針對MiniLED芯片載板的圖像清晰度評價函數設計

盧振威，湯 暉，林志杭，吳詩銳，梁明虎，區校賢

(廣東工業大學 機電工程學院，廣東 廣州 510006)

0 引言

MiniLED轉移修復是提高MiniLED生產效率的重要環節,需要把芯片從載板通過激光等方法轉移到基板上[1]。為了保證轉移修復的成功率,通常采用視覺來進行芯片載板和基板的對位[2]。為了保證視覺的精度,需要高精度的對焦方法。

對焦方法的核心是圖像清晰度評價[3]。圖像清晰度評價有兩個關鍵[4]:一是圖像清晰度評價窗口,這是為了在圖像中選擇出合適的窗口進行圖像清晰度評價;二是圖像清晰度評價函數,這是為了計算出圖片的圖像清晰度。本文針對MiniLED芯片載板的特點,提出了一種針對MiniLED芯片載板的取窗法,并對現有圖像清晰度評價函數進行了改良。最后對MiniLED芯片載板的圖像清晰度評價函數和傳統評價函數進行了比較,以證明本文提出的針對MiniLED芯片載板的圖像清晰度評價函數有著更好的效果和更快的速度。

1 針對MiniLED芯片載板的取窗法

常用的聚焦窗口選擇法有中心取窗法和多區域取窗法[5]。在聚焦過程中,越靠近圖像中心的像素點受鏡頭畸變的影響越小,越能反映真實情況,對圖像清晰度評價越重要。根據距離圖像中心的遠近,將位于圖像中心的區域劃分為一等區,次中心的區域劃分為二等區,其余劃分為三等區。

聚焦窗口應盡可能多地包含重點目標,MiniLED芯片載板的重點目標應為芯片,應當著重計算芯片區域,減少計算背景區域。為了劃分芯片和背景,使用了輪廓查找的方法[6]。由于劃分芯片和背景會丟失芯片與背景的連接處,影響圖像清晰度評價,因此,在芯片最小外接矩形的基礎上,將每個最小外接矩形擴大30個像素。

結合一等區、二等區、三等區的區域劃分,以及芯片和背景的劃分,將圖像分割成一等區芯片、一等區背景、二等區芯片、二等區背景、三等區芯片、三等區背景共6個區域,具體如圖1所示。

①一等區芯片;②一等區背景;③二等區芯片;④二等區背景;⑤三等區芯片;⑥三等區背景

由于一等區芯片的重要度最高,為了提高一等區芯片的計算精度,對該區域使用了雙線性插值法[7]。為了減少運算量,去除三等區背景,使用圖像金字塔下采樣將三等區芯片和二等區背景縮小為一半。

2 針對MiniLED芯片載板的圖像清晰度評價函數

由于提出的取窗法采用了輪廓查找來完成芯片和背景的劃分,每次劃分的芯片區域和背景區域大小都會變化。為了減小大小變化對清晰度的影響,將每個區域通過傳統清晰度函數求得的值除以區域大小得到的商作為每個區域的圖像清晰度,即:

Gn=Fn/Snn=1,2,…,5.

(1)

其中:n為區域的編號;Sn為第n個區域的大小;Fn為第n個區域由傳統清晰度函數計算出來的值。

以一等區芯片0.4、一等區背景和二等區芯片0.2、二等區背景和三等區芯片0.1的權重相加之后的值作為最終圖像清晰度,計算公式如下:

G總=0.4×G1+0.2×G2+

0.2×G3+0.1×G4+0.1×G5.

(2)

3 實驗分析

3.1 實驗平臺搭建

使用相機、鏡頭、直線電機、MiniLED芯片載板以及安裝板搭建實驗平臺,如圖2所示。

1-直線電機;2-相機;3-鏡頭;4-MiniLED載板

3.2 傳統圖像清晰度評價算法對比

直線電機帶動相機和鏡頭分別以50 μm和25 μm的步長進行由上往下的直線運動拍攝MiniLED芯片載板,每個步長拍攝一張照片獲取多組圖片。分別使用Brenner函數、能量梯度函數(EGO)、Roberts函數、Tenengrad函數和Laplace函數[8-10]進行運算,對運算結果進行歸一化,對比傳統圖像清晰度評價函數對于MiniLED芯片載板的效果,實驗結果如圖3所示。

圖3 兩種步長傳統圖像清晰度評價函數對比

根據實驗結果,采用單峰性、靈敏度、無偏性、抗噪性四個指標來評價,Brenner函數響應較快、曲線平滑且少有局部閾值,效果最好,因此采用Brenner函數作為基礎函數來進行針對MiniLED芯片載板的圖像清晰度評價函數設計。Brenner函數公式如下:

(3)

其中:x為圖像的橫坐標;y為圖像的縱坐標;f為該位置的灰度值。

3.3 針對MiniLED載板的圖像清晰度評價函數實驗

對圖像使用改進的針對MiniLED芯片載板的取窗法進行處理,然后將Brenner作為基礎函數Fn代入公式(1)進行改良。在以25 μm為步長的情況下將本文提出的函數與傳統的Brenner函數進行對比,結果如圖4所示。由圖4可見:針對MiniLED載板的圖像清晰度評價函數相比傳統Brenner函數在靈敏度上反應更快,在單峰性上更少出現局部閾值,在無偏性和抗噪性上表現都更好。記錄兩種方法前三次處理所需時間,如表1所示,可見本文提出的函數平均處理速度比傳統Brenner函數快。

表1 處理速度對比

圖4 兩種圖像清晰度評價函數對比

4 結論

本文提出了一種針對MiniLED芯片載板的取窗法。比較了幾種傳統的圖像清晰度評價函數,根據對比結果選擇Brenner函數作為基礎圖像清晰度評價函數,并根據提出的取窗法改良了清晰度評價函數。實驗結果表明:本文提出的針對MiniLED芯片載板的圖像清晰度評價函數相比傳統的評價函數有更好的效果,能更快更精地完成相機對MiniLED芯片載板的對焦。