来源：“光学工程”公众号
导语
自动对焦技术在显微镜成像中至关重要。传统的基于图像后处理的自动对焦方法在低时空分辨率单像素显微镜中效率较低，而传统的无图像自动对焦方法通常则需要额外的硬件支持，不仅增加了系统的复杂性和成本还会降低通光效率。
为此，中国科学技术大学龚兴龙、邓华夏教授团队开发了一种无需成像的单像素快速自动对焦系统。这项研究的核心创新点在于设计了一种互补双光路系统，在不降低通光效率的前提下，仅需四次光强测量即可实现5000 fps的快速自动对焦。通过高精度编程步进电机驱动，该系统在不到1秒内完成自动对焦。其快速高效的对焦能力特别适用于非可见光成像的场景，如生物医学成像和工业检测中。同时，所提出系统的高兼容性使其具有在现有显微镜系统中广泛应用的潜力。
相关研究成果以“Fast image-free autofocus method for passive FSPI microscopy ”为题，发表在国际光学Top期刊《Optics Letters》上。论文第一作者为中国科学技术大学工程科学学院博士生倪明阳，通讯作者为龚兴龙教授与邓华夏教授。
非成像对焦程度量化
利用周期条纹光栅的带通滤波效应，可以对通过光栅的光场能量进行筛选。具体表现为对应条纹光栅空间频率的傅里叶频域值(Local Peak, LP)保持不变，而偏离LP的频点值将会得到抑制。当物体离焦时，LP处的能量会因为混淆而被分散到周围频点，进而被光栅滤除，导致幅值下降。因此LP的频点幅值即可直观反应对焦程度。
图1 等间距条纹光栅的带通滤波效应及对焦实验
基于傅里叶单像素成像原理，可以利用空间光调制器对光场进行调制，使用单个光电传感器进行四次光强测量，再基于四步相移法即可得到LP的复数频点值。因此，当前设备条件下可实现5000 fps的对焦程度量化，足以支撑毫秒级对焦需求。
共轭双光路设计
然而，光栅在光路中的存在会影响通光效率，并在成像结果中留下阴影条纹，降低成像质量。为次，本文设计了一种共轭互补的双光路。
图2 共轭双光路设计
系统的光路设计如图2所示，显微镜光线在适当的对焦位置被收集并重新聚焦在数字微镜设备（DMD）表面，光路被分为两部分，左侧用于目标成像，右侧用于量化对焦度。这样就避免了光栅对通光效率和成像质量的同时，实现了高效率免成像对焦。此外所设计的光路和现有的商用三目显微镜具有较好的兼容性，能够避免从头搭建单像素显微成像装置。
自动对焦
通过步进电机控制显微镜，可以有效提高对焦过程的效率和精确度。通过实时测量LP点的幅值，并进行平滑和插值求峰值位置，再倒转步进电机即可准确定位焦点位置。结合PID算法等控制算法，可以进一步提高对焦过程的效率。
图3 基于步进电机的自动对焦实验
本文对USAF标准测试版、显微镜标定尺、木本植物茎横切片及人食管癌切片进行了测试验证，结果表明对焦程度的量化精度可以达到50微米。
图4 对焦效果图
总结
本文基于光栅的带通空间滤波效应，结合傅里叶单像素成像技术直接提取特定频点的能力，实现了免成像的对焦程度量化，足以支撑毫秒级自动对焦；设计了一种共轭双光路，在提高了成像端的通光效率和成像质量的同时，提高了和现有的商业三目显微镜的兼容性，为简易的非可见光显微成像场景提供了新的解决方案。
原文链接：
Mingyang Ni, Yu Cai , Yihao Xue , Huaxia Deng, Xinglong Gong. Fast image-free autofocus method for passive FSPI microscopy. Optics Letters, 49:3110-3113, 2024 . DOI: 10.1364/OL.516755
https://doi.org/10.1364/OL.516755