廣東工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 (工 學(xué) 碩 士 ) 大行程納米級精密對焦控制 系統(tǒng)研究 潘 健 華 二零 一 零年 五 月 二十 日 分類號： 學(xué)校代號： 11845 密級： 學(xué)號： 2110704305 廣東工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 （ 工 學(xué) 碩 士 ） 大行程納米級精密對焦控制 系統(tǒng)研究 潘 健 華 指導(dǎo)教師 姓名、職稱 ： 程良倫 教授 企業(yè) 導(dǎo)師 姓名、職稱 ： 無 專業(yè) 或 領(lǐng)域 名 稱 ： 控制理論與控制工程 學(xué) 生 所 屬 學(xué) 院 ： 自動化學(xué)院 論 文 答 辯 日 期 ： 2010 年 5 月 11845 o.:2110704305 A s 010 510006 摘要 I 摘要 自動對焦技術(shù)是 各種 成像系統(tǒng)、計算機(jī) 機(jī)器 視覺和精密儀器中的關(guān)鍵技術(shù)之一 。 隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，高精度 /高速度 的 微進(jìn)給 技術(shù)已經(jīng)成為 域的 研究前沿 ，廣泛應(yīng)用于 工業(yè)在線檢測 、 自動加工 、 實物仿形 、 產(chǎn)品質(zhì)量控制 、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域 。 從 二十世紀(jì)起，由于 精密加工與 超精密加工與測量的要求，許多設(shè)備儀器需要在大范圍內(nèi)實現(xiàn)高精度的連續(xù)進(jìn)給運動，如平板顯示屏自動光學(xué)檢測系統(tǒng)、 集成電路制造系統(tǒng) 、 光柵刻劃機(jī)進(jìn)給系統(tǒng) 等。 本文從 精密定位 平臺研究入手， 分析了現(xiàn)有 精密定位 平臺和對焦控制系統(tǒng)的局限性，提出了一種新型的大行程納米級精密對焦系統(tǒng)。 1)本文對國內(nèi) 外大行程納米級精密對焦平臺現(xiàn)狀、 當(dāng)前激光微距離測量的發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行了 研究 ， 探討了對焦平臺在行程和精度之間的設(shè)計難度， 比較了各種激光測距方法的優(yōu)缺點，確定了采用三角法作為 大行程納米級精密 對焦系統(tǒng)的設(shè)計基礎(chǔ)。 2)介紹了 大行程納米級精密對焦系統(tǒng)的設(shè)計，對焦平臺采用兩級進(jìn)給結(jié)構(gòu)設(shè)計， 采用粗動與精動系統(tǒng)相結(jié)合，以達(dá)到高的定位精度和分辨率。 對焦平臺運動控制 系統(tǒng)構(gòu)成和原理 ，包括驅(qū)動系統(tǒng)的組成 ，主從控制方 式 和智能控制方法。 3)分析了基于三角法的自動對焦系統(tǒng)的光學(xué)特性，針對成像系統(tǒng)的特點，采用計算機(jī)處理技術(shù)和嵌入式控制技術(shù)，提出顯微鏡系統(tǒng)的對焦模型及對焦判定方法。 4)通過分析 現(xiàn) 有的自動對焦算法， 提出一種基于三角法和通光率最大判定法的自動對焦方法，三角法可以快速，大范圍的實現(xiàn)調(diào)焦，通光率法通過對能量和灰階的變化進(jìn)行雙重判定，實現(xiàn)精確對焦。 5)將 大行程納米級精密對焦控制系統(tǒng)應(yīng)用于平板顯示屏自動光學(xué)檢測設(shè)備上， 針對平板檢測中要求的快速性、精確性、穩(wěn)定性，試驗了對焦系統(tǒng)對焦的速度、精度和重復(fù)對焦精度 。實驗結(jié)果表明，改進(jìn)型 自動對焦 算法適用性廣， 對焦速度快， 對焦精確度高， 具有相當(dāng)?shù)膶嵱脙r值。 關(guān)鍵詞： 自動對焦；自動光學(xué)檢測；三角法；通光率最大判定法；光斑中心 廣東工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 is of in of of a is in to to in a of as of of a of F of on of of of to of as a of F it a of to on F s of of is on of of a of II on in to in F F 東工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 錄 摘要 . I . 錄 . . 一章 緒論 . 8 課題研究的意義和目的 . 8 內(nèi)外研究現(xiàn)狀 . 9 行程納米級精密對焦平臺現(xiàn)狀研究 . 9 有自動對焦法應(yīng)用現(xiàn)狀 . 11 種測距方法的比較 . 12 文的研究內(nèi)容及結(jié)構(gòu)安排 . 13 題來源及研究內(nèi)容 . 13 文結(jié)構(gòu)安排 . 13 章小結(jié) . 14 第二章 大行程精密對焦系統(tǒng)設(shè)計 . 15 行程精密對焦系統(tǒng)設(shè)計要求 . 15 行程納米級精密對焦平臺設(shè)計 . 15 密對焦平臺整體結(jié)構(gòu) . 15 作平臺 . 16 向調(diào)焦機(jī)構(gòu)的設(shè)計和改進(jìn) . 18 動控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu) . 20 機(jī)特性分析 . 20 密平臺數(shù)學(xué)模型建立 . 24 動控制系統(tǒng)硬件設(shè)計 . 26 件流程設(shè)計 . 27 法設(shè)計流程 . 29 章小結(jié) . 30 第三章 精密對焦系統(tǒng)原理及設(shè)計方案 . 31 微鏡光學(xué)成像理論 . 31 目錄 V 微鏡的成像原理 . 31 微鏡的景深 . 32 角測距法原理 . 33 光學(xué)入射法 . 33 光學(xué)入射法 . 34 動對焦設(shè)計方案 . 36 斑成像理論 . 36 學(xué)三角法調(diào)焦設(shè)計方案 . 37 章小結(jié) . 39 第四章 自動對焦算法研究和軟件設(shè)計 . 40 斑特征分析 . 40 斑質(zhì)心計算 . 42 光率最大判定法對焦分析 . 44 動對焦算法軟件設(shè)計 . 45 動對焦算法測試分析 . 46 章小結(jié) . 47 第五章 精密對焦控制系統(tǒng)的綜合能力試驗 . 48 焦精度的評定標(biāo)準(zhǔn) . 49 密對焦控制系統(tǒng)的綜合能力測試 . 50 復(fù)定位精度和自動對焦時間測試 . 51 頭切換精度和時間測試 . 58 總結(jié)與展望 . 61 參考文獻(xiàn) . 63 攻讀學(xué)位期間發(fā)表的論文 . 67 攻讀學(xué)位期間參加的科研項目 . 68 獨創(chuàng)性聲明 . 69 致謝 . 70 附錄 上位機(jī)控制軟件設(shè)計程序 (部分 ) . 71 廣東工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 . I . . . . 8 he of . 8 he of . 9 he . 9 of . 11 of . 12 . 13 . 13 . 13 . 14 . 15 F . 15 . 15 he of . 15 -Y . 16 of . 18 he of . 20 . 20 . 24 he of . 26 . 27 . 29 . 30 . 31 of . 31 . 31 of . 32 . 33 . 33 . 34 F . 36 . 36 of . 37 . 39 AF . 40 . 40 of . 42 of . 44 F . 45 F . 46 . 47 on . 48 . 49 . 50 F . 51 . 58 . 61 . 63 . 67 . 68 . 69 . 70 . 71 廣東工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 8 第一章 緒論 課題研究的意義和目的 高精度和高分辨率的 精密 /超精密 作業(yè) 系統(tǒng)在近代 高端 工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究領(lǐng)域內(nèi) 占有極為重要的地位。它直接影響精密、超精密切削加工水平、 精密測量水平 、 工業(yè)在線檢測水平 及超大規(guī)模集成電路生產(chǎn)水平 12。 這些精密加工、精密檢測設(shè)備都需要一個 優(yōu)良的成像系統(tǒng)，用來輔助加工、測量、檢測， 而 調(diào)焦系統(tǒng) 作為 光電成像系統(tǒng) 、機(jī)器視覺系統(tǒng) 的關(guān)鍵裝置 ， 在 生產(chǎn)過程監(jiān)控、工況檢測、圖像拍攝、顯微觀察、醫(yī)學(xué)圖像分析、地質(zhì)遙感和軍事遙感等等 方面都應(yīng)用廣泛 345。無論哪個成像系統(tǒng)，都會遇到對焦的問題， 如果僅依靠操作人員的主 觀判斷來完成成像系統(tǒng)的調(diào)焦， 很容易帶來一定的人為誤差，而且自動化程度低。 本論文 的研究 是 基于 產(chǎn)學(xué)研 項目“ 新一代 動光學(xué)檢測技術(shù)與設(shè)備開發(fā) ” 研制大行程高精度快速自動對焦設(shè)備 為基礎(chǔ)的，高精準(zhǔn)的對焦技術(shù)是大玻璃片檢測系統(tǒng)的關(guān)鍵，隨著玻璃片的面積越來越大，第四代檢測基板尺寸： 680880五代： 11001300六代： 15001850，檢測的速度、精度也要求越來越高，所以本文的研究方向具有重大意義。近幾年來 學(xué)者 在這一領(lǐng)域投入了大量的人力和物力，并取得了一定的成果，很多已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)檢測。但是，還有一些問題沒有很好地解決，主要體現(xiàn)在 ： (1)對焦精確度不夠高，容易產(chǎn)生誤對焦；在 測中，厚度 了檢測 針孔 )， 抓痕 )， 粒 )等缺陷，需要使用倍數(shù)較高的物鏡，其對焦分辨率高達(dá) 復(fù)定位精度為 像檢測位置分辨達(dá)到 2敏度。如此高精度的對焦定位，除了需要高精度的納米級定位工作臺外，還需要一個能夠?qū)崟r反饋調(diào)整的控制系統(tǒng)。 (2)對焦穩(wěn)定性不強(qiáng)，容易受到環(huán)境和硬件中各種噪聲的影響；如控制鏡頭移動的電機(jī)存在誤差，鏡頭移動存在慣性，硬件驅(qū)動存 在時間延遲等等。高精度的對焦系統(tǒng)，其對焦分辨率高達(dá) 復(fù)定位精度為 了實現(xiàn)對焦，平臺的穩(wěn)定性必須保證 1 0 0 0 C M P R = 0 . 0 5 8 * J * J + 1 8 0 ， 采 樣 周 期 為 1 0 m E 0 / 1 0 0 0E 0 1 0 0E 0 2C M P R = 0 . 0 1 * E 0 + 1 7 0 ， 采 樣 周 期 為 2 . 5 m P R = 0 . 2 * E 0 + 1 5 0 ， 采 樣 周 期 為 1 m 剎 車 ， C M P R = 0E 0 = l a b s ( E 0 )圖 2制算法流程 章小結(jié) 本章主要講述了 大行程納米級精密對焦平臺、運動控制系統(tǒng)的設(shè)計。對焦平臺采用 三維 立體的結(jié)構(gòu)， 臺實現(xiàn)鏡頭切換；對焦軸采用宏微二級結(jié)構(gòu)，最終用壓電驅(qū)動器實現(xiàn)精密定位、對焦。精密平臺的運動控制采用 統(tǒng)，使用主從控制方式。第三章 精密對焦系統(tǒng)原理及設(shè)計方案 31 第 三 章 精密對焦系統(tǒng)原理及設(shè)計方案 微鏡光學(xué)成像理論 微鏡的成像原理 顯微鏡是一種是用來觀察近距離微小物體的光學(xué)系統(tǒng)，是人類進(jìn)入原子時代的標(biāo)志，它 由物鏡和目鏡組成 52，物體經(jīng)顯微物鏡放大成像后，其像再經(jīng)目鏡放大以供人眼觀察。當(dāng)把待觀察物體放在物鏡焦點外側(cè)靠近焦點處時，在物鏡后所成的實像恰在目鏡焦點內(nèi)側(cè)靠近焦點處，經(jīng)目鏡再次放大成一虛像，觀察到的是經(jīng)兩次放大后倒立虛像。 圖 3微鏡成像原理 微鏡的二次成像過程如圖 3示。其視覺放大倍率是 M 是物鏡放大倍數(shù)目鏡放大倍數(shù) 乘積： 0 002 5 0 2 5 0e M f f f f （ 其中， 為光學(xué)筒長， 0然，顯微鏡的放大率和光學(xué)筒長成正比，與物鏡和目鏡的焦距成反比，且 ，產(chǎn)生上半圓；當(dāng)下離焦時在 z 5 0三 角 法 快 速 調(diào) 焦 率 最 大 判 定 法質(zhì) 心 中 心 - 對 焦 中 心 38000 2 到 1(38000) 序號 時間（ s） 偏差（ 序號 時間（ s） 偏差（ 序號 時間（ s） 偏差（ 1 1 1 2 0 2 0 2 0 3 0 3 0 3 0 4 0 4 0 4 0 5 10 5 10 5 10 差值 0 差值 0 差值 0 均值 均值 均值 相鄰鏡頭切換 1 - 2 3 4 5 6 7 8 9 鄰盡頭切換 1-2 分析圖 -2 五章 精密對焦控制系統(tǒng)的綜合能力試驗 59 相鄰鏡頭切換 2 - 1 3 4 5 6 7 8 9 鄰盡頭切換 2-1 分析圖 -1 5頭切換測試結(jié)果 2 0X 1 到 3（ 0 76000 3 到