激光三角法改进的显微镜快速自动对焦方法

    0 引 言

   自动对焦技术是机器视觉检测和工业应用中重要的一个组成部分。 随着大规模集成电路和计算机技术的发展， 自动对焦在半导体元器件检测、TFT-LCD面板检测、IC 芯片检测、生物医学、PCB 检测等工业领域有着广泛的应用^[1]。

    通常自动对焦可以分为被动对焦^[2]和主动对焦^[3-4]两类。 被动对焦通过相机连续拍摄图像，分析图像前后的清晰度判别焦平面的位置。 该调焦方式需要分析多幅图片信息才能完成对焦， 需要处理大量的图像数据，对焦时间较长^[5-6]。 主动对焦控制方式是通过增加辅助设备实现距离的直接或间接探测实现对焦， 早期常用的直接距离探测有红外线测距法和超声波测距法；间接探测有对比度法和相位法^[7]。 主动对焦方式无需大量的图像数据运算， 在一定程度上克服被动对焦的上述缺陷。 国内外众多研究者在主动对焦方面做了深入的研究工作，早期文献^[8]提出针孔法进行离焦探测实现主动调焦， 但在对焦过程中对于离焦方向的判断上存在一定的局限性。 梁宜勇等人^[9-10]采用二象限探测器对检测装置进行了改进，使得系统具有离焦方向控制的功能， 并将其应用到激光直写设备中， 通过快速精动机构和慢速粗动机构进行离焦补偿，取得良好测试效果。 任建岳^[7]等人利用激光器、邻接焦棱镜、四象限光探测器，获得了离焦信号误差(EFS)的大小与离焦量的关系曲线，实验测试表明：系统的线性范围达到±4 μm，该方法采用四象限探测器相对于参考文献[10]改善 了系统在信号抗干扰方面的能力，具有更强的稳定性。Rhee H G 等人^[11-12]提出的使用象散法获得聚焦偏差形成闭环控制 PZT， 实现一定范围内激光直写系统快速精确自动聚焦，突破了参考文献[7]对焦精度和速度的局限性。 象散法建立的离焦量与探测量并不是严格的线性关系， 而是在一定区间内近似成线性区间。 Wei-Yao Hsu 等人^[13]基于象散法提出了一种快速的自动对焦方法， 通过四象限的探测器对激光光斑的形状信息进行探测， 建立了数学模型准确地计算出对焦误差信号(FES)，但是从构建的模型中可以看出， 由于 FES 与实际离焦量之间并不是严格的线性关系， 在一定程度上影响了对焦的准确性和控制的快速性、可靠性。

    针对传统主动自动聚焦方法在非线性、 离焦方向判别、离焦探测范围等方面的局限性。 文中基于现有的激光三角法测距原理提出改进的显微镜自动聚焦系统设计方案，通过增加的辅助激光光路结构，建立离焦量与检测量间的线性化探测关系， 及准确的数据模型。 同时，文中针对对焦光斑图像数据的处理算法进行了研究，还研究了高斯曲线拟算法，通过该算法提取光斑中心位置(IFP)来进行离焦量和离焦方向直接计算和判别。 改进的显微镜自动聚焦系统设计方案具有线性度好、对焦速度快的特点，因此可以应用在 FPD 检测、线路板检测、生物医学、自动机器装配等领域。