基于多平台的超精密自动对焦系统技术方案

本实用新型专利技术是一种基于多平台的超精密自动对焦系统。包括有大范围调节物镜到玻璃平台上表面的距离的Ｚ向大行程精密调节机构、执行物镜的小范围调节的Ｚ向小行程精密微调机构、图像采集光学模组、图像采集处理控制系统、自动对焦执行控制系统，其中图像采集光学模组将采集到的光斑信息通过接口传输到图像采集处理控制系统，图像采集处理控制系统计算出物镜的离焦关系通过接口传输到自动对焦执行控制系统，自动对焦执行控制系统完成自动对焦过程，并发送控制指令，使玻璃平台运动。本实用新型专利技术的自动对焦系统对焦精确度高，对焦稳定性好、对焦速度快，平台工作行程大，可满足精密工程的需要。本实用新型专利技术的基于多平台的超精密自动对焦系统的实现方法方便实用。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术是一种基于多平台的超精密自动对焦系统，特别是一种主要应用于液晶面板检测行业基于电子、机械装置以及图像处理手段自动地完成对被拍摄物体对焦并获取清晰图像的基于多平台的超精密自动对焦系统，属于基于多平台的超精密自动对焦系统的改造技术。
技术介绍
自动对焦是一种通过电子、机械装置以及图像处理手段自动地完成对被拍摄物体对焦并获取清晰图像的技术。其主要优点是对焦准确度高、操作方便、人为干扰少，同时具备快速、高效以及自动化等特点。自动对焦首先被应用于照相机，并在发展中得到了不断地改进和提高。随后，这项技术又被广泛应用于其他光学仪器，如摄像机、显微镜、光刻机、TFT-LCD检测设备、AOI设备及其他测量检测仪器中。近几年来在这一领域投入了大量的人力和物力，并取得了一定的成果，很多已经被广泛应用于工业生产检测。但是，还有一些问题没有很好地解决，主要体现在：(1)对焦精确度不够高，容易产生误对焦；在TFT-LCD检测中，厚度0.4mm的玻璃，为了检测Pinhole(针孔)，scratch(抓痕)，Particle(微粒)等缺陷，需要使用倍数较高的物镜，其对焦分辨率高达0.078um，重复定位精度为0.1um，图像检测位置分辨达到2um灵敏度。如此高精度的对焦定位，需要高精度的纳米级定位工作台。(2)对焦稳定性不强，容易受到环境和硬件中各种噪声的影响；如控制镜头移动的电机存在误差，镜头移动存在惯性，硬件驱动存在时间延迟等等。高精度的对焦系统，其对焦分辨率高达0.078um，重复定位精度为0.1um，为了实现对焦，平台的稳定性必须保证＜0.2um。(3)对焦速度达不到要求，智能化程度和实时性有待提高。现代化的设备，随着通信技术和半导体技术的不断发展，检测系统要求能够快速的检测、精确的识别对象，对焦作为图像采集最重要的一环，对焦速度更是具有非常高的要求，平台必须保证在100ms实现精确的定位。(4)行程不够，难以满足精密工程的需要；无论是TFT-LCD检测，还是其他MEMS中，都要求在平面内具有比较大的行程。TFT-LCD检测在需要更换玻璃，进行边缘检测时，都需要大于4mm的竖直方向行程，一般的精密平台都难以满足这个要求。
技术实现思路
本技术的目的在于考虑上述问题而提供一种对焦精确度高，对焦稳定性好、对焦速度快的基于多平台的基于多平台的超精密自动对焦系统。本技术超精密自动对焦系统的平台工作行程大，可满足精密工程的需要。本技术的技术方案是：本技术基于多平台的超精密自动对焦系统，其包括有大范围调节物镜到玻璃平台上表面的距离的Z向大行程精密调节机构、执行物镜的小-->范围调节的Z向小行程精密微调机构、图像采集光学模组、图像采集处理控制系统、自动对焦执行控制系统，其中图像采集光学模组将采集到的光斑信息通过接口传输到图像采集处理控制系统，图像采集处理控制系统计算出物镜的离焦关系通过接口传输到自动对焦执行控制系统，自动对焦执行控制系统完成自动对焦过程，并发送控制指令，使玻璃平台运动。上述大行程精密调节机构调节范围为4毫米，重复定位精度1微米。上述Z向小行程精密微调机构在物镜距离玻璃平台上表面100微米时，执行物镜的小范围调节，调节范围100微米，重复定位精度6纳米。上述图像采集光学模组的激光器发射波段为808微米的红外光到玻璃平台表面，激光经过玻璃平台反射，通过光路返回，然后被光学模组的CCD芯片捕获，光学模组的CCD芯片将采集到的光斑信息通过1394接口传输到图像采集处理控制系统。上述图像采集处理控制系统由DSP和FPGA构成，FPGA作为系统各个部分的时序控制协调模块，协调DSP和1394接口控制芯片的工作时序，DSP完成光斑信号的处理。上述Z向大行程精密调节机构与Z向小行程精密微调机构两个部分的连接方式为大行程的传统滚珠丝杠导轨加直流电机平台和压电陶瓷微动台连接方式，采用宏微二级结构，以直流电机与滚珠丝杠直连实现粗调节，由压电陶瓷微动台实现微动，使相机实现纳米级精度的对焦。上述图像采集光学模组包括有激光入射光路和出射光路，激光入射光路为发射激光的激光二极管，激光经过激光聚焦镜后通过针孔，然后经由反射镜将激光反射到光栏片，然后经过偏振分光片和1/4波片，再经过聚焦镜后由分光镜反射到显微镜目镜光轴上；反射光路为玻璃表面将激光反射回目镜，然后经过分光镜反射后通过聚焦镜，之后再经过1/4波片、偏振分光片和激光滤光片后，由光学模组的CCD芯片将光斑信号采集。上述图像采集光学模组的激光束与透镜光轴的夹角为0度。上述图像采集处理控制系统的1394接口用分立的物理层和链路层控制芯片构成1394接口电路，控制相机和处理器之间的图像传输；时序协调匹配器，用FPGA作为系统各个部分的时序控制协调模块，协调DSP和1394控制芯片的工作时序；图像处理器，用DSP完成光斑信号的处理，得出对应的离焦关系。本技术的基于多平台的基于多平台的超精密自动对焦系统由于采用使用大行程的传统滚珠丝杠导轨加直流电机平台和压电陶瓷微动台连接方式；通过自行设计的光路执行一光斑图像采集流程；通过处理器处理检测到的光斑图像；通过控制器启动平台的控制信号，进行自动对焦流程的结构，因此，本技术对焦精确度高，对焦稳定性好、对焦速度快。本技术超精密自动对焦系统的平台工作行程大，可满足精密工程的需要。本技术的基于多平台的超精密自动对焦系统的实现方法方便实用。附图说明图1为本技术平台三维结构图；图2为本技术图像采集光学模组原理图；图3为本技术图像采集处理器原理图；图4为本技术自动对焦控制系统原理图；图5为本技术直流电机参数模型方块图；-->图6为本技术平台速度调节流程图。具体实施方式实施例：本技术基于多平台的超精密自动对焦系统的三维结构图结构示意图如图1所示，其包括有大范围调节物镜到玻璃平台6上表面的距离的Z向大行程精密调节机构1、执行物镜的小范围调节的Z向小行程精密微调机构2、图像采集光学模组3、图像采集处理控制系统4、自动对焦执行控制系统5，其中图像采集光学模组3将采集到的光斑信息通过接口传输到图像采集处理控制系统4，图像采集处理控制系统4计算出物镜的离焦关系通过接口传输到自动对焦执行控制系统5，自动对焦执行控制系统5完成自动对焦过程，并发送控制指令，使玻璃平台6运动。Z向大行程精密调节机构，大范围调节物镜到玻璃上表面的距离，其调节范围达到4毫米，重复定位精度达到1微米；Z向小行程精密微调机构，物镜距离玻璃上表面100微米时，Z向小行程精密微调机构执行物镜的小范围调节，调节范围100微米，重复定位精度达到6纳米。Z向大行程精密调节机构1与Z向小行程精密微调机构2两个部分的连接方式为大行程的传统滚珠丝杠导轨加直流电机平台和压电陶瓷微动台连接方式，采用宏微二级结构，以直流电机与滚珠丝杠直连实现粗调节，由压电陶瓷微动台实现微动，使相机实现纳米级精度的对焦。上述图像采集光学模组3的光路图如图2所示，图像采集光学模组3包括有激光入射光路和出射光路，激光入射光路为激光二极管32，发射808微米波段的激光，激光33经过激光聚焦镜后通过针孔，然后经由反射镜34将激光反射到光栏片35，然后经过偏振分光片36和1/4波本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于多平台的超精密自动对焦系统，其特征在于包括有大范围调节物镜到玻璃平台（６）上表面的距离的Ｚ向大行程精密调节机构（１）、执行物镜的小范围调节的Ｚ向小行程精密微调机构（２）、图像采集光学模组（３）、图像采集处理控制系统（４）、自动对焦执行控制系统（５），其中图像采集光学模组（３）将采集到的光斑信息通过接口传输到图像采集处理控制系统（４），图像采集处理控制系统（４）计算出物镜的离焦关系通过接口传输到自动对焦执行控制系统（５），自动对焦执行控制系统（５）完成自动对焦过程，并发送控制指令，使玻璃平台（６）运动。

【技术特征摘要】
1.一种基于多平台的超精密自动对焦系统，其特征在于包括有大范围调节物镜到玻璃平台(6)上表面的距离的Z向大行程精密调节机构(1)、执行物镜的小范围调节的Z向小行程精密微调机构(2)、图像采集光学模组(3)、图像采集处理控制系统(4)、自动对焦执行控制系统(5)，其中图像采集光学模组(3)将采集到的光斑信息通过接口传输到图像采集处理控制系统(4)，图像采集处理控制系统(4)计算出物镜的离焦关系通过接口传输到自动对焦执行控制系统(5)，自动对焦执行控制系统(5)完成自动对焦过程，并发送控制指令，使玻璃平台(6)运动。2.根据权利要求1所述的基于多平台的超精密自动对焦系统，其特征在于上述大行程精密调节机构(1)调节范围为4毫米，重复定位精度1微米。3.根据权利要求1所述的基于多平台的超精密自动对焦系统，其特征在于上述Z向小行程精密微调机构(2)在物镜距离玻璃平台(6)上表面100微米时，执行物镜的小范围调节，调节范围100微米，重复定位精度6纳米。4.根据权利要求1所述的基于多平台的超精密自动对焦系统，其特征在于上述图像采集光学模组(3)的激光器发射红外光到玻璃平台(6)表面，激光经过玻璃平台(6)反射，通过光路返回，然后被光学模组的CCD芯片捕获，光学模组的CCD芯片将采集到的光斑信息通过1394接口传输到图像采集处理控制系统(4)。5.根据权利要求1所述的基于多平台的超精密自动对焦系统，其特征在于上述图像采集处理控制系统(4)由DSP和FPGA构成，FPGA作为系统各个部分的时序控制协调模块，协调DSP和1394接口控制芯片的工作时序，...

【专利技术属性】
技术研发人员：程良伦，
申请(专利权)人：广东工业大学，
类型：实用新型
国别省市：81[中国|广州]