图像式显微自动调焦、瞄准系统的研究

　　1　引　言

　　通用光学仪器是几何量测试技术中应用较为广泛的测试仪器,它具有精度高、抗干扰能力强、长期稳定性好等优点。但这类仪器常常要对工件进行手动调焦及瞄准,其调节过程长,瞄准的精度受人员主观的影响较大。如万能工具显微镜系统,读数部分与瞄准部分的不确定度均为0.8μm左右,可见,瞄准误差在总误差中占有较大的比例。现代化的数字测量仪器常采用激光、光栅等技术,虽然仪器的测量精度、测量速度以及系统的自动化程度都得到了提高,但系统的瞄准部分仍采用原来的光学瞄准方法,瞄准速度与瞄准精度仍未得到提高。

　　因此,解决通用光学仪器及现代化数字仪器的调焦与瞄准问题,从而进一步提高测量精度、测量速度及自动化程度,减轻操作人员的劳动强度是十分必要的。

　　本文基于CCD图像技术提出一种新的图像式显微自动调焦、瞄准系统,可解决上述问题,下面说明其结构及工作原理。

　　2　图像式显微自动调焦、瞄准系统的结构及原理

　　本文所提出的新系统采用了与万能工具显微镜主显微镜相类似的光学系统,是在主显微镜系统中的米字分划板处,沿成像光轴方向上安置一CCD摄像机,使其感光面垂直于光轴,这样物体表面或其轮廓投影就成像在CCD感光面上,再利用图像处理技术确定物体边缘的位置,即可达到对工件瞄准的目的。图像瞄准系统如图1所示。图中虚框部分主要由摄像机及光学成像系统组成,由于成像系统的焦距及像距固定,通过设计一个机械系统,使得虚框部分上下移动,找到满足物像关系的位置,从而实现瞄准系统的调焦。具体结构是:通过一级蜗轮一蜗杆机构和丝杠减速定位传动机构,利用步进电机作为驱动源,带动光学成像系统及 CCD上下移动,实现调焦运动。步进电机每走一步则显微物镜系统相对于工件移动0.22μm,这个步长足以满足自动调焦的需要。步进电机通过接口电路与计算机相联。步进电机的控制采用数字量控制。选用单片机来控制步进电机,而单片机与计算机通过串行口来进行通讯,这样可以使步进电机控制与系统计算机分离。整个自动调焦过程如图2所示[1]。其大致过程是:先采集一幅图像,然后判别是否正焦,如果已正焦,则结束调焦过程。如果未正焦,则通过计算调焦评价函数,确定步进电机应走的步数并控制电机运行,然后,再采集一幅图像进行判别,如此循环,直至调焦结束。

　　3　自动调焦、瞄准系统的精度保证

　　下面从光学系统及照明系统、摄像机选样、数据处理方法、亚像素细分技术、机械系统设计及瞄准系统的标定几方面,讨论为保证系统的调焦瞄准精度而采取的措施。