CN115740735A - 适用于激光微纳制造的快速自动对焦方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种适用于激光微纳制造的快速自动对焦方法，采用数字图像处理技术，先使用基于模糊量估计的离焦深度法粗对焦，快速定位到正焦位置附近，然后使用聚焦深度法精对焦，通过处理CCD相机采集到的聚焦图像并获得RIO区域的清晰度评价值，并通过极点搜索算法，利用图像清晰度评价函数的单峰性，从而找图像清晰度评价值极值位置实现快速自动对焦的目的。

Description

适用于激光微纳制造的快速自动对焦方法

技术领域

本发明属于激光微纳制造技术领域，尤其涉及一种适用于激光微纳制造的快速自动对焦方法。

背景技术

在激光微加工过程中，焦点相对于被加工工件表面的位置对于激光微加工的结构形状深度有很大影响，当焦点位置较低时，透过工件表面的光斑面积很大，会产生很大的喇叭口，而且由于能量密度减小而影响加工深度；当焦点逐步提高后，加工深度也相应增加；当焦点位置过高时，同样由于能量密度的降低而影响加工深度，无法进行加工。由于激光微加工线宽细，激光功率较小，常采用光学方法进行焦点控制。基于光学的自动对焦技术是从20 世纪 70 年代后期发展起来的。随着仪器的自动化、智能化的迅速发展，自动对焦技术的应用显得越来越重要。自动对焦技术广泛应用于照相机、摄像机、显微镜、光刻机以及光学测量仪等光学仪器。

目前，从基本原理上划分，自动聚焦的方式可以分成基于镜头于被摄物体之间距离测量的主动式对焦和基于数字图像处理技术的被动式自动聚焦。

主动式自动对焦需要独立于光学系统的辅助设备获取距离信息来完成自动调焦，通常有三角测距法和基于反射信息的测距法，不受外部光照环境的影响，曝光不足或过度曝光都可实现准确对焦，对焦精度较高。

被动式自动聚焦不需要辅助设备，根据对焦原理可分为焦点位置检测法和基于图像处理技术法。

焦点位置检测法包括对相位检测法和比度法（也称反差检测法），两者都是基于判断焦平面与光电接收器是否重合来实现自动对焦，受光照条件的制约，当光线暗弱或被摄体与背景明暗差别很小时，调焦就会有困难，甚至失去作用。

目前，大都数基于数字图像处理技术的被动式自动聚焦，根据处理采集到的对焦图像而获取图像信息来实现自动对焦。根据获取图像信息的处理方式不同，又可分为离焦深度法(depth from defocus, DFD)和聚焦深度法(depth from focus, DFF)。

离焦深度法根据处理聚焦图像的方式不同又可分为图像恢复法和模糊量估计法，前者是通过恢复技术处理离焦的聚焦图像，从而获得聚焦图像最清晰的位置，即为最佳聚焦位置；后者是采集少量不同位置的聚焦图形，通过处理聚焦图像获取聚焦系统的空间信息，从而获取镜头的聚焦位置，驱动Z轴带动镜头运动完成自动对焦。

聚焦深度法是在焦点搜索过程中实现自动对焦的自动对焦方法，再搜索焦点位置的同时不断采集加工表面的聚焦图像，并选取合适的清晰度评价函数获取每张聚焦图像的清晰度函数值，再根据极点搜索算法，找出聚焦图像清晰度评价值最大的位置，即为焦平面与加工表面重合的位置。

然而现有的自动对焦方法都有自己的局限性。主动式自动对焦其准确性依赖于信息反射，无法避免复杂加工环境其他物体反射和辐射的影响，在实际应用中有所局限，对焦精度有限。基于焦点位置检测法的被动式自动对焦受光照条件的制约，当光线暗弱或被摄体与背景明暗差别小时，调焦就会有困难，甚至失去作用。离焦深度法需要获取成像系统各成像参数，建立聚焦模型，对焦精度取决于聚焦模型的准确性，实际应用精度较低，只可用来估计聚焦最佳位置。聚焦深度法对焦行程大，需要采集并处理大量聚焦图像获取其的图像信息，花费的时间较长。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷和不足，本发明目的是提供一种对焦精度又高、耗时又短的自动对焦方法。其综合了离焦深度法效率高和聚焦深度法对焦精度高的优点，通过CCD工业相机采集对焦图像，可判断对焦情况，从而实现高精度高效率自动对焦。同时对加工表面工况要求简单，可实现各类激光微加工平台的自动对焦。

为了达到上述目的，本发明采用数字图像处理技术，先使用基于模糊量估计的离焦深度法粗对焦，快速定位到正焦位置附近，然后使用聚焦深度法精对焦，通过处理CCD相机采集到的聚焦图像并获得RIO区域的清晰度评价值，并通过极点搜索算法，利用图像清晰度评价函数的单峰性，从而找图像清晰度评价值极值位置实现快速自动对焦的目的。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：

一种适用于激光微纳制造的快速自动对焦方法，其特征在于：

首先使用离焦深度法进行粗对焦，再使用聚焦深度法，以6d为步长，连续采集2张照片，提取ROI区域并获得清晰度评价值V1和V2，并对V1和V2的大小进行比较：

如果V1＜V2，以2d为步长，连续采集3张照片，并分别计算获得RIO区域清晰度评价值K1、K2和K3，并进行判断，如果K1最大且大于给定的阈值，则判断为自动对焦成功；如果K1不为最大，则执行原方向搜索或反方向搜索；如果K1虽然为最大但未大于给定的阈值，则缩短补偿执行原方向搜索或反方向搜索，直至判断为自动对焦成功。

进一步地，所述提取RIO感兴趣区域具体包括以下步骤：

步骤S1：聚焦图像灰度化；

步骤S2：二值化灰度化后的图像；

步骤S3：提取边缘轮廓曲线；

步骤S4：边对缘轮廓曲线图像求中心矩，找出轮廓中心点；

步骤S6：以轮廓中心点为中心提取原聚焦图像上给定大小RIO矩形区域。

以及，一种适用于激光微纳制造的快速自动对焦系统，用于实现如上所述的适用于激光微纳制造的快速自动对焦方法，其特征在于：

包括：激光发射器（1），用于产生微加工所需的激光；

激光传播系统（2），包括：激光能量调节系统、安全快门和工作快门；

CCD相机（3），用于采集聚焦图像和实时监测加工；

远心显微镜头（4），用于使镜头与物镜在同轴情况下，两者间的距离变化不会对相机图像造成影响，以便在相机固定，远心显微物镜进行同轴位移的情况下依旧获取得清晰的加工轨迹图像；

同轴光源（5），用于与激光共同聚焦在加工表面，提高 CCD 相机视场的亮度及清晰度；

二向色镜（6），用于将激光全反射进入加工光路，并允许自然光透过进入 CCD 相机进行实时加工监测；

远心显微物镜（7），用于聚焦激光于固定待加工工件；

工件（8），为固定在 X-Y 两轴平台上的待加工材料；

X-Y轴运动平台（9），用于实现激光加工轨迹在XY轴方向的运动；

Z轴运动平台（10），用于带动远心显微物镜上下移动，实现激光自动对焦于代加工材料表面；

计算机终端（11），包括激光能量调节的控制系统、安全快门和加工快门的控制开关、CCD相机实时监测系统控制和X-Y-Z三维运动平台的控制。

与现有技术相比，本发明及其优选方案实现了激光微加工快速高精度的自动对焦，采用基于模糊量估计的离焦深度法大大缩短了搜索行程，从而提高了搜索最佳聚焦位置的效率，正焦位置附近采用聚焦深度法，保证了搜索到最佳聚焦位置的精确度，实现了激光微加工平台的高精度制造。其具有如下优点：

（1）采用基于模糊量估计的离焦深度法，只需要分析处理两三幅不同成像参数的离焦图像，就可以估算出目标物体的深度信息，从而快速定位到正焦位置附近，大大缩减自动对焦搜索时间。

（2）正焦位置附近采用聚焦深度法，结合高精度极点搜索算法可保证自动对焦的对焦精度；

（3）整体采用基于数字图像处理技术的自动对焦方法，适应面广、稳定性好、有巨大的改进潜力，可有多种算法和配置选择。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：

图1是本发明实施例提供的优选的适用于激光微纳制造的快速自动对焦方法主要结构示意图。

图2是本发明实施例提供的适用于激光微纳制造的快速自动对焦方法流程示意图。

具体实施方式

为让本专利的特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，作详细说明如下：

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本说明书使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

以下结合附图和具体实施例对本发明方案做进一步的说明：

如图1所示，本实施例一种适用于激光微加工的自动对焦系统，其包括激光发射器1，用于产生微加工所需的激光，例如飞秒激光，激光传播系统2，可包括激光能量调节系统、安全快门和工作快门，CCD相机3，用来采集聚焦图像和实时监测加工，远心显微镜头4，使得镜头与物镜在同轴情况下，两者间的距离变化不会对相机图像造成影响，可以在相机固定，而远心显微物镜进行同轴位移的情况下依旧获取得清晰的加工轨迹图像，同轴光源5，与激光共同聚焦在加工表面，提高 CCD 相机视场的亮度及清晰度，二向色镜6，一方面将激光全反射进入加工光路，另一方面允许自然光透过进入 CCD 相机进行实时加工监测，远心显微物镜7，聚焦激光于固定待加工工件，工件8，固定在 X-Y 两轴平台上的待加工材料，X-Y轴运动平台 9，实现激光加工轨迹在XY轴方向的运动，Z轴运动平台10，带动远心显微物镜上下移动，实现激光自动对焦于代加工材料表面，计算机终端11，包括激光能量调节的控制系统、安全快门和加工快门的控制开关、CCD相机实时监测系统控制和X-Y-Z三维运动平台的控制。

基于以上搭建的自动对焦系统可以实现以下自动对焦的方案：

本发明的自动对焦系统主要是通过在计算机终端开发出综合CCD相机的检测采集功能和X-Y-Z三维运动平台的控制系统，再通过编程实现基于模糊量估计的离焦深度法、聚焦深度法和三步式极点搜索算法。首次对焦时先手动控制Z轴上下移动采集聚焦图像，并提取RIO感兴趣区域，同时运用图像清晰度评价函数获取RIO区域清晰度评价值，找出图像清晰度评价值最大值，记为K。具体自动对焦流程如图2所示。

首先使用离焦深度法进行粗对焦，再使用聚焦深度法，以6d为步长，连续采集2张照片，提取ROI区域并获得清晰度评价值V1和V2，并对V1和V2的大小进行比较：

如果V1＜V2，以2d为步长，连续采集3张照片，并分别计算获得RIO区域清晰度评价值K1、K2和K3，并进行判断，如果K1最大且大于给定的阈值，则判断为自动对焦成功；如果K1不为最大，则执行原方向搜索或反方向搜索；如果K1虽然为最大但未大于给定的阈值，则缩短补偿执行原方向搜索或反方向搜索，直至判断为自动对焦成功。

其中，提取RIO感兴趣区域具体包括以下步骤：

1、聚焦图像灰度化；

2、二值化灰度化后的图像；

3、提取边缘轮廓曲线；

4、边对缘轮廓曲线图像求中心矩，找出轮廓中心点；

以轮廓中心点为中心提取原聚焦图像上适当大小RIO矩形区域。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

本专利不局限于上述最佳实施方式，任何人在本专利的启示下都可以得出其它各种形式的适用于激光微纳制造的快速自动对焦方法，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本专利的涵盖范围。

Claims (3)

1.一种适用于激光微纳制造的快速自动对焦方法，其特征在于：

首先使用离焦深度法进行粗对焦，再使用聚焦深度法，以6d为步长，连续采集2张照片，提取ROI区域并获得清晰度评价值V1和V2，并对V1和V2的大小进行比较：

如果V1＜V2，以2d为步长，连续采集3张照片，并分别计算获得RIO区域清晰度评价值K1、K2和K3，并进行判断，如果K1最大且大于给定的阈值，则判断为自动对焦成功；如果K1不为最大，则执行原方向搜索或反方向搜索；如果K1虽然为最大但未大于给定的阈值，则缩短补偿执行原方向搜索或反方向搜索，直至判断为自动对焦成功。

2.根据权利要求1所述的适用于激光微纳制造的快速自动对焦方法，其特征在于：

所述提取RIO感兴趣区域具体包括以下步骤：

步骤S1：聚焦图像灰度化；

步骤S2：二值化灰度化后的图像；

步骤S3：提取边缘轮廓曲线；

步骤S4：边对缘轮廓曲线图像求中心矩，找出轮廓中心点；

步骤S6：以轮廓中心点为中心提取原聚焦图像上给定大小RIO矩形区域。

3.一种适用于激光微纳制造的快速自动对焦系统，用于实现如权利要求1所述的适用于激光微纳制造的快速自动对焦方法，其特征在于：

包括：激光发射器（1），用于产生微加工所需的激光；

激光传播系统（2），包括：激光能量调节系统、安全快门和工作快门；

CCD相机（3），用于采集聚焦图像和实时监测加工；

远心显微镜头（4），用于使镜头与物镜在同轴情况下，两者间的距离变化不会对相机图像造成影响，以便在相机固定，远心显微物镜进行同轴位移的情况下依旧获取得清晰的加工轨迹图像；

同轴光源（5），用于与激光共同聚焦在加工表面，提高 CCD 相机视场的亮度及清晰度；

二向色镜（6），用于将激光全反射进入加工光路，并允许自然光透过进入 CCD 相机进行实时加工监测；

远心显微物镜（7），用于聚焦激光于固定待加工工件；

工件（8），为固定在 X-Y 两轴平台上的待加工材料；

X-Y轴运动平台（9），用于实现激光加工轨迹在XY轴方向的运动；

Z轴运动平台（10），用于带动远心显微物镜上下移动，实现激光自动对焦于代加工材料表面；

计算机终端（11），包括激光能量调节的控制系统、安全快门和加工快门的控制开关、CCD相机实时监测系统控制和X-Y-Z三维运动平台的控制。

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