JP2000295518A - 自動焦点合わせ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高倍率の光学系を用いて撮像して高速でかつ
高い精度で対象物の位置を計測できる自動焦点合わせ装
置を提供する。 【解決手段】 焦点合わせマークを設けた対象物１を、
光学系２と分光プリズム４を通して、複数の撮像装置
５、６、７で撮像する。撮像した焦点合わせマークの画
像を、それぞれ画像処理装置１１、１２、１３で処理し
て合焦度評価値を算出する。算出された合焦度評価値に
基づいてそれぞれの撮像装置５、６、７を合焦位置に向
けて移動させて、合焦度評価値が最大となる合焦位置を
求める。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電子部品の組立工
程において用いられる自動焦点合わせ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】電子機器の小型、高機能化にともなっ
て、電子部品の微少化、高精度化が進んでいる。これに
ともない電子部品の組立工程においても、電子部品を高
い精度で配置して組立することが要求されている。この
要求に応えるためには、微少部品を高倍率の光学系で撮
像して高い精度で位置の計測を行う必要がある。高倍率
の光学系を用いると、光学系の被写界深度が浅くなるの
で、合焦範囲が狭くなり電子部品の位置を高い精度で測
定することができる。そのためには、高い精度で自動焦
点合わせのできる自動焦点合わせ装置が必要になる。以
下、従来の自動焦点合わせ装置について図６及び図８を
参照しつつ説明する。図６は、従来の自動焦点合わせ装
置の構成を示す斜視図である。図６において、従来の自
動焦点合わせ装置は、対象物１０３の像を撮像装置１０
１に取り込むための高倍率の光学系１０２、撮像装置を
移動させる撮像装置移動ステージ１０４、及び画像処理
装置１０５を有している。画像処理装置１０５は、取り
込んだ画像信号をデジタル画像データに変換するＡ／Ｄ
コンバータ１０６、デジタル画像データを格納するフレ
ームメモリ１０７、フレームメモリに格納されている画
像データから合焦評価値を算出する演算装置１０８を有
している。

【０００３】この自動焦点合わせ装置の動作について説
明する。撮像装置１０１は高倍率の光学系１０２を通し
て対象物１０３を撮像する。撮像された対象物１０３の
画像信号は画像処理装置１０５に入力される。画像処理
装置１０５に入力された画像信号は、Ａ／Ｄコンバータ
１０６でデジタル画像データに変換された後、フレーム
メモリ１０７に格納される。フレームメモリ１０７に格
納されたデジタル画像データに基づいて演算装置１０８
で合焦状態を表す合焦度評価値が算出される。合焦度評
価値の算出は撮像装置移動ステージ１０４で撮像装置１
０１と対象物１０３との距離を光軸方向に変化させなが
ら行う。合焦位置は、演算装置１０８で合焦度評価値が
最大となる時の撮像装置１０１と対象物１０３との距離
で求められる。合焦度評価値は、画像を一定間隔で分割
し、分割した各領域における最大輝度と最小輝度との差
を二乗した差分二乗値を全ての領域で求め、その求めた
すべての差分二乗値を加算することにより得られる。す
なわち、合焦度評価値は輝度差の絶対値の総和となり、
合焦位置において最大となる。

【０００４】合焦位置の算出方法について、図７及び図
８を参照しつつ説明する。図７は、撮像装置１０１が撮
像している画像１１０の例である。図８の（ａ）及び
（ｂ）は、撮像装置移動ステージ１０４により撮像装置
１０１と対象物１０３との距離を変化させながら算出し
た合焦度評価値の変化を示すグラフである。図７におい
て、合焦度評価値を算出する処理範囲１１１は、撮像装
置１０１で撮像している画像１１０の点線で囲んだ範囲
とする。この処理範囲１１１の画像パターンにより、撮
像装置移動ステージ１０４のステージ位置に対する合焦
度評価値の変化を示す曲線の形は異なっている。

【０００５】処理範囲の画像パターンが細かい模様であ
れば、図８の（ａ）に示すように、合焦度評価値の変化
が曲線１１２のように合焦位置で急峻となる。合焦度評
価値の変化が合焦位置で急峻になるほど焦点合わせの精
度は高くなる。しかし、急峻に変化するステージ位置の
移動範囲が狭いため、焦点合わせのためのステージ位置
の移動範囲内でこの合焦位置を探すのは困難になる。一
方、処理範囲の画像パターンが粗い模様であれば、図８
の（ｂ）に示すように、合焦度評価値の変化が曲線１１
３のように合焦位置に向かって緩やかに増加するものと
なる。合焦度評価値の変化が合焦位置に向かって緩やか
に増加するものであれば合焦位置を探すのは容易にな
る。しかし、合焦位置付近での変化が少なくなるため焦
点合わせの精度は低い。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】従来の焦点合わせ装置
では、撮像する対象物の画像パターンは種々様々であ
り、合焦度評価値の変化を示す曲線の形は、図８の
（ａ）から図８の（ｂ）に示す曲線の間の種々の形のも
のとなる。従って、合焦位置を探すのに時間がかかった
り、高い精度で合焦位置を求めることができなかったり
するという問題があった。本発明は、自動焦点合わせを
高速でかつ高い精度で実施できる自動焦点合わせ装置を
提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の自動焦点合わせ
装置は、焦点合わせマークを設けた対象物、前記焦点合
わせマークを撮像する光学系を備えた撮像装置、前記撮
像装置を前記光学系の光軸に沿って移動させ、前記対象
物との間の距離を変更する撮像装置移動手段、前記撮像
装置により撮像された前記焦点合わせマークの画像から
合焦状態を表す合焦度評価値を示す信号を出力する画像
処理装置、及び前記合焦度評価値を示す信号を受けて、
前記合焦度評価値が最大となるように前記撮像装置移動
手段を制御する制御装置を有している。また、前記焦点
合わせマークは、ピッチの異なる複数のマークを有して
いる。

【０００８】この自動焦点合わせ装置によれば、対象物
にピッチの異なる複数の焦点合わせマークを設け、この
焦点合わせマークの画像に基づいて合焦度評価値を算出
している。従って、焦点合わせのための撮像装置の移動
範囲において、常に合焦度評価値が合焦位置の存在する
方向に向けて単調に増加し、しかも合焦位置直近で急峻
に変化する合焦度評価値の曲線を得ることができる。そ
の結果、焦点合わせのための撮像装置の移動範囲におい
て、常に合焦位置の存在する方向を決定することができ
るため、高速で焦点合わせを行うことが可能となる。ま
た、合焦位置直近では、合焦度評価値が急峻に変化する
ため、高い精度で合焦位置を求めることができる。

【０００９】また、上記構成の自動焦点合わせ装置にお
いて、前記領域の内、最小のピッチの棒状の模様を設け
た領域の前記棒状の模様のピッチは、合焦時に撮像され
る画像の２画素分に相当するのが望ましい。これにより
合焦位置の測定精度が最も高くなる。また、前記合焦度
評価値は、焦点合わせマークの隣り合う画素の輝度値の
差を二乗した差分二乗値を、全ての隣り合う画像につい
て求め、求めた全ての差分二乗値を加算した差分二乗和
であるのが望ましい。これにより合焦度評価値の変化
が、合焦位置の存在する方向に向けて単調に増加し、合
焦位置直近で急峻に変化する曲線にすることができる。
従って、合焦位置を容易に探すことができると共に、高
い精度で合焦位置を求めることができる。さらに、プリ
ズムにより複数に分割された光をそれぞれ撮像し、光軸
方向にそれぞれ独立して移動する複数の撮像装置を有す
るのが望ましい。これにより撮像装置の移動距離を少な
くすることで、高速に合焦位置を求めることができる。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の自動焦点合わせ装
置の好適な実施例について図１ないし図５を参照しつつ
説明する。 《実施例》図１は、本発明の実施例の自動焦点合わせ装
置の構成を示す斜視図である。本実施例の自動焦点合わ
せ装置では、対象物１の位置を基準点１Ａとして、基準
点１Ａからの距離が等しくなるように、３個の撮像装置
５、６、７を配置している。

【００１１】図１において、本実施例の自動焦点合わせ
装置は、基準ステージ３に載置した対象物１に設けられ
た図２に示す焦点合わせマークの像を、高倍率の光学系
２とプリズム４を通してそれぞれ取り込む３つの撮像装
置５、６、７を有している。撮像装置５、６、７は、そ
れぞれ撮像用の光学系を備えている。撮像装置５、６、
７は、それぞれの光学系の光軸方向に移動できるよう
に、それぞれ撮像装置用ステージ８、９、１０に載置さ
れている。画像処理装置１１、１２、１３は、それぞれ
の撮像装置５、６、７からの焦点合わせマークの画像信
号を処理して合焦度評価値を算出すると共に、合焦度評
価値に基づいてそれぞれの撮像装置用ステージ８、９、
１０に撮像装置５、６、７を独立して移動させる信号を
出力する。合焦度評価値とは、焦点合わせマークの隣り
合う画素の輝度値の差を二乗した差分二乗値を、全ての
隣り合う画素について求め、求めた全ての差分二乗値を
加算した差分二乗和である。この合焦度評価値が最大の
とき合焦したと判定する。全体の制御装置１４は、画像
処理装置１１、１２、１３で算出された合焦度評価値に
基づいて、それぞれ撮像装置５、６、７を所定のステッ
プで一定の距離だけ移動させ、合焦位置を求める一連の
動作のシーケンス制御を行う。

【００１２】次に、この実施例の自動焦点合わせ装置の
動作について説明する。撮像装置用ステージ８、９、１
０を所定の基準位置に設定した状態で、３つの撮像装置
５、６、７は対象物１の焦点合わせマーク２０を撮像す
る。３つの画像処理装置１１、１２、１３には、それぞ
れの撮像装置５、６、７の画像情報と撮像装置用ステー
ジ８、９、１０の位置情報が入力される。画像処理装置
１１、１２、１３は、入力された焦点合わせマークの画
像情報を基に、後述する図３を用いて説明する方法によ
り合焦度評価値を算出し１回目の測定をする。画像処理
装置１１、１２、１３は、それぞれの合焦度評価値に基
づいて撮像装置用ステージ８、９、１０により、それぞ
れの撮像装置５、６、７をあらかじめ決められた一定の
距離だけ移動させ、同再度合焦度評価値を算出し２回目
の測定をする。

【００１３】画像処置装置１１、１２、１３は、各撮像
装置５、６、７の基準位置及び一定距離移動した位置に
おける１回目及び２回目の測定の合焦度評価値から次の
移動方向を決定する。たとえば、１回目の合焦度評価値
に比べて２回目の合焦度評価値が小さければ、撮像装置
５、６又は７は合焦位置に対して逆の方向に動いたと判
定されるので、移動方向を反転して同様の処理を行う。
逆に、１回目の合焦度評価値に比べて２回目の合焦度評
価値が大きければ、合焦位置の方向に動いたと判定され
るので同じ移動方向に移動させて、同様の処理を繰り返
す。この３つの画像処理装置１１、１２、１３による焦
点合わせの一連の動作は、全体の制御装置１４により制
御される。この処理は、合焦度評価値が減少するまで行
われる。この方法は山登り法といわれる方法で自動焦点
合わせにはよく用いられる。ただし、この方法を用いる
ためには、合焦度評価値が常に合焦位置に向かって単調
に増加する傾向にあることが必要である。そのために、
焦点合わせマークに用いるパターンは、図２を参照して
説明するように構成する。

【００１４】図２は、焦点合わせマークのパターンを示
す図である。図２に示すように、焦点合わせマーク２０
は、粗いピッチで等間隔に配列した太い棒状の模様２０
Ａと、細かいピッチで等間隔に配列した細い棒状の模様
２０Ｂの２組のパターンからなる。この２組のパターン
が測定すべき対象物に印刷などにより上下の領域に分け
て設けられている。この実施例において、下の領域のパ
ターンは、このパターンを撮像する撮像装置５、６、７
の撮像面上での棒状の模様のピッチが、合焦時に撮像素
子の２画素に相当するように設計されている。

【００１５】図３を参照して合焦度評価値の算出方法に
ついて説明する。図３に示すように、図２で示した２つ
の領域の焦点合わせマークにそれぞれの処理範囲１及び
処理範囲２を設定し、それぞれの処理範囲の中で、Ｘ方
向に棒状の模様の画像の差分二乗和を計算する。ここ
で、差分二乗和とは、Ｘ方向に隣り合う画素の輝度値の
差の二乗値を計算し、処理範囲内の全ての隣り合う画素
について総和を求めたものである。合焦度評価値は、処
理範囲１と処理範囲２とのそれぞれの差分二乗和を加え
たものである。

【００１６】上記の方法で計算される２つの処理範囲に
おける差分二乗和及び合焦度評価値の画像処理装置１１
での撮像装置５のステージ位置の移動に伴う変化につい
て図４を参照して説明する。図４の（ａ）は、図３の処
理範囲１の部分における差分二乗和の変化を示すグラフ
であり、（ｂ）は、図３の処理範囲２の部分における差
分二乗和の変化を示すグラフである。図４の（ｃ）は、
処理範囲１の差分二乗和と処理範囲２の差分二乗和とを
加えた画像処理装置１１の出力する合焦度評価値の変化
を示すグラフである。図４の（ｃ）に示すように、処理
範囲１及び処理範囲２におけるそれぞれの差分二乗和を
加えた合焦度評価値は、撮像装置用ステージ８の全移動
範囲で合焦位置に向かって単調増加になり、合焦位置直
近では急峻に増加する合焦位置直近では合焦度評価値の
増加が急峻となるため、高い精度の自動焦点合わせが実
現できる。このような合焦度評価値の算出は、画像処理
装置１２、１３においても、同様に実施される。

【００１７】以上説明したように、本実施例の焦点合わ
せ装置によれば、それぞれの画像処理装置１１、１２、
１３により、常に合焦点評価値が増加する方向に、それ
ぞれの撮像装置５、６、７を独立して移動させて基準点
１Ａから等距離に３台の撮像装置を位置決めすることが
できる。また他の方法として、撮像装置６を合焦位置配
置し、他の撮像装置５及び７を合焦位置の前後に微小距
離だけずらして配置する。このようにすると、３個の撮
像装置５、６、７のそれぞれの撮像結果の合焦度評価値
を比較することにより、各撮像装置５、６、７を移動せ
ずに合焦位置が存在する方向を判定することができる。
また対象物１が基準点１Ａから若干ずれている場合に、
撮像装置５及び７のいずれか一方が合焦位置に最も近く
なり、撮像装置５、６、７を移動せずに合焦位置を判定
することができる。その結果敏速な焦点合わせが可能と
なる。

【００１８】なお、この実施例においては、３つの撮像
装置と分光プリズムを用いた例について説明したが、例
えば、焦点合わせの所要時間を大幅に短縮する必要がな
い場合、分光プリズムを使用せず１台の撮像装置を用い
ても合焦位置が容易に探せて、高い精度の焦点合わせが
実現できる。

【００１９】さらに、図５に示すように、焦点合わせマ
ーク２１を赤、緑、青の３色でそれぞれピッチの異なる
棒状模様２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃにより構成することも
できる。図５においては、３列に分けて３色の棒状模様
を設けた焦点合わせマークを示したが、この３色の棒状
模様を一列に重ねて設けてフルカラーとしてもよい。こ
の場合、３台の撮像装置にそれぞれＲ、Ｇ、Ｂのフィル
ターを設けて同時に撮像することによりモノクロのカメ
ラを使用して上述した実施例と同様に焦点合わせを実施
することができる。

【００２０】また、焦点合わせマークとして、２つの領
域に分けて配列のピッチが異なる棒状の模様を設けた例
について説明したが、例えば、１つの領域で棒状の模様
の配列のピッチを異ならせて配置し、差分二乗和を求め
る処理範囲をピッチの異なる配列に分けて算出するよう
にしても同様の効果が得られる。

【００２１】

【発明の効果】以上実施例で詳細に説明したように、本
発明は次の効果を有する。すなわち、本発明の自動焦点
合わせ装置は、対象物に焦点合わせマークを設け、その
画像を処理して合焦度評価値を算出することにより、合
焦位置を高い精度で、かつ高速に測定することができ
る。従って、電子機器の製造において、電子部品の高精
度組立の実現に好適する自動焦点合わせ装置を提供でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例の自動焦点合わせ装置の構成を
示す斜視図である。

【図２】本発明の実施例の自動焦点合わせ装置における
焦点合わせマークのパターン図である。

【図３】本発明の実施例の自動焦点合わせ装置における
合焦度評価値の計算方法を説明する図である。

【図４】本発明の実施例の自動焦点合わせ装置における
合焦度評価値の変化を示すグラフであり、（ａ）は、処
理範囲１における差分二乗和の変化を示すグラフ、
（ｂ）は、処理範囲２における差分二乗和の変化を示す
グラフ、（ｃ）は、合焦度評価値の変化を示すグラフで
ある。

【図５】本発明の別の実施形態の焦点合わせマークのパ
ターン図である。

【図６】従来の自動焦点合わせ装置の構成を示す斜視図
である。

【図７】従来の自動焦点合わせ装置における対象物の画
像である。

【図８】従来の自動焦点合わせ装置における合焦位置の
算出方法を説明する図であり、（ａ）及び（ｂ）は、対
象物の画像パターンにより得られる合焦度評価値の変化
の例を示すグラフである。

【符号の説明】

１ 対象物 ２ 集光レンズ ３ 基準ステージ ４ 分光プリズム ５、６、７ 撮像装置 ８、９、１０ 撮像装置用ステージ １１、１２、１３ 画像処理装置 １４ 全体制御装置 ２０、２１ 焦点合わせマーク ２０Ａ 粗いピッチの棒状模様 ２０Ｂ 細かいピッチの棒状模様 ２１Ａ 赤色の棒状模様 ２１Ｂ 緑色の棒状模様 ２１Ｃ 青色の棒状模様

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 焦点合わせマークを設けた対象物を撮像
   する、光学系を備えた撮像装置、 前記撮像装置を前記光学系の光軸に沿って移動させ、前
   記対象物との間の距離を変更する撮像装置移動手段、 前記撮像装置により撮像された前記焦点合わせマークの
   画像から合焦状態を表す合焦度評価値を示す信号を出力
   する画像処理装置、及び前記合焦度評価値を示す信号を
   受けて、前記合焦評価値が最大となるように前記撮像装
   置移動手段を制御する制御手段を有する自動焦点合わせ
   装置。
2. 【請求項２】 前記焦点合わせマークは、ピッチの異な
   る複数のマークを有することを特徴とする請求項１記載
   の自動焦点合わせ装置。
3. 【請求項３】 前記焦点合わせマークの最小のピッチは
   撮像装置の画素ピッチの２倍に等しいことを特徴とする
   請求項２記載の自動焦点合わせ装置。
4. 【請求項４】 前記合焦度評価値は、前記焦点合わせマ
   ークの隣り合う画素の輝度値の差を二乗した差分二乗値
   を、全ての隣り合う画像について求め、求めた全ての差
   分二乗値を加算した差分二乗和であることを特徴とする
   請求項１、２、または３記載の自動焦点合わせ装置。
5. 【請求項５】 プリズムにより複数に分岐された光をそ
   れぞれ撮像し、光軸方向にそれぞれ独立して移動する複
   数の撮像装置を有することを特徴とする請求項１、２、
   ３または４記載の自動焦点合わせ装置。