JP2971892B2 - オートフォーカス方式 - Google Patents

オートフォーカス方式

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JP2971892B2
JP2971892B2 JP1185717A JP18571789A JP2971892B2 JP 2971892 B2 JP2971892 B2 JP 2971892B2 JP 1185717 A JP1185717 A JP 1185717A JP 18571789 A JP18571789 A JP 18571789A JP 2971892 B2 JP2971892 B2 JP 2971892B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、ビデオカメラにより被写体を撮影し、検
査する装置において、フォーカス状態を制御するのに用
いて好適なオートフォーカス方式に関する。
〔従来の技術〕
従来、ビデオカメラにより、例えば、ICウェハ、プリ
ント基板等の被写体を撮影し、異物の有無等を検査する
ような場合、そのフォーカス制御は、明るさ(輝度信
号)の最大値又はその微分値の最大値を求めることによ
り行なっていた。
被写体にピントが合っていないとき、画像は不鮮明に
なり、各画素のうち明るい部分は暗くなり、暗い部分は
明るくなり、両者の差が小さくなる。
これに対してピントが合っているとき、画像は最も鮮
明になる。このとき、各画素のうち、明るい部分の明る
さは最も明るくなり、暗い部分の明るさは最も暗くな
り、両者の差が最も大きくなる。
例えば、いま、第2図に示すように、左半分が黒、右
半分が白の画像を考える。この画像を構成する各画素の
明るさと度数をヒストグラムに表わすと、ピントがあっ
ている場合第3図(a)に示すようになり、ピントがず
れるに従って、同図(b)、(c)に示すようになる。
第3図(a)乃至(c)を比較すると明らかなよう
に、ピントが合っているとき、画素の明るさは最大とな
る。
従って、明るさの最大値を検出することにより、最適
なフォーカス位置を検出することができる。
また、黒色の部分と白色の部分の境界付近の明るさの
傾斜は、ピントが合っている場合に最も大きくなる。
従って、明るさの微分値の最大値から最適フォーカス
位置を検出することができる。
〔発明が解決しようとする課題〕
このように、従来の方式においては、明るさの最大値
又はその微分値の最大値から最適フォーカス位置を検出
するようにしているので、第3図(a)に丸印を付した
部分のエネルギーしか利用しておらず、最適なフォーカ
ス位置を正確に検出することが困難であった。
その結果、例えば被写体上に、他の部分より著しく明
るいガラス等の付着物が存在するような場合、その明る
さに影響され、画像がピンボケになる欠点があった。
この発明は、このような状況に鑑みてなされたもの
で、最適なフォーカス位置を正確に検出することができ
るようにするものである。
〔課題を解決するための手段〕
請求項1に記載のオートフォーカス方式は、所定の範
囲内でフォーカス位置を順次変えて被写体を撮影し、被
写体の明るさに関するデータの分散を各フォーカス位置
毎に演算し、分散の最大値を求め、最大値に対応するフ
ォーカス位置を最適フォーカス位置として選択するオー
トフォーカス方式において、第1の範囲のフォーカス位
置における分散の差から、最大値が存在するフォーカス
方向を求める方向判定を行い、そのフォーカス方向の第
2の範囲のフォーカス位置における分散の差を順次演算
することにより最大値を含む所定の範囲を求め、第2の
範囲における分散の差から求められた最大値を含む所定
の範囲内において、さらに、第2の範囲より短い第3の
範囲毎に、分散を演算し、演算された分散を順次比較す
ることにより最大値を求めることを特徴とする。
〔作用〕
請求項1に記載のオートフォーカス方式においては、
第1の範囲のフォーカス位置における分散の差から、最
大値が存在するフォーカス方向を求める方向判定が行わ
れ、そのフォーカス方向の第2の範囲のフォーカス位置
における分散の差を順次演算することにより最大値を含
む所定の範囲が求められ、第2の範囲における分散の差
から求められた最大値を含む所定の範囲内において、さ
らに、第2の範囲より短い第3の範囲毎に、分散を演算
し、演算された分散を順次比較することにより最大値が
求められる。
〔実施例〕
第1図はこの発明のオートフォーカス方式が応用され
たオートフォーカス装置の一実施例の構成を示すブロッ
ク図である。
同図において、1はビデオカメラであり、図示せぬIC
ウェハ、プリント基板等の被写体を撮影する。2はA/D
変換器であり、ビデオカメラ1より出力されたビデオ信
号をA/D変換し、メモリ3に供給し、記憶させる。5はC
RT等の表示器であり、ビデオカメラ1の出力又はRAM4の
出力の一方又は両方を重畳した信号に対応する画像を表
示する。
6は例えばマイクロコンピュータ等よりなる制御回路
であり、撮影動作を制御する。7は制御回路6に所定の
指令を入力するキーボード、スイッチ等よりなる入力手
段である。8、9はメモリであり、所定のデータ等を記
憶する。10はモータ等の駆動手段であり、被写体が載置
されたテーブル11(又はビデオカメラ1)を駆動する。
次に、その動作を説明する。
入力手段7を構成する所定のスイッチを操作して、オ
ートフォーカスの開始を指令すると、制御回路6は駆動
手段10を駆動し、テーブル11を所定のフォーカス位置か
ら、他の所定のフォーカス位置まで第1の一定の速度で
移動させる。
勿論この場合、テーブル11を停止させ、ビデオカメラ
1を移動させるようにすることもできる。
メモリ9には、入力手段7の所定のスイッチを操作す
ることにより、この移動に必要な第1の速度等の所定の
データが予め記憶されている。制御回路6は、メモリ9
に記憶されているデータに対応してテーブル11を駆動す
る。
ビデオカメラ1はテーブル11上に載置された被写体を
撮影し、そのビデオ信号を出力する。このビデオ信号は
A/D変換器2によりA/D変換され、メモリ3に書き込まれ
る。
また、ビデオカメラ1の出力は、表示器5に供給され
る。これにより、表示器5に、各フォーカス位置におけ
る被写体の画像が表示される。
制御回路6は、メモリ9に予め設定、入力されている
時間(例えば100ms)毎に、メモリ3に記憶されている
被写体の明るさに関する信号(例えば輝度信号)のデー
タを演算し、その分散を求める。
すなわち、各フォーカス位置における各画素の輝度信
号のレベルx1、x2、・・・xNについて、分散Vが次式よ
り演算される。
ここでは平均値であり、次式より求められる。
また、fiは各レベルxiの画素数、Aは全画素数 である。
この所定時間毎に演算された分散Vは、対応するフォ
ーカス位置とともに、メモリ8に記憶される。
上述したように、分散の演算は所定時間(100ms)毎
に行なわれる。従って、例えば、第4図(a)に示すよ
うに、テーブル11の第1の移動速度を早く設定した場
合、同図(b)に示すように遅く設定した場合に較べ、
同図(c)に示すテーブル11の移動位置(フォーカス位
置)に対して分散を求めるサンプリング位置が粗くな
る。
この粗さは、第1の速度を適宜の値に設定することに
より調整される。
メモリ8に記憶された分散をヒストグラムに表わす
と、第5図に示すようになる。すなわち、理想的には、
所定の最大値を中心として左右に対称に分布した図形に
なる。
第3図(a)乃至(c)に示したように、最適なフォ
ーカス位置のとき、明るさの分布範囲は最も広くなる。
従って、分散が最大となる位置が最適なフォーカス位置
となる。
入力手段7の所定のスイッチが操作されたとき、制御
回路6は、第5図に示したようなヒストグラムと、現在
のフォーカス位置を示す記号(例えば垂直線)とをRAM4
に発生させ、被写体の画像とともに表示器5に表示させ
る。これにより、使用者は、分散の分布状態と、それに
対応する画像を確認することができる。
このように、所定のフォーカス位置における分散が演
算されたとき、制御回路6は、次にその最大値をサーチ
する。
最初に最大値が存在するフォーカス方向のサーチが行
なわれる。このため、予め定められた方向(例えば後ピ
ン方向)の端部(第6図において右端)から、予めメモ
リ9に記憶させておいた範囲D(方向サイズ)の間にお
ける分散の差が演算される。
例えば、この範囲Dの後ピン方向の端部の分散をV1
前ピン方向の端部の分散をVn、その間の分散をV2、V3
・・Vn-1とすると、次式より値Sが演算される。
S=(V1−V2)+(V2−V3)+・・・(Vn-1−Vn) =Δ+Δ+・・・+Δn-1 ・・・(3) 値Sが正のとき、最大値はその位置から後ピン方向に
位置し、負のとき前ピン方向に位置するものと判定され
る。各値Δiはメモリ8に記憶され、ピークの判定等に
も用いられる。
この範囲Dをある程度大きく設定することにより、局
所的なピークや、雑音に影響されずに、最大値の方向を
正しく検出することができる。
しかしながら、例えば、第6図にD1で示す範囲に設定
すると、範囲が広すぎて最大値を通り越してしまう。そ
こで、範囲Dは適当な値に設定される。
最大値の存在する方向が判定されたとき、次に、範囲
Dからその方向に、所定の範囲M毎に、上記(3)式と
同様の演算が行なわれる。この範囲Mは、M1、M2、M3
・・と順次小さくされ、メモリ9に予め設定記憶された
値M0(メインサイズ)に達すると、以後、一定(M0)と
される。
値Sの極性が範囲Dにおける場合と逆になったとき、
その直前の範囲Mとの境界の分散Vm1が適正フォーカス
位置と一応判定される。しかしながら、範囲M0は、最大
値Vmの位置を迅速に求めるため、ある程度の広さを持た
せてあるので、必ずしも正確な位置に対応していない。
そこで上述したように、最大値Vm1の位置が粗サーチ
された後、次にさらに正確な位置を求める微サーチが行
なわれる。
メモリ9には、微サーチを行なうための第2の速度と
範囲Wが予め設定、記憶されている。
制御回路6は、第7図に示すように、粗サーチにより
検出された適正フォーカス位置を中心とする範囲Wの区
間だけ、テーブル11を第2の速度で移動させる。
この間においても、粗サーチの場合と同様に、表示器
5に各フォーカス位置における画像が表示されるととも
に、所定時間(100ms)毎に、分散の演算が行なわれ、
演算値が対応するフォーカス位置とともにメモリ8に記
憶される。
微サーチの第2の速度は粗サーチの第1の速度より遅
い速度に設定される。これにより、より微細なフォーカ
ス位置を検出することが可能になる。
微サーチにより演算された分散が、隣のフォーカス位
置の分散と順次比較され、その最大値が真の最大値Vmと
され、そのフォーカス位置が、最終的に、最適なフォー
カス位置とされる。
このように、最適フォーカス位置が求められたとき、
制御回路6は駆動手段10を駆動してテーブル11をその位
置に移動させる。これにより、表示器5に最も鮮明な被
写体の画像が表示される。
粗サーチの方向を判定するとき、雑音等により誤った
判定が行なわれると、適正フォーカス位置を検出するこ
とができない。上述したように、範囲Dをある程度広く
設定しておくことにより、これを防止することができ
る。しかしながら、あまり広くすると、適正フォーカス
位置を通り越してしまい、検出に時間がかかる。
そこで、第8図に示すように、所定の基準値R1を予め
設定し、メモリ9に記憶させておき、この基準値R1以上
の大きさの分散のみを選択し、その中で範囲Dを設定さ
せるようにすることもできる。
これにより、範囲Rをそれ程広くしなくとも、雑音等
の撮影を除去することができる。
また、求められた最大値に対しても予め基準値R2を設
定しておき、分散の最大値Vmがこの基準値R2以下である
とき、求められた値は正しい最大値ではないとして、再
度検出動作を実行させるようにすることもできる。
これにより、第8図に示すように、正規の最大値以外
に、比較的大きいピーク値が存在するような場合、その
ピーク値が最大値として検出されるのを防止することが
できる。
また、以上においては、画面全体の画素の明るさの分
散を求めるようにしたが、第9図に示すように、x座標
Lx、Rxと、y座標Uy、Dyにより設定されるウインドの範
囲内の画素のみを演算の対象とすることもできる。この
場合、座標を入力手段7を介してメモリ9に自由に変
更、記憶させるようにして、被写体の所定の部分にフォ
ーカスを合わせることができるようにすることができ
る。
さらに、検査対象物によっては、分散が必ずしも理想
的に左右対称にはならず、最大値の近傍に比較的大きい
ピーク値が発生するような場合がある。このような対象
物については、その分散の分布状態を予めメモリ9に記
憶させておき、そのデータと比較して、比較的大きいピ
ークに影響されずに、最大値を求めるようにすることも
できる。
〔発明の効果〕
請求項1に記載のオートフォーカス方式によれば、第
1の範囲のフォーカス位置における分散の差から、最大
値が存在するフォーカス方向を求める方向判定を行い、
そのフォーカス方向の第2の範囲のフォーカス位置にお
ける分散の差を順次演算することにより最大値を含む所
定の範囲を求め、第2の範囲における分散の差から求め
られた最大値を含む所定の範囲内において、さらに、第
2の範囲より短い第3の範囲毎に、分散を演算し、演算
された分散を順次比較することにより最大値を求めるよ
うにしたので、局所的な明るさ等に影響されずに、正確
に適正フォーカス位置を検出することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
第1図はこの発明のオートフォーカス方式を応用したオ
ートフォーカス装置の一実施例のブロック図、 第2図は従来のオートフォーカス方式の原理を説明する
画面の正面図、 第3図(a)乃至(c)は従来のオートフォーカス方式
の原理を説明する明るさのヒストグラム、 第4図は第1図の実施例の動作を説明するタイミングチ
ャート、 第5図乃至第8図は第1図の実施例の動作を説明する分
散の特性図、 第9図は第1図の実施例の動作を説明する画面の正面図
である。 1……ビデオカメラ 2……A/D変換器 3……メモリ 4……RAM 5……表示器 6……制御回路 7……入力手段 8,9……メモリ 10……駆動手段 11……テーブル
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) G02B 7/28 - 7/40 G03B 3/00 - 3/12

Claims (7)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】所定の範囲内でフォーカス位置を順次変え
    て被写体を撮影し、被写体の明るさに関するデータの分
    散を各フォーカス位置毎に演算し、分散の最大値を求
    め、最大値に対応するフォーカス位置を最適フォーカス
    位置として選択するオートフォーカス方式において、 第1の範囲のフォーカス位置における前記分散の差か
    ら、前記最大値が存在するフォーカス方向を求める方向
    判定を行い、 そのフォーカス方向の第2の範囲のフォーカス位置にお
    ける前記分散の差を順次演算することにより前記最大値
    を含む所定の範囲を求め、 前記第2の範囲における前記分散の差から求められた前
    記最大値を含む所定の範囲内において、さらに、前記第
    2の範囲より短い第3の範囲毎に、前記分散を演算し、
    演算された分散を順次比較することにより前記最大値を
    求める ことを特徴とするオートフォーカス方式。
  2. 【請求項2】前記第2の範囲は、前記第1の範囲より短
    い ことを特徴とする請求項1に記載のオートフォーカス方
    式。
  3. 【請求項3】前記第2の範囲は、順次短くされる ことを特徴とする請求項1に記載のオートフォーカス方
    式。
  4. 【請求項4】前記方向判定は、所定の基準値以上の前記
    分散に対してのみ行われる ことを特徴とする請求項1に記載のオートフォーカス方
    式。
  5. 【請求項5】前記最大値は、その値が、所定の基準値以
    上である場合にのみ前記最大値として判定される ことを特徴とする請求項1に記載のオートフォーカス方
    式。
  6. 【請求項6】前記分散の演算は、所定時間毎に行われ、
    かつ、前記フォーカス位置を順次変える速度は可変であ
    る ことを特徴とする請求項1に記載のオートフォーカス方
    式。
  7. 【請求項7】前記被写体の明るさに関するデータは、設
    定したウインドの範囲内のもののみが演算に用いられる ことを特徴とする請求項1に記載のオートフォーカス方
    式。
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