偏心光束法调焦在工业上的应用.doc

偏心光束法调焦在显微测量中的应用

学院：自动化学院
年级：14070102
姓名：赫 婷 婷
学号：2011040701052
【 摘要 】
显微系统的自动调焦是实现高精度测量的重要技术。采用偏心光束 法，以半导体激光器作为光源 ， 激光束与主光路光轴偏心入射到显微系统中， 离焦引起反射光位置改变而获得离焦信息，用二象限硅光电池接收，光电信号经 差分放大、微机处理，功放后，驱动直流电机拖动微动工作台进行离焦量补偿，从而实现显微系统的自动调焦。实验结果表明：在离焦1 0 0 0 μm范围内，达到±0.1μm精度。

【 关键词 】激光束 自动调焦 离焦量

【 正文 】
一、引 言

自动调焦技术是光学仪器中一项重要技术。关于自动调焦技术的专利和论文，从7 0年代开始出现，其中大部分用于照相系统，由于显微系统焦深范围小， 公差范围更小且工作距离很短，要求调焦精度高，故是一项难度较大的课题。
近年来科学技术的进步，对测量仪器提出高精度、自动化的要求。显微系统 除本身光学系统成象质量的优劣直接影响测量精度外，调焦精度也往往很大程 度上影响测量精度，尤其是不同时间的重复测量往往由于调焦不一致，而造成较 大的测量误差，因此研究显微系统自动调焦技术是亟待解决的课题。

二、主要内容
•原理——偏心光束法光路原理：借助被测物体反射光束，用光电系统检测离焦后光束发生偏离来实现制动调焦。如图1 所示：激光束与主光路光轴以偏心量s平行入 射，经显微物镜后成象于焦平面M 点上，反射后经显微物镜、辅助物镜成象于 象平面点Mˊ上，M 点与Mˊ点为物象共轭点。当被测平面偏离焦平面±δ时， 那么Mˊ点在理想象面上发生横向位移±Δ。假设光学系统是理想的光学系统，可推导出δ与Δ的关系，根据几何光学可知︰

式中，u为光线入（反）射角，为显微物镜焦距。
当离焦量(检测面与焦平面的偏离量)为δ时，则光点M 在焦平面上移动到N，则

其象点在接收面(象平面)上的位移量Δ为
（1）
式中，δ为离焦量，为光学常数，β为光学系统横向放大率。
由式 ( 1 ) 可见，接收面上光点沿垂直于光轴方向的位移量与离焦量大小成正比。

•控制框图——根据接收面光斑变化所产生光电流变化来对离焦量进行检测，实现自动调焦。

•优缺点—— 缺点：在使用偏心光束法时，调焦需增加调焦部分的检测光路，十分复杂，处理电路复杂，调试困难，且受反射特性影响较大，但成本较高，可靠性低；但初始位置由人设置，可能有系统误差。
优点：调焦时间短，可实现实时跟踪，其精度较高，调焦范围较大。
•在实际中应用——非球面检测中偏心光束法对焦系统设计

三、结 论
1 ． 偏心光束法内光路的显微系统自动调焦方法，是一种分辨率高、调焦范围 大、结构紧凑的自动调焦方法。
2 ． 推导出的偏心光束法的理论公式不但适于筒长无穷远的物镜，也可推广到 筒长有限远的物镜，具有适用广的特点。
3 ． 调焦范围l000μm，调焦精度达±0.1μm，工作稳定可靠，能满足各种高精度显微测量系统的要求。

【 参考文献 】
(1 ) 薛实福、李庆祥编著，精密仪器设计，清华大学出版社，1990，230 ~240
(2) 粱铨廷主编，物理光学，机械工业出版社，1983，l22～125