激光自动对焦中离焦量的探测与计算方法

穆文娟

（合肥工业大学 仪器科学与光电工程学院，安徽 合肥 230009）

引 言

自动对焦技术兴起于20世纪60年代，最初主要应用于相机。近年来，伴随着相机技术、计算机技术以及图像数字化技术的飞速发展，自动对焦在生物医学、激光微加工、三维测量等各个领域开始得到越来越广泛的应用[1-3]。

根据对焦原理不同，自动对焦方法主要可分为两类，即基于成像图像对焦评价的被动式对焦方法和借助激光等辅助元件进行离焦量检测与对焦的主动式对焦方法。起初，以图像为基准的被动式对焦方法因其具有对焦精度高且无需额外设备辅助的优点，受到国内外研究者的极大青睐，并形成了熵函数、能量梯度函数等图像清晰度评价函数，以及函数逼近法、爬山搜索算法等图像处理算法，但被动式对焦过程中需要大量运算[4]，导致其对焦速度受到极大限制。为提高对焦运算速度，越来越多的研究者开始把研究方向集中到主动式对焦方法上来，如：加拿大WDI公司的ATF5激光自动跟踪系统，根据半导体激光信息快速准确地提取聚焦误差信号，在100×物镜下，对焦精度可达±0.3 μm，对焦速度0.2 s[5]；中国科学院长春光学精密机械与物理研究所的郝贤鹏等利用临界角法自动对焦原理，应用归一化、数字滤波等技术获取离焦误差信号与离焦量方向、大小的关系曲线，虽然可实现15 nm静态分辨率，但是线性范围小，仅为±4 μm[6]。

为同时兼顾对焦速度、对焦精度和对焦动态范围的要求，本文提出了基于激光辅助的主动式自动对焦方法，通过分析调焦CCD获取的激光光斑图像信息确定被测面的对焦状态。针对实验中采集的一系列激光光斑图像，结合自适应阈值二值化处理、形态学滤波、Canny边缘检测和最小二乘圆拟合的图像处理方法，建立起光斑半径与离焦量关系模型。

1 激光自动对焦原理与实验系统构成

1.1 激光自动对焦原理

激光自动对焦原理如图1所示，辅助激光束经过物镜照射到被测物表面，被测面与激光对焦平面有三种相对状态：一是被测面在对焦平面上方，称为正离焦；二是被测面与对焦平面重合，称为对焦；三是被测面在对焦平面下方，称为负离焦。采用半圆激光束进行辅助对焦时，被测面与对焦平面的相对关系为正离焦、对焦、负离焦时，对应的激光光斑形状分别为右半圆、小圆点、左半圆，且光斑半径与离焦量大小成线性关系。故成像传感器通过检测光斑的形状及大小即可确定被测面相对对焦面的方向与距离。

1.2 激光自动对焦系统构成

根据图1所示原理设计的对焦实验测试系统如图2所示，对焦系统主要由激光器、分光镜、物镜、调焦透镜、CCD相机、调焦CCD等组成。激光器发出的准直光分别经过分光镜、物镜聚焦于被测面，形成与离焦状态对应的激光光斑，成像传感器从返回的激光束中读取信息并发送信号到电机运动控制模块，驱动电机带动物镜按一定方向与距离运动，实现自动对焦。

实验测试前先调整激光出射光路与成像光路垂直，然后调整被测面与物镜相对距离。在测试时每隔一定离焦距离采集一幅光斑图像，并对这一系列图像进行观察及处理，建立光斑图像信息与离焦量的对应关系，以分析对焦实验测试系统的对焦性能。

图2 激光自动对焦系统Fig. 2 The auto-focus system using laser

2 激光光斑图像处理

2.1 图像预处理

相机采集到的激光光斑图像包含多种噪声，采集到的光斑也不是完美的实心圆，而是一个有部分缺失或亮暗相间的环圈，故需对图像进行预处理，处理流程如下：

1)图像灰度化；

2)使用Otsu算法实现图像自适应阈值二值化分割；

3)通过形态学开闭交替滤波[7]，去除光斑内部瑕疵及外轮廓杂散信息；

4)通过腐蚀、膨胀操作，填充光斑图像内部孔洞。

2.2 图像边缘提取

光斑图像边缘提取是后续圆拟合的基础，本文采用Canny算子提取光斑外轮廓。首先选择一个准高斯函数对图像进行平滑运算，接着通过Sobel算子分别计算水平方向梯度Gx和垂直方向Gy的一阶偏导，以确定像素点的梯度G和梯度方向θ，各参数分别为：

2.3 光斑圆拟合

根据光斑边缘检测结果即可得一系列离散点，理论上这些点应构成一个圆，故可从这些点出发，求取该圆圆心位置和半径大小。本文选取某一光斑图像，并对图上光斑边缘点进行最小二乘法圆[9]拟合，拟合得到该圆圆心坐标和半径分别为(669，467)，209.48像素。

图像预处理(灰度化、二值化、形态学滤波、填充孔洞)、光斑边缘提取、光斑最小二乘圆拟合结果如图3所示。

3 激光自动对焦实验及结果分析

以平面镜为被测面，调整其与物镜的相对距离，每隔相同距离采集一幅光斑图像，并通过上述一系列图像处理过程求取光斑半径数值。实验结果显示，光斑半径大于480像素，即离焦量大于220 μm时，光斑大小超出调焦CCD视场范围，该系统不再具有自动调焦能力。在系统动态测量范围内，光斑半径与离焦量关系如图4所示(正离焦与负离焦状态下光斑半径变化趋势相同，故此仅分析正离焦状态下光斑变化与离焦量的关系)。由此可见，光斑半径与离焦量呈线性关系，离焦量大于50 μm时，光斑半径随离焦量变化较快，离焦量小于50 μm时光斑半径变化趋势变缓，但仍基本成线性变化，对光斑半径R与离焦量s关系进行直线拟合得：

图3 光斑图像预处理结果Fig. 3 Results of spot image preprocessing

图4 光斑半径−离焦量关系图Fig. 4 The relationship between the radius of the spot and defocus value

4 结 论

本文根据激光自动对焦基本原理搭建相应的对焦实验系统，并对实验中获取的光斑图像序列进行图像处理，提取所需半径信息，分析光斑半径与离焦量的对应关系。对焦实验结果显示：在实际自动对焦过程中，应对离焦量≥50 μm和离焦量＜50 μm两个范围进行分别标定，根据光斑半径判定离焦量所属范围并进行离焦量换算，进而驱动物镜移动相应距离，以实现自动对焦。本文所用辅助激光光束的直径约为5 mm，CCD相机分辨率为1 292×964，该实验状态下的数据处理结果显示，对焦系统可实现最大调焦分辨率为0.43 μm，对焦动态范围约为±220 μm。我们后续还将通过提高调焦CCD栅格分辨率、减小激光光束半径、增大调焦CCD视场来进一步提高系统对焦性能。