基于波前传感的快速自动聚焦技术研究

Sample focusing is an important prerequisite for high-quality imaging in microscopy, since precise focusing can provide sample images with high resolution, less blur, rich details and high contrast. Traditional autofocusing positions the focal plane according to intensity analysis from massive images captured by sample scanning, while focusing speed is limited due to massive image acquisition, besides, intensity based in-focus criteria cannot work well with weak scattering samples. In order to overcome the shortcomings of traditional approaches, the project will develop high-speed wavefront sensing based autofocusing technique: wavefront distributions along optical axis can be numerically computed by wavefront propagation after both amplitude and phase retrieved at defocus position. Focal plane can finally be localized according to in-focus criterion from those calculated amplitude and phase distributions at various planes. The proposed autofocusing technique only requires a small amount of image captures, besides, GPU based parallel computing as well as automatic system will be implemented to further improve autofocusing speed. Moreover, phase based in-focus criteria will be adopted to realize high-accurate focal determination of weak scattering samples. Considering its fast speed, high accuracy, high degree of automation and compact equipment, it is believed the wavefront sensing based autofocusing technique can be applied in microscopes for high-quality in-focus observations and measurements.

在显微成像中，样品聚焦是实现高质量成像的重要前提，精确的样品在焦定位能够提供最为清晰、模糊程度最小、细节最丰富、对比度最高的显微图像。传统的自动聚焦方法根据多焦面扫描的强度图像信息实现在焦定位，存在聚焦速度慢，且对弱散射样品在焦定位误差大的缺点。为了弥补传统方法的不足，本项目提出了基于波前传感的快速自动聚焦技术：通过求解离焦位置处的定量波前信息，利用数字波前传播获得不同轴向位置处的波前分布，进而根据各位置处的强度和相位信息精确定位在焦位置。相对于传统方法，本技术仅需采集少量多焦面图像，并结合GPU并行计算与软硬件结合系统，能够进一步提高样品的自动聚焦速度。此外，本技术还可以根据相位信息实现在焦判断，有效提高了弱散射样品的聚焦精度。本技术具有速度快、精度好、自动化程度高和设备简单等诸多优点，有助于在显微成像中实现对样品高精度的在焦观察与测量。

在显微成像中，精确的样品在焦定位能够提供高质量的显微图像。传统的自动聚焦方法常需要拍摄大量多焦面图像实现在焦定位，因此存在聚焦速度慢和系统复杂等缺陷。为了弥补传统方法的不足，本项目提出了基于波前传感的自动聚焦技术：首先在离焦位置处采集少量等间距多焦面图像，之后求解强度传递方程获得离焦位置处波前，进而结合数值波前传播重建一系列多焦面波前，并使用在焦评价函数对重建的多焦面波前进行分析从而定位在焦位置，最后将样品移动至在焦位置并重复上述流程直至前后两次在焦定位一致从而完成自动聚焦。本项目分别使用了数值模拟和实验证明了基于波前传感的自动聚焦技术可以准确、快速和稳定地实现样品在焦定位，从而保证了显微成像系统可以获得高质量的样品图像。虽然基于波前传感的自动聚焦技术简化了自动聚焦系统，减少了多焦面图像采集数量，同时也缩短了图像采集时间，然而该技术仍旧依赖包括数值波前传播和在焦评价等大量的数值计算，导致自动聚焦速度受限。为了压缩数值计算时间以有效提高自动聚焦速度，本项目还使用图形处理器(GPU)并行计算和像素点压缩的策略以优化基于波前传感的自动聚焦技术。使用GPU并行运行数值波前传播和在焦评价，能够明显提高自动聚焦效率。虽然GPU并行计算加快了自动聚焦速度，但是其对设备硬件要求高。针对这一缺陷，本项目还提出了使用像素点压缩的策略提高基于波前传感的自动聚焦技术的运行效率：通过亚视场选择、图像下采样或两种方案结合使用的方式以实现像素点压缩，有效提高数值波前传播和在焦评价效率。和现有自动聚焦技术相比，本项目提出的基于波前传感的自动聚焦技术具有定位准确、系统简单、聚焦速度快等一系列优势，从而可为显微成像、单颗粒示踪等各类应用提供重要的工具。