TFT-LCD面板光学检测自动对焦系统设计

第４０卷第９期Ｖ０１．４０Ｎｏ．９红外与激光工程ＩｎｆｒａｒｅｄａｎｄＬａｓｅｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ２０１１年９月Ｓｅｐ．２０１１

ＴＦＴ—ＬＣＤ面板光学检测自动对焦系统设计肖磊，程良伦，范富明Ｃ－东工业大学自动化学院，广东广州５１０００６）摘要：针对１１可．ＬＣＤ面板尺寸大、厚度薄、光透过率高的特性，建立了基于激光三角测距法的自动对焦系统。采用光学回路和机械结构设计，对激光光斑中心位置准确求取以及自动对焦原理等算法进行了研究。首先，根据激光三角法测距原理进行了光学回路设计，并以纳米定位平台作为微小行程对焦驱动轴。其次，通过分析光斑图像特性，调节相机快门调整曝光量从而对图像进行噪声消除。另外，采用质心法快速提取光斑中心，在分析激光光斑中心位置与离焦关系的基础上，说明了自动对焦算法。最后，介绍了系统自动对焦时间的设定方法。实验结果表明：在行程为１００ｐ．ｍ的自动对焦范围内，５ｘ物镜下，自动对焦时间为

Ｏ．３６Ｓ。重复定位精度为±１．９８Ｉｘｍ。５０Ｘ物镜下，自动对焦时间为０．４１Ｓ，重复定位精度为±０．２６Ｉｘｍ。该系统稳定性好、对焦精度高、抗干扰能力强，基本满足大尺寸玻璃基板光学检测的需要。关键词：计算机视觉；自动对焦；激光三角法；光斑中心；亚像素中图分类号：ＴＨ７４２．６４；ＴＰ３９１．４文献标志码：Ａ文章编号：１００７－２２７６（２０１１）０９－１７８９－０７

ＤｅｓｉｇｎｏｆＴＦＴ－ＬＣＤｐａｎｅｌｓｏｐｔｉｃａｌｄｅｔｅｃｔｉｏｎａｕｔｏ－ｆｏｃｕｓｓｙｓｔｅｍ

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收稿日期：２０１１一０１—０５；修订日期：２０１１—０２—１３基金项目：广东省教育部产学研联合项目（２００７Ａ０９０３０２０７１）作者简介：肖磊（１９８５－），男。硕士生，主要研究方向为自动对焦系统，图像处理与模式识别。Ｅｍａｉｌ：２００８ｘｉａｏｌｅｉ．ｃａ＇ｅａｔ＠１６３．ｃｏｍ导师简介：程良伦（１９６５一），男，教授，博士生导师，主要从事工业过程运行控制及软测量技术。Ｅｍａｉｌ：Ｕｃｈｅｎｇ＠ｇｄｕｔ．ｅｄｕ．ｃｎ

万方数据１７９０红外与激光工程第４０卷

０引言自２０世纪９０年代１１丌－ＬＣＤ开始正式量产以来，从最初的第一代（３００ｍｉｎｘ４００ｍｍ）ＴＦｒ—ＬＣＤ生产线发展到现在的Ｇ８．５代（２２００ｍｉｌｌｘ２５００ｎｕｎ），产品分辨率已由ＣＧＡ（３２０ｘ２４０）提高到ＵＸＧＡ（１６００ｘ２４００），更被广泛应用于数码相机、车载显示器、笔记本电脑和液晶显示等几乎所有的显示器领域“Ｉ。１１叮－ＬＣＤ自动光学检测设备是一个集成了光、机、电、自动化等技术的精密机器视觉识别系统，在液晶显示屏缺陷检测中，需要一种调焦装置实现高精度非接触的自动对焦系统来获取清晰玻璃基板图片。自动对焦技术是现代光学成像系统的一项重要技术，已有大量学者对其进行了研究”。ｌ。自动对焦可分为两大类：主动对焦和被动对焦。主动对焦技术主要基于测距原理，如超声波测距法、反射能量法以及一些基于三角测距原理的方法。被动对焦技术利用获取的图像信息分析对焦方向，并调整焦距到最佳位置。激光三角法由于其具有非接触、测量准确度高、抗干扰能力强、材料适应性广，在现代测量领域中得到了广泛的应用‘“】。针对ＴＦｒ．ＬＣＤ面板尺寸大（Ｇ８５代玻璃基板尺寸达２２１Ｐ０ｍｍ×２５００ｍｍ，但玻璃厚度却不到ｌｍｍ）、厚度薄、光透过率高的特性，提出了一种基于激光三角测距法的主动对焦方法，通过获取的光斑图像信息分析对焦方向和离焦距离．采用纳米定位平台进行自动对焦，建立了基于激光三角测距法的自动对焦系统。

１对焦系统的构成及工作原理１．１硬件构成图１所示为自动对焦系统。其主要由显微镜本体、物镜切换平台、压电聚焦系统、光斑图像采集系统、ｚ轴大行程粗调焦系统以及计算机等组成。显微镜本体包括相机和图像采集卡等。ＸＹ轴的移动实现显微物镜不同倍数镜头的切换．ＸＹ轴使用的是大功率直流伺服电机和滚珠丝杆，运动速度可达到２００ｍｍ／ｓ，Ｘ轴行程为１００１１１１１１，Ｙ行程为８０ｍｍ，分

辨率为ｌｐ．ｍ，单向重复定位精度为５斗ｍ。显微物镜固定在可沿ｚ轴运动的压电陶瓷（ＰＺＴ）纳米定位

平台上，行程为１００“ｍ，闭环分辨率高达２．５ｔｉｍ，重复定位精度为８ｎｌｔｉ，直线度为０．２％，压电陶瓷响应速度快，从上层界面发送指令到压电陶瓷移动到目标位置花费时问约为８ｍｓ。光斑采集系统由发光二极管、反射镜、测量镜头、半反半透镜、分光棱镜、ＩＲ滤波片、图像传感器和图像采集卡组成。ｚ轴大行程粗调焦系统行程为１５ｒａｉｎ，运动速度可达到１５ｍｍ／ｓ。

分辨率为０２５｜Ｌｍ，单向重复定位精度为ｌ¨ｍ。

图ｌ自动对焦系统Ｆｉｇ１Ａｕｔｏ—ｆｏｃｕｓｓｙｓｔｅｍ

１．２软件设计图２为１３动对焦系统原理图，通过ＶｉｓｕａｌＣ＋＋实现软件编程，１３９４图像采集卡实现电脑和相机的通信，串口实现电脑和压电陶瓷运动控制器、电机控制器的通信。软件设计上通过调用相机软件开发包和压电陶瓷运动控制器动态函数库进行第二次开发。实现了相机、电脑、控制器之间的通信。

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图２自动对焦系统框图Ｆｉｇ２Ｂｌｏｃｋｄｉａｇｒａｍｏｆａｕｔｏ－ｆｏｃｕｓｓｙｓｔｅｍ

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