一种基于可控多数值孔径与色彩编码斜照明的显微镜快速对焦方法

本发明涉及光学显微成像与自动对焦，具体涉及一种基于可控多数值孔径与色彩编码斜照明的显微镜快速对焦方法。

背景技术：

1、在半导体工业检测、高通量病理切片扫描以及超分辨率显微成像等高精度微纳观测领域，快速且准确定位样品焦平面是确保成像质量的基础。传统的显微镜自动对焦技术主要依赖沿轴向（z轴）进行物理扫描，通过计算图像的对比度或梯度算子（如brenner梯度、拉普拉斯能量）来寻找焦峰。然而，此类“爬山法”对焦过程涉及大量的机械往复运动，不仅耗时长、效率低，而且容易导致样品损伤与系统机械磨损。

2、为了克服机械扫描的局限性，计算成像领域引入了偏振多维传感器、空间光调制器（slm）波前编码以及事件相机等专用硬件。这些方法虽然实现了微秒级或单帧快照式的对焦，但其高昂的硬件改造成本、对偏振特性敏感的材质局限，以及事件传感器低空间分辨率等缺陷，限制了其在现有商用显微镜中的普及。

技术实现思路

1、本发明目的是提供一种基于可控多数值孔径与色彩编码斜照明的显微镜快速对焦方法，仅依托原生可编程照明光路，分粗、精两级对焦，兼容有纹理样品与镜面无纹理样品，单帧完成离焦测算，计算速度快、测量精度高、硬件改造成本极低。

2、本发明为实现上述目的，通过以下技术方案实现：

3、一种基于可控多数值孔径与色彩编码斜照明的显微镜快速对焦方法，基于显微镜的可编程照明光路与彩色成像采集系统实现：

4、通过电控方式动态调控照明数值孔径的大小与分布形态以适配对焦过程的不同阶段；

5、采用色彩编码斜照明机制，在照明瞳面设置对称分布且光谱正交的两路斜照明光源，将两路斜照明的成像信息编码至彩色相机的不同光谱通道中，基于不同光谱通道图像的横向相对平移量计算样品的轴向离焦量；

6、针对无纹理高反射样品，通过可编程光源投射虚拟结构纹理至样品表面，基于不同照明数值孔径下的图像对比度比值计算轴向离焦量；

7、采用轻量化频域神经网络对离焦图像进行离焦量预测，结合粗对焦与精对焦的两级对焦流程，完成样品的自动对焦与三维深度估计。

8、进一步地，色彩编码斜照明机制具体为：

9、在照明瞳面投射一对光谱正交且对称分布的偏置半圆环或点状光源，分别对应彩色相机的红色通道与绿色通道；

10、当样品处于焦平面时，两光谱通道的成像特征完全重合；

11、当样品存在离焦时，两光谱通道图像产生方向相反的横向相对平移，平移量与轴向离焦量满足几何透视线性关系。

12、进一步地，轴向离焦量的计算过程为：

13、对红色通道与绿色通道的图像分别进行快速傅里叶变换，在频域内执行归一化互相关运算得到相关峰，对相关峰极值点及其3×3邻域进行二次曲面拟合，提取亚像素级横向平移量，再通过预先标定的系数线性换算得到绝对轴向离焦量与调节方向。

14、进一步地，虚拟结构纹理为方格、条纹或正弦条纹形式的二维高频网格图案，通过显微镜原有共轴照明光路投射至样品表面；

15、样品的成像退化模型满足虚拟纹理图案与系统离焦psf算子的卷积叠加加性噪声的关系：

16、，

17、其中，为加性噪声；

18、通过快速切换高、低两档照明数值孔径分别采集两幅图像，计算两幅图像的梯度对比度比值，该比值用于消除样品表面反射率非均匀的干扰，仅与轴向离焦量相关。

19、进一步地，照明数值孔径至少分为四档配置，分别适配不同对焦阶段：

20、极低数值孔径配置，数值小于0.2，相干度高、景深宽，用于大范围粗对焦与单帧相干频域离焦预测；

21、中等数值孔径配置，数值范围为[0.2,0.7]，用于虚拟结构纹理投影与对焦过渡定位；

22、高数值孔径配置，数值大于0.7且与物镜数值孔径相匹配，轴向层析能力强，用于高精度精对焦与峰值验证；

23、环形偏置数值孔径，用于增强高频相位梯度、减小三维傅里叶空间的频率缺失、抑制各向异性测量伪影，实现高精度锁焦。

24、进一步地，轻量化频域神经网络包括全连接傅里叶神经网络与改良u-net网络；

25、所述全连接傅里叶神经网络用于粗对焦阶段，截取斜照明图像中以斜照明频移量为中心的单次散射频带频谱模值作为输入特征，通过全连接层回归得到粗离焦量；

26、所述改良u-net网络裁剪深层跳跃连接，阻断低频宏观特征的直接传递，强制网络提取离焦对应的高频衍射细节，用于高分辨率相位与深度残差预测。

27、进一步地，粗对焦与精对焦的两级对焦流程具体为：

28、粗对焦阶段：采用极低数值孔径相干照明，通过轻量化频域神经网络计算粗离焦量，驱动轴向电机单向移动，将离焦误差收敛至设定阈值；

29、精对焦阶段：切换为高数值孔径色彩编码斜照明，采集单帧彩色图像并计算精准离焦量，通过极小步长闭环微调完成精准对焦；

30、对焦完成后，切换匹配物镜的高数值孔径照明，执行常规显微成像与三维深度估计。

31、进一步地，针对无纹理高反射样品，在粗对焦阶段前自动开启虚拟结构纹理投影模式，用于为对焦计算提供图像对比度支撑。

32、本发明的优点在于：

33、对焦速度更快且无机械磨损，两种工作模式均为单帧快照式采集，色彩编码精对焦模式算法耗时小于8ms，全连接傅里叶神经网络粗对焦模式耗时小于1ms，远优于传统多帧扫描对焦方案，且无需轴向往复扫描，仅需单向电机进给，大幅降低机械磨损与样品损伤风险。

34、硬件改造成本极低，仅需对现有可编程照明的电控信号进行重构，即可在商用显微镜上实现功能升级。因此样品适配范围广，搭配虚拟结构纹理投影方案，可对半导体裸片、晶圆等高反射无纹理镜面样品实现微米级精准对焦，解决了传统被动对焦与事件相机对焦在该类样品上失效的问题。

35、测量性能均衡，精对焦模式轴向测距精度约80nm，测量范围±15μm；粗对焦模式测距精度约200nm，测量范围±40μm，两级配合兼顾了大范围离焦捕获与高精度对焦需求。同时环形照明减小三维傅里叶空间频率缺失锥，深度测量各向同性，阶梯伪影得到有效抑制，轻量化网络克服谱偏差问题，深度图边缘细节保留完整。

1.一种基于可控多数值孔径与色彩编码斜照明的显微镜快速对焦方法，其特征在于，基于显微镜的可编程照明光路与彩色成像采集系统实现：

2.根据权利要求1所述基于可控多数值孔径与色彩编码斜照明的显微镜快速对焦方法，其特征在于，所述色彩编码斜照明机制具体为：

3.根据权利要求2所述基于可控多数值孔径与色彩编码斜照明的显微镜快速对焦方法，其特征在于，所述轴向离焦量的计算过程为：

4.根据权利要求1所述基于可控多数值孔径与色彩编码斜照明的显微镜快速对焦方法，其特征在于，所述虚拟结构纹理为方格、条纹或正弦条纹形式的二维高频网格图案，通过显微镜原有共轴照明光路投射至样品表面；

5.根据权利要求1所述基于可控多数值孔径与色彩编码斜照明的显微镜快速对焦方法，其特征在于，所述照明数值孔径至少分为四档配置，分别适配不同对焦阶段：

6.根据权利要求1所述基于可控多数值孔径与色彩编码斜照明的显微镜快速对焦方法，其特征在于，所述轻量化频域神经网络包括全连接傅里叶神经网络与改良u-net网络；

7.根据权利要求1所述基于可控多数值孔径与色彩编码斜照明的显微镜快速对焦方法，其特征在于，所述粗对焦与精对焦的两级对焦流程具体为：

8.根据权利要求7所述基于可控多数值孔径与色彩编码斜照明的显微镜快速对焦方法，其特征在于，针对无纹理高反射样品，在粗对焦阶段前自动开启虚拟结构纹理投影模式，用于为对焦计算提供图像对比度支撑。