体工作过程为：
1、将被测物体放置在如图2所示的显微***的物镜前；
2、加上初始电压I0，其初始水盒的厚度为d(水的深度)；
3、相机拍摄显微图片，并计算图像清晰度评价函数。
4、增加电流ΔI，降低液位，减少厚度Δd，再次拍摄、计算图像清晰度评价函数。
采用清晰度评价函数中的梯度评价函数，如函数值增加则继续增大电流ΔI，减少厚度。直到函数值下降，则将电流减少ΔI，此时认为已经聚焦。如函数值减小，则减小电流，增加厚度，提高函数值，直到函数值下降，则将增大电流ΔI，此时认为已经聚焦。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种显微***，其特征是，包括：
图像采集***，用于采集被测物体的图像，并传输至上位机；
水盒，其内盛有深度可调的液体，设置在被测物体与图像采集***的物镜之间，用于改变被测物体的成像位置；
水盒液位控制单元，设置于上位机和水盒之间，用于根据上位机的控制指令改变水盒内的液体的深度。
2.根据权利要求1所述的显微***，其特征是，所述水盒液位控制单元包括控制盒，所述控制盒与所述水盒连通，形成连通器结构；在所述控制盒内放置有铁块，所述铁块与电磁组件磁耦合连接，所述电磁组件与电流控制电路电连接，所述电流控制电路与所述上位机电连接。
3.根据权利要求2所述的显微***，其特征是，所述电磁组件为带线圈的铁磁体，所述线圈与所述电流控制电路电连接。
4.根据权利要求1所述的显微***，其特征是，所述水盒内的液体为水。
5.根据权利要求1所述的显微***，其特征是，所述图像采集***为显微镜***，所述显微镜***采用CCD或CMOS相机。
6.一种显微***的自动对焦方法，其特征是，采用权利要求1～5任一项所述的显微***，包括：
按照设定的规律改变水盒内的液体的深度；
在水盒内的液体处于不同的深度时，分别采集被测物体的图像并计算图像的清晰度评价函数，获得清晰度评价函数值；
基于清晰度评价函数值调整水盒内的液体的深度，直至完成自动对焦。
7.根据权利要求6所述的显微***的自动对焦方法，其特征是，所述按照设定的规律改变水盒内的液体的深度，具体为：增大作用于电磁组件的电流，铁块上浮，水盒内的液位下降；减小作用于电磁组件的电流，铁块下沉，水盒内的液位上升。
8.根据权利要求6所述的显微***的自动对焦方法，其特征是，所述基于清晰度评价函数值调整水盒内的液体的深度，直至完成自动对焦，具体包括：
如清晰度评价函数值增大，则继续按照设定的电流差ΔI增大作用于电磁组件上的电流；直到清晰度评价函数值下降，则将作用于电磁组件上的电流减小ΔI，此时认为已经对焦；
如清晰度评价函数值减小，则继续按照设定的电流差ΔI减小作用于电磁组件上的电流，直到清晰度评价函数值下降，则将作用于电磁组件上的电流增大ΔI，此时认为已经对焦。
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