图像式DNA芯片扫描仪是生物医药研究中快速崛起的一项检测技术,相比于激光共聚焦方式,它具有简单高效的优点,可广泛应用于基因构造探索、新药研发、疾病治疗等领域。国内关于图像式DNA芯片扫描仪的研究较为缓慢也较少,导致了国内的仪器不仅结构复杂而且造价较高。为此,本课题组设计并研制了基于CCD的DNA芯片扫描仪,利用大功率LED作为激发光源,通过设计配套的光路解决了仪器的杂散光问题。针对仪器容易失焦和手动调焦困难的问题,本文重点放在仪器的焦距自动校准设计上,实现了扫描仪的调焦结构,并对相关的图像清晰度评价函数和焦距搜索策略等算法展开研究。本文的主要工作为:(1)介绍DNA芯片的荧光产生原理和常见的两种扫描仪检测方式,分析了与焦距校准相关的概念、镜头成像模型、点扩散函数和光学传递函数。(2)设计了扫描仪的整体结构,选择了合适的大功率LED,并通过光照入口设计、消光暗室、光阑和消光器相结合的方案消除了光路中的99.95%杂散光。然后结合不同调焦方法的优缺点和扫描仪的实际情况,设计了本文的图像式焦距自动校准方案。所设计的方案在原有基础上,添加了步进电机及其驱动、传动轮和同步带实现了校准的硬件结构。(3)聚焦于图像式焦距自动校准的相关算法研究,从灵敏度、抗噪性和实时性出发比较了常见的七种图像清晰度评价函数,得出最适合本文扫描仪的评价函数。在焦距搜索策略上,针对广泛应用的改进型爬山搜索策略提出一种调焦步长寻优方法,通过使用寻优得到的粗调焦步长缩减了调焦总步数,实验证明该方法能提高16.8%的调焦效率。(4)对焦距自动校准的精准性、重复性误差和实时性,扫描仪检测的灵敏度和分辨率进行评测,然后使用同一片遗传缺陷芯片,比对本文扫描仪与博奥扫描仪所得荧光点阵图像的一致性,科学的衡量本文扫描仪的性能。文章最后对本文扫描仪的问题与改进做出了相应的探讨。实验结果显示本文焦距自动校准的精准性强于手动调焦方式,重复性误差为2.1%,最短校准时长为18.72秒,扫描仪的检测灵敏度为1.12flour/um2,分辨率达10.04μm,扫描遗传缺陷芯片所得到的一个荧光点阵与博奥扫描仪相比一致性系数R2为0.95。