精密儀器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

1、第九章第九章 自動(dòng)調(diào)焦系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)焦系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)焦（自動(dòng)調(diào)焦（AutofocusAutofocus）技術(shù)是精密儀器中提高技術(shù)是精密儀器中提高儀器精度的重要手段，有著廣泛應(yīng)用。儀器精度的重要手段，有著廣泛應(yīng)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(diào)焦調(diào)焦沿光軸方向調(diào)整位置（沿光軸方向調(diào)整位置（1 1 DOFDOF）；）；o調(diào)平調(diào)平調(diào)整成像平面與光軸垂直調(diào)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(cè)量?jī)x，焦

2、深小于線寬輪廓測(cè)量?jī)x，焦深小于1 1m m2)(2 NAzNA61. 0調(diào)調(diào)焦焦方方法法手動(dòng)手動(dòng)人眼檢測(cè)，手動(dòng)調(diào)整，效率人眼檢測(cè)，手動(dòng)調(diào)整，效率 低，低， 精度差精度差自動(dòng)自動(dòng)自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)調(diào)整；效率高，自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)調(diào)整；效率高， 精度高精度高 ，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高 自動(dòng)調(diào)焦類型自動(dòng)調(diào)焦類型調(diào)焦調(diào)焦原理原理對(duì)焦點(diǎn)及其偏差的直接檢測(cè)對(duì)焦點(diǎn)及其偏差的直接檢測(cè)對(duì)物面到透鏡的距離檢測(cè)對(duì)物面到透鏡的距離檢測(cè)離焦離焦信息信息直接檢測(cè)象邊緣的光強(qiáng)分布直接檢測(cè)象邊緣的光強(qiáng)分布檢測(cè)離焦信息檢測(cè)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(cè)相對(duì)信息檢測(cè)相對(duì)信息自動(dòng)調(diào)焦自動(dòng)調(diào)焦9

3、.2 9.2 圖像處理自動(dòng)調(diào)焦方法圖像處理自動(dòng)調(diào)焦方法9.29.2圖像處理自動(dòng)調(diào)焦方法圖像處理自動(dòng)調(diào)焦方法 原理原理對(duì)成像質(zhì)量進(jìn)行圖像處理以實(shí)現(xiàn)對(duì)成像質(zhì)量進(jìn)行圖像處理以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)焦；自動(dòng)調(diào)焦； 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，精度較高；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，精度較高； 缺點(diǎn)缺點(diǎn)評(píng)價(jià)參數(shù)確定較困難；評(píng)價(jià)參數(shù)確定較困難； 核心問題核心問題確定合適的評(píng)價(jià)參數(shù)。確定合適的評(píng)價(jià)參數(shù)。圖像清晰判據(jù)函數(shù)圖像清晰判據(jù)函數(shù)理想條件下評(píng)價(jià)參數(shù)滿足條件：理想條件下評(píng)價(jià)參數(shù)滿足條件： 無偏性無偏性物平面與對(duì)準(zhǔn)平面重合時(shí)參數(shù)取極物平面與對(duì)準(zhǔn)平面重合時(shí)參數(shù)取極值，值，=0=0。 單峰性單峰性調(diào)焦范圍內(nèi)只有一個(gè)極點(diǎn)。調(diào)焦范圍內(nèi)只有一個(gè)極點(diǎn)。 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(fù)性重復(fù)性判據(jù)函數(shù)應(yīng)具備較陡波峰，即判據(jù)函數(shù)應(yīng)具備較陡波峰，即要小。要小。 可調(diào)性可調(diào)性單調(diào)區(qū)間要大以保證調(diào)焦范圍，單調(diào)區(qū)間要大以保證調(diào)焦范圍，即即要大。要大。 耐用性耐用性對(duì)光強(qiáng)波動(dòng)、圖象噪聲等不過分對(duì)光強(qiáng)波動(dòng)、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(duì)成象模糊程度在離焦情況下，對(duì)成象模糊程度進(jìn)行判斷，獲取離焦信號(hào)，經(jīng)過電路處進(jìn)行判斷，獲取離焦信號(hào)，經(jīng)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(shí)灰度值最大，離焦時(shí)灰度正焦時(shí)灰度值最大，離焦時(shí)灰度下降。下降。的灰度分布值。象素點(diǎn)圖像在第式中灰度和作為評(píng)價(jià)參數(shù)jidddijijijij,)(9.2.29.2.2高頻通帶法高頻通帶法基于頻域檢測(cè)方法，其圖象輪廓基于頻域檢測(cè)方法，其圖象輪廓銳度和細(xì)節(jié)復(fù)現(xiàn)性取決于圖象的銳度和細(xì)節(jié)復(fù)現(xiàn)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(dāng)選擇帶寬采用高通濾波器，適當(dāng)選擇帶寬，使對(duì)離焦敏感頻率成分通過，實(shí)現(xiàn)清，使對(duì)離焦敏感頻率成分通過，實(shí)現(xiàn)清晰度自動(dòng)檢測(cè)。晰度自動(dòng)檢測(cè)。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(duì)圖象獲取信號(hào)進(jìn)行微分。對(duì)圖象

6、獲取信號(hào)進(jìn)行微分。閾值。式中200)(),(ijijnijfddf特性曲線特性曲線 拋物線區(qū)拋物線區(qū) 變換緩慢，達(dá)到半焦深時(shí)衰減變換緩慢，達(dá)到半焦深時(shí)衰減1515，為微分法極限靈敏度。為微分法極限靈敏度。 線性區(qū)線性區(qū) 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(qū)雙曲線區(qū) 變化緩慢，展寬檢測(cè)范圍。變化緩慢，展寬檢測(cè)范圍。 三種圖象調(diào)焦方法比較三種圖象調(diào)焦方法比較 閾值積分法：閾值積分法： 對(duì)被測(cè)對(duì)象性質(zhì)敏感，適用較小圖象。對(duì)被測(cè)對(duì)象性質(zhì)敏感，適用較小圖象。 高頻帶通法：高頻帶通法： 性質(zhì)穩(wěn)定，靈敏度較高。性質(zhì)穩(wěn)定，靈敏度較高。 微分法：微分法： 近焦區(qū)靈敏度高，遠(yuǎn)焦區(qū)有

7、效檢測(cè)范圍較寬。近焦區(qū)靈敏度高，遠(yuǎn)焦區(qū)有效檢測(cè)范圍較寬。9.39.3判據(jù)函數(shù)的選取判據(jù)函數(shù)的選取 計(jì)算判據(jù)函數(shù)值的預(yù)處理計(jì)算判據(jù)函數(shù)值的預(yù)處理 閾值修正閾值修正 最小二乘線性擬合趨勢(shì)項(xiàng)最小二乘線性擬合趨勢(shì)項(xiàng) 圖像噪聲同態(tài)濾波圖像噪聲同態(tài)濾波9.49.4氣動(dòng)調(diào)焦方法氣動(dòng)調(diào)焦方法 噴嘴擋板原理噴嘴擋板原理規(guī)范常數(shù)流量系數(shù)；、）；噴嘴截面積（）；出口氣柱面積（）；節(jié)流孔截面積（測(cè)量氣壓輸入氣壓；32123221144DADhAdAPPmw1233222112211AAAAPPwm考慮噴嘴形狀對(duì)測(cè)量氣壓考慮噴嘴形狀對(duì)測(cè)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(gè)實(shí)根：該方程的一個(gè)實(shí)根：說明當(dāng)說明當(dāng)PmPm一定時(shí)，間隙一定時(shí)，間隙h h還取決于還取決于 ，也，也就是說當(dāng)間隙就是說當(dāng)間隙h h一定時(shí)，一定時(shí)，PmPm會(huì)受會(huì)受 影響。影響。33122CCBh34lnrr34lnrr12343223412ln8 . 01ln8 . 01rrAArrAAPPwm修正并簡(jiǎn)化后得到修正并簡(jiǎn)化后得到 設(shè)計(jì)原理設(shè)計(jì)原理平衡0PPhm顯示電壓鐵芯膜盒VPm&氣動(dòng)中繼器氣電中繼器氣動(dòng)中繼器氣電中繼器 設(shè)計(jì)內(nèi)容設(shè)計(jì)內(nèi)容 微動(dòng)臺(tái)微動(dòng)臺(tái)采用彈性膜工作臺(tái)采用彈性膜工作臺(tái) 設(shè)計(jì)指標(biāo)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(dòng)臺(tái)位移平行度與膜片加工、熱處理及固定方法的對(duì)稱性和均勻性有關(guān)。 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(zhuǎn)分離氣流旋轉(zhuǎn)分離出水分并凝結(jié)，干燥氣出水分并凝結(jié)，干燥氣體從濾清材料體從濾清材料1 1進(jìn)入內(nèi)進(jìn)入內(nèi)腔，從出氣口流出。腔，從出氣口流出。毛氈、銅網(wǎng)、毛氈、銅網(wǎng)、過濾紙、活性炭等。過濾紙、活性炭等。 穩(wěn)壓器穩(wěn)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(jìn)氣壓升高進(jìn)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(jìn)氣減少進(jìn)氣減少 氣室氣室II、III壓力下降壓力下降 恢復(fù)

10、平衡。恢復(fù)平衡。 噴嘴噴嘴環(huán)形單孔，一般使用三個(gè)單孔噴嘴一般使用三個(gè)單孔噴嘴種種類類環(huán)形噴嘴面積：)(42223DDS徑：與之等效的單孔噴嘴直22230DDD9.59.5其他自動(dòng)調(diào)焦方法其他自動(dòng)調(diào)焦方法9.5.19.5.1斜光速法自動(dòng)調(diào)焦斜光速法自動(dòng)調(diào)焦 工作原理工作原理yyxxyxzz22YXcos，轉(zhuǎn)角為，則反射光的附加、的傾斜角為軸、實(shí)際情況下，設(shè)象面與根據(jù)反射定律： 顯微鏡二次成像系統(tǒng)顯微鏡二次成像系統(tǒng)coszz的放大率。顯微物鏡式中：2LzKzcosK系統(tǒng)常數(shù) 該系統(tǒng)在該系統(tǒng)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(cè)量結(jié)果若無偏離，雖然有傾斜但不影響測(cè)量

11、結(jié)果 當(dāng)離焦和傾斜同時(shí)存在時(shí)，造成調(diào)焦誤差。當(dāng)離焦和傾斜同時(shí)存在時(shí)，造成調(diào)焦誤差。 光電轉(zhuǎn)換及信號(hào)處理光電轉(zhuǎn)換及信號(hào)處理 原理原理采用正弦驅(qū)動(dòng)狹縫振動(dòng)并對(duì)刻線標(biāo)采用正弦驅(qū)動(dòng)狹縫振動(dòng)并對(duì)刻線標(biāo)記的二次象進(jìn)行掃描。記的二次象進(jìn)行掃描。組成 顯微物鏡顯微物鏡 L2 振動(dòng)狹縫振動(dòng)狹縫 s 光電接受器光電接受器 D 光電信號(hào)光電信號(hào) 刻線象完全偏離狹縫刻線象完全偏離狹縫 光電信號(hào)為恒值，與照明強(qiáng)度有關(guān)。光電信號(hào)為恒值，與照明強(qiáng)度有關(guān)。 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(nèi)刻線象在狹縫范圍內(nèi) 光電信號(hào)為光電信號(hào)為“鐘形脈沖鐘形脈沖”

12、。當(dāng)刻線像位于振動(dòng)狹縫中心時(shí)，光電流輸出為。，顯然此時(shí)：光電流輸出的峰值。刻線完全離開狹縫時(shí)為狹縫振幅；，式中0)()(sin212110ttTttIAAammmIttttItI220)sin()(0000時(shí)，光電流輸出為：當(dāng)刻線象偏離狹縫中心z)(2)(2)()sin()(0)sin()(101011010111其他區(qū)域mmmIttAztIttttAztItI。，式中AaAz1011sinsin121211211042222tttttt脈沖間隔：脈沖寬度離焦信息在t1和t2時(shí)間間隔內(nèi)分別計(jì)數(shù)，得到N1和N2，N=N1-N2反應(yīng)了離焦量的大小和方向。 zAtzzAztAzcos4cos4Azt

13、t1121sin44)(自動(dòng)調(diào)焦驅(qū)動(dòng)電致伸縮微位移器放大最小離焦量。計(jì)數(shù)脈沖寬度ADNzzATc/cos4minmin微處理機(jī)時(shí)鐘頻率頻率正弦信號(hào)（狹縫振動(dòng)）微處理機(jī)工作時(shí)鐘周期狹縫掃描范圍系統(tǒng)分辨率式中：度和系統(tǒng)分辨率取決于顯微鏡的靈敏調(diào)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(cè)物體反射光束，用光電系統(tǒng)檢測(cè)離焦后光束發(fā)生偏離來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)焦。為共軛點(diǎn)。和輔助物鏡反射成象物鏡光束21MMMfMf。光學(xué)系統(tǒng)放大倍數(shù)其中，為時(shí)，接收面上的偏移量當(dāng)離焦為物鏡焦距?？讖浇?，其中，。偏移量為離焦后，成象發(fā)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(shí)際情況下，光束具有根據(jù)接收面光斑變化所產(chǎn)生光電流變化來對(duì)離焦量進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)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(jìn)行自動(dòng)調(diào)焦利用像散光束形狀隨離焦變化進(jìn)行自動(dòng)調(diào)焦0)()(0)()(0)()(423142314231IIIIICIIIIIBIIIIIACBA位置：位置：位置：I I反映了被測(cè)物面離焦的情況。反映了被測(cè)物面離焦的情況。誤差信號(hào)：誤差信號(hào)： 執(zhí)行元件執(zhí)行元件音圈電機(jī)音圈電機(jī)精度精度1 1mm9.5.7 9.5.7 刀口法刀口法

15、當(dāng)離焦時(shí)光斑旋轉(zhuǎn)，用二象限光電池探當(dāng)離焦時(shí)光斑旋轉(zhuǎn)，用二象限光電池探測(cè)測(cè)9.5.11 9.5.11 臨界角法臨界角法 離焦量為零時(shí)恰好發(fā)生全反射離焦量為零時(shí)恰好發(fā)生全反射9.5.4 9.5.4 比相法比相法 原理原理檢測(cè)光波相位來進(jìn)行自動(dòng)調(diào)焦檢測(cè)光波相位來進(jìn)行自動(dòng)調(diào)焦。接收器調(diào)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(diào)制板的移動(dòng)速度。調(diào)制板的線寬；矩形波周期；分別為接收時(shí)間；照度；未調(diào)制時(shí)光電接收器的正整數(shù)；式中：VaVaTTtttEKTttKKKEtETttKKKEtEgggKgK2,2 , 1)(2sincos

16、1)()(2sincos1)(21021021101 相位差相位差為焦后。時(shí)，當(dāng)為焦前；時(shí)，當(dāng)為正焦；時(shí)，當(dāng)式中000000 ,2)()(2212121tttttttTKttttTKgg 離焦量與相位差的關(guān)系離焦量與相位差的關(guān)系VlsbstblssfDtVxssxsfDff)(0又9.5.5 MTF9.5.5 MTF法法 光學(xué)系統(tǒng)離焦時(shí)，其傳遞函數(shù)曲線不同光學(xué)系統(tǒng)離焦時(shí)，其傳遞函數(shù)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(duì)用硬件電路求相鄰像素的平滑度，再對(duì)整個(gè)象面求和整個(gè)象面求和9.5.8 9.5.8 相位法相位法 利用兩波長(zhǎng)相同但利用兩波長(zhǎng)相同但是反向光源，檢測(cè)是反向光源，檢測(cè)信號(hào)輸出，判斷正信號(hào)輸出，判斷正負(fù)離焦情況。負(fù)離焦情況。9.5.9 9.5.9 測(cè)速法測(cè)速法 利用聲頻信號(hào)反射，測(cè)定往返時(shí)間、確利用聲頻信號(hào)反射，測(cè)定往返時(shí)間、確定距離以自動(dòng)調(diào)焦定距離以自動(dòng)調(diào)焦9.5.10 9.5.10 振動(dòng)法振動(dòng)法 基于同軸光束法，離焦量變化轉(zhuǎn)為光束基于同軸光