CN115150519B - 一种基于线扫描的自动聚焦系统、方法及应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于线扫描的自动聚焦系统，包括光源模块、分光模块、显微物镜和线扫检测模块，所述光源模块包括一光源、透镜和自动聚焦传感器；其中，光源产生的第一波段的光被引导至分光模块透射进入显微物镜，显微物镜出射的第一波段的光经分光模块透射后进入自动聚焦传感器；显微物镜出射的第二波段的光经分光模块反射后被引导至线扫检测模块；通过调整透镜的位置标定显微物镜与线扫检测模块的焦平面共焦后进行线扫测量，并通过调整自动聚焦系统整体与待测量物的相对位置实现线扫检测模块的自动聚焦。其可以解决现有AOI检测视野宽度窄，以及对检测物表面的平整度要求高，难以满足在线扫描系统采集清晰图像的问题。

Description

一种基于线扫描的自动聚焦系统、方法及应用

技术领域

本申请涉及AOI检测技术领域，尤其涉及到一种基于线扫描的自动聚焦系统、一种基于线扫描的自动聚焦方法、一种电子设备及一种计算机可读存储介质。

背景技术

在AOI 发展过程中，对检测的精度越来越高，在平板显示（FPD）检测领域，目前高端要求检测精度达到1um以上，在这样的检测规格下，线扫描系统的景深小于27um，对检测面的平整度的要求小于14um，而检测尺寸比较大(如G4.5代：玻璃基板尺寸为730mm×920mm；G5.5代：玻璃基板尺寸为1300mm×1500mm；G6代：玻璃基板尺寸为1500mm×1850mm)，无法满足扫描系统采集清晰图像的要求。

当前常用的AF方式之一采用自动聚焦显微镜+线扫描相机的方式，如图7和图8中所示，线扫描相机6发出一束平行激光通过陷波滤光片4透射，进入物镜2，激光光斑占物镜2入瞳一半的区域，平行激光聚焦在参考物1上，再经过反射，物镜2透射，陷波滤光片4反射进入AF Sensor7，进行信号处理，然后控制电机模组3调整物镜2进行上下位移，达到物镜聚焦的参考位置。然而，上述方式的扫描视野范围较小，如在相同的倍率5X下，视野宽度只有4.8mm，而使用16K线扫描相机，在5X的镜头下，视野宽度可以达到16.4mm。

另一种AF方式采用线扫描系统+测距仪，如图6中所示，根据测距仪3测量高度的信息变化，传输到电脑，然后电脑再驱动电机模组2移动测距系统整体（包含测距仪3，镜头4，线扫描相机5），以达到镜头到参考物的表面位置保持不变，使聚焦清晰。然而，该方式测距仪与扫描相机的图像采集点位置不在同一区域，由于被测物面可能有高度偏差，导致产生聚焦误差。并且，由于需要通过电脑接收数据，进行分析，然后输出控制电机模组移动，导致聚焦速度较慢。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺陷，本发明实施例提供了一种基于线扫描的自动聚焦系统、方法及应用，其可以解决现有AOI检测采用显微镜+线扫描相机的方式视野宽度窄，或者测距仪与扫描相机的图像采集点位置不在同一区域，由于被测物面的高度偏差导致产生聚焦误差，难以满足在线扫描系统采集清晰图像的问题。

具体的，本发明提供一种基于线扫描的自动聚焦，其包括光源模块、分光模块、显微物镜和线扫检测模块，所述光源模块包括一光源、透镜和自动聚焦传感器，其中，所述分光模块用于透射第一波段的光和反射第二波段的光；所述光源产生的第一波段的光被引导至所述分光模块透射进入所述透射进入所述显微物镜，所述显微物镜出射的第一波段的光经所述分光模块透射后进入所述自动聚焦传感器；所述显微物镜出射的第二波段的光经所述分光模块反射后被引导至所述线扫检测模块；通过调整所述透镜的位置标定所述显微物镜的焦平面与所述线扫检测模块的焦平面共焦后，将待测量物置于所述显微物镜测量视野内进行线扫测量，通过调整所述自动聚焦系统整体与所述待测量物的相对位置实现所述线扫检测模块的自动聚焦。

在本发明的一个实施例中，所述滤波组件还包括：控制器和电机模组，所述控制器分别连接所述自动聚焦传感器和所述电机模组，用于获取被测物的离焦信息，并发送控制信号至所述电机模组，以由所述电机模组控制所述自动聚焦系统整体移动，实现自动聚焦。

在本发明的一个实施例中，所述分光模块透射的第一波段的光在所述显微物镜上形成激光光斑，所述激光光斑覆盖所述显微物镜的一半镜头区域、且所述显微物镜出射的第一波段的光通过另一半镜头区域。

在本发明的一个实施例中，所述分光模块为陷波滤光片或半透半反镜与滤光片的组合。

在本发明的一个实施例中，所述分光模块对波长范围为400-700nm的可见光进行反射，以及对波长范围为750-800nm的非可见光进行透射。

在本发明的一个实施例中，所述基于线扫描的自动聚焦系统还包括：平板玻璃，设置于所述透镜与所述分光模块之间，用于补偿所述分光模块的像差。

在本发明的一个实施例中，所述透镜选用负透镜，用于减少光程。

另外，本发明实施例还提出一种基于线扫描的自动聚焦方法，适用于上述中任意一个实施例所述的基于线扫描的自动聚焦系统，包括：将光源产生的第一波段的光引导至分光模块透射进入显微物镜，并使显微物镜出射的第一波段的光经所述分光模块透射后进入所述自动聚焦传感器；将显微物镜出射的第二波段的光经所述分光模块反射后引导至线扫检测模块；通过调整所述透镜的位置标定所述显微物镜的焦平面与所述线扫检测模块的焦平面共焦后，将所述待测量物置于显微物镜测量视野内进行线扫测量；通过调整所述自动聚焦系统整体与所述待测量物的相对位置实现所述线扫检测模块的自动聚焦。

再者，本发明实施例还提出一种电子设备，包括：存储器和连接所述存储器的一个或多个处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器用于执行所述计算机程序以实现如上述中任意一个实施例所述的基于线扫描的自动聚焦方法。

本发明实施例还提出一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令用于执行如上述中任意一个实施例所述的基于线扫描的自动聚焦方法。

由上可知，本发明的上述实施例可以具有以下一个或多个有益效果：

（1）通过设置自动聚焦传感器线和扫检测模块光路耦合一体，分别利用不同波段的光采集待测量物上的同一位置，实现扫描成像与自动聚焦，能够避免扫描相机与测距仪的图像采集点位置不在同一区域时存在高度偏差，导致出现聚焦误差的问题，使采集的图像清晰得到保障；

（2）通过设置控制器分别连接自动聚焦传感器和电机模组，能够直接根据自动聚焦传感器接收的检测数据调节聚焦，有效提高自动聚焦的实时性；

（3）在自动聚焦传感器和分光模块之间设置透镜，将反射光线调制为平行激光后引导进入自动聚焦传感器，实现将无穷远显微物镜系统耦合到非无穷远的线扫描系统，能够有效增大视野范围。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例提供的一种基于线扫描的自动聚焦系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的激光测距原理示意图；

图3为本发明实施例提供的分光模块的分光透过率曲线示意图；

图4为本发明实施例提供的激光光斑在物镜上的分布示意图；

图5为本发明实施例提供的自动聚焦传感器窗口输入/输出激光光斑示意图；

图6为一种现有的扫描测距系统结构示意图；

图7为另一种现有的扫描测距系统结构示意图；

图8为图7中平行激光入瞳/出瞳原理示意图；

图9为本发明实施例提供的一种基于线扫描的自动聚焦方法的流程图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以互相组合。下面将参考附图并结合实施例来说明本发明。

为了使本领域普通技术人员更好地理解本发明的技术方案，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，都应当属于本发明的保护范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等适用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应当理解这样使用的术语在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外。术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备国有的其它步骤或单元。

还需要说明的是，本发明中多个实施例的划分仅是为了描述的方便，不应构成特别的限定，各种实施例中的特征在不矛盾的情况下可以相结合，相互引用。

如图1所示，本发明第一实施例提出一种基于线扫描的自动聚焦系统，例如包括：光源模块、分光模块3、显微物镜2和线扫检测模块。所述光源模块例如包括：一光源、透镜7和自动聚焦传感器8。

其中，自动聚焦传感器8（AF Sensor，Auto Focus Sensor）例如集成有所述光源，用于输出平行激光，作为自动聚焦传感器8的光路光源。

具体的，例如由透镜7将光源产生的第一波段的光引导至分光模块3，分光模块3用于透射第一波段的光和反射第二波段的光，以使第一波段的光在显微物镜2的镜头上形成激光光斑。

由显微物镜2将光源光线聚焦到待测量物上，并获取经待测量物反射的反射光线。该反射光线沿着原自动聚焦光路返回，其中第一波长的光线通过分光模块3，并经透镜7耦合至自动聚焦传感器8中测得待测量物的离焦信息。

具体测距原理如下：

结合图2所示，焦点上方激光光斑呈现为右侧半圆，交点处激光汇聚为一点，焦点下方激光光斑呈现为左侧半圆。由此，检测物在焦点处聚焦，在焦点上方或下方时，激光光斑的质心位置与高度方向的坐标近视线性关系，因此只要知道光斑质心的位置即可得知聚焦高度的位置。

进一步的，自动聚焦系统例如还包括控制器9和电机模组10，控制器9分别通信连接自动聚焦传感器8和电机模组10，用于获取待测量物的离焦信息，并发送控制信号至所述电机模组，可由电机模组10控制自动聚焦系统整体相对待测量物上下移动进行聚焦。

由于线扫描系统一般都是物面运动进行采集图像，在移动的过程中，待测量物表面高度有一定的偏差，通过本实施例提出的AF系统按一定的采样周期进行测量，由电机模组移动补偿，能够实现实时聚焦的功能。

承上所述，线扫检测模块例如包括反射镜4和线扫描相机5，分光模块3例如还将所述反射光线中第二波长的光线经由反射镜4反射至线扫描相机5中进行成像。

具体的，例如通过调整透镜7所在的位置标定显微物镜2的焦平面与所述线扫检测模块的焦平面共焦，将待测量物1置于显微物镜2的测量视野内进行线扫测量。

进一步的，分光模块3例如为陷波滤光片或半透半反镜与普通单侧滤光片的组合。举例而言，分光模块3为长波通滤光片，其分光透过率曲线如图3中所示，使激光波长范围为750-800nm的非可见光透射，用于获取被测物的离焦信息，并使激光波长范围为400-700nm的可见光反射，用于成像。

进一步的，如图4所示，所述激光光斑例如覆盖物镜2的一半镜头区域，并且反射光线通过物镜2的另一半镜头区域，对应图5所示为AF Sensor 窗口输入和输出的激光光斑示意图。如果激光光斑覆盖的面积过多或过少，可通过调节AF sensor进行平移。

如此一来，使得自动聚焦光路和线扫描检测光路耦合一体，以不同波段的光线分别实现测距与成像功能，能够避免采用图6所示的现有技术，其扫描相机与测距仪的图像采集点位置不在同一区域时存在高度偏差，导致出现聚焦误差的问题，使采集的图像清晰得到保障。并且，能够直接根据AF sensor接收的检测数据调节聚焦，有效提高自动聚焦的实时性。

另外，由于激光光斑入瞳出瞳各占激光光斑一半区域，结合图7和图8所示的现有技术方案，其通过平行激光直接聚焦进行显微检测的扫描视野范围较小，如在相同的倍率5X下，视野宽度只有4.8mm，而本实施例通过在自动聚焦传感器8和陷波滤光片3之间设置透镜7，该透镜7可以为正透镜或负透镜，将反射光线调制为平行激光后引导进入自动聚焦传感器，实现将无穷远显微物镜系统耦合到非无穷远的线扫描系统，能够有效增大视野范围，例如使用16K线扫描相机，5X的镜头下，视野宽度可以达到16.4mm。优选的，透镜7选用负透镜，能够有效减小光程，以减小自动聚焦系统的整体体积，节约成本。

进一步的，所述基于线扫描的自动聚焦系统例如还包括平板玻璃6，设置于透镜7与分光模块3之间，用于补偿分光模块3的像差。

综上所述，本发明实施例提出的一种基于线扫描的自动聚焦系统，通过设置自动聚焦传感器线和扫检测模块光路耦合一体，分别利用不同波段的光采集待测量物上的同一位置，实现扫描成像与自动聚焦，能够避免扫描相机与测距仪的图像采集点位置不在同一区域时存在高度偏差，导致出现聚焦误差的问题，使采集的图像清晰得到保障；并且，设置控制器分别连接自动聚焦传感器和电机模组，能够直接根据自动聚焦传感器接收的检测数据调节聚焦，有效提高自动聚焦的实时性；另外，在自动聚焦传感器和分光模块之间设置透镜，将反射光线调制为平行激光后引导进入自动聚焦传感器，实现将无穷远显微物镜系统耦合到非无穷远的线扫描系统，能够有效增大视野范围。

如图9所示，本发明第二实施例提出一种基于线扫描的自动聚焦方法，例如包括步骤S1至S5。其中，步骤S1，将光源产生的第一波段的光引导至分光模块透射进入显微物镜，并使显微物镜出射的第一波段的光经所述分光模块透射后进入所述自动聚焦传感器；步骤S2，将显微物镜出射的第二波段的光经所述分光模块反射后引导至线扫检测模块；步骤S3，通过调整所述透镜的位置标定所述显微物镜的焦平面与所述线扫检测模块的焦平面共焦后，将所述待测量物置于显微物镜测量视野内进行线扫测量；步骤S4，通过调整所述自动聚焦系统整体与所述待测量物的相对位置实现所述线扫检测模块的自动聚焦。

值得一提的是，本发明第二实施例提出基于线扫描的自动聚焦方法适用于前述第一实施例中提出的基于线扫描的自动聚焦系统，具体的基于线扫描的自动聚焦系统的结构及功能可参考第一实施例所述的内容，在此不再详细讲述，且本实施例提供基于线扫描的自动聚焦方法的有益效果同第一实施例提供的基于线扫描的自动聚焦系统的有益效果相同。

本发明第三实施例还提出一种电子设备，例如包括：至少一个处理单元、以及至少一个存储单元，其中，所述存储单元存储有计算机程序，当所述计算机程序被所述处理单元执行时，使得所述处理单元执行如第一实施例所述的方法，且本实施例提供的电子设备的有益效果与第二实施例提供的基于线扫描的自动聚焦方法的有益效果相同。

本发明第四实施例还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述方法的步骤，且本实施例提供的计算机可读存储介质的有益效果与第二实施例提供的基于线扫描的自动聚焦方法的有益效果相同。

其中，计算机可读存储介质可以包括但不限于任何类型的盘，包括软盘、光盘、DVD、CD-ROM、微型驱动器以及磁光盘、ROM、RAM、EPROM、EEPROM、DRAM、VRAM、闪速存储器设备、磁卡或光卡、纳米系统（包括分子存储器IC），或适合于存储指令和/或数据的任何类型的媒介或设备。

需要说明的是，对于前述的各方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本申请并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本申请，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和模块并不一定是本申请所必须的。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置，可通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些服务接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储器中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储器中，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可为个人计算机、服务器或者网络设备等）执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储器包括：U盘、只读存储器（Read-Only Memory， ROM）、随机存取存储器（Random Access Memory，RAM）、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通进程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储器中，存储器可以包括：闪存盘、只读存储器（Read-Only Memory， ROM）、随机存取器（Random AccessMemory，RAM）、磁盘或光盘等。

以上所述者，仅为本公开的示例性实施例，不能以此限定本公开的范围。即但凡依本公开教导所作的等效变化与修饰，皆仍属本公开涵盖的范围内。本领域技术人员在考虑说明书及实践这里的公开后，将容易想到本公开的其实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未记载的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的范围和精神由权利要求限定。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于线扫描的自动聚焦系统，其特征在于，其包括光源模块、分光模块、显微物镜和线扫检测模块，所述光源模块包括一光源、透镜和自动聚焦传感器，其中，

所述分光模块用于透射第一波段的光和反射第二波段的光；

所述光源产生的第一波段的光被引导至所述分光模块透射进入所述显微物镜，所述显微物镜出射的第一波段的光经所述分光模块透射后进入所述自动聚焦传感器；

所述显微物镜出射的第二波段的光经所述分光模块反射后被引导至所述线扫检测模块；

所述透镜设置在所述自动聚焦传感器和所述分光模块之间，所述光源产生的入射光经过透镜到所述分光模块，第一波段的光经所述分光模块透射后经过所述透镜再传输到所述自动聚焦传感器；

通过调整所述透镜的位置标定所述显微物镜的焦平面与所述线扫检测模块的焦平面共焦后，将待测量物置于所述显微物镜测量视野内进行线扫测量，通过调整所述自动聚焦系统整体与所述待测量物的相对位置实现所述线扫检测模块的自动聚焦。

2.根据权利要求1所述的基于线扫描的自动聚焦系统，其特征在于，还包括：控制器和电机模组，所述控制器分别连接所述自动聚焦传感器和所述电机模组，用于获取被测物的离焦信息，并发送控制信号至所述电机模组，以由所述电机模组控制所述自动聚焦系统整体移动，实现自动聚焦。

3.根据权利要求1所述的基于线扫描的自动聚焦系统，其特征在于，所述分光模块透射的第一波段的光在所述显微物镜上形成激光光斑，所述激光光斑覆盖所述显微物镜的一半镜头区域、且所述显微物镜出射的第一波段的光通过另一半镜头区域。

4.根据权利要求1所述的基于线扫描的自动聚焦系统，其特征在于，所述分光模块为陷波滤光片或半透半反镜与滤光片的组合。

5.根据权利要求4所述的基于线扫描的自动聚焦系统，其特征在于，所述分光模块对波长范围为400-700nm的可见光进行反射，以及对波长范围为750-800nm的非可见光进行透射。

6.根据权利要求1所述的基于线扫描的自动聚焦系统，其特征在于，还包括：平板玻璃，设置于所述透镜与所述分光模块之间，用于补偿所述分光模块的像差。

7.根据权利要求1所述的基于线扫描的自动聚焦系统，其特征在于，所述透镜选用负透镜，用于减少光程。

8.一种基于线扫描的自动聚焦方法，其特征在于，适用于权利要求1-7中任意一项所述的基于线扫描的自动聚焦系统，包括：

将光源产生的第一波段的光引导至分光模块透射进入显微物镜，并使显微物镜出射的第一波段的光经所述分光模块透射后进入所述自动聚焦传感器；

将显微物镜出射的第二波段的光经所述分光模块反射后引导至线扫检测模块；

通过调整所述透镜的位置标定所述显微物镜的焦平面与所述线扫检测模块的焦平面共焦后，将所述待测量物置于显微物镜测量视野内进行线扫测量；

通过调整所述自动聚焦系统整体与所述待测量物的相对位置实现所述线扫检测模块的自动聚焦。

9.一种电子设备，其特征在于，包括：存储器和连接所述存储器的一个或多个处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器用于执行所述计算机程序以实现如权利要求8所述的基于线扫描的自动聚焦方法。

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令用于执行如权利要求8所述的基于线扫描的自动聚焦方法。

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