[發明專利]基于差動共焦探測具有抗噪能力的高精度自動對焦方法及裝置

有效

• 申請號: 202110082908.1
• 申請日: 2021-01-21
• 公開（公告）號: CN112904526B
• 公開（公告）日: 2023-03-28
• 發明（設計）人: 周國尊;匡翠方;劉旭;李海峰
• 申請（專利權）人: 浙江大學;之江實驗室
• 主分類號: G02B7/28
• 分類號: G02B7/28;G02B7/40
• 代理公司: 北京睿智保誠專利代理事務所(普通合伙) 11732
• 代理人: 周新楣

本發明提出一種基于差動共焦探測具有抗噪能力的高精度自動對焦方法及裝置，該方法包括：產生對焦光束，經由凹透鏡和電控變焦透鏡組成的透鏡組，與光學系統工作光束合束；對焦光束經對焦對象中的對焦平面反射，由原光路返回，再由分束鏡反射入差分共焦探測機構進行光強測量；在測量過程中，對電控變焦透鏡偏置高頻周期性變化信號，將差分共焦探測機構測量到的靜態差分信號轉換為具有抗噪性能的動態差動信號；根據差動信號變化，產生反饋調整信號，自動補償離焦量，實現自動對焦。本發明將靜態光強信號差分共焦探測轉化為動態光強信號差動共焦探測。通過此方法減少了系統的隨機誤差，提高了系統的抗噪性能，進一步增加了對焦精度。

技術領域

本發明屬于光學工程領域，特別涉及一種基于差動共焦探測具有抗噪能力的高精度自動對焦方法及裝置。

背景技術

自動對焦技術是一種應用于成像光學系統和光學加工系統中的重要技術。無論是成像光學系統還是光學加工系統，在對對象成像或加工前，都需要將物鏡的焦點準確地定位在對象的成像面或加工面上。在光學成像系統或光學加工系統中應用自動對焦技術可以很好地滿足這一要求。

目前自動對焦的技術包括共焦強度探測法、成像被動探測法、像散法、光斑位移探測法、莫爾條紋法等。其中，成像被動探測法和像散法都是根據反饋圖形形狀的變化產生反饋信號，其反饋精度較低，對焦深度較小。光斑位移探測法受限于衍射極限和探測器位置分辨率等因素其定焦精度也無法進一步提高。莫爾條紋法的對焦精度較高，但受限于光柵的加工精度和光柵周期的靈活選擇性等因素也很難進一步提高，對焦深度較小。共共焦強度探測法的硬件實現簡單，但是采用傳統單探測器探測時，探測精度較低，反饋信號非線性，調節難度較大。將單探測器改進為雙探測器差分探測時，可以較好的提高精度，但是在提高探測精度的同時，采用靜態光強探測的差分系統抗干擾能力差，容易受環境隨機誤差影響。

可見，需要針對目前自動對焦技術的局限性，設計一種兼具高精度對焦能力和良好抗噪能力的自動對焦方法及裝置，進一步提高自動對焦系統的性能。

發明內容

本發明的目的是針對現有技術的不足，提出一種基于差動共焦探測原理，應用于成像光學系統或光刻系統的、具有抗噪能力的高精度自動對焦方法及裝置。

為實現本發明的目的，本發明提供一種基于差動共焦探測具有抗噪能力的高精度自動對焦方法，包括：

產生準直的對焦光束，經由凹透鏡和電控變焦透鏡組成的透鏡組，與光學系統的工作光束合束；

對焦光束聚焦于對焦對象中，在物鏡后焦面形成對焦光斑；

對焦光束經對焦對象中的對焦平面反射，由原光路返回，再由分束鏡反射入差分共焦探測機構進行光強測量；

在測量過程中，對電控變焦透鏡偏置高頻周期性變化信號，將差分共焦探測機構測量到的靜態差分信號轉換為具有抗噪性能的動態差動信號；

根據差動信號變化，產生控制運動機構的反饋調整信號，自動補償離焦量，實現自動對焦。

進一步地，使用發散度高頻周期性變化的光束作為對焦光束。

進一步地，通過探測光強差動信號產生對焦控制信號。

本發明的另一目的為提供一種基于差動共焦探測具有抗噪能力的高精度自動對焦裝置，包括：

激光光源，用于產生準直的對焦光束；

分束鏡，用于分離反射的對焦光束；

電控調焦裝置，用于周期性改變系統的光焦度，使對焦光束的聚焦光斑軸向位置在物鏡焦面附近周期性離焦波動；

合束聚焦系統，用于將對焦光束與所應用的光學系統的工作光束合束，并將對焦光束聚焦為在物鏡后焦面附近的對焦光斑；