TW201809778A - 自動對焦系統、方法及影像檢測儀器 - Google Patents

Abstract

本發明揭露一種自動對焦系統、方法及運用此二者的影像檢測儀器，該自動對焦系統主要包括一線形光源、一物鏡、一遮光部件、一影像感測裝置及一對焦調整模組。線形光源用以產生一道線形光斑。物鏡用以接收線形光斑的一部分，並將線形光斑的該部分投射至一物件。遮光部件設於線形光源與物鏡之間的光學路徑上，用以部分地遮擋該線形光斑，以使線形光斑只有該部分進入物鏡。該影像感測裝置用以擷取物件與線形光斑的該部分，藉以得到一目標影像。此外，對焦調整模組用以根據目標影像中該線形光斑的該部分的長度、寬度及位置，判定物件之對焦狀態，藉以調整物鏡與物件之間的距離。

Description

自動對焦系統、方法及影像檢測儀器

本發明涉及自動對焦技術，尤指能夠達到快速對焦之自動對焦系統、方法及運用此二者的影像檢測儀器。

傳統精密檢測通常包含有一光學儀器(例如：線掃描攝影機、面掃描攝影機等)用以對物件的表面取像，再以電腦影像處理技術來檢出異物或圖案異常等瑕疵。然而，在有些情況下，物件並不是乖乖靜止地被檢測儀器取像，而是會產生浮動的情形，一旦位置改變就會產生失焦的情形。

舉例而言，在對應精密物件(例如面板)進行檢測時，為避免物件於輸送程序中因輸送帶刮傷或污損產生瑕疵，針對部分精密物件會設置氣浮載台，使物件浮空並避免與下方平面直接接觸。於輸送的過程中欲對物件進行檢測，物件因為氣浮的作用，會懸浮在載台上方，懸浮的高度係在相當的範圍值內浮動(例如300um)，由於一般攝影機的景深只有35um，並不能將待測物精準的控制在景深範圍內。是以，搭配所述的氣浮載台勢必要提供一種既快速又有效的對焦方式。

本發明揭露一種有別於傳統的自動對焦系統、方法及影像檢測儀器，該自動對焦系統能使一線形光斑的一部分經一物鏡投射到一物件上，並對物件及線形光斑的該部分進行影像擷取以得到一目標影像，及 利用影像處理技術取得目標影像中的該線形光斑的該部分的長、寬與位置，藉以判定物件的對焦狀態，使得物鏡可依據前述判定結果迅速調整到讓物件對焦之位置。

具體而言，本發明之自動對焦系統包括一線形光源、上述的該物鏡、一遮光部件、一影像感測裝置及一對焦調整模組該線形光源係用以產生線形光斑，例如線形的雷射光斑。物鏡用以接收線形光斑的一部分，並將線形光斑的該部分投射至物件。遮光部件設於線形光源與該物鏡之間的光學路徑上，用以部分地遮擋線形光斑，使線形光斑只有該部分進入物鏡。影像感測裝置用以擷取物件與線形光斑的該部分，藉以得到目標影像。對焦調整模組係用以根據目標影像中該線形光斑的該部分的長度、寬度及位置，判定該物件之對焦狀態，藉以調整物鏡與物件之間的距離。

較佳地，本發明之自動對焦系統可包括一會聚透鏡、一反射鏡、一第一分光鏡、一第二分光鏡及位於該影像感測裝置之前方的一成像透鏡。會聚透鏡的入射面用以接收線形光源所發出的線形光斑。遮光部件設於會聚透鏡的出光面與反射鏡之間。反射鏡用以將線形光斑的該部分反射至第一分光鏡。第一分光鏡用以續將線形光斑反射至物鏡，並允許從物件反射回物鏡的反射光與線形光斑的該部分穿透之。第二分光鏡位於第一分光鏡與成像透鏡之間，用以接收來自第一分光鏡的該反射光與線形光斑的該部分並將之反射至成像透鏡。成像透鏡用以將該反射光與線形光斑的該部分會聚成像於影像感測裝置之一感測面，以產生上述的目標影像。

較佳地，本發明之自動對焦系統可更包括一驅動裝置，驅動裝置耦接對焦調整模組，用以根據對焦調整模組之判定結果對應驅動物鏡移動，以調整物鏡與物件之間的距離。

本發明之影像檢測儀器除了包括上述之自動對焦系統之外，更包括一影像擷取裝置及一照明單元。照明單元用以提供物件之照明，影像擷取裝置用以在自動對焦系統之對焦調整模組判定物件為已對焦時，隨即擷取物件的影像。

較佳地，本發明之影像檢測儀器的照明單元可包括一分光鏡及一照明裝置，前述分光鏡與該自動對焦系統之第一、二分光鏡同軸，用以接收來自照明裝置的可見光，並將之反射至物件，以提供照明。

較佳地，本發明之影像檢測儀器可更包括一濾鏡，其設於影像擷取裝置與照明單元之分光鏡之間，藉以防止從物件反射回來的該線形光斑的該部分進入影像擷取裝置。

本發明之雷射自動對焦方法，包括下列步驟：(a).產生一道線形光斑；(b).使線形光斑只有一部分經由一物鏡投射至一物件；(c).對物件與線形光斑的該部分進行影像擷取，以擷取得到一目標影像；及(d).根據目標影像中的線形光斑的該部分的長度、寬度及位置，判定物件之對焦狀態；以及(e).根據d步驟的判定結果，對應調整物鏡與物件之間的距離。

相對於先前技術，本發明之雷射自動對焦系統及方法首創根據所擷取的上述目標影像中的線形光斑的該部分的長度與寬度，來判定物件距離焦點的遠近，並根據線形光斑的該部分的長度及寬度是否已分別變小至一臨界值，來判定物件是否已經位在焦點上，及根據線形光斑的該部分的位置來判定物件目前是位在焦點上方或下方，其所涉及者僅是簡單幾何形狀的光斑影像處理，這使得負責影像處理的演算法所需處理的畫面畫素的數量不需太多，且在統計光斑的質心位置上也可較為精確，能有效降低因過去光斑亮度不均勻所導致質心忽左忽右的情形發生。

100‧‧‧影像檢測儀器

1‧‧‧自動對焦系統

10‧‧‧物鏡

2‧‧‧取像單元

20‧‧‧影像檢測單元

21‧‧‧影像擷取裝置

22‧‧‧成像透鏡

23‧‧‧濾鏡

3‧‧‧照明單元

31‧‧‧分光鏡

32‧‧‧照明裝置

33‧‧‧準直透鏡

4‧‧‧物件

5‧‧‧線形光源

6‧‧‧光學組件

61‧‧‧會聚透鏡

62‧‧‧遮光部件

63‧‧‧反射鏡

64‧‧‧第一分光鏡

66‧‧‧第二分光鏡

67‧‧‧成像透鏡

7‧‧‧影像感測裝置

70‧‧‧感測面

701‧‧‧第一感測區

702‧‧‧第二感測區

8‧‧‧對焦調整模組

9‧‧‧驅動裝置

L1~L5‧‧‧條狀光斑

第一圖係顯示本發明之影像檢測儀器的系統示意圖。

第二至六圖係顯示本發明之自動對焦系統在不同的對焦狀態下所取得目標影像的示意圖。

第一圖顯示本發明之影像檢測儀器100的一個較佳實施 例，用以對一物件4的表面取像及根據取像結果進行瑕疵檢測，以找出存在於物件4上的瑕疵。影像檢測儀器100包括一自動對焦系統1、一取像單元2、一照明單元3及一影像檢測單元20。其中，自動對焦系統1用以對物件4進行對焦。取像單元2用以在自動對焦系統1對物件4完成自動對焦後對物件4取像，藉以拍攝得到清晰的一待測影像。照明單元3用以提供取像單元2對物件4取像時所需之照明。影像檢測單元20耦接取像單元2，用以接收該待測影像，並以電腦影像處理技術從該待測影像檢出異物或圖案異常等瑕疵。

自動對焦系統1包括一線形光源5、一光學組件6、一影像感測裝置7、一對焦調整模組8及一驅動裝置9以及一物鏡10。線形光源5用以產生一道線形光斑，例如線形的紅外線雷射光斑。光學組件6依序包括一會聚透鏡61、一遮光部件62、一反射鏡63、一第一分光鏡64、一第二分光鏡66及一成像透鏡67。

會聚透鏡61的入射面接收線形光源5所發出的該線形光斑。遮光部件62設於線形光源5及物鏡10的光學路徑上，也就是該線形光斑的行進路線上，更具體地說，是設於會聚透鏡61的出光面與反射鏡63之間，用以部分地遮擋該線形光斑而使該線形光斑只有一部分進入該物鏡10，例如擋住一半或將近一半的該線形光斑，只允許該線形光斑的一半或將近一半進入物鏡10的其中一半邊。反射鏡63用以將該線形光斑的該部分反射至第一分光鏡64。第一分光鏡64續將該線形光斑的該部分反射至物鏡10。在此實施例中，由於一半或將近一半的線形光斑已被遮光部件62擋掉，因此物鏡10實際上僅用其半邊來接收未被擋掉的該線形光斑的該部分，並將該線形光斑的該部分投射至物件4。由於照明單元3所產生的光也會經由物鏡10投射到物件4，因此，從物件4反射回來的反射光與從物件4反射回來的該線形光斑的該部分，都會反射進入物鏡10，進而穿透第一分光鏡64。第二分光鏡66係位於第一分光鏡64與成像透鏡67之間，用以接收來自第一分光鏡64的該反射光與該線形光斑的該部分並將之反射至成像透鏡67。成像透鏡67位於影像感測裝置7之前方，用以將該反射光與該線形光斑的該部分會聚成像於影像感測裝置7之一感測面，使得影像感測裝置7對應輸出內容包含物件4與該線形光斑的該部分之一目標影像，簡言之， 影像感測裝置7係用以對物件4與該線形光斑的該部分進行影像擷取，藉以得到該目標影像。

對焦調整模組8係耦接該影像感測裝置7，並接收該目標影像及對它進行影像處理與分析，藉以得到該目標影像中的該線形光斑的該部分的長度、寬度及位置等參數，再根據所得到的前述參數來判定物件4目前的對焦狀況(例如判定物件4是位在物鏡10的焦點處，還是位在焦點的上方或下方)，如此，物鏡10的位置就可以根據對焦調整模組8的前述判定結果來調整。簡言之，對焦調整模組8係用以根據該目標影像中該線形光斑的該部分的長度、寬度及位置，判定物件4之對焦狀態，藉以調整物鏡10與物件4之間的距離。

更詳而言之，基於成像原理，當物件4離物鏡10之焦點愈遠，在該目標影像中的該線形光斑的該部分就會愈長且愈粗；反之，當物件4愈接近焦點，在該目標影像中的該線形光斑的該部分就會愈短且愈細；其中，如果物件4是位在焦點的上方，則該線形光斑的該部分的位置就會位在一參考點的一側(例如左側)，而如果物件4是位在焦點的下方，則該線形光斑的該部分的位置就位在該參考點的另一側(例如右側)；而當該目標影像中的該線形光斑的該部分長度與寬度逐漸變小至一臨界值時，表示物件4已經來到焦點處，此時該目標影像中的該線形光斑的該部分看起來就是一個接近點狀的光斑。

第二至六圖顯示本發明之自動對焦系統在自動對焦之運作過程中由該影像感測裝置7所擷取的目標影像70，每一圖中的目標影像70都標示了一道虛擬中間線，並以此虛擬中間線作為參考點而分成一左側區701與一右側區702。對焦調整模組8對第二圖所示的目標影像70進行影像處理與分析之後(此可利用現有的影像處理分析技術)，就能得到目標影像70中的該線形光斑的該部分L1的長度、寬度及位置等參數，並因此得知該線形光斑的該部分L1係為一較粗較長且位於該參考點一側(也就是位於該左側區701)，故對焦調整模組8此時判定物件4目前是位在焦點的上方，這表示物鏡10需要往上移動，以使該物件4能往焦點趨近。隨後，影像感測裝置7會再擷取一次目標影像70，如果所擷取到的目標影像70係如第三圖所示，則對焦調整模組8對第三圖所示的目標影像70進行影像處理與分 析之後，就能根據該線形光斑的該部分L2的前述參數而得知其係為一較短較細且同樣位於該左側區701，故對焦調整模組8此時判定物件4目前仍是位在焦點的上方，但比先前更靠近焦點(因為該線形光斑的該部分L2變得更短更細了)，這表示物鏡10還需要再往上移動，以使物件4能更往焦點趨近。

如果影像感測裝置7所擷取到目標影像70是如第六圖所示，則對焦調整模組8對第六圖所示的目標影像70進行影像處理與分析之後，就能根據該線形光斑的該部分L5的的長度、寬度及位置等參數而得知，其為係為一較粗較長且位於該參考點另一側(也就是位於該右側區702)，故對焦調整模組8此時判定物件4目前是位在焦點的下方，這表示物鏡10需要往下移動，以使物件4能往焦點趨近。同理，如果影像感測裝置7所擷取到目標影像70是如第五圖所示，則對焦調整模組8此時將判定該物件4目前是位在焦點的下方，但比先前更靠近焦點(因為該線形光斑的該部分L4變得更短更細了)，這表示物鏡10需要再往下移動，以使物件4能再往焦點趨近。

如果影像感測裝置7所擷取到目標影像70是如第四圖所示，則當對焦調整模組8對第四圖所示的目標影像70進行影像處理與分析之後，就能根據該線形光斑的該部分L3的長度、寬度等參數而得知該部分L3的長度與寬度分別已變小至一臨界值，故對焦調整模組8此時判定物件4目前是位在焦點上，這表示本發明之自動對焦系統1已完成物件4的對焦，此時自動對焦系統1就會立即傳送信號通知取像單元2，以使取像單元2對物件4取像，藉以拍攝得到清晰的該待測影像。

復參閱第一圖，驅動裝置9係耦接對焦調整模組8，用以根據對焦調整模組8之判定結果對應驅動物鏡10往上或往下移動，藉以調整物鏡10與物件4之間的距離，直到自動對焦系統1已完成物件4的對焦為止。

照明單元3包括一分光鏡31、一照明裝置32，以及設於分光鏡31與照明裝置32之間的一準直透鏡33。照明單元3之分光鏡31與自動對焦系統1之第一分光鏡64及第二分光鏡66同軸，用以接收來自該照明裝置32的可見光，並將之反射至物件4，以提供照明。

取像單元2包括一影像擷取裝置21、一成像透鏡22及一濾 鏡23。影像擷取裝置21用以在自動對焦系統1之對焦調整模組8判定物件4已對焦時，隨即對物件4取像，擷取得到內容包含物件4且清晰的該待測影像。濾鏡23設於影像擷取裝置21與照明單元3之分光鏡31之間，用以過濾特定的波段的光(在此實施例中是指上述的紅外線雷射光斑)，藉以防止該線形光斑的該部分進入影像擷取裝置21。

藉由上述設置，本發明之雷射對焦方法包括下列步驟：

(a).產生一道線形光斑，例如線形的紅外線雷射光斑；此步驟可利用上述的線形光源5予以達成。

(b).使該線形光斑只有一部分經由一物鏡10投射至一物件4，其中物鏡10僅用其半邊接收該線形光斑的該部分至少部分的該雷射光；此步驟可利用上述的遮光部件62予以達成。

(c).對物件4與該線形光斑的該部分進行影像擷取，以擷取得到一目標影像；此步驟可利用上述的影像感測裝置7予以達成。

(d).根據該目標影像中的線形光斑的該部分的長度、寬度及位置，判定該物件之對焦狀態；此步驟可利用上述的對焦調整模組8予以達成。

(e).根據對焦狀態的判定結果步驟d之判定結果，對應調整該物鏡10與該物件4之間的距離；此步驟可利用上述的驅動裝置9予以達成。

另需指出的是，本發明之自動對焦系統及方法除了應用於上述的影像檢測儀器之外，尚可應用於其它需拍攝影像的裝置，例如具有照相功能的手機。

綜上所述，本發明之自動對焦系統及方法對於對焦與否的判斷上能較為直接。其中，影像感測裝置7所擷取的上述目標影像可利用二值化的影像處理(Image binarization)得出其中的該線形光斑的該部分的長度及寬度，據以判定物件4距離焦點的遠近，並根據該線形光斑的該部分的長度及寬度是否已分別變小至一臨界值，據以判定物件4是否已經位在焦點上。再者，本發明之自動對焦系統及方法可根據上述目標影像中的該線形光斑的該部分的位置，也就是在上述參考點的左邊或右邊(或說是偏左或偏右)來決定物件4目前是位在焦點上方或下方，而不必連續取得 所有遠近位置的長度變化梯度來推估出真正的焦平面方位。此外，相較於傳統雷射對焦系統需要處理各種光點的形狀變化，本發明係利用線形光斑來判定對焦狀態，僅涉及單純的幾何長方形狀，這使得負責影像處理與分析的演算法所需處理的畫面畫素的數量不需太多，且在統計光斑的質心位置上也可較為精確，能有效降低因過去光斑亮度不均勻所導致質心忽左忽右的情形發生。

無論如何，任何人都可以從上述例子的說明獲得足夠教導而可據以實施，並據而了解本發明內容確實不同於先前技術，且具有產業上之利用性，及足具進步性。是本發明確已符合專利要件，爰依法提出申請。

100‧‧‧影像檢測儀器

1‧‧‧自動對焦系統

10‧‧‧物鏡

2‧‧‧取像單元

20‧‧‧影像檢測單元

21‧‧‧影像擷取裝置

22‧‧‧成像透鏡

23‧‧‧濾鏡

3‧‧‧照明單元

31‧‧‧分光鏡

32‧‧‧照明裝置

33‧‧‧準直透鏡

4‧‧‧物件

5‧‧‧線形光源

6‧‧‧光學組件

61‧‧‧會聚透鏡

62‧‧‧遮光部件

63‧‧‧反射鏡

64‧‧‧第一分光鏡

66‧‧‧第二分光鏡

67‧‧‧成像透鏡

7‧‧‧影像感測裝置

8‧‧‧對焦調整模組

9‧‧‧驅動裝置

Claims (10)

1. 一種自動對焦系統，包含：一線形光源，用以產生一道線形光斑；一物鏡，用以接收該線形光斑的一部分，並將該線形光斑的該部分投射至一物件；一遮光部件，設於該線形光源與該物鏡之間的光學路徑上，用以部分地遮擋該線形光斑而使該線形光斑之該部分進入該物鏡；一影像感測裝置，用以擷取該物件與該線形光斑的該部分，藉以得到一目標影像；及一對焦調整模組，根據該目標影像中該線形光斑的該部分的長度、寬度及位置，判定對該物件之對焦狀態，藉以調整該物鏡與該物件之間的距離。
2. 如申請專利範圍第1項所述之自動對焦系統，其中當該目標影像中該線形光斑的該部分的長度與寬度已小至一臨界值，該對焦調整模組判定對該物件已對焦；其中當該目標影像中該線形光斑的該部分位於一參考點之一側，該對焦調整模組判定該物件位於該物鏡的焦點上方；其中當該目標影像中該線形光斑的該部分位於該參考點之另一側，該對焦調整模組判定該物件位於該物鏡的焦點下方。
3. 如申請專利範圍第1或2項所述之自動對焦系統，其中該線形光源所產生之線形光斑係指線形的雷射光斑。
4. 如申請專利範圍第1或2項所述之自動對焦系統，更包括一會聚透鏡、一反射鏡、一第一分光鏡、一第二分光鏡及一成像透鏡，其中該會聚透鏡的入射面用以接收該線形光源所發出的該線形光斑，該遮光部件設於該會聚透鏡的出光面與該反射鏡之間，該反射鏡用以將該線形光斑的該部分反射至該第一分光鏡，該第一分光鏡用以續將該線形光斑的該部分反射至該物鏡，並允許從該物件反射回該物鏡的反射光與該線形光斑的該部分穿透之，該第二分光鏡位於該第一分光鏡與該成像透鏡之間，用以接收來自該第一分光鏡的該反射光與該線形光斑的該部分並將之反射至該成像透鏡，該成像透鏡用以將該反射光與該線形光斑的該部分會聚成像於該影像感測裝置之一感測面，以產生該目標影像。
5. 如申請專利範圍第1或2項所述之自動對焦系統，更包括一驅動裝置，其中該驅動裝置耦接該對焦調整模組，用以根據該對焦調整模組之判定結果對應驅動該物鏡移動，以調整該物鏡與該物件之間的距離。
6. 一種影像檢測儀器，包括如申請專利範圍第1至5項任一項所述之自動對焦系統、一影像擷取裝置及一照明單元，該照明單元用以提供該物件之照明，而該影像擷取裝置用以在該自動對焦系統之對焦調整模組判定該物件已對焦時，隨即擷取該物件的影像。
7. 如申請專利範圍第6項所述之影像檢測儀器，其中該照明單元包括一分光鏡及一照明裝置，該照明單元之分光鏡與該自動對焦系統之第一分光鏡及該第二分光鏡同軸，用以接收來自該照明裝置的可見光，並將之反射至該物件，以提供照明。
8. 如申請專利範圍第7項所述之影像檢測儀器，更包括一濾鏡，設於該影像擷取裝置與該照明單元之分光鏡之間，藉以防止從該物件反射回來的該線形光斑的該部分進入該影像擷取裝置。
9. 一種雷射自動對焦方法，包括下列步驟：(a).產生一道線形光斑；(b).使該線形光斑之一部分經由一物鏡投射至一物件；(c).對該物件與該線形光斑的該部分進行影像擷取，以擷取得到一目標影像；及(d).根據該目標影像中的線形光斑的該部分的長度、寬度及位置，判定該物件之對焦狀態；以及(e).根據步驟d之判定結果，對應調整該物鏡與該物件之間的距離。
10. 如申請專利範圍第9項所述之雷射自動對焦方法，更包括提供一遮光部件部分地遮擋該線形光斑而使該線形光斑之該部分進入該物鏡。