扫描电子显微镜(SEM)在现代科研领域具有重要作用,使用手动调焦的方式费时费力,并且需要专业的操作知识。实现SEM的自动聚焦能够有效提高SEM使用效率。论文在完成相关电路设计与软件编写基础上,进行SEM自动聚焦算法研究。论文首先设计并实现了SEM控制板中的扫描采集传输部分,使用FPGA作为主控单元,控制前端扫描采集电路,获取SEM扫描图像,通过双SRAM进行数据缓存,使用USB2.0接口与PC端通讯,完成图像和SEM参数状态等数据的传输及指令接收。在完成电路和FPGA逻辑模块的设计与实现后,论文编写SEM测试软件,实现图像接收与显示。论文对常用图像清晰度评价函数进行实验验证和结果分析,提出大范围内使用灰度方差评价函数,小范围使用小波评价函数的复合清晰度评价函数。论文分析验证常用搜索算法后提出改进的搜索算法,使用线性拟合完成模糊对焦,使用黄金分割搜索完成精细对焦。完成自动聚焦算法研究后,论文进行算法的FPGA实现。将算法分为成灰度方差运算、线性拟合、二维小波变换以及黄金分割搜索四个功能模块。使用Matlab中的VHDL Coder辅助开发,完成各模块编写,并通过算式变形和逻辑复用等方式减少资源使用量。针对5/3小波变换,论文提出基于流水线的一维行变换结构,对标准列变换结构进行优化,通过5行中间数据寄存器的循环复用,减少资源消耗。最终对FPGA算法模块进行时序仿真验证。经联机测试,论文设计的扫描采集传输电路及SEM测试软件能够正确工作,完成SEM图像的扫描采集与显示。经硬件仿真验证,论文设计的自动聚焦算法的各FPGA模块能够正确工作,完成相应功能。