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光学系统自动调焦概述摘要：随着仪器自动化、智能化的迅速发展，自动调焦技术的应用显得越来越 重 要，特别是在工业生产和测量中，往往要用到它本文就其基本方法、原理和发 展现 状作一简单概述关键词：自动调焦图像处理 评价函数寻优控制；1 引言在光学系统中，镜头对一定距离的目标成像有一个最佳像面位置，这个位置通 常满 足物像共扼关系[1],称为聚焦(Focus):偏离了这个位置，将导致系统离焦(Defocus),造 成图像质量下降、成像模糊光学系统的相对孔径越大，离焦表现 的效果越明显离 焦会直接影响后续的信息提取和处理丄作调整光学系统山离焦到聚焦的过程称为调焦能否准确快速调焦对于一个光学 系统 是非常重要的传统的手动调焦依靠人的LI测和手调，耗时长[2],可重复性小，调整 精度受人员主观影响较大20世纪 70 年代后，微电子技术的突破、大规 模集成电路和 中央处理器的出现，使调焦开始山过去的 LI 测和手调成为完全的自动 控制，随着自动 化水平不断提高，自动调焦技术也日臻完善，应用范围不断扩大， 在自动化、高精 度、高稳定性等方面都取得了很大进展，现己广泛应用于照相机、 摄像机、显微镜、 扫描仪等各种精密仪器中。

在初期主要是应用在显微镜、照相机和摄影机等方面，但在过去很长的时间内 都是 以非自动化即LI测、手动调焦的方式进行的，这主要山于它适应和满足了当时对调焦 精度和速度的要求但是在近儿十年来，特别是进入20 世纪 70年代以来， 随着科学 技术的飞速发展，同其他领域一样，精密仪器领域面临着高精度、高速度、高稳定性和自动化的 要 求，因而自动调焦技术不断完善，应用的范围也迅速扩大，自动调焦问题已经 不再是许多仪器实现或性能提高的重要障碍人们在自动调焦领域的深入研究，使得这一技 术成为精密光学仪器领域中的一项重要技术2自动调焦原理通用光学仪器常常要对丄件进行手动调焦及瞄准，其调节过程长，瞄准的精度受人 为主观因素的影响较大［3］现代化的数字测量仪器常采用激光、光栅等技术，虽然 仪器的测量精度、测量速度以及系统的自动化程度都得到了提高，但系统的瞄准部分 仍采用原来的光学瞄准方法，瞄准速度与瞄准精度仍未得到提高因此，解决通用光 学仪器及现代化数字仪器的调焦与瞄准问题，从而进一步提高测量精度、测量速度及 自动化程度，减轻操作人员的劳动强度是十分必要的随着21 世纪先进制造业自动化 生产技术的迅猛发展，对伴随其发展的质量检测技术提出了更高的要求。

自动化制造 生产过程中的完整质量检测系统，在具备实时检测能力的基础上，并且朝着高自 动化、智能化、柔性化方向发展而在计算机视觉理论基础上发展起来的自动化视觉 检测(Au to ma ted Machine Vision Inspec tion)技术，是一种非接触式的检测方法，并且 具有检测速度快、检测精度高、能够自动、连续的进行检测，可以进行遥测，便于自 动记录，可以和电子计算机相连接进行处理，可以采用微处理机做成智能仪器等优 点，恰好满足了现代工业对检测的要求现代科学技术的检测都是山静态向一1一动态发展，以及机器人技术的大力开发，更为视觉检测技术开拓了广阔的应用前 景图像测量技术是近年来在测量领域中形成的新的测量技术，其优点在于可进行在 线和非接触测量，而且具有信息量大，精度高，结构简单，易于与计算机相联等优 点LI前在图像测量技术中，需进一步解决的问题是如何进一步提高测量分辨率和调 焦的准确性进行准确调焦是图像测量的第一步，它是保障测量精度的前提和基础， 因而具有至关重要的作用无论是传统的检测方法还是视觉检测方法，凡光学系统都 有成像得问题，成像质量是人们对多数光学系统进行研究时比较关心的要素之一，因此它直接关系到研究的成果。

人们找出了很多种方法来获得高质量的图像，而关键技 术便是调焦问题［4］2. 1理论依据 自动调焦的口的是为了快速地获得高精度、高清晰的图像对于一个成像系 统，我们可以用高斯公式描述：111uvf式中:V-—物距；U---像距；f—焦距从上面的高斯公式我们可以看出，可以通过变物距、变像距、变焦距三种方式达到 调焦的LI的当物距或像距发生变化时，山式可知，当镜头的焦距不变时候那么为了 获得高质量的图像，可以通过改变物距-2 -或者像距这两种途径来满足高斯公式但改变像距的同时光学系统的放大倍数 也发 生改变，这对于—般的照相机和摄像机来可能关系不大，而对于绝大多数的精密仪器测 量来讲，这样做会影响仪器的使用，所以—般很少采用像距方式来调焦，同时山于变焦 距法调焦，是对光学镜头组进行调节相对复杂，难度比较高，—般很少采用所谓调焦， 是指沿光轴方向改变物面（或镜头）的位置，使得物像关系满足高斯公式，以获取清晰 的图像1) 离焦描述:儿何光学认为，平行光发出的光线经过理想的光学系统，全部汇聚 在焦平面上一点，而在离焦位置上(设8为离焦量)呈现弥散斑，弥散斑的形状与光学 孔径形状相似图2-1儿何光学的离焦描述以最常见的圆形孔径为例，图2-1中f为透镜焦距，D为透镜通光孔径，平行于光 轴的光线经透镜在焦平面上汇聚成一点，如果探测器平面偏离焦平面，则得到一直径 为d的弥散圆，其中d与偏移量8和通光孔径D成正比、与焦距f成反 比。

容易看出， 当探测器位于焦面前-3 -和焦面后时，其弥散圆的尺寸变化在焦面的前后是对称的，而且光强在弥散圆内分 布均匀在无像差的光学系统中，由于衍射的存在，点光源通过光学系统其能量会散开而不 能得到理想的点像，其亮度分布称为点扩散函数(PSF),点扩散函数可以通过求传输函 数的幅度得到，传输函数乂可以通过对光瞳函数作傅里叶变换得到图2-2中，S'为收 敛于焦点F的波前，S'为圆心位于F点后处8的离焦位置点P的波前，在对F12点张角为□处产生的两个波前距离差3二l/2n' Ssina ,其中n'为介质20折射 率由图2-2,光瞳函数为：「exi)[i(27L A) 2f )],其中/ +y2 <1f(x,y)= 10入）时，儿何光学的结果才可以在低频段近似衍射20理论。