自動調(diào)焦系統(tǒng)

1、姓名：王雪重慶科技學(xué)院電子信息學(xué)院精密機械與儀器課程l一：概述一：概述l二：圖像處理調(diào)焦方法二：圖像處理調(diào)焦方法l三：圖像清晰度判據(jù)三：圖像清晰度判據(jù)l四：其他調(diào)焦方法四：其他調(diào)焦方法自動調(diào)焦與調(diào)平技術(shù)在精密儀器中有著廣泛的應(yīng)用，初期主要是應(yīng)用于顯微鏡、照相機、攝像機等。其調(diào)焦與調(diào)平的方法大多是目測、手動調(diào)焦。進(jìn)入20世紀(jì)70年代后，由于精密儀器向高精度、自動化發(fā)展，因而自動調(diào)焦、調(diào)平技術(shù)不斷發(fā)展，應(yīng)用范圍迅速過大，在自動化、快速化、高精度及高穩(wěn)定性等方面取得了很大的進(jìn)展，成為精密儀器中的一項重要技術(shù)（表9-1）。自動調(diào)平與調(diào)焦技術(shù)其目的是為了快速地獲取高清晰度的圖像。如圖9-1所示照相系統(tǒng)，

2、物體A經(jīng)物鏡L成像 ，根據(jù)高斯公式應(yīng)滿足：當(dāng)物距s發(fā)生變化時，根據(jù)公式（9-1），因為物鏡的焦距 不變，故要獲取清晰地像就需要改變像距 。對于一般的照相機來說會通過沿光軸改變物鏡L的位置來達(dá)到成像清晰地目的。但改變物鏡L的位置，會引起放大倍率的變化。所以對于絕大多數(shù)精密儀器來說，像距是固定的，只能調(diào)整物面A沿光軸的位置，使其達(dá)到原設(shè)計要求的物距s。所謂調(diào)焦是指沿光軸方向改變物面（或鏡頭）的位置，使物象關(guān)系滿足高斯公式，以獲取清晰地圖像。如果物象關(guān)系滿足高斯公式，但物面A與光軸傾斜，如果傾斜的范圍超出物鏡的焦深范圍，那么會造成只有光軸局部范圍成像清晰而其他部分不清晰，那么需要調(diào)整物面A，使其與光

3、軸垂直，即調(diào)平。調(diào)焦是一個自由度的調(diào)整，而調(diào)平則是平面調(diào)整，即兩個自由度調(diào)整（圖9-2）。隨精密儀器的精度不斷提高，對其中的投影物鏡及測量中的顯微鏡的分辨率也相應(yīng)要求提高。物鏡的分辨率 為：0.61NA概述：概述：從公式（9-2）可見，欲提高鏡頭的分辨率，在使用的光波波長確定后，只有增大數(shù)值孔徑。但鏡頭的瑞利焦深 又取決于 可見，焦深與數(shù)值孔徑的平方成反比，如圖9-3所示，隨數(shù)值孔徑的增大，鏡頭的焦深迅速減小。目前從半導(dǎo)體設(shè)備中使用的物鏡來看，制造線條寬度為 的器件，所使用的光刻物鏡，其焦深大多數(shù)在 。1 2 m23 m在高精度的精密儀器中自動調(diào)焦、調(diào)平技術(shù)尤為重要，這是保證儀器精度提高效率的

4、重要技術(shù)措施之一。調(diào)平方式有兩種：1 一次性調(diào)平，一般用于物鏡焦深大 于 ； 2 逐場調(diào)平，即對每個加工或測量點都進(jìn)行調(diào)平，由于物鏡焦深小于 。調(diào)焦、調(diào)平技術(shù)分自動和手動兩種：1手動調(diào)焦是比較古老的方法，靠人眼目測、手動調(diào)節(jié)、效率低、精度差。4 m4 m2自動調(diào)焦、調(diào)平包括信號自動檢測和自動調(diào)整兩部分，其特點是效率高、精度高，但結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜、成本較高。自動調(diào)焦、調(diào)平目前方法很多按其原理大致可分為兩類：1對焦點及其偏離的直接檢測；2對物面到透鏡的距離檢測。按離焦信息檢測的方法，也大致可分為兩類：直接調(diào)焦、調(diào)平和間接調(diào)焦、調(diào)平。1直接調(diào)焦、調(diào)平是由于光學(xué)系統(tǒng)在理想像面上像質(zhì)邊緣的對比度最大，通過直

5、接檢測像邊緣的光強分布，來獲取離焦信息，直接進(jìn)行調(diào)焦、調(diào)平；2間接調(diào)焦、調(diào)平是把物鏡的理想成像位置作為參考面，用各種傳感器檢測像面或物面位置對于參考面偏離信息，進(jìn)行調(diào)焦、調(diào)平。2.2.圖像自動調(diào)焦的方法圖像自動調(diào)焦的方法圖像處理法自動調(diào)焦是自動調(diào)焦方法中比較理想的方法。采用圖像處理方法實現(xiàn)自動調(diào)焦的一個關(guān)鍵問題就在于圖像清晰度判據(jù)函數(shù)的選取。圖像清晰判據(jù)函數(shù)的模型如圖9-5所示。設(shè)f為圖像清晰度判據(jù)函數(shù)（簡稱為調(diào)焦函數(shù)）的值， 為工作臺Z向位置的偏差，High為較高函數(shù)值。 為它對應(yīng)的峰度，Low為較低的函數(shù)值，為它對應(yīng)的峰寬。圖像清晰度檢測方法的核心問題是確定合適的評價參數(shù)。一個理想的圖像清

6、晰度判據(jù)函數(shù)的特性，應(yīng)滿足一下幾方面的要求：1單峰性：在調(diào)焦范圍內(nèi)只有1個極點；2準(zhǔn)確性：圖像處于最佳物面位置時，函數(shù)應(yīng)取極大值，即 ；3重復(fù)性：判據(jù)函數(shù)應(yīng)具備較陡的波峰，即 V要?。?范圍大：判據(jù)函數(shù)的單調(diào)區(qū)間要大，以保證大的調(diào)焦范圍，即要大；5適用性：判據(jù)函數(shù)最好不僅限于某一特殊類別的圖像；6耐用性：判據(jù)函數(shù)對光強波動圖像噪聲等不過分敏感；7易實現(xiàn)性：判據(jù)函數(shù)應(yīng)具有較小的計算量。離焦判據(jù)圖像處理法主要有：閥值積分法、高頻帶通法及微分法。閥值積分法是通過圖像在離焦情況下，對成像的模糊程度進(jìn)行判斷采用CCD或電視攝像機掃描方法，獲取離焦信號，經(jīng)電路處理后，得到不同圖像的灰度分布。其控制框圖如圖

7、9-6所示。離焦判據(jù)：閥值積分的原理如圖9-7所示，曲線，分別為二幅聚焦質(zhì)量不同的圖像的灰度分布。曲線的清晰度由于曲線，有圖可見，離焦退化造成的灰度平均化傾向減少了閥值上的灰度，即 閥值積分法將該灰度和作為評價參數(shù)。其離散形式為高頻帶通法：高頻帶通法式基于頻域的檢測方法，其圖像輪廓的銳度和細(xì)節(jié)的復(fù)現(xiàn)性取決于圖像的高頻成分。離焦退化造成的圖像模糊在頻域上體現(xiàn)為高頻成分的衰減，因此適當(dāng)?shù)剡x擇高通濾波器的帶寬，使其恰好通過時頻信號中對離焦敏感的那部分頻率成分，就能實現(xiàn)清晰度的自動檢測。在模擬實驗的場合，常用的是以對高頻帶域成分的絕對值求積分來代替嚴(yán)格意義上的平方運算。按定義，高頻帶域法的離散算法為：

8、微分法：自學(xué)。以上三種方法比較其特點為：1 閥值積分法對被測對象性質(zhì)比較敏感，對目標(biāo)尺寸較小的圖像適應(yīng)性較好；2 高頻帶通的檢測特性較穩(wěn)定，當(dāng)目標(biāo)尺寸較大時，由于閥值積分靈敏度下降，高頻帶通法相對檢測靈敏度較高；3 微分法優(yōu)于高頻帶通法，在近焦區(qū)的檢測靈敏度較高，遠(yuǎn)焦區(qū)域有效檢測范圍較寬。圖像清晰度判據(jù)函數(shù)的選擇： 如何選取適當(dāng)?shù)呐袚?jù)函數(shù)，是一件比較困難的事。為解決此問題，經(jīng)過查閱大量文獻(xiàn)和資料，對其中推薦的各種判據(jù)函數(shù)加以篩選，最后確定了表9-2中列出的3類（共11中），來進(jìn)行實驗求證?？紤]到圖像采集速度和函數(shù)計算量的問題，僅采用了各公式的一維形式。設(shè)各函數(shù)公式中， 為一維圖像上第i點的灰度

9、值，n為該圖像的總像素數(shù)， 為這n個像素的灰度值的均值。igg判據(jù)函數(shù)：圖像的預(yù)處理：1、閥值修正在計算染色體顯微圖像的判據(jù)函數(shù)值時，D.C.MASON和D.K.GREEN提出了灰度值修正法：只有灰度值大于一定閥值的點才參與判據(jù)函數(shù)值的計算，即一般閥值可按圖像灰度均值 來選?。蛔⒁獾疆?dāng)圖像正焦時，由于其高頻分量增加導(dǎo)致輪廓曲線各點的梯度變化加大，因此，D.C.MASON和D.K.GREEN提出了梯度加權(quán)灰度均值公式（二維）：圖像預(yù)處理：2 用最小二乘線性擬合趨勢項由于照明不可避免地存在一定的不均勻性以及顯微鏡照明光軸與工作臺表面不垂直等因素的影響，所得一維灰度圖有一定的線性走向；對硅片上對比度

10、較差的線條測量時比較明顯。圖9-12中曲線1為系統(tǒng)離焦是采得的灰度圖，曲線2為正焦時采得的灰度圖（樣品為拋光硅片），從圖中可見確有一定的線性趨勢，且離焦與正焦時線性趨勢項的斜率并不相同，這種隨焦面位置變化的線性趨勢項在一定程度上使調(diào)焦函數(shù)極值點偏離正焦點。擬合圖像處理由于隨焦面位置變化的線性趨勢項將在一定程度上使調(diào)焦函數(shù)極值點偏離正焦點而產(chǎn)生誤差，因此在計算調(diào)焦函數(shù)值前（尤其是那些受線性趨勢項影響較大的函數(shù)），應(yīng)采用最小二乘線性擬合消去這種干擾。反射法：圖8-20為端面反射式瞄準(zhǔn)顯微鏡的光學(xué)系統(tǒng)。光源l經(jīng)過聚光鏡2將十字分劃板3照明，A是十字分劃板的中心點，物鏡5使A點經(jīng)反射鏡4成像于瞄準(zhǔn)物鏡

11、7的物平面上A點,A點再經(jīng)物鏡7、棱鏡8成像在目鏡10的分劃板9上。分劃板9上有一雙刻線，A點的像A位于雙刻線之間，6為被測工件。同態(tài)濾波：圖像噪聲同態(tài)濾波圖像信號在獲取、傳輸和變換的過程中常受到包括附加性噪聲、信號有關(guān)噪聲和脈沖噪聲在內(nèi)的各類噪聲的影響而發(fā)生退化，要同時濾除這三類噪聲是極為困難的。此外，由于人們對圖像質(zhì)量的視覺感受在很大程度上受圖像邊緣信息的影響，因此濾除噪聲的同時應(yīng)盡可能好地保持圖像的邊緣信息。當(dāng)圖像受到上述三種噪聲影響時，其模型可用下式表示：同態(tài)濾波：式中：g未受干擾的原圖像灰度值； n0 一個具有零均值且方差為1的任意分布的隨機白噪聲過程； s(g)信號的某種函數(shù)； k

12、1,k2 標(biāo)量常數(shù)；Cmax,Cmin像素灰度值的動態(tài)范圍的最大最小值。R，C取某值的概率。其他的濾波方式：中值濾波、高通濾波由于同態(tài)濾波后的信號噪聲的低頻分量較多，需選用一高通濾波器來慮除，考慮到線性滑動平均濾波器有低頻濾波的作用而且計算方便，因此可用原始信號減去滑動平均濾波后的信號的方法來得到一個簡單的能保持邊緣的高通濾波器。若采用三點滑動平均涉世波，則所需要高通濾波器的計算公式為：濾波總結(jié)：綜上所述，圖像噪聲濾波的框圖如圖9-13所示，即對原始信號c先做中值濾波以抑制脈沖干擾和部分加性噪聲得信號 ，再對 做同態(tài)變換，將與信號有關(guān)噪聲近似解耦為加性噪聲，得信號y，再對y做高通濾波以抑制變換

13、后的加性噪聲得Y，最后對Y做同態(tài)逆變換，將信號恢復(fù)為C，此后可以用C來計算調(diào)焦判據(jù)的數(shù)值。氣動調(diào)焦及其他調(diào)焦方法：氣動調(diào)焦是利用檢測氣壓的變化來獲取離焦量的一種間接自動調(diào)焦方法。氣動調(diào)焦及其他調(diào)焦方法：氣動調(diào)焦是利用檢測氣壓的變化來獲取離焦量的一種間接自動調(diào)焦方法。實現(xiàn)自動調(diào)焦的主要元件是氣動中繼器和膜盒，實現(xiàn)自動顯示的主要元件是氣電中繼器。自動調(diào)焦過程為：當(dāng)測量間隙為h時（此值恰好是物鏡焦面），則測量氣壓 與調(diào)整氣壓 相等（Pm=Po ），干板保持相對靜止。當(dāng)工作臺移動時，由于干版表面不平，使測量間隙h發(fā)生變化（ ），當(dāng) 時測量間隙增大而使由噴嘴噴出的測量氣壓 Pm 下降 ，此測量信號被h P氣動調(diào)焦及其他調(diào)焦方法：反饋到氣動中繼器的膜盒1中，使彈性膜盒