針對白光掃描干涉系統(tǒng)由于物鏡景深小、干涉區(qū)間短而導(dǎo)致的調(diào)焦不準(zhǔn)確、查找條紋困難、耗時長等問題,提出一種適用于白光干涉儀的自動對焦方法,該方法包括一種結(jié)合窮舉法與爬山法的復(fù)合式對焦搜索算法,以及一種基于四叉樹分解的粗精分步對焦評價函數(shù)。所提的搜索算法不需預(yù)先設(shè)定搜索范圍,步長迭代可變,在能夠快速搜索的同時具有較高的搜索精度和穩(wěn)定性。所提的評價函數(shù)靈敏度較高,單峰性較好。實驗結(jié)果表明,所提的自動對焦方法具有較高的對焦精度和速度,且能夠在快速準(zhǔn)確找到干涉條紋位置的同時,有效地避免由條紋以及環(huán)境噪聲引起的對焦曲線多峰值問題。 

【文章來源】：半導(dǎo)體光電. 2019,40(05)北大核心

【文章頁數(shù)】：6 頁

【部分圖文】：

圖１圖像的四叉樹分解四叉樹圖像塊分解的流程如下［１２］：

。根據(jù)粗對焦和精對焦對評價函數(shù)的不同性能需求，提出了基于四叉樹分解的粗精分步對焦評價函數(shù)：在粗對焦階段，需要快速檢索圖像灰度顯著變化區(qū)域，而該階段圖像灰度信息變化較少，為了減少計算量，僅通過統(tǒng)計圖像塊的數(shù)量計算評價函數(shù)值；在精對焦階段，需要較高的搜索精度，該階段的圖像灰度信息變化較顯著，在統(tǒng)計圖像塊數(shù)量后，同時計算各個圖像塊的梯度信息，并將兩者加權(quán)求和作為評價函數(shù)值，以提高對焦曲線靈敏度。兩種評價函數(shù)對圖像的評價流程如圖２所示。圖２粗對焦評價函數(shù)與精對焦評價函數(shù)評價流程對比２基于爬山法與窮舉法的復(fù)合式對焦搜索算法由于白光掃描干涉系統(tǒng)所使用的物鏡景深較小，只有在被測物焦面位置前后很小的范圍內(nèi)才能獲取到相對清晰的圖像（如圖３中的Ｆ、Ｄ、Ｅ），其他區(qū)域內(nèi)圖像都深度離焦且前后幀圖像灰度差異極�。ㄈ鐖D３中的Ａ、Ｈ），難以依據(jù)圖像灰度變化信息進行對焦判斷。為了減少對焦耗時、提高對焦準(zhǔn)確度以及魯棒性，結(jié)合爬山法與窮舉法的特點提出了一種新的對焦搜索方法。所提算法在搜索過程中，既考慮了窮舉法記錄評價函數(shù)值最大值位置的特點，也結(jié)合了爬山法對前后幀評價函數(shù)值進行比較的方式。圖３對焦搜索曲線圖提出的復(fù)合式對焦搜索算法將對焦過程分為粗精兩個階段。在對焦開始前，先將被測物移動到靠近鏡頭的近焦端位置。首輪對焦搜索為粗對焦搜索，目的是為了尋找圖像灰度顯著變化區(qū)域。粗對焦時以一個較大的固定步長向遠離鏡頭的方向移動窮舉（圖３中的①），用粗對焦評價函數(shù)式（１）

塊的數(shù)量計算評價函數(shù)值；在精對焦階段，需要較高的搜索精度，該階段的圖像灰度信息變化較顯著，在統(tǒng)計圖像塊數(shù)量后，同時計算各個圖像塊的梯度信息，并將兩者加權(quán)求和作為評價函數(shù)值，以提高對焦曲線靈敏度。兩種評價函數(shù)對圖像的評價流程如圖２所示。圖２粗對焦評價函數(shù)與精對焦評價函數(shù)評價流程對比２基于爬山法與窮舉法的復(fù)合式對焦搜索算法由于白光掃描干涉系統(tǒng)所使用的物鏡景深較小，只有在被測物焦面位置前后很小的范圍內(nèi)才能獲取到相對清晰的圖像（如圖３中的Ｆ、Ｄ、Ｅ），其他區(qū)域內(nèi)圖像都深度離焦且前后幀圖像灰度差異極�。ㄈ鐖D３中的Ａ、Ｈ），難以依據(jù)圖像灰度變化信息進行對焦判斷。為了減少對焦耗時、提高對焦準(zhǔn)確度以及魯棒性，結(jié)合爬山法與窮舉法的特點提出了一種新的對焦搜索方法。所提算法在搜索過程中，既考慮了窮舉法記錄評價函數(shù)值最大值位置的特點，也結(jié)合了爬山法對前后幀評價函數(shù)值進行比較的方式。圖３對焦搜索曲線圖提出的復(fù)合式對焦搜索算法將對焦過程分為粗精兩個階段。在對焦開始前，先將被測物移動到靠近鏡頭的近焦端位置。首輪對焦搜索為粗對焦搜索，目的是為了尋找圖像灰度顯著變化區(qū)域。粗對焦時以一個較大的固定步長向遠離鏡頭的方向移動窮舉（圖３中的①），用粗對焦評價函數(shù)式（１）計算每一幀圖像的評價值，保存搜索過程中評價函數(shù)值最大值Ｆｍａｘ及其所在位置，同時比較前后幀的評價函數(shù)值大小，當(dāng)連續(xù)三次出現(xiàn)當(dāng)前幀圖像評價函數(shù)值Ｆｉ小于前一幀圖像的評價函數(shù)值Ｆｉ－１，并且｜Ｆｍ

【參考文獻】：
期刊論文
[1]顯微鏡自動對焦方法研究綜述[J]. 田畔,谷朝臣,胡潔,吳開杰,彭穎紅.  光學(xué)技術(shù). 2014(01)
[2]采用變速白光掃描干涉術(shù)測量大尺度臺階結(jié)構(gòu)[J]. 郭彤,章英,李峰,陳津平,傅星,胡小唐.  光電子.激光. 2012(08)
[3]基于閾值判定法的白光干涉儀自動掃描技術(shù)研究[J]. 吳志順,崔長彩,葉瑞芳,黃輝,李兵,黃春棋.  中國機械工程. 2012(12)
[4]白光干涉表面結(jié)構(gòu)測量儀的優(yōu)化設(shè)計與應(yīng)用[J]. 王生懷,王淑珍,陳育榮,謝鐵邦.  儀表技術(shù)與傳感器. 2010(02)

博士論文
[1]白光掃描干涉測量方法與系統(tǒng)的研究[D]. 馬龍.天津大學(xué) 2011

碩士論文
[1]白光垂直掃描干涉術(shù)快速掃描系統(tǒng)與方法研究[D]. 焦智超.中國民航大學(xué) 2016
[2]高質(zhì)量圖像獲取與處理技術(shù)研究[D]. 張栩銚.中國科學(xué)院研究生院(光電技術(shù)研究所) 2016



本文編號：3029012