TW201415111A - 影像對焦方法與自動對焦顯微裝置 - Google Patents

Abstract

一種影像對焦方法包含：一第一對焦步驟，係使用具有一第一解析度之複數第一影像搜尋一第一焦點；以及一第二對焦步驟，使用第一焦點之焦距建立一第一搜尋範圍，第一焦點位於第一搜尋範圍內，並使用具有一第二解析度之複數第二影像，在第一搜尋範圍內搜尋一第二焦點，其中第二解析度高於第一解析度。本發明係使用較低解析度的影像粗略地搜尋一焦點，再用較高解析度的影像仔細地搜尋最佳的焦點，而能兼具搜尋焦點的速度與品質。

Description

影像對焦方法與自動對焦顯微裝置

本發明係關於一種影像對焦方法與顯微裝置，特別關於一種影像對焦方法與自動對焦顯微裝置。

自動對焦技術已被廣泛地應用在各個領域，例如監視系統、相機、工業檢測、顯微平台等方面。透過自動對焦的方式能避免技術人員因主觀判別、疲勞等個人因素而造成對焦結果的差異。此外，在需要擷取大量對焦影像的情況下，自動對焦技術更能大幅降低所耗費的人力與時間。

傳統自動對焦的搜尋法大多數是以全域搜尋法進行，意即在一給定的座標軸(例如Z軸)範圍中以固定間距進行連續取像，接著計算所有影像的對焦值，再以擁有最大對焦值的影像所對應的座標值作為最終對焦位置。然而，對全域搜尋法而言，若使用低解析度的影像進行分析，則會降低焦點的精確度；若使用高解析度的影像進行分析，則會大幅增加系統負擔並降低搜尋速度。

因此，如何提供一種影像對焦方法與自動對焦顯微裝置，能夠兼具搜尋焦點的速度與品質，實為當前重要課題之一。

有鑑於上述課題，本發明之目的為提供一種能夠兼具 搜尋焦點的速度與品質之影像對焦方法與自動對焦顯微裝置。

為達上述目的，依據本發明之一種影像對焦方法包含：一第一對焦步驟，係使用具有一第一解析度之複數第一影像搜尋一第一焦點；以及一第二對焦步驟，使用第一焦點之焦距建立一第一搜尋範圍，第一焦點位於第一搜尋範圍內，並使用具有一第二解析度之複數第二影像，在第一搜尋範圍內搜尋一第二焦點，其中第二解析度高於第一解析度。

在一實施例中，該等第一影像係藉由每隔一第一間隔進行取像而產生，該等第二影像係藉由每隔一第二間隔進行取像而產生，第二間隔小於第一間隔。

在一實施例中，第一對焦步驟更包含：每隔一第三間隔進行取像以產生複數第三影像，該等第三影像具有第一解析度；使用該等第三影像搜尋一第三焦點；使用第三焦點之焦距建立一第三搜尋範圍，第三焦點位於第三搜尋範圍內；以及使用該等第一影像在第三搜尋範圍內搜尋第一焦點。

在一實施例中，第一搜尋範圍的幅度小於第三搜尋範圍的幅度。

在一實施例中，該等第一影像係藉由每隔一第一間隔進行取像而產生，第一間隔小於第三間隔。

在一實施例中，第二對焦步驟更包含：使用第二焦點之焦距建立一第二搜尋範圍，第二焦點位於第二搜尋範圍 內；在第二搜尋範圍內每隔一第四間隔進行取像以產生複數第四影像，該等第四影像具有第二解析度；以及使用該等第四影像在第二搜尋範圍內搜尋一第四焦點。

在一實施例中，第二搜尋範圍的幅度小於第一搜尋範圍的幅度。

在一實施例中，該等第二影像係藉由每隔一第二間隔進行取像而產生，第四間隔小於第二間隔。

在一實施例中，第一焦點、第二焦點、第三焦點或第四焦點之搜尋係藉由一改進拉普拉斯能量和(SML)計算方式進行。

在一實施例中，第一對焦步驟與第二對焦步驟係應用於一玻片之其中一區域，玻片之另一區域之焦點搜尋係依據第二焦點之焦距進行。

在一實施例中，第一對焦步驟與第二對焦步驟係應用於一玻片之其中一區域，玻片之另一區域之焦點搜尋係依據第四焦點之焦距進行。

在一實施例中，第一對焦步驟與第二對焦步驟係應用於一玻片之其中一區域，影像對焦方法更包含：對玻片之其他複數區域進行焦點搜尋，其中該等區域之焦點搜尋係依據直線形或螺旋形之方向依序進行。

為達上述目的，依據本發明之一種自動對焦顯微裝置包含一顯微裝置、一多玻片載具、一攝像裝置、一多軸驅動平台以及一處理模組。顯微裝置具有一光學機構。多玻片載具用以承載複數玻片。攝像裝置經由光學機構取得該 等玻片之至少其中之一之一影像。多軸驅動平台係承載多玻片載具以使多玻片載具進行多軸運動。處理模組係與攝像裝置及多軸驅動平台電性連接，並截取攝像裝置之影像以及控制多軸驅動平台進行多軸運動。

在一實施例中，多玻片載具包含至少一卡槽以容置該等玻片。

在一實施例中，該等玻片係呈一維陣列或二維陣列設置。

承上所述，依據本發明之影像對焦方法與自動對焦顯微裝置，其係使用較低解析度的影像粗略地搜尋一焦點，並依據此焦點建立縮小的搜尋範圍，再用較高解析度的影像在此搜尋範圍中仔細地搜尋更佳的焦點，因而在對焦精準度與系統效率間取得平衡，而能兼具搜尋焦點的速度與品質。此外，本發明之自動對焦顯微裝置之多玻片載具能同時承載多個玻片，而提升自動對焦的效能。

以下將參照相關圖式，說明依本發明較佳實施例之一種影像對焦方法與自動對焦顯微裝置，其中相同的元件將以相同的參照符號加以說明。

本發明不限制影像對焦方法之應用領域，可例如應用於監視系統、相機、工業檢測、顯微平台等等。本實施例係以應用於電控顯微裝置上，並能夠有效率地調整顯微裝置之Z軸位置至準確的對焦點，並自動擷取與儲存對焦後 的顯微影像，以供後續判讀或分析之用。

圖1為本發明較佳實施例之一種影像對焦方法的流程圖，圖2為本發明第一實施例之一種影像對焦方法的解說示意圖。如圖1及圖2所示，本實施例之影像對焦方法包含一第一對焦步驟，係使用具有一第一解析度之複數第一影像搜尋一第一焦點(步驟S01)。第一解析度為較低的解析度，可例如但不限於320×240。該等第一影像可藉由每隔一第一間隔進行取像而產生。在本實施例中，第一影像係藉由一攝像器沿一Z軸移動，例如從任一點(例如-85μm)向上每隔第一間隔取像一次而產生，第一間隔於此為6μm。於此，第一影像係以從-85μm至-115μm取像而得到6張為例。第一焦點之搜尋可藉由一改進拉普拉斯能量和(sum-modified Laplacian,SML)計算方式進行而得到較佳效果；但本發明不限制使用其他計算方式。焦點可藉由影像銳利度之估算來達成。在上述6張第一影像中，具有最大之SML值的即是有最佳對焦點的影像，藉此可找到第一焦點。於此，第一焦點例如是-109μm。需注意者，焦點的座標值會依據座標系的改變而變化，於此僅為舉例說明。

本實施例之影像對焦方法更包含一第二對焦步驟，其係使用第一焦點之焦距建立一第一搜尋範圍，第一焦點位於第一搜尋範圍內，並使用具有一第二解析度之複數第二影像，在第一搜尋範圍內搜尋一第二焦點，其中第二解析度高於第一解析度(步驟S02)。

在得到第一焦點之後，即利用第一焦點之焦距建立一第一搜尋範圍，於此第一搜尋範圍為-105μm~-113μm，且第一焦點-109μm係位於第一搜尋範圍內。在本實施例中，第一搜尋範圍係以第一焦點為中心，以±4μm為間距而建立。而在其他實施例中，搜尋範圍可由其他演算法建立，例如不對稱方式、權重方式等等。在建立第一搜尋範圍之後，即使用具有第二解析度之第二影像，在第一搜尋範圍內搜尋一第二焦點。第二解析度高於第一解析度，例如但不限於1280×960。理論上，取像解析度越高，影像所含的資訊會越豐富，用它來估算對焦值會越精準。

該等第二影像可藉由每隔一第二間隔進行取像而產生，且第二間隔小於第一間隔。於此，第二影像係藉由一攝像器沿Z軸移動，例如從第一搜尋範圍的起點(如-105μm)向上每隔第二間隔取像一次而產生，第二間隔於此為4μm，其小於第一間隔6μm。於此，第二影像係以3張為例。第二焦點之搜尋可藉由一改進拉普拉斯能量和(SML)計算方式進行。在上述3張第一影像中，具有最大之SML值的即是有最佳對焦點的影像，藉此可找到第二焦點。於此，第二焦點例如是-113μm。據此，本實施例係使用較低解析度的影像粗略地搜尋一焦點，再用較高解析度的影像在小範圍中仔細地搜尋最佳的焦點，因而在對焦精準度與系統效率間取得平衡，而能兼具搜尋焦點的速度與品質。

圖3為本發明第二實施例之一種影像對焦方法的解說 示意圖。如圖3所示，第一對焦步驟更包含：每隔一第三間隔進行取像以產生複數第三影像，該等第三影像具有第一解析度；以及使用該等第三影像搜尋一第三焦點。在本實施例中，第三影像係藉由一攝像器沿Z軸移動，例如從任一點(例如100μm)向上每隔一第三間隔取像一次而產生，第三間隔於此為20μm，且第三間隔係大於第二間隔與第一間隔。於此，第三影像係從100μm至-260μm取像而得到19張為例，且第三影像與第一影像之解析度相同，皆為320×240。而在其他實施例中，第三影像與第一影像之解析度可不相同。第三焦點之搜尋可藉由一改進拉普拉斯能量和(SML)計算方式進行。在上述19張第一影像中，具有最大之SML值的即是有最佳對焦點的影像，藉此可找到第三焦點。於此，第三焦點例如是-100μm。

然後，第一對焦步驟更包含：使用第三焦點之焦距建立一第三搜尋範圍，第三焦點位於第三搜尋範圍內；以及使用該等第一影像在第三搜尋範圍內搜尋第一焦點。在得到第三焦點之後，即利用第三焦點之焦距建立一第三搜尋範圍，於此第三搜尋範圍為-85μm~-115μm，且第三搜尋範圍的幅度(margin)大於第一搜尋範圍的幅度。於此，第三搜尋範圍的幅度為30μm(| -85-(-115)|)，第一搜尋範圍的幅度為8μm(| -105-(-113)|)。並且第三焦點-100μm係位於第三搜尋範圍內。在本實施例中，第三搜尋範圍係以第三焦點為中心，以±15μm為間距而建立。在建立第三搜尋範圍之後，即使用第一影像在第三搜尋範圍內 搜尋第一焦點。由於第一焦點之搜尋已在第一實施例詳述，故於此不再贅述。

圖4為本發明第三實施例之一種影像對焦方法的解說示意圖。如圖4所示，第二對焦步驟更包含：使用第二焦點之焦距建立一第二搜尋範圍，第二焦點位於第二搜尋範圍內。在上述第一實施例中已取得第二焦點-113μm，然後，可使用第二焦點之焦距建立一第二搜尋範圍。於此第二搜尋範圍為-111μm~-115μm，且第二焦點-113μm係位於第二搜尋範圍內。在本實施例中，第二搜尋範圍係以第二焦點為中心，以±2μm為間距而建立。

然後，第二對焦步驟更包含：在第二搜尋範圍內每隔一第四間隔進行取像以產生複數第四影像，該等第四影像具有該第二解析度。在建立第二搜尋範圍之後，即在第二搜尋範圍內每隔一第四間隔進行取像以產生複數第四影像。於此，第二影像係藉由一攝像器沿Z軸移動，例如從第二搜尋範圍的起點(如-111μm)向上每隔第四間隔取像一次而產生，第四間隔於此為2μm，且第四間隔小於第一間隔(6μm)、第二間隔(4μm)與第三間隔(20μm)。於此，第四影像係以從-111μm至-115μm取像而得到3張為例。並且第四影像與第二影像之解析度相同，皆為1280×960。而在其他實施例中，第四影像與第二影像之解析度可不相同，例如高於第二影像之解析度。

然後，第二對焦步驟更包含：使用該等第四影像在第二搜尋範圍內搜尋一第四焦點。第四焦點之搜尋可藉由一 改進拉普拉斯能量和(SML)計算方式進行。在上述3張第四影像中，具有最大之SML值的即是有最佳對焦點的影像，藉此可找到第四焦點。於此，第四焦點例如是-111μm。

於此，第二搜尋範圍的幅度(margin)小於第一搜尋範圍的幅度。第二搜尋範圍為4μm(| -111-(-115)|)，第一搜尋範圍的幅度為8μm(| -105-(-113)|)。藉此可見本發明之自動對焦方法之焦點搜尋可將搜尋範圍逐漸縮小，並找到最佳的對焦點。

在本發明中，第一對焦步驟與第二對焦步驟可個別不斷延伸，而產生更多的搜尋範圍以搜尋更精確的焦點。甚至亦可使用三種以上之解析度的影像來進行影像對焦方法，而進一步提升焦點搜尋的精確度及效能。

本發明之影像對焦方法可應用於一玻片，玻片上可載有一待檢測體，例如是病菌體。在上述第一實施例中(請參照圖2)，第一對焦步驟與第二對焦步驟係應用於一玻片之其中一區域，而玻片之另一區域之焦點搜尋可依據第二焦點之焦距進行，如此可避免重新搜尋，因而提升搜尋效率。而在上述第三實施例中(請參照圖4)，第一對焦步驟與第二對焦步驟係應用於一玻片之其中一區域，而玻片之另一區域之焦點搜尋可依據第四焦點之焦距進行，如此同樣可提升搜尋效率。總而言之，玻片上另一區域之焦點搜尋可依據之前找到的焦點來進行，例如依據第一焦點至第四焦點之任一來進行。

另外，當影像對焦方法應用於一玻片的多個區域時，該等區域之焦點搜尋可依據不同的路線來進行，例如該等區域可以直線形或螺旋形之方向依序進行影像對焦方法。並且其中一個區域所得到的焦點可作為其他區域之焦點搜尋的依據，例如其他區域的焦點搜尋可在第一區域所得到的焦點所建立的搜尋範圍內搜尋，進而提升搜尋效能及精確度。圖5為一玻片G之多個區域A進行影像對焦方法的路徑示意圖，其中係以直線形為例。

圖6為本發明較佳實施例之一種自動對焦顯微裝置1的示意圖。請參照圖6，自動對焦顯微裝置1包含一顯微裝置11、一多玻片載具12、一攝像裝置13、一多軸驅動平台14以及一處理模組15。

本實施例不限制顯微裝置11之類別、尺寸或結構等等。於此，顯微裝置11具有一光學機構，光學機構的設計可依實際需要而調整。光學機構例如包含至少一目鏡與至少一物鏡以觀察至少一玻片上之待檢測體。此外，光學機構可更包含多個透鏡以調整光線。另外，在其他實施例中，目鏡之設置或可省略，而由攝像裝置13直接進行攝像。

多玻片載具12用以承載複數玻片G。習知的玻片載具僅能承載單一玻片，而本發明之多玻片載具經過改良而能同時承載多個玻片，進而提升檢測效能。圖7為本發明較佳實施例之一種多玻片載具12承載玻片G的示意圖，圖8為圖7之多玻片載具12與玻片G分離的示意圖。如圖7 與圖8所示，多玻片載具12包含至少一卡槽121以容置該等玻片G，於此係以包含二卡槽121為例，並可承載六玻片。該等玻片G係呈一維陣列或二維陣列設置，於此係以呈二維陣列設置為例。

攝像裝置13經由光學機構取得該等玻片G之至少其中之一之複數影像。於此，光學機構之物鏡係對準目標玻片，使得攝像裝置13經由光學機構取得該玻片之影像。攝像裝置13例如包含電荷耦合元件(CCD)、互補式金氧半感測元件(CMOS)或其他感光元件以感應光線而形成影像。

多軸驅動平台14係承載多玻片載具12以使多玻片載具12進行多軸運動。於此，多軸運動包含X-Y軸之平面運動以及Z軸之垂直運動。

處理模組15係與攝像裝置13及多軸驅動平台14電性連接，並截取攝像裝置13之影像以及控制多軸驅動平台14進行多軸運動。處理模組15例如由一電腦實現。

在本實施例中，影像對焦方法可應用於自動對焦顯微裝置1。其中，處理模組15可建立一搜尋範圍，並依據該搜尋範圍控制多軸驅動平台14垂直移動，同時控制攝像裝置13進行取像，並儲存攝像裝置13所取得之影像，例如第一影像。然後，處理模組15係利用一計算方法，例如改進拉普拉斯能量和(SML)來計算而得到焦點，例如第一焦點。接著，處理模組15使用得到之焦點來建立另一搜尋範圍，例如第一搜尋範圍。然後處理模組15控制 攝像裝置13以改變其影像解析度，例如調整為第二解析度。然後處理模組15控制多軸驅動平台14依據第一搜尋範圍垂直移動，同時控制攝像裝置13進行取像，並儲存攝像裝置13所取得之影像，例如第二影像。接著利用一計算方法計算而得到焦點，例如第二焦點。藉由上述方式可例如得到第一焦點至第四焦點。

此外，處理模組15得到一玻片上之一區域之最佳焦點之後，可控制多軸驅動平台14進行平面移動，以使該玻片之另一區域對準光學機構之物鏡，以進行另一區域之焦點搜尋。並且另一區域之焦點搜尋可依據上一區域之最佳焦點來進行，而縮短搜尋時間並提升搜尋效能。

此外，由於本實施例之自動對焦顯微裝置1之玻片載具為「多」玻片載具，因此能不中斷地檢測一批次的玻片，而大幅提升檢測效能，並且另一玻片的焦點搜尋亦可利用已進行焦點搜尋之玻片之其中一焦點來進行。

綜上所述，依據本發明之影像對焦方法與自動對焦顯微裝置，其係使用較低解析度的影像粗略地搜尋一焦點，並依據此焦點建立縮小的搜尋範圍，再用較高解析度的影像在此搜尋範圍中仔細地搜尋更佳的焦點，因而在對焦精準度與系統效率間取得平衡，而能兼具搜尋焦點的速度與品質。此外，本發明之自動對焦顯微裝置之多玻片載具能同時承載多個玻片，而提升自動對焦的效能。

以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均 應包含於後附之申請專利範圍中。

1‧‧‧自動對焦顯微裝置

11‧‧‧顯微裝置

12‧‧‧多玻片載具

121‧‧‧卡槽

13‧‧‧攝像裝置

14‧‧‧多軸驅動平台

15‧‧‧處理模組

A‧‧‧區域

G‧‧‧玻片

S01~S02‧‧‧影像對焦方法的步驟

圖1為本發明較佳實施例之一種影像對焦方法的流程圖；圖2為本發明第一實施例之一種影像對焦方法的解說示意圖；圖3為本發明第二實施例之一種影像對焦方法的解說示意圖；圖4為本發明第三實施例之一種影像對焦方法的解說示意圖；圖5為一玻片之多個區域進行影像對焦方法的路徑示意圖，其中係以直線形為例；圖6為本發明較佳實施例之一種自動對焦顯微裝置的示意圖；圖7為本發明較佳實施例之一種多玻片載具承載玻片的示意圖；以及圖8為圖7之多玻片載具與玻片分離的示意圖。

S01~S02‧‧‧影像對焦方法的步驟

Claims (15)

1. 一種影像對焦方法，包含：一第一對焦步驟，係使用具有一第一解析度之複數第一影像搜尋一第一焦點；以及一第二對焦步驟，使用該第一焦點之焦距建立一第一搜尋範圍，該第一焦點位於該第一搜尋範圍內，並使用具有一第二解析度之複數第二影像，在該第一搜尋範圍內搜尋一第二焦點，其中該第二解析度高於該第一解析度。
2. 如申請專利範圍第1項所述之影像對焦方法，其中該等第一影像係藉由每隔一第一間隔進行取像而產生，該等第二影像係藉由每隔一第二間隔進行取像而產生，該第二間隔小於該第一間隔。
3. 如申請專利範圍第1項所述之影像對焦方法，其中該第一對焦步驟更包含：每隔一第三間隔進行取像以產生複數第三影像，該等第三影像具有該第一解析度；使用該等第三影像搜尋一第三焦點；使用該第三焦點之焦距建立一第三搜尋範圍，該第三焦點位於該第三搜尋範圍內；以及使用該等第一影像在該第三搜尋範圍內搜尋該第一焦點。
4. 如申請專利範圍第3項所述之影像對焦方法，其中該第一搜尋範圍的幅度小於該第三搜尋範圍的幅度。
5. 如申請專利範圍第3項所述之影像對焦方法，其中該等第一影像係藉由每隔一第一間隔進行取像而產生，該第一間隔小於該第三間隔。
6. 如申請專利範圍第1項所述之影像對焦方法，其中該第二對焦步驟更包含：使用該第二焦點之焦距建立一第二搜尋範圍，該第二焦點位於該第二搜尋範圍內；在該第二搜尋範圍內每隔一第四間隔進行取像以產生複數第四影像，該等第四影像具有該第二解析度；以及使用該等第四影像在該第二搜尋範圍內搜尋一第四焦點。
7. 如申請專利範圍第6項所述之影像對焦方法，其中該第二搜尋範圍的幅度小於該第一搜尋範圍的幅度。
8. 如申請專利範圍第6項所述之影像對焦方法，其中該等第二影像係藉由每隔一第二間隔進行取像而產生，該第四間隔小於該第二間隔。
9. 如申請專利範圍第3項或第6項所述之影像對焦方法，其中該第一焦點、該第二焦點、該第三焦點或該第四焦點之搜尋係藉由一改進拉普拉斯能量和(SML)計算方式進行。
10. 如申請專利範圍第1項所述之影像對焦方法，其中該第一對焦步驟與該第二對焦步驟係應用於一玻片之其中一區域，該玻片之另一區域之焦點搜尋係依據該 第二焦點之焦距進行。
11. 如申請專利範圍第6項所述之影像對焦方法，其中該第一對焦步驟與該第二對焦步驟係應用於一玻片之其中一區域，該玻片之另一區域之焦點搜尋係依據該第四焦點之焦距進行。
12. 如申請專利範圍第1項所述之影像對焦方法，其中該第一對焦步驟與該第二對焦步驟係應用於一玻片之其中一區域，該影像對焦方法更包含：對該玻片之其他複數區域進行焦點搜尋，其中該等區域之焦點搜尋係依據直線形或螺旋形之方向依序進行。
13. 一種自動對焦顯微裝置，包含：一顯微裝置，具有一光學機構；一多玻片載具，用以承載複數玻片；一攝像裝置，係經由該光學機構取得該等玻片之至少其中之一之複數影像；一多軸驅動平台，係承載該多玻片載具以使該多玻片載具進行多軸運動；以及一處理模組，係與該攝像裝置及該多軸驅動平台電性連接，並截取該攝像裝置之影像以及控制該多軸驅動平台進行多軸運動。
14. 如申請專利範圍第13項所述之自動對焦顯微裝置，其中該多玻片載具包含至少一卡槽以容置該等玻片。
15. 如申請專利範圍第13項所述之自動對焦顯微裝置， 其中該等玻片係呈一維陣列或二維陣列設置。