基於多平臺的超精密自動對焦系統的製作方法

2024-02-24 18:12:15

專利名稱：基於多平臺的超精密自動對焦系統的製作方法
技術領域：
本實用新型是一種基於多平臺的超精密自動對焦系統，特別是一種主要應用於液晶面板檢測行業基於電子、機械裝置以及圖像處理手段自動地完成對被拍攝物體對焦並獲 取清晰圖像的基於多平臺的超精密自動對焦系統，屬於基於多平臺的超精密自動對焦系統 的改造技術。
背景技術：
自動對焦是一種通過電子、機械裝置以及圖像處理手段自動地完成對被拍攝物體 對焦並獲取清晰圖像的技術。其主要優點是對焦準確度高、操作方便、人為幹擾少，同時具 備快速、高效以及自動化等特點。自動對焦首先被應用於照相機，並在發展中得到了不斷 地改進和提高。隨後，這項技術又被廣泛應用於其他光學儀器，如攝像機、顯微鏡、光刻機、 TFT-IXD檢測設備、AOI設備及其他測量檢測儀器中。近幾年來在這一領域投入了大量的人 力和物力，並取得了一定的成果，很多已經被廣泛應用於工業生產檢測。但是，還有一些問 題沒有很好地解決，主要體現在(1)對焦精確度不夠高，容易產生誤對焦；在TFT-IXD檢測中，厚度0. 4mm的玻璃， 為了檢測Pinhole (針孔)，scratch (抓痕)，Particle (微粒)等缺陷，需要使用倍數較高 的物鏡，其對焦解析度高達0. 078um，重複定位精度為0. Ium,圖像檢測位置分辨達到2um靈 敏度。如此高精度的對焦定位，需要高精度的納米級定位工作檯。(2)對焦穩定性不強，容易受到環境和硬體中各種噪聲的影響；如控制鏡頭移動 的電機存在誤差，鏡頭移動存在慣性，硬體驅動存在時間延遲等等。高精度的對焦系統，其 對焦解析度高達0. 078um,重複定位精度為0. Ium,為了實現對焦，平臺的穩定性必須保證 < 0. 2um。(3)對焦速度達不到要求，智能化程度和實時性有待提高。現代化的設備，隨著通 信技術和半導體技術的不斷發展，檢測系統要求能夠快速的檢測、精確的識別對象，對焦作 為圖像採集最重要的一環，對焦速度更是具有非常高的要求，平臺必須保證在IOOms實現 精確的定位。(4)行程不夠，難以滿足精密工程的需要；無論是TFT-IXD檢測，還是其他MEMS 中，都要求在平面內具有比較大的行程。TFT-LCD檢測在需要更換玻璃，進行邊緣檢測時，都 需要大於4mm的豎直方向行程，一般的精密平臺都難以滿足這個要求。

實用新型內容本實用新型的目的在於考慮上述問題而提供一種對焦精確度高，對焦穩定性好、 對焦速度快的基於多平臺的基於多平臺的超精密自動對焦系統。本實用新型超精密自動對 焦系統的平臺工作行程大，可滿足精密工程的需要。本實用新型的技術方案是本實用新型基於多平臺的超精密自動對焦系統，其包 括有大範圍調節物鏡到玻璃平臺上表面的距離的Z向大行程精密調節機構、執行物鏡的小範圍調節的Z向小行程精密微調機構、圖像採集光學模組、圖像採集處理控制系統、自動對 焦執行控制系統，其中圖像採集光學模組將採集到的光斑信息通過接口傳輸到圖像採集處 理控制系統，圖像採集處理控制系統計算出物鏡的離焦關係通過接口傳輸到自動對焦執行 控制系統，自動對焦執行控制系統完成自動對焦過程，並發送控制指令，使玻璃平臺運動。上述大行程精密調節機構調節範圍為4毫米，重複定位精度1微米。上述Z向小行程精密微調機構在物鏡距離玻璃平臺上表面100微米時，執行物鏡 的小範圍調節，調節範圍100微米，重複定位精度6納米。上述圖像採集光學模組的雷射器發射波段為808微米的紅外光到玻璃平臺表面， 雷射經過玻璃平臺反射，通過光路返回，然後被光學模組的CCD晶片捕獲，光學模組的CCD 晶片將採集到的光斑信息通過1394接口傳輸到圖像採集處理控制系統。上述圖像採集處理控制系統由DSP和FPGA構成，FPGA作為系統各個部分的時序 控制協調模塊，協調DSP和1394接口控制晶片的工作時序，DSP完成光斑信號的處理。上述Z向大行程精密調節機構與Z向小行程精密微調機構兩個部分的連接方式為 大行程的傳統滾珠絲槓導軌加直流電機平臺和壓電陶瓷微動臺連接方式，採用宏微二級結 構，以直流電機與滾珠絲槓直連實現粗調節，由壓電陶瓷微動臺實現微動，使相機實現納米 級精度的對焦。上述圖像採集光學模組包括有雷射入射光路和出射光路，雷射入射光路為發射激 光的雷射二極體，雷射經過雷射聚焦鏡後通過針孔，然後經由反射鏡將雷射反射到光欄片， 然後經過偏振分光片和1/4波片，再經過聚焦鏡後由分光鏡反射到顯微鏡目鏡光軸上；反 射光路為玻璃表面將雷射反射回目鏡，然後經過分光鏡反射後通過聚焦鏡，之後再經過1/4 波片、偏振分光片和雷射濾光片後，由光學模組的CCD晶片將光斑信號採集。上述圖像採集光學模組的雷射束與透鏡光軸的夾角為0度。上述圖像採集處理控制系統的1394接口用分立的物理層和鏈路層控制晶片構成 1394接口電路，控制相機和處理器之間的圖像傳輸；時序協調匹配器，用FPGA作為系統各 個部分的時序控制協調模塊，協調DSP和1394控制晶片的工作時序；圖像處理器，用DSP完 成光斑信號的處理，得出對應的離焦關係。本實用新型的基於多平臺的基於多平臺的超精密自動對焦系統由於採用使用大 行程的傳統滾珠絲槓導軌加直流電機平臺和壓電陶瓷微動臺連接方式；通過自行設計的光 路執行一光斑圖像採集流程；通過處理器處理檢測到的光斑圖像；通過控制器啟動平臺的 控制信號，進行自動對焦流程的結構，因此，本實用新型對焦精確度高，對焦穩定性好、對焦 速度快。本實用新型超精密自動對焦系統的平臺工作行程大，可滿足精密工程的需要。本 實用新型的基於多平臺的超精密自動對焦系統的實現方法方便實用。

圖1為本實用新型平臺三維結構圖；圖2為本實用新型圖像採集光學模組原理圖；圖3為本實用新型圖像採集處理器原理圖；圖4為本實用新型自動對焦控制系統原理圖；圖5為本實用新型直流電機參數模型方塊圖；[0023]圖6為本實用新型平臺速度調節流程圖。
具體實施方式
實施例本實用新型基於多平臺的超精密自動對焦系統的三維結構圖結構示意圖如圖1所示，其包括有大範圍調節物鏡到玻璃平臺6上表面的距離的Z向大行程精密調節機構1、 執行物鏡的小範圍調節的Z向小行程精密微調機構2、圖像採集光學模組3、圖像採集處理 控制系統4、自動對焦執行控制系統5，其中圖像採集光學模組3將採集到的光斑信息通過 接口傳輸到圖像採集處理控制系統4，圖像採集處理控制系統4計算出物鏡的離焦關係通 過接口傳輸到自動對焦執行控制系統5，自動對焦執行控制系統5完成自動對焦過程，並發 送控制指令，使玻璃平臺6運動。Z向大行程精密調節機構，大範圍調節物鏡到玻璃上表面 的距離，其調節範圍達到4毫米，重複定位精度達到1微米；Z向小行程精密微調機構，物鏡 距離玻璃上表面100微米時，Z向小行程精密微調機構執行物鏡的小範圍調節，調節範圍 100微米，重複定位精度達到6納米。Z向大行程精密調節機構1與Z向小行程精密微調機構2兩個部分的連接方式為 大行程的傳統滾珠絲槓導軌加直流電機平臺和壓電陶瓷微動臺連接方式，採用宏微二級結 構，以直流電機與滾珠絲槓直連實現粗調節，由壓電陶瓷微動臺實現微動，使相機實現納米 級精度的對焦。上述圖像採集光學模組3的光路圖如圖2所示，圖像採集光學模組3包括有雷射 入射光路和出射光路，雷射入射光路為雷射二極體32，發射808微米波段的雷射，雷射33 經過雷射聚焦鏡後通過針孔，然後經由反射鏡34將雷射反射到光欄片35，然後經過偏振分 光片36和1/4波片37，再經過聚焦鏡38後由分光鏡39反射到顯微鏡目鏡310光軸上；反 射光路為玻璃表面將雷射反射回目鏡，然後經過分光鏡反射後通過聚焦鏡，之後再經過1/4 波片、偏振分光片和雷射濾光片後，由光學模組的CCD晶片將光斑信號採集；根據光路的原 理和三角測距法，由於本方法設計的光路使得雷射束與透鏡光軸的夾角為0度，所以得出 的離焦關係為線性函數；再根據光斑的形成原理，當沒有對焦成功時分光鏡反射回來的激 光在CCD上形成的光斑圖像是一個圓，圓的大小由離焦關係決定，光斑越大，離焦量越大， 當對焦成功時反射回來的雷射在CCD上形成的光斑圖像是一個亮點，所以可以根據光斑的 大小判斷是否對焦成功。附圖3是圖像採集處理控制系統4的原理圖，具有連續採集光斑信息和處理光斑 圖像得出離焦關係的功能，該圖像採集處理控制系統包括光學模組將採集到的光斑信息 通過1394接口傳輸到圖像採集處理控制系統；1394接口，用分立的物理層和鏈路層控制芯 片構成1394接口電路，控制相機和處理器之間的圖像傳輸；時序協調匹配器，用FPGA作為 系統各個部分的時序控制協調模塊，協調DSP和1394控制晶片的工作時序；圖像處理器，用 DSP完成光斑信號的處理，得出對應的離焦關係。為了保證快速的實現自動對焦，系統不斷 的對光斑圖像進行檢測，然後處理，當第一次光斑處理完後，給出一個離焦量的大小，自動 對焦執行控制系統控制平臺進行第一次對焦，完成這個過程後再檢測一個光斑信號，如果 光斑變成一個亮點，則對焦完成，如果光斑還是一個圓，那麼進行第二次對焦，處理器給出 第二個離焦量，自動對焦執行控制系統控制平臺進行第二次對焦，由於本方法設計的光路使得雷射束與透鏡光軸的夾角為O度，所以得出的離焦關係為線性函數，所以完成第二次對焦過程後，光斑將一定變成一個亮點，完成自動對焦過程。由於只需要1到2次的對焦過 程，所以本方法就保證了自動對焦的快速性；由於離焦關係式線性的，所以本方法就保證了 自動對焦的穩定性，同時也保證了自動對焦的快速性。 圖4為本實用新型自動對焦控制系統原理圖，圖5為本實用新型直流電機參數模 型方塊圖，圖6為本實用新型平臺速度調節流程圖，自動對焦執行控制系統5，具有執行自 動對焦的功能，該控制系統包括通過直接辨識算法得出平臺驅動電機的數學模型，首先利 用傳統方法求解得的直流電機模型參數，直流電機的數學模型來自於它的兩個方程，即電 氣方程和機械特性方程，利用電機的性能參數可以求得方程的各個參數，那麼就可以獲得 電機的模型參數；為了求出精確的直流電機模型參數，其次利用階躍輸入構建系統的線性 方程，加入一個階躍信號，線性方程得到一個輸出，然後利用反拉普拉斯變換，得到輸出的 時域函數，當電機轉速趨於穩定時，得到實際的數據結果，並記為採樣點i ；然後使用輸出 的採樣數據，對模型參數進行最小二乘運算，求解系統階躍響應的線性方程組，令採樣點的 輸出為y(i)，根據積分定義近似求出y(t)；最後利用最小二乘法對各個參數進行最大似然 估計，得出直流電機模型的精確參數；通過模糊控制算法調節平臺運行的速度，模糊推理首 先要求出某時刻的E(k)值，從而得到Ec(k) =E(k)-E(k-l)，根據經驗公式求出E(k)和 E(k-l)的隸屬度，再根據控制規則表進行相應的推理運算，得出Kp、Ki、Kd各語言的對應隸 屬度，最後用反模糊化進行模糊判斷，便可以得出Kp、Ki、Kd各語言的精確調整值；通過檢 測算法計算平臺發出脈衝當量，最後得出平臺的移動距離。
權利要求一種基於多平臺的超精密自動對焦系統，其特徵在於包括有大範圍調節物鏡到玻璃平臺(6)上表面的距離的Z向大行程精密調節機構(1)、執行物鏡的小範圍調節的Z向小行程精密微調機構(2)、圖像採集光學模組(3)、圖像採集處理控制系統(4)、自動對焦執行控制系統(5)，其中圖像採集光學模組(3)將採集到的光斑信息通過接口傳輸到圖像採集處理控制系統(4)，圖像採集處理控制系統(4)計算出物鏡的離焦關係通過接口傳輸到自動對焦執行控制系統(5)，自動對焦執行控制系統(5)完成自動對焦過程，並發送控制指令，使玻璃平臺(6)運動。
2.根據權利要求1所述的基於多平臺的超精密自動對焦系統，其特徵在於上述大行程 精密調節機構(1)調節範圍為4毫米，重複定位精度1微米。
3.根據權利要求1所述的基於多平臺的超精密自動對焦系統，其特徵在於上述Z向小 行程精密微調機構(2)在物鏡距離玻璃平臺(6)上表面100微米時，執行物鏡的小範圍調 節，調節範圍100微米，重複定位精度6納米。
4.根據權利要求1所述的基於多平臺的超精密自動對焦系統，其特徵在於上述圖像採 集光學模組(3)的雷射器發射紅外光到玻璃平臺(6)表面，雷射經過玻璃平臺(6)反射，通 過光路返回，然後被光學模組的CCD晶片捕獲，光學模組的CCD晶片將採集到的光斑信息通 過1394接口傳輸到圖像採集處理控制系統(4)。
5.根據權利要求1所述的基於多平臺的超精密自動對焦系統，其特徵在於上述圖像採 集處理控制系統(4)由DSP和FPGA構成，FPGA作為系統各個部分的時序控制協調模塊，協 調DSP和1394接口控制晶片的工作時序，DSP完成光斑信號的處理。
6.根據權利要求1所述的基於多平臺的超精密自動對焦系統，其特徵在於上述Z向大 行程精密調節機構與Z向小行程精密微調機構兩個部分的連接方式為大行程的傳統滾珠 絲槓導軌加直流電機平臺和壓電陶瓷微動臺連接方式，採用宏微二級結構，以直流電機與 滾珠絲槓直連實現粗調節，由壓電陶瓷微動臺實現微動，使相機實現納米級精度的對焦。
7.根據權利要求1至6任一項所述的基於多平臺的超精密自動對焦系統，其特徵在於 上述圖像採集光學模組(3)包括有雷射入射光路和出射光路，雷射入射光路為發射雷射的 雷射二極體(32)，雷射(33)經過雷射聚焦鏡後通過針孔，然後經由反射鏡(34)將雷射反射 到光欄片(35)，然後經過偏振分光片(36)和1/4波片(37)，再經過聚焦鏡(38)後由分光 鏡(39)反射到顯微鏡目鏡(310)光軸上；反射光路為玻璃表面將雷射反射回目鏡，然後經 過分光鏡反射後通過聚焦鏡，之後再經過1/4波片、偏振分光片和雷射濾光片後，由光學模 組的CXD晶片將光斑信號採集。
8.根據權利要求7所述的基於多平臺的超精密自動對焦系統，其特徵在於上述圖像採 集光學模組(3)的雷射束與透鏡光軸的夾角為0度。
9.根據權利要求7所述的基於多平臺的超精密自動對焦系統，其特徵在於上述圖像採 集處理控制系統(4)的1394接口用分立的物理層和鏈路層控制晶片構成1394接口電路， 控制相機和處理器之間的圖像傳輸；時序協調匹配器，用FPGA作為系統各個部分的時序控 制協調模塊，協調DSP和1394控制晶片的工作時序；圖像處理器，用DSP完成光斑信號的處 理，得出對應的離焦關係。
專利摘要本實用新型是一種基於多平臺的超精密自動對焦系統。包括有大範圍調節物鏡到玻璃平臺上表面的距離的Z向大行程精密調節機構、執行物鏡的小範圍調節的Z向小行程精密微調機構、圖像採集光學模組、圖像採集處理控制系統、自動對焦執行控制系統，其中圖像採集光學模組將採集到的光斑信息通過接口傳輸到圖像採集處理控制系統，圖像採集處理控制系統計算出物鏡的離焦關係通過接口傳輸到自動對焦執行控制系統，自動對焦執行控制系統完成自動對焦過程，並發送控制指令，使玻璃平臺運動。本實用新型的自動對焦系統對焦精確度高，對焦穩定性好、對焦速度快，平臺工作行程大，可滿足精密工程的需要。本實用新型的基於多平臺的超精密自動對焦系統的實現方法方便實用。
文檔編號G02B7/32GK201576122SQ20102002656
公開日2010年9月8日 申請日期2010年1月12日 優先權日2010年1月12日
發明者程良倫 申請人:廣東工業大學