多倍数学光自动聚焦系统的研究与实现

摘要

TFT-LCD作为液晶平板显示器的一种,以其在亮度、对比度、功耗、寿命、体积等方面的优势迅速成为新世纪的主流产品,并将是全球经济增长的一个亮点。为了快速的获取TFT-LCD清晰的检测图像,光学自动聚焦成为TFT-LCD生产制造过程中基于机器视觉缺陷检测的一项关键技术。TFT-LCD玻璃面板的尺寸随新一代生产线而增加,玻璃板尺寸的增大对检测过程中自动聚焦的效率和可靠性方面提出越来越高的要求,而传统的自动对焦技术解决方难以满足。本文针对大面积TFT-LCD玻璃面检测过程中气浮平台对被检测TFT-LCD玻璃板产生的振动影响,以及使用景深(DOF)从0.5um到91um的变化的多种放大倍数的物镜对自动聚焦精度要求高、范围大的特殊要求,提出一种用于TFT-LCD玻璃面检测的多倍数实时自动聚焦系统。
　　 本文研究的主要工作有:
　　 (1)针对传统像散法、针孔法等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,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,并通过辅助的激光光路结构设计建立了离焦量与检测量间的线性化探测关系,并建立了准确的数据模型。
　　 (2)针对对焦光斑图像数据的处理进行研究,重点讨论和研究了质心法、能量法、高斯曲线拟以及卡尔曼滤波三种应用算法,重点分析了高斯曲线拟合对于消除光斑鬼影、解决金属电路反射以及应对光线过强时出现区域内能量饱和情况的性能特点。
　　 (3)针对TFT-LCD检测过程不同倍数物镜景深(0.5um-91um)和被检测物体振动给快速对焦造成的影响等问题,将宏微双驱结构运用到光学自动对焦中,并对由行程100um的压电陶瓷和行程25mm直流电机构成的宏微双驱动结构的运动控制进行研究。依据压电陶瓷的迟滞特性,对压电陶瓷PZT建立了极坐标模型,通过极坐标逆模型构建前馈PID控制,测试结果表明压电陶瓷能够实现精确动态跟随对焦。
　　 (4)针对TFT-LCD检测中的要求,对焦系统实验测试。实验结果表明构建的宏微结构多倍数对焦方式,可以在0.4s内实现了高倍物镜±0.5um景深至低倍物镜±91um景深大范围多倍数的快速自动对焦,并实现被检测物体±3um振动范围的实时动态跟随对焦。通过与当前国际先进TFT-LCD工业检测自动对焦技术产品性能比较,显示本对焦系统技术指标已经达到国际先进水平。
　　 研究的多倍数光学自动对焦方法,较好地满足了新一代TFT-LCD工业检测实际应用对多倍数和大景深大范围的快速自动对焦的要求,提高了工业TFT-LCD检测效率,与传统的显微镜调焦方法相比具有装配物镜多、精度高、聚焦速度快和功能完善等优点。同时,基于激光三角法原理改进的聚焦方案实现的离焦量和离焦方向探测,具有一定的理论意义和较高实用价值,可以推广应用在激光直写,共焦扫描,微器件距离快速测量等领域。