CN115420808B - 基于电子门的超声扫描自动对焦方法 - Google Patents
基于电子门的超声扫描自动对焦方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了基于电子门的超声扫描自动对焦方法，该超声扫描显微镜的自动聚焦方法分为静态自动聚焦和动态自动聚焦。在静态自动聚焦中，自动对焦门人为规划聚焦深度范围，移动电机并记录当前数据门内的峰值，根据对焦步距记录每一步的峰值，形成V(z)曲线，同时在对焦过程中排除所述的异常情况，再进行后续的精对焦。在动态自动聚焦中，表面门用于捕捉表面时间，数据门用于跟随表面时间来回左右移动。当样品表面波就会左右移动，表面时间只要不超过表面门范围，根据表面时间差值通过分离积分式数字PID算法不断地调整当前表面时间值，尽快稳定于设定值；本发明能够实现精确、快速、智能、实时的超声换能器对焦，提高翘曲的样品的检测成像一致性。
Description
技术领域
本发明涉及半导体封装测试技术领域，尤其涉及一种用于超声扫描检测技术的自动对焦方法。
背景技术
近年来，随着科技的快速发展和广泛应用，越来越多的消费电子、通信、仪器仪表等产品在我们的生活中扮演着极其重要的角色，这些产品的出现与我国半导体产业的快速发展有着紧密的联系。随着微机电系统的出现，集成电路产品逐渐向小型化发展，其封装测试技术也步入微纳量级。超声扫描检测技术是分析样品内部结构及封装缺陷的一项重要技术，能够检测样品表面到数十毫米深度存在的微米到百微米的结构，未来对超声扫描检测技术的需求和要求会越来越高。但是，目前使用的超声扫描检测技术中，存在很多功能需要完善，例如换能器声场聚焦技术。目前，超声扫描检测技术中常用的换能器声场聚焦方式主要为人工聚焦，效率低，精度差，并且无法对大幅度翘曲样品进行扫描。
换能器声场聚焦技术包括静态聚焦和动态聚焦两个方面，静态聚焦是指当样品表面与换能器垂直时，调整Z轴换能器与样品表面的距离，使感兴趣界面的回波最大；动态聚焦是指在扫描大幅度翘曲样品进行扫描时，Z轴电机自动调整换能器焦距，保证图像的稳定性和清晰度的一致性。
换能器声场聚焦技术的手动聚焦方式的具体实施流程如下：放置样品，使换能器垂直于样品表面，然后移动Z轴电机，调整换能器与样品表面距离，使换能器接收到样品的回波信号，回波信号显示在电子示波器中。为了对某一感兴趣界面的结构清晰成像，需要不断调整换能器与样品表面的距离，使感兴趣界面的回波信号达到最大。移动换能器的原则是：如果回波信号变大，则继续往该方向移动；若变小，则向反方向移动，直至目标层的回波信号最大。调整探头会花费大量的时间，并且手动调节精度较低。如果不考虑速度的问题，对于频率不高的聚焦换能器，人工对焦完全可以满足成像的清晣度要求。但是高频换能器的分辨率达到纳米级，景深在微米级以下，对焦的精度非常高，人工对焦显然不能满足其要求。而且当扫描表面倾斜或者翘曲样品时，扫描过程中不能自动上下调整Z轴的高度对焦到目标层，只能通过样品表面反射波的表面跟踪方式固定数据门的门限位置和表面波之间的相对距离来获取目标层的峰值数据。由于这种方式并没有实时聚焦于目标层，所以，跟踪的表面翘曲范围很小，一般只有1mm左右，且图像一致性较差。例如利用超声扫描检测技术扫描减薄后的晶圆键合样品时，晶圆会发生翘曲，当晶圆检测部分超出换能器景深范围的区域，会因为散焦而无法清晰成像。
在现有的超声扫描系统的自动对焦方法中，中国科学院大学的梁昊等人申请的中国专利CN112630306A公开了一种基于超声显微镜点聚焦换能器的自动对焦方法。该方法通过离散小波分解和维纳反卷积对A扫描信号进行解析，得到样品的分层信息，再根据对应信号移动换能器直到反射信号最大。该方法使用了两种复杂的信号处理算法，运算量大，并且实现难度大。浙江大学的居冰峰等人申请的中国专利CN102072935A公开了一种扫描超声波显微镜自动对焦的方法。该方法主要比较Z轴电机在第k+1次微动后回波信号峰值是否大于等于第k次，若为是，则驱动Z轴电机继续沿原方向微量运动，若为否，则Z轴电机反向微量运动。该方法利用了经典的爬山法完成了基本的对焦，但是没有考虑到各种阻碍对焦的反射波形情况，理想化程度较高，并且其得到的回波峰值最大值可能是局部的最大值而不是全局的最大值，导致对焦错误。之江实验室的尹永刚等人申请的中国专利CN 113588798A公开了一种超声扫描显微镜实时自动对焦方法，该方法通过提取超声回波数据中第一脉冲回波(即表面波)峰值距离脉冲触发信号的延迟时间(即表面时间)，计算聚焦深度误差，并根据误差利用PID控制算法，控制超声探头Z向移动追踪表面。该方法可以通过一次扫描对翘曲样品进行成像，实现了扫描过程中的实时自动对焦，但是本方法是基于传统的单脉冲模式超声显微镜，不适用于最新的的tone-burst模式超声波扫描显微镜。并且该方法对每一个扫描点都进行了对焦，扫描耗费时间大，不利于实际生产。
发明内容
本发明提供了一种超声扫描检测技术的自动聚焦方法，包括静态自动聚焦和动态自动聚焦两种方法，可实现精确、快速、智能、实时的超声换能器对焦，并提高翘曲样品的检测成像一致性。静态自动聚焦为扫描前将探头聚焦到样品的目标层，动态自动聚焦为扫描过程中开启表面追踪算法进行目标层的实时聚焦。本发明基于创建A扫描示波器上电子门的方式，静态自动聚焦利用添加的自动对焦门可以任意定义对焦限定范围，从而收集指定范围内的所有峰值数据进行处理，解决了爬山法搜寻焦点的问题；利用数据门可以选择样品表面或内部任意指定层进行对焦；利用表面门与表面波的下降沿交点标定对焦的起点和终点。本方法还考虑到了对焦过程中的异常情况，如由于表面波减小造成与表面门无交点的情况导致检测不到表面波、由于超声波发生器增益过大造成的数据门内回波峰值一段时间超出范围的情况导致对焦失效、还有数据门位置突然与杂波位置重叠造成的数据门内回波峰值突然增大的情况。本算法通过智能识别解决了这些阻碍对焦的情况，大大提高了对焦过程的自动化程度。算法还可以指定对焦次数，进行第一次粗对焦后，可以利用上一次对焦结果重新划分新的对焦范围和步距，进行更精确的一次对焦。在动态自动聚焦时，算法主要利用当前表面时间与设定表面时间的偏差以带有分离积分策略的PID算法控制电机运动，使调节性能同时满足快速性和精确性，算法以系统定时器计时方式循环运行，达到实时自动对焦到目标层的目的，并且无扫描速度限制，相比逐点对焦大大提高了扫描效率。算法还加入了表面时间偏差阈值，解决Tone-Burst模式超声扫描显微镜的表面时间微小跳动的情况，还可以防止Z轴电机高频运动造成机械故障。另外，算法还加入了最电机最低点限制，防止电机运动不必要的行程。本文方法基于实际应用硬件开发，可实现程度高，只要超声扫描检测系统采集数据时利用电子门方式，便可使用本发明。
本发明采用如下技术方案：
该超声扫描显微镜的自动聚焦方法分为静态自动聚焦和动态自动聚焦两种方法，静态自动聚焦为扫描开始之前聚焦到样品目标层的任意一点，动态自动聚焦为扫描过程中开启追踪表面算法进行目标层的实时聚焦。
在静态自动聚焦中，所述的自动对焦门人为规划了聚焦深度范围，移动电机使表面时间大致等于聚焦门设定范围的左端或右端，并记录当前数据门内的峰值，再根据所述自动聚焦门的长度计算第一次对焦步距，从自动聚焦门一端向另一端以固定步进距离运动，进行第一次对焦，记录每一步的峰值，形成V(z)曲线，同时在对焦过程中排除所述的异常情况，再进行后续的精对焦，该方法包括以下步骤：
S1.设置电子门限参数；
手动移动探头，找到表面波和目标层波形出现的范围，首先调整表面门直到与表面波有下降沿交点，再调整数据门直到能获取到目标层波形的峰值。最后根据目标层波形出现的对焦范围，调节自动对焦门的位置和长度。
S2.移动探头使表面时间至对焦门端点；
判断对焦门设定范围与当前表面时间的关系，移动Z轴使表面时间等于设定范围的左端或右端，同时表面门移动相应的距离，保证表面时间和表面门的相对位置不变，记录当前数据门内的峰值。
S3.计算第一次对焦步距；
第一次对焦步距设定较大。如果当前设定的聚焦范围小于50毫米所对应的深度范围，则步距设定为固定1毫米；如果当前设定的聚焦范围大于50毫米所对应的深度范围，则步距计算为自动聚焦门长度平均除以50相当的距离，以保证对焦过程的效率。
S4.进行粗对焦；
驱动Z轴步进电机开始运动。使表面时间从自动对焦门一端向另一端以上一步计算出的固定步进距离运动，同时表面门也要移动相应的距离，以保证能够记录到每个步进坐标点对应的数据门内峰值大小，形成V(Z)曲线。
S5.不断检测能否找到表面时间；
在对焦过程中每一步运动完成，先判断是否能找到表面波与表面门的交点，如果找不到交点，这时数据门位置会偏移，就获取不到正确的峰值数据。此时暂停对焦并不断减小表面门幅值，直到产生交点，正确获取当前数据门内的峰值数据，然后再继续对焦。
S6.对焦结束之前检测异常数据；
在对焦结束之前，针对得到的V(z)曲线进行分析。如果判断出有一段连续峰值数据是电压最大值，则将超声波接收发射器增益减小，清空数据重新开始对焦。如果V(z)曲线存在连续若干的数值突变点且不等于电压最大值，则把这些点幅值设为0，得到最终的曲线，结束第一次粗对焦。
S7.根据设定对焦次数进行后续对焦；
得到第一次对焦的V(Z)曲线后，若对焦次数为1，则立即分析出V(z)曲线最大值对应的电机坐标，移动电机到位，结束对焦。若对焦次数大于等于2，则以曲线最大值对应的横坐标为基准，生成下一次的精聚焦范围，并调整步进距离，开始进行下一次对焦。直到得到最后一次的V(z)曲线，将电机移动到位，至此第一阶段的自动对焦结束。
在动态自动聚焦中，所述的表面门用于捕捉表面时间，数据门用于跟随表面时间来回左右移动。当样品表面有起伏，表面波就会左右移动，表面时间只要不超过表面门的范围，算法会根据表面时间差值通过分离积分式数字PID算法不断地调整当前表面时间值，使它尽快稳定于设定值。该方法的第二阶段包括以下步骤：
S1输入参数并对焦；
手动移动电机找到Z向电机需要移动的范围，以此设置Z轴的最低位置。设置表面时间偏差阈值，用以解决表面时间微小跳动的问题。利用第一阶段的自动对焦算法，使探头聚焦到待测的目标层波形，使这一层波幅值最大，最后调整表面门和数据门的位置。
S2开始循环运行算法；
确认设置好参数，开启循环运行表面追踪算法。利用系统定时器方式，确保每一控制周期的时间间隔相同，并且与驱动X轴的主扫描线程保持独立。开启运行后，程序会记录下这一时刻的表面时间作为目标时间，此后程序就会以此作为目标来调整Z轴，尽可能使表面时间趋近于目标时间，开始自动追踪。
表面追踪算法的实施过程如下：
S1判断能否找到表面时间；
算法的第一步：先判断能否找到表面时间，若找到进入下一步，若找不到直接返回。如果找不到表面时间，则证明此时表面波已经超出表面门了，无法获得时间偏差，也就无法对焦。
S2判断是否在限定偏差范围内；
算法的第二步：判断当前偏差是否在限定偏差阈值之内，若在范围内，直接返回，若超出范围，则进入下一步。这一步是为了解决表面时间微小跳动的问题，只有表面时间的偏差超出了一定范围，系统才会驱动Z轴电机进行调整。
S3计算理论移动距离；
算法的第三步：根据当前表面时间的偏差和超声波在当前水中的波速计算出Z轴的理论调整距离。并根据设定表面时间和当前表面时间的大小关系判断电机移动的方向。若当前表面时间偏左，则电机移动方向为上；若当前表面时间偏右，则电机移动方向为下。
S4判断Z轴限定位置；
算法的第四步：判断理论移动后的Z轴位置是否高于限定的最低位置。若高于限定值，则电机预计按照计算出的距离到达指定位置；若低于限定值，则电机以最快速度直接到达限定值位置。
S5根据带有积分分离策略的增量式数字PID算法移动Z轴位置；
算法的第五步：根据积分分离增量式数字PID算法控制Z轴进行聚焦补偿，人为设定积分阈值k＞0，若偏差小于k，则聚焦补偿公式为：dz(i)＝dz(i-1)+Kp(e(i)-e(i-1))+Kie(i)+Kd(e(i)-2e(i-1)+e(i-2))；若偏差大于k，则聚焦补偿公式为：dz(i)＝dz(i-1)+Kp(e(i)-e(i-1))+Kd(e(i)-2e(i-1)+e(i-2))，其中i为当前采样点的序号，e(i)为当前点的Z向距离偏差，Kp、Ki、Kd为PID控制的比例、积分、微分系数。dz(i)的含义是，第i个采样点的时候我设定Z轴运动的目标速度。
本发明的积极效果如下：
本发明提供了一种应用于超声扫描检测技术的自动对焦方法，包括静态自动聚焦和动态自动聚焦两种方法，可实现精确、快速、智能、实时的超声换能器对焦，提高翘曲的样品的检测成像一致性。对于静态自动对焦，所述的自动对焦门可以人为选取任意对焦范围，算法通过智能识别并解决了多种阻碍对焦的异常情况，还可以指定对焦次数，次数越多，对焦精度越高。对于动态自动对焦，算法以表面时间偏差为基准，利用分离积分式数字PID算法控制电机运动，使调节性能同时满足快速性和精确性。算法以系统定时器计时方式循环运行，与XY轴主扫描线程独立，达到实时自动对焦到目标层的目的，并且相比传统的逐点对焦大大提高了扫描效率。算法还加入了表面时间偏差阈值，解决tone-burst模式下的表面时间微小跳动的情况。算法还加入了最电机最低点限制，防止电机超出样品范围时运动不必要的行程。
附图说明
图1是扫描开始前聚焦探头对焦到待测样品目标层的示意图；
图2是扫描开始前聚焦探头对焦到待测样品目标层的流程图；
图3是A扫描示波器上电子门与波形的逻辑位置示意图；
图4是本发明涉及的表面时间与数据门跟随作用的示意图；
图5是本发明涉及的脉冲发生器增益过大的V(z)曲线示意图；
图6是本发明涉及的杂波造成的V(z)曲线突变点示意图；
图7是扫描过程中探头实时对焦到待测样品目标层的流程图；
图8是本发明涉及的实时对焦中找不到表面时间的示意图；
图中：1.聚焦超声换能器；2.超声波；3.内部目标层聚焦点；4.表面粗糙或带有翘曲、倾斜的样品；5.内部目标层聚焦深度曲线；6.自动对焦门；7.表面门；8.样品表面层的超声回波；9.表面门与表面波的下降沿交点；10.样品内部目标层界面的超声回波；11.数据门；12.A扫描波形示波器；13.原始状态的波形和门限位置；14.出现位置偏差后的波形和门限位置。
具体实施方式
现结合附图对本发明作进一步详细阐述。参考图1，本发明所提供的方法应用于超声扫描显微镜设备，聚焦超声换能器发出高频超声波聚焦到待测量样品内部目标层，这是静态自动聚焦的目标。静态自动聚焦的过程如图2所示，具体包括以下步骤：
S1.设置电子门限参数；
手动移动探头，找到目标层波形出现的范围，此范围即为自动对焦搜索焦点的范围，以此范围设置自动对焦门的开始时间和位置。调整表面门直到与表面波有下降沿交点，再调整数据门直到能获取到目标层波形的峰值数据。调整后的各门限位置如图3所示。其中，表面波与表面门的下降沿交点即为表面时间，相对于对焦范围的参考点即为表面时间点。
S2.移动探头使表面时间至对焦门端点；
判断自动对焦门的范围与当前表面时间的关系，移动Z轴使表面时间等于设定范围的左端或右端。同时也要移动表面门移动相应的距离，保证表面时间和表面门的相对位置不变，因为只有存在表面时间的交点，数据门才会起作用，正确记录正确位置波形的峰值。数据门跟随表面时间的作用如图4所示。在移动完成后记录下当前数据门内的峰值作为峰值数据列表的第一个值，记录下当前的电机位置作为位置列表的第一个值。
S3.计算第一次对焦步距；
根据对焦范围计算第一次对焦的步距。第一次对焦步距设定较大。如果当前设定的聚焦范围小于50毫米所对应的深度范围，则步距设定为固定1毫米；如果当前设定的聚焦范围大于50毫米所对应的深度范围，则步距计算为自动聚焦门长度平均除以50相当的距离，以保证对焦过程的效率。其中A扫描示波器的横坐标为时间，在示波器上的一段时间t与Z轴电机位置变化量s的转化关系为：s＝(t*v)/2，其中v为当前水中的超声波波速。
S4.进行第一次粗对焦；
驱动Z轴步进电机开始运动。以表面时间为基准，从自动对焦门的一端向另一端以上一步计算出的固定步进距离运动，同时表面门也要根据公式移动相应的距离，以保证能够记录到每个步进坐标点对应的数据门内峰值大小，形成V(Z)曲线。每移动一步后记录下此刻的数据门内峰值和电机位置填充进数据列表，直到表面时间到达自动对焦门的另一端。
S5.不断检测能否找到表面时间；
在上述对焦过程中每完成一步运动，首先判断是否能找到表面波与表面门的下降沿交点。如果找不到交点的表面时间，此时数据门会失效，不再具有跟随效果，位置会偏移到默认位置，不会获取到正确的峰值数据。此时暂停对焦，并不断减小表面门的幅值，直到产生交点，正确获取当前数据门内的峰值数据，然后继续对焦。
S6.对焦结束之前检测异常数据；
在对焦结束之前，针对得到的峰值列表和电机位置列表组成的V(z)曲线上的数据点进行分析。第一步分析超声波增益过大的情况，V(z)曲线如图5所示。判断是否有一段连续峰值数据是电压最大值，设电压最大值为0.5V。根据列表顺序逐点判断找出第一个峰值为0.5V的点，将此点标记为1，继续判断后面的点，若电压值仍为0.5V，则继续标记为2、3、4…若标记点出现连续5个，则将脉冲收发器增益减小5dB，清空数据列表重新开始对焦。第二步判断是否有杂波与数据门重合造成的V(z)曲线上的异常突变点，V(z)曲线如图6所示。如果V(z)曲线存在连续若干的数值突变点且都不等于电压最大值，则把这些点幅值设为0，得到最终的曲线，结束第一次粗对焦。
S7.根据设定对焦次数进行后续对焦；
若对焦次数为1，得到第一次对焦的V(Z)曲线后，则立即分析出V(z)曲线最大值对应的电机坐标，移动电机到此位置，结束第一阶段对焦过程。若对焦次数大于等于2，则以本次曲线最大值对应的横坐标为基准，左右两边各扩展10个步进点，并且步进距离变上次的一半，生成下一次的精聚焦范围，移动到范围左端，开始进行下一次对焦。直到得到最后一次的V(z)曲线，将电机移动到位，至此第一阶段的自动对焦结束。
在动态自动聚焦中，所述的表面门用于捕捉表面时间，数据门用于跟随表面时间来回左右移动。实际情况下样品不会有表面绝对平滑且与超声换能器完全垂直的理想情况，或多或少会有表面粗糙或带有翘曲、倾斜的情况出现。传统的表面门追踪方式，当样品表面有高度起伏，表面波就会左右移动，表面时间也会左右移动，导致数据门跟随表面时间左右移动，获取正确位置的目标层波形数据。由于这种方式Z轴不会移动，当位置偏差过大会出现离焦现象，跟踪范围只有1mm左右。本发明提供的动态自动对焦方法可以跟踪更大范围的翘曲表面。表面时间只要不超过表面门的范围，算法会根据表面时间差值通过分离积分式数字PID算法控制Z轴运动，不断地调整当前表面时间值，使它尽快稳定于设定值。该方法的第二阶段包括以下步骤：
输入参数并对焦；
在循环运行算法之前，设置算法运行需要的参数。手动移动电机找到Z向电机需要移动的范围，以此设置Z轴的最低位置，防止探头超出样品范围时运行不必要的行程。设置表面时间偏差阈值，用以解决表面时间微小跳动的问题。利用第一阶段的自动对焦算法，使探头聚焦到待测样品上一点的的目标层，使这一层波形幅值最大，并调整表面门和数据门的位置。
开始循环运行算法；
开启循环运行表面追踪算法，算法流程图如7所示。利用系统线程定时器方式，确保每一控制周期的时间间隔相同，并且与驱动X轴的主扫描线程保持独立。开启运行时，程序会记录下这一时刻的表面时间作为目标时间，即探头距离样品表面的目标距离值，此后程序就会以此值作为目标调整Z轴，尽可能使当前表面时间尽快稳定地等于目标时间。
判断能否找到表面时间：
算法第一步：判断能否找到表面时间，若找到则进入下一步判断，若找不到返回等待进入下一次循环。如果找不到表面时间，则证明此时表面波已经超出表面门了，无法获得时间偏差，也就无法对焦，此情况如图8所示。
判断当前时间是否在限定偏差范围内：
算法第二步：判断当前时间偏差是否在限定偏差阈值之内，若在范围内，返回等待进入下一次循环，若超出范围，则进入下一步判断。这是为了解决tone-burst模式超声扫描显微镜的表面时间微小跳动的问题，只有表面时间的偏差超出了设定范围，系统才会驱动Z轴电机上下调整。
计算理论移动距离：
算法第三步：根据当前表面时间的偏差和超声波在当前水中的波速计算出Z轴的理论调整距离S。公式S＝(t*v)/2，其中t为时间偏差绝对值，v为当前环境水中的超声波波速。然后根据设定表面时间和当前表面时间的大小关系判断电机移动的方向。若当前表面时间偏左，则电机移动方向为上；若当前表面时间偏右，则电机移动方向为下。
判断Z轴限定位置：
算法第四步：按照理论移动距离，判断移动后的Z轴位置是否高于限定的最低位置。若高于限定值，则电机预计按照计算出的距离接近指定位置；若低于限定值，则电机预计直接到达限定位置。
根据积分分离式PID算法移动Z轴位置：
算法第五步：根据积分分离增量式PID算法控制Z轴进行聚焦补偿，人为设定积分阈值k＞0，若偏差小于k，则聚焦补偿公式为：dz(i)＝dz(i-1)+Kp(e(i)-e(i-1))+Kie(i)+Kd(e(i)-2e(i-1)+e(i-2))；若偏差大于k，则聚焦补偿公式为：dz(i)＝dz(i-1)+Kp(e(i)-e(i-1))+Kd(e(i)-2e(i-1)+e(i-2))，其中i为当前采样点的序号，e(i)为当前点的Z向距离偏差，Kp、Ki、Kd为PID控制的比例、积分、微分系数。由于Z轴的聚焦位置对于图像影响很大，所以控制目标主要为快速性，其次为精准性，所以采用积分分离PID策略，当系统误差较大时，取消积分环节，采用P控制，使系统误差尽快减小，并且避免由于积分累积引起系统较大的超调，舍弃精度的控制；当系统误差较小时，引入积分环节，采用PID控制，以消除误差，提高控制精度，以生成质量更好的图像。
Claims (2)
1.基于电子门的超声扫描自动对焦方法，其特征在于：
超声扫描显微镜的自动聚焦方法分为静态自动聚焦和动态自动聚焦两种方法，静态自动聚焦为扫描开始之前聚焦到样品目标层的任意一点，动态自动聚焦为扫描过程中开启表面追踪算法进行目标层的实时聚焦；
在静态自动聚焦中，自动对焦门人为规划了聚焦深度范围，移动电机使表面时间大致等于对焦门设定范围的左端或右端，并记录当前数据门内的峰值，再根据所述自动对焦门的长度计算第一次对焦步距，从自动对焦门一端向另一端以固定步进距离运动，进行第一次对焦，记录每一步的峰值，形成V(z)曲线，同时在对焦过程中排除异常情况，再进行后续的精对焦；在动态自动聚焦中，表面门用于捕捉表面时间，数据门用于跟随表面时间来回左右移动；当样品表面有起伏，表面波就会左右移动，表面时间只要不超过表面门的范围，算法会根据表面时间差值通过分离积分式数字PID算法不断地调整当前表面时间值，稳定于设定值；
静态自动聚焦中包括以下步骤：
S1.设置电子门限参数；
手动移动探头，找到表面波和目标层波形出现的范围，首先调整表面门直到与表面波有下降沿交点，再调整数据门直到能获取到目标层波形的峰值；最后根据目标层波形出现的对焦范围，调节自动对焦门的位置和长度；
S2.移动探头使表面时间至对焦门端点；
判断对焦门设定范围与当前表面时间的关系，移动Z轴使表面时间等于设定范围的左端或右端，同时表面门移动相应的距离，保证表面时间和表面门的相对位置不变，记录当前数据门内的峰值；
S3.计算第一次对焦步距；
第一次对焦步距设定较大；如果当前设定的聚焦范围小于50毫米所对应的深度范围，则步距设定为固定1毫米；如果当前设定的聚焦范围大于50毫米所对应的深度范围，则步距计算为自动聚焦门长度平均除以50相当的距离，以保证对焦过程的效率；
S4.进行粗对焦；
驱动Z轴步进电机开始运动；使表面时间从自动对焦门一端向另一端以上一步计算出的固定步进距离运动，同时表面门也要移动相应的距离，以保证能够记录到每个步进坐标点对应的数据门内峰值大小，形成V(Z)曲线；
S5.不断检测能否找到表面时间；
在对焦过程中每一步运动完成，先判断是否能找到表面波与表面门的交点，如果找不到交点，这时数据门位置会偏移，就获取不到正确的峰值数据；此时暂停对焦并不断减小表面门幅值，直到产生交点，正确获取当前数据门内的峰值数据，然后再继续对焦；
S6.对焦结束之前检测异常数据；
在对焦结束之前，针对得到的V(z)曲线进行分析；如果判断出有一段连续峰值数据是电压最大值，则将超声波接收发射器增益减小，清空数据重新开始对焦；如果V(z)曲线存在连续若干的数值突变点且不等于电压最大值，则把这些点幅值设为0，得到最终的曲线，结束第一次粗对焦；
S7.根据设定对焦次数进行后续对焦；
得到第一次对焦的V(Z)曲线后，若对焦次数为1，则立即分析出V(z)曲线最大值对应的电机坐标，移动电机到位，结束对焦；若对焦次数大于等于2，则以曲线最大值对应的横坐标为基准，生成下一次的精聚焦范围，并调整步进距离，开始进行下一次对焦；直到得到最后一次的V(z)曲线，将电机移动到位，至此第一阶段的自动对焦结束；
表面追踪算法的实施过程如下：
S1判断能否找到表面时间；
算法的第一步：先判断能否找到表面时间，若找到进入下一步，若找不到直接返回；如果找不到表面时间，则证明此时表面波已经超出表面门了，无法获得时间偏差，也就无法对焦；
S2判断是否在限定偏差范围内；
算法的第二步：判断当前偏差是否在限定偏差阈值之内，若在范围内，直接返回，若超出范围，则进入下一步；这一步是为了解决表面时间微小跳动的问题，只有表面时间的偏差超出了一定范围，系统才会驱动Z轴电机进行调整；
S3计算理论移动距离；
算法的第三步：根据当前表面时间的偏差和超声波在当前水中的波速计算出Z轴的理论调整距离；并根据设定表面时间和当前表面时间的大小关系判断电机移动的方向；若当前表面时间偏左，则电机移动方向为上；若当前表面时间偏右，则电机移动方向为下；
S4判断Z轴限定位置；
算法的第四步：判断理论移动后的Z轴位置是否高于限定的最低位置；若高于限定值，则电机预计按照计算出的距离到达指定位置；若低于限定值，则电机以最快速度直接到达限定值位置；
S5根据带有积分分离策略的增量式数字PID算法移动Z轴位置；
算法的第五步：根据积分分离增量式数字PID算法控制Z轴进行聚焦补偿，人为设定积分阈值k＞0，若偏差小于k，则聚焦补偿公式为：dz(i)＝dz(i-1)+Kp(e(i)-e(i-1))+Kie(i)+Kd(e(i)-2e(i-1)+e(i-2))；若偏差大于k，则聚焦补偿公式为：dz(i)＝dz(i-1)+Kp(e(i)-e(i-1))+Kd(e(i)-2e(i-1)+e(i一2))，其中i为当前采样点的序号，e(i)为当前点的Z向距离偏差，Kp、Ki、Kd为PID控制的比例、积分、微分系数；dz(i)的含义是，第i个采样点的时候设定Z轴运动的目标速度。
2.根据权利要求1所述的基于电子门的超声扫描自动对焦方法，其特征在于：
动态自动聚焦中包括以下方法步骤：
S1输入参数并对焦
手动移动电机找到Z向电机需要移动的范围，以此设置Z轴的最低位置；设置表面时间偏差阈值，用以解决表面时间微小跳动的问题；利用第一阶段的自动对焦算法，使探头聚焦到待测的目标层波形，使这一层波幅值最大，最后调整表面门和数据门的位置；
S2开始循环运行算法
确认设置好参数，开启循环运行表面追踪算法；利用系统定时器方式，确保每一控制周期的时间间隔相同，并且与驱动X轴的主扫描线程保持独立；开启运行后，程序会记录下这一时刻的表面时间作为目标时间，此后程序就会以此作为目标来调整Z轴，尽可能使表面时间趋近于目标时间，开始自动追踪。
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Citations (4)
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| JPH08313498A (ja) * | 1995-05-19 | 1996-11-29 | Olympus Optical Co Ltd | 超音波顕微鏡 |
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| CN112415735A (zh) * | 2020-03-16 | 2021-02-26 | 中国科学院深圳先进技术研究院 | 一种用于显微镜的实时自动对焦系统 |
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2022
- 2022-09-01 CN CN202211068115.5A patent/CN115420808B/zh active Active
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