TFT-LCD面板光学检测自动对焦系统设计

    自20 世纪 90 年代 TFT -LCD 开始正式量产以来，从最初的第一代(300 mm×400 mm)TFT-LCD 生产线发展到现在的G8.5 代 (2200 mm ×2500 mm ) ， 产品辨率已由CGA ( 320 × 240 ) 提 高 到 UXGA (1600×2 400)，更被广泛应用于数码相机、车载显示器、笔记本电脑和液晶显示等几乎所有的显示器领域^[1]。

    TFT-LCD 自动光学检测设备是一个集成了光 、机、电、自动化等技术的精密机器视觉识别系统，在液晶显示屏缺陷检测中， 需要一种调焦装置实现高精度非接触的自动对焦系统来获取清晰玻璃基板图片。 自动对焦技术是现代光学成像系统的一项重要技术，已有大量学者对其进行了研究^[2-3]。 自动对焦可分为两大类：主动对焦和被动对焦。 主动对焦技术主要基于测距原理，如超声波测距法 、反射能量法以及一些基于三角测距原理的方法。 被动对焦技术利用获取的图像信息分析对焦方向， 并调整焦距到最佳位置。 激光三角法由于其具有非接触、测量准确度高、 抗干扰能力强 、 材料适应性广 ， 在现代测量领域中得到了广泛的应用^[4-6]。

    针对TFT - LCD 面 板 尺 寸 大 ( G8 . 5 代 玻 璃 基板 尺 寸 达2200 mm × 2500 mm ，但玻璃厚度却不到1 mm)、厚度薄 、光透过率高的特性 ，提出了一种基于激光三角测距法的主动对焦方法， 通过获取的光斑图像信息分析对焦方向和离焦距离， 采用纳米定位平台进行自动对焦， 建立了基于激光三角测距法的自动对焦系统。

    1 对焦系统的构成及工作原理

    1.1 硬件构成

图1 所示为自动对焦系统 。 其主要由显微镜本体、物镜切换平台、压电聚焦系统、光斑图像采集系统、Z轴大行程粗调焦系统以及计算机等组成。 显微镜本体包括相机和图像采集卡等。 XY 轴的移动实现显微物镜不同倍数镜头的切换，XY 轴使用的是大功率直流伺服电机和滚珠丝杆， 运动速度可达到200 mm/s， X 轴行程为 100 mm，Y 行程为 80 mm， 分辨率为1 μm，单向重复定位精度为 5 μm。 显微物镜固定在可沿Z 轴运动的压电陶瓷 （PZT）纳米定位台，行程为 100 μm，闭环分辨率高达 2.5 nm，重复定位精度为8 nm，直线度为 0.2 %，压电陶瓷响应速度快，从上层界面发送指令到压电陶瓷移动到目标位置花费时间约为8 ms。 光斑采集系统由发光二极管、反射镜、测量镜头、半反半透镜、分光棱镜、IR 滤波片、图像传感器和图像采集卡组成。 Z 轴大行程粗调焦系统行程为15 mm，运动速度可达到 15 mm/s ，分辨率为0.25 μm，单向重复定位精度为 1 μm。

    1.2 软件设计

    图2为自动对焦系统原理图，通过VisualC + + 实现软件编程 ， 1394 图像采集卡实现电脑和相机的通信， 串口实现电脑和压电陶瓷运动控制器、 电机控制器的通信 。 软件设计上通过调用相机软件开发包和压电陶瓷运动控制器动态函数库进行第二次开发。 实现了相机、电脑、控制器之间的通信。