TWI451152B - 離焦判定裝置及其判定方法 - Google Patents

Description

離焦判定裝置及其判定方法

本發明是有關於一種對焦裝置及其方法，且特別是有關於一種利用重建後光影像之離焦判定裝置及其判定方法。

近年來隨著電子業的蓬勃發展，許多消費性電子產品如手機、相機、投影機等，走向精緻微型化已是市場主流趨勢。為了因應此電子產業的需求，關鍵零組件之加工成形方式則顯得重要。傳統的機械加工方式受限於刀片大小與機構限制，逐漸不敷使用。取而代之的加工方式則是精度較高、速度較快的雷射加工，如雷射鑽孔、雷射切割等等。為了使雷射加工之精確度不因加工件表面之高低起伏而影響，必須使雷射在加工時聚焦點皆需位於加工表面上，如此方能避免加工能量不足而失效，或是光點面積過大產生加工尺寸誤差，為達此功效需搭配自動聚焦裝置來達成精密加工之目的。

雖然雷射自動對焦相對於影像式自動對焦具有精度較高、速度較快之優勢，但在高階精密加工之產業中，許多待測物並非是單一材質，故當雷射光投射在不同材質之間的邊界上時，由於各個材質對光的反射率不相同，光感測元件上所偵測到之雷射光點會呈現不規則形狀，因而無法判定待測物的離焦方向及離焦距離。

本發明係有關於一種離焦判定裝置及其判定方法，係利用影像重建技術，將失真之光影像還原並修正為原始尺寸及開口方向之光影像，以判定待測物之離焦情形。

根據本發明之一方面，提出一種離焦判定裝置，包括一光源、一擋板、一成像單元、一光感測單元以及一影像處理單元。光源用以產生一光束。擋板用以遮蔽部分光束以形成一半圓入射光束。成像單元用以聚焦半圓入射光束，並使半圓入射光束入射至一待測物上。待測物反射半圓入射光束以形成一反射光束。光感測單元用以擷取反射光束，並形成一光影像。影像處理單元用以處理光影像，使光影像重建後形成一半圓形影像。影像處理單元判定半圓形影像之圓弧開口方向以及尺寸，以做為判定待測物之離焦方向及離焦距離之依據。

根據本發明之另一方面，提出一種離焦判定方法，包括下列步驟。形成一半圓入射光束，並聚焦半圓入射光束以入射至一待測物上。待測物反射半圓入射光束，以形成一反射光束。聚焦反射光束，使聚焦之反射光束入射至一光感測單元，並形成一光影像。處理光影像，使光影像重建後形成一半圓形影像。判定半圓形影像之圓弧開口方向以及尺寸，以做為判定待測物之離焦方向及離焦距離之依據。

為了對本發明之上述及其他方面有更多的瞭解，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：

本揭露之離焦判定裝置及其判定方法，係利用影像處理演算法，將投射在邊界上之不規則光點，經由影像處理而修正為外型輪廓呈現半圓形且能量分佈均勻之光影像，再利用重建後的光影像進行離焦判斷，以得知待測物的離焦方向及離焦距離。因此，本揭露之離焦判定裝置及其方法可應用在待測物為單一材質或多材質之離焦量測上，並可配合對焦調整裝置來即時修正待測物之離焦方向及離焦距離，以達到自動對焦之目的。

以下係提出各種實施例進行詳細說明，實施例僅用以作為範例說明，並非用以限縮本發明欲保護之範圍。

請參照第1圖，其繪示依照一實施例之離焦判定裝置的示意圖。離焦判定裝置10包括一光源100、一擋板101、一成像單元105、一光感測單元110以及一影像處理單元120。成像單元105包括一分光元件102、一第一聚焦元件103以及一第二聚焦元件104。光源100產生一光束11，並經由擋板101遮蔽部分光束以形成一半圓入射光束12。成像單元105用以聚焦半圓入射光束12，並使半圓入射光束12入射至一待測物200上。請參照第1圖，光束11經由擋板101遮蔽一半之後，其餘光束形成半圓入射光束12。半圓入射光束12經由分光元件102折射後入射至第一聚焦元件103，又經由第一聚焦元件103聚焦後入射至待測物200，以提高光束之聚焦特性。在一實施例中，聚焦後的光束形成一光點，就在第一聚焦元件103之焦點上。當待測物200的位置不位在焦點上，而是位於焦點前或焦點後，光點的大小會隨著待測物200的位置改變而產生變化。

請參照第1圖，由待測物200反射之反射光束13依序經過第一聚焦元件103以及分光元件102之後，入射至第二聚焦元件104，又經由第二聚焦元件104之聚焦後，入射至光感測單元110中，以形成一光影像。光感測單元110用以偵測反射光束13之光形尺寸以及能量分佈。當待測物200的位置不位在焦點上，光感測單元110上將形成不同尺寸之光影像，而影像處理單元120根據光影像判定待測物200係位於近焦位置、遠焦位置或焦點位置上。

在本實施例中，待測物200可包含一第一材質201以及一第二材質202。當半圓入射光束12僅投射在第一材質201或第二材質202上，亦即投射在單一材質上，表示半圓入射光束12並未投射至待測物200之邊界上，此時，光感測單元110上所偵測到之影像將呈現外型輪廓為半圓形之光形。然而，當半圓入射光束12投射在第一材質201與第二材質202之間時，表示半圓入射光束12投射在待測物200之邊界上，此時，光感測單元110上所偵測到之影像將呈現外型殘破或外型變異之非半圓光形，因而難以根據光影像判定待測物200係位於近焦位置、遠焦位置或焦點位置上。

請參照第2圖，其繪示依照一實施例之影像處理演算法的流程圖。此影像處理演算法可儲存於第1圖之影像處理單元120中，用以處理非半圓反射光束投射至光感測單元110上之光影像，以重建出如同投射在無邊界狀態之半圓光點所產生之光影像。此影像處理演算法包括下列流程：(1)取得一失真之原始光影像，例如是非半圓之光影像；(2)進行影像前處理，例如進行中值濾波以強化影像之邊緣輪廓；(3)進行亮度正規化處理，以提高光影像之亮度；(4)進行濾除雜訊處理，以去除雜訊之影像；(5)進行影像型態學處理，以判定失真之原始光影像之外型包含一半圓光形之局部輪廓；(6)取得半成品光形輪廓；(7)進行半圓光形半徑校正處理，以取得半圓光形之半徑範圍；(8)取得影像處理後之半圓光形，並以此半圓光形之半徑重建光影像。

如上所述，當半圓入射光束12投射在第一材質201與第二材質202之間時，表示半圓入射光束12投射在待測物200之邊界上，此時，光感測單元110上所偵測到之影像111呈現非半圓光形，然而經由影像處理單元120進行半圓光形重建後，可將非半圓形影像111(參見第1圖之斜線區域)重建為半圓形影像121(參見第1圖之斜線區域)。當半圓形影像121的圓弧開口方向朝向一方時，表示待測物200位於近焦位置上，而當半圓形影像121的圓弧開口方向朝向另一方時，表示待測物200位於遠焦位置上。此外，半圓形影像121之尺寸與半徑的平方成正比，當半徑越大時，表示待測物200的離焦距離越遠，而當半徑越小時，表示待測物200的離焦距離越近。舉例來說，以離焦距離為25微米之非半圓形影像111，經影像處理後之半圓光形的平均半徑約為98畫素，其誤差值可控制在1.6微米以下，符合標準值。如此，本實施例即可利用半圓形影像121之圓弧開口方向以及尺寸，來判定待測物200之離焦方向及離焦距離，並以此離焦判定結果作為自動對焦修正之依據。

請參照第3圖，其繪示依照一實施例之離焦判定裝置之示意圖。離焦判定裝置10更可包括一對焦調整單元130，連接第一聚焦元件103，並帶動第一聚焦元件103移動，以修正待測物200之離焦方向及離焦距離。在本實施例中，對焦調整單元130例如以步進馬達來帶動第一聚焦元件103移動。此外，對焦調整單元130亦可不與第一聚焦元件103連接，而是與待測物200連接，並帶動待測物200移動，以修正待測物200之離焦方向及離焦距離。

請同時參照第1及4圖，其中第4圖繪示依照一實施例之離焦判斷方法之流程圖。首先，步驟1係將一半圓入射光束12入射至待測物200，待測物200反射半圓入射光束12，並形成一反射光束13。步驟2係以光感測單元110擷取經待測物200反射後之光影像。步驟3係以第2圖之影像處理演算法對步驟2中所擷取之光影像進行重建，以形成一半圓形影像121。步驟4-1係以重建後之半圓形影像121的圓弧開口方向判定待測物200之離焦方向，而步驟4-2係以重建後之半圓形影像121的尺寸判定待測物200之離焦距離。步驟5係根據上述離焦判定結果，取得待測物200之離焦狀態的資訊。上述步驟4-1與步驟4-2並無前後順序上的限制，亦即可先判定半圓形影像121的圓弧開口方向，再判定尺寸，或是先判定半圓形影像121的尺寸，再判定圓弧開口方向。

上述之半圓入射光束12可為雷射發射器、發光二極體或白熾光源等產生之同調光或非同調光。此外，光感測單元110可包含電荷耦合元件(CCD)、互補式金屬氧化半導體元件(CMOS)、光感測器陣列元件或光電位置感測器等。

上述實施例所揭露之離焦判定裝置及其判定方法，係利用重建後的光影像進行離焦判斷，以得知待測物的離焦方向及離焦距離，並可應用在待測物為單一材質或多材質之離焦量測上，配合對焦調整裝置來即時修正待測物之離焦方向及離焦距離，以達到自動對焦之目的。本揭露透過上述之影像處理演算法之設計以及簡單的光學結構，即可達到尺寸小、成本低、反應速度快、對焦精度高且適用於邊界材質之自動對焦等功效。

綜上所述，雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

10．．．離焦判定裝置

11．．．光束

12．．．半圓入射光束

13．．．反射光束

100．．．光源

101．．．擋板

102．．．分光元件

103．．．第一聚焦元件

104．．．第二聚焦元件

105．．．成像單元

110．．．光感測單元

111．．．非半圓形影像

120．．．影像處理單元

121．．．半圓形影像

130．．．對焦調整單元

200．．．待測物

201．．．第一材質

202．．．第二材質

第1圖繪示依照一實施例之離焦判定裝置的示意圖。

第2圖繪示依照一實施例之影像處理演算法的流程圖。

第3圖繪示依照一實施例之離焦判定裝置之示意圖。

第4圖繪示依照一實施例之離焦判斷方法之流程圖。

10．．．離焦判定裝置

11．．．光束

12．．．半圓入射光束

13．．．反射光束

100．．．光源

101．．．擋板

102．．．分光元件

103．．．第一聚焦元件

104．．．第二聚焦元件

105．．．成像單元

110．．．光感測單元

111．．．非半圓形影像

120．．．影像處理單元

121．．．半圓形影像

200．．．待測物

201．．．第一材質

202．．．第二材質

Claims (7)

1. 一種離焦判定方法，包括：形成一半圓入射光束，並聚焦該半圓入射光束以入射至一待測物上；該待測物反射該半圓入射光束，以形成一反射光束；聚焦該反射光束，使該聚焦之反射光束入射至一光感測單元，並形成一光影像；處理該光影像，使該光影像重建後形成一半圓形影像；以及判定該半圓形影像之圓弧開口方向以及尺寸，以做為判定該待測物之離焦方向及離焦距離之依據，其中處理該光影像之步驟包括取得一失真之原始光影像，並進行中值濾波以強化影像之邊緣輪廓，判定該失真之原始光影像之外型包含一半圓光形之局部輪廓，並以該半圓光形之半徑重建該光影像。
2. 如申請專利範圍第1項所述之離焦判定方法，其中該失真之原始光影像係由該半圓入射光束投射在該待測物之邊界，並反射至該光感測單元所形成之影像。
3. 一種離焦判定裝置，包括：一光源，用以產生一光束；一擋板，用以遮蔽部分該光束以形成一半圓入射光束；一成像單元，用以聚焦該半圓入射光束，並使該半圓入射光束入射至一待測物上，該待測物反射該半圓入射光 束以形成一反射光束；一光感測單元，用以擷取該反射光束，並形成一光影像；以及一影像處理單元，用以處理該光影像，使該光影像重建後形成一半圓形影像，該影像處理單元判定該半圓形影像之圓弧開口方向以及尺寸，以做為判定該待測物之離焦方向及離焦距離之依據，其中該影像處理單元取得一失真之原始光影像，並進行中值濾波以強化影像之邊緣輪廓，該影像處理單元判定該失真之原始光影像之外型包含一半圓光形之局部輪廓，並以該半圓光形之半徑重建該光影像。
4. 如申請專利範圍第3項所述之離焦判定裝置，其中該成像單元包括：一分光元件，用以反射該半圓入射光束；一第一聚焦元件，用以聚焦經該分光元件反射後之該半圓入射光束，並使該聚焦後之半圓入射光束入射至該待測物；以及一第二聚焦元件，用以聚焦依序通過該第一聚焦元件以及該分光元件之該反射光束，並使該聚焦後之反射光束入射至該光感測單元。
5. 如申請專利範圍第4項所述之離焦判定裝置，更包括一對焦調整單元，連接該第一聚焦元件，並帶動該第一聚焦元件移動，以修正該待測物之離焦方向及離焦距離。
6. 如申請專利範圍第3項所述之離焦判定裝置，更 包括一對焦調整單元，連接該待測物，並帶動該待測物移動，以修正該待測物之離焦方向及離焦距離。
7. 如申請專利範圍第3項所述之離焦判定裝置，其中該失真之原始光影像係由該半圓入射光束投射在該待測物之邊界，並反射至該光感測單元所形成之影像。