基于圖像處理的自動(dòng)調(diào)焦系統(tǒng)設(shè)計(jì)

肖雅靜，趙歲花，崔 潔

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京，100176)

引線鍵合機(jī)是半導(dǎo)體后期封裝中的關(guān)鍵設(shè)備之一，它將芯片上的焊盤(pán)和框架的引腳用金線或銅線連接起來(lái)，焊接精度要精確到微米級(jí)，以滿足越來(lái)越小的焊盤(pán)間距，由此有一套機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)負(fù)責(zé)芯片的圖像采集，并依靠圖像處理來(lái)定位焊盤(pán)位置，圖像質(zhì)量對(duì)于定位準(zhǔn)確至關(guān)重要。隨著IC芯片的集成度越來(lái)越高，尤其是堆疊芯片(Stack Die)的出現(xiàn)，當(dāng)芯片間層高大于100 μm時(shí)，采集到的圖像就會(huì)模糊。為了得到清晰的圖像，本文研究了一種基于圖像處理的調(diào)焦算法，設(shè)計(jì)了一套調(diào)焦系統(tǒng)，通過(guò)圖像處理方法來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)焦功能。

1 基于圖像處理的自動(dòng)調(diào)焦

通常按照有無(wú)探測(cè)源將自動(dòng)調(diào)焦方法分為兩大類：主動(dòng)式自動(dòng)調(diào)焦和被動(dòng)式自動(dòng)調(diào)焦。主動(dòng)式指通過(guò)相應(yīng)的方法測(cè)距，利用一定的數(shù)學(xué)模型計(jì)算當(dāng)前的精確焦距從而完成調(diào)焦，此方式需要額外的測(cè)距設(shè)備，因此適用范圍相對(duì)較小。被動(dòng)式指利用成像機(jī)構(gòu)獲取圖像的固有信息分析調(diào)焦方向，通過(guò)反復(fù)調(diào)整最終調(diào)節(jié)到最佳焦面位置。本系統(tǒng)采用后者來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)焦。

基于圖像處理的自動(dòng)調(diào)焦系統(tǒng)一般由光路系統(tǒng)、相機(jī)、圖像處理計(jì)算機(jī)、顯示器、直流電機(jī)、調(diào)焦機(jī)構(gòu)等幾個(gè)部分組成，如圖1所示。景物通過(guò)光路系統(tǒng)成像于相機(jī)上，通過(guò)計(jì)算機(jī)完成兩項(xiàng)工作，一方面將圖像顯示在屏幕上，另一方面以圖像清晰度評(píng)價(jià)函數(shù)為理論依據(jù)對(duì)圖像進(jìn)行處理，并計(jì)算出調(diào)節(jié)參數(shù)，去通過(guò)直流電機(jī)控制調(diào)焦機(jī)構(gòu)作用于光路系統(tǒng)，改變焦距，直至顯示器上顯示的圖像為最佳焦面上所成的最清晰的圖像則完成調(diào)焦過(guò)程。

圖1 基于圖像處理的自動(dòng)調(diào)焦系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖

2 圖像清晰度評(píng)價(jià)函數(shù)

一幅圖像是否聚焦，反映在空域上是圖像的邊緣及細(xì)節(jié)是否清晰，而圖像的邊緣及細(xì)節(jié)信息可以通過(guò)對(duì)圖像進(jìn)行微分來(lái)獲取，因此，利用這些信息作為聚焦的判斷依據(jù)。這種提取圖像邊緣信息的頷首成為聚焦評(píng)價(jià)函數(shù)，圖像經(jīng)過(guò)聚焦評(píng)價(jià)函數(shù)處理后得到的值就可以反映出圖像的清晰度。為了準(zhǔn)確的反應(yīng)圖像信息，聚焦評(píng)價(jià)函數(shù)應(yīng)具有無(wú)偏性、單峰性、高靈敏度、較高信噪比、計(jì)算量小等特征。

設(shè) I(x，y)代表點(diǎn)(x，y)處的圖像灰度值，m，n分別為二維圖像的列數(shù)和行數(shù)，K為最終計(jì)算的最佳焦面位置。常用的清晰度評(píng)價(jià)函數(shù)有：

a)灰度方差算子：

其中

b)圖像灰度梯度向量模方和：

Gk的值反映了圖像系列中第k幅圖像在圖像窗口內(nèi)的灰度變化率大小，圖像越模糊，圖像中灰度變化率越小（即Gk的值越?。?，圖像由模糊變清晰時(shí)圖像中的灰度變化率由小變大，所以最大的Gk對(duì)應(yīng)的圖像就是最清晰的圖像。

c)基于sobel算子的Tenengrad函數(shù)：

T0所對(duì)應(yīng)的位置即為聚焦位置。

綜合考慮計(jì)算復(fù)雜度及穩(wěn)定性，本文采用灰度方差算子。

3 調(diào)焦控制算法研究

首先，直接對(duì)相機(jī)采集到的640×480的圖像進(jìn)行處理，由一序列從模糊變到清晰再變到模糊的圖像得到的原始灰度方差函數(shù)歸一化曲線如圖2所示?？梢钥闯銮€中存在局部極值點(diǎn)，穩(wěn)定性差，容易發(fā)生誤判。

為了改進(jìn)調(diào)焦效果，我們可以在圖像窗口中選取特定區(qū)域，此區(qū)域稱為調(diào)焦窗口，針對(duì)調(diào)焦窗口區(qū)域的圖像信息進(jìn)行分析，計(jì)算灰度方差的峰值，得到最佳焦平面的位置。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，調(diào)焦窗口的大小選擇直接影響到調(diào)焦的速度和準(zhǔn)確度，窗口過(guò)小，圖像信息就少，評(píng)價(jià)函數(shù)的變化趨勢(shì)不突出，調(diào)焦不穩(wěn)定，窗口過(guò)大，包含的背景信息過(guò)多，背景和芯片可能不在同一平面上，從而導(dǎo)致調(diào)焦不穩(wěn)定?；阪I合機(jī)所面對(duì)的芯片特點(diǎn)以及光學(xué)系統(tǒng)，本文采用圖像中心128×128的區(qū)域作為調(diào)焦窗口。當(dāng)圖像從模糊到清晰，再到模糊，灰度方差函數(shù)歸一化曲線如圖3所示。

圖2 灰度方差函數(shù)歸一曲線

圖3 引用調(diào)焦窗口得到的灰度方差函數(shù)歸一曲線

調(diào)焦的目的是為了找到這一曲線的波峰值。為了得到更快的響應(yīng)速度，本文采用粗調(diào)和細(xì)調(diào)相結(jié)合的方法，也就是采用變化的調(diào)節(jié)步距。首先用大步距來(lái)得到波峰值臨界區(qū)域，從0開(kāi)始逐漸增大焦距，當(dāng)聚焦值開(kāi)始變小時(shí)，表示到達(dá)波峰值轉(zhuǎn)折點(diǎn)，然后從此往回兩個(gè)步距范圍內(nèi)細(xì)調(diào)，采用小步距來(lái)得到準(zhǔn)確的波峰值。在此基礎(chǔ)上，對(duì)灰度方差算子進(jìn)行改進(jìn)，引入閾值T，改進(jìn)的灰度方差算子為：

其中：

通過(guò)變步距方法和改進(jìn)的灰度方差算子相結(jié)合的方法，得到的灰度方差曲線如圖4所示。

圖4 改進(jìn)的灰度方差函數(shù)歸一曲線

由圖線可以看出，運(yùn)用了變步距和閾值控制之后，可以迅速地找到灰度方差曲線的峰值點(diǎn)，得到最佳焦平面位置，靈敏度也得到了提高。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及結(jié)論

采用這一控制系統(tǒng)，對(duì)不同芯片進(jìn)行自動(dòng)調(diào)焦實(shí)驗(yàn)，效果序列圖如圖5、圖6、圖7所示。

從得到的圖像序列可以看出，通過(guò)此調(diào)焦機(jī)構(gòu)，都能夠獲取清晰圖像，并且穩(wěn)定，時(shí)間在2 s以內(nèi)，能夠適應(yīng)生產(chǎn)上的要求。

圖5 芯片自動(dòng)調(diào)焦序列圖1

圖6 芯片自動(dòng)調(diào)焦序列圖2

圖7 芯片自動(dòng)調(diào)焦序列圖3

[1] 劉煥雨，熊文卓，萬(wàn)秋華，等.基于圖像處理方法的自動(dòng)調(diào)焦系統(tǒng)的研制[J].測(cè)試技術(shù)學(xué)報(bào)，2007，21(1):13-16.

[2] 陳國(guó)金，朱妙芬，張克松.圖像調(diào)焦過(guò)程的清晰度評(píng)價(jià)函數(shù)研究[J].數(shù)據(jù)采集與處理，2009，24(2):165-169.

[3] 麻恒闊，魏國(guó)強(qiáng).基于圖像處理自動(dòng)調(diào)焦方法的穩(wěn)定性研究[J].航空精密制造技術(shù)，2007，43(2):33-36.