自动对焦技术是在机器智能化、自动化的驱动下发展起来的光机电交叉技术,在日常生活、科学研究、工业生产、军事应用等需要成像的地方被广泛地应用,是现代光电系统中必不可少的重要技术。自20世纪初期以来,国内外专家学者围绕自动对焦技术做了大量的研究,使得自动对焦技术的各种理论和方法得到快速的发展,但是因为成像目标和测试条件的多样性,现有光学成像系统中的自动对焦技术并不十分成熟,还需要对其进行完善。如何选择合适的清晰度评价函数和参与计算的区域、如何兼顾对焦精度和速度等方面,还存在许多问题需要解决。本文对基于视觉图像的显微镜自动对焦的关键技术进行了研究,改善和提高显微镜自动对焦的效率和工作性能。本文针对图像的清晰度评价函数进行比较与分析,针对上述提出的问题,采用一种图像法与对比度法相结合的快速自动对焦方法,并对实验方案中的参数进行了仿真,最后搭建实验装置验证了该方法的可行性。完成的工作主要包括以下几个方面:(1)总结了国内外专家学者所作的大量研究成果,介绍了自动对焦技术的发展历程和研究现状。阐述了光学对焦的结构模型与基本原理,叙述了基于对比度检测的显微镜自动对焦的原理,并建立了对应的数学模型。(2)针对自动对焦中清晰度评价函数的选择进行了比较分析,自动对焦系统中清晰度评价函数的选择对对焦的准确性和计算效率的影响很大。本文讨论了数字图像预处理的方法,通过实验比较了均值滤波和中值滤波,重点分析了多种常用的、具有代表性的基于数字图像处理的清晰度评价算子,并比较分析了不同算法的单峰性、无偏性、灵敏度以及计算效率,分析了不同清晰度评价算子的差异,寻找最优算法。(3)对基于数字图像处理的光学显微自动对焦技术存在的缺陷进行改进,采用了一种基于对比度检测的显微镜自动对焦方法,通过在光路中加入光程差棱镜,并采用投影条纹的方法,可以实时的获取离焦的方向和离焦量。同时利用Zemax光学仿真软件对系统使用的参数进行仿真,优化光学系统的设计,以得到最佳的实验参数。(4)设计并组建显微镜自动对焦光路结构并进行实验验证研究。根据仿真结果进行系统器件的选型,使用光学显微器件和图像传感器,搭建一套显微镜自动对焦实验装置,并编制相应的测量软件。通过实验对本文提出的改进方法进行了可行性验证,并提供了相应的搜索方法。