基于机器视觉的光学快速自动聚焦系统

摘要：为满足基于机器视觉的工业检测系统中对自动对焦快速性的要求，提出了一种基于激光技术的新型嵌入式高速对焦系统。该方法利用在同一光路中激光与可见光互不影响的特性和DSP高速图像处理的能力，通过检测特殊设计光学回路反射回来的激光光斑信息，主动控制运动执行机构实现工业检测系统显微镜的快速和稳定对焦。该对焦方法改善了TFT-LCD光学检测系统中基于被动的图像处理和基于主动测距等传统对焦方式精度低和速度慢等缺陷。测试结果表明，该新型对焦系统极大的缩短了对焦的时间，并且提高了对焦系统的控制精度，满足了工业光学检测系统中实际应用的要求。

关键词：自动对焦；光学检测；TFT-LCD；压电陶瓷；伺服电机

0 引言

随着信息化的不断发展，机器视觉技术在多个领域取得广泛应用。为了快捷地获取清晰的图像视觉信息，自动对焦技术凸显出至关重要的作用，例如工业光学检测系统中和医学成像系统中的自动对焦。国内现有的显微镜自动对焦方式主要是基于被动的图像处理方法来实现，这种方法通过相机连续的拍摄图像，通过分析图像前后的清晰度判别焦平面的位置，从而控制电机调节位移实现对焦。但是该调焦方式需要分析多幅图片信息才能完成对焦，对焦过程中需要处理大量的图像数据，对焦时间较长，无法满足工业检测现场实时性和快速性要求。

系统在显微镜主光路中加入一路离焦量检测的激光光束，通过设计的特殊光学回路将激光光束反射到CCD检测屏上，并结合TI公司生产的DSPTMS320DM642高速的数据图像处理能力，设计了一种新型的显微镜自动对焦系统。该系统实现了在0.5s内完成显微镜的快速自动对焦，其速度与普通的被动对焦算法相比高出一个数量级，极大的满足了工业检测系统中的实时性要求，提高了现有显微镜自动调焦水平。   1 系统对焦原理

图1.调焦光学原理 对焦系统运用光学三角测距原理，在显微镜的镜筒侧面增加了一个包含有激光发射和激光接受装置的光学回路。从激光发射器发射出来的800nm光束经过光栏片挡去了一半，剩下的光束在聚焦镜的作用变为平行光，通过主光轴后投射到被检测的物体表面。通过物镜的聚焦作用，如果系统对焦完成，激光刚好在被测物体表面聚焦(如图1实线)。聚焦后的光束，在被测物体的表面发生了反射，反射光线经过聚焦镜的聚焦作用投射到CCD检测屏上，如果被检测物体表面刚好处于聚焦点处，投影在CCD检测屏上的就是一个光点；如果被检测物体处于聚焦点的上方，在检测屏就会检测到一个右半圆的光斑(如图1虚线)，反之出现一个左半圆的光斑。  

2 系统设计

2.1 系统硬件设计

图3.系统结构 系统采用DSP+FPGA的结构，具有功能集成、结构简单、编程灵活的特点。系统的总体结构如图3，DSP是图像处理的核心，FPGA是系统时序控制的核心，FPGA在线可编程的特点可大大简化设计的复杂度，压电陶瓷和伺服电机是调焦运动执行机构。

4 结论

本文提出的一种新型的显微镜对焦系统，集成了光学原理、数字图像处理系统和运动控制系统。该系统实现显微镜自动快速对焦，对焦时间是普通对焦系统的十分之一，满足工业检测系统中的实时性要求，系统具有以下特点：   1)基于特殊设计的激光回路，建立光斑半圆信息与离焦数学关系，通过能量分析法或质心分析法在CCD相机传输回第一张照片后准确的分析出当前显微镜视野光路所处焦平面的关系，主动驱动电机向光路焦平面处移动，整个对焦过程只需要前后分析2到3幅图像就实现显微镜的自动调焦工作。2)采用1394高速数据传送接口，满足系统高速数据传输的要求，减少系统等待时间，提高了DSP工作效率。3)采用DSP作为主控制器，FPGA完成数据采集时序配置，在实现复杂的系统功能的同时又使板级调试与系统功能升级变得方便。4)采用精密压电陶瓷和伺服电机构成的双驱动宏/微结构，保证了调焦运动过程中的精密性和快速性，提高了系统控制的灵活性。 编辑：黄飞