基于图像处理的自动聚焦方法是建立在图像处理技术基础之上的光学成像系统中的对焦方法。该方法通过分析光学成像系统采集的图像信息，评估当前成像系统的对焦程度，并自动实现光学成像系统的对焦过程。由于基于图像处理的自动聚焦方法在聚焦过程中无需额外的距离测量设备，能有效提高光学成像系统的成像质量和效率，已被广泛运用于摄影摄像、自动化生产、实时监控、机器视觉、红外探测等需要快速频繁地进行聚焦的场合。基于图像处理的自动聚焦方法分为聚焦深度法(Depth from Focus, DFF)和离焦深度法(Depth from Defocus, DFD)两类。为了进一步提高基于图像处理的自动聚焦方法的聚焦效率，本文在分析该两类聚焦方法的实现原理及实现过程的基础上,提出了一种结合DFF与DFD聚焦方法的快速自动聚焦算法。该算法在搜索图像清晰度评价函数峰值位置确定最佳成像位置的过程中，通过一种新型的聚焦位置离焦量估计方法设置搜索步长，可快速完成自动聚焦过程。本文详细的研究工作和成果如下：①提出了一种基于DFD的快速聚焦位置离焦量的估计方法。该方法通过两幅离焦图像中同一位置满足约束条件的两像素值的比值估计该两幅离焦图像中扩散参数的比值，并利用模糊图像的离焦量与扩散参数(弥散斑半径)的解析关系，快速给出当前聚焦位置离焦量的估计值，并根据该估计值实现自动聚焦过程中的搜索步长的设置。实验结果表明，该方法在不同聚焦位置得到的离焦量估计值，对于搜索步长的设置均具有良好的参照性。②为了保证聚焦过程中搜索方向判断的正确性，避免图像噪声对搜索方向判断的影响，本文设计了一种聚焦位置区域划分方法，该方法首先将整个聚焦区域划分为远离正焦位置的区域和靠近正焦位置的区域，再根据当前聚焦位置的离焦量的估计值确定当前位置所在区域。在远离正焦位置的区域通过增大搜索步长来避免图像噪声对搜索方向判断的影响；在靠近正焦位置的区域则不考虑噪声影响，直接进行方向判断。③为提高自动聚焦效率，本文设计了一种聚焦过程中搜索步长的设置方法。该方法通过当前聚焦位置离焦量的估计值的一定比例实时调节搜索步长，实现搜索步长的自适应设置。实验结果表明，该步长设置方法选择适当的比例系数设置步长，能显著减少图像采集次数，与传统等步长的搜索方法相比，可提高3~5倍的聚焦速度。④比较了两种聚焦窗口选取方法，给出了不同聚焦环境下聚焦窗口选取的依据，并为本文显微聚焦实验系统设计了聚焦窗口选取方案。⑤针对显微聚焦实验系统，设计了一种在小景深、多目标成像条件下的自动聚焦方法。该方法先通过轮廓提取划分图像中各目标所在区域，再对各区域分别采用本文提出的聚焦位置离焦量估计方法计算各区域对应的焦平面位置与当前聚焦位置的距离估计值，最后比较各区域内得到的估计值的大小，确定各区域对应的正焦平面位置的层次关系，并结合对焦目标在世界坐标中的固有相对位置关系，完成空间中各对焦目标与图像中其成像区域的对应，最后实现针对视场中任一目标的有选择性自动聚焦。实验结果初步显示，该自动聚焦方法具有可行性，有待进一步研究。