第六章自动调焦技术PPT讲稿.ppt

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1、第六章自动调焦技术第1页，共78页，编辑于2022年，星期三本章内容：本章内容：6.1 调焦技术概述调焦技术概述 6.2 自动调焦类型自动调焦类型 6.3 自动调焦方法自动调焦方法 6.4 调焦技术应用调焦技术应用第2页，共78页，编辑于2022年，星期三 自动调焦（自动调焦（AutofocusAutofocus）技术是精密仪器中提高仪器精度的重技术是精密仪器中提高仪器精度的重要手段，有着广泛应用。要手段，有着广泛应用。目的目的目的目的建立统一评价标准，建立统一评价标准，快速获得高清晰度图像。快速获得高清晰度图像。调焦调焦沿光轴方向调整位置（沿光轴方向调整位置（1 1 DOFDOF）；）；调平

2、调平调整成像平面与光轴垂直调整成像平面与光轴垂直(2 2 DOFDOF)。6.1 调焦技术概述调焦技术概述第3页，共78页，编辑于2022年，星期三 调焦精度 0.1 m 调焦范围 40 m 调平精度 0.1 m/2424 mm2 “863”“863”重大专项重大专项“集成电路制造装备集成电路制造装备”下一代光刻机超精密工件台下一代光刻机超精密工件台第4页，共78页，编辑于2022年，星期三原理原理如图所示，如图所示，由几何光学由几何光学第5页，共78页，编辑于2022年，星期三基本概念1.分辨率 减小波长减小波长 减小系数减小系数k k值值 提高数值孔径提高数值孔径NANA 提高折射率提高折

3、射率n n 提高分辨率措施第6页，共78页，编辑于2022年，星期三 激光束 物镜 SIL 近场间距 核心技术：光学系统设计 近场间距控制深亚微米飞行系统研究深亚微米飞行系统研究第7页，共78页，编辑于2022年，星期三相移掩膜技术（相移掩膜技术（PSMPSM）第8页，共78页，编辑于2022年，星期三2.焦深焦深第9页，共78页，编辑于2022年，星期三按不同标准进行分类调焦调焦方法方法手动人眼检测，手动调整，效率低，精度差人眼检测，手动调整，效率低，精度差自动自动检测、自动调整；效率高，精度高，自动检测、自动调整；效率高，精度高，结构复杂，成本较高结构复杂，成本较高调焦调焦原理原理直接对焦

4、点及其偏差的直接检测对焦点及其偏差的直接检测间接对物面到透镜的距离检测对物面到透镜的距离检测离焦信息直接检测象边缘的光强分布直接检测象边缘的光强分布检测离焦信息检测离焦信息把理想成像物面作为参考面把理想成像物面作为参考面检测相对信息检测相对信息自自动动调调焦焦 6.2 自动调焦类型自动调焦类型第10页，共78页，编辑于2022年，星期三自动调焦类型第11页，共78页，编辑于2022年，星期三1.喷嘴挡板原理一、气动调焦 5.3 自动调焦方法自动调焦方法第12页，共78页，编辑于2022年，星期三 上式是喷嘴形状为理想状态得到，实际喷嘴有一定壁厚，需要考虑喷嘴形上式是喷嘴形状为理想状态得到，实际

5、喷嘴有一定壁厚，需要考虑喷嘴形状对测量气压状对测量气压Pm影响。影响。！第13页，共78页，编辑于2022年，星期三第14页，共78页，编辑于2022年，星期三第15页，共78页，编辑于2022年，星期三气压间隙关系曲线 用以上公式设计环形喷嘴挡板机构传动比，与实验结构十分接用以上公式设计环形喷嘴挡板机构传动比，与实验结构十分接用以上公式设计环形喷嘴挡板机构传动比，与实验结构十分接用以上公式设计环形喷嘴挡板机构传动比，与实验结构十分接近。近。近。近。1-计算值2-实际值第16页，共78页，编辑于2022年，星期三2.气动自动调焦仪设计平面度检查系统自动跟踪调焦系统平面度检查系统自动跟踪调焦系统

6、（1 1）设计原理）设计原理）设计原理）设计原理P0Pm喷嘴挡板1第17页，共78页，编辑于2022年，星期三气动中继器气电中继器气动中继器气电中继器喷嘴挡板2第18页，共78页，编辑于2022年，星期三（2 2）设计内容）设计内容）设计内容）设计内容 微动台采用弹性膜工作台采用弹性膜工作台 设计指标设计指标刚度、灵敏度、线性范围刚度、灵敏度、线性范围 影响因素影响因素波纹形状、尺寸、厚度及固定方式波纹形状、尺寸、厚度及固定方式 微动台位移平行度微动台位移平行度 与膜片加工、热处理及固定方法的对称性和均匀性有关。与膜片加工、热处理及固定方法的对称性和均匀性有关。第19页，共78页，编辑于202

7、2年，星期三 过滤器过滤器使压缩空气干燥清洁，防止污染和堵塞使压缩空气干燥清洁，防止污染和堵塞。原理原理气流旋转分离出水分并凝结，干燥气体气流旋转分离出水分并凝结，干燥气体从滤清材料从滤清材料1进入内腔，从出气口流进入内腔，从出气口流出。出。材料材料毛毡、铜网、过滤纸、活性炭等。毛毡、铜网、过滤纸、活性炭等。第20页，共78页，编辑于2022年，星期三 稳压器稳压器输出较恒定的工作气压输出较恒定的工作气压。原理进气压升高进气压升高 膜片变形膜片变形 杆杆4提高提高 球形阀门球形阀门5进气减少进气减少 气室气室II、III压力下降压力下降 恢复平衡。恢复平衡。组成气体气室气体气室I球形阀门气室球

8、形阀门气室II小孔气室小孔气室III(密封密封)第21页，共78页，编辑于2022年，星期三 喷嘴喷嘴环形单孔，一般使用三个单孔喷嘴一般使用三个单孔喷嘴种类种类第22页，共78页，编辑于2022年，星期三 先按照普通圆形喷嘴挡板系统来估算流量和元件主要参数，以供选择各先按照普通圆形喷嘴挡板系统来估算流量和元件主要参数，以供选择各种定值器、阀门和过滤器等标准部件的容量。种定值器、阀门和过滤器等标准部件的容量。流量计算流量计算流量计算公式第23页，共78页，编辑于2022年，星期三二、斜光束自动调焦1.工作原理第24页，共78页，编辑于2022年，星期三第25页，共78页，编辑于2022年，星期三

9、第26页，共78页，编辑于2022年，星期三2.光电转换与信号处理组成 显微物镜显微物镜 L2 振动狭缝振动狭缝 s 光电接受器光电接受器 D原理采用正弦驱动狭缝振动并对刻线标记的二次象进行扫描。采用正弦驱动狭缝振动并对刻线标记的二次象进行扫描。单管相位式光电显微系统单管相位式光电显微系统第27页，共78页，编辑于2022年，星期三 刻线象完全偏离狭缝 光电信号为恒值，与照明强度有关。光电信号为恒值，与照明强度有关。刻线象在狭缝范围内 光电信号为光电信号为“钟形脉冲钟形脉冲”。狭缝被刻线完全遮盖 理论上光电接收器输出为零。理论上光电接收器输出为零。光电信号光电信号 由于刻线对比度等原因，钟形脉

10、冲顶端不为零，而相邻的脉冲在相位由于刻线对比度等原因，钟形脉冲顶端不为零，而相邻的脉冲在相位上分割了狭缝振动的周期上分割了狭缝振动的周期T T。经过整形、放大后可以得到一个矩形脉冲系列经过整形、放大后可以得到一个矩形脉冲系列。第28页，共78页，编辑于2022年，星期三光电信号光电信号矩形脉冲矩形脉冲矩形脉冲矩形脉冲 占空比占空比占空比占空比 象面离焦量大小象面离焦量大小象面离焦量大小象面离焦量大小 第29页，共78页，编辑于2022年，星期三第30页，共78页，编辑于2022年，星期三第31页，共78页，编辑于2022年，星期三第32页，共78页，编辑于2022年，星期三第33页，共78页，

11、编辑于2022年，星期三第34页，共78页，编辑于2022年，星期三三、象散法自动调焦1.原理利用象散光束形状随离焦变化进行自动调焦利用象散光束形状随离焦变化进行自动调焦第35页，共78页，编辑于2022年，星期三2.调焦误差II反映了被测物面离焦的情况。反映了被测物面离焦的情况。！光束焦点偏离量光束焦点偏离量第36页，共78页，编辑于2022年，星期三3.控制系统 反馈系统执行元件反馈系统执行元件音圈电机音圈电机 精度精度11mm(软铁软铁1+1+永久磁铁永久磁铁)线圈线圈4 4 电流电流 电磁力电磁力 物镜移动物镜移动 反馈系统反馈系统第37页，共78页，编辑于2022年，星期三四、比相法

12、自动调焦1.原理检测光波相位来进行自动调焦检测光波相位来进行自动调焦第38页，共78页，编辑于2022年，星期三焦前：C1相位超前正焦：C1、C2同相位焦后：C2相位超前2.焦前、正焦和焦后第39页，共78页，编辑于2022年，星期三3.C1，C2光照度第40页，共78页，编辑于2022年，星期三4.E1(t)与E2(t)的相位差第41页，共78页，编辑于2022年，星期三5.离焦量与相位差的关系第42页，共78页，编辑于2022年，星期三五、图像处理法自动调焦原理对成像质量进行图像处理以实现自动调焦；对成像质量进行图像处理以实现自动调焦；优点结构简单，精度较高；结构简单，精度较高；缺点评价参

13、数确定较困难；评价参数确定较困难；核心问题确定合适的评价参数。确定合适的评价参数。第43页，共78页，编辑于2022年，星期三理想条件下评价参数满足条件理想条件下评价参数满足条件：无偏性无偏性物平面与对准平面重合时参数取极值，物平面与对准平面重合时参数取极值，=0=0。单峰性单峰性调焦范围内只有一个极点。调焦范围内只有一个极点。极极 性性反映离焦的正负方向，便于控制。反映离焦的正负方向，便于控制。重复性重复性判据函数应具备较陡波峰，即判据函数应具备较陡波峰，即要小。要小。可调性可调性单调区间要大以保证调焦范围，即单调区间要大以保证调焦范围，即要大。要大。耐用性耐用性对光强波动、图象噪声等不过分

14、敏感。对光强波动、图象噪声等不过分敏感。第44页，共78页，编辑于2022年，星期三图像处理法 1.阈值积分法阈值积分法 2.高频通带法高频通带法 3.3.微分法微分法第45页，共78页，编辑于2022年，星期三原理原理在离焦情况下，对成象模糊程度进行判断，获取离焦信号，经在离焦情况下，对成象模糊程度进行判断，获取离焦信号，经过电路处理得到不同图象灰度分布。过电路处理得到不同图象灰度分布。规律规律正焦时灰度值最大，离焦时灰度下降。正焦时灰度值最大，离焦时灰度下降。1.阈值积分法第46页，共78页，编辑于2022年，星期三 曲线曲线I I清晰度优于曲线清晰度优于曲线IIII，离焦退化造成灰度平均

15、化倾向减少了阈值离焦退化造成灰度平均化倾向减少了阈值之上的之上的灰度和。灰度和。图示为两幅聚焦质量不同图象的灰度分布图示为两幅聚焦质量不同图象的灰度分布第47页，共78页，编辑于2022年，星期三2.高频通带法原理原理基于频域检测方法，其图象轮廓锐度和细节复现性取决于图象基于频域检测方法，其图象轮廓锐度和细节复现性取决于图象的的 高频高频 成分。成分。途径途径采用高通滤波器，适当选择带宽，使对离焦敏感频率成分通过，实现清晰采用高通滤波器，适当选择带宽，使对离焦敏感频率成分通过，实现清晰度自动检测度自动检测。第48页，共78页，编辑于2022年，星期三3.微分法原理原理对图象获取信号进行微分。对

16、图象获取信号进行微分。具体参见恒川尚微分算法具体参见恒川尚微分算法第49页，共78页，编辑于2022年，星期三 抛物线区抛物线区 变换缓慢，达到半焦深时衰减变换缓慢，达到半焦深时衰减1515，为微分法极限灵敏度。为微分法极限灵敏度。线性区线性区 线性好，斜率最大，衰减约线性好，斜率最大，衰减约5050。双曲线区双曲线区 变化缓慢，展宽检测范围。变化缓慢，展宽检测范围。特性曲线第50页，共78页，编辑于2022年，星期三三种图象调焦方法比较 阈值积分法：阈值积分法：对被测对象性质敏感，适用较小图象。对被测对象性质敏感，适用较小图象。高频带通法：高频带通法：性质稳定，灵敏度较高。性质稳定，灵敏度较

17、高。微分法：微分法：在近焦区灵敏度高，远焦区有效检测范围较宽。在近焦区灵敏度高，远焦区有效检测范围较宽。第51页，共78页，编辑于2022年，星期三六、偏心光束法自动调焦原理原理借助被测物体反射光束，用光电系统检测离焦后光束发生偏离来实现借助被测物体反射光束，用光电系统检测离焦后光束发生偏离来实现自动调焦。自动调焦。第52页，共78页，编辑于2022年，星期三第53页，共78页，编辑于2022年，星期三第54页，共78页，编辑于2022年，星期三 根据接收面光斑变化所产生光电流变化来对离焦量进行检测，实现根据接收面光斑变化所产生光电流变化来对离焦量进行检测，实现自动调焦。自动调焦。系统原理框图

18、：系统原理框图：第55页，共78页，编辑于2022年，星期三调焦方法比较调焦方法比较第56页，共78页，编辑于2022年，星期三七、共焦探测法自动调焦原理采用共焦技术，使光刻硅片上被测物点与光电传感器接收面共轭，通过比采用共焦技术，使光刻硅片上被测物点与光电传感器接收面共轭，通过比较被照明物点反射到光电传感器接收面光强变化，来进行调焦。光强信号最大时，较被照明物点反射到光电传感器接收面光强变化，来进行调焦。光强信号最大时，达到共焦状态，完成调焦。达到共焦状态，完成调焦。第57页，共78页，编辑于2022年，星期三技术难点 高精度光电传感器CCD 超高速数据采集与处理技术光电传感器输出须经采集和

19、数字处理。为了实现调焦高精度，需要进一步研究高速数据采集与数字信号处理技术。高分辨率、高响应速度的调焦驱动执行元件为了提高工作效率，调焦系统也必须具备高分辨率、高响应速度的调焦驱动执行元件，并研究闭环伺服控制技术。调焦算法与软件研究由于调焦系统精度要求高，数据处理速度快、数据量大，因此必须研究高效率和高稳定性的算法及相应专用软件包。第58页，共78页，编辑于2022年，星期三八、其它自动调焦方法1.1.MTFMTF法法 光学系统离焦时，其传递函数曲线不同。正焦时光学系统离焦时，其传递函数曲线不同。正焦时MTFMTF含高频成分最含高频成分最多。多。第59页，共78页，编辑于2022年，星期三2.

20、平滑法 用硬件电路求相邻象素平均滑度，再对整个象面求和。用硬件电路求相邻象素平均滑度，再对整个象面求和。第60页，共78页，编辑于2022年，星期三3.刀口法 已经用于光盘自动调焦，当离焦时光斑旋转，用二象限光电池探测。已经用于光盘自动调焦，当离焦时光斑旋转，用二象限光电池探测。第61页，共78页，编辑于2022年，星期三4.相位法 利用两波长相同但是反向光源，检测信号输出，判断正负离焦情况。利用两波长相同但是反向光源，检测信号输出，判断正负离焦情况。第62页，共78页，编辑于2022年，星期三5.测速法 利用声频信号反射，测定往返时间、确定距离以自动调焦利用声频信号反射，测定往返时间、确定距

21、离以自动调焦第63页，共78页，编辑于2022年，星期三6.振动法 基于同轴光束法，离焦量变化转为光束角度变化。基于同轴光束法，离焦量变化转为光束角度变化。第64页，共78页，编辑于2022年，星期三7.临界角法 离焦量为零时恰好发生全反射离焦量为零时恰好发生全反射第65页，共78页，编辑于2022年，星期三 5.4 调焦技术应用调焦技术应用一、光盘检测中的自动调焦技术第66页，共78页，编辑于2022年，星期三评价函数第67页，共78页，编辑于2022年，星期三二、微装配中的自动调焦技术机器视觉系统第68页，共78页，编辑于2022年，星期三微装配自动调焦系统第69页，共78页，编辑于202

22、2年，星期三建立评价函数J(z)性能 函数特征精度范围灵敏度运算量误判率Jspectral函数频谱中中低极大低Jrange函数灰度范围中中中小中Jinfor函数信息熵低小低中高Jbrenner函数微分高大高小低Jvar函数图象对比度中大高中低第70页，共78页，编辑于2022年，星期三自动调焦程序流程第71页，共78页，编辑于2022年，星期三1光学成像系统影响 显微镜分辨率影响光学系统成象质量；照明对成象质量有影响：显微镜分辨率影响光学系统成象质量；照明对成象质量有影响：显微镜分辨率影响光学系统成象质量；照明对成象质量有影响：显微镜分辨率影响光学系统成象质量；照明对成象质量有影响：(1)(1

23、)照照照照明明明明均均均均匀匀匀匀性性性性：照照照照明明明明不不不不均均均均匀匀匀匀会会会会造造造造成成成成图图图图象象象象灰灰灰灰度度度度有有有有一一一一定定定定线线线线性性性性趋趋趋趋势势势势，在在在在一一一一定定定定程程程程度度度度上上上上使使使使调调调调焦函数极值偏离正焦位置。焦函数极值偏离正焦位置。焦函数极值偏离正焦位置。焦函数极值偏离正焦位置。(2)(2)照明倾斜度：同样会造成图象灰度含有线性趋势项。照明倾斜度：同样会造成图象灰度含有线性趋势项。照明倾斜度：同样会造成图象灰度含有线性趋势项。照明倾斜度：同样会造成图象灰度含有线性趋势项。2光电转换线性度影响 CCD CCD摄像机光电

24、转换存在非线性误差，包括光敏材料和转换电路造成误差。摄像机光电转换存在非线性误差，包括光敏材料和转换电路造成误差。摄像机光电转换存在非线性误差，包括光敏材料和转换电路造成误差。摄像机光电转换存在非线性误差，包括光敏材料和转换电路造成误差。3计算机图象处理造成的误差 由由由由于于于于计计计计算算算算机机机机系系系系统统统统既既既既要要要要完完完完成成成成图图图图象象象象采采采采集集集集、图图图图象象象象显显显显示示示示、图图图图象象象象数数数数据据据据处处处处理理理理又又又又要要要要完完完完成成成成电电电电机机机机控控控控制制制制，加加加加重重重重CPUCPU负负负负担担担担，必必必必然然然然使

25、使使使图图图图象象象象采采采采集集集集卡卡卡卡采采采采样样样样频频频频率率率率降降降降低低低低。虽虽虽虽然然然然可可可可通通通通过过过过减减减减小小小小电机转速来降低采样间隔，但这以增加调焦时间、降低调焦效率为代价。电机转速来降低采样间隔，但这以增加调焦时间、降低调焦效率为代价。电机转速来降低采样间隔，但这以增加调焦时间、降低调焦效率为代价。电机转速来降低采样间隔，但这以增加调焦时间、降低调焦效率为代价。4电机运动特性的影响 电机运动的不平稳性和非线性误差会造成调焦误差。电机运动的不平稳性和非线性误差会造成调焦误差。电机运动的不平稳性和非线性误差会造成调焦误差。电机运动的不平稳性和非线性误差会造成调焦误差。自动调焦精度影响因素第72页，共78页，编辑于2022年，星期三第73页，共78页，编辑于2022年，星期三三、自动调焦软件Aquest,Inc.Aquest,Inc.第74页，共78页，编辑于2022年，星期三第75页，共78页，编辑于2022年，星期三四、自动调焦应用Laser Auto Focusing System by BiOptro Co.,Ltd.第76页，共78页，编辑于2022年，星期三第77页，共78页，编辑于2022年，星期三本章小结 概述概述概念概念 分类分类 类型类型 方法方法方法方法 应用应用应用应用第78页，共78页，编辑于2022年，星期三