砂轮划片机显微镜自动聚焦系统的设计与分析

　　砂轮划片机是用来划切硅晶片，玻璃基板等材质的切割设备，该设备具备自动传输工件，显微镜自动聚焦，自动识别对准划切街区，划切完毕自动清洗，自动卸载工件等功能。其中显微镜自动聚焦技术是砂轮划片机视觉单元中的关键技术之一，也是衡量该设备自动化程度高低的重要标准。

　　砂轮划片机显微镜自动聚焦的目的是在待划切工件进行图像下人工干预对准或自动图像识别前将显微镜焦距快速调整至最佳聚焦位置，以便获得清晰的图像质量，是保证砂轮划片机后续图像像素测量和图像识别精度的前提条件。 目前应用于显微镜自动聚焦的方式根据其实现原理可以分为有源聚焦和无源聚焦两种，有源聚焦方式是借助于激光、超声波等测距仪器或传感器来测量显微镜与待加工工件之间距离，从而找到最佳聚焦位置;而无源聚焦方式则是通过视觉图像处理技术，在显微镜所在轴沿Z 方向按照既定搜索策略上下移动的过程中实时采集并分析相关图像，计算并比较所采集的图像序列的聚焦评价函数值，当显微镜在设定搜索范围内某点上所得到图像的聚焦评价函数的值为最大时，该点即为显微镜的最佳聚焦位置。对比两种聚焦方式，考虑到降低设备功耗和成本的需求，在砂轮划片机上采用了基于视觉图像处理技术的无源聚焦方式。

　　1 聚焦系统硬件构成

　　砂轮划片机自动聚焦系统硬件结构原理如图1所示。承片台上的待划切工件经高低倍透镜折射后被 CCD 相机采集，再经图像采集卡将 CCD 相机采集到的工件图像模拟信号转换为能被计算机所处理的数字图像信息，之后应用数字图像处理技术对图像信息进行运算得到聚焦评价结果，再根据聚焦评价结果及搜索算法控制 Z 轴高低倍镜头上下微调实现图像清晰聚焦。

　　2 自动聚焦原理

　　随着计算机数字图像处理技术的日益发展和成熟，越来越多的基于数字图像处理的自动聚焦算法被应用于相关的设备制造和视觉检测领域，成为自动聚焦技术的重要发展方向。相对于传统的依靠专用测距仪器或传感器的有源聚焦方式，基于数字图像处理技术的无源聚焦方式其实现原理则主要是依靠自动聚焦评价函数将采集到的图像序列从空域和频域两个角度进行区分和辨别，从空域角度看，表现为清晰的图像灰度对比变化明显，焦点附近的图像比远离焦点的图像具有更明显的边缘锐化特征。从频域角度看，由于聚焦的图像越清晰，包含的灰度明暗变化也就越大，而灰度明暗对比变化大的图像所包含的图像信息内容更丰富，高频分量也就更多;远离焦点的图像比较模糊，明暗对比不明显，包含的图像信息内容较少，与之对应的高频分量也就相对较少。所以高频分量的多少成为影响图像清晰度的主要因素。