CN113467065A - 自动对焦系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种自动对焦系统，所述自动对焦系统包括多个第一光源、多个透镜、物镜、第一相机以及处理器；所述物镜的光轴位于多个所述第一光源的内侧，多个所述第一光源用于分别发出各自对应的特征信号光束，每一所述第一光源所发出的特征信号光束经过一所述透镜而形成平行光并射向所述物镜，多个所述第一光源的特征信号光束经过所述物镜后在物面分别形成特征图像，所述第一相机用于捕获形成于所述物面的多个特征图像，所述处理器用于根据不同的特征图像的相对位置以确定所述自动对焦系统的离焦方向和离焦量，并根据所述离焦方向和离焦量确定所述物镜位置的调整量。本发明技术方案实现自动对焦迅速，准确。

Description

自动对焦系统

技术领域

本发明涉及光学技术领域，特别涉及一种自动对焦系统。

背景技术

自动聚焦技术大体分为两类：第一类直接计算被成像物体的影像对比度，寻找对比度最高的镜头位置；第二类需要专门的自动聚焦系统。第一类需要预判聚焦移动方向不满足现代工业对效率的要求，所以普遍采用第二种聚焦方式。

现有的自动聚焦方式通过半锥形光束在聚焦面、焦前焦后的不同光斑形状做出判断。聚焦于焦外时(焦前)激光光斑呈现左侧半圆形；聚焦于焦内时(焦后)激光光斑呈现为右侧半圆形；焦点处，理论上激光束会聚为一点。理论上如此，实际操作时当镜头从焦点位置逐渐离焦的过程中，激光束的形状变化是缓慢的，由于半椎体形状的光束数值孔径只占到显微镜数值孔径的一半，也就是聚焦信号的焦深大于物镜的焦深，不能足够反映物体离焦的程度。

上述内容仅用于辅助理解本发明的技术方案，并不代表承认上述内容是现有技术。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种自动对焦系统，旨在解决现有技术中对焦成像不准确的技术问题。

为实现上述目的，本发明提出的自动对焦系统，包括多个第一光源、多个透镜、物镜、第一相机以及处理器；

所述物镜的光轴位于多个所述第一光源的内侧，多个所述第一光源用于分别发出各自对应的特征信号光束，每一所述第一光源所发出的特征信号光束经过一所述透镜而形成平行光并射向所述物镜，多个所述第一光源的特征信号光束经过所述物镜后在物面分别形成特征图像，所述第一相机用于捕获形成于所述物面的多个特征图像，所述处理器用于根据不同的特征图像的相对位置以确定所述自动对焦系统的离焦方向和离焦量，并根据所述离焦方向和离焦量确定所述物镜位置的调整量。

本发明技术方案所提出的自动对焦系统，通过设置多个第一光源，每一第一光源能发出各自对应的特征信号光束，多个第一光源的特征信号光束经过物镜后在物面分别形成特征图像，并通过处理器捕获多个特征图像，通过不同的特征图像的相对位置的比对来判断出离焦方向和离焦量，并根据离焦方向和离焦量确定物镜位置的调整量，这样设置的好处在于，相比以往通过半锥形光束在聚焦面以焦前焦后的不同光斑形状做出判断的对焦方式，本申请的方案因为是通过不同特征图像之间进行相对位置比较，这样更容易得出离焦方向和离焦量，而不会受到半椎体形状的光束数值孔径只占到显微镜数值孔径的一半的客观因素的影响，因此对焦成像更为准确。

可选地，所述自动对焦系统还包括第一分光镜、分色镜以及第一管镜；

由所述透镜射出的特征信号光束经过所述第一分光镜的分光作用射向所述分色镜，所述分色镜将特征信号光束反射至所述透镜后到达所述物面，所述物面将所述特征信号光束依次经过所述透镜、所述分色镜、所述第一分光镜以及所述第一管镜后射入所述第一相机以形成特征图像。

可选地，所述自动对焦系统还包括聚光组件，所述聚光组件位于所述透镜和所述第一分光镜之间，所述聚光组件用于将所述透镜射出的特征信号光束汇聚至所述第一分光镜。

可选地，所述聚光组件包括多个第二分光镜和多个聚光棱镜，每一所述透镜的出光面对应设置有一所述第二分光镜，相邻两个所述第二分光镜之间设置有一所述聚光棱镜，由所述透镜射出的特征信号光束经过所述第二分光镜和所述聚光棱镜的两次镜面反射后射向所述第一分光镜；

或，所述聚光组件包括分别对应相邻两个透镜设置的第三分光镜和第四光学器件，相邻两个透镜中的一个所射出的特征信号光束经过第三分光镜的反射至所述第四光学器件，并经过所述第四光学器件的反射后射向所述第一分光镜，而相邻两个透镜中的另一个所射出的特征信号光束穿过所述第四光学器件后射向所述第一分光镜。

可选地，所述第四光学器件为分光比为50/50的分光镜、偏振分光镜或者二色向镜。

可选地，所述自动对焦系统还包括调节器；

所述处理器根据所述调整量生成调节命令，并将所述调节命令发送给所述调节器；

所述调节器根据所述调节命令调整所述物镜的位置。

可选地，所述第一光源包括激光源本体和掩膜版。

可选地，所述第一光源为能接收数字信号的显示屏。

可选地，所述自动对焦系统还包括第二光源、第四分光镜、第二管镜以及第二相机；

所述第二光源发出的照明光线经过所述第四分光镜的反射射向所述分色镜，所述分色镜对照明光线进行分光处理并射向所述物镜，经过所述物镜的照明光线投射至所述物面上用于供所述物面上的被检测物的照明，所述被检测物将照明光线反射以形成反射光线，所述反射光线依次经过所述物镜、所述分色镜、所述第四分光镜以及所述第二管镜最后汇聚至所述第二相机。

可选地，所述第四分光镜的分光比为50/50。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明自动对焦系统一实施例的结构示意图；

图2为本发明自动对焦系统又一实施例的结构示意图；

图3为本发明自动对焦系统再一实施例的结构示意图；

图4为图1中自动对焦系统一应用场景示意图；

图5为图1中自动对焦系统又一应用场景示意图；

图6为图1中自动对焦系统再一应用场景示意图；

图7为图1中自动对焦系统的离焦量计算原理示意图；

图8为图7中的另一原理示意图。

附图标号说明：

标号	名称	标号	名称
				10a、10b	第一光源	C3	第三分光镜
20a、20b	透镜	C4	第四光学器件
				30	物镜	70	第一管镜
40	第一相机	80	第二光源
				50	第一分光镜	90	第四分光镜
60	分色镜	110	第二管镜
				C	聚光组件	120	第二相机
C1	第二分光镜	W	物面

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

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的一部分实施例，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作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，全文中的“和/或”包括三个方案，以A和/或B为例，包括A技术方案、B技术方案，以及A和B同时满足的技术方案；另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

本发明提出一种自动对焦系统。

请参照图1至图4，在本发明实施例中，本发明提出的自动对焦系统包括多个第一光源(10a、10b)、多个透镜(20a、20b)、物镜30、第一相机40以及处理器(图中未示出)。

所述物镜30的光轴位于多个第一光源(10a、10b)的内侧，多个第一光源(10a、10b)用于分别发出各自对应的特征信号光束，每一第一光源(10a、10b)所发出的特征信号光束经过一透镜(20a、20b)而形成平行光并射向物镜30，多个第一光源(10a、10b)的特征信号光束经过物镜30后在物面W分别形成特征图像，第一相机40用于捕获形成于物面W的多个特征图像，处理器用于根据不同的特征图像的相对位置以确定自动对焦系统的离焦方向和离焦量，并根据离焦方向和离焦量确定物镜30位置的调整量。

本申请第一光源(10a、10b)可以是激光源本体和掩膜版，通过激光源本体将掩膜版的图案投射到被测物面W上而形成特征图像，此种结构结构简单，成本相对较低。第一光源(10a、10b)还可以为能接收数字信号的显示屏，例如LCD、DLP、LCoS microdisplay等，直接通过屏幕显示特征图像以进行调焦，此种结构，使用方便，成像更稳定。本申请对第一光源(10a、10b)的选择不做限制，其他能产生特征图像的方案也适用。透镜(20a、20b)的数量与第一光源(10a、10b)的数量相对应，透镜(20a、20b)可以为凸透镜(20a、20b)，可以采用例如柱面镜，其中，本申请的第一光源(10a、10b)位于透镜(20a、20b)的焦平面上并且位于物镜30的光轴的侧方，其中，多个第一光源(10a、10b)可以是以物镜30的光轴对称设置，也可以是非对称设置，本申请对此不做限制。

本发明技术方案所提出的自动对焦系统，通过设置多个第一光源(10a、10b)，每一第一光源(10a、10b)能发出各自对应的特征信号光束，多个第一光源(10a、10b)的特征信号光束经过物镜30后在物面W分别形成特征图像，并通过处理器捕获多个特征图像，通过不同的特征图像的相对位置的比对来判断出离焦方向和离焦量，并根据离焦方向和离焦量确定物镜30位置的调整量，这样设置的好处在于，相比以往通过半锥形光束在聚焦面以焦前焦后的不同光斑形状做出判断的对焦方式，本申请的方案因为是通过不同特征图像之间进行相对位置比较，这样更容易得出离焦方向和离焦量，而不会受到半椎体形状的光束数值孔径只占到显微镜数值孔径的一半的客观因素的影响，因此对焦成像更为准确。

接下来的内容以第一光源(10a、10b)的设置为两个，分别为第一光源10a和第一光源10b，透镜(20a、20b)也为对应的两个分别为透镜20a，透镜20b，对本申请的方案进行进一步地说明。

对于本申请通过不同的特征图像的相对位置的比对来判断出离焦方向和离焦量，具体而言，可以参照图4至图6，在图4的示例中，第一光源10a发射的特征信号光束显示出的特征图像为单线(为了便于区分，图中单线线条较粗)，而和第一光源10b发射的特征信号光束显示出的特征图像为双线，并且通过图像大小设置，可以使得单线是位于双线的内侧的，由图4的内容可以显示，由于第一光源10a和和第一光源10b的光线会在物镜30的焦平面上进行相交，则当物面W正好处于焦平面处时，则显示出的特征图像将是单线正好位于双线的中间位置，由于从物镜30的出光面的出射光线是呈锥形的逐渐汇集到物镜30的焦平面处，因此当物面W处于焦内时，则单线向右侧偏移，更为靠近双线中的右侧线条而使得单线与双线中左侧的线条的间距被拉大而与右侧的线条的间距缩小，则当第一相机40捕获到该图像时，通过预设的判断规则，可以非常快速并且准确的识别出此时物面W是位于焦内。同样，由于从物镜30的出光面的出射光线经过其焦平面后也是呈锥形进行发散，因此，当物面W处于焦外时，则单线向左侧偏移，更为靠近双线中的左侧线条而使得单线与双线中左侧的线条的间距被缩小而与右侧的线条的间距增，由此处理器可以通过第一相机40捕获到的特征图像，迅速准确判断出此时物面W是处于焦外。图5和图6则将第一光源10a和第一光源10b形成的特征图像分别设置为圆形和三角形，参照上一实施例的原理说明，可以理解的，本申请当物面W处于物镜30的焦平面上时，则分别显示出同心圆以及顶点相接触且对称设置的三角形图案，当物面W处于物镜30的焦内时，则分别显示出内圆向左侧偏移以及两三角形相互远离的图案，当物面W处于物镜30的焦外时，则分别显示出内圆向右侧偏移以及两三角形部分重叠的图案，通过以上方式，处理器通过第一相机40所捕获到的不同第一光源(10a、10b)所形成的特征图像的相对位置关系，可以非常准确、迅速地识别出物面W的离焦方向。

为了使得本申请自动对焦系统更便于应用到工业生产环境中，使得其整体结构紧凑，并且显示效果更好，在一实施例中，所述自动对焦系统还包括第一分光镜50、分色镜60以及第一管镜70，其中为了显示效果，第一分光镜50的分光比为50/50，可以理解的，对于第一分光镜50的性能还可以根据需求做出适应性调整。则上述成像过程中，由透镜(20a、20b)射出的特征信号光束经过第一分光镜50的分光作用射向分色镜60，分色镜60将特征信号光束反射至物镜30后到达物面W，物面W将特征信号光束依次经过物镜30、分色镜60、第一分光镜50以及第一管镜70后射入第一相机40以形成特征图像。

进一步地，在实际应用过程中，由于透镜(20a、20b)包含有筒镜等光学器件，使得相邻的透镜(20a、20b)之间间距会比较大，甚至大于物镜30的接受光线的有效直径，所以为了能更好的将特征信号光束汇聚到物镜30，本申请还包括聚光组件C，聚光组件C位于透镜(20a、20b)和第一分光镜50之间，所述聚光组件C用于将透镜(20a、20b)射出的特征信号光束汇聚至第一分光镜50。对于聚光组件C的形式，本申请提出两个示例性的实施例，请参照图2，在一实施例中，所述聚光组件C包括多个第二分光镜C1和多个聚光棱镜C2，每一透镜(20a、20b)的出光面对应设置有一第二分光镜C1，相邻两个第二分光镜C1之间设置有一所述聚光棱镜C2，由透镜(20a、20b)射出的特征信号光束经过第二分光镜C1和聚光棱镜C2的两次镜面反射后射向第一分光镜50，本实施例，第二分光镜C1和聚光棱镜C2提供镜面反射将特征信号光束进行汇聚，实现有效汇聚至物镜30，如此更能适应实际使用需求。请参照图3，在另一实施例中，所述聚光组件C包括分别对应相邻两个透镜(20a、20b)设置的第三分光镜C3和第四光学器件C4，其中，第四光学器件C3可以采用分光比为50/50的分光镜、偏振分光镜或者二色向镜。相邻两个透镜(20a、20b)中的一个所射出的特征信号光束经过第三分光镜C3的反射至第四光学器件C4，并经过第四光学器件C4的反射后射向第一分光镜50，而相邻两个透镜(20a、20b)中的另一个所射出的特征信号光束穿过第四光学器件C4后射向第一分光镜50。本实施例也能使得本申请的自动对焦系统能更好的适应实际使用需求，可以理解的，随着技术革新，当透镜(20a、20b)的现有形式通过改良做得体积较小，不同的透镜(20a、20b)之间的间距可以很小并且符合物镜30的接受光线的有效直径的情况下，聚光组件C也可以省略，这也在本申请的保护范围内。

进一步地，本申请自动对焦系统还包括调节器(图中未示出)；处理器根据调整量生成调节命令，并将调节命令发送给调节器；调节器根据调节命令调整物镜30的位置。其中，调节器至少具有三个调节维度，包括x方向旋转调节和y方向旋转调节，用于自动调平；z方向移动调节，用于自动对焦，其包括有伺服电机以及传动机构等部件，其可以参照现有结构设计，在此不再赘述。

接下来对本申请的方案，如何确定离焦量，以使得控制器能通过调整量控制调节器驱动物面W进行位置调节的方案进行说明。

请参照图7，第一光源10a和第一光源10b分别位于透镜20a和透镜20b的焦平面上，第一光源10a和第一光源10b所发出的特征信号光束汇聚到物镜30的焦平面上。定义透镜20a的焦距为f1′，透镜20b的焦距为f2′，物镜30的焦距为f3′，第一光源10a和第一光源10b在第一透镜20a和一透镜20b的焦平面上的高度分别为h1和-h2，第一光源10a和第一光源10b的特征信号光束的主光线在物镜30的出射面的高度分别为a1、-a2，物镜30出光面距离其焦平面的距离为L1，离焦量为-ΔL，则：

δh2′＝ΔL1*tan((h2′-a2)/L1) (4)；

δh1′＝ΔL1*tan((h1′′a1)/L1) (5)；

特殊的，当h1＝-h2＝0，h2′＝-h1′＝0，公式(4)、(5)变为(如图8)如下的(6)、(7)：

δh2′＝-ΔL1*tan(a2/L1) (6)；

δh1′＝-ΔL1*tan(a1/L1) (7)；

进一步地，定义本申请第一管镜70的焦距为ft1′，自动对焦系统的光学放大率为β1，则：

β1＝ft1′/f3′ (8)；

在第一相机40的感光面，特征信号光束的变化量为δt，则:

δt＝(δh1′+δh2′)*β1 (9)；

定义第二管镜110的焦距为ft2′，本申请的自动对焦系统的光学放大率为β2，则：

β2＝ft2′/f3′ (10)。

在一实施例中，本申请自动对焦系统还包括第二光源80、第四分光镜90、第二管镜110以及第二相机120；所述第二光源80发出的照明光线经过所述第四分光镜90的反射射向所述分色镜60，所述分色镜60对照明光线进行分光处理并射向所述物镜30，经过所述物镜30的照明光线投射至所述物面W上用于供所述物面W上的被检测物的照明，所述被检测物将照明光线反射以形成反射光线，所述反射光线依次经过所述物镜30、所述分色镜60、所述第四分光镜90以及所述第二管镜110最后汇聚至所述第二相机120。其中，所述第四分光镜90的分光比为50/50。也即通过，第二光源80、第四分光镜90、第二管镜110以及第二相机120的设置可以在通过上述内容实现自动对焦之后，再通过第四分光镜90反射的第二光源80的照明光线经过物镜30照明整个物面W，经物面W反射后由物镜30、第二管镜110会聚到第二相机120，会聚到第二相机120的光线能够清晰的显示出含有物面W需要检测的信息。

以上所述仅为本发明的可选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种自动对焦系统，其特征在于，所述自动对焦系统包括多个第一光源、多个透镜、物镜、第一相机以及处理器；

所述物镜的光轴位于多个所述第一光源的内侧，多个所述第一光源用于分别发出各自对应的特征信号光束，每一所述第一光源所发出的特征信号光束经过一所述透镜而形成平行光并射向所述物镜，多个所述第一光源的特征信号光束经过所述物镜后在物面分别形成特征图像，所述第一相机用于捕获形成于所述物面的多个特征图像，所述处理器用于根据不同的特征图像的相对位置以确定所述自动对焦系统的离焦方向和离焦量，并根据所述离焦方向和离焦量确定所述物镜位置的调整量。

2.如权利要求1所述的自动对焦系统，其特征在于，所述自动对焦系统还包括第一分光镜、分色镜以及第一管镜；

由所述透镜射出的特征信号光束经过所述第一分光镜的分光作用射向所述分色镜，所述分色镜将特征信号光束反射至所述透镜后到达所述物面，所述物面将所述特征信号光束依次经过所述透镜、所述分色镜、所述第一分光镜以及所述第一管镜后射入所述第一相机以形成特征图像。

3.如权利要求2所述的自动对焦系统，其特征在于，所述自动对焦系统还包括聚光组件，所述聚光组件位于所述透镜和所述第一分光镜之间，所述聚光组件用于将所述透镜射出的特征信号光束汇聚至所述第一分光镜。

4.如权利要求3所述的自动对焦系统，其特征在于，所述聚光组件包括多个第二分光镜和多个聚光棱镜，每一所述透镜的出光面对应设置有一所述第二分光镜，相邻两个所述第二分光镜之间设置有一所述聚光棱镜，由所述透镜射出的特征信号光束经过所述第二分光镜和所述聚光棱镜的两次镜面反射后射向所述第一分光镜；

或，所述聚光组件包括分别对应相邻两个透镜设置的第三分光镜和第四光学器件，相邻两个透镜中的一个所射出的特征信号光束经过第三分光镜的反射至所述第四光学器件，并经过所述第四光学器件的反射后射向所述第一分光镜，而相邻两个透镜中的另一个所射出的特征信号光束穿过所述第四光学器件后射向所述第一分光镜。

5.如权利要求4所述的自动对焦系统，其特征在于，所述第四光学器件为分光比为50/50的分光镜、偏振分光镜或者二色向镜。

6.如权利要求1所述的自动对焦系统，其特征在于，所述自动对焦系统还包括调节器；

所述处理器根据所述调整量生成调节命令，并将所述调节命令发送给所述调节器；

所述调节器根据所述调节命令调整所述物镜的位置。

7.如权利要求1所述的自动对焦系统，其特征在于，所述第一光源包括激光源本体和掩膜版。

8.如权利要求1所述的自动对焦系统，其特征在于，所述第一光源为能接收数字信号的显示屏。

9.如权利要求1所述的自动对焦系统，其特征在于，所述自动对焦系统还包括第二光源、第四分光镜、第二管镜以及第二相机；

所述第二光源发出的照明光线经过所述第四分光镜的反射射向所述分色镜，所述分色镜对照明光线进行分光处理并射向所述物镜，经过所述物镜的照明光线投射至所述物面上用于供所述物面上的被检测物的照明，所述被检测物将照明光线反射以形成反射光线，所述反射光线依次经过所述物镜、所述分色镜、所述第四分光镜以及所述第二管镜最后汇聚至所述第二相机。

10.如权利要求9所述的自动对焦系统，其特征在于，所述第四分光镜的分光比为50/50。

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