基于图像灰度的自动调焦方法及其系统

1.一种基于图像灰度的自动调焦方法，应用包括镜头、CCD成像器、图象采集卡、微处理器、运动控制卡、自动位移机构的自动调焦系统，其特征在于步骤是：
步骤1，准备，使用一个分布有黑色条纹的玻璃板作为调焦的校正基准，将其置于镜头正下方位置，使玻璃板上的黑色条纹垂直于CCD成像器的靶面；
步骤2，根据公式计算所需倍率的理论物像距；
步骤3，移动镜头和CCD到所需倍率的理论物像距大约位置；
步骤4，以所需该倍率下景深的一半作为CCD的移动量级上下移动CCD采集图像；
步骤5，用焦距评判函数处理图像，得到当前镜头所在位置的最佳焦面；
步骤6，二值化处理最佳焦面的图像；
步骤7，用此图像中的黑白条宽度与其实际宽度计算当前镜头所在位置的倍率；
步骤8，判断分辨率是否是最清晰的像面所需分辨率；
步骤9，若上述步骤8中的结果是所需分辨率时，所求倍率的物像距即为此镜头位置和此镜头位置下最佳焦面时的CCD位置，此时流程结束；
步骤10，若上述步骤8中的结果不是所需分辨率时，继续根据公式计算当前倍率下的理论物像距，并得出当前倍率下的物像距与所需倍率物像距之差，再移动镜头和CCD到相差的位置，然后再次返回步骤4循环直至找到所需分辨率。
2.根据权利要求1所述的基于图像灰度的自动调焦方法，其特征在                         l＝f/s+f于：在步骤2中，根据公式：l′＝f*s+f及镜头的焦距先计算出所需倍率的大概物像位置，其中l：物距，l’：像距，f：焦距，s：倍率。
3.根据权利要求1所述的基于图像灰度的自动调焦方法，其特征在于：在步骤3中，通过调整带动镜头及CCD的电机调整到该位置。
4.根据权利要求1所述的基于图像灰度的自动调焦方法，其特征在于：在步骤4中，以图像中黑色竖条的下降沿斜率作为调整的依据，斜率最大的地方即为成像最清晰的位置，调整CCD位置找到清晰的图像。
5.根据权利要求1所述的基于图像灰度的自动调焦方法，其特征在于：在步骤6中，通过在该倍率下扫描获取一幅图像，将获取图像的灰度值的平均值作为二值化的阈值。
6.根据权利要求5所述的基于图像灰度的自动调焦方法，其特征在于：在步骤7中，根据该阈值下黑色竖条的下降沿的宽度计算镜头的倍率。
7.一种基于图像灰度的自动调焦系统，包括在光路中依次布置的镜头(7)、CCD成像器(3)和光源盒(14)，其特征在于：上述光源盒(14)的上面水平固定一支座(15)，与支座垂直固定一个支架(17)，与支架(17)平行固定一对前导轨架(11)和一对后导轨架(13)；
镜头(7)与镜头托架(6)连接，镜头托架(6)与前导轨架(11)滑动连接，镜头丝杠(2)的上端与镜头驱动电机(1)的输出轴连接，镜头正下方位置有一个分布有黑色条纹的玻璃板作为调焦的校正基准，玻璃板上的黑色条纹垂直于CCD成像器的靶面；
CCD成像器(3)与CCD成像器托架(4)连接，CCD成像器托架(4)与前导轨架(11)滑动连接，CCD成像器丝杠(9)的上端与CCD驱动电机(8)的输出轴连接；
光源盒(14)与后导轨架(13)滑动连接，光源盒丝杠(12)的上端与光源盒驱动电机(10)的输出轴连接，光源盒丝杠(12)的下端与光源盒(14)固定连接；
上述CCD成像器与图象采集卡信号连接，图象采集卡将图象信号输入微处理器，微处理器根据公式及镜头的焦距计算所需倍率的理论物像距，将检测数据与对照数据进行图象灰度比较，用焦距评判函数处理图像，得到当前镜头所在位置的最佳焦面，二值化处理最佳焦面的图像，用此图像中的黑白条宽度与其实际宽度计算当前镜头所在位置的倍率，判断分辨率是否是最清晰的像面所需分辨率，运动控制卡能够根据运算结果和程序的需要控制程序的走向，并向镜头驱动电机、CCD驱动电机和光源盒驱动电机发出控制信号。

(一)技术领域
本发明涉及一种自动调焦的光学成像方法及其系统。
(二)背景技术
现有的自动调焦技术从原理来说分为两大类：一类是基于镜头与被摄目标之间距离测量的测距方法，另一类是基于调焦屏上成像清晰的聚焦检测方法。而常用的根据图像评价聚焦有以下5种：1、高频分量法，即对图像进行傅立叶变换，提取其中的高频成分作为焦距评价函数，这种方法计算量大，不适合一般情况下的快速、实时测量；2、平滑法，即计算图像上相邻像素的平滑度，再对整个像面求和作为聚焦评价函数，其最大值为图像的聚焦判据，该方法灵敏度不高；3、阈值积分法，即根据图像的灰度分布，选取一个阈值，并对大于阈值的灰度进行求和，其最大值为图像的聚焦判据，该方法测量精度不高；4、灰度差分法，它是利用图像的相邻像素灰度值差的绝对值作为焦距评价函数，当图像聚焦时，取最大值，此方法简单有效，但不能得到准确的分辨率；5、拉普拉斯像能函数，当图像聚焦时，拉普拉斯函数取得最大值，此函数在焦距附近具有较高的灵敏度，但计算量大。由于现有自动调焦技术均有缺陷，因此需要探索一种新的自动调焦方法和系统。
(三)发明内容
本发明的目的是提供一种基于图像灰度的自动调焦方法及其系统，要解决现有自动调焦技术测量精度不高、不能简便、迅速地得到准确分辨率的技术问题。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于图像灰度的自动调焦方法，应用包括镜头、CCD成像器、图象采集卡、微处理器、运动控制卡、自动位移机构的自动调焦系统，其特征在于步骤如下：
步骤1，准备。
步骤2，根据公式计算所需倍率的理论物像距。
步骤3，移动镜头和CCD到所需倍率的理论物像距大约位置。
步骤4，以所需该倍率下景深的一半作为CCD的移动量级上下移动CCD采集图像。
步骤5，用焦距评判函数处理图像，得到当前镜头所在位置的最佳焦面。
步骤6，二值化处理最佳焦面的图像。
步骤7，用此图像中的黑白条宽度与其实际宽度计算当前镜头所在位置的倍率。
步骤8，判断分辨率是否是最清晰的像面所需分辨率。
步骤9，若上述步骤8中的结果是所需分辨率时，所求倍率的物像距即为此镜头位置和此镜头位置下最佳焦面时的CCD位置，此时流程结束。
步骤10，若上述步骤8中的结果不是所需分辨率时，继续根据公式计算当前倍率下的理论物像距，并得出当前倍率下的物像距与所需倍率物像距之差，再移动镜头和CCD到相差的位置，然后再次返回步骤4循环直至找到所需分辨率。
在步骤1中，使用一个分布有黑色条纹的玻璃板作为调焦的校正基准，将其置于镜头正下方位置，使玻璃板上的黑色条纹垂直于CCD成像器的靶面。
l＝f/s+f
在步骤2中，根据公式：l′＝f*s+f及镜头的焦距(l：物距，l’：像距，f：焦距，s：倍率)，先计算出所需倍率的大概物像位置。
在步骤3中，通过调整带动镜头及CCD的电机调整到该位置。
在步骤4中，以图像中黑色竖条的下降沿斜率作为调整的依据，斜率最大的地方即为成像最清晰的位置，调整CCD位置找到清晰的图像。
在步骤6中，通过在该倍率下扫描获取一幅图像，将获取图像的灰度值的平均值作为二值化的阈值。
在步骤7中，根据该阈值下黑色竖条的下降沿的宽度计算镜头的倍率。
在步骤10中，镜头先作调整，CCD的调整量级为该倍率下景深的一半，再次找到清晰的像面并计算倍率。这个过程不断的循环下去，直到找到准确的倍率和最清晰的像面。
一种基于图像灰度的自动调焦系统，包括在光路中依次布置的镜头、CCD成像器和光源盒，其特征在于：上述光源盒的上面水平固定一支座，与支座垂直固定一个支架，与支架平行固定一对前导轨架和一对后导轨架。
镜头与镜头托架连接，镜头托架与前导轨架和与前导轨架平行设置的镜头丝杠滑动连接，镜头丝杠的上端与镜头驱动电机的输出轴连接。
CCD成像器与CCD成像器托架连接，CCD成像器托架与前导轨架和与前导轨架平行设置的CCD成像器丝杠滑动连接，CCD成像器丝杠的上端与CCD驱动电机的输出轴连接。
光源盒与后导轨架和与后导轨架平行设置的光源盒丝杠滑动连接，光源盒丝杠的上端与光源盒驱动电机的输出轴连接，光源盒丝杠的下端与光源盒固定连接。
上述CCD成像器与图象采集卡信号连接，图象采集卡将图象信号输入微处理器，微处理器根据公式及镜头的焦距计算所需倍率的理论物像距，将检测数据与对照数据进行图象灰度比较，用焦距评判函数处理图像，得到当前镜头所在位置的最佳焦面，二值化处理最佳焦面的图像，用此图像中的黑白条宽度与其实际宽度计算当前镜头所在位置的倍率，判断分辨率是否是最清晰的像面所需分辨率，运动控制卡能够根据运算结果和程序的需要控制程序的走向，并向镜头驱动电机、CCD驱动电机和光源盒驱动电机发出控制信号。
与现有技术相比本发明具有以下特点和有益效果：
本发明自动调焦简便快捷，可在自动光学检测设备上精确测量目标物，可以自动找到准确倍率和精细分辨率。通过清晰焦面下的图像准确计算当前分辨率，并反馈给运动控制卡准确找到所需分辨率，以满足自动光学检测(AOI)设备不同检测需求下的图像处理要求，提高检测质量和效率。
本发明可广泛应用于自动光学检测设备上，可对印刷线路板生产工艺造成的各种细微缺陷精确成像，对成像系统自动调整找到准确倍率和精细分辨率。
(四)附图说明
下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。
图1是作为调焦的校正基准的玻璃板示意图。
图2是初始调焦位置玻璃板黑色条纹灰度变化曲线的示意图。
图3是初步调焦后玻璃板黑色条纹灰度变化曲线的示意图。
图4是调焦至图像清晰后玻璃板黑色条纹灰度变化曲线的示意图。
图5是本发明自动调焦系统的结构示意图。
图6是本发明自动调焦系统支架和后导轨架的结构示意图。
图7是本发明自动调焦方法步骤的框图。
图8是本发明自动调焦系统的模块框图。
附图标记：1-镜头驱动电机、2-镜头丝杠、3-CCD成像器、4-CCD成像器托架、5-玻璃板、6-镜头托架、7-镜头、8-CCD驱动电机、9-CCD成像器丝杠、10-光源盒驱动电机、11-前导轨架、12-光源盒丝杠、13-后导轨架、14-光源盒、15-支座、16-光杠、17-支架。
(五)具体实施方式
实施例：这种基于图像灰度的自动调焦方法：
参见图1所示，用一个长30mm，光刻上间隔为1mm，宽度为1mm准确黑色条纹的玻璃板5作为调焦的校正基准，将其置于取像系统正下方位置，玻璃板黑色条纹与线扫描CCD的靶面要严格垂直，以保证取像数据的真实性。
由镜头取像，由CCD成像器，即电荷耦合器(charge-coupled-device)将透过镜头的玻璃板条纹图像信息捕获，图象采集卡将图象信号输入微处理器，图像信息转换成为数字电子信号，将图象信息变换成灰度变化曲线，图2是初始调焦位置玻璃板黑色条纹灰度变化曲线的示意图。
l＝f/s+f
根据公式：1′＝f*s+f(l：物距，l’：像距，f：焦距，s：倍率)及镜头的焦距，先计算出所需倍率的大概物像位置。
控制镜头驱动电机及CCD驱动电机调整到该位置，以灰度变化曲线中黑色条纹的下降沿斜率作为调整的依据，斜率最大的地方即为成像最清晰的位置，调整CCD成像器位置找到清晰的图像。
在上述倍率下扫描获取一幅图像，变换成灰度变化曲线，图3是初步调焦后玻璃板黑色条纹灰度变化曲线的示意图。将获取图像的灰度值的平均值作为二值化的阈值，根据该阈值下黑色条纹的下降沿的宽度计算镜头的倍率。
然后将镜头与CCD成像器往相应的方向再调整，每次镜头先作调整，CCD成像器的调整量级为该倍率下景深的一半，再次找到清晰的像面并计算倍率。
这个过程不断的循环下去，直到找到准确的倍率和最清晰的像面。图4是调焦至图像清晰后玻璃板黑色条纹灰度变化曲线的示意图。
参见图5，这种基于图像灰度的自动调焦系统，包括在光路中依次布置的镜头7、CCD成像器3和光源盒10，其特征在于：上述光源盒14的上面水平固定一支座15，与支座垂直固定一个支架17，与支架17平行固定一对前导轨架(11)和一对后导轨架13。
镜头7与镜头托架6连接，镜头托架6与前导轨架11和与前导轨架平行设置的镜头丝杠2滑动连接，镜头丝杠2的上端与镜头驱动电机1的输出轴连接。
CCD成像器3与CCD成像器托架4连接，CCD成像器托架4与前导轨架11和与前导轨架平行设置的CCD成像器丝杠9滑动连接，CCD成像器丝杠9的上端与CCD驱动电机8的输出轴连接。
参见图6，光源盒14的上面水平固定一支座15，与支座垂直固定一个支架17，光源盒14与后导轨架13和与后导轨架平行设置的光源盒丝杠12滑动连接，光源盒丝杠12的上端与光源盒驱动电机10的输出轴连接，光源盒丝杠12的下端与光源盒14固定连接。光源盒的水平位移靠光杠16旋转完成。
参见图8，上述CCD成像器与图象采集卡信号连接，图象采集卡将图象信号输入微处理器，微处理器根据公式及镜头的焦距计算所需倍率的理论物像距，将检测数据与对照数据进行图象灰度比较，用焦距评判函数处理图像，得到当前镜头所在位置的最佳焦面，二值化处理最佳焦面的图像，用此图像中的黑白条宽度与其实际宽度计算当前镜头所在位置的倍率，判断分辨率是否是最清晰的像面所需分辨率，运动控制卡能够根据运算结果和程序的需要控制程序的走向，并向镜头驱动电机、CCD驱动电机和光源盒驱动电机发出控制信号。
参见图7、图8，一种基于图像灰度的自动调焦方法，应用包括镜头、CCD成像器、图象采集卡、微处理器、运动控制卡、自动位移机构的自动调焦系统，其特征在于步骤如下：
步骤1，准备。
步骤2，根据公式计算所需倍率的理论物像距。
步骤3，移动镜头和CCD到所需倍率的理论物像距大约位置。
步骤4，以所需该倍率下景深的一半作为CCD的移动量级上下移动CCD采集图像。
步骤5，用焦距评判函数处理图像，得到当前镜头所在位置的最佳焦面。
步骤6，二值化处理最佳焦面的图像。
步骤7，用此图像中的黑白条宽度与其实际宽度计算当前镜头所在位置的倍率。
步骤8，判断分辨率是否是最清晰的像面所需分辨率。
步骤9，若上述步骤8中的结果是所需分辨率时，所求倍率的物像距即为此镜头位置和此镜头位置下最佳焦面时的CCD位置，此时流程结束。
步骤10，若上述步骤8中的结果不是所需分辨率时，继续根据公式计算当前倍率下的理论物像距，并得出当前倍率下的物像距与所需倍率物像距之差，再移动镜头和CCD到相差的位置，然后再次返回步骤4循环直至找到所需分辨率。