【毕业学位论文】（Word原稿）大行程纳米级精密对焦控制系统研究-控制理论与控制工程

广东工业大学硕士学位论文 (工 学 硕 士 ) 大行程纳米级精密对焦控制 系统研究 潘 健 华 二零 一 零年 五 月 二十 日 分类号： 学校代号： 11845 密级： 学号： 2110704305 广东工业大学硕士学位论文 （ 工 学 硕 士 ） 大行程纳米级精密对焦控制 系统研究 潘 健 华 指导教师 姓名、职称 ： 程良伦 教授 企业 导师 姓名、职称 ： 无 专业 或 领域 名 称 ： 控制理论与控制工程 学 生 所 属 学 院 ： 自动化学院 论 文 答 辩 日 期 ： 2010 年 5 月 11845 o.:2110704305 A s 010 510006 摘要 I 摘要 自动对焦技术是 各种 成像系统、计算机 机器 视觉和精密仪器中的关键技术之一 。 随着科学技术的不断发展，高精度 /高速度 的 微进给 技术已经成为 域的 研究前沿 ，广泛应用于 工业在线检测 、 自动加工 、 实物仿形 、 产品质量控制 、生物医学等领域 。 从 二十世纪起，由于 精密加工与 超精密加工与测量的要求，许多设备仪器需要在大范围内实现高精度的连续进给运动，如平板显示屏自动光学检测系统、 集成电路制造系统 、 光栅刻划机进给系统 等。 本文从 精密定位 平台研究入手， 分析了现有 精密定位 平台和对焦控制系统的局限性，提出了一种新型的大行程纳米级精密对焦系统。 1)本文对国内 外大行程纳米级精密对焦平台现状、 当前激光微距离测量的发展状况进行了 研究 ， 探讨了对焦平台在行程和精度之间的设计难度， 比较了各种激光测距方法的优缺点，确定了采用三角法作为 大行程纳米级精密 对焦系统的设计基础。 2)介绍了 大行程纳米级精密对焦系统的设计，对焦平台采用两级进给结构设计， 采用粗动与精动系统相结合，以达到高的定位精度和分辨率。 对焦平台运动控制 系统构成和原理 ，包括驱动系统的组成 ，主从控制方 式 和智能控制方法。 3)分析了基于三角法的自动对焦系统的光学特性，针对成像系统的特点，采用计算机处理技术和嵌入式控制技术，提出显微镜系统的对焦模型及对焦判定方法。 4)通过分析 现 有的自动对焦算法， 提出一种基于三角法和通光率最大判定法的自动对焦方法，三角法可以快速，大范围的实现调焦，通光率法通过对能量和灰阶的变化进行双重判定，实现精确对焦。 5)将 大行程纳米级精密对焦控制系统应用于平板显示屏自动光学检测设备上， 针对平板检测中要求的快速性、精确性、稳定性，试验了对焦系统对焦的速度、精度和重复对焦精度 。实验结果表明，改进型 自动对焦 算法适用性广， 对焦速度快， 对焦精确度高， 具有相当的实用价值。 关键词： 自动对焦；自动光学检测；三角法；通光率最大判定法；光斑中心 广东工业大学硕士学位论文 is of in of of a is in to to in a of as of of a of F of on of of of to of as a of F it a of to on F s of of is on of of a of II on in to in F F 东工业大学硕士学位论文 录 摘要 . I . 录 . . 一章 绪论 . 8 课题研究的意义和目的 . 8 内外研究现状 . 9 行程纳米级精密对焦平台现状研究 . 9 有自动对焦法应用现状 . 11 种测距方法的比较 . 12 文的研究内容及结构安排 . 13 题来源及研究内容 . 13 文结构安排 . 13 章小结 . 14 第二章 大行程精密对焦系统设计 . 15 行程精密对焦系统设计要求 . 15 行程纳米级精密对焦平台设计 . 15 密对焦平台整体结构 . 15 作平台 . 16 向调焦机构的设计和改进 . 18 动控制系统整体结构 . 20 机特性分析 . 20 密平台数学模型建立 . 24 动控制系统硬件设计 . 26 件流程设计 . 27 法设计流程 . 29 章小结 . 30 第三章 精密对焦系统原理及设计方案 . 31 微镜光学成像理论 . 31 目录 V 微镜的成像原理 . 31 微镜的景深 . 32 角测距法原理 . 33 光学入射法 . 33 光学入射法 . 34 动对焦设计方案 . 36 斑成像理论 . 36 学三角法调焦设计方案 . 37 章小结 . 39 第四章 自动对焦算法研究和软件设计 . 40 斑特征分析 . 40 斑质心计算 . 42 光率最大判定法对焦分析 . 44 动对焦算法软件设计 . 45 动对焦算法测试分析 . 46 章小结 . 47 第五章 精密对焦控制系统的综合能力试验 . 48 焦精度的评定标准 . 49 密对焦控制系统的综合能力测试 . 50 复定位精度和自动对焦时间测试 . 51 头切换精度和时间测试 . 58 总结与展望 . 61 参考文献 . 63 攻读学位期间发表的论文 . 67 攻读学位期间参加的科研项目 . 68 独创性声明 . 69 致谢 . 70 附录 上位机控制软件设计程序 (部分 ) . 71 广东工业大学硕士学位论文 . I . . . . 8 he of . 8 he of . 9 he . 9 of . 11 of . 12 . 13 . 13 . 13 . 14 . 15 F . 15 . 15 he of . 15 -Y . 16 of . 18 he of . 20 . 20 . 24 he of . 26 . 27 . 29 . 30 . 31 of . 31 . 31 of . 32 . 33 . 33 . 34 F . 36 . 36 of . 37 . 39 AF . 40 . 40 of . 42 of . 44 F . 45 F . 46 . 47 on . 48 . 49 . 50 F . 51 . 58 . 61 . 63 . 67 . 68 . 69 . 70 . 71 广东工业大学硕士学位论文 8 第一章 绪论 课题研究的意义和目的 高精度和高分辨率的 精密 /超精密 作业 系统在近代 高端 工业生产和科学研究领域内 占有极为重要的地位。它直接影响精密、超精密切削加工水平、 精密测量水平 、 工业在线检测水平 及超大规模集成电路生产水平 12。 这些精密加工、精密检测设备都需要一个 优良的成像系统，用来辅助加工、测量、检测， 而 调焦系统 作为 光电成像系统 、机器视觉系统 的关键装置 ， 在 生产过程监控、工况检测、图像拍摄、显微观察、医学图像分析、地质遥感和军事遥感等等 方面都应用广泛 345。无论哪个成像系统，都会遇到对焦的问题， 如果仅依靠操作人员的主 观判断来完成成像系统的调焦， 很容易带来一定的人为误差，而且自动化程度低。 本论文 的研究 是 基于 产学研 项目“ 新一代 动光学检测技术与设备开发 ” 研制大行程高精度快速自动对焦设备 为基础的，高精准的对焦技术是大玻璃片检测系统的关键，随着玻璃片的面积越来越大，第四代检测基板尺寸： 680880五代： 11001300六代： 15001850，检测的速度、精度也要求越来越高，所以本文的研究方向具有重大意义。近几年来 学者 在这一领域投入了大量的人力和物力，并取得了一定的成果，很多已经被广泛应用于工业生产检测。但是，还有一些问题没有很好地解决，主要体现在 ： (1)对焦精确度不够高，容易产生误对焦；在 测中，厚度 了检测 针孔 )， 抓痕 )， 粒 )等缺陷，需要使用倍数较高的物镜，其对焦分辨率高达 复定位精度为 像检测位置分辨达到 2敏度。如此高精度的对焦定位，除了需要高精度的纳米级定位工作台外，还需要一个能够实时反馈调整的控制系统。 (2)对焦稳定性不强，容易受到环境和硬件中各种噪声的影响；如控制镜头移动的电机存在误差，镜头移动存在惯性，硬件驱动存 在时间延迟等等。高精度的对焦系统，其对焦分辨率高达 复定位精度为 了实现对焦，平台的稳定性必须保证 1 0 0 0 C M P R = 0 . 0 5 8 * J * J + 1 8 0 ， 采 样 周 期 为 1 0 m E 0 / 1 0 0 0E 0 1 0 0E 0 2C M P R = 0 . 0 1 * E 0 + 1 7 0 ， 采 样 周 期 为 2 . 5 m P R = 0 . 2 * E 0 + 1 5 0 ， 采 样 周 期 为 1 m 刹 车 ， C M P R = 0E 0 = l a b s ( E 0 )图 2制算法流程 章小结 本章主要讲述了 大行程纳米级精密对焦平台、运动控制系统的设计。对焦平台采用 三维 立体的结构， 台实现镜头切换；对焦轴采用宏微二级结构，最终用压电驱动器实现精密定位、对焦。精密平台的运动控制采用 统，使用主从控制方式。第三章 精密对焦系统原理及设计方案 31 第 三 章 精密对焦系统原理及设计方案 微镜光学成像理论 微镜的成像原理 显微镜是一种是用来观察近距离微小物体的光学系统，是人类进入原子时代的标志，它 由物镜和目镜组成 52，物体经显微物镜放大成像后，其像再经目镜放大以供人眼观察。当把待观察物体放在物镜焦点外侧靠近焦点处时，在物镜后所成的实像恰在目镜焦点内侧靠近焦点处，经目镜再次放大成一虚像，观察到的是经两次放大后倒立虚像。 图 3微镜成像原理 微镜的二次成像过程如图 3示。其视觉放大倍率是 M 是物镜放大倍数目镜放大倍数 乘积： 0 002 5 0 2 5 0e M f f f f （ 其中， 为光学筒长， 0然，显微镜的放大率和光学筒长成正比，与物镜和目镜的焦距成反比，且 ，产生上半圆；当下离焦时在 z 5 0三 角 法 快 速 调 焦 率 最 大 判 定 法质 心 中 心 - 对 焦 中 心 38000 2 到 1(38000) 序号 时间（ s） 偏差（ 序号 时间（ s） 偏差（ 序号 时间（ s） 偏差（ 1 1 1 2 0 2 0 2 0 3 0 3 0 3 0 4 0 4 0 4 0 5 10 5 10 5 10 差值 0 差值 0 差值 0 均值 均值 均值 相邻镜头切换 1 - 2 3 4 5 6 7 8 9 邻尽头切换 1-2 分析图 -2 五章 精密对焦控制系统的综合能力试验 59 相邻镜头切换 2 - 1 3 4 5 6 7 8 9 邻尽头切换 2-1 分析图 -1 5头切换测试结果 2 0X 1 到 3（ 0 76000 3 到