CN115576075B - 一种自动对焦系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自动对焦系统和方法，该自动对焦系统包括：机台，包括台面、控制器、驱动器和位置检测模块，台面上承载有待测物；对焦装置，位于待测物背离机台的一侧且两者间隔设置，用于对焦并测量待测物的第一焦面位置；上位机，分别与位置检测模块和对焦装置电连接，用于接收对焦装置的第一焦面位置和位置检测模块检测的第二焦面位置，并分析第一焦面位置和第二焦面位置以获得位移信号；控制器分别与上位机和驱动器电连接，用于接收位移信号，且将位移信号转化为驱动信号并传输给驱动器，使驱动器驱动待测物至目标焦面位置。本发明中，对焦装置具有高移动精度，且可以缩短对焦时间，实现高精度快速对焦。

Description

一种自动对焦系统和方法

技术领域

本发明涉及对焦技术领域，尤其涉及一种自动对焦系统和方法。

背景技术

随着半导体技术的不断发展，其制作工艺越来越复杂，半导体芯片逐步向微小型化的方向发展。相应的，对半导体芯片或半导体硅片的质量也提出了测量需求，测量精度越高越好，测量精度由检测系统的成像质量决定，而检测系统的对焦精度直接影响着成像质量。

目前，在半导体工艺中，为确保运动精度，运动设备通常自带检测模块，但运动设备自带的检测模块受限于机械结构本身特性，其移动精度有限，造成实际运动位置和检测运动位置有偏差，无法实现高精度对焦，且对焦速度慢，影响半导体的测量结果。

现有技术CN113219618A揭示了一种自动控制对焦方法，其通过将第一位置信息和第二位置信息加入到控制闭环中实现精确控制，但两个位置信息均接入一个控制器中，即仅使用了一套控制算法，需要同时兼顾粗动和微动，精度方面无法得到有效的保障。

发明内容

本发明提供了一种自动对焦系统和方法，以解决现有对焦系统对焦精度低，对焦速度慢的问题。

根据本发明的一方面，提供了一种自动对焦系统，包括：

机台，包括台面、控制器、驱动器和位置检测模块，台面上承载有待测物；

对焦装置，位于待测物背离机台的一侧且两者间隔设置，用于对焦并测量待测物的第一焦面位置；

上位机，分别与位置检测模块和对焦装置电连接，用于接收对焦装置测量的第一焦面位置和位置检测模块测量的第二焦面位置，并分析第一焦面位置和第二焦面位置以获得位移信号；

控制器分别与上位机和驱动器电连接，用于接收位移信号，且将位移信号转化为驱动信号并传输给驱动器，使驱动器驱动待测物至目标焦面位置；

位移信号包括表示待测物位置关系的差值信号或表示电流电压的直驱信号；

控制器包括基础算法单元和转换单元，基础算法单元用于将目标焦面位置和第二焦面位置的差值转换为直驱信号，转换单元用于将直驱信号转换为驱动信号；

上位机包括控制算法单元，控制算法单元用于通过计算将目标焦面位置和第一焦面位置的差值转换为直驱信号；

控制算法单元中存储有基于PID算法改良后的公式(1)：

；

其中，K_a、K_b、K_m和K_n均为自动对焦系统的特性参数；K_p、K_i和K_d分别为自动对焦系统的控制比例因子、积分因子和微分因子；U(t)为下一次循环的驱动器的电流值或电压值，e(t)为目标焦面位置和当前次循环中对焦装置输出的第一焦面位置之间的误差，其中t表示循环轮次，e_last为目标焦面位置和上一次循环中对焦装置输出的第一焦面位置之间的误差。

根据本发明的另一方面，提供了一种自动对焦方法，应用于如上所述的自动对焦系统中，自动对焦方法包括：

S1：上位机获取通过对焦装置测量得到的待测物的第一焦面位置，且获取通过位置检测模块测量得到的待测物的所述第二焦面位置；

S2：自动对焦系统中初始设置对焦误差范围的数值小于允许离焦范围的数值，上位机计算第一焦面位置与目标焦面位置的差值；

S3：当第一焦面位置与目标焦面位置的差值在允许离焦范围内，上位机生成第一位移信号并发送给控制器；第一位移信号为第一焦面位置与目标焦面位置的差值生成的第一直驱信号，其中，第一直驱信号通过上位机内的控制算法单元计算产生；

S4：当第一焦面位置与目标焦面位置的差值在允许离焦范围外，上位机生成第二位移信号并发送给控制器；第二位移信号为第二焦面位置与目标焦面位置的差值生成的第二差值信号；

S5：控制器接收第一位移信号或第二位移信号，并将第一位移信号或第二位移信号转化为驱动信号传输给驱动器，驱动器驱动待测物至目标焦面位置；

S6：重复上述步骤直至第一焦面位置与目标焦面位置的差值在对焦误差范围内，对焦结束；

控制算法单元的公式为：

；

其中，K_a、K_b、K_m和K_n均为自动对焦系统的特性参数；K_p、K_i和K_d分别为自动对焦系统的控制比例因子、积分因子和微分因子；U(t)为下一次循环的驱动器的电流值或电压值，e(t)为目标焦面位置和当前次循环中对焦装置输出的第一焦面位置之间的误差，其中t表示循环轮次，e_last为目标焦面位置和上一次循环中对焦装置输出的第一焦面位置之间的误差。

本发明中，自动对焦系统包括对焦装置、机台和上位机，机台包括位置检测模块，对焦装置测量得到待测物的第一焦面位置，位置检测模块测量得到待测物的第二焦面位置，上位机根据第一焦面位置和第二焦面位置生成位移信号，控制器根据位移信号控制驱动器运动，以调整待测物的位置，直至待测物移动至目标焦面位置。本发明的自动对焦系统，通过对焦装置、上位机设置的控制算法以及控制器设置的控制算法切入系统控制闭环，对焦装置具有高移动精度，且可以缩短对焦时间，实现高精度快速对焦。

应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本发明的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本发明的范围。本发明的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种自动对焦系统的示意图；

图2是本发明实施例提供的一种自动对焦方法的示意图；

图3是本发明实施例提供的控制闭环示意图；

图4是图2中上位机为主视角的一种实施例情况的示意图。

其中，10、机台；11、台面；12、控制器；13、驱动器；14、位置检测模块；15、待测物；16、对焦装置；17、上位机；18、旋转部件；19、机台主体。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

图1是本发明实施例提供的一种自动对焦系统的示意图。本实施例提供的自动对焦系统包括：机台10，包括台面11、控制器12、驱动器13和位置检测模块14，台面11上承载有待测物15；对焦装置16，位于待测物15背离机台10的一侧且两者间隔设置，用于对焦并测量待测物15的第一焦面位置；上位机17，分别与位置检测模块14和对焦装置16电连接，用于接收对焦装置16测量的第一焦面位置和位置检测模块14测量的第二焦面位置，并分析第一焦面位置和第二焦面位置以获得位移信号；控制器12分别与上位机17和驱动器13电连接，用于接收位移信号，且将位移信号转化为驱动信号并传输给驱动器13，使驱动器13驱动待测物15至目标焦面位置。

在精密运动领域，为保证运动设备的亚微米级运动，运动设备往往自带位置检测功能，实现运动的闭环控制，故运动设备自身具有良好的定位能力。但在实际对焦过程中，由于机械限制或环境影响，会产生定位偏差或长时间反复定位对焦的情况，如运动设备的载物台未保持水平，使实际待测物15位置和运动设备检测到的位置有偏差；或机械磨损导致驱动阈值变大等原因。本发明通过对焦装置16和上位机17的设置，将外部检测数据加入到运动闭环控制中，能够有效提高运动精度，减少对焦时间。

本实施例中，自动对焦系统包括机台10，机台10包括台面11。台面11为一个具有平整平面的平台，其平面可承载待测物15，可选台面11通过真空吸附方式吸附其上的待测物15，使待测物15固定在台面11上，但待测物15与台面11的固定方式不限于此。

机台10可控制台面11垂向运动。机台主体19还包括垂向运动部件（未示出），垂向运动部件与台面11连接，本实施例中垂向运动部件通过旋转部件18与台面11连接，机台主体19驱动垂向运动部件沿垂向运动，该垂向运动的方向Z与台面11的中心轴的方向平行。从而调节台面11上待测物15的位置。

可选机台10可控制台面11旋转运动。台面11绕中心轴顺时针或逆时针旋转，该台面11的中心轴垂直于台面11且穿过台面11的中心，台面11通过旋转部件18与机台主体19连接，机台主体19驱动旋转部件18以使台面11绕中心轴顺时针或逆时针旋转。台面11与旋转部件18固定连接，则机台主体19驱动旋转部件18顺时针或逆时针旋转，可以带动台面11同步旋转，进而带动其上的待测物15同步旋转。

可选机台10可控制台面11水平运动。机台主体19的本体或外部还具有水平运动模块，可使台面11实现水平运动，实现对待测物15上各个位置的对焦和检测。

机台10还包括控制器12和驱动器13，可选控制器12和驱动器13集成在机台主体19内。控制器12与驱动器13电连接，控制器12还与外部的上位机17采用无线或有线方式连接，控制器12具有数据计算功能，其可以接收上位机17下发的位移信号，并通过数据计算将位移信号转换为驱动信号，再将驱动信号传输至驱动器13。驱动器13用于驱动台面11运动，具体的驱动器13根据驱动信号驱动台面11进行运动，以使台面11上的待测物15同步运动，实现对待测物15位置的调节，其中，台面11的运动路径至少包括垂向Z运动。

机台10还包括位置检测模块14。位置检测模块14还与外部的上位机17采用无线或有线方式连接，位置检测模块14可用于测量台面11上待测物15的位置信息。具体的，驱动器13根据控制器12的驱动信号驱动台面11进行运动后，位置检测模块14测量台面11上待测物15的位置信息，根据该待测物15的位置信息生成第二焦面位置，并将该第二焦面位置发送至上位机17。位置检测模块14为机台主体19的一个功能单元。

可选位置检测模块14包括光栅尺单元，光栅尺单元包括光栅尺位移传感器，光栅尺位移传感器可以利用光栅的光学原理进行目标物的位移测量，但位置检测模块14的类型不限于此，还可以是其他。示例性的，驱动器13驱动台面11运动，光栅尺单元实时测量待测物15的位移，并根据测量到的待测物15的位移数据生成待测物15的第二焦面位置，将该第二焦面位置发送至上位机17，该第二焦面位置是由待测物15的位移数据转换生成的焦面位置信息。

自动对焦系统还包括对焦装置16，对焦装置16位于待测物15背离机台10的一侧，对焦装置16与待测物15之间间隔设置。对焦装置16还与上位机17采用无线或有线方式连接，对焦装置16用于对待测物15进行对焦。可选对焦装置16的初始对焦位置正对待测物15的几何中心，但在实际应用中自动对焦系统可以实时进行对焦测量，所以对焦时对焦装置16的对焦位置可以正对待测物15的几何中心，也可以偏离待测物15的几何中心，不具体限制。可以理解，台面11位置发生变动，那么待测物15的位置相应发生变化，对焦装置16实时测量与待测物15的距离，并根据测量到的待测物15的距离生成待测物15的第一焦面位置，将该第一焦面位置发送至上位机17，该第一焦面位置是由待测物15的距离数据转换生成的焦面位置信息。

可选对焦装置16包括对焦传感器，对焦传感器可以实时测量与待测物15的距离，实现对焦功能。示例性的，对焦传感器为激光对焦传感器，实现激光对焦功能，但对焦传感器的类型不限于此。对焦装置16还包括其他辅助对焦的结构，例如对焦装置16还包括摄像头等结构，在此不具体赘述。

上位机17分别与控制器12、位置检测模块14和对焦装置16电连接。上位机17与对焦装置16电连接，接收对焦装置16发送的第一焦面位置；上位机17与位置检测模块14电连接，接收位置检测模块14传输的第二焦面位置。上位机17具备数据运算和处理等功能，上位机17能够分析第一焦面位置、第二焦面位置和目标焦面位置，以此得到台面11需要达到目标焦面位置时的位移信息，将该位移信息转换为位移信号并发送给机台10。具体的，上位机17将位移信号发送至控制器12，控制器12将位移信号转化为驱动信号并传输给驱动器13，使驱动器13驱动待测物15移动，经过闭环控制，待测物15可以达到上位机17设定的目标焦面位置。

位移信号包括表示待测物15位置关系的差值信号或表示电流电压的直驱信号。位移信号包括直驱信号，上位机17包括控制算法单元；控制算法单元用于通过计算将目标焦面位置和第一焦面位置的差值转换为直驱信号。

上位机17分析第一焦面位置、第二焦面位置和目标焦面位置，以此直接得到表示电流电压的直驱信号，即上位机17内部完成分析、处理和差值信号的转换，那么上位机17包括控制算法单元；控制算法单元用于通过计算将目标焦面位置和第一焦面位置的差值转换为直驱信号，该直驱信号可以作为位移信号从上位机17直接传输至控制器12。具体的，上位机17分析第一焦面位置、第二焦面位置和目标焦面位置，以此得到表示待测物15的位置关系的差值信号，差值信号为目标焦面位置和第一焦面位置的差值，上位机17内控制算法单元通过计算将差值信号转换为表示电流电压的直驱信号；该直驱信号作为位移信号从上位机17直接传输至控制器12。控制器12直接将直驱信号转化为驱动信号，控制器12将驱动信号发送至驱动器13，驱动器13在驱动信号的控制下驱动台面11移动。上位机17内部计算完成直驱信号，控制器12直接接收直驱信号然后转化为驱动信号，可以减少控制器12的工作量，简化控制器12的硬件结构，降低其成本。

需要说明的，在常规精密运动设备中，驱动器和控制器往往是运动设备中的最重要且复杂的模块。根据不同类型厂家的产品，控制器中的算法往往各不相同，若存在误差需要更新时，没有源代码的情况下很难在其基础上进行修改。而驱动器往往也只能有效识别对应控制器给出的驱动信号。而本发明中可以通过上位机设置控制算法单元，在原设备无法满足更高的定位对焦精度时完成直驱信号的计算，避免了直接修改控制器内的计算方法。另外控制器只需接收直驱信号将其转化为驱动器能够识别的驱动信号即可，无需再进行位置和电压电流间的重复计算。

位移信号包括表示待测物15位置关系的差值信号或表示电流电压的直驱信号。位移信号包括差值信号，控制器包括基础算法单元和转换单元，基础算法单元用于将目标焦面位置和第二焦面位置的差值转换为直驱信号，转换单元用于将直驱信号转换为驱动信号。上位机17输出的位移信号包括差值信号，控制器12接收差值信号后通过内部计算转化成驱动器13识别的驱动信号。

具体的，上位机17分析第一焦面位置、第二焦面位置和目标焦面位置，以此得到直接表示待测物15的位置关系的差值信号，目标焦面位置和第二焦面位置的差值生成的差值信号可以作为位移信号从上位机17直接传输至控制器12。控制器12接收差值信号，但差值信号无法直接控制驱动器13工作，那么控制器12需要将该差值信号转换为可以控制驱动器13工作的驱动信号。基于此，控制器12具有内部的计算逻辑，会将差值信号转换为表示电流电压的驱动信号，其中，控制器12包括基础算法单元和转换单元，基础算法单元用于将目标焦面位置和第二焦面位置的差值转换为直驱信号，转换单元用于将直驱信号转换为驱动信号。因此，控制器12中转换单元既可接收自身基础算法单元得到的直驱信号并将该直驱信号转化为驱动信号，也能直接接收上位机17中控制算法单元下发的直驱信号并将该直驱信号转化为驱动信号。控制器12将驱动信号发送至驱动器13，驱动器13在驱动信号的控制下驱动台面11移动。上位机17给控制器12传输差值信号，可以保证信号传输精准度。

控制算法单元中存储有基于PID算法改良后的公式(1)：

；

其中，K_a、K_b、K_m和K_n均为自动对焦系统的特性参数；K_p、K_i和K_d分别为自动对焦系统的控制比例因子、积分因子和微分因子；U(t)为下一次循环的驱动器的电流值或电压值，e(t)为目标焦面位置和当前次循环中对焦装置输出的第一焦面位置之间的误差，其中t表示循环轮次，e_last为目标焦面位置和上一次循环中对焦装置输出的第一焦面位置之间的误差。

如上所述，控制算法单元基于PID算法改良后的公式(1)，可以将差值信号转换为表示电流电压的直驱信号，控制器12的转换单元根据该直驱信号能简单的转化成驱动信号以控制驱动器13，以使驱动器13驱动台面11移动。

公式(1)中

为常规的位置式PID算法。K_a、K_b、K_m和K_n均为自动对焦系统的特性参数，是当前的自动对焦系统经过测试后得到的参数，自动对焦系统中部件或结构等发生变化，那么自动对焦系统的特性参数可能发生变化。K_p为自动对焦系统的控制比例因子，K_i为自动对焦系统的积分因子，K_d为自动对焦系统的微分因子，可以通过调试这三个参数以使自动对焦系统达到最佳的控制状态。可以理解，自动对焦系统调试完成后，K_a、K_b、K_m、K_n、K_p、K_i和K_d是当前的自动对焦系统的已知参数。

e(t)为目标焦面位置和当前次循环中对焦装置输出的第一焦面位置之间的误差，其中，t表示循环轮次，目标焦面位置预存在上位机中，上位机在当前次循环中通过对焦装置获取第一焦面位置，那么上位机可计算得到e(t)。

e_last为目标焦面位置和上一次循环中对焦装置输出的第一焦面位置之间的误差，其中，e_last为上一次循环中的e(t)。其中，K_b*e_last是变量，代表上一次输入和输出误差的增益值，作用是对累计误差进行补偿。另外为了配合K_b*e_last变量的计算，在位置式PID算法公式外还加入K_a系数进行调整。

公式右侧的

是一个滤波公式，由位置式PID算法公式的数字模型离散化得到，具有平滑输出数据的效果。可以理解的，在没有滤波公式的前提下，该简化公式也能实现转化功能。

公式左侧的U(t)为下一次循环的驱动器的电流值或电压值，即U(t)是控制器得到的直驱信号，并将该直流信号作为后续控制驱动器的驱动信号的基础，使驱动器驱动台面移动。

上述基于PID算法改良后的公式主要通过加入K_b*e_last变量对公式进行补偿和优化，通过K_b*e_last变量的累计来快速抵消或消除机械限制带来的误差。例如，当微量运动使U(t)过于小时，机械限制导致驱动器无法完成原先的位移运动或无法启动，此时，通过K_b*e_last变量快速累计这种情况下的数值，使U(t)快速上升到可驱动范围，驱动待测物至目标焦面位置。

基于上述公式(1)，自动对焦系统的工作流程是：

第1次对焦循环中，计算得到当前的e(t₁)，而e_last1可以看做等于0，那么根据公式(1)计算得到下一次循环的驱动器的电流值或电压值U(t₁)。采用U(t₁)控制驱动器，使驱动器驱动台面移动，判断台面上的待测物是否移动至目标焦面位置。若否，继续下一次对焦循环。

第2次对焦循环中，计算得到当前的e(t₂)，而e_last2为上一次循环中的e(t₁)，那么根据公式(1)计算得到U(t₂)。采用U(t₂)控制驱动器，使驱动器驱动台面移动，判断台面上的待测物是否移动至目标焦面位置。若否，继续下一次对焦循环。

以此类推，经过至少一次对焦循环，直至台面上的待测物移动至目标焦面位置。

本发明中，自动对焦系统包括对焦装置、机台和上位机，机台包括位置检测模块，对焦装置测量得到待测物的第一焦面位置，位置检测模块测量得到待测物的第二焦面位置，上位机根据第一焦面位置和第二焦面位置生成位移信号，控制器根据位移信号控制驱动器运动，以调整待测物的位置，直至待测物移动至目标焦面位置。本发明的自动对焦系统，通过对焦装置、上位机设置的控制算法以及控制器设置的控制算法切入系统控制闭环，对焦装置具有高移动精度，且可以缩短对焦时间，实现高精度快速对焦，实现亚微米级精度的运动控制。

基于同一发明构思，本发明实施例提供一种自动对焦方法，该自动对焦方法应用于如上任一实施例所述的自动对焦系统中。图2是本发明实施例提供的一种自动对焦方法的示意图，如图2所示，该自动对焦方法包括：

步骤S1、上位机获取通过对焦装置测量得到的待测物的第一焦面位置，且获取通过位置检测模块测量得到的待测物的第二焦面位置；

步骤S2、自动对焦系统中初始设置对焦误差范围的数值小于允许离焦范围的数值，上位机计算第一焦面位置与目标焦面位置的差值；

步骤S3、当第一焦面位置与目标焦面位置的差值在允许离焦范围内，上位机生成第一位移信号并发送给控制器；第一位移信号为第一焦面位置与目标焦面位置的差值生成的第一直驱信号，其中，第一直驱信号通过上位机内的控制算法单元计算产生；

步骤S4、当第一焦面位置与目标焦面位置的差值在允许离焦范围外，上位机生成第二位移信号并发送给控制器；第二位移信号为第二焦面位置与目标焦面位置的差值生成的第二差值信号；

步骤S5、控制器接收第一位移信号或第二位移信号，并将第一位移信号或第二位移信号转化为驱动信号传输给驱动器，驱动器驱动待测物至目标焦面位置；

步骤S6、重复上述步骤直至第一焦面位置与目标焦面位置的差值在对焦误差范围内，对焦结束。

如上所述，对焦之前，上位机中预先设置有对焦误差范围及允许离焦范围，对焦误差范围的数值小于允许离焦范围的数值。例如，对焦误差范围为-0.3微米~+0.3微米，那么对焦误差范围的数值可以理解为是0.3微米，允许离焦范围为-1微米~+1微米，那么允许离焦范围的数值可以理解为是1微米。上位机中还预先设置有目标焦面位置。可以理解，上位机中具有系统默认的目标焦面位置、对焦误差范围及允许离焦范围，而使用者也可以根据使用需求自行更改目标焦面位置、对焦误差范围及允许离焦范围中任一数值。根据使用者的要求的不同，目标焦面位置、对焦误差范围及允许离焦范围可能更改，对焦之前，使用者可以将需求的目标焦面位置、对焦误差范围及允许离焦范围预先输入至上位机。

机台执行运动至少包括执行垂直方向的运动。运动到位后，上位机接收对焦装置和位置检测模块测量得到的数据，对焦装置测量得到待测物的第一焦面位置，位置检测模块测量得到待测物的第二焦面位置。

上位机获取第一焦面位置和第二焦面位置，并计算第一焦面位置与目标焦面位置的差值。上位机再判断第一焦面位置与目标焦面位置的差值与允许离焦范围的关系。若差值在允许离焦范围内，上位机生成第一位移信号并发送给控制器；若差值超出允许离焦范围，上位机生成第二位移信号并发送给控制器。

控制器根据接收的第一位移信号或第二位移信号，控制驱动器，使驱动器驱动台面运动，判断台面上的待测物是否移动至目标焦面位置。若否，继续下一次对焦循环。

重复上述步骤实现闭环控制，直至第一焦面位置与目标焦面位置的差值在对焦误差范围内，对焦结束。

待测物的焦面位置与目标焦面位置的差值在对焦误差范围内，则可以判定为对焦误差非常小，无需继续对焦，认定待测物移动至目标焦面位置，那么对焦流程结束。待测物的焦面位置与目标焦面位置的差值超出对焦误差范围，则可以判定为对焦误差大，还需要继续对焦，那么再次调节待测物的位置，直至待测物的焦面位置与目标焦面位置的差值在对焦误差范围内，对焦流程结束。

上位机包括控制算法单元；步骤S3中第一位移信号为第一焦面位置与目标焦面位置的差值生成的第一直驱信号，其中，第一直驱信号通过上位机内的控制算法单元计算产生；步骤S4中第二位移信号为第二焦面位置与目标焦面位置的差值生成的第二差值信号。

如上所述，位移信号包括表示待测物位置关系的差值信号或表示电流电压的直驱信号。上位机内部集成有控制算法单元。当第一焦面位置与目标焦面位置的差值在允许离焦范围内，上位机通过控制算法单元可以将第一焦面位置与目标焦面位置的差值转换成第一直驱信号，该第一直驱信号作为第一位移信号被上位机发送至控制器，以便于控制器将第一直驱信号转换为驱动信号，控制器根据驱动信号控制驱动器，使台面运动。当第一焦面位置与目标焦面位置的差值在允许离焦范围之外，上位机计算第二焦面位置与目标焦面位置的差值，该差值即第二差值信号作为第二位移信号被上位机发送至控制器，控制器的基础算法单元将第二差值信号转换为直驱信号，转换单元将直驱信号转换为驱动信号，控制器根据驱动信号控制驱动器，使台面运动。

控制算法单元的公式为：

；

其中，K_a、K_b、K_m和K_n均为自动对焦系统的特性参数；K_p、K_i和K_d分别为自动对焦系统的控制比例因子、积分因子和微分因子；U(t)为下一次循环的驱动器的电流值或电压值，e(t)为目标焦面位置和当前次循环中对焦装置输出的第一焦面位置之间的误差，其中t表示循环轮次，e_last为目标焦面位置和上一次循环中对焦装置输出的第一焦面位置之间的误差。

如图3所示，是本发明的控制闭环示意图，图中右边是使用光栅尺位置数据的粗动闭环，其通过控制器12中的基础算法单元进行计算运动；图中左边是使用对焦传感器位置数据的微动闭环，其通过上位机中的控制算法单元进行计算运动。

常规现有技术中，如CN113219618A中，其粗动闭环和微动闭环均使用一套控制器的控制算法，该算法为兼容不同特性的检测设备（如光栅尺、激光位置传感器）势必无法达到很高的精度。

而本发明中两个闭环均使用各自的算法，粗动闭环使用控制器12中基础控制算法，由于机台内置的光栅尺和控制器属于机台自身功能，故其相性较好；微动闭环使用上位机中自行编制的控制算法，能针对机台特性和对焦传感器特性进行反复调试，故其能达到更好的运动精度。本发明的运动精度可达到亚微米级别，即能达到0.1um的控制精度。

需要说明的，本实施例的好处是通过上位机计算第一焦面位置与目标焦面位置的差值以直接得到表示为电流电压的第一直驱信号，并通过控制器的简单转化得到驱动器可以识别的驱动信号；并且通过上位机计算第二焦面位置与目标焦面位置的差值以得到第二差值信号，控制器根据第二差值信号得到表示为电流电压的直驱信号，再通过控制器中转换单元的简单转化得到驱动器可以识别的驱动信号。通过外部优化的计算公式提高定位对焦精度。

图4是图2中上位机为主视角的一种实施例情况的示意图，其对应的实施例情况是第一位移信号为第一直驱信号，第二位移信号为第二差值信号，如图4所示自动对焦系统的工作流程（以上位机为主视角）是：

步骤S101、上位机检测焦面位置，获取第一和第二焦面位置；

步骤S102、上位机检测对焦距离是否在允许离焦范围内；若是，执行步骤S103，若否，执行步骤S104；其中，对焦距离为第一焦面位置与目标焦面位置的差值；

步骤S103、上位机根据第一焦面位置与目标焦面位置的差值生成第一直驱信号，给机台下达第一直驱信号，并执行步骤S105；

步骤S104、上位机根据第二焦面位置与目标焦面位置的差值生成第二差值信号，给机台下达第二差值信号，并执行步骤S105；

步骤S105、上位机再次检测焦面位置；

步骤S106、上位机检测对焦距离是否在对焦误差范围内；若否，执行步骤S102，若是，执行步骤S107；

步骤S107、结束对焦。

本发明提供一种自动对焦方法，采用系统控制闭环，结合对焦装置和机台，实现亚微米级高精度对焦且可以缩短对焦时间，提升对焦控制精度。本发明引入外部对焦装置，并实时对实际对焦距离进行检测，当待测物离焦超出允许离焦范围时，根据机台中位置检测模块的测量数据向机台下发运动指令使其进行运动，当待测物离焦进入允许离焦范围时，则根据对焦装置的测量数据向机台下发运动指令使其进行运动，根据焦面位置进行闭环校验。最终，实际运动后的对焦距离和目标焦面位置能够匹配，避免运动不到位对焦精度差的问题。

应该理解，可以使用上面所示的各种形式的流程，重新排序、增加或删除步骤。例如，本发明中记载的各步骤可以并行地执行也可以顺序地执行也可以不同的次序执行，只要能够实现本发明的技术方案所期望的结果，本文在此不进行限制。

上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。

Claims (4)

1.一种自动对焦系统，其特征在于，包括：

机台，包括台面、控制器、驱动器和位置检测模块，所述台面上承载有待测物；

对焦装置，位于所述待测物背离所述机台的一侧且两者间隔设置，用于对焦并测量所述待测物的第一焦面位置；

上位机，分别与所述位置检测模块和所述对焦装置电连接，用于接收所述对焦装置测量的所述第一焦面位置和所述位置检测模块测量的第二焦面位置，并分析所述第一焦面位置和所述第二焦面位置以获得位移信号；

所述控制器分别与所述上位机和所述驱动器电连接，用于接收所述位移信号，且将所述位移信号转化为驱动信号并传输给所述驱动器，使所述驱动器驱动所述待测物至目标焦面位置；

所述位移信号包括表示所述待测物位置关系的差值信号或表示电流电压的直驱信号；

所述控制器包括基础算法单元和转换单元，所述基础算法单元用于将所述目标焦面位置和所述第二焦面位置的差值转换为所述直驱信号，所述转换单元用于将所述直驱信号转换为所述驱动信号；

所述上位机包括控制算法单元，所述控制算法单元用于通过计算将所述目标焦面位置和所述第一焦面位置的差值转换为所述直驱信号；

所述上位机用于在所述第一焦面位置与所述目标焦面位置的差值在允许离焦范围内时，生成第一位移信号并发送给所述控制器；所述第一位移信号为所述第一焦面位置与所述目标焦面位置的差值生成的第一直驱信号，其中，所述第一直驱信号通过所述上位机内的所述控制算法单元计算产生；

所述上位机还用于在所述第一焦面位置与所述目标焦面位置的差值在所述允许离焦范围外时，生成第二位移信号并发送给所述控制器；所述第二位移信号为所述第二焦面位置与所述目标焦面位置的差值生成的第二差值信号；

所述控制算法单元中存储有基于PID算法改良后的公式(1)：

；

其中，K_a、K_b、K_m和K_n均为所述自动对焦系统的特性参数；K_p、K_i和K_d分别为所述自动对焦系统的控制比例因子、积分因子和微分因子；U(t)为下一次循环的所述驱动器的电流值或电压值，e(t)为所述目标焦面位置和当前次循环中所述对焦装置输出的第一焦面位置之间的误差，其中t表示循环轮次，e_last为所述目标焦面位置和上一次循环中所述对焦装置输出的第一焦面位置之间的误差。

2.根据权利要求1所述的自动对焦系统，其特征在于，所述位置检测模块包括光栅尺单元。

3.根据权利要求1所述的自动对焦系统，其特征在于，所述对焦装置包括对焦传感器。

4.一种自动对焦方法，其特征在于，应用于如权利要求1-3任一项所述的自动对焦系统中，所述自动对焦方法包括：

S1：所述上位机获取通过所述对焦装置测量得到的所述待测物的所述第一焦面位置，且获取通过所述位置检测模块测量得到的所述待测物的所述第二焦面位置；

S2：所述自动对焦系统中初始设置对焦误差范围的数值小于允许离焦范围的数值，所述上位机计算所述第一焦面位置与所述目标焦面位置的差值；

S3：当所述第一焦面位置与所述目标焦面位置的差值在所述允许离焦范围内，所述上位机生成第一位移信号并发送给所述控制器；所述第一位移信号为所述第一焦面位置与所述目标焦面位置的差值生成的第一直驱信号，其中，所述第一直驱信号通过所述上位机内的控制算法单元计算产生；

S4：当所述第一焦面位置与所述目标焦面位置的差值在所述允许离焦范围外，所述上位机生成第二位移信号并发送给所述控制器；所述第二位移信号为所述第二焦面位置与所述目标焦面位置的差值生成的第二差值信号；

S5：所述控制器接收所述第一位移信号或所述第二位移信号，并将所述第一位移信号或所述第二位移信号转化为所述驱动信号传输给所述驱动器，所述驱动器驱动所述待测物至所述目标焦面位置；

S6：重复上述步骤直至所述第一焦面位置与所述目标焦面位置的差值在所述对焦误差范围内，对焦结束；

所述控制算法单元的公式为：

；

其中，K_a、K_b、K_m和K_n均为所述自动对焦系统的特性参数；K_p、K_i和K_d分别为所述自动对焦系统的控制比例因子、积分因子和微分因子；U(t)为下一次循环的所述驱动器的电流值或电压值，e(t)为所述目标焦面位置和当前次循环中所述对焦装置输出的第一焦面位置之间的误差，其中t表示循环轮次，e_last为所述目标焦面位置和上一次循环中所述对焦装置输出的第一焦面位置之间的误差。

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