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
自动数字显微镜的关键技术之一就是自动对焦，为了提升对焦的速度，越来越多的深度学习方法被引入用于单帧图像的焦点预测。然而几乎所有的网络模型都过分信任其输出的结果，面对未知的样本即使输出错误的结果也不会给出任何警示。利用贝叶斯卷积神经网络的实现，可从单张图像中完成离焦距离的预测，并获得焦点预测结果的不确定性估计，此外提出通过设置不确定度阈值实现对焦点预测结果的筛选。在一个大型开源数据集上进行了测试，利用不确定性估计评估预测结果的有效性。结果表明，对比同类型样本，所提出的网络模型在未知样本上能够输出更高的不确定度，建立的筛选机制能有效减小模型在未知样本上的预测误差。在公共数据集上的两个样品的最终误差范围为 0.37±0.46 μm和 0.83±1.17μm，优于筛选前的 0.40±0.66μm和 1.08±1.78μm。
深度学习 自动对焦 贝叶斯神经网络 焦点预测 不确定性分析 deep learning autofocus Bayesian neural network focus prediction uncertainty analysis
1 中国科学院云南天文台，云南 昆明 650216
2 中国科学院大学，北京 100049
3 中国科学院空间目标与碎片观测重点实验室，江苏 南京 210034
望远镜自动调焦技术在提高天文观测效率和观测精度方面有着重要的作用。针对云南天文台1.2 m望远镜系统在观测空间目标时受外界多重因素影响下的像点离散、能量分散等问题，提出了一种改进定心精度的半通量直径（HFD-ICA）实时自动调焦清晰度评价算法。该方法在进行图像预处理的基础上，采用改进的强度加权质心法（improved IWC），以亚毫米的精度迭代计算星像质心；然后测出星像HFD，根据HFD值用双曲线法拟合出V型调焦曲线。经过大量实验表明，该算法在指导望远镜调焦时能够迅速找到焦点位置，其精确定焦率与高精度天文图像处理软件IRAF的计算结果相当，在调焦过程中平均处理时长为4.7 s，耗时仅为IRAF的1/10，满足1.2 m望远镜自动调焦的实时性与精度要求。所提方法的调焦效率大致提高37%，具有一定的可行性与实用性。
测量 自动调焦 望远镜 图像清晰度 评价算法
1 中国科学技术大学生物医学工程学院（苏州），生命科学与医学部，江苏 苏州 215163
2 中国科学院苏州生物医学工程技术研究所医用光学室，江苏 苏州 215163
3 济南国科医工科技发展有限公司，山东 济南 250102
4 沈阳国科医工科技发展有限公司，辽宁 沈阳 110167
针对现今非接触眼科测量仪器对焦对准速度慢、通用性差和操作复杂的问题，搭建了应用于眼科测量仪器的人眼自动对焦及瞳孔中心自动对准系统，并提出了基于四邻域-多方向两级梯度函数的自动对焦算法以及融合卷积神经网络智能感兴趣区域（ROI）窗口的瞳孔中心定位算法。通过实验实拍人眼离焦图像序列及人眼图像测试集，分别对提出的两个算法进行验证。结果显示：所提出的自动对焦算法的平均计算时间约为13 ms，清晰度比率为93.531，优于6种传统的评价算法；所提出的瞳孔中心定位算法的平均计算时间为10.2 ms，准确度为97.14%，相比Hough法、改进Hough法有较大的性能提升。实验结果证明所搭建的系统能够满足眼生物参数测量的准确性、实时性和鲁棒性要求，提升了仪器的自动化水平，有助于眼科测量仪器的智能化发展。
成像系统 医疗光学仪器 自动对焦 瞳孔中心定位 自动对准 图像处理
1 中国科学技术大学生物医学工程学院（苏州）生命科学与医学部，江苏 苏州 215163
2 中国科学院苏州生物医学工程技术研究所医用光学技术研究室，江苏 苏州 215163
3 苏州科技大学物理科学与技术学院，江苏 苏州 215009
纳米颗粒成像过程中，离焦位置的粒子团簇和大颗粒杂质产生明亮的弥散斑，导致现有的对焦算法无法实现自动对焦功能。利用基于大津算法的二值化分割和形态学开闭方法，使离散的弥散斑聚合为一个区域，并利用连通域标记方法筛选剔除大面积的光斑区域，构造四邻域水平-对角平方函数和阈值四邻域水平-对角开方函数，将函数分别作为粗对焦和精对焦的评价指标，提高了自动对焦搜索的准确性和可靠性。实拍离焦序列图，并与5种常用的评价算法进行对比，结果表明所提自动对焦评价算法具有良好的鲁棒性、无偏性和单峰性。
图像处理 纳米颗粒 自动对焦 评价算法 连通域标记 激光与光电子学进展
2023, 60(4): 0410021
麦克奥迪实业集团有限公司，福建 厦门 361006
数字切片扫描仪的扫描速度和图像质量是用户最为关注的两个指标。为了同时提高扫描速度和图像质量，设计了一种基于倾斜摄像头的实时对焦装置。该装置只需拍摄一张图像即可计算出离焦量，计算时间仅为12.1 ms，并在此基础上实现与扫描摄像头的同步工作，可以在连续扫描过程中实时跟踪焦面，即边扫描边对焦。与传统的先建模后扫描的方法相比，边扫描边对焦方法不仅省去了建模时间，同时提高了扫描质量。
显微镜 数字切片扫描仪 自动对焦 倾斜摄像头 激光与光电子学进展
2022, 59(16): 1611009
为了满足热像仪在不同场景下自动对焦的功能需求，对现有多种自动对焦实现方案的优劣势进行了评估分析，并选择了一种基于角点检测算法的对焦方案。通过检测图像中的角点数量来实时判断图像的清晰度。根据热像仪FPGA图像处理系统的性能对该算法进行了改进与优化，并提出了多阈值角点检测实时对焦方法。根据当前场景的对焦状态，热像仪可自主判断是否执行对焦操作，以适应不同检测场景的需求，最终实现其在不同场景下的实时自动对焦功能。
实时自动对焦 评价函数 角点检测 real-time autofocus evaluation function corner detection
1 长春理工大学 机电工程学院，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
为了将光谱成像技术更方便地引入显微成像领域，本文将高光谱成像技术与显微成像技术相结合，搭建出一套全自动推扫式高光谱显微成像系统。系统以倒置显微镜为主体进行设计，采用棱镜-光栅元件进行光谱分光，利用高精度二维电动运动平台进行推扫，同时结合电动对焦组件完成对焦，最后成像在高灵敏sCMOS科学相机上。根据大多数生物样本光谱检测需求，系统的光谱范围选择420~800 nm。经光谱定标和空间分辨率测试，确定系统的光谱采样率为2.06 nm，光谱分辨率均值优于3.5 nm，空间分辨率优于0.87 μm。系统引入激光自动对焦系统作为主动对焦模块，以HE染色的乳腺癌病理切片为研究对象，实验分别采用被动对焦和主动对焦方式进行推扫成像，并比较分析两种方式的优劣，认为两者均可以满足大视场成像需求，但主动对焦成像更快速、更清晰，更加适合推扫式高光谱显微成像系统。通过对全自动推扫式高光谱显微成像系统的设计与研究，解决了高光谱显微成像中无法实时对焦的难题，实现了40倍显微物镜下3.25 mm×3.25 mm范围内全自动成像，有利于促进光谱技术在生物医学等领域中的应用。
显微成像 高光谱成像 自动对焦 microscopic imaging hyperspectral imaging autofocus
