摘  要： 針對(duì)基于激光三角測(cè)距原理設(shè)計(jì)的顯微鏡自動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)中，光斑在TFT-LCD面板上表面或者下表面聚焦時(shí)的鬼影以及打在金屬絲上的光斑畸變問(wèn)題，提出在焦平面附近調(diào)節(jié)相機(jī)快門(mén)和增益以消除鬼影，并根據(jù)相機(jī)快門(mén)時(shí)間動(dòng)態(tài)變換光斑中心的求解方法。分析了光斑鬼影產(chǎn)生的原因和消除方法以及當(dāng)光斑圖像不同程度打在金屬絲上時(shí)，導(dǎo)致光斑圖像局部明顯增強(qiáng)的特性，給出了求解光斑中心的方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，光斑中心位置和離焦量線性擬合R的平方值為0.991，減少了激光三角測(cè)距法的非線性誤差，實(shí)現(xiàn)了非接觸快速對(duì)焦。
關(guān)鍵詞： 激光三角法；快門(mén)；鬼影；光斑中心；離焦量

    TFT-LCD面板自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)設(shè)備需要大視場(chǎng)、低畸變的光學(xué)成像系統(tǒng)以保證其高清晰圖像掃描速度。激光三角測(cè)距法由于其具有非接觸、材料適用廣、抗干擾能力強(qiáng)、可用于實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)等特點(diǎn)，在現(xiàn)代幾何測(cè)量領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用[1-3]。在基于激光三角測(cè)距法原理設(shè)計(jì)的TFT-LCD面板光學(xué)檢測(cè)對(duì)焦系統(tǒng)中，為了快速準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對(duì)焦，探測(cè)系統(tǒng)必須能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確地確定光斑圖像的中心位置，以準(zhǔn)確計(jì)算出該中心位置與參考位置的偏差來(lái)驅(qū)動(dòng)對(duì)焦軸調(diào)焦，因此，光斑中心位置的準(zhǔn)確提取直接影響對(duì)焦的精度和速度。
    目前已經(jīng)發(fā)表的一些文獻(xiàn)提到了解決鬼影問(wèn)題，例如，Rossi[4]等人提出在紅外焦平面非均勻組合校正中，利用時(shí)空統(tǒng)計(jì)的方式去除鬼影；Huang[5]等人提出關(guān)聯(lián)性的運(yùn)動(dòng)矢量處理以及自適應(yīng)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償幀插值，在快速運(yùn)動(dòng)的視頻幀序列中，能夠有效提高視覺(jué)質(zhì)量；Rita[6]等人利用背景相減法獲得前景目標(biāo)塊，再把它分為運(yùn)動(dòng)目標(biāo)、鬼影和陰影三類(lèi)，利用時(shí)空差分方程對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)和鬼影進(jìn)行區(qū)分；Guan[7]提出提高背景更新速度，從而消除鬼影的影響。在實(shí)際的光斑圖像中，鬼影信號(hào)強(qiáng)度較弱，在焦平面附近，激光器不可調(diào)節(jié)的情況下，可以通過(guò)調(diào)節(jié)相機(jī)快門(mén)時(shí)間和增益防止過(guò)度曝光避免鬼影的產(chǎn)生。該方法既簡(jiǎn)單且能有效消除鬼影和噪聲。
    常用的光斑中心檢測(cè)算法有質(zhì)心法、圓擬合法、Hought變換法[8-10]。Hought變換占用系統(tǒng)資源大，運(yùn)行效率低，不能滿(mǎn)足系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性需求。實(shí)際的光斑圖像在離焦大的時(shí)候，是一個(gè)同心的半圓或者圓，在焦平面附近是一個(gè)橢圓或者不規(guī)則圖形，因此圓擬合的方式不適宜。在實(shí)時(shí)跟蹤對(duì)焦過(guò)程中，質(zhì)心法能夠明確表示光斑的運(yùn)動(dòng)情況，而且不受光斑形狀、大小的影響。但是，對(duì)于采集到的激光光斑圖像，總會(huì)受到被測(cè)表面特征和環(huán)境等多方面影響導(dǎo)致光斑圖像畸變，使質(zhì)心法的求解帶來(lái)誤差。通過(guò)實(shí)際光斑圖像測(cè)試，本文提出動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)相機(jī)快門(mén)時(shí)間和增益的方法消除噪聲，根據(jù)相機(jī)快門(mén)時(shí)間變換求解光斑形心和質(zhì)心的方法，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的有效性。
    本文針對(duì)光斑圖像畸變影響光斑中心求取精度，從而影響對(duì)焦的精度和速度問(wèn)題，分析了0.4 mm的TFT-LCD面板反射的能量特性，給出了光斑中心的求解方法和動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)相機(jī)參數(shù)的方法。該算法在利用三角測(cè)距原理設(shè)計(jì)的TFT-LCD面板光學(xué)檢測(cè)對(duì)焦系統(tǒng)中具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
1 激光跟蹤對(duì)焦系統(tǒng)光學(xué)回路設(shè)計(jì)
    自動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)光學(xué)回路設(shè)計(jì)如圖1所示。光學(xué)系統(tǒng)主要由激光器、激光聚焦鏡、反射鏡、光欄片、偏振分光片、1/4濾波片、聚焦鏡、分光鏡、CMOS芯片、激光濾波片和紅外截止濾波片組成。當(dāng)激光束沿投影光軸投射到物體表面時(shí)，在另一方向上，光點(diǎn)的像被CMOS吸收，呈現(xiàn)激光光斑。根據(jù)在不同離焦的情況下，光斑中心位置的不同，只要能夠準(zhǔn)確測(cè)出光斑的中心位置，就能判斷出離焦量，調(diào)節(jié)對(duì)焦軸實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對(duì)焦。
    本光學(xué)回路設(shè)計(jì)的主要優(yōu)點(diǎn)：在對(duì)焦過(guò)程中，調(diào)節(jié)調(diào)焦軸沿著同一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，從離焦變?yōu)榫劢?，然后再變?yōu)殡x焦，光斑變化趨勢(shì)從一個(gè)左半圓(或者右半圓)變化為圓點(diǎn)，再變化為右半圓(或者左半圓)，這樣明確了對(duì)焦的方向和距離。

2 TFT-LCD面板反射能量對(duì)光斑影響
2.1 鬼影的產(chǎn)生與消除
    鬼影是一種虛幻的影子，當(dāng)光線穿過(guò)兩個(gè)具有不同密度的透明物體界面時(shí)會(huì)發(fā)生折射，具體地說(shuō)，當(dāng)光線從空氣中進(jìn)入玻璃中，以及光線從玻璃中進(jìn)入空氣中時(shí)會(huì)發(fā)生彎曲。在理想情況下，所有的光線都會(huì)折射，但事實(shí)上，大約有95%的光線發(fā)生折射，而另外5%的會(huì)被反射回第一種物質(zhì)中。在TFT-LCD面板中，鬼影是由上下表面的反射產(chǎn)生的。當(dāng)光斑在上表面聚焦時(shí)，下表面反射的光會(huì)形成一個(gè)半圓的光斑；當(dāng)光斑在下表面聚焦時(shí)，上表面反射的能量會(huì)形成一個(gè)半圓光斑，如圖2所示，分別是在上表面聚焦和在下表面聚焦的情況。

2.2 光斑不同程度打在TFT-LCD面板時(shí)光斑畸變
    理想的激光光斑呈現(xiàn)半圓，但是當(dāng)激光光斑不同程度打在金屬上時(shí)，會(huì)導(dǎo)致光斑圖像畸變。如圖3所示，(1)、(3)、(5)、(7)分別是相機(jī)快門(mén)時(shí)間和增益都最大的時(shí)候，光斑打在兩金屬絲之間、單根金屬絲上、金屬邊緣、全部金屬上時(shí)對(duì)焦完成時(shí)的光斑圖像；(2)、(4)、(6)、(8)分別是相機(jī)快門(mén)時(shí)間最大、增益最小的時(shí)候，光斑打在兩金屬絲之間、單根金屬絲上、金屬邊緣、全部金屬上離焦時(shí)的光斑圖像。當(dāng)光斑打在金屬絲上的時(shí)候，由于金屬反射的能量較高，會(huì)使圖像像素的灰度明顯增強(qiáng)。

    從圖3中可以明顯地看出，當(dāng)相機(jī)增益調(diào)節(jié)為0 dB時(shí)，可以明顯地消除部分背景噪聲。因此在焦平面附近對(duì)焦過(guò)程中，可以將相機(jī)增益設(shè)置為0 dB以消除噪聲。
3 光斑中心的求解
3.1 閾值的選取
    光斑圖像成像在CMOS上，并經(jīng)由圖像采集卡送到計(jì)算機(jī)處理。由CMOS得到的圖像包含多種噪聲，主要有：(1)原理誤差；(2)光子噪聲誤差；(3)讀出噪聲誤差；(4)背景暗電平及雜散光的干擾。其中(3)、(4)是相互獨(dú)立的加性噪聲，與光斑信號(hào)互不相關(guān)，可以通過(guò)設(shè)置閾值的方法把背景和光斑分割開(kāi)來(lái)。最常用的圖像分割方法是將圖像灰度分成不同的等級(jí)，然后設(shè)置灰度閾值的方法確定有意義的區(qū)域或預(yù)分割的物體邊界[9]。
    實(shí)際采集到的光斑圖像，背景噪聲主要是由于白熾燈光源和自然光反射產(chǎn)生的，這部分信號(hào)較弱，可以通過(guò)在關(guān)閉激光器光源、打開(kāi)白熾燈光源的時(shí)候，采集一系列的圖像進(jìn)行去背景噪聲處理。設(shè)采集M幅圖像，找出M幅圖像中灰度值最大的一個(gè)作為背景噪聲T。設(shè)有圖像f(x，y)，采用圖像相減運(yùn)算減去背景噪聲：

    (2)中值濾波去除孤立點(diǎn)：對(duì)光斑圖像進(jìn)行二值化分割后，出現(xiàn)許多孤立“點(diǎn)”或者不連續(xù)的小區(qū)域。中值濾波是當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的濾波方法之一，它的主要功能是讓與周?chē)袼鼗叶戎档牟畋容^大的像素值改取與周?chē)袼刂到咏闹怠Ｔ摲椒饶苡行コ肼?，又能較好地保留圖像的細(xì)節(jié)。一般來(lái)說(shuō)正方形的模板對(duì)圖像的細(xì)節(jié)最不敏感，它會(huì)濾除細(xì)線并消除邊緣上的角點(diǎn)。十字叉模板保留細(xì)的水平線和垂直線但會(huì)濾除對(duì)角線。X形狀的模板僅保留對(duì)角線。當(dāng)對(duì)圖像進(jìn)行二值化后，圖像邊緣上會(huì)有一些角點(diǎn)和孤立點(diǎn)，有實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)使用超過(guò)9~13個(gè)像素來(lái)消除噪聲時(shí)，計(jì)算量的增加比消噪效果更加明顯，因此選擇3×3的模板[10]。

    (3)求解光斑形心：形心是物體的幾何中心，只與物體的集合形狀和尺寸有關(guān)，與組成該物體的物質(zhì)無(wú)關(guān)。圖像經(jīng)二值化處理后，物體的形心可由式(2)、式(3)求出。
4 實(shí)驗(yàn)分析
4.1 鬼影的消除
    為了驗(yàn)證相機(jī)快門(mén)時(shí)間消除光斑鬼影，物鏡選用Mitutoyo Corporation的M Plan Apo 50X/0.55(378-805-3)。在50X物鏡下，焦距f=200 mm，數(shù)值孔徑NA=0.55，景深DOF=±0.9 μm。采集光斑圖像的相機(jī)選用POINT GREY公司的FFMV-03MTM/C(BW或Color)。相機(jī)快門(mén)時(shí)間動(dòng)態(tài)范圍為0～64 ms，相機(jī)增益為0～12 dB。設(shè)相機(jī)快門(mén)用Shutter表示，增益用Gain表示。當(dāng)相機(jī)快門(mén)時(shí)間為Shutter=3.5 ms、相機(jī)增益為Gain=0 dB、圖像數(shù)據(jù)為640×480、256個(gè)灰度級(jí)的圖像。在焦平面±2μm處，每間隔0.5 μm采集的9幅光斑圖像如圖4所示。從圖中可以看出，當(dāng)相機(jī)快門(mén)時(shí)間較小時(shí)，光斑圖像呈現(xiàn)一個(gè)小點(diǎn)，這樣鬼影和噪聲基本消除。表1是針對(duì)圖4中的圖片在不同的離焦下，計(jì)算的光斑圖像中心位置。圖5是光斑中心位置和離焦量的線性擬合。

    由圖5中可以得出，快門(mén)時(shí)間較小時(shí)，在焦平面 ±2 μm處，利用求解光斑質(zhì)心法的方法，求出的光斑中心位置和離焦量的線性擬合R平方值為0.992，而利用求解光斑形心的方法求出的光斑中心位置和離焦量的線性擬合R平方值為0.965。因此，在焦平面±2 μm處，相機(jī)快門(mén)為3.5 ms時(shí)，利用質(zhì)心法求解光斑中心位置更加準(zhǔn)確。
4.2 光斑中心位置和離焦量相關(guān)性分析
    TFT-LCD面板光學(xué)檢測(cè)中，在50X物鏡下，相機(jī)快門(mén)時(shí)間最大為64 ms，離焦量在±28 μm處情況時(shí)有發(fā)生，這時(shí)需要調(diào)節(jié)增益為0 dB。圖6是當(dāng)光斑打在金屬絲上時(shí)采集到的圖像數(shù)據(jù)，圖像數(shù)據(jù)依次從左到右、從上到下排列，調(diào)焦軸從同一個(gè)方向移動(dòng)。設(shè)定起始位置是1 μm，則從1 μm處向上每間隔1 μm移動(dòng)，采集一次光斑圖像，直到移動(dòng)到56 μm處停止，即采集到56幅圖像。其中第29 μm處圖像是離焦量為0μm的點(diǎn)，那么第一幅圖像是-28 μm處，第56幅圖像是+27 μm處。圖7是針對(duì)圖6中的56幅圖像數(shù)據(jù)求得的光斑中心位置和離焦的線性關(guān)系分析。

　從圖7可以看出，在相機(jī)快門(mén)時(shí)間為最大、增益最小時(shí)，采用形心法求解的光斑中心和離焦量的線性擬合R平方值為0.991，而采用質(zhì)心法求解的線性擬R 平方值為0.984。故采用形心法抗干擾性效果好。
4.3 自動(dòng)對(duì)焦范圍和相機(jī)的設(shè)定
    由于在實(shí)際的對(duì)焦過(guò)程中，每調(diào)節(jié)一次相機(jī)快門(mén)時(shí)間需要延時(shí)0.1 s，因此頻繁調(diào)節(jié)快門(mén)時(shí)間必然會(huì)導(dǎo)致對(duì)焦時(shí)間過(guò)長(zhǎng)?？扉T(mén)時(shí)間過(guò)大會(huì)導(dǎo)致鬼影的產(chǎn)生以及光斑中心求解不準(zhǔn)。而當(dāng)相機(jī)快門(mén)時(shí)間較小時(shí)，雖然能夠準(zhǔn)確求解光斑中心位置，但是自動(dòng)對(duì)焦的范圍較小。為了增加自動(dòng)對(duì)焦范圍，需要增加相機(jī)的快門(mén)時(shí)間和增大增益。但是增大相機(jī)快門(mén)時(shí)間和增益，會(huì)導(dǎo)致當(dāng)光斑圖像打在金屬絲上的時(shí)候光斑中心求解不準(zhǔn)。在此情況下，可以采用分區(qū)域調(diào)節(jié)相機(jī)快門(mén)時(shí)間和增益的方法，如圖8所示。

    (1)焦平面±F1  μm處相機(jī)設(shè)定：為了提高自動(dòng)對(duì)焦的重復(fù)定位精度，可以將相機(jī)快門(mén)增益設(shè)定為Gain=G0=0 dB，相機(jī)快門(mén)時(shí)間根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整為Shutter=S0，保證在焦平面±F1  μm處有光斑圖像，找出光斑中心變化區(qū)間[N1，N2]，以及對(duì)焦完成時(shí)景深范圍內(nèi)光斑中心變化區(qū)間[D1，D2]，將[D1，D2]作為對(duì)焦完成時(shí)的判斷依據(jù)。同時(shí)將相機(jī)快門(mén)時(shí)間設(shè)定為最大Shutter=S1，求出在焦平面±F1  μm處的光斑中心區(qū)間[M3，M4]，以及當(dāng)快門(mén)時(shí)間從S1變?yōu)镾0時(shí)，一直有光斑圖像經(jīng)驗(yàn)區(qū)間[D3，D4]，其中(M3<D3<D4<M4)。
　(2)焦平面±F2 μm處相機(jī)設(shè)定：設(shè)定相機(jī)快門(mén)時(shí)間最大為S1，Shutter=S1、Gain=G0，找出在焦平面±F2 μm處的光斑中心變化區(qū)間[N3，N4]；然后將增益調(diào)節(jié)為最大G1，Gain=G0，找出焦平面±F2 μm處光斑中心變化區(qū)間[M5，M6]， 以及當(dāng)增益G1變?yōu)镚0時(shí)，一直有光斑圖像經(jīng)驗(yàn)區(qū)間[D5，D6]，其中(M5<D5<D6<M6)。
    (3)焦平面±F3 μm相機(jī)設(shè)定：Shutter=S1、Gain=G1，找出有光斑圖像存在時(shí)對(duì)焦范圍區(qū)間在±F3 μm處，求出光斑中心的變化區(qū)間[N5，N6]，其中(0<N5<N6<640)。
    (4)光斑中心的變化求解：當(dāng)相機(jī)快門(mén)時(shí)間為S0時(shí)，利用形心法求解光斑中心。當(dāng)相機(jī)快門(mén)時(shí)間為S1時(shí)，利用質(zhì)心法求解光斑中心。
    通過(guò)以上分析可以得出：(1)在光斑圖像探測(cè)器上，離焦時(shí)呈現(xiàn)半圓，半圓的中心位置明確了離焦的距離和方向；(2)通過(guò)調(diào)節(jié)相機(jī)快門(mén)時(shí)間和增益消除鬼影的方法，在離焦較小(如50X物鏡下，焦平面±2μm處)時(shí)，能夠有效消除噪聲，準(zhǔn)確求取光斑中心；(3)根據(jù)相機(jī)快門(mén)時(shí)間變換求解光斑中心的方法，在快門(mén)時(shí)間較大時(shí)求解光斑形心，在快門(mén)時(shí)間較小時(shí)求解光斑質(zhì)心，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的可行性；(4)本文的方法可適用于TFT-LCD、OLED面板光學(xué)檢測(cè)成像系統(tǒng)中；(5)在下一步的研究中，使用可調(diào)激光器，根據(jù)探測(cè)器檢測(cè)的最大灰階，調(diào)整激光器輸出功率。
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