1、第九章第九章 自動調焦系統自動調焦系統自動調焦（自動調焦（AutofocusAutofocus）技術是精密儀器中提高技術是精密儀器中提高儀器精度的重要手段，有著廣泛應用。儀器精度的重要手段，有著廣泛應用。目的目的為了快速地獲取高清晰度的圖像。為了快速地獲取高清晰度的圖像。o調焦調焦沿光軸方向調整位置（沿光軸方向調整位置（1 1 DOFDOF）；）；o調平調平調整成像平面與光軸垂直調整成像平面與光軸垂直( (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鏡的分辨率物鏡的分辨率光刻物鏡，焦深為光刻物鏡，焦深為2 2m-3m-3m m 線寬輪廓測量儀，焦

2、深小于線寬輪廓測量儀，焦深小于1 1m m2)(2 NAzNA61. 0調調焦焦方方法法手動手動人眼檢測，手動調整，效率人眼檢測，手動調整，效率 低，低， 精度差精度差自動自動自動檢測、自動調整；效率高，自動檢測、自動調整；效率高， 精度高精度高 ，結構復雜，成本較高，結構復雜，成本較高 自動調焦類型自動調焦類型調焦調焦原理原理對焦點及其偏差的直接檢測對焦點及其偏差的直接檢測對物面到透鏡的距離檢測對物面到透鏡的距離檢測離焦離焦信息信息直接檢測象邊緣的光強分布直接檢測象邊緣的光強分布檢測離焦信息檢測離焦信息把理想成像位置作為參考面把理想成像位置作為參考面檢測相對信息檢測相對信息自動調焦自動調焦9

3、.2 9.2 圖像處理自動調焦方法圖像處理自動調焦方法9.29.2圖像處理自動調焦方法圖像處理自動調焦方法 原理原理對成像質量進行圖像處理以實現對成像質量進行圖像處理以實現自動調焦；自動調焦； 優點優點結構簡單，精度較高；結構簡單，精度較高； 缺點缺點評價參數確定較困難；評價參數確定較困難； 核心問題核心問題確定合適的評價參數。確定合適的評價參數。圖像清晰判據函數圖像清晰判據函數理想條件下評價參數滿足條件：理想條件下評價參數滿足條件： 無偏性無偏性物平面與對準平面重合時參數取極物平面與對準平面重合時參數取極值，值，=0=0。 單峰性單峰性調焦范圍內只有一個極點。調焦范圍內只有一個極點。 適用性

4、適用性不僅僅限于某一特殊類別的圖像。不僅僅限于某一特殊類別的圖像。 重復性重復性判據函數應具備較陡波峰，即判據函數應具備較陡波峰，即要小。要小。 可調性可調性單調區間要大以保證調焦范圍，單調區間要大以保證調焦范圍，即即要大。要大。 耐用性耐用性對光強波動、圖象噪聲等不過分對光強波動、圖象噪聲等不過分敏感。敏感。圖像處理法：圖像處理法：o 閾值積分法閾值積分法o 高頻通帶法高頻通帶法o 微分法微分法9.2.19.2.1閾值積分法閾值積分法在離焦情況下，對成象模糊程度在離焦情況下，對成象模糊程度進行判斷，獲取離焦信號，經過電路處進行判斷，獲取離焦信號，經過電路處理得到不同圖象灰度分布。理得到不同圖

5、象灰度分布。正焦時灰度值最大，離焦時灰度正焦時灰度值最大，離焦時灰度下降。下降。的灰度分布值。象素點圖像在第式中灰度和作為評價參數jidddijijijij,)(9.2.29.2.2高頻通帶法高頻通帶法基于頻域檢測方法，其圖象輪廓基于頻域檢測方法，其圖象輪廓銳度和細節復現性取決于圖象的銳度和細節復現性取決于圖象的 高頻高頻 成分。成分。 途徑途徑采用高通濾波器，適當選擇帶寬采用高通濾波器，適當選擇帶寬，使對離焦敏感頻率成分通過，實現清，使對離焦敏感頻率成分通過，實現清晰度自動檢測。晰度自動檢測。高頻衰減圖象模糊離焦退化9.2.3 9.2.3 微分法微分法 原理原理對圖象獲取信號進行微分。對圖象

6、獲取信號進行微分。閾值。式中200)(),(ijijnijfddf特性曲線特性曲線 拋物線區拋物線區 變換緩慢，達到半焦深時衰減變換緩慢，達到半焦深時衰減1515，為微分法極限靈敏度。為微分法極限靈敏度。 線性區線性區 線性好，斜率最大，衰減約線性好，斜率最大，衰減約5050。 雙曲線區雙曲線區 變化緩慢，展寬檢測范圍。變化緩慢，展寬檢測范圍。 三種圖象調焦方法比較三種圖象調焦方法比較 閾值積分法：閾值積分法： 對被測對象性質敏感，適用較小圖象。對被測對象性質敏感，適用較小圖象。 高頻帶通法：高頻帶通法： 性質穩定，靈敏度較高。性質穩定，靈敏度較高。 微分法：微分法： 近焦區靈敏度高，遠焦區有

7、效檢測范圍較寬。近焦區靈敏度高，遠焦區有效檢測范圍較寬。9.39.3判據函數的選取判據函數的選取 計算判據函數值的預處理計算判據函數值的預處理 閾值修正閾值修正 最小二乘線性擬合趨勢項最小二乘線性擬合趨勢項 圖像噪聲同態濾波圖像噪聲同態濾波9.49.4氣動調焦方法氣動調焦方法 噴嘴擋板原理噴嘴擋板原理規范常數流量系數；、）；噴嘴截面積（）；出口氣柱面積（）；節流孔截面積（測量氣壓輸入氣壓；32123221144DADhAdAPPmw1233222112211AAAAPPwm考慮噴嘴形狀對測量氣壓考慮噴嘴形狀對測量氣壓PmPm影響影響伯努利方程：伯努利方程：0233CBhhmmwPPPrAB24

8、212121035 . 234113ln107rrPPPACmmw該方程的一個實根：該方程的一個實根：說明當說明當PmPm一定時，間隙一定時，間隙h h還取決于還取決于 ，也，也就是說當間隙就是說當間隙h h一定時，一定時，PmPm會受會受 影響。影響。33122CCBh34lnrr34lnrr12343223412ln8 . 01ln8 . 01rrAArrAAPPwm修正并簡化后得到修正并簡化后得到 設計原理設計原理平衡0PPhm顯示電壓鐵芯膜盒VPm&氣動中繼器氣電中繼器氣動中繼器氣電中繼器 設計內容設計內容 微動臺微動臺采用彈性膜工作臺采用彈性膜工作臺 設計指標剛度、靈敏度、線

9、性范圍 影響因素波紋形狀、尺寸、厚度及固 定方式 微動臺位移平行度與膜片加工、熱處理及固定方法的對稱性和均勻性有關。 過濾器過濾器使壓縮空氣使壓縮空氣干燥清潔，防止污染和干燥清潔，防止污染和堵塞。堵塞。氣流旋轉分離氣流旋轉分離出水分并凝結，干燥氣出水分并凝結，干燥氣體從濾清材料體從濾清材料1 1進入內進入內腔，從出氣口流出。腔，從出氣口流出。毛氈、銅網、毛氈、銅網、過濾紙、活性炭等。過濾紙、活性炭等。 穩壓器穩壓器輸出較恒定的工作氣壓。輸出較恒定的工作氣壓。原理進氣壓升高進氣壓升高 膜片變形膜片變形 桿桿4提高提高 球形閥門球形閥門5進氣減少進氣減少 氣室氣室II、III壓力下降壓力下降 恢復

10、平衡?；謴推胶?。 噴嘴噴嘴環形單孔，一般使用三個單孔噴嘴一般使用三個單孔噴嘴種種類類環形噴嘴面積：)(42223DDS徑：與之等效的單孔噴嘴直22230DDD9.59.5其他自動調焦方法其他自動調焦方法9.5.19.5.1斜光速法自動調焦斜光速法自動調焦 工作原理工作原理yyxxyxzz22YXcos，轉角為，則反射光的附加、的傾斜角為軸、實際情況下，設象面與根據反射定律： 顯微鏡二次成像系統顯微鏡二次成像系統coszz的放大率。顯微物鏡式中：2LzKzcosK系統常數 該系統在該系統在z z軸方向上靈敏度高軸方向上靈敏度高 若無偏離，雖然有傾斜但不影響測量結果若無偏離，雖然有傾斜但不影響測量

11、結果 當離焦和傾斜同時存在時，造成調焦誤差。當離焦和傾斜同時存在時，造成調焦誤差。 光電轉換及信號處理光電轉換及信號處理 原理原理采用正弦驅動狹縫振動并對刻線標采用正弦驅動狹縫振動并對刻線標記的二次象進行掃描。記的二次象進行掃描。組成 顯微物鏡顯微物鏡 L2 振動狹縫振動狹縫 s 光電接受器光電接受器 D 光電信號光電信號 刻線象完全偏離狹縫刻線象完全偏離狹縫 光電信號為恒值，與照明強度有關。光電信號為恒值，與照明強度有關。 狹縫被刻線完全遮蓋狹縫被刻線完全遮蓋 理論上光電接收器輸出為零。理論上光電接收器輸出為零。 刻線象在狹縫范圍內刻線象在狹縫范圍內 光電信號為光電信號為“鐘形脈沖鐘形脈沖”

12、。當刻線像位于振動狹縫中心時，光電流輸出為。，顯然此時：光電流輸出的峰值?？叹€完全離開狹縫時為狹縫振幅；，式中0)()(sin212110ttTttIAAammmIttttItI220)sin()(0000時，光電流輸出為：當刻線象偏離狹縫中心z)(2)(2)()sin()(0)sin()(101011010111其他區域mmmIttAztIttttAztItI。，式中AaAz1011sinsin121211211042222tttttt脈沖間隔：脈沖寬度離焦信息在t1和t2時間間隔內分別計數，得到N1和N2，N=N1-N2反應了離焦量的大小和方向。 zAtzzAztAzcos4cos4Azt

13、t1121sin44)(自動調焦驅動電致伸縮微位移器放大最小離焦量。計數脈沖寬度ADNzzATc/cos4minmin微處理機時鐘頻率頻率正弦信號（狹縫振動）微處理機工作時鐘周期狹縫掃描范圍系統分辨率式中：度和系統分辨率取決于顯微鏡的靈敏調焦精度MMffTAfTAf0049.5.2 9.5.2 偏心光束法偏心光束法 原理原理借助被測物體反射光束，用光電系統檢測離焦后光束發生偏離來實現自動調焦。為共軛點。和輔助物鏡反射成象物鏡光束21MMMfMf。光學系統放大倍數其中，為時，接收面上的偏移量當離焦為物鏡焦距?？讖浇?，其中，。偏移量為離焦后，成象發生偏移1112,fsfufstgufQPfPQfs

14、MPfsMQMPMQPQPQ22)2(2)2(2)(11為接收面的光斑直徑則離焦后成象為一光斑，一定的直徑實際情況下，光束具有根據接收面光斑變化所產生光電流變化來對離焦量進行檢測，實現自動調焦。9.5.3 9.5.3 像散法像散法 原理原理 利用像散光束形狀隨離焦變化進行自動調焦利用像散光束形狀隨離焦變化進行自動調焦0)()(0)()(0)()(423142314231IIIIICIIIIIBIIIIIACBA位置：位置：位置：I I反映了被測物面離焦的情況。反映了被測物面離焦的情況。誤差信號：誤差信號： 執行元件執行元件音圈電機音圈電機精度精度1 1mm9.5.7 9.5.7 刀口法刀口法

15、當離焦時光斑旋轉，用二象限光電池探當離焦時光斑旋轉，用二象限光電池探測測9.5.11 9.5.11 臨界角法臨界角法 離焦量為零時恰好發生全反射離焦量為零時恰好發生全反射9.5.4 9.5.4 比相法比相法 原理原理檢測光波相位來進行自動調焦檢測光波相位來進行自動調焦。接收器調制板、透鏡反射光物面透鏡分光鏡物鏡光源876343521焦前： C1相位超前正焦： C1、C2同相位焦后： C2相位超前調制板的移動速度。調制板的線寬；矩形波周期；分別為接收時間；照度；未調制時光電接收器的正整數；式中：VaVaTTtttEKTttKKKEtETttKKKEtEgggKgK2,2 , 1)(2sincos

16、1)()(2sincos1)(21021021101 相位差相位差為焦后。時，當為焦前；時，當為正焦；時，當式中000000 ,2)()(2212121tttttttTKttttTKgg 離焦量與相位差的關系離焦量與相位差的關系VlsbstblssfDtVxssxsfDff)(0又9.5.5 MTF9.5.5 MTF法法 光學系統離焦時，其傳遞函數曲線不同光學系統離焦時，其傳遞函數曲線不同9.5.6 9.5.6 平滑法平滑法 用硬件電路求相鄰像素的平滑度，再對用硬件電路求相鄰像素的平滑度，再對整個象面求和整個象面求和9.5.8 9.5.8 相位法相位法 利用兩波長相同但利用兩波長相同但是反向光源，檢測是反向光源，檢測信號輸出，判斷正信號輸出，判斷正負離焦情況。負離焦情況。9.5.9 9.5.9 測速法測速法 利用聲頻信號反射，測定往返時間、確利用聲頻信號反射，測定往返時間、確定距離以自動調焦定距離以自動調焦9.5.10 9.5.10 振動法振動法 基于同軸光束法，離焦量變化轉為光束基于同軸光