CN116699823A - 自动对焦及取像系统及其方法、显微镜 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种显微镜的自动对焦及取像系统，包含一焦距调整模块，具有一光学模块用以将第一光源发出的光线转换成直线光束，该直线光束经由第一光学组件传递至待测物的对焦平面，该待测物沿着XY方向设置，及第二光学组件将从该对焦平面反射的该直线光束传递至第一传感器并取得对焦影像，运算单元根据该对焦影像的位置数值控制一置动器调整该第一光学组件的Z方向位置、取像模块具有第三光学组件将第二光源发出的光线投射至该待测物的取像平面，及第四光学组件将经由该取像平面反射的该光线成像至第二传感器以取得目标影像。

Description

自动对焦及取像系统及其方法、显微镜

技术领域

本申请是关于显微镜的自动对焦及取像系统，特别是一种用于电子产品的快速对焦及取像的系统。

背景技术

显微镜具有高影像放大率特性，可以将细小的物体放大来观察，也因为高放大率的关系，景深(Depth of field)范围相对会比较小，使用者需要花时间调整物镜与被观察物的距离才能够清楚地看到被观察物体，而市面上自动对焦系统因为对焦平面就是取像平面，所以可以快速的调整物镜与被观察物的距离，使用者不需要花太多时间就可以取得清楚的影像。

然而目前的电子产品为了特殊功能性的设计，如屏下摄影机、LED玻璃基板封装、液晶面板封装(Chip on glass、Film on glass)，大多会将相关电子组件放在一个介质材料上面，要检查该电子组件时需要穿透该介质材料才能观察，如果使用市面上的自动对焦系统就不容易达到快速对焦的目的，或者需要多道程序才能完成对焦，导致生产效率下降。

发明内容

本申请所要解决的技术问题在于提供一种自动对焦及取像系统，包含一焦距调整模块，具有一光学模块用以将一第一光源发出的光线转换成一直线光束，该直线光束经由一第一光学组件传递至一待测物的一对焦平面，及一第二光学组件将从该对焦平面反射的该直线光束传递至一第一传感器以取得一对焦影像，一运算单元根据该对焦影像的位置数值控制一置动器调整该第一光学组件的一Z方向位置，以及一取像模块，具有一第三光学组件将一第二光源发出的一光线投射至该待测物的一取像平面，及一第四光学组件将经由该取像平面反射的该光线成像至一第二传感器以取得一目标影像。

其中还具有一第一分光组件及一第二分光组件位于该对焦平面与该第一传感器之间的光线路径上，该第一分光组件用以将该直线光束的部分传递至该第二分光组件，该第二分光组件将该直线光束的部分反射至该第一光学组件并由该第一光学组件将该直线光束的部分传递至该对焦平面，该第二分光组件允许从该对焦平面反射回该第一光学组件的该直线光束的部分反射至该第一分光组件，该第一分光组件允许该直线光束的部分反射至该第二光学组件，并由该第二光学组件传递至该第一传感器。

其中该第二分光组件与一第三分光组件位于该第二传感器与该取像平面之间及该第三光学组件与该取像平面之间的光线路径上，该第三分光组件用以将该第二光源的部分光线反射至该第二分光组件，该第二分光组件将该光线的部分传递至该第一光学组件并由该第一光学组件将该光线的部分传递至该取像平面，该第二分光组件允许从该取像平面反射回该第一光学组件的该光线的部分传递至该第三分光组件，该第三分光组件允许将该光线的部分经过第四光学组件成像至该第二传感器。

较佳的，该取像模块还具有一吸光板及一第一反射组件，该第一反射组件将该第二光源的光线经由一第三分光组件后的部分该光线反射至该吸光板。

较佳的，还具有一第三光源及一第二反射组件，该第二反射组件将该第三光源的一光线反射至一第四分光组件，该第四分光组件将该第三光源的该光线的部分并反射至该第一光学组件，该第一光学组件将该光线传递至该取像平面，该第三光源为高功率的雷射光。

较佳的，该对焦平面与该取像平面间的距离介于0mm至10mm。

较佳的，该第一光源为雷射光或发光二极管，该第二光源为发光二极管。

本申请还具有一种显微镜，具有如前述的自动对焦及取像系统。

本申请还包含一种自动对焦及取像方法，是包含下列步骤：

(a)对焦步骤：

(a1)产生一直线光束；

(a2)使该直线光束经由一第一光学组件传递至一待测物的一对焦平面后反射至一第一传感器取得一对焦影像；

(a3)取得该对焦影像的一位置数值；

(a4)根据该位置数值判定对焦状态；以及

(a5)根据步骤(a4)的判定结果调整该第一光学组件的一Z方向位置；

(b)取像步骤：

(b1)产生一光线；

(b2)使该光线投射至该待测物的一取像平面并反射至一第二传感器形成一目标影像；

(b3)使一第二传感器取得该目标影像。

有关本申请的其它功效及实施例的详细内容，配合图式说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本申请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申请中记载的一些实施例，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获得其它的附图。

图1是本申请第一实施例的光线路径图；

图2是本申请第一传感器取得的对焦影像画面示意图；

图3是对焦影像的x位置与第一光学组件在Z方向位置呈线性关系图；

图4是本申请的第二实施例的第一传感器取得的对焦影像画面示意图；

图5是本申请的第三实施例的光线路径图；

图6是本申请的第四实施例的光线路径图；

图7是本申请自动对焦及取像的方法流程图。

符号说明

A、B、C：对焦影像的局部线段

a1～a5、a：对焦步骤 b1～b3、b：取像步骤

h：取像距离 10：第一光源 101：直线光束

z：第一光学组件与对焦平面之间的距离

11：光学模块 13：第一传感器 15：运算单元

17：置动器 20：第二光源 22：第二传感器

31：第一分光组件 32：第二分光组件 33：第三分光组件

41：第一光学组件 42：第二光学组件 43：第三光学组件

44：第四光学组件 51：对焦平面 52：取像平面

61：第一反射组件 62：吸光板 71：第四分光组件

72：第二反射组件 73：第三光源

具体实施方式

在下文的实施方式中所述的位置关系，包括：上，下，左和右，若无特别指明，皆是以图式中组件绘示的方向为基准。

请参阅图1，绘示一种自动对焦及取像系统，包含一焦距调整模块以及一取像模块，该焦距调整模块具有一光学模块11用以将一第一光源10发出的光线转换成一直线光束101，该直线光束101经由一第一光学组件41传递至一待测物的一对焦平面51，该待测物沿着一XY方向设置，及一第二光学组件42将从该对焦平面51反射的该直线光束101传递至一第一传感器13以取得一对焦影像，一运算单元15根据该对焦影像的位置数值控制一置动器17调整该第一光学组件41的一Z方向位置，该运算单元15进行图像处理及分析，该运算单元15可以是但不限于CPU、DSP、FPGA或混合信号处理器等可编程信号处理组件。

进一步说明，该焦距调整模块还具有一第一分光组件31及一第二分光组件32位于该对焦平面51与该第一传感器13之间的光线路径上，该第一分光组件31用以将该直线光束101的部分传递至该第二分光组件32，该第二分光组件32将该直线光束101的部分反射至该第一光学组件41并由该第一光学组件41将该直线光束101的部分传递至该对焦平面51形成第一光路；而该第二分光组件32允许从该对焦平面51反射回该第一光学组件41的该直线光束101的部分反射至该第一分光组件31，该第一分光组件31允许该直线光束101的部分反射至该第二光学组件42，而该第二光学组件42将该直线光束101的部分传递至一第一传感器13形成第二光路并使该第一传感器13取得一对焦影像。其中该第一光源10可以是雷射光或发光二极管(LED)，该第一传感器13为线扫描相机或面相机。该第一光学组件41及第二光学组件42为光学透镜。

而该取像模块具有一第三光学组件43将一第二光源20发出的一光线投射至该待测物的一取像平面52，及一第四光学组件44将经由该取像平面52反射的该光线传递至一第二传感器22取得一目标影像，该第二光源20为可见光或红外光的发光二极管(LED)，该第二传感器22为线扫描相机或面相机。该第三光学组件43及该第四光学组件44为光学透镜。

进一步说明，该第二分光组件32与一第三分光组件33位于该第二传感器22与该取像平面52之间及该第三光学组件43与该取像平面52之间的光线路径上，该第三分光组件33用以将该第二光源的光线的部分反射至该第二分光组件32，该第二分光组件32将该光线的部分传递至该第一光学组件41并由该第一光学组件41将该光线的部分传递至该取像平面52形成第三光路，该第二分光组件32允许从该取像平面52反射回该第一光学组件41的该光线的部分传递至该第三分光组件33，该第三分光组件33允许将该光线的部分传递至一第四光学组件44，该第四光学组件44将该光线的部分成像至该第二传感器22形成第四光路并使该第二传感器22取得目标影像。

前述的直线光束经由第一光路及第二光路到达第一传感器13进行对焦后，第二光源的光线经由第三光路及第四光路到达第二传感器22进行取像为一次完整的自动对焦及取像流程。

进一步说明，请参阅图2为第一传感器13取得的对焦影像画面，该第一传感器13取得的对焦影像为直线光斑，当该第一光学组件41的Z方向位置改变(即影响该第一光学组件41与对焦平面51之间的距离z改变)，该直线光斑会在第一传感器13沿着X方向移动，因此运算单元15会根据对焦影像的位置控制该第一光学组件41的Z方向位置以使第二传感器22取得清晰的影像。在其他的实施例中，该直线光束101也可以是长条状以外的形状，例如三角形、弧形或圆形，只要能在第一传感器13形成可供测量的光斑即可。

请参阅图3，该置动器17调整第一光学组件41的位置数值是依据下列公式：

其中C是第一光学组件41的数值孔径，a、k为校正常数，z是第一光学组件41与对焦平面51之间的距离，x是第一传感器13上的对焦影像位置，当该对焦影像在x1位置时，对应第一光学组件41在Z方向位置z1，当对焦影像在x2位置时，对应第一光学组件41在Z方向位置z2，当对焦影像在x3位置时，对应第一光学组件41在Z方向位置z3，以此类推，该对焦影像的x位置与第一光学组件41在Z方向位置呈线性关系。

请参阅图4为本申请的第二实施例，于第二实施例中，待测物的取像平面处于不等高平面时，该第一传感器13上的对焦影像通过数字化方式处理，可以分解成一或多个线段做局部定位使用(图中A、B、C线段)，因此，使用者可设定取像平面52上的任意x,y位置以对应取像距离h(即对焦平面与该取像平面间的距离)，于本申请的实施例中，对焦平面与该取像平面间的距离介于0mm至10mm，而前述第一光学组件41与对焦平面51之间的距离z大于前述取像距离h。

请参阅图5为本申请的第三实施例，于第三实施例中该取像模块还具有一吸光板62及一第一反射组件61，该第二光源20发出的光线经由第三光学组件43传递至第三分光组件33后，部分的光线会反射至第二分光组件32，另一部分的光线穿透至第一反射组件61，并经由第一反射组件61反射至吸光板62并吸收形成第五光路，通过第五光路的形成能够避免光线反射至第二传感器22影响取像画面，并且能够提升目标影像对比度。

请参阅图6为本申请的第四实施例，于第四实施例中还具有一第三光源73及一第二反射组件72，该第三光源73发出的光线为大于10W的高功率雷射光，雷射光经由第二反射组件72反射至一第四分光组件71，该第四分光组件71将该雷射光的部分反射至取像平面52，如此一来，可以直接通过雷射光线对待测物进行加工(即取像平面52为加工平面)，提高使用便利性。

其中该第三分光组件33、第二分光组件32及第一光学组件41皆位于该取像平面52与该第四分光组件71的光线路径上，雷射光经由第二反射组件72反射至第四分光组件71，该第四分光组件71将该雷射光的部分反射至第四光学组件44，第四光学组件44将雷射光传递至第三分光组件33，第三分光组件33将雷射光的部分传递至第二分光组件32，第二分光组件32将雷射光的部分传递至第一光学组件41，最后再由第一光学组件41将雷射光传递至取像平面52形成第六光路，因此可以直接对待测物进行雷射加工，减少用户移动待测物后进行加工的成本，提高便利性。

本申请还具有一种显微镜，具有如前述的自动对焦及取像系统，请参阅图7，该自动对焦及取像系统的自动对焦及取像的方法是包含下列步骤：

(a)对焦步骤：

(a1)该第一光源10发出一光线并经由一光学模块11产生一直线光束101；

(a2)使该直线光束101经由一第一光学组件41传递至一待测物的一对焦平面51后反射至一第一传感器13取得一对焦影像；

(a3)该运算单元15取得该对焦影像的一位置数值；

(a4)该运算单元15根据该位置数值判定对焦状态；以及

(a5)该运算单元15根据步骤(a4)的判定结果控制该置动器17调整该第一光学组件41的一Z方向位置；以及

(b)取像步骤：

(b1)该第二光源20产生一光线

(b2)使该光线投射至该待测物的一取像平面52并反射至一第二传感器22形成一目标影像；

(b3)使该第二传感器22取得该目标影像。

以上所述的实施例及/或实施方式，仅是用以说明实现本申请技术的较佳实施例及/或实施方式，并非对本申请技术的实施方式作任何形式上的限制，任何本领域技术人员，在不脱离本申请内容所公开的技术手段的范围，当可作些许的更动或修饰为其它等效的实施例，但仍应视为与本申请实质相同的技术或实施例。

Claims (10)

1.一种自动对焦及取像系统，其特征在于，包含：

一焦距调整模块，具有一光学模块用以将一第一光源发出的光线转换成一直线光束，该直线光束经由一第一光学组件传递至一待测物的一对焦平面及一第二光学组件将从该对焦平面反射的该直线光束传递至一第一传感器以取得一对焦影像，一运算单元根据该对焦影像的位置数值控制一置动器调整该第一光学组件的一Z方向位置；以及

一取像模块，具有一第三光学组件将一第二光源发出的一光线投射至该待测物的一取像平面，及一第四光学组件将经由该取像平面反射的该光线成像至一第二传感器以取得一目标影像。

2.根据权利要求1所述的自动对焦及取像系统，其特征在于，还具有一第一分光组件及一第二分光组件位于该对焦平面与该第一传感器之间的光线路径上，该第一分光组件用以将该直线光束的部分传递至该第二分光组件，该第二分光组件将该直线光束的部分反射至该第一光学组件并由该第一光学组件将该直线光束的部分传递至该对焦平面，该第二分光组件允许从该对焦平面反射回该第一光学组件的该直线光束的部分反射至该第一分光组件，该第一分光组件允许该直线光束的部分反射至该第二光学组件，并由该第二光学组件传递至该第一传感器。

3.根据权利要求2所述的自动对焦及取像系统，其特征在于，该第二分光组件与一第三分光组件位于该第二传感器与该取像平面之间及该第三光学组件与该取像平面之间的光线路径上，该第三分光组件用以将该第二光源的该光线的部分反射至该第二分光组件，该第二分光组件将该光线的部分传递至该第一光学组件并由该第一光学组件将该光线的部分传递至该取像平面，该第二分光组件允许从该取像平面反射回该第一光学组件的该光线的部分传递至该第三分光组件，该第三分光组件允许将该光线的部分经过该第四光学组件成像至该第二传感器。

4.根据权利要求1所述的自动对焦及取像系统，其特征在于，该取像模块还具有一吸光板及一第一反射组件，该第一反射组件将该第二光源的该光线经由一第三分光组件后的部分该光线反射至该吸光板。

5.根据权利要求1所述的自动对焦及取像系统，其特征在于，还具有一第三光源及一第二反射组件，该第二反射组件将该第三光源的一光线反射至一第四分光组件，该第四分光组件将该第三光源的该光线的部分并反射至该第一光学组件，该第一光学组件将该光线传递至该取像平面。

6.根据权利要求5所述的自动对焦及取像系统，其特征在于，该第三光源为高功率的雷射光。

7.根据权利要求1所述的自动对焦及取像系统，其特征在于，该对焦平面与该取像平面间的距离介于0mm至10mm。

8.根据权利要求1所述的自动对焦及取像系统，其特征在于，该第一光源为雷射光或发光二极管，该第二光源为发光二极管。

9.一种显微镜，其特征在于，具有如权利要求1至8中任一项所述的自动对焦及取像系统。

10.一种自动对焦及取像方法，其特征在于，包含下列步骤：

(a)对焦步骤：

(a1)产生一直线光束；

(a2)使该直线光束经由一第一光学组件传递至一待测物的一对焦平面后反射至一第一传感器取得一对焦影像；

(a3)取得该对焦影像的一位置数值；

(a4)根据该位置数值判定对焦状态；以及

(a5)根据步骤(a4)的判定结果调整该第一光学组件的一Z方向位置；以及

(b)取像步骤：

(b1)产生一光线；

(b2)使该光线投射至该待测物的一取像平面并反射至一第二传感器形成一目标影像；以及

(b3)使该第二传感器取得该目标影像。