● 摘要
摘 要微装配技术是支持MEMS、HMEMS及MOEMS等技术发展的动力。只有实现自动化、批量化、柔性化、低成本的微装配制造平台，才能实现上述相关技术的产业化。显微视觉为微尺度目标的几何尺寸、空间位置关系、运动状态等信息的获得，提供了一种非接触测量方式，几乎是目前胜任微装配传感功能任务的唯一有效、实用手段。显微镜的光学特质决定了显微视觉具有不同于普通计算机视觉研究的特点。本文对显微视觉领域中，基于图像分析的自动聚焦、图像特征精密定位及照明优化等技术展开研究；论文对每项单元技术分别进行了深入、系统地创新研究，但又没有局限于单元技术研究，而是将上述三者作为一个有机整体，对三者之间的相互影响、相关关联进行了探讨。最后，通过将上述研究成果应用于PMMA微流控芯片全自动对准装配系统，证明了本文所提出创新点的正确性和实用价值。本文的研究内容主要集中在以下几个方面：1. 对显微视觉自动聚焦技术进行了系统性研究。首先，对已有文献中涉及的时域测度、频域测度进行了归纳，并提出单峰性等8条准则，这些准则将以定量而非定性的方法对多聚焦函数的实验聚焦曲线进行评测，优选聚焦测度，使得对聚焦测度的选择不再依赖于经验或者定性分析；提出“基于聚焦曲线模型搜索策略”（FCMBSA），该聚焦策略可以有效克服传统一维寻优方法诸如“爬山法”、“0.618法”及“Fibonacci法”在搜索运动中普遍存在的“回差”和“效率”问题；指出样条插值、基于神经网络的数据拟合、基于PSF模型三种方法均可实现FCMBSA；提出“聚焦精度”概念并给出其测试方法；通过实验，对FCMBSA、“爬山法”、“0.618法”及“Fibonacci法”进行了性能对比。2. 指出小波尺度分析工具对于显微图像局部信号分析具有特殊的作用，并在瞬变点定位、信号分割以及退化特征识别等三方面给出了应用示例；提出可用离散小波变换的方法建立聚焦函数，高频分量的组合，小波基的选择以及尺度因子的优化是建立小波聚焦函数的三要素；另外，对图像采样信号进行连续小波滤波，然后通过自相关运算，也可以建立聚焦函数，同样，通过合理地选择小波基，合理地配置尺度因子，能够建立有效的聚焦测度。上述研究为将小波工具引入显微视觉应用领域进行了有益探索。最后，通过实验将小波测度与典型的时域测度、频域测度分别进行了量化比较评测，结果显示：小波测度在聚焦分辨率上具有优势。3. 十字型图像的互相关运算相似函数在峰值区域的分布特征类似于4个双曲面相交，与高斯曲面、多项式曲面有显著差别；作为推广，导出正方形、圆形图像特征的相似函数分布均符合规则函数曲面；推导了互相关匹配结果的一个重要特性——灰度无关性；对模板尺寸、特征尺寸等因素对匹配结果造成的影响进行了分析；在上述研究基础上，提出“粗－精”结合的亚像素定位方法——HFPA；通过仿真图像定位实验与实际图像定位实验，将HFPA与其他经典定位方法，如高斯拟合法(GFPA)、多项式拟合法(CFPA)及哈夫变换方法（HT）进行比较，证明了HFPA法在速度与精度上的优越性；另外，通过实验，证明了自动聚焦HFPA在对离焦图像的特征定位上也具有优势，同时也证明自动聚焦的精度会对图像精密定位的效果产生影响。4. 对显微视觉照明优化问题进行了研究。以图像高频信息分析为研究方法，提出基于高频信息分析的图像质量评价方法。指出照明条件将影响自动聚焦精度与图像特征亚像素定位精度；提出了具有实用价值的最佳照度寻优方法及相关注意问题。5. 自动聚焦、图像特征精密定位以及照明优化技术构成了显微视觉的主要研究内容；上述单元技术在实际应用中并非孤立存在，而是联系紧密、互为影响；本文结合实验，将3个单元技术有机地集成到一套显微视觉系统中，有效地完成了PMMA微流控芯片全自动对准装配任务；最后，通过显微视觉算法改进前后两代微装配平台在对准精度、对准速度上性能的对比，证明了自动聚焦、规则特征亚像素定位及照明优化等各项单元技术在显微视觉中的重要作用，同时验证了算法的正确性、实用性和可靠性。