倾斜镜面成像的自动调焦方法

　　引 言

　　纳米薄膜材料在分子生物学、生物化学、电化学、材料学、微电子学等领域具有广泛的应用，与此同时，纳米薄膜检测技术获得迅速的发展，作为非接触、快速的纳米表面成像测量方法，椭偏成像测量(ImagingEllipsometry，简称IE)[1-3]和等离子体共振成像(Surface Plasma Resonance Imaging，简称 SPRI)[4-7]技术可满足对纳米膜层进行纵向分辨率为纳米量级、横向分辨率为微米量级的检测。以成像的观点来看，二者至少具有如下共同点：(1)样品可视为二维平面(因为薄膜厚度为纳米量级，而横向尺度为毫米、甚至厘米量级);(2) 样品表面与光轴成一倾斜夹角;(3)样品的表面接近镜面，反射光波进入像接收器件。为讨论方便，本文把具有上述特点的系统称为倾斜镜面成像系统(Illumination-tilted specular-reflection imaging system, 简称为TSIS)。

　　聚焦清晰是光学成像系统必需满足的首要条件。自动调焦作为重要的自动化技术已广泛应用于光学成像系统中，大致分为测距法和像检测法。前者通过系统主动地发出探测波测量物距，然后进行聚焦;后者通过对调焦引起的像质清晰度变化来判断是否聚焦清晰，其中的图像清晰度判断自动调焦应用最为广泛。

　　目前，图像清晰度判断法的研究和应用集中在两方面：离焦函数的设计与选择[8]和最佳成像位置的搜索方[9]。由于实际应用中大多数光学成像系统都是共轴系统，而且像接收面垂直于光轴，所以目前的自动调焦技术的研究和应用基本局限于轴向自动调焦，即沿轴向调节成像器件来实现自动聚焦。对于TSIS 系统，由于物平面与光轴成一倾斜夹角，所以经透镜后其像平面也与光轴成一倾斜夹角，而且像与物不严格成比例。利用轴向自动调焦方法只能使样品上局部聚焦清晰而无法实现像面的整体清晰。为了得到准确的测量结果，可以通过平移物面、经多次成像后进行图像拼合的方法来达到，但此方法耗时较多。为了解决此问题，本文提出一种新型的自动调焦方法，它把角度调焦和轴向调焦相结合、通过像面步进和旋转调焦的方法实现像面的整体清晰。

　　1 TSIS 系统的自动调焦原理

　　在TSIS 中利用像清晰度判断法进行自动调焦可充分利用已有器件和计算机的运算能力，而无须添加其它辅助器件。为达到像面的整体聚焦清晰，必须使像敏面同时达到沿光轴的轴向理想位置和相对于光轴的角度理想位置，在此提出适合 TSIS 系统的自动调焦方法：(1)调焦准备。使像敏面到达理想像面位置的附近，包括轴向位置和与光轴的夹角。(2)轴向调焦。在轴向理想位置邻域内调节物距(或像距)，利用图像清晰度判断法使像敏面上与入射面垂直的中心线邻域达到聚焦清晰。首先搜索：在理想位置邻域内，电机驱动成像器件(成像透镜或像敏面)以一定的步距沿光轴方向平移从而改变物距(或像距)。每前进一个步距图像传感器进行图像采集，计算离焦函数值并作记录，然后利用数据拟合的方法得到最佳轴向位置。其次归位：把图像传感器驱动到理想成像位置。(3)角度调焦。在角度理想位置的邻域内，图像传感器沿其像敏面上与入射面垂直的中心线进行旋转调节，使整个视场内像面聚焦清晰。类似于轴向调焦，也分为搜索和归位两个步骤，只是将成像器件沿光轴的平移改为围绕通过像敏面几何中心的轴线在入射面内进行旋转。选择适合系统的离焦函数至关重要，在以前对椭偏成像系统自动调焦研究中对离焦函数的选择进行了细致的讨论和比较。结果表明，Laplacian函数在调焦范围内具有单峰性和较好的对比度，该函数的形式为