差动临界角法高精度动态检焦技术研究

基于临界角检焦技术具有光能量损耗小、组装相对简单、调试相对容易、系统分辨率高等特点,当引入差动信号处理技术,可放大提取的检焦信号,提升检测灵敏度和提高检焦曲线的光滑度,同时可实现更大的焦面检测范围,减少由于基底本身存在不平整影响到的检焦误差。本论文首先从差动临界角法检焦技术的基本原理出发,通过Fresnel公式和牛顿公式得到离焦量与离焦信号的关系。其次搭建差动临界角法检焦验证系统,利用四象限光电探测器采集单个临界角棱镜的离焦信号,并对两个垂直放置的四象限光电探测器接收到的离焦信号进行差动计算,以获得差动K值大小与离焦量z之间的关系。实验结果表明:采用波长532 nm的激光,数值孔径0.3的投影物镜时,检焦线性范围可达22μm;采用数值孔径0.45的投影物镜时,检焦线性范围可达14μm,差动临界角检焦法分辨率可达25 nm。

基于星点亚像元误差补偿的大视场红外相机在轨检焦方法

针对大视场红外相机在轨调焦时受大气条件、地物丰富度、月相角等因素影响导致对地调焦和对月调焦周期长、效率低的问题,文章提出一种基于星点亚像元误差补偿的红外相机在轨检焦方法,通过对未经大气退化的星点图像进行精准质心定位提取清晰度评价指标,有效规避外界因素的影响,提升在轨检焦效率,保障在轨检焦精度。首先对星点图像分别采用自适应阈值质心法和高斯拟合法提取质心估计值;依据图像信噪比、星点目标能量集中度确定最佳因子,构建误差补偿模型进行精确质心定位;再提取图像点扩散函数的波形半高宽(Full Width at Half Maximum,FWHM)作为在轨检焦清晰度评价指标;设置不同谱段、不同能量集中度的星点红外图像作为在轨检焦图像,分别采用质心法、高斯拟合法及星点亚像元误差补偿方法进行目标质心提取并估计FWHM,实验结果表明:三种方法的质心提取平均误差分别为0.1195、0.0107、0.0027,均方根误差分别为0.1210、0.0124、0.0085,星点亚像元误差补偿方法质心提取误差最小,稳定性最好。能量集中度为0.4~0.8之间时,采用星点亚像元误差补偿方法质心提取平均误差均小于0.01,优于其他方法。在此基础上,采用该方法提取的FWHM平均精度提升了三倍以上,且不受星点质心位置随机性的影响,对于实现基于恒星的在轨检焦具有较高的可靠性和稳定性,满足在轨检焦要求。

一种用于大型光学仪器的自动检焦装置

介绍了一种小型化的自动检焦装置 ,该装置用 2块小口径五棱镜对径放置在镜筒前 ,用半导体激光器做光源 ,用CCD作为光电转换器件 ,通过测量两光斑在CCD上的移动量 ,从而计算出离焦量 .采用相关法处理数据 ,实现了亚像素测量精度 .实验结果表明检焦分辨率力≤ 10 μm .

空间相机相关法实时检焦技术研究

自动检调焦技术是保证空间相机拍摄出高质量图像的重要技术手段 ,本文介绍了一种自准直法实时检焦系统。该系统用两块小口径五棱镜代替其他空间相机常用的大平面反射镜 ,用半导体激光器做光源 ,用CCD作为光电转换器件 ,通过测量两光斑在CCD上的移动量 ,从而计算出离焦量。本文采用相关法处理数据 ,并通过合理选取阈值和数据拟和技术 ,实现了亚像素测量精度。该系统具有结构紧凑 ,稳定性好等特点 ,实验结果表明检焦分辨率≤ 10 μm。

航空低温温度对自准直检焦系统的影响

为了研究航空低温温度对自准直检焦系统的影响,从而指导实际检焦系统的设计及修正,本文根据自准直检焦及几何光学原理,分析了单点成像、条纹成像及有无像散条件下,成像位置、成像宽度与接收的光强度差之间的相互关系,并给出了相关理论公式。结合实际的相机工况,对光学系统进行了相应的仿真,仿真结果显示,仿真双波峰电压值为1.4 V和0.47 V,与实际的检焦双波峰电压值1.38 V和0.56 V基本一致。根据结果进行了温控和柔性支撑,从而使检焦正常,提高了自准直检焦系统的温度适应性。本研究对系统的温度适应性具有指导作用。

图像矩心内插法在空间相机实时检焦中的应用

自动检调焦技术是保证空间相机拍摄出高质量图象的重要技术手段 ,本文提出了一种自准直法精密检焦系统 ,该方法利用五棱镜代替大平面反射镜 ,用 CCD作为光电转换器件 ,用半导体激光器做光源 ,结构紧凑 ,稳定可靠。采用矩心法求取光斑在 CCD上的移动量 ,从而计算出离焦量 ,在测量中通过合理选取阈值和数据平滑技术 ,提高了检测精度 ,实验结果表明该方法能够达

大口径平行光管实时检焦系统

大口径平行光管作为实验室测试和标定必不可少的设备,已经普遍应用于各种光学设备的标定与检测中。但是光管因为震动、温度的梯度变化和空气扰动等影响因素出现离焦现象时,会导致平行光管出射光发散角增大,测量结果可信度降低。针对以上问题,本文提出了一种利用五棱镜作为光反馈元件的小型焦面监测装置,采用CCD作为图像采集装置,利用软件实现系统离焦量的计算,可对大口径平行光管的焦面进行长时间高精度的监测。经过计算机仿真与试验表明:本系统检焦分辨力可以达到45μm以内。

基于线阵CCD的空间相机实时检焦系统研究

实时精密检调焦技术是空间相机必不可少的重要组成部分,它直接影响相机的成像质量。如何对焦面位置进行检测是精密检调焦技术的核心。基于线阵CCD的空间相机实时检焦系统是用线阵CCD作为光采样元件,结合特殊设计的精密自准直检焦光学系统,实现对空间相机焦面位置的精确检测,并通过实验验证,达到较为理想的结果。

一种用于长焦距、大孔径空间相机的实时检焦系统

为了对空间相机实时进行检调焦 ,提出了一种自准直法精密检焦系统 ,该方法利用五棱镜代替大平面反射镜 ,用CCD为光电转换器件 ,用半导体激光器做光源 ,结构紧凑 ,稳定可靠。通过相关数据处理和拟合技术 ,提高了检焦系统的分辨率。实验结果表明该方法能够达 5 μm以内的检测精度 ,并具有调整方便以及较好的实时性等优点。

空间相机自准法检焦原理及数据处理方法研究

为了对空间相机实时进行检调焦 ,本文介绍了一种自准法检焦系统的原理 ,并对测量数据的处理方法进行了分析。仿真实验结果表明信号的相关处理法和质心探测法在较低的信噪比下具有很高的测量精度和重复性。

边缘视场检焦在航空遥感器中的应用

针对大面阵航空遥感器检焦存在的问题,提出了一种通过边缘视场检焦确定中心视场焦面位置的方法。通过倾斜安装与精密装调相结合的方法来提高检焦精度,检焦系统的倾斜安装能够解决边缘视场视场角对检焦的影响,利用显微镜装调、照相装调和电控校准来实现检焦像面的粗、精和精细标定,解决边缘视场与中心视场像面存在差异的问题。检焦系统的伺服控制采用粗精结合、遍历搜索的方法搜索出焦面的最佳位置,搜索最短步长为0.01 mm。经分析计算,检焦重复精度为0.03 mm,在焦深范围内,满足使用要求。经试验验证和试飞验证,证明该自动检焦方法检出的焦面准确,得到的照片效果良好,该方法切实可行。

离焦模糊虹膜图像的功率谱检焦方法

通过研究离焦模糊虹膜图像功率谱与离焦量间的关系,建立了每幅虹膜图像的检焦评价函数值PS与图像模糊半径的关系曲线.实验结果表明:功率谱评价函数能够检测系统是否合焦,并通过最清晰图像找到系统调焦镜的位置;对评价函数曲线进行Gauss拟合的曲线相关系数为0.994 7(接近1),验证了功率谱检焦评价函数检焦的准确率.

航空遥感相机Ronchi光栅自准直检焦模型分析与验证

为解决航空遥感相机检焦系统故障分析、元器件选型及提高检焦精度的问题,本文深入研究了基于Ronchi光栅的光电自准直检焦法。首先,归纳总结了国内外航空相机常用的几种检焦方法,对比了每种检焦方法的优缺点。接着,重点介绍了基于Ronchi光栅的光电自准直检焦系统的构成和工作原理,建立了数学模型,模拟了检焦系统在不同像面位置处的输出波形。然后,为衡量离焦程度,提出了离焦评价因子的概念,接着分析了光学系统的衍射效应和像差大小、Ronchi光栅的周期选择及检焦光源的能量分布这三种因素对检焦精度的影响,给出了Ronchi光栅周期的选择方法。最后,通过实验的方法对本文的仿真结果加以验证。实验结果表明:合焦波形的峰峰值占比0.82,对应0.05 mm步长下的平均检焦分辨力约为10%。

基于线阵CCD的高速光刻检焦技术

随着光学投影光刻分辨力的提高,投影物镜的焦深在逐渐缩短。为充分利用物镜有限的焦深,一般采用调焦技术来调整硅片位置。作为调焦的关键,检焦技术的研究尤为热门。现有的检焦方法多采用四象限探测器或者面阵CCD采集携带有硅片离焦量信息的光强信号,并在计算机上进行图像处理完成检焦。该方法处理速度慢,难以满足实时调焦的要求。鉴于此,提出了一种用线阵CCD采集图像,以FPGA为处理器的检焦方法。该方法利用线阵CCD的高速性和FPGA的并行性,结合多项式插值的亚像素边缘检测算法,能够高速实时检测硅片离焦量;同时,FPGA通过驱动电机控制工件台运动对离焦量进行补偿,形成一个实时闭环的调焦系统,减少了原有的计算机环节,具有高速度、高分辨率、低功耗、低成本的特点。

基于功率谱的星载相机在轨自检焦系统

星载相机搭载火箭升空后，由于各种环境因素的影响，会产生超出焦深范围的离焦，因而，对高分辨、大口径、长焦距星载相机实时进行精密检焦是十分重要的。笔者首先针对以往星载相机被动检焦的缺点，利用功率谱不变性，提出基于图像处理的星载相机自检焦设计，其次，在 DSP 硬件平台上实现了自动检焦过程。通过整个系统的测试和运行，系统稳定，系统能够对图像功率谱进行计算，并根据计算结果实时进行自检焦操作，当图像对焦正确时，对应功率谱曲线的峰值点（EFV=17.1）。自检焦系统达到了预期理想的系统设计要求。

纳米检焦中双相锁相放大器的Simulink建模与仿真

针对纳米量级实时检焦技术中光电探测器输出的微弱电信号,提出利用双相锁相放大原理对该信号进行在线检测、放大、滤波及解调,经过一系列处理后得到硅片的实时离焦量,以确定其是否在有效焦深范围内,保证曝光质量。主要利用Matlab的Simulink工具包对这一方案的可行性进行了仿真验证。从仿真结果可以看出,基于双相锁相放大器的双相锁相放大技术能够很好地提取出硅片离焦量信号,且无需依赖移相器。该方法相对传统方法而言,能够更精确地获取硅片离焦量,有利于大幅度提高检焦精度,同时也为今后的实用化奠定了理论基础。

扫描白光干涉技术在硅片检焦过程中的应用

晶圆检测设备常采用机器视觉方法采集晶圆图像,但基于光谱共焦位移传感器的调焦系统测量精度低、鲁棒性差,基于三角测量原理的调焦系统虽精度足够高,但硅片表面图案与沟槽会影响探测光路从而导致系统无法工作。针对这些问题,提出一种基于扫描白光干涉技术的调焦系统,以实现对于不同工艺属性硅片焦面位置的快速精准测量。此检焦系统首先进行相机最佳焦面位置与PZT零光程差位置之间垂向距离的标定,使得在检焦测量时可将零光程差位置作为检出对象,极大地提高了检出速度,并且在零光程差位置定位时,根据干涉波形的形状自适应选择定位算法,提高了检焦系统的工艺适应性。实验结果表明,对于单峰波形和双峰且双峰半分离波形,重心法处理得到的焦面位置的平均绝对误差分别为20 nm和56.1 nm,而包络法则有38 nm和56.2 nm,并且重心法处理耗时在1 ms之内,包络法则需25 ms左右,故选用重心法作为零光程差定位算法。对于双峰且双峰完全融合波形和双峰且双峰完全分离波形,重心法处理得到的焦面位置的平均绝对误差分别为20.3 nm和17.8 nm,而包络法则有13.2 nm和15.8 nm,故选用包络法作为零光程差定位算法。模板匹配法对于4种波形的处理精度最高,在模板形状确定的情况下使用。文中所提系统的焦面测量结果最大平均绝对误差仅为57 nm,最小可达到8 nm,有较强的实际应用意义。

异相差分滤波效应的航空相机图像检焦方法

针对航空相机焦面检测的问题,提出了一种基于异相差分滤波器的航空相机焦面检测方法。首先对空间滤波效应自动检焦原理进行介绍;其次使用异相差分检波算法设计异相差分滤波器消除空间滤波信号中的基频成分,增大信号信噪比与振幅,提高检焦精度,并对异相差分滤波器输出信号的频谱进行分析;最后设计成像实验,在5~53.2 mm/s之间根据典型速高比设置导轨移速,进行25次像面检测并选用传统图像检焦算子与差分滤波法的检焦效果进行比较。结果表明:差分滤波检焦法的场景适应性强、灵敏度高,且检焦系统最大误差为45.18μm,小于光学系统的允许误差76.8μm,满足工程需求。

基于多方向扩展Sobel加权算法的合作目标检焦方法研究

在高空及邻近空间环境中,温度、压力等环境的急剧变化会导致航空光学载荷的光学系统出现离焦现象。为此,对图像背景亮度均衡算法和基于边缘检测图像清晰度评价自动检焦方法进行了研究,针对静态合作目标的检焦图像背景亮度不均衡的问题,提出了动态分块均衡背景亮度算法,设计了一种基于多方向扩展Sobel加权算法的合作目标检焦方法,所提的背景亮度均衡算法能够在保留细节的同时均衡图像背景亮度,设计的检焦方法能够有效检出图像更多边缘细节。为了验证该方法的检焦性能,使用可见光探测器对合作目标成像,模拟光学载荷的检焦过程获取过程图像,实验证明的了该方法消除了背景亮度变化对检焦结果的影响,较传统图像检焦算法具备更高的灵敏度,检焦精度提升了5%。

基于SOPC的检焦图像实时处理系统设计

针对投影式光刻机检焦系统对图像处理强实时性的需求,以FPGA芯片为载体,设计了一种基于SOPC的检焦图像实时处理系统。首先,使用Microblaze嵌入式软核执行图像处理算法,无需更改硬件架构即可进行系统方案验证和算法调试;然后,采用软硬件协同的方案,将算法移植到FPGA硬件中,实现了检焦流程的加速。FPGA片内通过AXI总线进行软硬件间数据交互,片外通过光纤接口与工件台互连,完成检焦结果的高速上传。实验结果表明,系统运行稳定,完成整个检焦流程需要104μs,软硬件协同实现速度约为软核实现的1 700倍。