CN101770065A - 基于多平台的超精密自动对焦系统及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种基于多平台的超精密自动对焦系统及其实现方法。包括有大范围调节物镜到玻璃平台上表面的距离的Z向大行程精密调节机构、执行物镜的小范围调节的Z向小行程精密微调机构、图像采集光学模组、图像采集处理控制系统、自动对焦执行控制系统，其中图像采集光学模组将采集到的光斑信息通过接口传输到图像采集处理控制系统，图像采集处理控制系统计算出物镜的离焦关系通过接口传输到自动对焦执行控制系统，自动对焦执行控制系统完成自动对焦过程，并发送控制指令，使玻璃平台运动。本发明的自动对焦系统对焦精确度高，对焦稳定性好、对焦速度快，平台工作行程大，可满足精密工程的需要。本发明的基于多平台的超精密自动对焦系统的实现方法方便实用。

Description

基于多平台的超精密自动对焦系统及其实现方法

技术领域

本发明是一种基于多平台的超精密自动对焦系统及其实现方法，特别是一种主要应用于液晶面板检测行业基于电子、机械装置以及图像处理手段自动地完成对被拍摄物体对焦并获取清晰图像的基于多平台的超精密自动对焦系统及其实现方法，属于基于多平台的超精密自动对焦系统及其实现方法的改造技术。

背景技术

自动对焦是一种通过电子、机械装置以及图像处理手段自动地完成对被拍摄物体对焦并获取清晰图像的技术。其主要优点是对焦准确度高、操作方便、人为干扰少，同时具备快速、高效以及自动化等特点。自动对焦首先被应用于照相机，并在发展中得到了不断地改进和提高。随后，这项技术又被广泛应用于其他光学仪器，如摄像机、显微镜、光刻机、TFT-LCD检测设备、AOI设备及其他测量检测仪器中。近几年来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TFT-LCD检测中，厚度0.4mm的玻璃，为了检测Pinhole(针孔)，scratch(抓痕)，Particle(微粒)等缺陷，需要使用倍数较高的物镜，其对焦分辨率高达0.078um，重复定位精度为0.1um，图像检测位置分辨达到2um灵敏度。如此高精度的对焦定位，需要高精度的纳米级定位工作台。

(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0.078um，重复定位精度为0.1um，为了实现对焦，平台的稳定性必须保证＜0.2um。

(3)对焦速度达不到要求，智能化程度和实时性有待提高。现代化的设备，随着通信技术和半导体技术的不断发展，检测系统要求能够快速的检测、精确的识别对象，对焦作为图像采集最重要的一环，对焦速度更是具有非常高的要求，平台必须保证在100ms实现精确的定位。

(4)行程不够，难以满足精密工程的需要；无论是TFT-LCD检测，还是其他MEMS中，都要求在平面内具有比较大的行程。TFT-LCD检测在需要更换玻璃，进行边缘检测时，都需要大于4mm的竖直方向行程，一般的精密平台都难以满足这个要求。

发明内容

本发明的目的在于考虑上述问题而提供一种对焦精确度高，对焦稳定性好、对焦速度快的基于多平台的基于多平台的超精密自动对焦系统。本发明超精密自动对焦系统的平台工作行程大，可满足精密工程的需要。

本发明的另一目的在于提供一种方便实用的基于多平台的超精密自动对焦系统的实现方法。

本发明的技术方案是：本发明基于多平台的超精密自动对焦系统，其包括有大范围调节物镜到玻璃平台上表面的距离的Z向大行程精密调节机构、执行物镜的小范围调节的Z向小行程精密微调机构、图像采集光学模组、图像采集处理控制系统、自动对焦执行控制系统，其中图像采集光学模组将采集到的光斑信息通过接口传输到图像采集处理控制系统，图像采集处理控制系统计算出物镜的离焦关系通过接口传输到自动对焦执行控制系统，自动对焦执行控制系统完成自动对焦过程，并发送控制指令，使玻璃平台运动。

上述大行程精密调节机构调节范围为4毫米，重复定位精度1微米。

上述Z向小行程精密微调机构在物镜距离玻璃平台上表面100微米时，执行物镜的小范围调节，调节范围100微米，重复定位精度6纳米。

上述图像采集光学模组的激光器发射波段为808微米的红外光到玻璃平台表面，激光经过玻璃平台反射，通过光路返回，然后被光学模组的CCD芯片捕获，光学模组的CCD芯片将采集到的光斑信息通过1394接口传输到图像采集处理控制系统。

上述图像采集处理控制系统由DSP和FPGA构成，FPGA作为系统各个部分的时序控制协调模块，协调DSP和1394接口控制芯片的工作时序，DSP完成光斑信号的处理。

上述Z向大行程精密调节机构与Z向小行程精密微调机构两个部分的连接方式为大行程的传统滚珠丝杠导轨加直流电机平台和压电陶瓷微动台连接方式，采用宏微二级结构，以直流电机与滚珠丝杠直连实现粗调节，由压电陶瓷微动台实现微动，使相机实现纳米级精度的对焦。

上述图像采集光学模组包括有激光入射光路和出射光路，激光入射光路为发射激光的激光二极管，激光经过激光聚焦镜后通过针孔，然后经由反射镜将激光反射到光栏片，然后经过偏振分光片和1/4波片，再经过聚焦镜后由分光镜反射到显微镜目镜光轴上；反射光路为玻璃表面将激光反射回目镜，然后经过分光镜反射后通过聚焦镜，之后再经过1/4波片、偏振分光片和激光滤光片后，由光学模组的CCD芯片将光斑信号采集。

上述图像采集光学模组的激光束与透镜光轴的夹角为0度。

上述图像采集处理控制系统的1394接口用分立的物理层和链路层控制芯片构成1394接口电路，控制相机和处理器之间的图像传输；时序协调匹配器，用FPGA作为系统各个部分的时序控制协调模块，协调DSP和1394控制芯片的工作时序；图像处理器，用DSP完成光斑信号的处理，得出对应的离焦关系。

上述自动对焦执行控制系统的控制方法包括如下步骤：

1)通过直接辨识算法得出平台驱动电机的数学模型，首先利用传统方法求解得的直流电机模型参数，直流电机的数学模型来自于它的两个方程，即电气方程和机械特性方程，利用电机的性能参数可以求得方程的各个参数，那么就可以获得电机的模型参数；

2)求出精确的直流电机模型参数，利用阶跃输入构建系统的线性方程，加入一个阶跃信号，线性方程得到一个输出，然后利用反拉普拉斯变换，得到输出的时域函数，当电机转速趋于稳定时，得到实际的数据结果，并记为采样点i；然后使用输出的采样数据，对模型参数进行最小二乘运算，求解系统阶跃响应的线性方程组，令采样点的输出为y(i)，根据积分定义近似求出y(t)；最后利用最小二乘法对各个参数进行最大似然估计，得出直流电机模型的精确参数；

3)通过模糊控制算法调节平台运行的速度，模糊推理首先要求出某时刻的E(k)值，从而得到Ec(k)＝E(k)-E(k-1)，根据经验公式求出E(k)和E(k-1)的隶属度，再根据控制规则表进行相应的推理运算，得出Kp、Ki、Kd各语言的对应隶属度；

4)用反模糊化进行模糊判断，便可以得出Kp、Ki、Kd各语言的精确调整值；

5)通过检测算法计算平台发出脉冲当量，最后得出平台的移动距离.

本发明的基于多平台的基于多平台的超精密自动对焦系统由于采用使用大行程的传统滚珠丝杠导轨加直流电机平台和压电陶瓷微动台连接方式；通过自行设计的光路执行一光斑图像采集流程；通过处理器处理检测到的光斑图像；通过控制器启动平台的控制信号，进行自动对焦流程的结构，因此，本发明对焦精确度高，对焦稳定性好、对焦速度快。本发明超精密自动对焦系统的平台工作行程大，可满足精密工程的需要。本发明的基于多平台的超精密自动对焦系统的实现方法方便实用。

附图说明

图1为本发明平台三维结构图；

图2为本发明图像采集光学模组原理图；

图3为本发明图像采集处理器原理图；

图4为本发明自动对焦控制系统原理图；

图5为本发明直流电机参数模型方块图；

图6为本发明平台速度调节流程图。

具体实施方式

实施例：

本发明基于多平台的超精密自动对焦系统的三维结构图结构示意图如图1所示，其包括有大范围调节物镜到玻璃平台6上表面的距离的Z向大行程精密调节机构1、执行物镜的小范围调节的Z向小行程精密微调机构2、图像采集光学模组3、图像采集处理控制系统4、自动对焦执行控制系统5，其中图像采集光学模组3将采集到的光斑信息通过接口传输到图像采集处理控制系统4，图像采集处理控制系统4计算出物镜的离焦关系通过接口传输到自动对焦执行控制系统5，自动对焦执行控制系统5完成自动对焦过程，并发送控制指令，使玻璃平台6运动。Z向大行程精密调节机构，大范围调节物镜到玻璃上表面的距离，其调节范围达到4毫米，重复定位精度达到1微米；Z向小行程精密微调机构，物镜距离玻璃上表面100微米时，Z向小行程精密微调机构执行物镜的小范围调节，调节范围100微米，重复定位精度达到6纳米。

Z向大行程精密调节机构1与Z向小行程精密微调机构2两个部分的连接方式为大行程的传统滚珠丝杠导轨加直流电机平台和压电陶瓷微动台连接方式，采用宏微二级结构，以直流电机与滚珠丝杠直连实现粗调节，由压电陶瓷微动台实现微动，使相机实现纳米级精度的对焦。

上述图像采集光学模组3的光路图如图2所示，图像采集光学模组3包括有激光入射光路和出射光路，激光入射光路为激光二极管32，发射808微米波段的激光，激光33经过激光聚焦镜后通过针孔，然后经由反射镜34将激光反射到光栏片35，然后经过偏振分光片36和1/4波片37，再经过聚焦镜38后由分光镜39反射到显微镜目镜310光轴上；反射光路为玻璃表面将激光反射回目镜，然后经过分光镜反射后通过聚焦镜，之后再经过1/4波片、偏振分光片和激光滤光片后，由光学模组的CCD芯片将光斑信号采集；根据光路的原理和三角测距法，由于本方法设计的光路使得激光束与透镜光轴的夹角为0度，所以得出的离焦关系为线性函数；再根据光斑的形成原理，当没有对焦成功时分光镜反射回来的激光在CCD上形成的光斑图像是一个圆，圆的大小由离焦关系决定，光斑越大，离焦量越大，当对焦成功时反射回来的激光在CCD上形成的光斑图像是一个亮点，所以可以根据光斑的大小判断是否对焦成功。

附图3是图像采集处理控制系统4的原理图，具有连续采集光斑信息和处理光斑图像得出离焦关系的功能，该图像采集处理控制系统包括：光学模组将采集到的光斑信息通过1394接口传输到图像采集处理控制系统；1394接口，用分立的物理层和链路层控制芯片构成1394接口电路，控制相机和处理器之间的图像传输；时序协调匹配器，用FPGA作为系统各个部分的时序控制协调模块，协调DSP和1394控制芯片的工作时序；图像处理器，用DSP完成光斑信号的处理，得出对应的离焦关系。为了保证快速的实现自动对焦，系统不断的对光斑图像进行检测，然后处理，当第一次光斑处理完后，给出一个离焦量的大小，自动对焦执行控制系统控制平台进行第一次对焦，完成这个过程后再检测一个光斑信号，如果光斑变成一个亮点，则对焦完成，如果光斑还是一个圆，那么进行第二次对焦，处理器给出第二个离焦量，自动对焦执行控制系统控制平台进行第二次对焦，由于本方法设计的光路使得激光束与透镜光轴的夹角为0度，所以得出的离焦关系为线性函数，所以完成第二次对焦过程后，光斑将一定变成一个亮点，完成自动对焦过程。由于只需要1到2次的对焦过程，所以本方法就保证了自动对焦的快速性；由于离焦关系式线性的，所以本方法就保证了自动对焦的稳定性，同时也保证了自动对焦的快速性。

图4为本发明自动对焦控制系统原理图，图5为本发明直流电机参数模型方块图，图6为本发明平台速度调节流程图，自动对焦执行控制系统5，具有执行自动对焦的功能，该控制系统包括：通过直接辨识算法得出平台驱动电机的数学模型，首先利用传统方法求解得的直流电机模型参数，直流电机的数学模型来自于它的两个方程，即电气方程和机械特性方程，利用电机的性能参数可以求得方程的各个参数，那么就可以获得电机的模型参数；为了求出精确的直流电机模型参数，其次利用阶跃输入构建系统的线性方程，加入一个阶跃信号，线性方程得到一个输出，然后利用反拉普拉斯变换，得到输出的时域函数，当电机转速趋于稳定时，得到实际的数据结果，并记为采样点i；然后使用输出的采样数据，对模型参数进行最小二乘运算，求解系统阶跃响应的线性方程组，令采样点的输出为y(i)，根据积分定义近似求出y(t)；最后利用最小二乘法对各个参数进行最大似然估计，得出直流电机模型的精确参数；通过模糊控制算法调节平台运行的速度，模糊推理首先要求出某时刻的E(k)值，从而得到Ec(k)＝E(k)-E(k-1)，根据经验公式求出E(k)和E(k-1)的隶属度，再根据控制规则表进行相应的推理运算，得出Kp、Ki、Kd各语言的对应隶属度，最后用反模糊化进行模糊判断，便可以得出Kp、Ki、Kd各语言的精确调整值；通过检测算法计算平台发出脉冲当量，最后得出平台的移动距离。

Claims (10)

1.一种基于多平台的超精密自动对焦系统，其特征在于包括有大范围调节物镜到玻璃平台(6)上表面的距离的Z向大行程精密调节机构(1)、执行物镜的小范围调节的Z向小行程精密微调机构(2)、图像采集光学模组(3)、图像采集处理控制系统(4)、自动对焦执行控制系统(5)，其中图像采集光学模组(3)将采集到的光斑信息通过接口传输到图像采集处理控制系统(4)，图像采集处理控制系统(4)计算出物镜的离焦关系通过接口传输到自动对焦执行控制系统(5)，自动对焦执行控制系统(5)完成自动对焦过程，并发送控制指令，使玻璃平台(6)运动。

2.根据权利要求1所述的基于多平台的超精密自动对焦系统，其特征在于上述大行程精密调节机构(1)调节范围为4毫米，重复定位精度1微米。

3.根据权利要求1所述的基于多平台的超精密自动对焦系统，其特征在于上述Z向小行程精密微调机构(2)在物镜距离玻璃平台(6)上表面100微米时，执行物镜的小范围调节，调节范围100微米，重复定位精度6纳米。

4.根据权利要求1所述的基于多平台的超精密自动对焦系统，其特征在于上述图像采集光学模组(3)的激光器发射红外光到玻璃平台(6)表面，激光经过玻璃平台(6)反射，通过光路返回，然后被光学模组的CCD芯片捕获，光学模组的CCD芯片将采集到的光斑信息通过1394接口传输到图像采集处理控制系统(4)。

5.根据权利要求1所述的基于多平台的超精密自动对焦系统，其特征在于上述图像采集处理控制系统(4)由DSP和FPGA构成，FPGA作为系统各个部分的时序控制协调模块，协调DSP和1394接口控制芯片的工作时序，DSP完成光斑信号的处理。

6.根据权利要求1所述的基于多平台的超精密自动对焦系统，其特征在于上述Z向大行程精密调节机构与Z向小行程精密微调机构两个部分的连接方式为大行程的传统滚珠丝杠导轨加直流电机平台和压电陶瓷微动台连接方式，采用宏微二级结构，以直流电机与滚珠丝杠直连实现粗调节，由压电陶瓷微动台实现微动，使相机实现纳米级精度的对焦。

7.根据权利要求4所述的基于多平台的超精密自动对焦系统，其特征在于上述图像采集光学模组(3)包括有激光入射光路和出射光路，激光入射光路为发射激光的激光二极管(32)，激光(33)经过激光聚焦镜后通过针孔，然后经由反射镜(34)将激光反射到光栏片(35)，然后经过偏振分光片(36)和1/4波片(37)，再经过聚焦镜(38)后由分光镜(39)反射到显微镜目镜(310)光轴上；反射光路为玻璃表面将激光反射回目镜，然后经过分光镜反射后通过聚焦镜，之后再经过1/4波片、偏振分光片和激光滤光片后，由光学模组的CCD芯片将光斑信号采集。

8.根据权利要求7所述的基于多平台的超精密自动对焦系统，其特征在于上述图像采集光学模组(3)的激光束与透镜光轴的夹角为0度。

9.根据权利要求1所述的基于多平台的超精密自动对焦系统，其特征在于上述图像采集处理控制系统(4)的1394接口用分立的物理层和链路层控制芯片构成1394接口电路，控制相机和处理器之间的图像传输；时序协调匹配器，用FPGA作为系统各个部分的时序控制协调模块，协调DSP和1394控制芯片的工作时序；图像处理器，用DSP完成光斑信号的处理，得出对应的离焦关系。

10.根据权利要求1至9任一项所述的基于多平台的超精密自动对焦系统，其特征在于上述自动对焦执行控制系统(5)的控制方法包括如下步骤：

1)通过直接辨识算法得出平台驱动电机的数学模型，首先利用传统方法求解得的直流电机模型参数，直流电机的数学模型来自于它的两个方程，即电气方程和机械特性方程，利用电机的性能参数可以求得方程的各个参数，那么就可以获得电机的模型参数；

2)求出精确的直流电机模型参数，利用阶跃输入构建系统的线性方程，加入一个阶跃信号，线性方程得到一个输出，然后利用反拉普拉斯变换，得到输出的时域函数，当电机转速趋于稳定时，得到实际的数据结果，并记为采样点i；然后使用输出的采样数据，对模型参数进行最小二乘运算，求解系统阶跃响应的线性方程组，令采样点的输出为y(i)，根据积分定义近似求出y(t)；最后利用最小二乘法对各个参数进行最大似然估计，得出直流电机模型的精确参数；

3)通过模糊控制算法调节平台运行的速度，模糊推理首先要求出某时刻的E(k)值，从而得到Ec(k)＝E(k)-E(k-1)，根据经验公式求出E(k)和E(k-1)的隶属度，再根据控制规则表进行相应的推理运算，得出Kp、Ki、Kd各语言的对应隶属度；

4)用反模糊化进行模糊判断，便可以得出Kp、Ki、Kd各语言的精确调整值；

5)通过检测算法计算平台发出脉冲当量，最后得出平台的移动距离。

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