TWI574072B

TWI574072B - 自動對焦系統及其對焦方法

Info

Publication number: TWI574072B
Application number: TW104112430A
Authority: TW
Inventors: 劉建聖
Original assignee: 國立中正大學
Priority date: 2015-04-17
Filing date: 2015-04-17
Publication date: 2017-03-11
Also published as: TW201638621A

Description

自動對焦系統及其對焦方法

本發明是有關於一種自動對焦系統及對焦方法，特別是有關於一種藉由變焦鏡頭，而可即時自動調整成像精度(倍率)進而快速對焦之自動對焦系統及其對焦方法。

隨著科技的進步與電子業的蓬勃發展，許多電子產品都走向小型化，甚至是微型化，因而對精密度的要求愈來愈高。為了因應潮流的趨勢與電子產業的需求，零組件的加工方式亦須不斷進步，精密度較高且速度較快的加工方法將逐漸取代傳統的機械加工方式。其中，又以雷射加工最為廣泛使用，例如雷射鑽孔、雷射切割等。為了使雷射加工之精確度不受加工件表面輪廓影響，必須使雷射在加工時聚焦點皆準確定位於加工表面上，藉此避免加工能量不足而導致失效，或是因為光點面積過大導致加工尺寸誤差等問題。因此，需要搭配自動對焦系統來達成精密加工之目的。

一般的自動對焦系統包含有一物鏡、多個反射器、多個影像感測器及一調焦單元，當雷射光源發出的光線透過物鏡投射到一待測物上，待測物反射光線再透過反射器之反射分成多個光路後，再被各個影像感測器接收，藉以判定待測物的離焦位置，進而由調焦單元調整物鏡達成自動對焦目的。然而，如果離焦位置過遠時，會產生在對焦時間上的消耗、馬達多次推移等問題，進而直接影響到整個自動對焦系統的對焦速度。

因此，如何改善上述問題，並使自動對焦系統的對焦速度加快及精度提升，遂成相關業者努力的目標。

本發明提供一種自動對焦系統及其對焦方法，不僅可以加快對焦速度，同時可以有效簡化系統結構。

本發明之一實施方式在於提供一種自動對焦系統，其包含一光源、一光處理單元、一光感測器及一調焦單元。光處理單元包含一物鏡，至少一光反射器及一變焦鏡頭。光源發射一光束，物鏡聚焦光束後使光束投射於一待測物，再由待測物反射光束以形成一反射光束；光反射器將反射光束反射以形成一成像光束，成像光束經過變焦鏡頭而改變成像倍率並形成一待測光束。光感測器用來偵測待測光束，並得一影像以判斷待測物的一離焦位置，最後，由調焦單元根據離焦位置調整物鏡與待測物的距離，讓光束對焦在待測物上。其中根據離焦位置即時調整合適之變焦鏡頭之放大倍率，以便令離焦位置趨近物鏡之焦點。藉此，可以透過變焦鏡頭的變焦特性，選擇合適的變焦鏡頭放大倍率，以加快對焦速度並簡化系統結構。

依據前述的自動對焦系統，其中變焦鏡頭可以包含至少一第一透鏡及一第二透鏡，第一透鏡與第二透鏡在一光軸上的距離可調整。另外，自動對焦系統可以更包含一訊號處理單元，其可根據影像之重心位移配合三角測距法計算出離焦位置。

本發明之另一實施方式在於提供一種自動對焦系統，其包含一光源、一遮光片、一光處理單元、一光感測器及一調焦單元。光處理單元包含一物鏡，一第一光反射器、一第二光反射器及一變焦鏡頭。光源發射一光束，遮光片遮住部分光束，而物鏡聚焦光束後使光束投射於一待測物，再由待測物反射光束以形成一反射光束。反射光束經過第一光反射器反射後，再經過第二光反射器反射以形成一成像光束，成像光束經過變焦鏡頭而改變成像倍率並形成一待測光束。光感測器用來偵測待測光束，並得一影像以判斷待測物的一離焦位置，最後，由焦調整單元根據離焦位置調整物鏡與待測物的距離，讓光束對焦在待測物上。其中根據離焦位置即時調整合適之變焦鏡頭之放大倍率，以便令離焦位置趨近物鏡之焦點。

依據前述的自動對焦系統，其中變焦鏡頭可以包含至少一第一透鏡及一第二透鏡，第一透鏡與第二透鏡在一光軸上的距離可調整。另外，自動對焦系統可以更包含一訊號處理單元，其可以根據影像之重心之位移，配合三角測距法計算出離焦位置。

藉此，利用變焦鏡頭合成焦距可調的特性，可以根據離焦位置的遠近來即時選擇合適的變焦鏡頭放大倍率，以加快對焦速度，並且提升對焦的精確度。再者，透過變焦鏡頭放大倍率的調整搭配影像重心位移與三角測距法，可以更快更精準的算出離焦位置。另外，當光反射器有兩個時，更有利於影像觀測單元的設置，並可以即時觀測待測物影像。

本發明之再一實施方式在於提供一種自動對焦方法，其包含發射一光束，並利用一物鏡聚焦光束後，使光束投射於一待測物上。待測物反射光束形成一反射光束，利用至少一光反射器反射前述反射光束以形成一成像光束。再令成像光束通過變焦鏡頭而形成一待測光束，並利用一光感測器偵測待測光束以獲得一影像。其中利用影像得待測物的一離焦位置，並根據離焦位置即時調整合適之變焦鏡頭之放大倍率，以便令離焦位置趨近物鏡之焦點。最後根據離焦位置調整物鏡與待測物的距離，使光束對焦到待測物上。

依據前述的自動對焦方法，其中變焦鏡頭中可以包含至少一第一透鏡與一第二透鏡，且透過改變第一透鏡與第二透鏡之間在一光軸上的距離，得以改變影像的成像倍率。另外，即時調整合適之變焦鏡頭之放大倍率時，可以是先利用離焦位置所在的線性區判斷對應變焦鏡頭的一放大倍率，再即時調整變焦鏡頭至前述放大倍率。再者，調整變焦鏡頭的放大倍率由變焦鏡頭之最低倍率至變焦鏡頭之最高倍率。

藉此，透過變焦鏡頭的焦距調整方式，可以選擇合適的變焦鏡頭放大倍率，以加快對焦速度並且提升對焦的精確度。

100‧‧‧自動對焦系統

110‧‧‧自動對焦系統

120‧‧‧自動對焦系統

200‧‧‧光源

210‧‧‧整光鏡片

220‧‧‧遮光片

300‧‧‧光處理單元

310‧‧‧物鏡

320‧‧‧光反射器

330‧‧‧變焦鏡頭

330a‧‧‧變焦鏡頭

340‧‧‧第一光反射器

350‧‧‧第二光反射器

331‧‧‧第一透鏡

331a‧‧‧第一透鏡

332‧‧‧第二透鏡

332a‧‧‧第二透鏡

333a‧‧‧第三透鏡

400‧‧‧光感測器

500‧‧‧訊號處理單元

600‧‧‧調焦單元

700‧‧‧影像觀測單元

850‧‧‧步驟

860‧‧‧步驟

870‧‧‧步驟

880‧‧‧步驟

890‧‧‧步驟

S‧‧‧待測物

B1‧‧‧光束

R1‧‧‧反射光束

I1‧‧‧成像光束

W1‧‧‧待測光束

OI‧‧‧光軸

d1‧‧‧距離

d2‧‧‧距離

d3‧‧‧距離

d4‧‧‧距離

M‧‧‧離焦位置

N‧‧‧離焦位置

P‧‧‧離焦位置

A‧‧‧初始倍率線性區

B‧‧‧待選倍率線性區

C‧‧‧待定倍率線性區

X‧‧‧放大倍率

710‧‧‧鏡組

720‧‧‧感測器

800‧‧‧自動對焦流程

810‧‧‧步驟

820‧‧‧步驟

830‧‧‧步驟

840‧‧‧步驟

第1圖繪示依照本發明一實施例之自動對焦系統之架構方塊圖；第2圖繪示依照本發明另一實施例之自動對焦系統之光路示意圖；第3圖繪示第2圖之變焦鏡頭之焦距改變示意圖；第4圖繪示依照本發明又一實施例之自動對焦系統之光路示意圖；第5圖繪示第4圖之變焦鏡頭之焦距改變示意圖；第6圖繪示依照本發明再一實施例之自動對焦流程示意圖；以及第7圖繪示依照本發明再一實施例之自動對焦系統調焦過程示意圖。

請參閱第1圖。第1圖繪示依照本發明一實施例之自動對焦系統100之架構方塊圖。自動對焦系統100包含一光源200、一光處理單元300、一光感測器400、一訊號處理單元500及一調焦單元600。光源200發射一光束B1，經過光處理單元300後對焦於待測物S，光束B1被待測物S反射後形成一反射光束R1，反射光束R1再經過光處理單元 300後，最後會形成一待測光束W1，光感測器400用來偵測待測光束W1，並得對應待測光束W1之影像以判斷待測物S的離焦位置。最後，由調焦單元600根據離焦位置進行調整並讓光束B1對焦在待測物S上。透過後面的詳細說明可以更了解整個系統的運作方式。

請參閱第2圖及第3圖，第2圖繪示依照本發明另一實施例之自動對焦系統110之光路示意圖，第3圖繪示第2圖之變焦鏡頭330之焦距改變示意圖。一自動對焦系統110包含光源200，一整光鏡片210，一遮光片220，一光反射器320，一物鏡310，一變焦鏡頭330，一光感測器400，一訊號處理單元500及一調焦單元600。光源200發射一光束B1，且光源200較佳的是一雷射光源。遮光片220設置在光源200的發光側，整光鏡片210則設置於遮光片220與光源200之間。光束B1經過整光鏡片210後會變成準直光線，整光鏡片210較佳的為一凸透鏡且包含一凸面位於遠離光源200的一側。遮光片220則是用來遮擋部分的光束B1，主要目的是要讓光感測器400得到的影像形成半圓形圖案，以便取得影像之重心位移。光反射器320可為一分光鏡。

詳細的說，光束B1先經過整光鏡片210後，受遮光片220遮擋，僅剩下部分的光束B1射入光反射器320，光束B1通過光反射器320後，會先通過物鏡310才會對焦於待測物S上。而待測物S會將光束B1反射，形成一反射光束R1入射於光反射器320。此時光反射器320反射上述的反射光束R1，形成一成像光束I1。成像光束I1會經過變焦鏡頭 330，由變焦鏡頭330改變成像光束I1的成像倍率後形成一待測光束W1，再由光感測器400偵測待測光束W1，而獲得對應待測光束W1之影像。其中，光反射器320、變焦鏡頭330及物鏡310可視為如同第1圖中所繪示的光處理單元300。另外，變焦鏡頭330中包含一第一透鏡331及一第二透鏡332，且第一透鏡331及第二透鏡332在一光軸OI上的距離可調變。在第2圖中，第一透鏡331及第二透鏡332在光軸OI上的距離為d1；在第3圖中，第一透鏡331及第二透鏡332在光軸OI上的距離則為d2。透過第一透鏡331及第二透鏡332在光軸OI上的距離改變，可以改變變焦鏡頭330的合成焦距，使成像光束I1經過變焦鏡頭330後的成像倍率改變，進而使光感測器400偵測到的影像的倍率改變，並可即時形成對應前述變焦鏡頭330放大倍率之影像。

訊號處理單元500將光感測器400獲得的影像進行處理。主要可以利用數學形態學及其他的影像處理方法來處理影像，使影像變得清晰而有利於運算。另外，根據影像重心位移並搭配三角測距法測得待測物S的離焦位置。本發明所使用的三角測距公式如下(請參考C.S.Liu*,P.H.Hu,and Y.C.Lin,“Design and experimental validation of novel optics-based autofocusing microscope,”Applied Physics B,vol.109,no.2,pp.259-268,2012.)：△=2 δ×d×f₂/(f₁ ²)。

其中： △為影像的半徑值，正比於影像的重心位移；δ為待測物S的離焦位置，δ形成方向為平行物鏡310光軸；d為光束B1先經過整光鏡片210後的半徑值，d形成方向為垂直物鏡310光軸；f₂為變焦鏡頭330的合成焦距；以及f₁與物鏡310的焦距，f₂/f₁即是自動對焦系統110的系統倍率。

因此，藉由變焦鏡頭330的第一透鏡331與第二透鏡332在光軸OI上的距離調整，可以改變合成焦距f₂，進而改變自動對焦系統110的系統倍率。

計算出離焦位置後，調焦單元600可以直接根據離焦位置調整物鏡310，使光束B1準確對焦到待測物S上。而變焦鏡頭330可以根據離焦位置即時調整合適之變焦鏡頭330的放大倍率(精度)，由於變焦鏡頭330的每一放大倍率可以對應一成像精度，放大倍率愈高影像愈大，精度愈好，計算出來的離焦位置會愈準確。因此根據不同的離焦位置選擇適合的變焦鏡頭330放大倍率，可以得到較高的成像精度而使得自動對焦系統110可以更快速的對焦。在本實施例中，調焦單元600可以包含可程式化控制的步進馬達或驅動器等，可以驅動物鏡310移動，使待測物S的離焦位置更靠近物鏡310的焦點位置，以達自動對焦之目的。在其他實施例中，調焦單元600也得以其餘可能之方式驅動物鏡310或驅動待測物S位移，不以上述揭露為限。

請參閱第4圖及第5圖。第4圖繪示依照本發明又一實施例之自動對焦系統120之光路示意圖，第5圖繪示第4圖之變焦鏡頭330a之焦距改變示意圖。一自動對焦系統120包含光源200，一整光鏡片210，一遮光片220，一第一光反射器340，一第二光反射器350，一物鏡310，一變焦鏡頭330a，一光感測器400，一訊號處理單元500，一調焦單元600及一影像觀測單元700。光源200、整光鏡片210、遮光片220、光感測器400、訊號處理單元500及調焦單元600的配置和功能和前述揭露類似，在此不再贅述。

第一光反射器340可為反射式濾光片，第二光反射器350為分光鏡。詳細的說，光束B1先經過整光鏡片210後，受遮光片220遮擋，僅剩下部分的光束B1射入第二光反射器350。光束B1通過第二光反射器350，並由第一光反射器340反射後，會先通過物鏡310才會對焦於待測物S上。而待測物S會將光束B1反射，形成一反射光束R1入射於第一光反射器340。此時第一光反射器340反射上述的反射光束R1後，反射光束R1將再經過第二光反射器350的反射形成一成像光束I1。成像光束I1會經過變焦鏡頭330a，由變焦鏡頭330a改變成像光束I1的成像倍率後形成一待測光束W1，再由光感測器400偵測待測光束W1，而獲得對應待測光束W1之影像。

在本實施例中，變焦鏡頭330a中包含一第一透鏡331a、一第二透鏡332a及一第三透鏡333a。第一透鏡331a及第二透鏡332a在一光軸OI上的距離可調變，也就是說，第二透鏡332a可以沿光軸OI移動。在第4圖中，第一透鏡331a及第二透鏡332a在光軸OI上的距離為d3；在第5圖中，第一透鏡331a及第二透鏡332a在光軸OI上的距離則為d4。透過第一透鏡331a及第二透鏡332a在光軸OI上的距離改變，可以改變變焦鏡頭330a的合成焦距。在其他實施例中，變焦鏡頭330a中之透鏡數目可以是四個或者更多。另外，也可以改變第二透鏡332a與第三透鏡333a在光軸OI上的距離，而第一透鏡331a與第二透鏡332a在光軸OI上的距離不變，其目的皆是使變焦鏡頭330a的焦距可以改變，其實施形式不受上述揭露所限制。

影像觀測單元700包含一鏡組710及一感測器720，鏡組710包含有觀測物鏡(未繪示)及一管鏡(Tube lens)(未繪示)以形成一無限遠校準光學系統(Infinity-Corrected System)。影像觀測單元700可用以監看待測物S的即時影像。

上述的光源200可以是同調光源或非同調光源，如雷射光源、發光二極體光源或白熾光。光感測器400及感測器720可為電荷耦合元件(Charge-coupled device,CCD)或互補金屬氧化半導體(Complementary metal oxide semiconductor,CMOS)，但不受上述揭露限制。

請參閱第6圖，並請一併參閱前述之第2圖。第6圖繪示依照本發明再一實施例之自動對焦流程800示意圖。自動對焦流程800包含步驟810到步驟890。其分別為：步驟810：發射光束B1；步驟820：利用物鏡310聚焦光束B1至待測物S，光束B1為待測物S反射以形成反射光束R1；步驟830：利用光反射器320反射上述反射光束R1以形成成像光束I1；步驟840：令成像光束I1通過變焦鏡頭330以形成待測光束W1；步驟850：利用光感測器400偵測待測光束W1而獲得對應待測光束W1之影像；步驟860：利用影像得到待測物S的離焦位置；步驟870：根據離焦位置調整物鏡310與待測物S的距離至一初始倍率線性區內；步驟880：根據離焦位置即時調整合適之變焦鏡頭330之放大倍率，以便令離焦位置趨近物鏡310之焦點，透過光感測器400獲得影像，再次判定離焦位置；以及步驟890：根據離焦位置調整調整物鏡310與待測物S的距離。

上述的調整變焦鏡頭放大倍率是透過改變第一透鏡331與第二透鏡332之間在光軸OI上的距離的方式而得。

請一併參閱第7圖。第7圖繪示依照本發明再一實施例之自動對焦系統110調焦過程示意圖。在自動對焦系統110進行調焦前，物鏡310與待測物S的離焦位置為M，且變焦鏡頭330具有一初始倍率。先進行步驟810~860，由於離焦位置M計算出來的離焦值大於初始倍率線性區A，因此進行步驟870，根據離焦值移動物鏡310使離焦位置變為N，讓物鏡310與待測物S的距離落在初始倍率線性區A內。所謂的線性區指的是，在某段區間內離焦位置的離焦值和影像的重心位置成正比且有線性關係。初始倍率線性區是變焦鏡頭330初始倍率所對應的線性區，在線性區內可依照上述影像的重心搭配前述的三角測距法計算出離焦位置。初始倍率選擇較低倍率。較佳地，初始倍率可為變焦鏡頭330之最低倍率。

由於離焦位置N除了落在初始倍率線性區A內，同時也落在待選倍率線性區B內。由待選倍率線性區B可回推判定出對應變焦鏡頭330的一放大倍率X，並即時調整變焦鏡頭330至此放大倍率X。接著再次獲得影像，並重新計算離焦位置，調整物鏡310與待測物S的離焦位置為P，P不僅落在待選倍率線性區B內，也落在待定倍率線性區C內。待定倍率線性區C為變焦鏡頭330高倍率所對應的線性區，較佳地，為變焦鏡頭330最高倍率時所對應的線性區。

當離焦位置為P時，已經很接近物鏡310的焦點，此時調整變焦鏡頭330的放大倍率為待定倍率線性區C對應的高倍率，光感測器400獲得影像計算出離焦位置P的數值再移動物鏡310對焦即可。此即為步驟880與步驟890，且步驟880與步驟890各被重覆執行兩次。

上述步驟中，步驟870與步驟880可以相互對調順序，也可以是同時進行。由於高倍率時所獲得的影像大於低倍率時獲得的影像，是以由高倍率計算出來的離焦位置會具有較小的誤差，因此可以較快速且準確的對焦。另外，變焦鏡頭330的焦距調整次數及物鏡310移動的次數不限於上述的揭露，可以一直動作直到自動對焦系統100對焦完成為止。

由上述實施例可知，本發明具有下列優點：

一、藉由變焦鏡頭焦距可以即時改變的特色，改變變焦鏡頭的放大倍率進而可以改變自動對焦系統的系統倍率，可有效提升調焦速度。

二、藉由變焦鏡頭的設置，不需設置多個感測器或是需要多個光反射器分出多條光路，有助於簡化自動對焦系統的配置。

三、變焦鏡頭的變焦是在一固定範圍內無段式的變焦，因此可以讓系統根據離焦位置自動選擇合適的焦距，達到更快速更精確的對焦。

四、透過即時調整變焦鏡頭的放大倍率，並搭配影像重心位移及三角測距公式，可以更快更精準的算出離焦位置。

五、可設置兩個光反射器，並搭配影像觀測單元的設置，可以即時觀測待測物影像。

雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，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。