1、姓名：王雪姓名：王雪重庆科技学院电子信息学院精密机械与仪器课程第1页，共36页。l一：概述一：概述l二：图像处理调焦方法二：图像处理调焦方法l三：图像清晰度判据三：图像清晰度判据l四：其他调焦方法四：其他调焦方法第2页，共36页。自动调焦与调平技术在精密仪器中有着广泛的应用，初期主要是应用于显微镜、照相机、摄像机等。其调焦与调平的方法大多是目测、手动调焦。进入20世纪70年代后，由于精密仪器向高精度、自动化发展，因而自动调焦、调平技术不断发展，应用范围迅速过大，在自动化、快速化、高精度及高稳定性等方面取得了很大的进展，成为精密仪器中的一项重要技术（表9-1）。第3页，共36页。第4页，共36页
2、。第5页，共36页。自动调平与调焦技术其目的是为了快速地获取高清晰度的图像。如图9-1所示照相系统，物体A经物镜L成像，根据高斯公式应满足：第6页，共36页。当物距s发生变化时，根据公式（9-1），因为物镜的焦距 不变，故要获取清晰地像就需要改变像距。对于一般的照相机来说会通过沿光轴改变物镜L的位置来达到成像清晰地目的。但改变物镜L的位置，会引起放大倍率的变化。所以对于绝大多数精密仪器来说，像距是固定的，只能调整物面A沿光轴的位置，使其达到原设计要求的物距s。所谓调焦是指沿光轴方向改变物面（或镜头）的位置，使物象关系满足高斯公式，以获取清晰地图像。如果物象关系满足高斯公式，但物面A与光轴倾斜，
3、如果倾斜第7页，共36页。的范围超出物镜的焦深范围，那么会造成只有光轴局部范围成像清晰而其他部分不清晰，那么需要调整物面A，使其与光轴垂直，即调平。调焦是一个自由度的调整，而调平则是平面调整，即两个自由度调整（图9-2）。随精密仪器的精度不断提高，对其中的投影物镜及测量中的显微镜的分辨率也相应要求提高。物镜的分辨率 为：0.61NA第8页，共36页。第9页，共36页。概述：概述：从公式（9-2）可见，欲提高镜头的分辨率，在使用的光波波长确定后，只有增大数值孔径。但镜头的瑞利焦深 又取决于 可见，焦深与数值孔径的平方成反比，如图9-3所示，随数值孔径的增大，镜头的焦深迅速减小。目前从半导体设备中
4、使用的物镜来看，制造线条宽度为 的器件，所使用的光刻物镜，其焦深大多数在 。1 2 m23 m第10页，共36页。第11页，共36页。在高精度的精密仪器中自动调焦、调平技术尤为重要，这是保证仪器精度提高效率的重要技术措施之一。调平方式有两种：1 一次性调平，一般用于物镜焦深大 于 ；2 逐场调平，即对每个加工或测量点都进行调平，由于物镜焦深小于 。调焦、调平技术分自动和手动两种：1手动调焦是比较古老的方法，靠人眼目测、手动调节、效率低、精度差。4 m4 m第12页，共36页。2自动调焦、调平包括信号自动检测和自动调整两部分，其特点是效率高、精度高，但结构比较复杂、成本较高。自动调焦、调平目前方
5、法很多按其原理大致可分为两类：1对焦点及其偏离的直接检测；2对物面到透镜的距离检测。第13页，共36页。按离焦信息检测的方法，也大致可分为两类：直接调焦、调平和间接调焦、调平。1直接调焦、调平是由于光学系统在理想像面上像质边缘的对比度最大，通过直接检测像边缘的光强分布，来获取离焦信息，直接进行调焦、调平；2间接调焦、调平是把物镜的理想成像位置作为参考面，用各种传感器检测像面或物面位置对于参考面偏离信息，进行调焦、调平。第14页，共36页。2.图像自动调焦的方法图像自动调焦的方法图像处理法自动调焦是自动调焦方法中比较理想的方法。采用图像处理方法实现自动调焦的一个关键问题就在于图像清晰度判据函数的
6、选取。图像清晰判据函数的模型如图9-5所示。设f为图像清晰度判据函数（简称为调焦函数）的值，为工作台Z向位置的偏差，High为较高函数值。为它对应的峰度，Low为较低的函数值，为它对应的峰宽。图像清晰度检测方法的核心问题是确定合适的评价参数。一个理想的图像清晰度判据函数的特性，应满足一下几方面的要求：第15页，共36页。第16页，共36页。1单峰性：在调焦范围内只有1个极点；2准确性：图像处于最佳物面位置时，函数应取极大值，即 ；3重复性：判据函数应具备较陡的波峰，即 V要小；4范围大：判据函数的单调区间要大，以保证大的调焦范围，即要大；5适用性：判据函数最好不仅限于某一特殊类别的图像；6耐用
7、性：判据函数对光强波动图像噪声等不过分敏感；7易实现性：判据函数应具有较小的计算量。第17页，共36页。离焦判据图像处理法主要有：阀值积分法、高频带通法及微分法。阀值积分法是通过图像在离焦情况下，对成像的模糊程度进行判断采用CCD或电视摄像机扫描方法，获取离焦信号，经电路处理后，得到不同图像的灰度分布。其控制框图如图9-6所示。第18页，共36页。离焦判据：阀值积分的原理如图9-7所示，曲线，分别为二幅聚焦质量不同的图像的灰度分布。曲线的清晰度由于曲线，有图可见，离焦退化造成的灰度平均化倾向减少了阀值上的灰度，即 阀值积分法将该灰度和作为评价参数。其离散形式为第19页，共36页。高频带通法：高
8、频带通法式基于频域的检测方法，其图像轮廓的锐度和细节的复现性取决于图像的高频成分。离焦退化造成的图像模糊在频域上体现为高频成分的衰减，因此适当地选择高通滤波器的带宽，使其恰好通过时频信号中对离焦敏感的那部分频率成分，就能实现清晰度的自动检测。在模拟实验的场合，常用的是以对高频带域成分的绝对值求积分来代替严格意义上的平方运算。按定义，高频带域法的离散算法为：第20页，共36页。微分法：自学。以上三种方法比较其特点为：1 阀值积分法对被测对象性质比较敏感，对目标尺寸较小的图像适应性较好；2 高频带通的检测特性较稳定，当目标尺寸较大时，由于阀值积分灵敏度下降，高频带通法相对检测灵敏度较高；3 微分法
9、优于高频带通法，在近焦区的检测灵敏度较高，远焦区域有效检测范围较宽。第21页，共36页。图像清晰度判据函数的选择：如何选取适当的判据函数，是一件比较困难的事。为解决此问题，经过查阅大量文献和资料，对其中推荐的各种判据函数加以筛选，最后确定了表9-2中列出的3类（共11中），来进行实验求证。考虑到图像采集速度和函数计算量的问题，仅采用了各公式的一维形式。设各函数公式中，为一维图像上第i点的灰度值，n为该图像的总像素数，为这n个像素的灰度值的均值。igg第22页，共36页。判据函数：第23页，共36页。图像的预处理：1、阀值修正在计算染色体显微图像的判据函数值时，D.C.MASON和D.K.GRE
10、EN提出了灰度值修正法：只有灰度值大于一定阀值的点才参与判据函数值的计算，即一般阀值可按图像灰度均值 来选取；注意到当图像正焦时，由于其高频分量增加导致轮廓曲线各点的梯度变化加大，因此，D.C.MASON和D.K.GREEN提出了梯度加权灰度均值公式（二维）：第24页，共36页。图像预处理：第25页，共36页。2 用最小二乘线性拟合趋势项由于照明不可避免地存在一定的不均匀性以及显微镜照明光轴与工作台表面不垂直等因素的影响，所得一维灰度图有一定的线性走向；对硅片上对比度较差的线条测量时比较明显。图9-12中曲线1为系统离焦是采得的灰度图，曲线2为正焦时采得的灰度图（样品为抛光硅片），从图中可见确
11、有一定的线性趋势，且离焦与正焦时线性趋势项的斜率并不相同，这种随焦面位置变化的线性趋势项在一定程度上使调焦函数极值点偏离正焦点。第26页，共36页。拟合第27页，共36页。图像处理由于随焦面位置变化的线性趋势项将在一定程度上使调焦函数极值点偏离正焦点而产生误差，因此在计算调焦函数值前（尤其是那些受线性趋势项影响较大的函数），应采用最小二乘线性拟合消去这种干扰。第28页，共36页。反射法：图8-20为端面反射式瞄准显微镜的光学系统。光源l经过聚光镜2将十字分划板3照明，A是十字分划板的中心点，物镜5使A点经反射镜4成像于瞄准物镜7的物平面上A点,A点再经物镜7、棱镜8成像在目镜10的分划板9上。
12、分划板9上有一双刻线，A点的像A位于双刻线之间，6为被测工件。第29页，共36页。同态滤波：图像噪声同态滤波图像信号在获取、传输和变换的过程中常受到包括附加性噪声、信号有关噪声和脉冲噪声在内的各类噪声的影响而发生退化，要同时滤除这三类噪声是极为困难的。此外，由于人们对图像质量的视觉感受在很大程度上受图像边缘信息的影响，因此滤除噪声的同时应尽可能好地保持图像的边缘信息。当图像受到上述三种噪声影响时，其模型可用下式表示：第30页，共36页。同态滤波：式中：g未受干扰的原图像灰度值；n0 一个具有零均值且方差为1的任意分布的随机白噪声过程；s(g)信号的某种函数；k1,k2 标量常数；Cmax,Cm
13、in像素灰度值的动态范围的最大最小值。R，C取某值的概率。第31页，共36页。其他的滤波方式：中值滤波、高通滤波由于同态滤波后的信号噪声的低频分量较多，需选用一高通滤波器来虑除，考虑到线性滑动平均滤波器有低频滤波的作用而且计算方便，因此可用原始信号减去滑动平均滤波后的信号的方法来得到一个简单的能保持边缘的高通滤波器。若采用三点滑动平均涉世波，则所需要高通滤波器的计算公式为：第32页，共36页。滤波总结：综上所述，图像噪声滤波的框图如图9-13所示，即对原始信号c先做中值滤波以抑制脉冲干扰和部分加性噪声得信号，再对 做同态变换，将与信号有关噪声近似解耦为加性噪声，得信号y，再对y做高通滤波以抑制
14、变换后的加性噪声得Y，最后对Y做同态逆变换，将信号恢复为C，此后可以用C来计算调焦判据的数值。第33页，共36页。气动调焦及其他调焦方法：气动调焦是利用检测气压的变化来获取离焦量的一种间接自动调焦方法。第34页，共36页。气动调焦及其他调焦方法：气动调焦是利用检测气压的变化来获取离焦量的一种间接自动调焦方法。实现自动调焦的主要元件是气动中继器和膜盒，实现自动显示的主要元件是气电中继器。自动调焦过程为：当测量间隙为h时（此值恰好是物镜焦面），则测量气压 与调整气压 相等（Pm=Po），干板保持相对静止。当工作台移动时，由于干版表面不平，使测量间隙h发生变化（），当 时测量间隙增大而使由喷嘴喷出的测量气压 Pm 下降 ，此测量信号被h P第35页，共36页。气动调焦及其他调焦方法：反馈到气动中继器的膜盒1中，使弹性膜盒中的气压下降而变形。由于弹簧3的压力使膜盒片下移，随之T形导杆下移，故使T形导杆4与阀体间的间隙 减小，而由稳压器出来的气体，在气动中继器中的T形导杆与阀体之间又构成一个喷嘴一挡板机构，由于间隙 的减小打破原来的平衡，使输出的气压P0 增加变成 ，而输送到膜盒的气室中，使气室内的压力增大，推动膜盒变形而上移，以补偿间隙变化，使测量间隙达到原预值h，形成新的平衡，使焦点的位置保持不变。达到自动跟踪焦距.0PPz第36页，共36页。
