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。

结核杆菌医学涂片大多具有观察区内容稀疏不均匀、杂质较多的特点, 使用自动显微镜检方法进行图像采集时, 会出现清晰度区分困难、效率低下、甚至聚焦评价失效的问题, 为提高自动镜检的效率和准确度, 本文自主搭建了显微视觉计算机自动检测系统, 对结核杆菌涂片的自动聚焦技术进行系统的研究。首先, 对比研究11种常用聚焦函数对结核杆菌镜检玻片图像聚焦评价的优劣, 并分析了聚焦成功和失效的原因。在综合分析各聚焦函数对结核杆菌涂片的聚焦效果基础上, 提出了一种基于Tenengrad的改进型聚焦评价函数, 通过改进内容像素的聚焦权重提高聚焦准确度, 优化图像处理算法来提高图像采集效率。实验结果表明: 改进型Tenengrad聚焦函数FTen-Q在结核杆菌涂片的各类视野图像评价方面具有高灵敏度和准确度, 其聚焦成功率和运算效率分别提高了13.884%和17.616%, 可以满足结核杆菌涂片类非均匀涂片的显微视觉自动检测应用要求。

显微图像自动聚焦的关键在于设计一个高灵敏度聚焦函数。由于显微图像细节多寡不确定, 传统的梯度函数对细节较少的图像的灵敏度不够高。针对该问题, 提出了一种结合全局和局部灰度变化的VarGrad显微图像自动聚焦函数。根据显微图像的特点, VarGrad函数利用聚焦窗口将基于全局灰度变化的灰度方差函数与基于局部灰度变化的梯度函数有机结合, 无论图像细节是否丰富, 都呈现较高的灵敏度。实验利用两组细节丰富程度不同的外周血细胞图像序列对VarGrad函数进行了定量评估。实验结果表明, 与几种典型的聚焦函数相比, 在图像细节较丰富和图像细节较少两种情况下, VarGrad函数在清晰度比率、陡峭度和清晰度变化率3种灵敏度指标上均提高了30%以上。

在航空遥感领域中，自动调焦技术是获取高质量图像的关键技术之一，且在一定范围内得到了应用，但其实时性能较差。为解决调焦耗时长的问题，提出以连续三帧重叠区域图像为指导的自动调焦算法。简述了由电荷耦合器件(CCD)相机、调焦机构和调焦电路板等组成的自动调焦系统；自动调焦控制算法对快速提取重叠区域和帧差值相似判定法进行了综合，针对重叠图像利用聚焦评价函数实现了由大步长快速粗调到小步长精确细调，从而不断逼近正焦位置；利用聚焦函数的聚焦值给出自动调焦系统的软件设计流程；试飞试验表明上述算法在满足自动调焦基础上能够获取清晰图像，同时大大降低图像的分析量，提高系统响应速度。

对于近场同轴数字全息在聚焦再现(再现距离精确等于实际记录距离)时，采用多重再现方法可以很好地消除共轭像的影响,但该方法没有考虑和分析再现距离与实际记录距离存在偏差时的影响。然而在实际应用中，实际记录距离难于精确测定，数字再现时采用的再现距离往往与实际记录距离存在偏差。对该方法进行了进一步的深入分析，分析发现该方法对距离偏差十分敏感，且随着距离偏差增大其共轭像消除效果会急剧下降；利用该方法对距离偏差的敏感特性，可以提高同轴数字全息自动聚焦的精准性和灵敏性。对上述结论进行了原理分析和实验验证。

为了有效地实现简单图像的快速高精度自动聚焦，提出了一种新的快速聚焦算法。首先在相机进行调焦时自动获取系列零件图像，并记录各图像对应的位置; 然后计算每张图像中目标边缘的灰度变化跨度值，从中找到跨度值最小的图像，即为最清晰图像; 最后把其所在位置反馈给硬件驱动系统，实现自动聚焦。用新算法分别对不同形状和不同材料的零件，在添加椒盐噪声和没有添加噪声的情况下进行实验，并与计算量小的几种经典最优聚焦函数做了对比试验。结果表明，用新算法对简单图像进行聚焦比常用的最优聚焦函数更敏锐，单峰性更好，抗噪能力更强，而且速度比最快的绝对梯度函数快30%以上。因此,新算法在拍摄简单场景时，鲁棒性好，可以更好地实现快速聚焦。

基于图像高频信息的标定方法, 从单轴的电机步长和聚焦系统的机械回差角度进行标定, 同时结合不同聚焦函数的特性, 进一步讨论和探索视觉系统的标定方法。利用倾斜载片聚焦位置的改变, 测量电机步长。通过测量两聚焦函数的移位差得到机械回差, 两聚焦函数分别从高到低或者从左到右接近电机, 然后返回到起点得到的。通过与测微仪得到的实验数据进行比较, 表明该标定方法有效地避免了误差的影响, 效果好, 精度高。实验证明该标定方法具有的优越性。

自动聚焦技术是实现数字全息成像快速、准确再现的关键技术之一。在分析聚焦和离焦过程中小波变换高频和低频系数变化特点的基础上，提出了一种基于小波变换的聚焦判据函数。采用无噪声和被噪声污染的模拟太赫兹(THz)数字全息图，比较分析了这种聚焦判据函数和五种经典的数字全息聚焦判据函数的性能，给出了综合评价。仿真结果表明：同五种经典聚焦判据函数相比，基于小波变换的聚焦评价函数具有更好的单峰性、更高的主峰锐度和极佳的抗噪性，是一种性能优越的THz数字全息成像自动聚焦判据函数。

自动聚焦是全自动显微成像中的一项关键技术。为了克服已有聚焦算法对聚焦起始点敏感及聚焦范围过小的问题，从分析大范围聚焦曲线形态入手，依据离焦距离、初始搜索方向和初始搜索范围等参量和曲线形态参数间的制约关系，将聚焦划分为六种类型，极值搜索中结合聚焦函数值的变化信息并通过启发式方式将未知类型转化为基本型，从而实现了大范围聚焦到小范围聚焦的转换。然后在聚焦曲线陡峭区范围内对曲线进行高斯拟合以获取最优焦平面。基于自行研发的全自动显微镜系统对提出的算法进行了验证，实验结果证明了该算法的有效性。

显微镜自动聚焦其核心问题在于聚焦函数的设计及选取，针对目前自动聚焦函数选取缺乏客观定量标准的问题，在分析聚焦函数曲线特征的基础上，设计了陡峭区宽度、清晰度比率、陡峭度、平缓区波动量、局部极值因子和灵敏度等6个定量评价指标，这些指标不仅能用于最优函数的选取，还可以为新的聚焦函数的设计提供理论依据。然后，以这些指标为依据，对目前已经提出的12种典型聚焦函数的性能进行了定量评估，评估过程考虑了图像内容多寡对聚焦函数性能的影响。最后以两阶段聚焦过程为例给出了最优函数：在粗聚焦阶段，方差函数为最优函数，在精细聚焦阶段，Brenner函数为最优函数。