精密仪器设计基础

1、第九章第九章 自动调焦系统自动调焦系统自动调焦（自动调焦（AutofocusAutofocus）技术是精密仪器中提高技术是精密仪器中提高仪器精度的重要手段，有着广泛应用。仪器精度的重要手段，有着广泛应用。目的目的为了快速地获取高清晰度的图像。为了快速地获取高清晰度的图像。o调焦调焦沿光轴方向调整位置（沿光轴方向调整位置（1 1 DOFDOF）；）；o调平调平调整成像平面与光轴垂直调整成像平面与光轴垂直( (2 2 DOFDOF) )。9.1 概述概述原理原理111fss 焦深焦深瑞利焦深瑞利焦深物镜的分辨率物镜的分辨率光刻物镜，焦深为光刻物镜，焦深为2 2m-3m-3m m 线宽轮廓测量仪，焦

2、深小于线宽轮廓测量仪，焦深小于1 1m m2)(2 NAzNA61. 0调调焦焦方方法法手动手动人眼检测，手动调整，效率人眼检测，手动调整，效率 低，低， 精度差精度差自动自动自动检测、自动调整；效率高，自动检测、自动调整；效率高， 精度高精度高 ，结构复杂，成本较高，结构复杂，成本较高 自动调焦类型自动调焦类型调焦调焦原理原理对焦点及其偏差的直接检测对焦点及其偏差的直接检测对物面到透镜的距离检测对物面到透镜的距离检测离焦离焦信息信息直接检测象边缘的光强分布直接检测象边缘的光强分布检测离焦信息检测离焦信息把理想成像位置作为参考面把理想成像位置作为参考面检测相对信息检测相对信息自动调焦自动调焦9

3、.2 9.2 图像处理自动调焦方法图像处理自动调焦方法9.29.2图像处理自动调焦方法图像处理自动调焦方法 原理原理对成像质量进行图像处理以实现对成像质量进行图像处理以实现自动调焦；自动调焦； 优点优点结构简单，精度较高；结构简单，精度较高； 缺点缺点评价参数确定较困难；评价参数确定较困难； 核心问题核心问题确定合适的评价参数。确定合适的评价参数。图像清晰判据函数图像清晰判据函数理想条件下评价参数满足条件：理想条件下评价参数满足条件： 无偏性无偏性物平面与对准平面重合时参数取极物平面与对准平面重合时参数取极值，值，=0=0。 单峰性单峰性调焦范围内只有一个极点。调焦范围内只有一个极点。 适用性

4、适用性不仅仅限于某一特殊类别的图像。不仅仅限于某一特殊类别的图像。 重复性重复性判据函数应具备较陡波峰，即判据函数应具备较陡波峰，即要小。要小。 可调性可调性单调区间要大以保证调焦范围，单调区间要大以保证调焦范围，即即要大。要大。 耐用性耐用性对光强波动、图象噪声等不过分对光强波动、图象噪声等不过分敏感。敏感。图像处理法：图像处理法：o 阈值积分法阈值积分法o 高频通带法高频通带法o 微分法微分法9.2.19.2.1阈值积分法阈值积分法在离焦情况下，对成象模糊程度在离焦情况下，对成象模糊程度进行判断，获取离焦信号，经过电路处进行判断，获取离焦信号，经过电路处理得到不同图象灰度分布。理得到不同图

5、象灰度分布。正焦时灰度值最大，离焦时灰度正焦时灰度值最大，离焦时灰度下降。下降。的灰度分布值。象素点图像在第式中灰度和作为评价参数jidddijijijij,)(9.2.29.2.2高频通带法高频通带法基于频域检测方法，其图象轮廓基于频域检测方法，其图象轮廓锐度和细节复现性取决于图象的锐度和细节复现性取决于图象的 高频高频 成分。成分。 途径途径采用高通滤波器，适当选择带宽采用高通滤波器，适当选择带宽，使对离焦敏感频率成分通过，实现清，使对离焦敏感频率成分通过，实现清晰度自动检测。晰度自动检测。高频衰减图象模糊离焦退化9.2.3 9.2.3 微分法微分法 原理原理对图象获取信号进行微分。对图象

6、获取信号进行微分。阈值。式中200)(),(ijijnijfddf特性曲线特性曲线 抛物线区抛物线区 变换缓慢，达到半焦深时衰减变换缓慢，达到半焦深时衰减1515，为微分法极限灵敏度。为微分法极限灵敏度。 线性区线性区 线性好，斜率最大，衰减约线性好，斜率最大，衰减约5050。 双曲线区双曲线区 变化缓慢，展宽检测范围。变化缓慢，展宽检测范围。 三种图象调焦方法比较三种图象调焦方法比较 阈值积分法：阈值积分法： 对被测对象性质敏感，适用较小图象。对被测对象性质敏感，适用较小图象。 高频带通法：高频带通法： 性质稳定，灵敏度较高。性质稳定，灵敏度较高。 微分法：微分法： 近焦区灵敏度高，远焦区有

7、效检测范围较宽。近焦区灵敏度高，远焦区有效检测范围较宽。9.39.3判据函数的选取判据函数的选取 计算判据函数值的预处理计算判据函数值的预处理 阈值修正阈值修正 最小二乘线性拟合趋势项最小二乘线性拟合趋势项 图像噪声同态滤波图像噪声同态滤波9.49.4气动调焦方法气动调焦方法 喷嘴挡板原理喷嘴挡板原理规范常数流量系数；、）；喷嘴截面积（）；出口气柱面积（）；节流孔截面积（测量气压输入气压；32123221144DADhAdAPPmw1233222112211AAAAPPwm考虑喷嘴形状对测量气压考虑喷嘴形状对测量气压PmPm影响影响伯努利方程：伯努利方程：0233CBhhmmwPPPrAB24

8、212121035 . 234113ln107rrPPPACmmw该方程的一个实根：该方程的一个实根：说明当说明当PmPm一定时，间隙一定时，间隙h h还取决于还取决于 ，也，也就是说当间隙就是说当间隙h h一定时，一定时，PmPm会受会受 影响。影响。33122CCBh34lnrr34lnrr12343223412ln8 . 01ln8 . 01rrAArrAAPPwm修正并简化后得到修正并简化后得到 设计原理设计原理平衡0PPhm显示电压铁芯膜盒VPm&气动中继器气电中继器气动中继器气电中继器 设计内容设计内容 微动台微动台采用弹性膜工作台采用弹性膜工作台 设计指标刚度、灵敏度、线

9、性范围 影响因素波纹形状、尺寸、厚度及固 定方式 微动台位移平行度与膜片加工、热处理及固定方法的对称性和均匀性有关。 过滤器过滤器使压缩空气使压缩空气干燥清洁，防止污染和干燥清洁，防止污染和堵塞。堵塞。气流旋转分离气流旋转分离出水分并凝结，干燥气出水分并凝结，干燥气体从滤清材料体从滤清材料1 1进入内进入内腔，从出气口流出。腔，从出气口流出。毛毡、铜网、毛毡、铜网、过滤纸、活性炭等。过滤纸、活性炭等。 稳压器稳压器输出较恒定的工作气压。输出较恒定的工作气压。原理进气压升高进气压升高 膜片变形膜片变形 杆杆4提高提高 球形阀门球形阀门5进气减少进气减少 气室气室II、III压力下降压力下降 恢复

10、平衡。恢复平衡。 喷嘴喷嘴环形单孔，一般使用三个单孔喷嘴一般使用三个单孔喷嘴种种类类环形喷嘴面积：)(42223DDS径：与之等效的单孔喷嘴直22230DDD9.59.5其他自动调焦方法其他自动调焦方法9.5.19.5.1斜光速法自动调焦斜光速法自动调焦 工作原理工作原理yyxxyxzz22YXcos，转角为，则反射光的附加、的倾斜角为轴、实际情况下，设象面与根据反射定律： 显微镜二次成像系统显微镜二次成像系统coszz的放大率。显微物镜式中：2LzKzcosK系统常数 该系统在该系统在z z轴方向上灵敏度高轴方向上灵敏度高 若无偏离，虽然有倾斜但不影响测量结果若无偏离，虽然有倾斜但不影响测量

11、结果 当离焦和倾斜同时存在时，造成调焦误差。当离焦和倾斜同时存在时，造成调焦误差。 光电转换及信号处理光电转换及信号处理 原理原理采用正弦驱动狭缝振动并对刻线标采用正弦驱动狭缝振动并对刻线标记的二次象进行扫描。记的二次象进行扫描。组成 显微物镜显微物镜 L2 振动狭缝振动狭缝 s 光电接受器光电接受器 D 光电信号光电信号 刻线象完全偏离狭缝刻线象完全偏离狭缝 光电信号为恒值，与照明强度有关。光电信号为恒值，与照明强度有关。 狭缝被刻线完全遮盖狭缝被刻线完全遮盖 理论上光电接收器输出为零。理论上光电接收器输出为零。 刻线象在狭缝范围内刻线象在狭缝范围内 光电信号为光电信号为“钟形脉冲钟形脉冲”

12、。当刻线像位于振动狭缝中心时，光电流输出为。，显然此时：光电流输出的峰值。刻线完全离开狭缝时为狭缝振幅；，式中0)()(sin212110ttTttIAAammmIttttItI220)sin()(0000时，光电流输出为：当刻线象偏离狭缝中心z)(2)(2)()sin()(0)sin()(101011010111其他区域mmmIttAztIttttAztItI。，式中AaAz1011sinsin121211211042222tttttt脉冲间隔：脉冲宽度离焦信息在t1和t2时间间隔内分别计数，得到N1和N2，N=N1-N2反应了离焦量的大小和方向。 zAtzzAztAzcos4cos4Azt

13、t1121sin44)(自动调焦驱动电致伸缩微位移器放大最小离焦量。计数脉冲宽度ADNzzATc/cos4minmin微处理机时钟频率频率正弦信号（狭缝振动）微处理机工作时钟周期狭缝扫描范围系统分辨率式中：度和系统分辨率取决于显微镜的灵敏调焦精度MMffTAfTAf0049.5.2 9.5.2 偏心光束法偏心光束法 原理原理借助被测物体反射光束，用光电系统检测离焦后光束发生偏离来实现自动调焦。为共轭点。和辅助物镜反射成象物镜光束21MMMfMf。光学系统放大倍数其中，为时，接收面上的偏移量当离焦为物镜焦距。孔径角，其中，。偏移量为离焦后，成象发生偏移1112,fsfufstgufQPfPQfs

14、MPfsMQMPMQPQPQ22)2(2)2(2)(11为接收面的光斑直径则离焦后成象为一光斑，一定的直径实际情况下，光束具有根据接收面光斑变化所产生光电流变化来对离焦量进行检测，实现自动调焦。9.5.3 9.5.3 像散法像散法 原理原理 利用像散光束形状随离焦变化进行自动调焦利用像散光束形状随离焦变化进行自动调焦0)()(0)()(0)()(423142314231IIIIICIIIIIBIIIIIACBA位置：位置：位置：I I反映了被测物面离焦的情况。反映了被测物面离焦的情况。误差信号：误差信号： 执行元件执行元件音圈电机音圈电机精度精度1 1mm9.5.7 9.5.7 刀口法刀口法

15、当离焦时光斑旋转，用二象限光电池探当离焦时光斑旋转，用二象限光电池探测测9.5.11 9.5.11 临界角法临界角法 离焦量为零时恰好发生全反射离焦量为零时恰好发生全反射9.5.4 9.5.4 比相法比相法 原理原理检测光波相位来进行自动调焦检测光波相位来进行自动调焦。接收器调制板、透镜反射光物面透镜分光镜物镜光源876343521焦前： C1相位超前正焦： C1、C2同相位焦后： C2相位超前调制板的移动速度。调制板的线宽；矩形波周期；分别为接收时间；照度；未调制时光电接收器的正整数；式中：VaVaTTtttEKTttKKKEtETttKKKEtEgggKgK2,2 , 1)(2sincos

16、1)()(2sincos1)(21021021101 相位差相位差为焦后。时，当为焦前；时，当为正焦；时，当式中000000 ,2)()(2212121tttttttTKttttTKgg 离焦量与相位差的关系离焦量与相位差的关系VlsbstblssfDtVxssxsfDff)(0又9.5.5 MTF9.5.5 MTF法法 光学系统离焦时，其传递函数曲线不同光学系统离焦时，其传递函数曲线不同9.5.6 9.5.6 平滑法平滑法 用硬件电路求相邻像素的平滑度，再对用硬件电路求相邻像素的平滑度，再对整个象面求和整个象面求和9.5.8 9.5.8 相位法相位法 利用两波长相同但利用两波长相同但是反向光源，检测是反向光源，检测信号输出，判断正信号输出，判断正负离焦情况。负离焦情况。9.5.9 9.5.9 测速法测速法 利用声频信号反射，测定往返时间、确利用声频信号反射，测定往返时间、确定距离以自动调焦定距离以自动调焦9.5.10 9.5.10 振动法振动法 基于同轴光束法，离焦量变化转为光束基于同轴光