确定透镜焦面的系统设计
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焦面判读程序：#include
#include
void main(){ float f = 100.0; // 阀值 int min = 1; // 系统所能分辨的最小沿轴移动量，对于1Um的步进电机，则为1Um int M = N = 0; //循环次数，本程序中最大为10 float e,d,aver = 0; //aver为d的平均值 int z ; float a [10]; float f_see = 50.864;//待测透镜焦距的目测值 int b = 10 ;//显微镜物镜放大率tag: //程序返回入口 z = 0; while ( z-10 <0) { d = a[z] = sub_programe();// sub_programe()用来求解d值 z++; } for ( int i = 0;i < 10 ; i++) aver = aver + a[i]; aver = aver / 10 ;//求得d的平均值 if ( N == 1) { if ( d => x) r++; goto tag; } else { e = 4/5 * b/l * d * min/f ;//计算e值 if( abs(d - x) < e) { if (a[N] == 2 * min) } else { if (d - x < e) { if (M > 0) { if ( d => x) r = r - a[N - 1];
goto tag ; } else { if ( d => x) r = r + a[N -1]/2; goto tag ; } } else { M++; if ( d => x) r = r - a[N -1]/2; goto tag ; }printf("%f",d);//输出d值
}
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步进电机控制程序：
MOV DPTR，#adr3:8253 控制口 LOOP：INC DPTR
MOV A，#35H ：T0模式二 MOV A，@R0
MOVX@DPTR,A MOVX@DPTR,
A
MOV A,#75H :T1模式二 INC R0
MOVX@DPTR,A MOV A,@R0
MOV A,#OB3H :T2模式一 MOVX @DPTR
A
MOVX@DPTR，A INC R0
MOV DPTR #adr 0-1 DJNZ R7 LOOP
MOV R7，#03H RET
电机运行子程序：
SETB P1.1（CLR P1.1）；决定电机运行方向
CLR P1.0
LCALL YSH：延时10ms:产生负脉冲，使电机启动
SETB P1.0
RETThe design to the system of determining lens focal plane
Abstract
Lens focal focus is the important parameter to determine the relation of object-image. At the same time, whether the focus of lens is precise or not will directly influence the whole lens of optics system. In order to accurately measure the focus of lens, the position of focal plane must be firstly determined. In traditional methods which are full of error and lack of efficiency, the focal plane is interpreted. To avoid these shortcomings of traditional methods and achieve the auto-measurement of focal plane, based on the measured focal length of lens of light-utensil seat, the phenomenon of eyes used as the receiver was replaced by linear CCD. And based on the theory of point spread function, the automatic measurement system was designed. The system design of the complete procedures of measure focal plan and a computer- step motor interface circuit and complete step motor control procedures. This system can analyze data acquisition from CCD by computers and send results to step motors thus driving CCD to realize fast and
accurate determination to lens plane.
KeywordS: CCD； Focal plane； Technique for Focal Plane； step motor；
确定透镜焦面的系统设计
摘要
透镜的焦距是确定其物象关系的重要参数，同时透镜的焦距是否精确将直接影响整个光学系统的焦距。而要精确测量焦距，必须先准确地检测出焦面的位置。传统的检焦方法是用人眼对焦面进行判读，这种方法误差大，效率低。为了避免传统方法的这些缺点，并且实现透镜焦面的自动检测，在原来光具座测量透镜焦距的基础上，用线阵CCD代替人眼作为接收器，设计一套基于点扩散函数理论的自动检焦系统。该系统设计了完备的检焦程序，并设计了电脑和步进电机的接口电路，另外设计了完备的步进电机控制程序。该系统利用计算机对CCD采集的数据进行分析，并将结果发送给步进电机，进而驱动CCD以实现对正透镜焦面快速准确的检测。
关键词：CCD ；焦面； 焦面判读；步进电机；
确定透镜焦面的系统设计
1 绪论
1.1概述
众所周知，在众多的光学仪器中，透镜都是重要的组成元件。而焦距对透镜来说是个重要的参数，它是光学系统装校过程中必须己知的参数。因此，透镜的焦距自然是确定其物象关系的重要参量，同时透镜的焦距是否精确将直接影响整个光学系统的焦距，对于诸如侦察卫星、资源卫星上所使用的大型光学系统来讲，焦距更应准确已知，要求其准确度在 0.1%以上，故透镜焦距的精确测量显得十分重要。
伴随着近代科学技术和工业技术的迅速发展，传统的光学机械检测方法已日益不适应现代工业和科学技术所提出的高精度、高效率与自动化的测试要求。传统的焦距测量中，焦面是由人眼判读目标所成像的清晰度来确定的，若仅依靠操作员主观判断的话，对操作者要求就应该较高，同时具有较大的人为误差。当劳动量较大时，人眼极易疲劳，更会加剧判读误差，劳动效率大大降低。若将自动调焦技术应用到透镜焦距测量中，使之实现自动判读、调焦和测量，极大地提高劳动效率，并能保证比人工判读更高的精度，这样一来便可为透镜的批量测量开辟道路。
1.2国内外的发展状况
焦面检测又称为调焦，是确定焦面的一个过程。传统的方法是使用平行光管对透镜焦面检测，这种方法完全是靠人眼判读最亮点来实现的。在近几年国内外在此领域研究出的方法有多种。例如：基于灰度差分的自动调焦技术、基于图像处理的CCD摄像机自动调焦方法、透镜分离相位检焦技术等等。其中以CCD代替人眼进行判读的方法使用的最多。
利用CCD代替人眼对焦面进行判读，来实现高效率自动化测量。利用CCD进行判读的方法也分好几种，例如：利用CCD对光强度的探测，来判断焦面。利用CCD拍摄图象，然后对图象处理进行判断。
1.3课题背景
在光学产品的研发和生产中，透镜一直以来就是组成光学系统的最基本部件。透镜焦距是其最重要的一个参数，是光学系统装校过程中必须己知的参数，它是确定其物像关系的重要参量。透镜焦距的精确与否就在很大程度上决定了光学仪器或产品的性能。同时透镜的焦距是否精确将直接影响整个光学系统的焦距，对于诸如侦察卫星、资源卫星上所使用的大型光学系统来讲，焦距更应准确已知要求其准确度在0.1%以上，故透镜焦距的精确测量显得十分重要伴随着近代科学技术和工业技术的迅速发展。一直以来，人们都是用传统的机械检测方法进行检焦，随着近代科学技术和工业技术的发展，传统的方法已日益不适应现代工业和科学技术所提出的高精度、高效率与自动化的测试要求。传统的焦面
检测量中，焦面是由人眼判读目标所成像的清晰度来确定的。若仅依靠操作员主观判断的话，对操作者要求就应该较高，同时具有较大的人为误差。当劳动量较大时，人眼极易疲劳，更会加剧判读误差，劳动效率大大降低。所以人们希望能够对透镜的焦距进行自动测量。若将自动调焦技术应用到透镜焦距测量中，使之实现自动判读，调焦和测量，极大地提高劳动效率，并能保证比人工判读更高的精度，这样一来便可为透镜的批量测量开辟道路。现在许多专家学者都在研究新的检焦方法。由于传统的检焦方法误差主要来源于人眼，所以就需要用其它设备代替人眼行观察，并通过其他机电设备来移动透镜（或者物、或者像屏）来实现焦面检测。这样就能达到减少由人眼视觉误差的目的，提高测量精度，提高劳动效率。并将透镜焦面检测的精度达到光学产品或光学系统的要求。
1.4本文主要研究工作
目前焦面检测的方法很多，CCD是最常用的方法，因为其设备简单，测量范围大，且操作简便。基于光具座测量透镜焦距的基础上，将自动调焦技术引入到焦距测量中来，本文在这方面做了一些尝试，具体研究内容如下：
1 首先介绍几种检焦技术的原理。
2 采用线阵CCD代替人眼作为接受器，对检焦方案进行了理论分析 。
3 设计电脑和步进电机之间的接口电路。
4 完成步进电机的控制程序的编写。
5 完成焦面判读的软件设计。
6 试从理论上证明象图样包络线的形状，定性验证是否和本文所采用的理论方法中给出的曲线吻合。
通过以上几个方面的研究，本文可以为光具座上焦面检测提供一些有益的素材，为最终实现透镜焦距测量的自动化打下一点基础。
2 焦面检测理论
近几年，在国内外出现了一些新的焦面检测的方法，其中有差分法、光电自准直法、信息墒法、临界角法等等一些方法。下边就将其中的一些方法以及传统的检焦方法作以简单介绍。并详细阐述本文所采取的检焦方法。
2.1几种焦面检测方法概述
2.1.1差分法
根据傅立叶光学理论，一个光强分布为I(x)图像是由各种空间频率成分组的，在用线阵CCD接收器时可以用一维函数表示光强分布。图象的清晰度由其对比度决定，所以用归一化的光强频谱表示图像的清晰特征物的归一化频谱可以表示为：若图片无法显示请联系QQ3710167
（2.1）
像的归一化频谱为：
（2.2）
光学系统的调制传递函数为:
（2.3）
同一景物的焦前与焦后两个光场分布的传递函数之比为：
（2.4）
见焦前和焦后同一景物相应空间频率的传递函数之比，等于其频谱函数中相对应的频率分量有效值之比，当焦前与焦后同一景物的两个像的高频分量有效值相等时，则代表合焦，不等时代表离焦。
遥感相机入轨后，由于热梯度的存在，放射时加速度和震动的影响使成象面偏离底片或象接收器，称为离焦。遥感相机在空间长期运行后由于环境的波动及变化也会造成离焦，相机的焦距越长，离焦越严重。所以，对于长焦距的遥感相机，必须具备在运行中进行调焦的功能。差分式对比传递函数的方法就是解决这一问题的，它通过提取图象信号中的高
频分量作为检焦评价函数，将CCDA和CCDB分别放在焦面前和焦面后分光柱镜使同一视场的光分离后分别被CCDA和CCDB所接收，当两个CCD 信号中的高频成分相等时，示合焦，不等时表示离焦，同时根据两CCD输出信号中高频分量的大小可直接判断是前离焦还是后离焦。
2.1.2光电自准直法
在以照相胶片作为接收介质的空间相机中光电自准法被较多采用。包括美国芝加哥航空公司制造的 KS-146 型航空相机、美国仙童公司制造的KA 112A型航空相机，均采用光电自准法进行调焦，光电自准法能够满足相机实时、高精度的要求。
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图 2.1 KA-112A 相机检调焦系统示意图
KA-112A 型相机将胶片和检焦装置分别放置在沿光轴对称的两侧，胶片平面和检焦光栅处在光学系统的共轭位置上。在照相时，自准平面反射镜与光轴成45°焦面镜处于图中虚线位置，在自动检调焦工作状态时，焦面反射镜处在如图实线所示位置，而自准平面镜则垂直竖起。由光源发出的光照亮位于焦平面上的物方光栅，光线经焦面反射镜、相机物镜后成为准直光，再通过垂直于光轴的自准平面反射镜反射回来再次经过相机物镜、焦面反射镜，成象在光栅的另一侧。光电接收元件前的光栅部分称为象方光栅，它和物方光栅是一个整体，物方光栅的象如图2.1呈现象方光栅上，因为平面反射镜在其垂直光轴的位置附近摆动，这样，物方光栅的象就在象方光栅上水平扫描，并在光电接收元件上产生一个光调制信号，调好焦时如图2.2 al所示，这时物方光栅象和象方光栅重合。当物方光栅的象在象方光栅上水平扫描时，若物方光栅象的亮条纹正好落在象方光栅的透光条纹上，光电接收器件的输出信号幅值最大。而当物方光栅象扫过一个条纹宽度，物方光栅象的亮条纹落在象方光栅的不透光条纹上时，光电接收元件的输出信号幅值最小。物方光栅象水平扫描时，在光电接收元件输出端产生的电流信号如图2.2 a2所示。离焦时，物方光栅象和象方光栅不重合。如图2.2 b1所示。当物方光栅象的暗条纹和象方光栅的透光条纹正对时，由于这时物方光栅象的亮条纹仍有一部分可照在象方光栅的透光条纹上，所以光电接收元件仍能产生一定大小的电流信号因此其输出电流的最小值比合焦时大。同理，当物方光栅象的亮条纹和象方光栅的透光条纹正对时，亮条纹只有一部分能透过象方光栅的透光条纹，另一部分照在不透光的条纹上。这样，光电接收元件输出的电流信号的最大值就比合焦时小。因此，系统通过检测光电接收器件的输出的电流信号幅值，即可判定系统是否调好焦了[3]。若图片无法显示请联系QQ3710167
图 2.2
2.1.3平行光管法焦面检测
传统的焦面检测方法是用人眼对焦面的判读，现在将该方法简单的介绍一下。
图 2.3平行光管测量焦面原理图
行光管出来的平行光通过待测量透镜汇聚到焦点处，通过焦点且垂直与光轴的面即就是焦面。因为在焦点处光线是汇聚的，所以在该点光的强度也是最大的，因此可以判断焦面的位置所在。技术人员就通过移动待测透镜来找出光强最大点来找出焦面位置的。
该方法的缺点是，因为技术员的差别，人眼的差别还有其它因素的影响，所以精确度不高。
2.2 CCD器件介绍
CCD就是光电耦合器件的简称，它最突出的特点是以电荷作为信号，而不同于其它大多数器件是以电流或者电压为信号的。CCD的基本功能是电荷的存储和电荷的转移。因此，CCD工作工程的主要问题是信号电荷的产生、存储、传输和检测。
CCD有两种基本类型，一是电荷包存储在半导体与绝缘体之间的界面，并沿面传输，这类器件称为表面沟道CCD（简称SCCD），二是电荷包存储在离半导体表面一定深度的体内，并在半导体体内沿一定方向传输，这类期间称为沟道或沟道器件（简称BCCD）。电荷耦合摄像器件是用于摄像或像敏的器件。简称ICCD。它的功能是把二维光学图像信号转变为一维时序的视频信号输出，本文就采用此种CCD，下面将详细介绍此种CCD。
ICCD有两大类型：线型和面型。二者都需要用光学成像系统将景物图像成在CCD的像敏面上。像敏面将照在每一像敏单元上的图像照度信号转变为少数载流子数密度信号存储于像敏单元（MOS电容）中。然后，再转移到CCD的移位寄存器（转移电极下的势阱）中，在驱动脉冲的作用下顺序的移出期间，成为视频信号。
2.3本文讨论的精密检焦法
为了实现用光具座测量透镜焦距的自动化，在光具座人工测量透镜焦距的装置基础上，采用一种光电探测器代替人眼作接受器。由于线阵 CCD器件具有以下优点：体积小、重量轻、功耗小、几何结构稳定工作电压低、可靠耐用 可以在许多恶劣环境下工作；空间分辨率高、可实现高精度测量、空间自扫描可以实现物理量的绝对测量、线性好、动态范围较大、光谱响应范围宽、光计量精确。此外，它的输出信息易于处理、便于与计算机接口，诸多的优点使得 CCD 在工件尺寸测量、工件表面质量检测、物体热膨胀系数检测以及图像传真、摄像机、智能传感器等方面得到了广泛的应用。由 CCD 传感器、光学系统、信号收集与处理构成的测量系统的使用范围和优越性是现有其它测量方法无法比拟的。因此 本实验采用线阵CCD代替人眼。如图2.4经测量显微镜物镜放大的象y成到CCD接收器上，CCD 将接收到的光信号转变成电信号，经A/D转换输入微机后进行数据处理，由于y为分划板锐细的亮线对间距离，而每一条锐细的亮线经显微物镜成在CCD上对应于一尖锐的CCD输出信号，当系统合焦时，y′即为两对应CCD输出信号间距离，即式中，L为CCD两相邻光敏像素间
2.3（1）
距，x2、x1为CCD输出尖锐信号对应的位置坐标。
图2.4测正透镜焦距原理图
1 平行光管物镜 2 待测透镜3测量显微镜物镜 4 CCD 接收器
透镜焦距的测量，焦面位置的正确判定是关键。因为只有透镜处于焦面位置 才能运用原理中的公式进行计算和测量，因此由CCD代替人眼作接收器，如何选取恰当的焦面评判函数，并保证系统的调焦精度成为本次实验的关键。本论文提出的方法基于成像系统满足线性条件和空间不变性条件，线性条件是指在非相干照明的条件下，光学系统的物方图样与象方图样之间的光强度满足线性叠加的条件。满足线性条件的光学系统，其像面上任一点(x,y)处的光强等于物面上各点的光强o(x,y)在像平面(x,y)处所形成的光强的叠加。如图2.4所示，像面的光强度分布为
2.3.（2）
式中，O为物面内物体光强度分布范围：h(x,y,x′,y′)为系统的脉冲响应函数，即光强度为单位值的物点(x,y)经光学系统后，在象面上形成的光强度分布。
若物面处物体范围外的光强度为零，则上式可写作可见利用系统线性叠加的特性，可将物方图样分解为许多基元图样的线性组合，系统满足空间不变性是指：若图片无法显示请联系QQ3710167
2.3（3）
物面任意位置(x,y)处光强度为
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图2.5光学系统的成相
单位值的物点，在象平面所形成的光强度分布是相同的。即当物点沿物面(x,y)移动时，仅仅改变点象在像面的空间坐标位置，而不改变点象分布函数的形式。其脉冲响应函数仅是象点的空间坐标位置差(x，-x)和(y，y)的函数，即：
此时2.2（3）式可以改写为
2.3（4）
上式反映线性空间不变性系统的一个成像过程。即象的光强度分布可表示为物面光强度分布与脉冲响应函数的卷积，故脉冲响应函数完全决定了系统的成像特性。
光学系统的空间不变性条件又称等晕条件，它要求物面上任意物点在像面上都有相同的光强分布。即有相同的成像质量，但实际光学系统由于光瞳孔径的衍射，存在残余像差及工艺缺陷等，实际上只是在象点（x′,y′）附近较小范围内才满足空间不变性条件。将这一区域称为等晕区。在用2.3(4)式时，只要将物平面划分为一系列对应的等晕区，并给出每一等晕区的脉冲响应函数，便可判定各等晕区的成像情况了。
在非相干照明条件下,点象的光强度分布函数h0(x,y)的归一化光强度分布为点扩散函数,即：若图片无法显示请联系QQ3710167
则2.3（3）式又改写为
2.3（5）
此式表明像面的光强度分布是物面的光强度分布和点扩散函数的卷积。
非相干成像系统对光强是线性的，故在等晕区内像的光强分布E′(x′,y′),物的光强分布E(x,y)，几何成像的像的光强分布，E（x′,y′）系统的点扩散函数PSF(x′,y′)之间有如下关系式：若图片无法显示请联系QQ3710167
，M为放大率。
其中*表示卷积。
即像的光强度分布是几何像的光强度分布和点扩散函数的卷积。
几何点经过一个理想的光学系统，在焦面位置上成象为一理想点，而在离焦位置上（△为离焦量）将呈现弥散斑，弥散斑的形状与孔径光形状相同，大小与数值孔径D/f′成正比。不离焦量△的大小成正比，其直径为 。本实验的光瞳为圆形（透镜）,如不考虑其它像差,则由离焦引起的系统的点扩散函数为：
circ(r)=1(r≤1),circ(r)=0(其它)
其中，A为常数，f′/D为F数，△为离焦量。
实验中。玻罗分划板刻线作为目标物，所用分划板的所有刻线中宽度最大的为0.12mm将0.12mm小区域范围内看成空间不变系统是没有问题的，即在这个小区域内系统是完全满足等晕条件的。平行光管的焦距fc′=550mm，待测透镜焦距的目测值f′=50.864mm则在待测透镜的像面上所成刻线象的最大线度约等于llum由于目标物为分划板上各刻线，其光强分布为
若图片无法显示请联系QQ3710167
（t为分化板某刻线象的宽度）。若选取0.12mm的分划板刻线作为目标物，在待测透镜的焦面上，其几何成像的像的光强度分布为
（这里t′=50.864*0.12/550≈0.011mm=11um）。由于象的光强度分布是几何像的光强度分布和点扩散函数的卷积，因此，成象系统在离焦时的成象强度分布为
2.3（6）若图片无法显示请联系QQ3710167
当弥散斑的直径e不同，即离焦量不同时，上式的卷积结果不同。经Matlab软件处理计算，得到不同e或△值的象图样的分布规律如图2.6所示:
图2.6（c）象图样理论分布（e>t’）
由图2.6可以看到当e>t′时，象图样的极值随着e的增大而降低，图样的底边随着e的增大而增加，当e
图2.7.象图样的近似图形（e这便为我们判定系统的焦面提供了依据，当离焦量较大时可以根据CCD所接收信号的极值来断定离焦方向，这对系统的粗调起到指导作用。当离焦量较小象图样为一近似梯形时，对于理想的线阵CCD梯形底边宽度CCD受光像素数可作为判定焦面的依据，但由于CCD光敏单元的不均匀性CCD中暗电流和电噪声的影响，需选取一合理的阈值，计算阈值电压被梯形所截的宽度d把它作为本实验的焦面评判依据。但是，阈值的选取很关键，阈值选的过大，调焦精度不够，选的过小，不能滤除暗电流与噪声的影响。经实验验证选取阈值电压为：
V=0.1(Vmax-Vmin)+Vmin
在选取的阈值电压下，对实验中使用的CCD像元间距为7pm利用2.3（6）式进行计算，可得到d与离焦量的关系为：
2.3（7）
结果见图2.6，由图2.6可知，当系统合焦即△=0时，d值最小，而当系统离焦时d与离焦量的大小绝对值成线性关系，这便为系统的调焦提供了依据。计算透镜处于某一位置时的d值与透镜的前一位的d值相比较即可断定出透镜的移动方向（向d值减小的方向移动）[3]。
2．4.离焦时CCD接受象图样包络线理论验证
图中A点和B点是刻线上两点，其中B是轴外点，A是轴上点，分别选取这两点通过平行光管物镜中心的光线作为研究对象，光路图如2.8所示。
通过几何光学的理论可以知道，A点所呈在光屏上的弥散斑的横轴直径
d= 若图片无法显示请联系QQ3710167.
依照上图的几何关系可以推出B点在光屏上所呈现的弥散斑的横轴直径
.
由此可以看出，焦面上轴外点的弥散斑横轴直径是轴上点直径的 倍，因为刻线是连续的，所以在光屏上连续的点所呈现弥散斑的直径也是呈现一种连续变化，而且可以看出是从B点到A点弥散斑直径是减小的。由此可以定性的推出整个像在离焦时候象图样的包络线的是类似抛物线的曲线。如下图所示：若图片无法显示请联系QQ3710167
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由此可以定性的证明本文讨论的检焦方法中象图样是正确的。
2.5CCD器件的选择
为提高CCD位置测量的分辨率CCD象元尺寸越小越好，而为满足测量范围的要求，CCD的光敏区应足够长。目前，国内外生产的线阵CCD，为防止相邻象元在转移脉冲的驱动了引起串扰,CCD芯片间距一般都在7um左右.本文选择的是台湾一家公司生产的M5PA31H4型线阵CCD作为光电转换元件。像元间距为7m并有5000个像元，可使用的有效光敏区长度为5000X7um=35.0mm本实验中平行光管的焦距fc′=550mm,玻罗分划板刻线对间最大距离为y=20mm测量显微镜物镜的放大倍率 =10,待测透镜焦距的目测值f=50864mm，则CCD所接收象光斑之间的最大距离为:
因此所选CCD满足检焦范围的要求。
2.5.1积分法
传统的焦距测量中焦面是由人眼判读目标所成像的清晰度来确定的本实验采用CCD代替人眼作为接收器。理想的线阵CCD的输出电压值与入射光能量有如下关系：V=KET为输出信号值，k为比例系数，E为人射到CCD光敏面的照度t为积分时间。在一定的积分时间内V与E成正比由于实际的CCD器件都存在光电响应不均匀性和非线性，故实际器件不满足上述关系。而是在理想的响应曲线附近小范围内上下波动。差别可以由图2.9表示：若图片无法显示请联系QQ3710167
图2.9实际CCD器件与理想器件间的差别
图中的横坐标表示曝光量，纵坐标表示CCD的光电响应值。基于这个原因，使得在单次测量中CCD的输出信号值V与理想的满足线性关系的值有一定的偏离。因此采用多次测量取平均的办法可以平滑其影响。使测量结果得到弥补和修正。
同时我们知道CCD探测器本身不可避免的存在噪声。噪声大小符合正态分布，噪声电压为V的概率密度P(V)满足下式：若图片无法显示请联系QQ3710167
式中V0表示噪声电压的均方根值。或写成
设V由信号Vs和噪声Vn组成即V=Vs+Vn，对应的信噪比为如果我们在同样的光输入情况下，连续采集N次信号以i代表采集信号，
则
i=1,2,3,…N
将N个信号相加平均得
由于输入不变，所以
而若图片无法显示请联系QQ3710167
服从相同的正态分布，那么
对应信噪比
可见，对同样信号采集N次取平均后，信噪比提高了 倍，我们把它称之为积分法。
由上面的分析可知，积分法既可起到平滑噪声，正确地判定焦面的作用，又可提高信噪比，故在本实验中，采用积分法取N=10。
2.5.2刻线象（尖锐信号）的位置确定
从原理论述中我们得知，d的测定是确定焦面位置的关键，而测定d是以刻线像的位置的确定为前提，但由于光学系统的象差、衍射效应、CCD光电响应非均匀性、CCD的暗电流、电噪声等因素的影响，使采集到的信号出现不稳定的尖蜂。单次采样获得的波形毛刺很多，像的位置很难精确确定。为使计算结果能够准确，灵敏地反映信号特征，尽可能地消除系统误差和随机噪声实验中采用如下措施来提高信号质量，以保证像的位置的精确测定。
(1)采取多次采样求平均的方法，即积分法，可提高信噪比，抑制随机噪声。
(2)对于单次采样得到的所有样本数据点，将连续相邻的每5个数据作一组，这样便将单次采样的所有数据点分成了若干组，将每组数据都求取其平均值，所有平均值仍按原来数据的顺序重新组成一新的数据链。用新的数据链来代替原数据，这样得到的曲线较为平滑，毛刺的影响大大减小。
(3)根据具体的信号选取合适的阈值，在新组成的数据链中，相邻的两组数据作差，大于所选阈值的值所对应的CCD象素坐标值即为所计算的刻线像在CCD上占据的坐标位置。同时，小于阈值的测量数据，不参加运算，又有利于消除背景噪声的影响，闽值的选取要综合考虑噪声和参加运算的象元数两个方面。实验分析选取阈值为100.0（饱和值为4096）。
2.5.3检焦系统软件设计
软件主要由主程序，采样子程序组成。由于阈值电压被梯形所截的宽度d为本实验的检焦的关键，故主程序除了完成系统的初始化工作外，主要是d的计算。采样子程序实现数据的采集CCD输出的尖锐信号的判断及阈值的选取。采样子程序返回后，主程序在所选取的阈值下对CCD信号进行d值的运算程序的流程图如下所示：（其中，N表示调用主程序中循环的次数，
， 为系统所能分辨的最小沿轴移动量。比如说，对于最小步距为1um的步进电机,则△min=1m）[3]
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图2.10主程序流程图
检焦程序（见附录1）
图2.11采集子程序流程图
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3 伺服系统实现
对于一个自动化系统来说，它除过光学部分外，必不可少的是伺服系统。对于自动检焦这样一个系统，牵扯到位置的移动。一般情况是使用电机带动进行移动，在这个系统中我采用步进电机，因为它的诸多优点，所以我认为它用在这系统中比较合适。另外有了步进电机也不能实现自动化，还要使用有计算能力的部件，在21世纪的今天，电脑已经极大的广泛使用于各个领域，它以超越的性能和计算能力为各个领域做着贡献，所以本系统也采用计算机来进行数据处理，先将它们介绍如下！
3.1步进电机
步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。所以焦面检测系统采用步进电机来移动CCD来实现检焦的自动化。
现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机（VR）、永磁式步进电机（PM）、混合式步进电机（HB）和单相式步进电机等。其中反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。现阶段，反应式步进电机获得最多的应用。步进电机简单介绍如下：
步进电机的一些基本参数：
步进电机固有步距角
表示控制系统每发一个步进脉冲信号，电机所转动的角度。电机出厂时给出了一个步距角的值，如86BYG250A型电机给出的值为0.9°/1.8°（表示半步工作时为0.9°、整步工作时为1.8°），这个步距角可以称之为“电机固有步距角”，它不一定是电机实际工作时的真正步距角，真正的步距角和驱动器有关。
步进电机的相数
是指电机内部的线圈组数，目前常用的有二相、三相、四相、五相步进电机。电机相数不同，其步距角也不同，一般二相电机的步距角为0.9°/1.8°、三相的为0.75°/1.5°、五相的为0.36°/0.72°。在没有细分驱动器时，用户主要靠选择不同相数的步进电机来满足自己步距角的要求。如果使用细分驱动器，则‘相数’将变得没有意义，用户只需在驱动器上改变细分数，就可以改变步距角。
保持转矩（HOLDING TORQUE）
是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。它是步进电机最重要的参数之一，通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以保持转矩就成为了衡量步进电机最重要的参数之一。比如，当人们说2N.m的步进电机，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2N.m的步进电机
DETENT TORQUE
是指步进电机没有通电的情况下，定子锁住转子的力矩。DETENT TORQUE在国内没有统一的翻译方式，容易使大家产生误解；由于反应式步进电机的转子不是永磁材料，所以它没有DETENT TORQUE。
步进电机的一些特点：
1．一般步进电机的精度为步进角的3－5％，且不累积。
2．步进电机外表允许的最高温度。
步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏130度以上，有的甚至高达摄氏200度以上，所以步进电机外表温度在摄氏80-90度完全正常。
3．步进电机的力矩会随转速的升高而下降。
当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。
4．步进电机低速时可以正常运转,但若高于一定速度就无法启动,并伴有啸声。
步进电动机以其显著的特点，在数字化制造时代发挥着重大的用途。伴随着不同的数字化技术的发展以及步进电机本身技术的提高，步进电机将会在更多的领域得到应用[16]。
3.2 8253芯片
只有步进电机是无法实现自动化的，CCD采集的数据要送进电脑中进行处理，然后将结果发送给步进电机，使它跟据结果运行，这样就出现了问题，电脑如何把结果发送给步进电机呢，这样就需要把他们连接起来，可以使他们之间进行通信。所以采用8253芯片来做接口电路。
8253具有3个独立的16位计数器,6种不同的工作方式。计数寄存器用来寄存计数初值,计数工作单元为16位减1计数器,它的初值便是计数寄存器内容计数单元对CLK脉冲计数,每出现一个CLK脉冲,计数器减1,当减为零时,通过OUT输出指示信号表明计数单元已为零。当作为定时器工作时,每当计数单元为零时,计数寄存器内容会自动重新装入计数单元,而且CLK输入是均匀的脉冲序列,于是OUT输出频率是降低了的(相对于CLK信号频率)脉冲序列。当作为计数器工作时,表明只关心在CLK端出现(代表事件)的脉冲个数,当CLK端出现了规定个数的脉冲时,OUT输出一个脉冲信号。当作为计数器工作时,表明只关心在CLK端出现(代表事件)的脉冲个数,当CLK端出现了规定个数的脉冲时,OUT输出一个脉冲信号。
图3.18253内部结构
当计数单元为零,OUT变为高电平,可作为中断请求信号,所以方式0称为计数达到终值时中断的方式。
方式0的基本功能是：当写入控制字后，OUT信号变为低电平,并维持低电平至CE的内容到达0时，此后OUT信号变为高电平并维持高电平至再次写入新的计数值或重新写入控制字。门控信号GATE用于开放或禁止计数，当GATE为高电平，则允许计数，当GATE为低电平，则禁止计数[14]。
图3.2 方式0的时序图
3.3达林顿管
达林顿管又称复合管。它将二只三极管适当的连接在一起，以组成一只等效的新的三极管。这等于效三极管的放大倍数是二者之积。在电子学电路设计中，达林顿接法常用于功率放大器和稳压电源中。
达林顿管主要用来驱动步进电机工作[19]。
3.4接口和驱动电路
利用以上介绍的器件为主，辅以其它器件连接步进电机和电脑的接口电路和步进电机的驱动电路。
确定透镜焦面的系统设计
图3.3 接口电路
用8253接口芯片，由微处理机通过8253接口来控制步进电机工作的接口电路，运行过程中不占用CPU。
步进电机具有精度高、控制灵活、定位准确、启停迅速、能直接接收数字信号的特点，因而成为工业过程控制及仪器仪表的重要执行部件。在微机控制系统里，步进电机需要在CPU的控制下，按工作程序的要求，实现一定角度的旋转。其控制方式主要有：
1、CPU直接控制。由CPU在P1端口直接输出三相脉冲源，控制电机的运行，这样，在步进电机工作期间，CPU被独占，不能处理其它工作。降低了它的实时处理功能，这在许多场合是非常不利的，甚至是不允许的；
2、采用双CPU的主从控制系统，由从机控制步进电机的运行，主机实现整个系统的控制，其电路结构和工作程序是很复杂的，适应于复杂的电路系统；
3、用数字电路芯片构成的步进电机控制器，由于数字电路阻容元件的离散性和不稳定性，步进电机的控制精度不高。为了解决这个问题，我们采用可编程计数器8253为核心构成步进电机接口电路，具有精度高，不受阻容元件参数的限制，工作稳定，控制灵活等特点，在步进电机工作期间，不用CPU的直接干预，大大提高了CPU实时处理能力，在实验项目中应用，获得了良好效果。
如图3.3所示，它由三部分构成。第一部分，以8253和或门U1构成实时脉冲产生电路，该电路的触发受CPU的控制，它能产生一定数量和一定频率的脉冲，其频率和数量的大小由8253计数器的计数值设定，所以精度是极高的。第二部分，由移位寄存器和或门U2构成分相电路，它能产生符合步进电机需要的多项脉冲源。第三部分，换相和驱动电路，由模拟开关4066控制步进电机的运行方向，然后经光电耦合，达林顿管驱动使步进电机工作。
1、实时脉冲发生电路
可编程定时计数器8253内部具有4个独立的计数器，它们的功能、结构完全相同。每个计数器都具有时钟输入CLK、门控GATE和输出OUT三个引脚与外部发生联系，它们共有6种工作模式，具有硬同步和软同步功能。它是一个功能强大、使用灵活、性能优良的定时计数接口芯片，它的3个计数器在不同模式、不同形式的组合下，可以实现不同功能的实时脉冲电路，本系统就是其中的一例。
通道T0、T1均工作在分频方式，计数初值分别为l与n。T0输入信号的时钟频率为f，它输出频率为f/l信号一面送或门的输入，同时再经通道一T1分频，形成频率为f/ln的方波，该方波为通道二T2的时钟输入.T2工作在单稳态可重复触发方式，计数值为m，它输出的单稳态负电平送入或门74LS02的另一端，作为整个电路的门控，用来决定输出脉冲的数量和时间。另外，通道T1、T2的门控通过非门和通道T2相连，由CPU的P1.0控制，用来实现三个计数器时钟同步和触发。当CPU从P1.0发出一个负脉冲，即可触发电路工作，在这个脉冲的作用下，非门产生的上升沿使T2被触发，T0、T1被同步。T2输出的暂稳态低电平，通过或门解除对T0输出的封锁，使T0经或门74LS02输出频率为f/l、数量为mn个、工作时间为mln/f的实时脉冲信号。
为了确保上电复位时不被误触发，P1.0应接上拉电阻，T1、T0的门控应接下拉电阻。通道0和通道1接成级联，是为了增大输出脉冲的数量
2、分相和方向控制
由8253构成的实时脉冲需要经过分相才能满足步进电机的时序要求，分相电路种类很多，有计数器和译码器构成的，也有移位寄存器和反馈函数构成的，我们采用了后者实现A，B，C三相时钟源。
在移位寄存器CC4015时钟的作用下，D值在Q0，Q1，Q2及Q3之间移位，R1与C1的作用：上电复位后，通过CR端使输出全部清零，所以步进电机不工作，处于待命状态。此时的D值为1。只有在时钟输入端有脉冲输入时，D才能在Q0，Q1，Q2及Q3之间移动。当Q2等于1时，Q0与Q1同时为0，所以D值又变为1。在下一个时钟的作用下，Q0又为1，周而复始，实现A,B,C三相时钟源（见图2）。如果使用的是四相、五相或六相的步进电机，完全可以采用这种方法，实现N相分相。当然，也可以采用其它分相电路实现。当8253通道2的时间到达后，输出脉冲停止，与此同时通道2输出的高电平经二极管D1使CC4015复位，三相输出全部清零，使电机停止运行.且D值为1，并为下一次启动做好了准备。
图3.4电路信号时序图
如果要实现步进电机双三拍时序,只要在输出的Q0，Q1,Q2分别加反向器即可。为了实现用CPU进行方向控制，选用模拟开关4066构成B，C换向电路，当P1由0变为1时，步进电机反转。
表3.1时序翻转表
单三拍
双三拍
单三拍换相
双三拍换相
ABC
AˉBˉCˉ
ABC
AˉBˉCˉ
001
110
010
101
010
101
001
110
100
011
100
011
001
110
010
101
软件部分
与步进电机接口有关的程序主要有8253控制字、计数器初值的输入、电机方向控制和触发启动。
8253的控制字如下：
其中，SC1，SC0选择计数器通道；RW1，RW0为读写指示位；M2、M1、M0决定工作模式；BCD计数值格式。
当RW1，RW0为01时，计数值为八位；当RW1，RW0为11时，计数值是16位的，在电路采用如图1所示的级联情况下，在8位计数方式时所能产生的最大脉冲个数位104，而在16位计数方式时，最大脉冲个数达108(BCD码)，用户可根据步进电机的最大运转角度，进行选择。
下面为8253的控制字和计数初值的子程序,其中adr0--adr3为8253的口地址，R0计数初值存放单元的首址，计数值均为双字节数的BCD码，低位在前，高位在后，l，n及m依次存放。（附录2）
在实际应用中，T0的计数初值l和输入脉冲的频率f决定电机的运行速度，时序脉冲频率越高，速度越快，速度过高步进电机容易失步，影响定位的精度。一般步进电机最大同步速度为100--250步/s。T1和T2的计数值n、m和步进电机的步角距θ决定着步进电机运转的角度α,α=mnθ。[19]
确定透镜焦面的系统设计
4 结论
为了实现焦面的自动化检测，本文介绍了几种方法，并确定了一种焦面判读的理论方法，在原来光具座测量焦距的方法基础上，用CCD代替人眼进行焦面判读以提高精度。本文还设计了与该方法相匹配的伺服系统。这个系统的核心是一部电脑，用电脑来处理CCD读进来的数据，然后把结果反馈给步进电机，让其动作，最终让CCD达到一个较为精确的焦面位置。当然，要使用步进电机来实现自动化，那么就牵扯步进电机和电脑之间的连接问题和步进电机的驱动问题，本文采用了8253芯片来做接口电路，采用达林顿管来做驱动电路，如此就完成了完整的伺服系统的硬件设计。另外，本文根据该理论方法设计出了软件的实现流程图，并实现了焦面判读的软件设计。
该系统完成了焦面判读程序的设计，完成了接口电路和步进电机的控制电路的设计，完成了步进电机控制程序的设计。若该系统能得以进一步的完善，一定可以达到设计的目的和要求。
致谢
作者从2006年12月开始接受尊敬的胡老师的毕业设计题目，并于2007年2月开始着手对透镜焦面检测的题目在胡老师的指导下进行了一些研究，至2007年6月中旬完成学士论文。本文是在胡老师的悉心指导下完成的，胡老师渊博的学识和开阔的思维，严谨的治学态度以及一丝不苟的工作作风以及乐观的生活态度等等深深地影响着作者，并令其终生受益，在此谨向导师胡老师表示最衷心的感谢并致以崇高的敬意。
在完成论文的过程中，院系的韩老师和于洵于老师也给出了良好的建议，再此对两位老师说声感谢。另外胡同学对本文的完成也给予作者很多的帮助，在此也对胡同学说声感谢。
本文是在与他们有益的探讨和热心帮助中完成的，真诚地感谢各位老师们和同学们的热情关怀和支持，感谢他们在生活及学习上给予的关心和照顾。
衷心感谢答辩委员会全体成员在论文评审中提出的宝贵意见和建议。
谨以此文献给所有关心、支持和帮助过作者的老师，亲人，朋友和同学们。
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