微纳定位应用：自动调焦系统

自动调焦技术在精密仪器中有着广泛应用，初期主要应用于显微镜、照相机、摄像机等；其调焦方法大多是目测、手动调焦；进入20世纪70年代后，由于精密仪器向高精度、自动化发展，因此自动调焦技术不断发展，应用范围迅速扩大，在自动化、快速化、高精度及高稳定性等方面取得了很大的进展，成为精密仪器中的一项重要技术。

自动调焦技术的应用介绍

随着激光加工应用的不断深入研究，应用到复杂表面处理的需求越来越多，加工工件很重的情况下，通过带动工件运动的方式与激光的平面运动协同行成三轴控制的结构越来越不可行，因此，控制焦距位移形成Z轴运动，与XY平面运动相结合的三维动态激光加工技术应运而生。

在这种技术路线中，调焦机构的控制精度、最大位移距离、工作频率都会受到考验，尤其需要在激光平面连续运动的场合，为保证加工速度与精度，系统的阶跃响应时间的要求必须同振镜一样，达到毫秒级；最初尝试在此领域用直线电机或直流伺服电机的驱动方式很快就被淘汰了，而更适合往复位移控制的音圈电机由于其优秀的响应速度和控制精度在此领域的应用中脱颖而出。

图1. 三维动态激光打标

在这种应用场景中，还可以加入视觉识别系统作为监控与反馈单元，与整套三维动态机构构成一个简单的负反馈系统，从而对三维机构的配合运动进行同步，达到实时、精确的控制目的。

图2. 三维动态激光加工系统原理图

这套系统中：

1. 视觉识别系统作为光闭环的传感端，获取工件起伏度数据；

2. 总控板通过表面起伏度信息，计算出与X和Y轴图像处理信息同步的Z轴音圈调焦机构的位移量，驱动调焦机构做同步位移，让焦距配合振镜运动，始终聚焦在工件表面；

3. 振镜内置光电传感器；调焦机构内置光栅尺；所有运动控制部件均采用负反馈控制方式，能很好的保证控制精度。

在生物和医学及部分工业的显微成像应用领域，为解决部分较厚的组织聚焦不清晰，制片过程中贴片不平整等导致扫描模糊聚焦不清等问题，需要对样本进行多层扫描。

图3. 单层与多层扫描显微成像对比图

在这种应用场镜中，不需要额外的外部传感器，调焦机构按照上位机指令执行多次位移-停止的命令，但为了提高扫描效率，需要系统有很高的闭环带宽及毫秒级的阶跃响应时间。

通常说的自动对焦，大部分指的是监控一体机，镜头相机是一体的，可以实现连续自动对焦，相机自带闭环控制算法，这属于监控领域。

有些工业相机带了可以驱动自动变焦镜头的输出口，可以接自动可变镜头，可以实现软件自动调焦；可以基于此种相机，自己开发自动对焦算法，算法是外部实现的，不是写到相机里面。还有一部分工业相机，实现了一键式自动对焦。

自动对焦相关方法：

图4. 自动对焦分类

主要分为主动对焦法和被动对焦法两种对焦形式。

主动对焦法：通过传感器测量成像系统中的实际物距从而实现对焦，目前手机上的红外传感器为主动对焦。

被动对焦：通过分析图像梯度、对比度等特征获取当前帧图像质量，从而驱动电机进行对焦补偿。

光学显微镜是一种常见的实验室仪器，被广泛应用于各种领域的科学研究和工业生产中。现代的光学显微镜不仅具备高分辨率和灵敏度，而且还能够进行自动对焦，大大减少了操作者的操作难度和疲劳程度。

自动对焦光学显微镜采用了先进的光学技术和计算机控制技术，在成像过程中可以自动调整焦距，保证样品不同部分的图像清晰度。这种功能尤其适用于材料表面缺陷检测、生物细胞观察等需要大量区域扫描和精细比较的实验。

图5. 自动对焦光学显微镜

在光源照射下，样品通过显微镜头组，在CCD上成像，并将数据发送至显示器；同时，对CCD的成像的图像进行解析，通过对图像梯度、对比度的分析可计算出镜头离焦量，从而生成调焦机构的控制主令，再由调焦机构的物理位移实现精确的自动对焦。

图6. 自动对焦显微镜控制原理图

数字全息显微技术(Digital Holographic Microscopy, DHM)通过利用 CCD/CMOS 记录被放大的物光波和参考光波的干涉图样，可再现出透明样品高衬度、定量化的相位成像，被广泛应用于工业检测、生物医学成像等领域。

图7. 数字全息显微镜

DHM将光学干涉和光学显微技术相结合，为微观物体的三维形貌、透明物体的厚度/折射率分布提供了一种快速、无损测量手段。

数字全息显微的调焦方式是通过计算机模拟物光波的衍射传播以实现对被测样品的数字调焦。与传统光学显微镜机械调焦方式相比，数字调焦具有速度快、精度高等优点，有助于实现对运动物体或动态过程的跟踪观测和实时干预。原理上，DHM的数字调焦可以概括为两步：

1. 数字获得离焦距离，即全息图到物体像面的距离；

2. 利用光波的传输理论将探测器平面的光场传播到样品的像面。

图8. DHM实现方式

1. 抗震救灾需要长时间滞空的空中中继平台；

2. 需要永久滞空的军用空中平台；

3. 月球无人基地中的无人车，无人机；

在这些特殊场景中，有线充电往往无法满需求，需要开发新的充电方式。

● 激光充电技术

在需要充电的无人平台接收端，往往会使用有一定面积的接收装置，外形类似太阳能板；而激光是有一定发散角的，这就造成无人平台与传能系统的距离远近不同，到达无人平台接收端的光斑尺寸是不同的；因此，最好能控制激光发散角的大小，使无论距离远近，到达无人平台接收端的光斑直径始终保持一致，这套系统被称为自动测距调焦系统。

图9. 无线传能跟瞄系统的自动调焦控制原理

激光测距仪测量传能系统与无人平台的距离，将此距离信息回传至总控；

根据距离信息计算出激光发散角数据→调焦系统位移量，再作为控制主令发送至调焦机构驱动控制器；

调焦机构根据驱动信号进行动作，同时，调焦机构的光栅尺将实时位移数据回传至驱动控制器，形成闭环，很好的保证系统的控制精度。

● 自动调焦系统的核心器件

图10. 音圈调焦机构及驱动控制器产品图

此型号采用中孔设计，驱动源为音圈电机模组，集成光栅尺作为传感器，在保证运动行程不变的情况下，根据传感器选择不同，还可实现不同的控制精度，最高可达20nm。