（光学工程专业论文）摄像模块自动调焦和景深自动测试设备的研究.pdf

摘要 本文以摄像模块自动调焦和景深自动测试设备为研究对象，系统的论述了自动调焦 和景深自动测试的实现原理，总体系统的组成，各部分的结构设计等，并对其实现方 法也进行了讨论。 该课题为了研制方便实用的模块自动化生产测试设备，综合的运用了国内外成熟 的、先进的光电检测技术与光机电一体化技术等多种理论，采用自动控制技术进行c c m 自动化生产和测试工艺的研究，以达到提高测试自动化水准、测试质量和效率的目的。 是目前技术上较先进、实用性较强、性能价格比较高的一种综合检测系统。 关键词：摄像模块自动调焦景深自动测试 a b s t r a c t a u t o m a t i ct e x te q u i p m e n tf o ra u t o m a t i o nf o c u s i n ga n df i e l dd e p t ho fc c mw a st a k e n a ss t u d y i n go b j e c t s i m p l e m e n t a t i o np r i n c i p l eo fa u t o m a t i o nf o c u s i n ga n df i e l dd e p t h ， c o m p o s e do ft o t a ls y s t e m ，s t r u c t u r ed e s i g no fe a c hp a r ta n ds oo n ，w h i c hw e r ed i c u s s e d s y s t e m a t i c a l l y a n di t si m p l e m e n t a t i o nw e r ea l s od i s c u s s e d t h i ss u b j e c ta i m sa tr e s e a r c h i n go nt h es i m p l ea n dp r a c t i c a la u t o m a t i ct e s te q u i p m e n to f c c m i tc a r r i e so u tw i t ht h et h e o r e t i c a lo ni t sa n a l y s i si n t e g r a t ee l e c t r o o p t i c a ld e t e c t i n g t e c h n o l o g y ，i n t e g r a t i o no fe l e c t r o o p t i c a lt e c h n o l o g yi nt h ew o r l d m a k ef u l lu s eo f a u t o m a t i c c o n t r o lt e c h n o l o g y ，a n dm a k i n gar e s e a r c ho fa u t o m a t i cp r o d u c t i o na n dt e s tt e c h n o l o g y c c m t or e a c h i n go ni m p r o v i n ga u t o m a t i ct e s tl e v e l 、t e s tq u a l i t ya n de f f i c i e n c y i nt h i s s e n s e ，a tp r e s e n t ，i ti sat e c h n i c a l l ym o r ea d v a n c e d ，m o r ep r a c t i c a l ，h i g h e rc o s ti n t e g r a t e d t r a i n i n gs y s t e m k e y w o r d s ：c c m a u t o f o c u s i n gd e p t ho ff i e l d a u t o m a t i ct e s t 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，摄像模块自动调焦和景深自动测 试设备的研究是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。 除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰 写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名： 竭盟邋年立月卫日 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版 权使用规定，同意长春理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的 复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等 复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：2 蛰：堕型星年蔓月旦二日 指剽币躲纽型给孓月卫日 1 1 引言 第一章绪论 摄像模块( c i o sc a m e r am o d u l e ) 简称e c m ，是用于各种新一代便携式摄像设备的 核心器件，与传统摄像系统相比具有小型化，低功耗，低成本，高影像品质的优点。 在拍照手机，可视电话，汽车辅助驾驶，安全监视等领域广泛应用。 c c b t 主要由s e n s o r ，l e n s f p c ( f 1 e x i b l ep r in t e dc i r c u i t ) ，c o n n e c t o r 等零件 构成。目前c c m 生产过程除贴片以外，仍然以手工组装和人工测试为主。 现阶段，我国在c c m 产业的发展水平与国际先进水平相比具有较大的差距，测试 仪器相对比较落后，这就制约了我国的c c m 产业的生产质量和效率。国外一些发达国 家己配有相应的测试仪器，但是不仅价格昂贵而且不适合我们国内的牛产需要，因 为不同的测试目标，所需要的功能和结构也不同。 奉文研制的系统可以在本质上提高c c m 生产过程的自动化程度，提高生产效率和 质量，具有现实的经济和社会效益。所以研制的测试设备可以进行产业化生产，以满 足我国不断发展的手机产业的需求。 1 2 国内外发展现状 数码相机近年来得到空前迅猛的发展并受到消费者的普遍欢迎，c d o s 体化摄像 芯片的出现是这一热潮的基础。c m o s ”1 ( c o m p l e m e n t a r ym e t a l o x i d e s e m i c o n d u c t ) f ) 中文译名为互补金属氧化物半导体，可分为被动式像元感测器( p a s s iv ep i x e ls e n s o r c m o s ) 与主动式像元感测器( a c t i v ep i x e ls e n s o rc m o s ) ，它原本是电脑系统内 种重要的晶片，保存了系统引导最基本的资料。可是有人偶然间发现，将c m o s 加工也 可以作为数码相机的影像感测器，紧跟着有x i r l i n k 公司于1 9 9 9 年首次推向市场，2 0 0 0 年5 月，美国o m i v i s i o n 公司又推出来了新一代的c m o s 晶片。影像感测模组的基本 架构如下图： 圉11 影像感测模组的基本架构 1 2 1 国内发展现状 在我国2 0 0 5 年手机用户数将突破3 9 亿，同时中国制造了全球超过l 3 的手机， 销售了全球1 0 以上的手机。从2 0 0 1 年开始，中国的手机产业出现井喷现象，当年的 增长率到达5 19 。截至2 0 0 4 年底，中国一定规模以上的手机厂商共有6 9 家，另有 3 0 家国外手机厂商进驻中国。中国已经成为全球最大的手机生产基地。2 0 0 5 年约有1 0 个新的手机制造商投入手机生产。手机的生产能力从2 0 0 4 年的3 亿部增加到2 0 0 5 年 的5 亿部。中国手机市场进入了产业成熟期，市场销量与销售额继续恢复两位数增长， 2 0 0 5 年全年销量突破8 8 0 0 万部；2 0 0 5 年全球手机出货量为7 9 _ 亿部，其中大约45 5 亿部手机拥有照相功能，占5 7 。 2 0 0 5 年全球摄像模块出货量约45 5 亿，产值大约2 0 亿美元。国产c c 厂家大幅 度衰退，全球市场占有率不足7 。典型c c m 厂商如麦科特光电，2 0 0 5 年上半年主营业 务收入为l5 7 亿人民币，比2 0 0 4 年同期减少4 0 ，主营业务利润为3 5 5 万人民币，比 去年同期下降8 2 ，净亏损为1 4 0 0 万人民币。预测到2 0 0 8 年，8 j 的手机将拥有照相 功能，照相手机的出货量达8 亿部左右。手机用c c m 市场的规模也从2 0 0 5 年的大约2 ( 】 亿美元上升到2 0 0 8 年的d 8 亿美元。 手机摄像模块的大量装各，极大的促进了手机摄像模块的发展，各种先进技术纷 纷登场。目前韩国日本台湾等地已有多个厂家投入相关专用测试机的开发。f 图为台 湾2 0 0 5 年生产的c c m 测试机， 日4 t m 光源 剧12 台湾c c m 测试机 系统的功能规格： 1 ) 检测端点：手动取放，自动对焦检测； 2 ) 光源：可程式化l e d 光源； 3 ) 对焦距离：1 5 cr r 一无穷远； 4 ) 对伟方式：自动调焦，手动凋焦； 5 ) 影像检测功能：影像失真，黑白点检测，污点检测，颜色与感光反应检测，暗 角，光学中心线检测，闪光灯功能检测。 1 2 2 国外发展现状 多年来摄像芯片一直为日本厂商的c c d 产品主导这一局面一直到c m o s 摄像芯片 的出现才得咀改观。由于c m o s 摄像芯片的生产工艺与影像处理的芯片均采用c m o s 生 产工艺完成，所以可以将传感器和数据处理集成到一个芯片中，由此动摇了c c d 的绝 对统治地位。正因为c m o s 摄像芯片的出现，它的低成本、微型化使得它可以轻易的集 成到手机中，使手机具备摄像功能，很快这一努力就引发了摄像机微型化的热潮，芯 片的尺寸越来越小；感光度越来越高；从开始的1 0 万像素，发展到现今的2 0 0 万像素。 c c d 由于其先天感光度高的优势，也挺进手机市场，光学镜头也由原来定焦向变焦发展。 2 0 0 3 年以前，所有手机的光学镜头几乎全部是定焦产品。2 0 0 3 年日本电子展上， f d k 展示了配各光学24 倍变焦的手机相机模块。此前，该公司于2 0 0 3 年4 月推出了 可切换变焦倍率的光学2 倍变焦的试制品。新展示的变焦手机相机模块提高了变焦倍 率，同时改进了调焦机结构，以便用户可以更精确地调整变焦倍率“。 ( 1 ) 下图为2 0 0 3 年目本生产的数码相机模块的测评系统样机，型号是n t 一8 0 3 d v a ，样 机结构如图： 1 ) 机械装置：主要用来测试p c 元件装置，模块和电力供应： z ) 计算机：图像信号的数字化处理； 3 ) 手动开关：开始和结束按钮，下一步按钮； 4 ) 影像检测功能：测评模块的颜色对比度，划痕，粉尘，颜色的均匀性，裂纹等。 ”“弋“每酾国 麟拦 f # # ， 图l3 日本相机模块的测评系统样机 图i4 装配模块 团 ( 2 ) 下图为韩国生产的模组自动调焦和影像检测样机 口 图l5 韩国生产的模组自动调焦和影像检测样机 测试机系统规格： 调焦分析 1 ) 焦距：2 0 c m - 一无穷远； 2 ) 分辨率：士1 0uo ； 3 ) 行程：2 0 0 m m ； 测试项目：中心敏感度，对比度，暗影，最小亮度，感光反应，粉尘，噪音，黑白点 调焦等。 1 3 论文研究的目的和意义 由于照相手机在手机中所占的比率不断提高，手机摄像模块对手机行业的影响正 越来越大，因为c c m 产量巨大，组装测试工作存在大量手工作业，造成产品合格率不 高，产品品质难以控制，生产成本高，人力需求大等问题。这些问题困扰着c c m 行业 的健康发展，为了提高我国c c m 产业的发展水平，缩小与国际先进水平的差距，提高 c c m 生产过程的自动化程度已经成为迫在眉睫的问题。针对各被测参数的特点与要求， 贯彻“实用、可靠、先进、经济”的原则，针对各被测参数的特点与要求，分别选用 国内外成熟的、先进的光电检测技术与光机电一体化技术，研制方便实用的模块自动 化生产测试设备，达到提高测试自动化水准、测试质量和效率的目的“。 对于一个检测系统来说，检测对象的选取，检测方式的好坏直接影响着系统的 检测结果和检测速度。反映的是镜头对现实世界的再现能力这是一个复杂的测试体系。 一个好的检测系统，可以：保证产品质量；提高产品的合格率；提高产品效率； 减轻劳动强度；提高厂家之间的竞争能力。 因此，我国厂家在摄像模块这一手机重要零件上竞争能力的提高，必然在相当程 度上提高我国手机产业的国际竞争力，提高c c m 产品生产的自动化程度，节约人力和 降低生产损耗，明显减少生产中的能源消耗，可以使产品质量达到国外同类产品水平， 提高企业的竞争力和经济效益。 1 4 论文研究的内容= 4 卜聆3 采用光机电一体化技术和自动控制技术进行c c m 自动化生产和测试工艺的研究， 完成c c m 自动化生产线中的关键设备的开发。 1 4 1 研究内容 ( 1 ) c c m 自动调焦设备 1 ) 从整个量测系统的角度考虑简化m t f 的测量，同时优化图象的采样方式并导入 高速计算系统。以精减m t f 测量的计算量，实现即时测量； 2 ) 使用高性能步进马达结合优化的传动机械系统，将空回造成的影响控制在可以 接受的程度内，同时优化马达控制系统，防止误差积累； 3 ) 利用c c ml e n s 一致性好的特点，综合使用“查表法和“爬山法优化调焦控 制算法，以获得最佳调焦位置，减少调焦时间； 4 ) 图像处理中，图像清晰度评价函数的优化。理想的评价函数要求：无偏性、单 峰性、能反映离焦的极性、对噪声敏感度低等。 ( 2 ) 景深测试设备 1 ) 光电图形自动生成技术； 2 ) 光电自动对准技术； 3 ) 专用复消色平行光管的设计、安装、调试、标定技术； 4 ) 专用软件的编制； 5 ) 对准平面测量基准的确定。 1 4 2 系统的技术指标 本文研制方便实用的模块自动化生产测试设备，贯彻“实用、可靠、先进、经济 的原则，达到提高测试自动化水准、测试质量和效率的目的。主要技术参数有： ( 1 ) c c m 自动调焦设备单颗c c m 调焦时间 3 0 s ； ( 2 ) 景深自动测试设备单颗c c m 测试时间 4 0 s 近景深度：0 5 m ； 远景深度：无穷远； 测量精度：0 5 m m ； 第二章综合系统的总体方案设计 2 1 设备的使用要求和功能 本文研制方便实用的模块自动化生产测试设备，贯彻“实用、可靠、先进、经济” 的原则，达到提高测试自动化水准、测试质量和效率的目的。 2 1 1 系统的技术参数 ( 1 ) c c m 自动调焦设备单颗c c m 调焦时间 3 0 s ； ( 2 ) 景深自动测试设备单颗c c m n 试时间( 4 0 s 近景深度：0 5 m ； 远景深度：无穷远； 测量精度：0 5 姗； 2 1 2 设备的使用要求 c c m 自动调焦设备 ( 1 ) 简化调制传递函数测量的计算量，实现实时测量； ( 2 ) 利用光机电一体化技术实现自动调焦。 景深自动测试设备 ( 1 ) 综合使用调制传递函数和对比度作为测量指标； ( 2 ) 对测量环境进行监测。 2 1 - 3 制定总体方案的原则哺卜田3 ( 1 ) 在全面满足技术指标的前提下，首先应保证检测设备工作性能的可靠性，尽 量做到设备的机构紧凑、操作方便。 ( 2 ) 采用先进的，成熟的光电监测技术、光机电一体化技术与计算机自动控制技 术，实现对c c m 自动调焦、景深自动测试。 ( 3 ) 设备各部分之间的数据与指令采用有线方式传输。 测试设备方案： 系统主要由d l p 、图形发生器、实距控制器、平行光管、上料系统、自动聚焦系统 等部分组成。其原理框图见图2 1 6 |r ，7 、 - l 一 呜、 二二二娅 * 目 9 l 3 图21 原理框图 摄像模块的安装时间控制在1 0s 之内，采用快速装卡装置，并且使工件定位简单。 回转工作台转2 到3 周时进行自动调焦，自动调焦时间为2 - 3s ，转到下一个工位进行 自动点胶，时间控制在卜2 s ，拆卸模组需要2 3 秒。景深自动测试的时间为l o s ，图 像采集速度为9 帧每秒，系统的调试时问为i 0s 时，那么就可以得到g o 帧图像，这样 得到的图像数据量信息足够分析，并且显示在计算机上的时间为5 s 。所以，系统的自 动测试时间就控制在技术参数范围内，符合要求。 2 2c 删自动调焦设备的设计1 。“一”4 2 2 1 设备的光学系统原理 d l p投影物镜投影屏准直物镜s 如r 物镜s 曲轴r 光敏面 圄22 1 系统原理图 d l p 投影系统( 又称d l p 投影机) 由光源、数码微动镜元件( d m d ) 、彩色滤波器 系统、冷却系统、照明及投射光学系统等组成。d l p 投影机以d m d 数字微镜作为成像器 件。 由计算机生成的分辨率图案显示在d l p 上，并经d l p 投影物镜投影在投影屏上， 藏一 雩国一 投影屏为2 0 0 r a m 的圆形屏，投影屏上的图案再经准直物镜准直成视场角为5 0 。的准 直光成像在s e n s o r 物镜的像方焦平面上，其视频信号经图像采集卡进入计算机，由计 算机相关程序判别s e n s o r 光敏面是否与s e n s o r 物镜的焦平面重合，如果不重合，则 通过螺纹调节使s e n s o r 的光敏面与焦平面重合，重合的精度由计算机程序的评价函数 来判读，这样调焦可以由机器判别，保持调焦的一致性。 2 2 2c c m 自动调焦设备的组成 c c m 自动调焦设备由d l p 投影系统、计算机控制与数据采集系统、微动调焦部件、 回转工作台、数据转换接口、点胶装置等部分组成。通过计算机控制将各个不同工位 的镜头数据进行计算和判断，并控制调焦部分进行调整焦距，当得到的调整结果满足 需要后，控制点胶和固化设备，将镜头的几何位置进行固定。 调整光学系统由离焦到聚焦的过程成为调焦。采用聚焦检测的自动调焦方法，利用 计算机数字信号的高速度和灵活性，针对数字图像进行自动调焦。计算机通过镜头采 集到一系列的数字图像，对每一帧图像进行实时处理，判断对焦是否准确，成像是否 清晰，并给出反馈信号控制镜头的运动，直到采集到的图像符合使用要求，即完成自 动调焦。 首先根据调焦范围进行光学设计和机械结构设计，通过h u b 连接各个镜头的数据转 接口，并将数据转接口传输过来的数据进行处理，根据所得到的计算数据，控制调整 焦距工作台的运动，当确认已经达到最佳效果后，控制点胶机和固化机，将镜头固定。 位置控制平台有两种，一种是镜头定位平台，通过p l c 控制，承担将镜头定位至 能够采集数据供调试展开的位置，另一种为镜头调整位置控制单位，通过其运动并控 制镜头的调焦，采用计算机直接控制。 当镜头调整完成，由计算机控制点胶机将镜头的机械位置固定，然后控制固化设 备将胶固化，点胶机和固化设备用计算机控制。自动调焦示意图如下： 图2 。2 2 自动调焦示意图 2 2 3 计算机控制与数据采集系统“7 卜n 鲫 采用工控机，通过h u b 连接各个镜头的数据转接口，并将数据转接口传输过来的 数据进行处理，根据所得到的计算数据，控制微动调焦部件的调焦轮运动，当确认已 经达到最佳效果后，控制点胶机和固化机，将镜头固定。 ( 1 ) 数据处理 1 ) 去除噪声 由于照明场噪声、c c d 性能、镜头畸变、热电子噪声以及安装误差等的存在，使图 像质量受到影响。因此，在计算清晰度评价函数前应克服这些噪声。对图像本身来说， 我们采用3x3 的滤波算子进行中值滤波来减少热电子噪声、采样、量化、传输以及图 像采集过程中环境的扰动在图像中产生的噪声和其他不良影响。 对系统照明不匀以及安装时存在的系统线性误差，我们采用了最d , - - 乘线性拟合 来消除。即： 设摄像机在位置z 时，线性系统误差可表示为： g ( i ，z ) - - s ( ，z ) + a 。+ b ： ( 2 2 1 ) 式中g ( f ，z ) 为受干扰的灰度值，厂( f ，z ) 为理想灰度值，a ：，b ：为摄像机在位置z 时 有关的变量，a z i + b ：为线性变化项。 2 ) 图像几何畸变校正啪卜船门 几何畸变讨论图像点在图像平面的位置问题。由于在设计、安装镜头组成摄像机 光学系统中的不完善，必须考虑位置误差。 由成像系统引起的几何畸变的校正有两种方法：一种是预畸变法，这种方法是采 用与畸变相反的非线性扫描偏转法，用来抵消预计的图像畸变；另一种是所谓的后验 校正法。这种方法是用多项式曲线在水平和垂直方向去拟合每一畸变的网线，然后求 得反变换的校正函数，用这个校正函数可校正畸变的图像。 任何几何失真都可以由非失真坐标系g ，y ) 变换到失真坐标系g ，y ) 的方程来定 义。方程的一般形式为： 2 9 ，t ( 2 2 2 ) l y = h 2 b ，y ) 怕一7 在透视畸变的情况下，变换是线性的： 2 擘+ 砂托， ( 2 2 3 ) l y = 出+ 秒+ 厂 。 设厂g ，少) 是无失真的原始图像，g ( x ，y ) 是厂g ，y ) 畸变的结果，这一失真的过程是 9 已知的并且用函数向。g ，y ) f f 1 h ：g ，y ) 定义。于是有： g ( x ，y ) = 厂g ，y ) ( 2 2 4 ) 这说明在图像中本来应该出现在像素g ，少) 上的灰度值由于失真实际上却出现在 g ，y ) 上了。这种失真的复原问题实际上是映射变换问题。在给定了g g 7 ，y ) 、h i g ，j ，) 、 h 2 g ，y ) 的情况下，其复原处理可以如下进行： ( a ) 对于厂g ，y ) 中的每一个点g 。，y 。) ，找出在g g ，y ) 中相应的位置 0 ，) = 阮g 。，y 。l 办：g 。，y 。) 】。由于口和不一定是整数，所以通常0 ，) 不会与 g g ，y ) 中的任何点重合。 ( b ) 找出g g 7 ，y 7 ) 中与缸，) 最靠近的点( x 。，y 。) ，并且令厂g 。，蜘) = g ( 石。，y 。) ， 也就是把g g ，y ) 点的灰度值赋予厂b 。，y 。) ，如此逐点做下去，直到整个图像，则几何 畸变得到校正。 ( c ) 如果不采用第二种中的灰度值的代换方法，也可以采用内插法。这种方法是 假定q ，) 点找到后，在g g ，y ) 中找出包含着如，) 的4 个邻近的数字点( 而7 ，j ，。7 ) ， ( ，r ，+ ，j ，。) ，( ，c 。，y 。，) ，( ，c 。+ 。，y ，7 ) 并且有： f ， ix , 口 甲 ( 2 2 11 ) 式中厂( f ，) 为图像在( f ，) 像素点的灰度。当图像聚焦时，取最大值。 d ) 方差函数 这是一个形式简单的但很有效的清晰度评价函数，它是利用图像数据的标准偏差 作为清晰度的评价函数： f ( f ) = g j g ，y ) - u f ) 2 ( 2 2 1 2 ) x e eu ，= g ，g ，y ) n m ，g ，g ，y ) 为像元的灰度值，当图像处于最清晰时，f ( f ) 达到 最大值。 e ) 灰度差分法 这是利用相邻图像点的差的平方和来估计图像的清晰度，也是一种非常有效的清 晰度评价函数： f ( f ) = k ，2 + 岛2 ) ( 2 2 1 3 ) 斗 g 。g ，y ) = g ，g + 1 ，y ) 一g ，g ，y ) 瓦甲 g ，g ，y ) ：g ，g ，y + 1 ) 一g 。g ，y ) 当图像达到最清晰时f ( f ) 取最大值。 其实，灰度差分法就是利用了图像的边缘增强处理，使清晰度评价函数的特征曲 线更加陡峭，即聚焦图像与离焦图像的评价函数更加分明，提高了准确聚焦的灵敏度。 f ) 拉普拉斯像能函数 这是一个非常有效的评价函数，在焦距附近具有较高的灵敏度，其形式如下： f ( f ) = k 。+ g ) 2 ( 2 2 1 4 ) j y 式中g 。+ g w = 一g f g 一1 ，y 1 ) 一4 9 ，b - 1 ，y ) 一g ，g 一1 ，y + 0 - 4 9 f b ，y - 1 ) + 2 0 9 ，b ，y ) - 4 9 ，b ，y + 1 ) 一g ，g + 1 ，y 一1 ) 一4 9 f g + 1 ，j ，) 一g ，g + 1 ，y + 1 ) 当图像聚焦时，拉普拉斯像能函数f f ) 取得最大值。 拉普拉斯像能函数的实质也是图像的一种边缘增强，它考虑了像素点周围的相邻8 个 像素，是一种高灵敏度的评价函数。 根据以上分析，本系统采用灰度差分法能实现快速、实时和有效测量要求。当图 像聚集时，f ( i ) 取最大值。其实灰度差分法是一种微分方法，即对图像进行梯度变换， 也就是利用了图像的边缘增强处理，使焦距评价函数的特征曲线更加陡峭，即聚焦图 像与离焦图像的评价函数值更加分明，提高了准确聚焦的灵敏度。 5 ) 自动聚焦搜索方式的选择 要实现智能化的快速自动聚焦方式，选择一种合适的聚焦搜索方式是十分重要的。 如果采用遍历搜索法一定可以找到正确的聚焦位置，但这样存在耗时较长的缺点，在 快速聚焦中，遍历搜索法一般是不可取的。 在聚焦过程中，一般采用一定的步长进行搜索，如果调整聚焦步长过大，很可能 使摄像系统跨过正确的聚焦位置，从而导致聚焦错误甚至聚焦不能结束。反之，如果 选取小步长进行聚焦，虽然可以做到正确聚焦，但是整个聚焦过程可能耗时很长，降 低了系统聚焦速度。如果以变步长搜索为基础，结合使用人工智能方法，形成一套合 理的搜索策略，在每次搜索之前给出智能化的搜索建议，则可以大大加快焦平面的搜 索速度。 a ) 登山式自动聚焦方式 图2 2 4 为清晰度评价函数特征曲线，用它来说明登山式自动聚焦方式的聚焦过 程：首先，聚焦镜头作任意方向搜索，并假定从图2 2 4 的m 点开始搜索，确定搜索 方向，即找到向点方向进行，也就是点的评价值大于点m 的评价值。这时，镜头 向山顶方向运动，直到越过山顶到达p 1 为止，第一次搜索结束，如图2 2 4 中的实线 所示，即路径为m 一一尸一p 1 ；接着由尸1 开始，向山顶p 运动，直到p 2 为止，第一 次搜索结束，如图中的虚线所示，即p 1 一p p 2 ；每搜索一次，步距相应减小；如此 反复，直到找到最大值为止，聚焦结束。 1 4 p 图2 2 4 登山式自动聚焦方式 尽管登山式自动聚焦方式有明显的优点，但它仍然会产生一些误动作。图2 2 4 的清晰度评价函数特征曲线是一种理想情况下的曲线。在实际测量中，由于噪声的存 在、镜头的快速运动、光源的突变以及振动的影响等，特征曲线不再是光滑的理想曲 线，这时就容易使聚焦产生误动作，只能局部聚焦，甚至完全不能聚焦。下面介绍一 种基于阈值和曲线拟合的自动聚焦方式，能够克服局部聚焦和完全不能聚焦的情况， 而且聚焦速度和精度都得到了很大提高。 b ) 基于阈值和曲线拟合的自动聚焦方式 在理想情况下，用登山式自动聚焦方式能够达到很好的效果，但实际测量中，由 于噪声、震动、光源的不稳定等因素的影响，其清晰度评价特征函数曲线如图2 2 5 所示，在整个聚焦过程中，都存在信号的起伏。因此聚焦函数特征曲线并不是理想的 光滑曲线，如果采用登山式聚焦搜索方式，存在着以下几个困难：第一、在确定电机 运动的第一步就存在困难，容易造成电机误动；第二、如果曲线存在一个局部最大值， 那么很可能就不能很好地聚焦；第三、电机在峰值附一近不断的摆动，使聚焦时间加 长；第四、最佳聚焦位置并不一定在电机步长的整数倍上。那么，怎样克服这种情况 呢? 当然，可以采用遍历搜索法来确定聚焦位置，但这要以时间为代价。 p b 。一d e p t h o f f o c u 墨s t o p p e dc o n di t i o n 图2 2 5 基于阈值和曲线拟合的自动聚焦方式 该方法的聚焦过程如下：( 1 ) 在聚焦开始时就从基点位置向聚焦位置运动，如图中 箭头所示，这样避免了在开始时为了确定运动方向而不断的左右运动，缩短了聚焦时 间；( 2 ) 当评价函数值小于阈值时，就以大步距向前运动，这样又可节约大量的时间， 而且也可以避免信号的起伏对聚焦的影响；( 3 ) 当评价函数值大于阈值时，采用小的步 距，以提高测量精度。在实际测量中，根据镜头的焦深来确定步距的大小，在焦深范 围内测量5 次，即走5 步；( 4 ) 确定停止搜索条件：当后面连续4 个值小于当前值时， 停止搜索，即略小于一个焦深范围；( 5 ) 由于步距不能太小，否则需要大量的时间，在 通常情况下，镜头的最佳聚焦位置并不一定在电机步长的整数倍上，因此，为了得到 更为准确的聚焦位置，对小步搜索后的评价函数值进行曲线拟合，以确定最佳聚焦位 置。 由于在采集图像的过程中的噪声不可能完全去除，有可能会使得到的评价函数值 出现局部的最大值，这样就有可能使图像不能聚焦在最佳位置，为了克服这种问题， 要对评价函数值进行平滑处理，这样使聚焦的稳定性得到了很大提高。 本文提出了一种以图像的灰度差分的绝对值之和作为焦距评价函数以及采用了逐 步逼近的登山式自动聚焦方式的切实可行的快速自动调焦方法，因为在自动调焦过程 中，判断图像是否聚焦与图像的高频成分密切相关，当完全聚焦时，图像清晰，包含 边缘信息的高频分量最多；这种方法重复精度好，调焦精度完全满足计算机数字图像 处理和分析的要求。 2 2 4 微动调焦部件 具 头 图2 2 6 微动调焦部件 自动调焦系统是一个闭环控制系统，微动调焦部件位于被调焦镜头的侧面，主要 由步进电机、联轴节、调焦轮等组成。当工件随回转工作台转9 0 。后，进入调焦工位， 1 6 此时调焦轮同工件套弹性摩擦接触，计算机控制步进电机带动调焦轮微量j f 反转， 在回转工作台移动部件位置上装有c c m 图像采集插座，将检测到的实际图像反馈到计 算机中，观察图像是否清晰，用比较后的差值控制调焦手轮直到图像清晰为止时才停 止移动，使镜头焦平面位于敏感元件光敏面上，完成自动调焦。 电控平移台 2 3 电机伺服系统设计” 图227 自动诵焦部件 伺服系统，是数控机床的重要组成部分。它由伺服驱动电路、伺服驱动装( 电机) 、 位置检测装置、机械传动机构以及执行部件等部分组成。它的作用是：接收数控系统 发出的进给位移和速度指令信号由伺服驱动电路作一定的转换和放大后，经伺服驱动 装置( 直流、交流伺服电机、直线电机、功率步进电机、电液伺服阀一液压马达等) 和 机械传动机构，驱动机床的工作台、主轴等执行部件进行工作进给和快速进给。数控 机床的进给伺服系统与一般机床的进给系统有本质上的差异，它能根据指令信号自动 精确地控制执行部件运动的位移、方向和速度，以及数个执行部件按一定的规律运动 以合成一定的运动轨迹。进给伺服系统的性能，如最高移动速度、跟踪精度、定位精 度等动态和静态性能，在很丈程度上决定了数控机床的加工精度、加工表面质量和生 产效率。 数控进给伺服系统的性能取决于它的各个组成环节的特性，也取决于系统中各环 节性能参数的合理匹配。以伺服驱动电路与伺服驱动装置为中心的伺服驱动系统已有 较成熟的理论分析、实验研究和设计计算方法。机械传动机构以及整体进给伺服系统 在性能参数方面的研究，近年来也受到重视，并进行了不少的工作。这些工作都有效 地促进了进给伺服系统技术性能的提高。 2 3 1 步迸电机的选择 步进电动机是一种将脉冲信号变换成角位线( 或线位移) 的电磁装置，步进电机 的角位移量和角速度分别与指令脉冲的数量和频率成正比，在时间上与输入脉冲同步， 而且旋转方向决定于脉冲电流的通电顺序。因此只需控制输入脉冲的数量、频率及电 动机绕组通电顺序，便可控制执行部件位移、速度和运动方向。在无脉冲输入时，在 绕组电源激励下，气隙磁场能使转子保持原有位置而处于自锁状态。步进电动机按其 输出扭矩的大小，可分为快速步进电动机与功率步进电动机；按其励磁相数可分为二 相、四相、五相、六相；按其工作原理可以分为永磁式( p m ) 、反应式( v r ) 和混合式 ( h b ) 。 步进伺服结构简单，符合系统数字化发展需要，但精度差、能耗高、速度低，且 其功率越大移动速度越低。特别是步进伺服易于失步，使其主要用于速度与精度要求 不高的经济型数控机床及旧设备改造。但近年发展起来的恒斩波驱动、p w m 驱动、微步 驱动、超微步驱动和混合伺服技术，使得步进伺服的性能提高到一个新的水平瞳6 卜业引。 步进电机参数的计算与选择 基于上面的分析及本设备的需要因此本课题采用步进电机，选择步进电机的参数 如下： 工作转台的直径d = 9 0 0 m m ， 转速n = 1 2 0 r m i n ， 安全系数2 ， 工作转台的重量m = 2 0 k g ， 转台的驱动力是f = m g = 2 k g l o m s 2 - - 2 0 n ， 转台所需要的扭t = f r = 2 0 x 0 4 5 = 9n m ， ( 2 3 1 ) 根据上面的技术参数分析与研究，我们选择下面的电机：8 6 b y g 2 5 0 f 系列步距电机。 表2 1 技术参数 根据电机所需要的扭矩，选择8 6 b y g 2 5 0 f a 型号的步进电机l = 7 8 m m 图231 电机实物图 7 b o 、 荸 i 上、 i 人j 1 6 97 r 圈232 步进电机外形尺寸图 2 3 2 同步带的计算与选择 同步齿形带分为梯形齿同步带和圆弧齿同步带” ( 1 ) 梯形齿同步带： 1 ) 结构：工作面为梯形齿，承载层为玻璃纤维绳芯、钢丝绳等的环形带。 2 ) 特点：靠啮合传动，承载层保证带齿齿距不变，传动比准确，轴压力小，结构 紧凑，耐油、耐磨性较好，但安装制造要求高。 3 ) 应用：v 5 0 m s ，p 3 0 0 k ? ，i l o 要求同步的传动，也可用于低速的旋转。 图233 梯形齿同步带 ( 2 ) 圆弧齿同步带： 1 ) 结构：工作面为弧齿，承载面为玻璃纤维、台成纤维绳芯的环形带。 2 ) 特点：与梯形齿同步带相同，但工作时齿根应力集中小。 3 ) 应用：大功率传动。 图234 圆弧齿同步带 同步带节距p d = 20 3 2 r m n ，根据实际要求，选m x l 系列同步带。 1 ) 选择小同步齿轮2 2 m x l ，小带轮齿数z ，= 2 2 ，外径d 。= 1 32 7 ，小带轮节圆直 径d = 1 4 2 3 m ； 选择大同步齿轮7 2 f f , x l ，大带轮齿数z ，= 7 2 ，外径d 。- 4 60 6 ，大带轮节圆直 径d e = 4 6 5 7 姗； 2 ) 初选中心距a o = 2 0 0 m m 3 ) 减速比在i - 1 ：3 到1 ：4 之间 4 ) 带长度厶_ + 知咖警2 汜。， ：2 x 2 0 0 + 兰x ( 4 6 5 7 - 1 42 孔+ ( 4 6 5 7 - 1 4 2 3 ) 。：4 9 5 m m 5 ) 查下表得厶= 4 8 7 6 8 r n m ，型号1 9 2 m x i ，z - 2 4 0 6 ) 实际中心距a ： 带回公式( 2 32 ) ，此时厶= 4 8 7 m m ，a = 1 9 6 m m 7 ) 小带轮啮合齿数 牙互2 一导( z ，一z ：) _ 1 0 ( 2 蚋) 图235m x l 型同步带如图所示 表2 - 2 同步带规格、型号、尺寸表 2 3 3 角位移传感器的选择呻 ( 1 ) 光电轴角编码器倚介 光电轴角编码嚣是集光、机、电精密技术于一体的结晶。通过光电转换，可将输给 轴的机械量，旋转位移等转换成电脉冲或数字量。它具有体积小、重量轻、品种多、 功能全、高频率、分辨能力高、承载能力强、力矩小、耗能低、性能稳定可靠、坚固 耐用、使用寿命长等特点。图2 36 为轴角编码器的原理示意图。 囤236 编码器原理示意图 光电轴角编码器是利用光学码盘通过光学读码完成轴角到编码电信号变换的仪器。 它主要由光源、光学码盘、狭缝、光电探测及处理电路、轴系和一整套相应的机械零 件所组成。它的核心是光电读码系统，如图236 所示为一个码道的光电读出系统。 光电轴角编码器光源一般采用红外发光二极管，如2 g l 系列，直流供电，兄为限流电 阻。码盘按需要确定码道数，用镀铬光刻法制成。光电接受器可采用光电二极管，也 可吼按图中所示采用光电三极管。采集信号经放大、整形，再由统一译码输出对应转 角的数字信号。 ( 2 ) 码盘的工作原理 光学码盘是光学轴角编码器的角度基准光学元件，是将转角的模拟量转换为数字量 ( a d ) 的有效工具。按照代码形式，编码器可分为增量式和绝对式两种。如计量光栅 是一种增量式的编码器，没有固定的零位。当编码器有绝对零位时，称其为绝对式编 码器。 1 ) 绝对式码盘 光学码盘是一种绝对式编码器，按输出代码形式可以有二进制、二十一进制和六r 一进制等。以二进制代码为基础进行编码的码盘，用透光和不透光两种状态表示“l ” 和“o ”。并以每个码道代表二进制的一位数，对应在光学码盘上是黑白相问的一个圆 环。若干这样的码道就构成按二进制规律的码盘图案。如图23 7 所示为个五码道 组成的二进制码盘。 囝 图237 二进制码盘 二进制码盘的码道数n 和码道编码容量m 之间的关系为： m = 2 ”( 23d 其角度分辨率口与码道数n 之间的关系为： a = 3 6 0 ”m( 23 5 五位码盘的编码容量为m = 2 5 = 3 2 ，对应口a = 1 12 5 0 就是说五码道的码盘能将 个圆周分为3 2 分。如码道数达到2 l ，编码器的角分辨率可达口= 06 1 8 1 。 2 ) 增量式码盘 计量圆光栅是一种增量式码盘，它的种类很多，按栅线分布形状分类，可分为：径 向光栅( 栅线呈辐射状，并全部通过圆心) ，切向光栅( 栅线均与一个直径很小的圆相 切) ，环形光栅( 栅线由许多栅距为d 的同心圆组成) 。 横 图2 3 8 径向光栅的莫尔条纹 条纹 条纹 在偏心方向上由于重叠处两光栅的栅距不同，栅线夹角乡接近为零，将产生类似纵 向的莫尔条纹。在与偏心相垂直的方向上，栅距接近相等，且0 o ，将产生横向莫尔 条纹。在其它方向上，栅距不等，且0 0 ，将产生斜向的莫尔条纹。如果仔细研究全 面积上的莫尔条纹，如图2 3 9 所示， 图2 3 9 全面积莫尔条纹 有以下两个特点，一是莫尔条纹由一系列切于中心的圆组成；二是莫尔条纹的法向 宽度随距中心的半径r 变化而不同，可用下式表示： b = 砍r e ( 2 3 6 ) 式中b 一莫尔条纹的法向宽度； 靠一位于r 处的栅距； e 两光栅间的偏心量 通过调整e ，可以达到改变条纹间距的目的。 实际常用这类光栅产生横向莫尔条纹，当主光栅转动时，横向奠尔条纹径向移动， 使之与转角相对应。通过测定莫尔条纹的移动，可测定转角的大小。目前所用径向光 栅的栅距多在2 0 2 0 。之间。相当于每周1 0 8 0 6 4 8 0 0 条栅线。这就是圜光栅实现精 密测角的原理。这种编码器还可以通过电子纲分来提高测角分辨率。 3 ) 码盘参数的选择 码盘的主要参数有：分辨率口、码道位数n 、黑白刻线总数m 、刻线周期掣、刻线 宽度b 、最小内圈直径丸m 、刻线长度，和码道间隔猷等。由所要求的最小码盘读数来 确定码盘的分辨率d 。按公式( 2 3 7 ) 计算出黑白刻线总数，即编码容量，按公式 ( 238 ) 计算出码道位数n 。码道的刻线周期甲是指每对黑白线段所对应的中心角度， 各码道甲字值不同，对擐低位码道来说，刻线的周期等于分辨率的二倍。 最小内圈直径丸，。是指最高位码道刻划的内径。该值取得大对精度有利，但仪器体 积、重鼍均增大；反之对体积、重量减小有利，但对精度不利，应视具体要求而定。 刻线长度z 是指刻线在直径方向上的长度。通常取1 15 m m 即可。 刻线宽度匆由码道刻线半径e 和刻线周期确定，注意扛对应的是码道一个周期 的线宽，可由下式给出： 自2 足 ( 2 37 ) 式中：足= ( ，+ a r ) ( f i ) + 矿2 l n ：j8 ) 当编码器有绝对零位时，可以减小回转工作台产生的累计误差，所以选择绝对式 轴角编码器。 图231 0 绝对式轴角编码器 2 4 总布局及主要部件结构_ 以叫3 3 3 ( 1 ) c c m 自动调焦设备结构图： 卜支架2 一轴承3 一旋转胶轮4 一镜头座5 一联接体6 - c c m 接口插座7 一步进电机8 一联轴节9 一轴承套 1 0 - 夹具1 1 一镜头1 2 一主轴1 3 一轴承1 4 一轴承套1 5 一底座1 6 一转台1 7 一编码器1 8 一电机1 9 一齿形带 2 0 - 电磁铁2 卜滑套2 2 一滑柱2 3 一轴承 图2 4 1回转台总布局图 2 5 ( 2 ) 回转台主要工作原理： 图2 4 2 回转台平面图 回转工作台由镜头安装座、工作台、主轴、轴承、带齿轮、齿形带、步进电机等 组成。被调焦镜头安放在镜头座内，回转工作台在步进电机驱动下，通过带齿轮与齿 形带传动，每分种转6 0 一1 2 0 次，可调。 工作台每转过9 0 。到达一个新工位后，轴承2 3 与工作台周边对应的凹横相啮合， 此时电磁铁2 0 通电，滑柱2 2 向前推动轴承2 3 。在弹簧力和电磁推力| ! l 勺作用下轴承和 凹槽合并压紧，工作台固定不动。这样可保持很高