激光加工技術(shù)已成為工業(yè)生產(chǎn)自動化的關(guān)鍵技術(shù)，其擁有普通加工技術(shù)所不能比擬的優(yōu)勢。例如激光加工為非接觸式加工、速度快、無噪聲、可實現(xiàn)各種復(fù)雜形狀的高精度加工目的，且無通常意義上的“刀具”磨損，無需更換“刀頭”。
激光加工需要個優(yōu)良的成像系統(tǒng)，用來輔助加工、測量、檢測，而調(diào)焦系統(tǒng)作為光電成像系統(tǒng)、機器視覺系統(tǒng)的關(guān)鍵裝置，在監(jiān)控生產(chǎn)過程、檢測工況、地質(zhì)遙感和軍事遙感等等方面都應(yīng)用廣泛。無論哪個成像系統(tǒng)，都會遇到對焦的問題，如果僅依靠操作人員的主觀判斷來完成成像系統(tǒng)的調(diào)焦，很容易帶來定的人為誤差，而且自動化程度低。
所謂自動對焦是指利用物體光反射的原理，將反射的光被結(jié)構(gòu)上的傳感器接受，通過計算機處理，帶動電動對焦裝置進行對焦的方式叫自動對焦。隨著激光加工的迅速發(fā)展，自動對焦平臺受到人們的廣泛關(guān)注，并且，有些學者已經(jīng)開始研究大行程自動對焦平臺。
由廣東工業(yè)大學發(fā)明的利基于多平臺的超精密自動對焦系統(tǒng)，采用激光自動對焦系統(tǒng)與傳感器相結(jié)合，在Z方向上有大行程精密調(diào)節(jié)機構(gòu)，調(diào)節(jié)范圍是100μm，重復(fù)定位精度是6nm，它是基于電子、機械裝置以及圖像處理等手段設(shè)計的自動對焦的裝置，可實現(xiàn)快速對焦，但是程序繁瑣。李光儀器廠改造的顯微鏡平臺，其控制系統(tǒng)能實現(xiàn)載物臺的三維驅(qū)動，但是，平臺不能實現(xiàn)定位，重復(fù)性差，實際操作不方便，并且未提供自動搜索、聚焦功能。南京航空航天大學在NHIS金相圖像自動分析系統(tǒng)中采用步進電機控制載物臺，提出并實現(xiàn)了灰度直方圖梯度自動聚焦算法。清華大學等單位研制的線寬測量儀，在顯微系統(tǒng)的設(shè)計上采用了偏心光束法，其調(diào)焦范圍為10μm，調(diào)焦精度達到了1.9nm。
與已有技術(shù)相比，該平臺的光學對焦理論以激光三角法為基礎(chǔ)，這是典型的非接觸式測量，不需要計算機的對比計算，這也是該機構(gòu)精度大、誤差小的原因之。在驅(qū)動方式上采用雙聯(lián)驅(qū)動方案，就是將兩種或者兩種以上的驅(qū)動方案同時使用，并對他們進行相應(yīng)的并聯(lián)控制。這樣可以使平臺具有較大的行程與很高的精度。
1整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計
該平臺由動力元件、傳動元件、對焦平臺、光學元件、平臺支架五部分組成。其中動力元件由采用伺服電機系統(tǒng)與微動系統(tǒng)的雙聯(lián)控制系統(tǒng)組成，大行程運動由伺服電機驅(qū)動，微細運動是由壓電陶瓷與柔性鉸鏈構(gòu)成，傳動元件由滾珠絲杠系統(tǒng)構(gòu)成，光學元件是指激光發(fā)射及接收的鏡頭組，在鏡頭組中有兩個透鏡和個激光發(fā)射器，支架是包括支撐桿在內(nèi)的外部結(jié)構(gòu)框架。如圖1所示是平臺的整體結(jié)構(gòu)圖。
其對焦工作原理是:當工作臺的位置恰好在激光焦點處，則平臺不動，如果平臺不在焦點位置時，這時電機在傳感器驅(qū)動下帶動滾珠絲杠轉(zhuǎn)動，從而帶動平臺上下移動，當平臺在焦點附近細小距離時，壓電陶瓷開始利用逆壓電應(yīng)驅(qū)動平臺微量位移，每次對焦完成后，光學鏡頭組接收到的光信號通過傳感器傳遞給報警器，引起報警。
1.1微位移運動機構(gòu)的設(shè)計
常規(guī)電機驅(qū)動對焦時電機轉(zhuǎn)動時存在震動，硬件驅(qū)動鏡頭移動時，存在延時，很難滿足精密對焦的要求。該平臺結(jié)構(gòu)使用壓電或電致伸縮器件驅(qū)動，由于機電應(yīng)進行的速度很快，來不及與外界熱交換，因此不存在發(fā)熱問題，同時沒有噪聲，適用于各種介質(zhì)環(huán)境工作，是種理想的微位移器。
微位移機構(gòu)是指行程小(般小于毫米)、靈敏度高和精度高的機構(gòu)，是微定位系統(tǒng)的核心部分，也是該平臺機構(gòu)的重要組成部分之。它由微位移驅(qū)動器和執(zhí)行器兩部分組成。微位移機構(gòu)由壓電陶瓷和柔性鉸鏈連接構(gòu)成。微位移驅(qū)動器根據(jù)工作原理可以分為六大類，概括為:機械傳動、彈性變形、受熱變形、磁致伸縮、電磁型、壓電陶瓷。壓電/電致伸縮陶瓷驅(qū)動的柔性支承微位移機構(gòu)是利用某些晶體的逆壓電應(yīng)來工作的，它的點是體積很小，結(jié)構(gòu)緊湊，無間隙，無機械摩擦，具有很高的位移分辨率。常用的微位移器有如圖2所示為壓電陶瓷和柔性鉸鏈的連接圖，圖3為壓電陶瓷與柔性鉸鏈連接的力學模型。
1.2支撐機構(gòu)的設(shè)計
傳統(tǒng)的主傳動軸的支撐是由傳統(tǒng)的軸承構(gòu)成，如推力軸承(主傳動軸豎直時)，角接觸球軸承(主傳動軸水平時)，這些傳統(tǒng)的軸承性能在工作條件優(yōu)良時比較穩(wěn)定，但是在受力不均時性能不穩(wěn)定，由于在周期性不均勻載荷作用下，軸承磨損劇烈，壽命短，需要經(jīng)常更換。該機構(gòu)中采用交叉滾子軸承，其優(yōu)點很多，由于滾柱為交叉排列，因此只用套交叉滾柱軸環(huán)就可承受各個方向的負荷，與傳統(tǒng)型號相比，剛性提高3～4倍。同時，因交叉滾子軸承內(nèi)圈或外圈是兩分割的構(gòu)造，軸承間隙可調(diào)整，即使被施加預(yù)載，也能獲得高精度的旋轉(zhuǎn)運動。圖4是交叉滾子軸承的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。
1.3自動對焦系統(tǒng)及其工作原理
常規(guī)的激光對焦方法包括燒斑法、紅外攝像法、小孔成像法。但這些方法精度不夠高，容易產(chǎn)生誤對焦，且率低，很難滿足快速高精度的要求。激光三角法作為目前種非常重要的非接觸式測量方法，廣泛運用于物體位移、厚度和三維面形等方面的測量。
并且能夠避免硬件驅(qū)動的延時應(yīng)。
圖 5 斜光學入射法
對焦方法部分引用利基于多平臺的超精密對焦系統(tǒng)的原理，如圖5所示為激光斜三角入射法原理圖。在斜光學入射法中，入射光線與被測物體表面法線成夾角θ。激光光束沿平行于透鏡L的方向入射到具有定粗糙度的M平面上(即在加工時的工件表面)的點A，由被測物面漫反射后，不再有確定的方向，經(jīng)過接收透鏡L會聚后將光點A成像在平行于透鏡的維PSD面上的點A'。通過透鏡成像可以準確地計算出光點的位置。假設(shè)光束i與透鏡的主光軸相交于位于M平面上的點O，稱M平面為零參考平面，點O在像屏上的像點是點O'。根據(jù)三角形相似原理，可以從點O'與點A'的位移計算出物體上點A相對于零參考平面M的位移量。
圖 6 激光發(fā)射接收鏡頭組
光學鏡頭組如圖 6 所示， 就是應(yīng)用光學三角法的成像反射， 工作原理是: 從激光發(fā)射器 1 發(fā)射出來的800 nm
光束經(jīng)過遮光片 2 擋去了半， 剩下的光束在聚焦鏡 4 的作用下變?yōu)槠叫泄猓?通過主光軸后經(jīng)過半透鏡 5
的反射投射到被檢測的物體表面。通過物鏡的聚焦作用，如果系統(tǒng)對焦完成，激光剛好在被測物體表面聚焦。聚焦后的光束，在被測物體的表面發(fā)生了反射，反射光線經(jīng)過聚焦鏡的聚焦作用投射到CCD檢測屏3上，如果被檢測物體表面剛好處于聚焦點處，投影在CCD檢測屏上的就是個光點;如果被檢測物體處于聚焦點的上方，在檢測屏就會檢測到個右半圓的光斑，反之出現(xiàn)個左半圓的光斑。
對焦系統(tǒng)運用光學三角對焦原理，在顯微鏡的鏡筒側(cè)面增加了個包含有激光發(fā)射和激光接受裝置的光學回路。聚焦后的光束，在被測物體的表面發(fā)生了反射，反射光線經(jīng)過聚焦鏡的聚焦作用投射到CCD檢測屏上，如果被檢測物體表面剛好處于聚焦點處，投影在CCD檢測屏上的就是個光點;如果被檢測物體處于聚焦點的上方，在檢測屏就會檢測到個右半圓的光斑，反之出現(xiàn)個左半圓的光斑。
假設(shè)可見光獲得清晰的圖像時，激光剛好在被檢測物體表面聚焦，如果系統(tǒng)發(fā)生離焦，CCD檢測到個半圓的光斑，其中離焦量和光斑的直徑大小成線性關(guān)系。系統(tǒng)上離焦時，產(chǎn)生上半圓;當下離焦時，產(chǎn)生下半圓。系統(tǒng)的聚焦原理是通過檢測投射到CCD傳感器形成個半圓狀的光斑，系統(tǒng)通過檢測的是上半圓還是下半圓可以辨別對焦系統(tǒng)處于上離焦還是下離焦。通過光電傳感器的3個LED燈分別代表光斑所在的位置，如圖7所示。
圖 7 光斑上下離焦和聚焦成像原理
該平臺屬精密儀器使用時無噪聲，為防止誤傷，平臺上設(shè)有蜂鳴報警器和LED提示燈，如圖8。當對焦系統(tǒng)處于上下離焦狀態(tài)時，受傳感器作用，對應(yīng)的LED燈綠色燈閃爍，蜂鳴器直鳴叫;當對焦系統(tǒng)恰好位于或者經(jīng)過對焦后調(diào)節(jié)到焦點位置時，LED燈綠色燈熄滅，同時紅色
燈開始閃爍，蜂鳴器提示音變成脈沖間斷的，頻率和LED燈的頻率相同。
圖 8 焦點位置指示燈
隨著科學技術(shù)的不斷進步和發(fā)展，高精度/高速度的微進給技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于生物科技、精密儀器制造、工業(yè)在線檢測、航空航天、自動加工生產(chǎn)等域。自動對焦技術(shù)是各種成像系統(tǒng)、計算機機器視覺和精密儀器中的關(guān)鍵技術(shù)之。
文中提出了種大行程高精度精密對焦平臺，設(shè)計了工作平臺的整個機構(gòu)系統(tǒng)，闡述了對焦平臺的行程和精度的設(shè)計，給出了自動對焦的實現(xiàn)過程，確定了采用三角法作為大行程納米精密對焦系統(tǒng)的設(shè)計基礎(chǔ)。在這基礎(chǔ)上綜合運用壓電陶瓷的逆壓電應(yīng)，作為微位移驅(qū)動器，實現(xiàn)大行程自動精密對焦，該平臺結(jié)構(gòu)的設(shè)計為自動對焦技術(shù)提供種大行程的可行方案。
