[实用新型]一种自动对焦高精度大行程精密定位工作台

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种精密定位对焦设备，尤其涉及一种自动对焦高精度大行程精密定位工作台。

背景技术

东京工业大学研制了具有纳米级分辨率的一维直线电机驱动超精密工作台，它采用气浮导轨导向，行程300mm，导轨的垂直刚度600N/um，水平刚度220N/um。工作台重19.6kg，全部采用氧化铝陶瓷材料。直线电机驰动力160N，最大加速度6.4m/s2，最大速度320mm/s。反馈测量系统采用激光干涉仪，激光干涉仪的分辨率为0.63nm。控制系统采用带前馈补偿的PID控制器。它最大的特点是配置了一部电流变阻尼器，可以主动控制系统的动静态特性。系统可以实现2nm的步进定位。

住友重工公司开发的直线电机驱动的X-Y工作台具有快速运动响应。2.54mm的步进运动只需37ms就可使定位误差在10um以内。快速响应对于激光加工和半导体生产是非常关键的。德国PI公司所生产的自聚焦测量组件系统，自动聚焦测量，光学仪器，粗糙度测量仪，德国PI自聚焦测量组件系统微型自调焦激光传感器适用替代现有传统的位移和粗糙度测头。它可以进行快速非接触式表面轮廓和粗糙度测量以及精密位移的测量。激光测量光束借助于一个物镜聚焦于物体表面。由于物镜的位置是被连续调整的，因而激光束的焦点总是与物体表面重合。

大行程精密对焦平台，国内多所科研院所已经做了大量的研究，江光仪器厂改造的显微镜平台，其控制系统能实现载物台的三维驱动，但不能实现精确定位，重复性差，实现以游戏杆为辅助控制设备，但不能做到变速控制，实际操作不方便：未提供自动搜索、聚焦功能；南京航空航天大学的在NHIS金相图像自动分析系统中采用步进电机控制载物台，提出并实现了灰度直方图梯度自动聚焦算法；2002年，武汉大学测试中心成功地使用“PC控制卡+步进电机”的方式对一台国产显微镜和一台进口显微镜的载物台进行了自动化改造，同时使用“CCD+视频采集卡+步进电机的方式”对自动聚焦系统进行了改造，虽然载物台采用齿轮齿条的传动方式，降低了改造难度，其精度受到限制，但整个系统改造取得较好成果。清华大学等单位研制的线宽测量仪，在显微系统的设计上采用了偏心光束法，其调焦范围为10um，调焦精度达到了1.9nm.此外，四川大学，北京航空航天大学，重庆大学等对显微镜的自动化改造都做了大量的研究。南京红绿蓝公司致力于显微镜自动平台研发，图像分析系统和控制软件系统的开发，目前取得了丰硕的成果。

现行技术中与本技术最接近的是广州中国科学院工业技术研究院实用新型的一种激光加工初始位置自动的对焦定位方法。其主要原理是激光器发出的光束经激光加工头的光路系统投射在被加工工件的表面形成光斑，移动激光加工头，同时用摄像头实时采集光斑图像，在通过计算机对比光斑图像的属性来找出位于焦平面的光斑图像，然后根据该光斑图像所对应的激光加工头的移动距离，移动激光加工头，对焦工作完成，然后，通过计算机确定加工初始点的中心与光斑中心之间的位置关系，根据该位置关系移动激光加工头，从而获得加工初始位置的精确定位。与现行技术相比，本实用新型对加工初始位置的对焦和定位精确性高，能满足精加工要求。

常规的激光对焦方法包括：烧斑法、红外摄像法、小孔成像法。传统运动平台中对焦精确度不够高，容易产生误对焦；在很多的激光加工工艺中需要拥有0.01um的加工定位精度。

现有技术大多数有对焦稳定性不强的缺点，而且容易受到环境和硬件中各种噪声的影响；如控制镜头移动的电机存在误差，镜头移动存在惯性，硬件驱动存在时间延迟，这就造成对焦速度达不到要求，即使最先进的技术智能化程度和实时性也有待提高，在现有技术中需要通过计算机采集、对比光斑图像，费时费力、行程不够，难以满足精密工程的需要；在激光加工工件时，都需要100mm的竖直方向行程，一般的精密平台都难以满足这个要求，因此存在改进空间。

实用新型内容

本实用新型的目的就在于为了解决上述问题而提供一种自动对焦高精度大行程精密定位工作台。

本实用新型通过以下技术方案来实现上述目的：