國立中山大學機械與機電工程學系

碩士論文

應用 DVD 讀取頭於即時影像聚焦之技術

The real-time image focusing technique

via DVD pickup head

研究生：邱紹鈞 撰

指導教授：嚴成文 教授

中華民國 九十六 年 六 月

謝謝謝謝 誌誌誌誌

回想著剛踏入中山時的自我期許，與這兩年來的點點滴滴，自己

成長了許多同時也相當感謝身邊的老師與學長和朋友們。

這些日子裡，首先要感謝指導教授 嚴成文老師兩年來在研究上

提供專業知識的指導，讓學生在研究過程中學到很多也成長許多，讓

學生受益匪淺，在此至上最高的感激。

感謝 李建德以及陳沛仲老師擔任口試委員，爲學生的論文提供

寶貴的意見，讓本論文更加完善。感謝博士班學長 建明、傑能、清

松、楨喨、人鋒，在學習上給了我許多專業知識的建議，讓我感受到

當研究或其他方面碰到困難時，有學長的適時指點，都能豁然開朗。

感謝已畢業的學長 家緯、明智、茂霖、信吉，及學弟 仁聰、彥仕、

晧智、柏如，很珍惜和你們一起在籃球場奔馳的時光同時也感謝你們

讓研究生活更加溫暖。感謝金屬中心的學長 治中、政英、政哲、立

軒，在金屬中心進行實驗時給了很多專業的指導，讓本論文實驗能順

利完成。感謝一起畢業的同學 睿敏、禹州、炯廷，在學習上一起討

論，相互學習與成長。最後感謝我的父母給我最大的支持與鼓勵，給

我無微不至的照顧，讓我在無憂無慮的環境中接受完整的教育，在此

獻上最誠摯的感謝。 2007/7/13 邱紹鈞

I

摘要摘要摘要摘要

近年來由於科技發展不斷進步，一些客觀的檢測技術也漸漸成

熟，已有許多領域檢測設備採用非接觸式的自動光學檢測(Automatic

Optical Inspection, AOI)，逐漸取代傳統人工的檢測。使用自動光學檢

測技術，不但可降低人工檢驗的負擔與人為疏失，更可以提高檢測速

度與可靠性。而目前工業的標準檢測設備都相當昂貴，因此希望能開

發出成本較為低廉且對焦性能同時能應用在工業上的檢測設備。

本論文以光學讀取頭為核心，開發自動對焦系統，在整個系統的

建構上，首先修改光學讀取頭之光路，使讀取頭之光路與 CCD 取像

系統之光路合而為一，並利用讀取頭所輸出的聚焦誤差訊號之線性區

間做為對焦參考訊號，接著由個人電腦進行處理，透過控制法則，並

以電容感測器量測位移，計算適當的電壓，控制並驅動壓電平台進行

對焦，來達到自動對焦的目的。

整體實驗完成了以光學讀取頭為核心的低價位自動對焦系統，其

對焦速度大部分都可在 0.4秒內完成，而最慢也能在 1秒左右完成對

焦。未來希望以此雛型系統作為基礎，發展出完整的工業用自動光學

檢測平台。

II

Abstract

Due to maturity of experimental technology in recent years,

automatic optical inspection (AOI) is used in many industrial applications

to replace visual inspection with high-speed and reliable characteristics.

Because standard industrial AOI instruments are very expensive, this

work introduces a low-cost and high performance AOI instrumentation

technique for industrial applications.

In this study, we develop an image auto focusing system based on

the pickup head of DVD player. We alter the optical path of pickup head

and integrate the CCD camera in this system. The idea is to use focus

error signal in the linear focus region to estimate the distance between

pickup head and object surface. In addition, a capacitance gauging

instrument is used to measure the displacement. A PC based control law

is then developed by using the PZT to drive the auto focusing system.

By setting up such a low-cost system, the experimental results show

that the time required for focusing performance is within 0.4s in most

cases while the longest focusing time is about 1s. It is hoped that the

results of this study can be implemented for real industrial AOI

applications.

III

中文摘要………………………………………………………………...I

英文摘要.................................................................................................II

目錄.........................................................................................................III

圖目錄…………………………………………………………………..V

表目錄…………………………………………………………….…...IX

第一章 緒論...........................................................................................1

1.1 研究動機與背景……………………………………………….2

1.2 論文架構……………………………………………………….5

第二章 DVD 光學讀取頭………………………………….……….6

2.1 光學讀取頭介紹…………………………………………….....6

2.2 讀取頭光學元件介紹………………………………………….7

2.3 自動功率控制與聚焦誤差電路……………………………...14

第三章 取像與光學讀取頭之光路整合……………..………….22

3.1 光路系統架構………………………………………………...22

3.2 主要光學元件原理及架設方式說明………………………...24

3.3 取像實驗結果………………………………………………...30

第四章 對焦控制與實驗…………………………………………..36

4.1 對焦控制架構………………………………………………...36

4.1.1 對焦控制步驟…………………………………………...37

IV

4.2 實驗設備……………………………………………………...39

4.3 壓電平台控制………………………………………………...45

4.3.1 壓電平台控制器設計…………………………………48

4.3.2 近似多項式初步定位…………………………………49

4.3.3 ㄧ次式誤差修正............................................................53

4.3.4 定位控制誤差分析………............................................56

4.4 對焦控制實驗結果與分析………………………………….57

4.5 對焦實驗結果綜合討論…………………………………….67

第五章 結論與未來展望…………………………………………..68

參考文獻………………………………………………………………69

V

圖目錄圖目錄圖目錄圖目錄

圖1.1 為擷取多張影像並計算影像清晰度以得到對焦之位置……….2

圖1.2 日本中央精機自動對焦模組與原理…………………………….3

圖1.3 DVD雷射讀取頭外觀圖………………………………………….5

圖2.1 DVD讀取頭.....................................................................................6

圖2.2 讀取頭內部光路設計…………………………………………….7

圖2.3 雷射二極體之特性曲線………………………………………….8

圖2.4 四象限光感測器………………………………………………….9

圖2.5 像散法…………………………………………………………...12

圖2.6 待測物離物鏡較遠…………………………………………….13

圖2.6 待測物於透鏡之聚焦位置…………………………………….13

圖2.8 待測物離物鏡較近…………………………………………….13

圖2.9 聚焦誤差電壓值與對焦距離線性關係圖……………………..14

圖2.10 CXA2581N腳位………………………………………………...15

圖2.11 APC示意圖……………………………………………………...16

圖2.12 APC電路圖……………………………………………………...16

圖2.13 PD訊號長時間量測…………………………………………….17

圖2.14 IC內部之FES運算電路………………………………………...18

圖2.15 外部FES與RF放大電路……………………………………….18

VI

圖2.16 FES訊號……………………………………………………….19

圖2.17 RF訊號………………………………………………………...20

圖2.18 電路實體圖…………………………………………………….21

圖3.1 光路架構圖……………………………………………………...23

圖3.2 光路實體圖……………………………………………………...23

圖3.3 光波……………………………………………………………...24

圖3.4 偏光片示意圖…………………………………………………...25

圖3.5 偏極化分光鏡光路說明………………………………………...26

圖3.6 四分之一波片原理……………………………………………...27

圖3.7 光路路徑說明…………………………………………………...27

圖3.8 雷射光與成像光路徑示意圖………………………………...29

圖3.9 10倍物鏡取像光路線性區間……………………………………30

圖3.10 微調待測物平台與CCD……………………………………….31

圖3.11 待測物平台自動對焦移動方向……………………………….32

圖3.12 線性端起始點之影像………………………………………….33

圖3.13 線性端對焦點之清晰影像…………………………………….33

圖3.14 線性端終點之影像…………………………………………….34

圖4.1 對焦系統架構…………………………………………………...37

圖4.2 聚焦誤差電壓線性區間與平台位移之間的線性關係...............38

VII

圖4.3 PZT實體圖……………………………………………………….39

圖4.4 PZT Driver實體圖………………………………………………..40

圖4.5 電容感測器實體圖……………………………………………...41

圖4.6 PCI-1713 A/D卡實體圖………………………………………….42

圖4.7 PCI-1720 D/A卡實體圖………………………………………….43

圖4.8 影像擷取卡實體圖……………………………………………...44

圖4.9 CCD實體圖………………………………………………………44

圖4.10 遲滯效應造成上升和下降曲線不一致……………………….46

圖4.11 不同的步進電壓下，遲滯的現象也不盡相同……………….47

圖4.12 定位後不做任何控制下壓電平台會偏離原來的位置……….47

圖4.13 定位控制流程………………………………………………….48

圖4.14 近似多項式初步定位………………………………………….49

圖4.15 實驗ㄧ結果…………………………………………………….50

圖4.16 實驗二結果…………………………………………………….51

圖4.17 近似二次曲線介於上升與下降曲線之間.................................52

圖4.18 短行程內視為線性…………………………………………….53

圖4.19 ㄧ次式誤差修正方塊圖…………………………………….54

圖4.20 實際控制壓電平台到達定位的路徑………………………….55

圖4.21 壓電平台完整行程影像清晰度……………………………….58

VIII

圖4.22 景深外清晰度最小值………………………………………….58

圖4.23 景深範圍內清晰度最大值…………………………………….59

圖4.24 景深範圍內清晰度最小值…………………………………….59

圖4.25 對焦影像清晰度實驗結果…………………………………….60

圖4.26 對焦距離與時間……………………………………………….62

圖4.27 由起始位置8µm開始對焦……………………………………..63

圖4.28 由起始位置58µm開始對焦……………………………………64

圖4.29 聚焦誤差電壓雜訊…………………………………………….65

圖4.30 對焦定位位置範圍…………………………………………….66

IX

表目錄表目錄表目錄表目錄

表3.1 光學元件之規格………………………………………………...34

表4.1 PZT(PU 65 HR)規格表.................................................................39

表4.2 PZT Driver(Piezo-amplifier 5V10)規格表………………………40

表4.3 電容感測器(4810)規格表……………………………………...41

表4.4 PCI-1713規格表…………………………………………………42

表4.5 PCI-1720規格表…………………………………………………43

表4.6 Domino Melody規格表………………………………………….43

表4.7 CCD (CV-A1)規格表……………………………………………44

表4.8 實驗ㄧ…………………………………………………………..50

表4.9 實驗二…………………………………………………………..51

表4.10 定位誤差實驗結果................................................................... 56

表4.11 對焦影像清晰度實驗結果……………………………………60

表4.12 最大超越量最大值實驗結果…………………………………61

表4.13 景深範圍對焦時間實驗結果…………………………………62

表4.14 景深外對焦時間實驗結果……………………………………63

表4.15 安定時間實驗結果……………………………………………64

表4.16 對焦定位重複性分析實驗結果………………………………65

- 1 -

第一章第一章第一章第一章 緒論緒論緒論緒論

1.1 研究動機與背景研究動機與背景研究動機與背景研究動機與背景

自動光學檢測在工業應用上，由於所需檢測之元件往往相當微

小，以 TFT-LCD 面板為例，其玻璃基版上的薄膜電晶體非常小，所

以必須以高倍率物鏡來檢測。然而在高倍率物鏡下，造成影像景深狹

小，因此檢測時容易因地表振動造成取像時的影像誤差，造成誤判，

所以檢測設備必須具有消除低頻振動的設計，而同時也必須具有即時

自動對焦的功能，才能在微小振動或機台移動的平行誤差下，正確擷

取到清晰的影像，以利檢測設備作出正確的判斷。因此在工業自動光

學檢測中，自動對焦系統在檢測設備中相當重要。而在影像自動對焦

的研究方面有許多對焦搜尋之方式，例如 :Fibonacci Search

Technique[1]根據 Fibonacci Sequence( 00 =F , 11 =F , 21 −− += iii FFF ,for

i ≧2)可定出最多需搜尋的次數。首先以 2−nF 為測試位置，定義前後

兩點清晰度差值為 S∆ ，當 S∆ 產生變號時，反向搜尋，每搜尋一個

位置後，即縮減下個鏡頭移動間距(搜尋間距由 3−nF , 4−nF , 5−nF …..逐

次遞減，最小間距為 1)，逐次縮小搜尋間距以逼近最佳對焦位置，完

成對焦。Binary Search Method [2] 利用相隔兩點的清晰度差值 E∆ ，

當 E∆ 產生變號時，則縮減 1/2 倍的取像間距，反向搜尋最佳對焦點，

如此反覆搜尋，逼近對焦點，完成對焦動作。此外還有全域搜尋法

- 2 -

[3]，記錄取像平台的可工作距離內每點位置及計算該點清晰度值，

以求得清晰度最大值，搜尋最清晰的影像位置。以 TFT array pattern

而言，採用 50倍放大倍率的物鏡下，景深約只有 1.5µm。因此，取像

系統在間隔約 0.75µm 取得一張影像，約取 38 張影像後，製作出清

晰度分佈表，以判定最佳的對焦距離。如圖 1.1為利用多張影像計算

影像清晰度以得到對焦之位置，其中 a、b、c、d、e分別在不同間隔

位置擷取的影像，經過計算影像清晰度顯示於圖中的 f，以取得最佳

對焦位置。利用計算影像清晰度搜尋對焦點為最經濟的方法，然而，

不同位置取像計算清晰度，將會增加對焦的時間。

圖1.1 a、b、c、d、e分別在不同間隔位置擷取的影像，經過計算後結

果顯示於圖三中的f，以取得最佳對焦位置

- 3 -

而目前面板廠所採用的自動對焦模組，在此舉例日本中央精機的

自動對焦模組與原理，(如圖 1.2)所示，其原理為利用 Auto focus

Pattern 打出一光柵條紋的 Pattern經由 Half Mirror 反射至待測物，再

由待測物反射經過 Half Mirror、Beam splitter 至 Line Sensor，透過 Line

Sensor隨時偵測 Auto focus Pattern 的差異，移動取像系統，確保在聚

焦狀態下。此性能規格為，聚焦範圍±200µm(20 倍物鏡使用時)聚焦

時間為 0.7秒。此系統為工業級的性能規格，但是購置成本高達近二

百萬元。

圖1.2 日本中央精機自動對焦模組與原理

綜合上述，若以影像處理的演算做為對焦方的式雖然成本較低，

但是會增加對焦的時間，而日本中央精機的自動對焦模組為目前工業

- 4 -

上使用之檢測模組，但是成本近二百萬元相當昂貴。因此希望能發展

出一套對焦性能可應用在工業檢測上且成本較為低廉的系統。

近年來有許多以市售之雷射光學讀取頭應用在量測方面的研

究；[4]研究中利用光學讀取頭做振動量測，可測量出相當細微且高

頻振動訊號，[5]研究中利用光學讀取頭與六軸磁浮系統整合成奈米

量測系統，其量測精度及重複性可高達 20nm。[6]以市售光學讀取頭

為基礎，採用單刀緣掃描法設計出一低成本、高精度之位移量測系

統。因此可知由光學讀取頭所發展出的非接觸式量測系統，不但在量

測上具有高精度且價格便宜，因此本論文使用目前市售商用 DVD 光

碟機之雷射讀取頭做為自動對焦系統之核心，外觀(如圖 1.3)所示。

結合光路設計、光學讀取頭之應用，將市售的光學讀取頭部分光路分

解，並且因應取像的目的，將取像光路與對焦光路整合在一起，驅動

待測物平台，達到自動對焦目的。

- 5 -

圖1.3 DVD雷射讀取頭外觀圖

1.2 論文架構論文架構論文架構論文架構

本論文共分五章，第一章為研究動機及背景。第二章為 DVD讀

取頭各光電元件與光學原理介紹，並說明整體相關之週邊電路。第三

章為取像與光學讀取頭之光路整合，並說明此對焦取像光路之原理。

第四章則介紹整個對焦控制系統與實驗結果。第五章敘述本論文結論

與未來展望。

- 6 -

第二章第二章第二章第二章 DVD 光學讀取頭光學讀取頭光學讀取頭光學讀取頭

本論文是以 DVD 光學讀取頭做為對焦系統的核心，因此本章節

將介紹讀取頭內部的光學元件和讀取頭本身的光學對焦原理與其相

關週邊應用電路說明。

2.1 光學讀取頭系統介紹光學讀取頭系統介紹光學讀取頭系統介紹光學讀取頭系統介紹

目前市售的光碟機系統，其光學系統包含了雷射二極體(Laser

Diode，LD)、光檢測 IC (Photodetector)、繞射光柵(Grating)、偏極分

光鏡(Polarization Beam Splitter，PBS)、1/4波片(1/4λ Plane)、聚焦透

鏡(Focus Lens)、圓柱透鏡(Cylindrical Lens)、準直透鏡(Collimator

Lens)、音圈馬達(Voice Coil Motor，VCM)等。讀取頭外觀(如圖 2.1)。

而光學讀取頭內部光路設計(如圖 2.2)。接著說明讀取頭的原理與特

性。

圖 2.1 DVD讀取頭

- 7 -

圖 2.2 讀取頭內部光路設計

2.2 讀取頭讀取頭讀取頭讀取頭光學光學光學光學元件介紹元件介紹元件介紹元件介紹

本論文所使用為 SONY公司所生產型號為(KHM 210 AAA)的

光學讀取頭[7]。。。。讀取頭包含了數種光電元件、基本處理電路與其內

部主要的元件說明如下：

(1) 雷射二極體

雷射二極體(Laser Diode)又稱半導體雷射(Semiconductor Laser)

具有體積小、反應快、耗電少、價格低等優點，於光電系統產品中應

用十分廣泛。雷射二極體的應用大致可分為短波長與長波長雷射兩大

- 8 -

類。短波長雷射包含了發光波長由 390nm 到 950nm 的雷射。長波長

雷射則包含了由 950nm 到 980nm 的雷射。而 DVD 光學讀取頭的雷

射二極體是屬於短波長雷射中，波長由 635nm 到 670nm 之間。

圖 2.3 為雷射二極體之特性曲線[9]，可以看出輸出的功率會隨著

環境的溫度而改變，因此在使用上常用 APC (Automatic Power Control)

電路控制雷射輸出的穩定性，所以一般 LD 後方都加有功率監控檢光

器，隨時檢測 LD 之輸出功率，做為 APC 電路回饋控制之依據，來

達到穩定功率目的。

5

4

3

1

2

020 40 60 80

P0-O

pti

ca

l p

ow

er

ou

tpu

t (m

W)

IF-Forward current (mA)

Tc=25 0C

Optical power output vs. Forward current characteristic

Tc=50 0C

圖 2.3 雷射二極體之特性曲線

- 9 -

(2)光檢測 IC

光檢測器的功能是將光訊號轉換成電子訊號，藉由電子訊號來判

讀原始光訊號。而光學讀取頭所使用的為由四個象限所組合而成的光

感測器(如圖 2.4)，讀取頭就是利用此四象限感測器來接收四個象限

的光量並且計算聚焦誤差訊號(Focus Error Signal, FES) = (A + C) – (B

+ D)與反射光強度訊號(RF, RF) = (A + C + B + D) 。

AVB

V

CV

DV

圖 2.4 四象限光感測器

(3)繞射光柵

光柵的分光原理主要是利用光的繞射現象使光分離為零階、正一

階、負一階等數道光束。其中零階光束做為聚焦伺服檢測之用，正負

一階則供循軌伺服之用。

(4) 1/4λ波片

主要功用為對雷射光束的相位產生 45 度的改變，相位產生改變

後，光的極性也會有所改變，例如:將線偏振光改變為圓偏振光。

- 10 -

(5) 偏極分光鏡

其作用為只讓某個方向振動的線偏振光能順利通過，但是與其偏

振方向垂直的線偏振光則被全部反射。利用此原理防止聚焦後經由光

碟片反射面反射回來之雷射與原來雷射二極體發出之雷射光互相干

擾，造成雷射光的不穩定。因此藉由 1/4λ 波片配合偏極分光鏡的光

路設計，改變入射與反射光的極性，當入射光經由偏極分光鏡進入

1/4λ 波片時，雷射光的相位產生 45 度的改變，使極性由線偏振變為

圓偏振，接著經由光碟片反射回來後第二次進入 1/4λ 波片時再產生

ㄧ次相位的改變，且由圓偏振變回為線偏振，而此時與原入射光共相

差了 90 度，雷射光即可直接穿透偏極分光鏡，聚焦到光感測器上。

上述光路說明參考(圖 2.2)。

(6)聚焦透鏡

其作用為使雷射光束收斂，並聚焦到光碟片上。DVD 光學讀取

頭除了讀取 DVD 光碟片之外，還可以讀取 CD 光碟片，因此本論文

所使用雷射讀取頭之聚焦透鏡，可使原始的雷射光束分別聚焦成適合

DVD 與 CD 光碟片之資料儲存位置的雙焦點。

(7)準直透鏡

使雷射光源更加平行送出到物鏡，可讓聚焦點更小。

- 11 -

(8)圓柱透鏡

利用圓柱透鏡的光學原理產生像散光束，再利用光檢測 IC 分析

此像散光束，估測物鏡與光碟片的距離並判定是否有對焦。

讀取頭完整光路行進流程為，當雷射光由雷射二極體產生後，經

由繞射光柵產生檢測光束，經過偏極分光鏡反射 90 度，再由準直透

鏡、1/4λ波片、物鏡收斂光束並聚焦於光碟片上。反射光路則循原路

徑，但在第二次進入 1/4λ波片時產生第二次相位的改變所以與原入

射光共相差了 90 度，因此進入偏極分光鏡後雷射光會完全穿透，經

圓柱透鏡產生像散光束，最後投射至光感測器。四象限感測器會根據

光點在四個象限上的光分佈，輸出聚焦誤差訊號 (Focus Error

Signal)。這個訊號經過運算放大及補償處理後，推動音圈馬達，將物

鏡推到碟片可以在聚焦平面上的位置，達到聚焦的目的。此時讀取頭

再根據反射光的強度變化讀取碟片上的數位訊號，完成資料存取的動

作。

在對焦過程中用於判斷雷射光是否對焦的光學原理為像散法，而

像散法為透過圓柱透鏡的垂直焦距與水平焦距不同時來判定物體位

置(如圖 2.5)，若待測物離物鏡較遠時則像散法所得為長軸為 Y，短

軸為 X 之橢圓，四象限光感測器上之成像光點則呈現橢圓形狀(如圖

2.6)，而待測物於透鏡之聚焦位置時則成像光點呈現圓形形狀(如圖

- 12 -

2.7)。若待測物離物鏡較近時則像散法所得為長軸為 X，短軸為 Y 之

橢圓，四象限光感測器上之成像光點呈現橢圓變化(如圖 2.8)。(如圖

2.9)經由遠焦、聚焦和近焦過程中，可得四象限之(A + C)-(B + D)輸出

之聚焦誤差電壓值與對焦距離為線性關係，本論文主要就是利用此線

性區間作為影像對焦的參考訊號來達到對焦目的，而光學讀取頭對

CD 與 DVD 碟片對焦時此線性區間的大小分別約 20µm 與 7µm。

X

Y

Z

遠焦 聚焦 近焦

圖 2.5 像散法

- 13 -

圖 2.6 待測物離物鏡較遠

圖 2.7 待測物於透鏡之聚焦位置

圖 2.8 待測物離物鏡較近

- 14 -

電壓值

光碟片與透鏡距離

聚焦誤差線性區間

+

-

遠焦

聚焦

近焦

遠 近

CD線性區間距離:20um

DVD線性區間距離:7um

圖 2.9 聚焦誤差電壓值與對焦距離線性關係圖

2.3 自動自動自動自動功率控制與功率控制與功率控制與功率控制與聚焦誤差電路聚焦誤差電路聚焦誤差電路聚焦誤差電路

讀取頭週邊電路主要包含了自動功率控制與運算聚焦誤差訊

號，爲了希望此電路能盡量簡單所以選擇將主要功能整合在單一晶片

內 Sony公司型號 CXA2581N 的 IC 來負責主要的計算。由於 IC 所運

算出之聚焦誤差訊號為提供 DVD 讀取頭讀取光碟片用，因此 IC 所

計算之聚焦誤差訊號相當微小，而取像光路所需要峰值約±8V左右，

因此要自行設計放大電路來放大聚焦誤差訊號來符合後續實驗之需

- 15 -

求。此 IC 腳位(如圖 2.10)。此實驗控制讀取頭所需之腳位及電路功

能說明如下:

圖 2.10 CXA2581N腳位

(1)LD、PD:

LD 即是雷射端，PD 即是讀取頭內部提供的光檢測器輸出腳位。

PD 的訊號是用於判斷雷射的輸出功率，而讀取頭內部已將 PD 電流

訊號轉換為電壓訊號輸出。LD 腳位則需再外接電晶體來驅動讀取頭

雷射二極體。(如圖 2.11)中，我們提供一個參考電壓源，並以此和 PD

- 16 -

訊號作一比較，此相減後的訊號，來推動 LD 的驅動電路。其中 LD

之驅動電路乃利用電晶體作為一開關，控制電流大小；另外以電感及

二極體做為 LD 的保護電路。其 IC 內部電路與外接驅動電路(如圖

2.12)。

參考電壓

驅動電路 I/V轉換

讀取頭

+

-

LD PD

圖 2.11 APC示意圖

R815

R933

47uH

-

+3

21

84

VCC

-

+3

21

84

R5 56k

C2

10u

R4

R

VCC

R6

10k

C3

10u

VCC_ARROW

R7 1k

D1

PD

R1 55k

Q1

VCCC1

10u

R3

R

R2

10k

LD

圖 2.12 APC 電路圖

爲了確定 DVD 讀取頭在此電路下能穩定運作，因此進行 PD 訊

號的長時量測，並將其放大以便觀測。由(圖 2.13)結果所示可發現APC

- 17 -

的雷射輸出並不會隨著時間而衰減。

圖 2.13 PD 訊號長時間量測

(2)A、B、C、D 輸入腳位與 FES和 RF 之運算電路:

讀取頭內部之光檢測 IC，利用四個象限之輸出訊號計算出

(A+C)-(B+D) 之 聚 焦 誤 差 訊 號 (FES)和讀 取 頭 本身所提供 的

(A+C+B+D)之反射光強度訊號(RF)。由於 IC 所計算出之 FES 與讀取

頭所提供的 RF 訊號遠低於取像對焦所需的訊號強度(約±8V)，因此必

須適度放大；另外 IC 所計算出之訊號是以 2.5V 為準位，因此在外接

放大電路時必須先將此 2.5V 之準位扣除後再放大。(圖 2.14)為 IC內

部之 FES 運算電路，(圖 2.15)為外部 FES 與 RF 放大電路。

- 18 -

圖 2.14 IC內部之 FES 運算電路

FES in

2.5V

C4

0.1u

R5 10k

R7 10k

C3

0.1u

+12

-12

C3

0.1u

-12

C1

0.1u

2.5VR7 10k

+12

-

+

U1

AD620

26

74

81

3

5

C4

0.1u

C1

0.1u

+12

+12R3

20k

R3

20k

-12

FES out

-12

-

+

U1

AD620

26

74

81

3

5

R5 10k

RF in

RF out

圖 2.15 外部 FES 與 RF 放大電路

- 19 -

在介紹聚焦理論(2.2節)和此 IC 與外部運算放大電路後，我們接

著利用此顆雷射讀取頭實際量測聚焦誤差訊號。實驗方式是以電腦控

制線性馬達移至適當之位置，並將 FES 與 RF 訊號經由資料擷取介面

卡進行 A/D 轉換並儲存。實驗結果(如圖 2.16)、(圖 2.17)。

圖 2.16 FES 訊號

- 20 -

圖 2.17 RF 訊號

由於讀取頭能讀取 DVD 與 CD 光碟片，故實驗結果發現雷射光

束聚焦成適合 DVD 與 CD 光碟片之資料儲存的雙焦點，也觀察出適

用於 DVD 與 CD 的兩段線性區間。實驗結果驗證此電路之功能，並

可與取像對焦光路整合。(圖 2.18)為此電路之實體圖。

- 21 -

圖 2.18 電路實體圖

- 22 -

第三第三第三第三章章章章 取像與光學讀取頭之光路整合取像與光學讀取頭之光路整合取像與光學讀取頭之光路整合取像與光學讀取頭之光路整合

本論文自動對焦系統包含 DVD 光學讀取頭與取像光路系統。本

章將說明此整合光路系統中各光學元件之光學原理及說明整合性光

路的設計。

3.1 光路系統架構光路系統架構光路系統架構光路系統架構

光路系統整合了取像光路與 DVD 光學讀取頭，目的是希望以光

學讀取頭之雷射光作為核心，建立具有即時對焦功能的取像平台。實

驗架構主要為 DVD 讀取頭的雷射光與照明用白光，經過同軸的光路

後，使兩道光經過物鏡照射在待測物上，再利用 DVD 讀取頭的聚焦

誤差訊號來調整待測物的取像距離來達到自動對焦的目的，同時照明

用的白光經由待測物反射後，成像在 CCD 上，而取得清晰的影像。

其系統光路架構圖(如圖 3.1)。光路實體圖(如圖 3.2)。

- 23 -

DVD pickup

Lens2 Objective

45° Reflective Dichroic

Color Filter

Quarter

waveplate

PBS

Polarizer

CCD

IrisLens1White Light

Source

PZT

Position Sensor

圖 3.1 光路架構圖

圖 3.2 光路實體圖

- 24 -

3.2 主要光學元件原理及架設方式說明主要光學元件原理及架設方式說明主要光學元件原理及架設方式說明主要光學元件原理及架設方式說明

(1) 偏光片 (Polarizer)

由於光是一種電磁波，(如圖 3.3)光的前進方向為 z 方向的光

波，而光波的電場方向可為 Y 方向，也可以是 X 方向或是 XY 平

面的任一向量，也就是沿著 Z 方向前進的光波有多種可能的電場方

向。因此將沿著電場方向 Y 方向振盪的光稱為 P-wave(平行入射

面)，而沿 X 方向振盪的光稱為 S-wave(垂直入射面)，而此實驗偏

光片的目的主要是將白光光源經偏光片後變為只有單一方向振盪

的 S-wave(如圖 3.4)讓接下來的 PBS 能反射白光光源。

圖 3.3 光波

- 25 -

圖 3.4 偏光片示意圖

(2)凸透鏡 1和光圈(Lens1 and Iris)

凸透鏡 1 的焦距為 50mm，其功用是將發散的白光光源匯聚起來

形成近似平行的光束。光圈的功用在調整白光光束的光量。

(3)偏極化分光鏡 PBS (Polarization Beam Splitter)

此種分光鏡一般做成方塊狀，其中有一對角面為反射面，它所區

分的是光的偏極化，即根據光波極化方向的不同而分光。此反射面可

使 P-wave（TM mode）完全穿透、S-wave（TE mode）完全反射。因

此可將由偏光片射入之 S-wave 完全反射，所以此白光光源便可照明

待測物，光路說明(如圖 3.5)。

- 26 -

白光光源

S-wave

凸透鏡1

光圈 偏光片

偏極化分光鏡

待測物

圖 3.5 偏極化分光鏡光路說明

(4) 四分之一波片(Quarter waveplate)

由於前面 PBS 所反射之 S-wave 偏振光沿著光路最後經由待測物

反射回來時再次經過 PBS 會回到原白光光源之路徑，因此無法在

CCD 上呈現待測物影像，所以必須將反射之 S-wave 轉為 P-wave，使

其在第二次經過 PBS 時能順利穿透，以使 CCD 能接受到待測物影

像。因此利用四分之一波片來改變光的極性，其原理為當入射之線偏

振光與四分之一波片光軸夾 45 度角時，入射之線偏振光會變為圓偏

振，若此圓偏振光再經過四分之一波片時會變回為線偏振光，但此線

偏振光會與原來的入射光產生 90 度的差距而達到將 S-wave 轉為

P-wave 之目的，原理(如圖 3.6)，而光路路徑(如圖 3.7)。

- 27 -

045

045

090

圖 3.6 四分之一波片原理

圖 3.7 光路路徑說明

- 28 -

(5)45∘反射式分光片(45∘Reflective Dichroic Color Filter)

45∘反射式分光片的功用是反射 DVD 讀取頭的紅光並反射白光

光源當中的紅光，以避免讀取頭與白光光源之紅光互相干擾而造成量

測之誤差。當紅光的入射角為 45∘時，會反射紅光，其反射率約在

90%。

(6)顯微物鏡(Objective)

顯微物鏡使用放大倍率為 10 倍之物鏡，此物鏡與待測物之工作

距離參考參數為 17.30 mm。

(7) DVD 讀取頭、CCD、顯微物鏡與凸透鏡 2

將 DVD 讀取頭原來之聚焦透鏡取下，前加裝凸透鏡 2，使 DVD

讀取頭的平行光聚焦再發散，而凸透鏡 2 的聚焦點到 45 度反射式分

光片的距離，必須和 45 度反射式分光片到 CCD 的距離相同，而經由

實驗方式微調後得知當此距離約為 130mm 時，DVD 雷射光源與 CCD

成像具有相同的聚焦平面，示意圖(如圖 3.8)。而讀取頭聚焦透鏡原

來對焦範圍(即聚焦誤差訊號線性區)約為 20µm (CD 碟片)與 7µm

(DVD 碟片) 。由於此對焦範圍過短，而經由此 10倍顯微物鏡光路的

設計下，線性區間約可大於 70µm(如圖 3.9)，以利實驗對焦控制並取

像。

- 29 -

為縮短成像距離，以加大 CCD 所接收到影像視野，本實驗光路

需要將 CCD 與偏極化分光鏡的距離調整越近越好。而光路系統所佔

之空間也會因此變小，也有助於將來縮小光路系統的體積。

圖 3.8 雷射光與成像光路徑示意圖

- 30 -

圖 3.9 10倍物鏡取像光路線性區間

3.3 取像實驗結果取像實驗結果取像實驗結果取像實驗結果

架設完上述的取像與光學讀取頭整合光路後，接著就是要對平台

進行手動式微調，微調方式包含下步驟:

1. 先微調待測物平台。以漸進方式將待測物平台由遠到近，調向顯

微物鏡以找出聚焦誤差訊號線性區間。

2. 找到線性區間後再微調至聚焦誤差訊號對焦點。

3. 到聚焦誤差對焦點後，微調 CCD 取像位置以取得清晰之影像。

4. 取得清晰影像後即固定 CCD 平台位置。

- 31 -

微調校正目的是將 CCD 的聚焦點調整到與 DVD 讀取頭的聚焦點同

一平面。微調步驟(如圖 3.10)所示，經由手動方式微調後即完成此光

路之參數設定。

在此光路設計下，當待測物平台移動至聚焦誤差訊號線性區間進

而到達對焦點時，便可取得清晰之影像。第四章自動對焦實驗便是根

據聚焦誤差訊號來驅動待測物平台的方式找尋對焦位置以完成影像

對焦，平台自動對焦移動方向(如圖 3.11)。

圖 3.10 微調待測物平台與 CCD

- 32 -

圖 3.11 待測物平台自動對焦移動方向

本論文實驗檢測之待測物為 TFT-LCD 面板當中的彩色濾光片

(Color Filter)，因此所有對焦取像之圖片皆為此彩色濾光片經過 10倍

顯微物鏡下所得之放大圖。(圖 3.12)為線性端起始點之影像，(圖 3.13)

為聚焦誤差訊號對焦點之清晰影像，(圖 3.14)為至線性端終點之影像。

- 33 -

圖 3.12 線性端起始點之影像

圖 3.13 線性端對焦點之清晰影像

圖 3.14 線性端終點之影像

- 34 -

此實驗光路架構所使用光學元件之規格如表 3.1 所示。

表 3.1 光學元件之規格

一、 Item 二、 Component Specifications

1 DVD pickup head

(DVD 光學讀取頭)

Model:SONY-KHM-210AAA

Wavelength: 650nm

N.A.: 0.6

RMS wavefront error : 0.033λ

Focus error : Astigmatic method

Tracking error : 3-spot method

2 Lens1

(凸透鏡 1)

Model: BL108AP

φ : 25.4mm, f: 250mm, t c : 2.6mm

3 45∘Reflective

Dichroic Color Filter

(45∘反射式分光片)

Model: FILTER 45 DEG DICHROIC

RED 50mm

Material: BK7

Coating: MgF2 AR Coated

Reflection: 640-750nm: R> 98%

Platform Size: 50×50mm2

4 Objective

(顯微物鏡)

Model: Nikon LU Plan

Magnification: 10x

N.A.: 0.30

Working distance: 17.30 mm

5 White Light Source

(白光光源)

Model: LA-150UE

Rated frequency: 50/60Hz

Power consumption: 180W

Lamp color temp: 50W20H/3,000K

Intensity of illumination:

50W/260,000 lux

6 Lens2

(凸透鏡 2)

Model: BL108AP

φ : 25.4mm, f: 250mm, t c : 2.6mm

7 Iris

(光圈)

Model: EID01

φ A: 28mm,

MAX. Aperture: 18mm,

- 35 -

MIN. Aperture: 0.8mm

8 PBS (Polarization

Beam Splitter)

(偏極化分光鏡)

Model: PBS-20-6328

Material: BK7

Wavelength range: 441.6nm~1.55µm

Transmittance of p-polarization≧97%

Size(W×H×L): 20mm×20mm×20mm

9 Polarizer

(偏光片)

Model: Kenko PL

Diameter: 52mm

Thickness: 3mm

10 Quarter waveplate

(四分之一波片)

Model: WPL1125-λ/4

Material: Crystal quartz

Diameter: 25.4mm

Retardation Tolerance: <λ/500

11 CCD Model: JAI-CAV1

Pixels: 1392(H)×1040(V)

Cell Size: 4.65µm ×4.65µm

Imager: 1/2" interline transfer CCD

(ICX205AL)Power: 12V DC ±10%,

1.8W

Size (W×H×L):29mm×44mm×66mm

- 36 -

第四章第四章第四章第四章 對焦控制與實驗對焦控制與實驗對焦控制與實驗對焦控制與實驗

完成光路架設後，本章節將介紹如何控制待測物平台移動到對焦

位置完成自動對焦的動作，並說明此控制系統的對焦控制程序與架

構，最後說明實驗方式與自動對焦控制的實驗結果。

4.1 對焦控制對焦控制對焦控制對焦控制架構架構架構架構

由於在微調光路系統時已經將 CCD 的聚焦點調整到與 DVD 讀

取頭的聚焦點同一平面。因此整個對焦控制系統主要是依據聚焦誤差

電壓線性區間的訊號來尋找其對焦位置，達到對焦的目的。在此我們

使用壓電致動器作為追蹤對焦點的移動平台，壓電平台位移量測是由

電容感測器測量。

人機控制介面是使用 Borland C++ Builder 6.0 進行開發。透過此

介面可以連結擷取卡的動態連結程式庫以設定擷取卡的參數。影像方

面是以 eVision 所提供的影像函式庫來分析對焦結果的影像清晰度，

eVision 也提供即時影像的擷取與顯示的功能。之後所介紹的對焦追

蹤控制都是以此操作介面為基礎開發的實際應用。

整個系統控制與訊號擷取是由個人 PC 進行處理。A/D 擷取卡

PCI-1713 負責擷取光學讀取頭聚焦誤差電壓的對焦訊號和由電容感

測器量測得的位置訊號。D/A 擷取卡 PCI-1720 負責控制驅動壓電平

- 37 -

台到達定位位置，光路取像則由影像擷取卡與 CCD 來呈現動態影像

與擷取靜態影像。系統架構(如圖 4.1)。

壓電平台 光路系統

四象限光感測器

與放大電路電容感測器

控制訊號

實際位置訊號

聚焦誤差電壓訊號

對焦定位誤差修正

PC

轉換為目標對焦

定位位置

(圖4.2)

+

-

圖 4.1 對焦系統架構

4.1.1 對焦控制步驟對焦控制步驟對焦控制步驟對焦控制步驟

在設計校正光路時，我們已將平台對焦範圍設定在聚焦誤差電壓

的線性區間內，因此壓電平台能移動的最大與最小位置皆在此線性區

間，故對焦控制的程序都是在在此區間內進行。其實際的對焦步驟為:

1.由於我們需要聚焦誤差電壓線性區間的斜率做為定位的參數，因此

首項動作即為驅動壓電平台移動完整 0~70µm 的行程，藉由此方式

可得聚焦誤差電壓與平台位移之間的線性關係(如圖 4.2)。

- 38 -

圖 4.2 聚焦誤差電壓線性區間與平台位移之間的線性關係

2.接著由第一步得到的線性關係，由聚焦誤差電壓值對焦點換算出壓

電平台的對應位置，並驅動壓電平台到達對焦定位點。

3.到位後量測聚焦誤差電壓值，為了不讓雜訊影響控制的相對穩定

性，我們將聚焦誤差訊號對焦點±0.25V 以內的變動視為可接受範

圍。即聚焦誤差訊號在±0.25V內時，我們即判定為到達對焦位置，

而不再繼續搜尋對焦位置。

由於壓電致動器是負責驅動此對焦系統移動待測物的移動平

台，所以控制此平台的定位精度相當重要，故 4.3節將討論如何設計

適當的壓電平台控制方法。而在介紹此控制方法前，下一節將先介紹

相關的實驗設備與設備參數。

- 39 -

4.2 實驗設備實驗設備實驗設備實驗設備

1.壓電致動器

本論文採用高精度、出力大、體積小的壓電致動器用來作為待測

物的移動平台，使用的 PZT 為德國 Piezosystem Jena公司產品，型號

為 PU 65 HR，(圖 4.3)為所使用的 PZT，(表 4.1)為壓電致動器的規格。

圖 4.3 PZT實體圖

表 4.1 PZT(PU 65 HR)規格表

Parameter Value Unit

Motion (± 10%) 70 µm

Max voltage 150 V

Resolution open loop 0.08 nm

Resonant frequency 1320 Hz

dimension 28x50x26 mm

- 40 -

2.PZT Driver

電腦輸出控制電壓訊號並不足以驅動 PZT，因此需透過放大器將

電壓訊號放大，而此放大器為德國 Piezosystem Jena公司產品，型號

為 Piezo-amplifier 5V10(如圖 4.4)， 規格如表(4.2)。

圖 4.4 PZT Driver 實體圖

表 4.2 PZT Driver(Piezo-amplifier 5V10)規格表

Parameter Value Unit

Output voltage 0 to 150 V

Input signal 0 to 5 V

Power supply 5 V DC

Output power 1.5 W

3.電容感測器

電容式感測器為非接觸式量測，主要利用電容效應，當物件與感

測器間之距離改變時，即會改變電容值，應用此一原理可量測出目標

- 41 -

物細微之位移變化或是幾何形狀細微改變。電容感測器為 ADE 公司

產品，型號為 4810(如圖 4.5)， 規格(如表 4.3)。

圖 4.5 電容感測器實體圖

表 4.3 電容感測器(4810)規格表

Parameter Value Unit

Measurement Range 100± Μm

4.訊號擷取卡

本論文共使用兩張訊號處理卡，類比/數位是為研華公司產品，

型號為 PCI-1713 A/D卡，(如圖 4.6)，規格(如表 4.4)，目的是將由讀

取頭所量測到的聚焦誤差訊號和經由電容感測器所量得到的壓電平

台位移量在取樣後傳回電腦。而數位 /類比是為研華公司產品，

- 42 -

PCI-1720 D/A卡，(如圖 4.7)，規格(如表 4.5)。其目的為輸出控制電

壓訊號給壓電平台以完成定位控制的目的。

圖 4.6 PCI-1713 A/D卡實體圖

表 4.4 PCI-1713規格表

Parameter Value

Channels 32single-ended/16differential

Resolution 12bits

Max Sampling Rate 100kS/s

FIFO Size 4096samples

- 43 -

圖 4.7 PCI-1720 D/A卡實體圖

表 4.5 PCI-1720規格表

5.影像擷取卡

影像擷取卡為 Euresys公司出品的 Domino Melody(如圖 4.8)，規

格(如表 4.6)。

表 4.6 Domino Melody規格表

Parameter Value

Max clock frequency 40 MHz

Frame Buffer 16-Mbyte

Parameter Value

Channels 4 isolated channels

Resolution 12bits

- 44 -

圖 4.8影像擷取卡實體圖

6.CCD

使用之 CCD 為 JAI公司出品的 CV-A1(如圖 4.9)，規格(如表 4.7)。

圖 4.9 CCD實體圖

表 4.7 CCD (CV-A1)規格表

Parameter Value

Effective pixels 1392x1040

S/N ratio >50dB

- 45 -

4.3 壓電平台控壓電平台控壓電平台控壓電平台控制制制制

[10]遲滯現象(Hysteresis)為壓電平台的一種特性。由材料來說，

對於沒有經過特別處理的結晶，由於各電域極化方向隨機排列，總體

之極化量為零；當外加電場時，每一電域之極化方向會隨電場方向排

列，而有一淨極化值；此時若除去電場，因為分子間的摩擦關係造成

其極化值並不回到零；飽和極化後，除去電場所剩下的極化量，稱為

殘留極化(remanent polarization)欲使極化回歸於零，需加上一反向矯

頑電場(coercive field)，此種極化-電場之關係，造成上升和下降曲線

不一致，而 PZT 壓電致動器基本上是磁性材料，無法避免遲滯現象

的發生，而遲滯所造成的追蹤誤差可達移動路徑的 10%~15% (如圖

4.10)。

我們可由簡單的實驗來觀察我們壓電平台的遲滯現象。(如圖

4.11)所示。此圖為由 PC 送出電壓到壓電平台:藍色曲線為起始電壓由

0V，步進電壓為 0.01V 推進到 4V，再由 4V每次減 0.01V 到 0V 後停

止。而紅色曲線路徑相同，步進電壓改為 0.05V。由這些壓電平台輸

入與輸出的對應關係可看出在同樣的電壓輸入下因為遲滯效應所對

應的位置輸出並不一致。而且在不同的步進電壓下，遲滯的現象也不

盡相同，進而產生不同的位移曲線。同時也觀察到另一現象(如圖 4.12)

所示。此圖為控制卡輸出一定電壓後，不再做任何控制下，所測量壓

- 46 -

電平台位置隨時間變化的關係，可以看出長時間下，壓電平台會慢慢

偏離原來的位置，在 50 秒後偏離了將近 0.4µm，所以即使到達定位

後必需繼續對誤差做回饋控制來達到準確定位的目的。所以必須根據

此系統的特性，來設計適合的控制方法，以求達到精確的系統架構。

圖 4.10 遲滯效應造成上升和下降曲線不一致

- 47 -

圖 4.11 不同的步進電壓下，遲滯的現象也不盡相同

圖 4.12 定位後不做任何控制下壓電平台會偏離原來的位置

- 48 -

4.3.1 壓電平台控制器設計壓電平台控制器設計壓電平台控制器設計壓電平台控制器設計

遲滯效應為一複雜的動態性質，與輸入的變化率有關，也與輸入

的大小有關，若要將遲滯現象的數學模型描述出來，勢必需要許多簡

化真實情況的假設，因此建立一個高精度的遲滯模式在實務上似乎不

可行。因此本論文考慮以先由實驗的方式來取得壓電平台位移與輸入

的關係，並利用多項式近似遲滯曲線，用此近似多項式作為第一階段

的定位控制，接著再以誤差修正的方式進行第二階段的精確定位控

制。定位控制流程(如圖 4.13)。

圖 4.13 定位控制流程

- 49 -

4.3.2 近似多項式初步定位近似多項式初步定位近似多項式初步定位近似多項式初步定位

第一階段的多項式定位控制是希望經由實驗取得的壓電平台輸

入出數據，以曲線近似(Curve Fitting)的方式建立輸入出變數的映射關

係，再由此近似曲線來達到的初步定位的目的。舉例(如圖 4.14)，假

設定位位置為 50µm，由於有遲滯效應的影響，因此控制電壓的可能

範圍為圖上的綠色區域，約 2.9V~3.2V。而紅色曲線為假設的理論近

似曲線，將目標值 50µm帶入此曲線的方程式即可求得理論上的控制

電壓﹔再以此控制電壓驅動壓電平台，黑色區域則為可能的初步定位

位置區域。換言之，此區域即是以 50µm 為目標值時，第一階段定位

所能到達的可能範圍。

圖 4.14 近似多項式初步定位

- 50 -

為了取得曲線近似，實驗是以隨機的方式由控制卡輸出控制電壓

給壓電平台，設定控制電壓的解析度為 0.1V，隨機控制次數為 500

次。壓電平台的位置由電容感測器量測，而其位置單位由原電壓單位

表示。此實驗分別給定兩個不同位置初始值。實驗一初值為 0V，實

驗二為-2.07V，以觀測不同初始位置是否會有近似的定位多項式。

實驗一的方式整理(如表 4.8)，實驗結果由 2 階 Curve fitting 之方

程為: 0.0259581.6765+0.067344- 2+xx=y ，(如圖 4.15)中近似曲線方

程式為紅色曲線而實驗數據則用藍色顯示。

表 4.8 實驗ㄧ

範圍 點數 解晰度 初始值 方式

0~5V 500 0.1V 0V Random

圖 4.15實驗ㄧ結果

- 51 -

實驗二的方式整理(如表 4.9)，實驗結果由 2 階 Curve fitting 之方程式

為: 0439.2-6629.1+066104.0 -= 2xxy ，(如圖 4.16)中近似曲線方程

式為紅色曲線而實驗數據則用藍色顯示。。

表 4.9 實驗二

範圍 點數 解晰度 初始值 方式

0~5V 500 0.1V -2.07V Random

圖 4.16 實驗二結果

由以上兩次不同初值的實驗得到的兩組二次曲線近似，其中二次

項係數與ㄧ次係數項幾乎相同，只有初值也就是常數項不同，符合實

- 52 -

驗預期的結果。如果將此二次曲線近似與之前量測的遲滯上升曲線與

下降曲線做圖形的比較(如圖 4.17)，可以發現此二次曲線也如預期介

於上升與下降曲線之間。由於兩組實驗近似曲線參數幾乎相同，所以

我們擇用實驗ㄧ之參數，二次項係數 -0.067344，一次項係數 1.6765，

而常數項初值為開機時壓電平台初始位置，因此並不固定，只需開機

時由控制程式紀錄即可。

圖 4.17 近似二次曲線介於上升與下降曲線之間

接著以實際的定位實驗來驗證二次曲線初步定位與目標定位的

誤差值。方法為隨機給定目標定位點，再由目標值算出所需輸入的控

制電壓驅動壓電平台，量測其位置。實驗共 500 個目標定位點，統計

- 53 -

出與目標最大誤差值為-0.45703V≤Error≤0.48633V，換算為距離單位

為-4.5703µm≤Error≤4.8633µm，因此已經有達到初步定位的結果，使

我們可以進行第二階段的精確定位控制工作。

4.3.3 ㄧㄧㄧㄧ次式誤差修正次式誤差修正次式誤差修正次式誤差修正

雖然遲滯效應讓壓電平台位移時會有非線性的情形，而且行程越

長越明顯，但由於經過第一步初步定位後，離目標值約在±4.8µm 以

內，行程相當短 ，可將此行程內視為線性區間(如圖 4.18)。我們即

利用此特性來設計適合的修正方式來修正剩餘的誤差部分，將誤差進

一步降低。

圖 4.18 短行程內視為線性

- 54 -

本研究設計的ㄧ次式誤差修正的方塊圖繪於(圖 4.19)。假設設定

的目標位置為 py ，斜率比例常數為 m， kx 為第 k項控制驅動電壓， ky

為第 k項壓電平台的位置。則此ㄧ次式誤差修正控制法則為:

m

)y(yxx

)xm(xyy

kp

kk

kkkp

−+=→

−=−

+

+

1

1

令m

k p

1=

)y(ykxx kppkk −+=→ +1

斜率 m 是以實驗的方式微調出來，微調的結果為 m = 1.6，因此

6250.k p = 。我們的控制方法即是經由此方式不斷修正控制驅動電

壓，讓壓電平台位置到達目標位置 py 。

py

ky

kx

1+kx 1+ky

圖 4.19 ㄧ次式誤差修正方塊圖

- 55 -

圖 4.20 實際控制壓電平台到達定位的路徑

上圖 4.20 為實際控制壓電平台到達定位的路徑說明，首先第一

步初步定位到達 yk的位置，此時驅動電壓為 xk，誤差為 yp - yk，經過

ㄧ次式誤差修正後得到新的驅動電壓 xk+1和新的壓電平台位置，以此

類推逼近到誤差趨近為零，完成定位控制。

- 56 -

4.3.4 定位控制定位控制定位控制定位控制誤差誤差誤差誤差分析分析分析分析

經由ㄧ次式誤差修正後，接著以實際的實驗來分析定位的性能。

實驗方式:

� 隨機給定 100 個目標輸出。

� 每次目標給定後開始量測，每次量測時間為 50秒，點數 500 點。

100 次隨機目標，共 50000 點。實驗結果如表 4.10。

表 4.10 定位誤差實驗結果

穩態誤差(絕對值均值) 0.030866µm

穩態誤差(標準差σ) 0.039558

誤差的範圍是以誤差絕對值均值 ×± 3 標準差，因為誤差超過

( σ3± )的機率已很小，因此實用上作為誤差的極限。而穩態誤差極

限的範圍為-0.087809µm≤|Error|±3σ≤0.14594µm。而此定位精度在此

對焦系統已足夠。

在設計完壓電平台控制方法後，接下來結合聚焦誤差訊號做完整

的自動對焦控制實驗，以驗證此對焦系統可行性與其對焦性能。

- 57 -

4.4 對焦控制實驗結果對焦控制實驗結果對焦控制實驗結果對焦控制實驗結果與分析與分析與分析與分析

爲了驗證對焦的性能，首先討論此壓電平台完整 70µm 行程和對

應聚焦誤差訊號完整的線性區間的影像清晰度分析，並定義出其景深

範圍。以 1.25µm 為步進單位讓壓電平台從初始位置開始取得多張影

像，再由影像軟體 eVision 的函式庫來計算影像清晰度的數值(如圖

4.21)。而 eVision 的函式會針對輸入的影像計算並輸出一個清晰度數

值，其數值越大代表清晰度越高，經由運算後其清晰度分布範圍約從

0.82333~2.0369 之間。由於本論文為討論此影像對焦系統之可行性，

因此主要目的為能呈現清晰的影像，而對焦到一定程度後肉眼並無法

分出其差異性，因此景深清晰範圍之定義除了參考 eVision 所計算之

清晰度值，還有以目視能接受之範圍為準則，因此我們將清晰度值

1.98058~2.0369 定義為影像清晰的區間，所得到之景深約 8.75µm，相

對於平台景深位範圍為 30~38.75um 之間。

- 58 -

圖 4.21 壓電平台完整行程影像清晰度

下圖 4.22 為景深外清晰度最小值，圖 4.23 為定義之景深內清晰

度最大值之影像，圖 4.24 為景深內清晰度最小值之影像。

� 景深外清晰度最小值 0.82333

圖 4.22景深外清晰度最小值

- 59 -

� 景深範圍內清晰度最大值 2.0369

圖 4.23景深範圍內清晰度最大值

� 景深範圍的清晰度最小值 1.98058

圖 4.24景深範圍內清晰度最小值

- 60 -

接著隨機由不同位起始位置進行對焦，並將對焦後取得之清晰影

像做清晰度分析，如實驗結果(如表 4.11)與(圖 4,25)。

表 4.11 對焦影像清晰度實驗結果

圖 4.25 對焦影像清晰度實驗結果

由實驗結果可得知此實驗之對焦方法可取得清晰的影像。但

清晰度值並非都相同，此原因會在後續對焦定位重複性分析討論。

統計次數(25) 清晰度

平均值 2.022600

標準差 0.024800

- 61 -

接著實驗選取由壓電平台不同的位置經由控制後到達對焦點的

方式來說明對焦的性能。而壓電平台起始位置分別從 8µm、18µm、

28µm、38µm、48µm、58µm、68µm 進行實驗，每次控制量測時間約

10秒，且每個起始點共量測 10 次，總共對焦次數 70 次，。

接下來各起始位置的對焦實驗數據分為最大超越量最大值、至影

像景深範圍內之對焦時間、安定時間、聚焦誤差電壓和壓電平台對焦

訊號暫態圖與對焦定位重複性分析。

� 最大超越量最大值，實驗結果(如表 4.15)。

表 4.12 最大超越量最大值實驗結果

起始位置 最大超越量最大值

8µm 2.4902µm

18µm 3.6621µm

28µm 3.5156µm

38µm 1.8067µm

48µm 3.1250µm

58µm 3.5156µm

68µm 1.6602µm

將各起始點實驗中之最大超越量最大值列出可看出此控制方法

下最大超越量最大值約為 3.6621µm。

� 至影像景深範圍內之對焦時間，由於對焦到景深範圍時間可分為

最大超越量在定義景深內和最大超越量超過定義景深，因此對焦時間

分為兩部份討論:

- 62 -

1.最大超越量在定義景深內時(共 65 次佔 92.86%)，實驗結果(如表

4.13)。而起始點在 38µm 在景深內所以表 4.13無列入此位置參數。

表 4.13 景深範圍對焦時間實驗結果

起始位置 到景深範圍距離均值 對焦時間均值 標準差

8µm 27.723µm 0.3402s 0.0845

18µm 17.200µm 0.2918s 0.0988

28µm 7.0530µm 0.2459s 0.0995

48µm 12.857µm 0.2709s 0.1093

58µm 24.108µm 0.3021s 0.1389

68µm 33.581µm 0.4031s 0.1085

由各個起始位置到影像景深範圍內之對焦時間可得知離景深範

圍最遠位置其對焦時間約 0.4031秒，距離愈近對焦時間愈短，(如圖

4.26)。

圖 4.26 對焦距離與時間

- 63 -

2.最大超越量在定義景深外時(共 5 次，佔 7.14%)，實驗結果(如表

4.14)。

表 4.14 景深外對焦時間實驗結果

超越景深之距離 到景深範圍對焦時間

1.289µm 0.750s

1.143µm 0.938s

1.110µm 0.750s

0.654µm 0.750s

0.312µm 1.031s

當最大超越量有超過定義景深時對焦時間則相對的增加，對焦時

間最大約 1.031秒內完成。

� 暫態圖

圖 4.27 由起始位置 8µm開始對焦

- 64 -

圖 4.28 由起始位置 58µm開始對焦

� 安定時間，本實驗定義為當壓電平台進入由(4.3.4節)實驗求得之

穩態誤差範圍內為安定時間，實驗結果(如表 4.15)。

表 4.15 安定時間實驗結果

起始位置 安定時間均值 標準差

8µm 1.6405s 0.2939

18µm 1.7250s 0.4172

28µm 1.5844s 0.4604

38µm 0.8249s 0.5207

48µm 1.9593s 0.5920

58µm 1.9164s 0.8705

68µm 1.3313s 0.4502

由實驗數據可知各個起始位置到對焦的安定時間並不固定，而其

原因為由於取像光路及電路整合後其聚焦誤差電壓有一定程度的雜

- 65 -

訊與細微漂移存在(如圖 4.29)，因此會造成聚焦誤差電壓在驅動壓電

平台修正對焦位置的時間長短不同，因此使的對焦安定時間不固定。

圖 4.29 聚焦誤差電壓雜訊

� 對焦定位重複性分析，由實驗 70 次中壓電平台定位位置數據(如

表 4.16)。

表 4.16 對焦定位重複性分析實驗結果

對焦定位位置均值 34.827µm

對焦定位位置最大值 37.549µm

對焦定位位置最小值 30.322µm

對焦定位位置標準差 1.7120

- 66 -

圖 4.30 對焦定位位置範圍

在(4.2.1節)對焦控制步驟中第 3步有提到為了不讓雜訊與訊號細

微飄動影響控制穩地性，因此將聚焦誤差訊號對焦點±0.25V 以內的

變動視為可接受範圍。由於定義可容忍範圍，所以定位上並無法每次

都到達相同定位點(如圖 4.30)，因此也解釋了對焦影像清晰度值並非

都相同的原因，但由實驗數據可看出平均定位點在 34.827µm 之位

置，最大值與最小值皆在景深範圍內，因此在本論文使用 10 倍顯微

物鏡對焦取像下其誤差是可接受的。但若未來要更換更高倍率之物

鏡，景深將更小，則需將聚焦誤差訊號雜訊與細微飄動做抑制以減少

定位點不同所造成的取像誤差。

- 67 -

4.5 對焦實驗結果綜合討論對焦實驗結果綜合討論對焦實驗結果綜合討論對焦實驗結果綜合討論

由上述各實驗分析後可知此對焦控制均能達到影像對焦的目

的，並取得清晰之影像。對焦的性能規格上，在大部份的狀況下

(92.86%)最大超越量都在景深範圍內，此時對焦速度都能在 0.4 秒內

完成。若最大超越量超過景深範圍時(7.14%)，對焦速度最慢也能在 1

秒左右完成對焦。由於受聚焦誤差訊號雜訊的影響，對焦位置還是會

在小範圍內變動，然而在本實驗使用 10 倍物鏡做為取像，因為景深

較大，故這些變動還不至於影響對焦影像的清晰度。然而若未來要更

換更高倍率之物鏡，則需抑制聚焦誤差訊號雜訊的影響，以減少定位

點變動所造成的對焦誤差。

- 68 -

第五章第五章第五章第五章 結論與未來展望結論與未來展望結論與未來展望結論與未來展望

本論文最重要目的是以 DVD 光學讀取頭作為主要核心，完成低

價位的影像自動對焦系統，應用其自動對焦的光學原理，再配合由

CCD為主的取像光路和DVD讀取頭的聚焦誤差訊號來調整待測物的

取像距離來達到自動對焦的目的。而待測物平台控制部份主要是透過

以 PC-Based搭配 A/D 及 D/A 訊號處理卡來輸出控制訊號讓待測物平

台到達對焦定位位置。透過實驗的實作與分析，已驗證出此取像對焦

光路之可行性，而自動對焦控制上所設計之初步定位與ㄧ次式誤差修

正均能達到不錯之性能效果。

但系統仍然存在需要修正的問題。就電路硬體上，因為讀取頭聚

焦誤差電壓為主要對焦參考訊號之核心，其雜訊與電壓細微飄動抑制

方面有待進ㄧ步的電路改良，以提升對焦之定位精確性。就光路上，

由於本論文實驗都是以 10倍顯微物鏡做為實驗參數依據，若未來更

換 20倍或 50倍等更高倍率物鏡，其景深範圍與聚焦誤差電壓線性區

間勢必有所不同，因此需更進ㄧ步探討其之間之差異。而在光路體積

縮小上也是未來可以研究的方向。往後希望以此雛型系統作為基礎，

發展出完整的工業用自動光學檢測平台。

- 69 -

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