一种新型光学快速自动聚焦系统

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。

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