CN107782732A - 自动对焦系统、方法及影像检测仪器 - Google Patents

Abstract

本发明揭露一种自动对焦系统、方法及运用此二者的影像检测仪器，该自动对焦系统主要包括一线形光源、一物镜、一遮光部件、一影像感测装置及一对焦调整模块。线形光源用以产生一道线形光斑。物镜用以接收线形光斑的一部分，并将线形光斑的该部分投射至一物件。遮光部件设于线形光源与物镜之间的光学路径上，用以部分地遮挡该线形光斑，以使线形光斑只有该部分进入物镜。该影像感测装置用以撷取物件与线形光斑的该部分，藉以得到一目标影像。此外，对焦调整模块用以根据目标影像中该线形光斑的该部分的长度、宽度及位置，判定物件的对焦状态，藉以调整物镜与物件之间的距离。

Description

自动对焦系统、方法及影像检测仪器

技术领域

本发明涉及自动对焦技术，尤指能够达到快速对焦的自动对焦系统、方法及运用此二者的影像检测仪器。

背景技术

传统精密检测通常包含有一光学仪器(例如：线扫描摄影机、面扫描摄影机等)用以对物件的表面取像，再以电脑影像处理技术来检出异物或图案异常等瑕疵。然而，在有些情况下，物件并不是乖乖静止地被检测仪器取像，而是会产生浮动的情形，一旦位置改变就会产生失焦的情形。

举例而言，在对应精密物件(例如面板)进行检测时，为避免物件于输送程序中因输送带刮伤或污损产生瑕疵，针对部分精密物件会设置气浮载台，使物件浮空并避免与下方平面直接接触。于输送的过程中欲对物件进行检测，物件因为气浮的作用，会悬浮在载台上方，悬浮的高度在相当的范围值内浮动(例如300um)，由于一般摄影机的景深只有35um，并不能将待测物精准的控制在景深范围内。是以，搭配所述的气浮载台势必要提供一种既快速又有效的对焦方式。

发明内容

本发明揭露一种有别于传统的自动对焦系统、方法及影像检测仪器，该自动对焦系统能使一线形光斑的一部分经一物镜投射到一物件上，并对物件及线形光斑的该部分进行影像撷取以得到一目标影像，及利用影像处理技术取得目标影像中的该线形光斑的该部分的长、宽与位置，藉以判定物件的对焦状态，使得物镜可依据前述判定结果迅速调整到让物件对焦的位置。

具体而言，本发明的自动对焦系统包括一线形光源、上述的该物镜、一遮光部件、一影像感测装置及一对焦调整模块该线形光源用以产生线形光斑，例如线形的激光光斑。物镜用以接收线形光斑的一部分，并将线形光斑的该部分投射至物件。遮光部件设于线形光源与该物镜之间的光学路径上，用以部分地遮挡线形光斑，使线形光斑只有该部分进入物镜。影像感测装置用以撷取物件与线形光斑的该部分，藉以得到目标影像。对焦调整模块用以根据目标影像中该线形光斑的该部分的长度、宽度及位置，判定该物件的对焦状态，藉以调整物镜与物件之间的距离。

较佳地，本发明的自动对焦系统可包括一会聚透镜、一反射镜、一第一分光镜、一第二分光镜及位于该影像感测装置的前方的一成像透镜。会聚透镜的入射面用以接收线形光源所发出的线形光斑。遮光部件设于会聚透镜的出光面与反射镜之间。反射镜用以将线形光斑的该部分反射至第一分光镜。第一分光镜用以续将线形光斑反射至物镜，并允许从物件反射回物镜的反射光与线形光斑的该部分穿透之。第二分光镜位于第一分光镜与成像透镜之间，用以接收来自第一分光镜的该反射光与线形光斑的该部分并将之反射至成像透镜。成像透镜用以将该反射光与线形光斑的该部分会聚成像于影像感测装置的一感测面，以产生上述的目标影像。

较佳地，本发明的自动对焦系统可更包括一驱动装置，驱动装置耦接对焦调整模块，用以根据对焦调整模块的判定结果对应驱动物镜移动，以调整物镜与物件之间的距离。

本发明的影像检测仪器除了包括上述的自动对焦系统之外，更包括一影像撷取装置及一照明单元。照明单元用以提供物件的照明，影像撷取装置用以在自动对焦系统的对焦调整模块判定物件为已对焦时，随即撷取物件的影像。

较佳地，本发明的影像检测仪器的照明单元可包括一分光镜及一照明装置，前述分光镜与该自动对焦系统的第一、二分光镜同轴，用以接收来自照明装置的可见光，并将之反射至物件，以提供照明。

较佳地，本发明的影像检测仪器可更包括一滤镜，其设于影像撷取装置与照明单元的分光镜之间，藉以防止从物件反射回来的该线形光斑的该部分进入影像撷取装置。

本发明的自动对焦方法，包括下列步骤：

a.产生一道线形光斑；

b.使线形光斑只有一部分经由一物镜投射至一物件；

c.对物件与线形光斑的该部分进行影像撷取，以撷取得到一目标影像；及

d.根据目标影像中的线形光斑的该部分的长度、宽度及位置，判定物件的对焦状态；以及

e.根据d步骤的判定结果，对应调整物镜与物件之间的距离。

相对于先前技术，本发明的自动对焦系统及方法首创根据所撷取的上述目标影像中的线形光斑的该部分的长度与宽度，来判定物件距离焦点的远近，并根据线形光斑的该部分的长度及宽度是否已分别变小至一临界值，来判定物件是否已经位在焦点上，及根据线形光斑的该部分的位置来判定物件目前是位在焦点上方或下方，其所涉及者仅是简单几何形状的光斑影像处理，这使得负责影像处理的演算法所需处理的画面像素的数量不需太多，且在统计光斑的质心位置上也可较为精确，能有效降低因过去光斑亮度不均匀所导致质心忽左忽右的情形发生。

附图说明

图1为显示本发明的影像检测仪器的系统示意图。

图2至图6为显示本发明的自动对焦系统在不同的对焦状态下所取得目标影像的示意图。

附图标号：

影像检测仪器100

自动对焦系统1 物镜10

取像单元2 影像检测单元20

影像撷取装置21 成像透镜22

滤镜23

照明单元3 分光镜31

照明装置32 准直透镜33

物件4 线形光源5

光学组件6 会聚透镜61

遮光部件62 反射镜63

第一分光镜64 第二分光镜66

成像透镜67

影像感测装置7 感测面70

第一感测区701 第二感测区702

对焦调整模块8 驱动装置9

线形光斑L1～L5

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护的范围。

图1为本发明的影像检测仪器100的一个较佳实施例，用以对一物件4的表面取像及根据取像结果进行瑕疵检测，以找出存在于物件4上的瑕疵。影像检测仪器100包括一自动对焦系统1、一取像单元2、一照明单元3及一影像检测单元20。其中，自动对焦系统1用以对物件4进行对焦。取像单元2用以在自动对焦系统1对物件4完成自动对焦后对物件4取像，藉以拍摄得到清晰的一待测影像。照明单元3用以提供取像单元2对物件4取像时所需的照明。影像检测单元20耦接取像单元2，用以接收该待测影像，并以电脑影像处理技术从该待测影像检出异物或图案异常等瑕疵。

自动对焦系统1包括一线形光源5、一光学组件6、一影像感测装置7、一对焦调整模块8及一驱动装置9以及一物镜10。线形光源5用以产生一道线形光斑，例如线形的红外线激光光斑。光学组件6依序包括一会聚透镜61、一遮光部件62、一反射镜63、一第一分光镜64、一第二分光镜66及一成像透镜67。

会聚透镜61的入射面接收线形光源5所发出的该线形光斑。遮光部件62设于线形光源5及物镜10的光学路径上，也就是该线形光斑的行进路线上，更具体地说，是设于会聚透镜61的出光面与反射镜63之间，用以部分地遮挡该线形光斑而使该线形光斑只有一部分进入该物镜10，例如挡住一半或将近一半的该线形光斑，只允许该线形光斑的一半或将近一半进入物镜10的其中一半边。反射镜63用以将该线形光斑的该部分反射至第一分光镜64。第一分光镜64续将该线形光斑的该部分反射至物镜10。在此实施例中，由于一半或将近一半的线形光斑已被遮光部件62挡掉，因此物镜10实际上仅用其半边来接收未被挡掉的该线形光斑的该部分，并将该线形光斑的该部分投射至物件4。由于照明单元3所产生的光也会经由物镜10投射到物件4，因此，从物件4反射回来的反射光与从物件4反射回来的该线形光斑的该部分，都会反射进入物镜10，进而穿透第一分光镜64。第二分光镜66位于第一分光镜64与成像透镜67之间，用以接收来自第一分光镜64的该反射光与该线形光斑的该部分并将之反射至成像透镜67。成像透镜67位于影像感测装置7的前方，用以将该反射光与该线形光斑的该部分会聚成像于影像感测装置7的一感测面，使得影像感测装置7对应输出内容包含物件4与该线形光斑的该部分的一目标影像，简言之，影像感测装置7用以对物件4与该线形光斑的该部分进行影像撷取，藉以得到该目标影像。

对焦调整模块8耦接该影像感测装置7，并接收该目标影像及对它进行影像处理与分析，藉以得到该目标影像中的该线形光斑的该部分的长度、宽度及位置等参数，再根据所得到的前述参数来判定物件4目前的对焦状况(例如判定物件4是位在物镜10的焦点处，还是位在焦点的上方或下方)，如此，物镜10的位置就可以根据对焦调整模块8的前述判定结果来调整。简言之，对焦调整模块8用以根据该目标影像中该线形光斑的该部分的长度、宽度及位置，判定物件4的对焦状态，藉以调整物镜10与物件4之间的距离。

更详而言之，基于成像原理，当物件4离物镜10的焦点愈远，在该目标影像中的该线形光斑的该部分就会愈长且愈粗；反之，当物件4愈接近焦点，在该目标影像中的该线形光斑的该部分就会愈短且愈细；其中，如果物件4是位在焦点的上方，则该线形光斑的该部分的位置就会位在一参考点的一侧(例如左侧)，而如果物件4是位在焦点的下方，则该线形光斑的该部分的位置就位在该参考点的另一侧(例如右侧)；而当该目标影像中的该线形光斑的该部分长度与宽度逐渐变小至一临界值时，表示物件4已经来到焦点处，此时该目标影像中的该线形光斑的该部分看起来就是一个接近点状的光斑。

图2至图6为本发明的自动对焦系统在自动对焦的运作过程中由该影像感测装置7所撷取的目标影像70，每一图中的目标影像70都标示了一道虚拟中间线，并以此虚拟中间线作为参考点而分成一左侧区701与一右侧区702。对焦调整模块8对图2所示的目标影像70进行影像处理与分析之后(此可利用现有的影像处理分析技术)，就能得到目标影像70中的该线形光斑的该部分L1的长度、宽度及位置等参数，并因此得知该线形光斑的该部分L1为一较粗较长且位于该参考点一侧(也就是位于该左侧区701)，故对焦调整模块8此时判定物件4目前是位在焦点的上方，这表示物镜10需要往上移动，以使该物件4能往焦点趋近。随后，影像感测装置7会再撷取一次目标影像70，如果所撷取到的目标影像70如图3所示，则对焦调整模块8对图3所示的目标影像70进行影像处理与分析之后，就能根据该线形光斑的该部分L2的前述参数而得知其为一较短较细且同样位于该左侧区701，故对焦调整模块8此时判定物件4目前仍是位在焦点的上方，但比先前更靠近焦点(因为该线形光斑的该部分L2变得更短更细了)，这表示物镜10还需要再往上移动，以使物件4能更往焦点趋近。

如果影像感测装置7所撷取到目标影像70是如图6所示，则对焦调整模块8对图6所示的目标影像70进行影像处理与分析之后，就能根据该线形光斑的该部分L5的的长度、宽度及位置等参数而得知，其为一较粗较长且位于该参考点另一侧(也就是位于该右侧区702)，故对焦调整模块8此时判定物件4目前是位在焦点的下方，这表示物镜10需要往下移动，以使物件4能往焦点趋近。同理，如果影像感测装置7所撷取到目标影像70是如图5所示，则对焦调整模块8此时将判定该物件4目前是位在焦点的下方，但比先前更靠近焦点(因为该线形光斑的该部分L4变得更短更细了)，这表示物镜10需要再往下移动，以使物件4能再往焦点趋近。

如果影像感测装置7所撷取到目标影像70是如图4所示，则当对焦调整模块8对图4所示的目标影像70进行影像处理与分析之后，就能根据该线形光斑的该部分L3的长度、宽度等参数而得知该部分L3的长度与宽度分别已变小至一临界值，故对焦调整模块8此时判定物件4目前是位在焦点上，这表示本发明的自动对焦系统1已完成物件4的对焦，此时自动对焦系统1就会立即传送信号通知取像单元2，以使取像单元2对物件4取像，藉以拍摄得到清晰的该待测影像。

复参阅图1，驱动装置9耦接对焦调整模块8，用以根据对焦调整模块8的判定结果对应驱动物镜10往上或往下移动，藉以调整物镜10与物件4之间的距离，直到自动对焦系统1已完成物件4的对焦为止。

照明单元3包括一分光镜31、一照明装置32，以及设于分光镜31与照明装置32之间的一准直透镜33。照明单元3的分光镜31与自动对焦系统1的第一分光镜64及第二分光镜66同轴，用以接收来自该照明装置32的可见光，并将之反射至物件4，以提供照明。

取像单元2包括一影像撷取装置21、一成像透镜22及一滤镜23。影像撷取装置21用以在自动对焦系统1的对焦调整模块8判定物件4已对焦时，随即对物件4取像，撷取得到内容包含物件4且清晰的该待测影像。滤镜23设于影像撷取装置21与照明单元3的分光镜31之间，用以过滤特定的波段的光(在此实施例中是指上述的红外线激光光斑)，藉以防止该线形光斑的该部分进入影像撷取装置21。

通过上述设置，本发明的自动对焦方法包括下列步骤：

a.产生一道线形光斑，例如线形的红外线激光光斑；此步骤可利用上述的线形光源5予以达成。

b.使该线形光斑只有一部分经由一物镜10投射至一物件4，其中物镜10仅用其半边接收该线形光斑的该部分；此步骤可利用上述的遮光部件62予以达成。

c.对物件4与该线形光斑的该部分进行影像撷取，以撷取得到一目标影像；此步骤可利用上述的影像感测装置7予以达成。

d.根据该目标影像中的线形光斑的该部分的长度、宽度及位置，判定该物件的对焦状态；此步骤可利用上述的对焦调整模块8予以达成。

e.根据对焦状态的判定结果步骤d的判定结果，对应调整该物镜10与该物件4之间的距离；此步骤可利用上述的驱动装置9予以达成。

另需指出的是，本发明的自动对焦系统及方法除了应用于上述的影像检测仪器之外，尚可应用于其它需拍摄影像的装置，例如具有照相功能的手机。

综上所述，本发明的自动对焦系统及方法对于对焦与否的判断上能较为直接。其中，影像感测装置7所撷取的上述目标影像可利用二值化的影像处理(Imagebinarization)得出其中的该线形光斑的该部分的长度及宽度，据以判定物件4距离焦点的远近，并根据该线形光斑的该部分的长度及宽度是否已分别变小至一临界值，据以判定物件4是否已经位在焦点上。再者，本发明的自动对焦系统及方法可根据上述目标影像中的该线形光斑的该部分的位置，也就是在上述参考点的左边或右边(或说是偏左或偏右)来决定物件4目前是位在焦点上方或下方，而不必连续取得所有远近位置的长度变化梯度来推估出真正的焦平面方位。此外，相较于传统激光对焦系统需要处理各种光点的形状变化，本发明利用线形光斑来判定对焦状态，仅涉及单纯的几何长方形状，这使得负责影像处理与分析的演算法所需处理的画面像素的数量不需太多，且在统计光斑的质心位置上也可较为精确，能有效降低因过去光斑亮度不均匀所导致质心忽左忽右的情形发生。

无论如何，任何人都可以从上述例子的说明获得足够教导而可据以实施，并据而了解本发明内容确实不同于先前技术，且具有产业上的利用性，及足具进步性。是本发明确已符合专利要件，依法提出申请。

Claims (10)

1.一种自动对焦系统，其特征在于，包含：

一线形光源，用以产生一道线形光斑；

一物镜，用以接收该线形光斑的一部分，并将该线形光斑的该部分投射至一物件；

一遮光部件，设于该线形光源与该物镜之间的光学路径上，用以部分地遮挡该线形光斑而使该线形光斑的该部分进入该物镜；

一影像感测装置，用以撷取该物件与该线形光斑的该部分，藉以得到一目标影像；及

一对焦调整模块，根据该目标影像中该线形光斑的该部分的长度、宽度及位置，判定对该物件的对焦状态，藉以调整该物镜与该物件之间的距离。

2.如权利要求1所述的自动对焦系统，其特征在于，当该目标影像中该线形光斑的该部分的长度与宽度已小至一临界值，该对焦调整模块判定对该物件已对焦；其中当该目标影像中该线形光斑的该部分位于一参考点的一侧，该对焦调整模块判定该物件位于该物镜的焦点上方；其中当该目标影像中该线形光斑的该部分位于该参考点的另一侧，该对焦调整模块判定该物件位于该物镜的焦点下方。

3.如权利要求1或2所述的自动对焦系统，其特征在于，该线形光源所产生的线形光斑指线形的激光光斑。

4.如权利要求1或2所述的自动对焦系统，其特征在于，更包括一会聚透镜、一反射镜、一第一分光镜、一第二分光镜及一成像透镜，其中该会聚透镜的入射面用以接收该线形光源所发出的该线形光斑，该遮光部件设于该会聚透镜的出光面与该反射镜之间，该反射镜用以将该线形光斑的该部分反射至该第一分光镜，该第一分光镜用以续将该线形光斑的该部分反射至该物镜，并允许从该物件反射回该物镜的反射光与该线形光斑的该部分穿透之，该第二分光镜位于该第一分光镜与该成像透镜之间，用以接收来自该第一分光镜的该反射光与该线形光斑的该部分并将之反射至该成像透镜，该成像透镜用以将该反射光与该线形光斑的该部分会聚成像于该影像感测装置的一感测面，以产生该目标影像。

5.如权利要求1或2所述的自动对焦系统，其特征在于，更包括一驱动装置，其中该驱动装置耦接该对焦调整模块，用以根据该对焦调整模块的判定结果对应驱动该物镜移动，以调整该物镜与该物件之间的距离。

6.一种影像检测仪器，其特征在于，包括如权利要求1至5任一项所述的自动对焦系统、一影像撷取装置及一照明单元，该照明单元用以提供该物件的照明，而该影像撷取装置用以在该自动对焦系统的对焦调整模块判定该物件已对焦时，随即撷取该物件的影像。

7.如权利要求6所述的影像检测仪器，其特征在于，该照明单元包括一分光镜及一照明装置，该照明单元的分光镜与该自动对焦系统的第一分光镜及第二分光镜同轴，用以接收来自该照明装置的可见光，并将之反射至该物件，以提供照明。

8.如权利要求7所述的影像检测仪器，其特征在于，更包括一滤镜，设于该影像撷取装置与该照明单元的分光镜之间，藉以防止从该物件反射回来的该线形光斑的该部分进入该影像撷取装置。

9.一种自动对焦方法，其特征在于，包括下列步骤：

a.产生一道线形光斑；

b.使该线形光斑的一部分经由一物镜投射至一物件；

c.对该物件与该线形光斑的该部分进行影像撷取，以撷取得到一目标影像；及

d.根据该目标影像中的线形光斑的该部分的长度、宽度及位置，判定该物件的对焦状态；以及

e.根据步骤d的判定结果，对应调整该物镜与该物件之间的距离。

10.如权利要求9所述的自动对焦方法，其特征在于，更包括提供一遮光部件部分地遮挡该线形光斑而使该线形光斑的该部分进入该物镜。