TWI585394B - 動態式自動追焦系統 - Google Patents

Description

動態式自動追焦系統

本發明係有關於一種自動追焦系統，尤指一種用於氣浮載台的自動追焦系統。

精密檢測通常適用於須具備高精密度、低容錯率的產品，通常係配合一自動化控制產線設置，並配設於供應鏈之末端位置，以對製造之成品進行表面汙損、磨損、漏銅等瑕疵之檢測。其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)用以對工件的表面取像，再以電腦影像處理技術來檢出異物或圖案異常等瑕疵。

在對應精密工件(例如面板)進行檢測時，為避免工件於輸送程序中因輸送帶刮傷或污損產生瑕疵，針對部分精密工件會設置氣浮載台，透過對工件提供正壓，使工件浮空並避免與下方平面接觸。於輸送的過程中欲對工件進行檢測，工件因為氣浮的作用，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快速又有效的追焦方式。

本發明的目的，在於解決習知技術對焦時執行的演算步驟過於複雜，無法達到即時對焦的缺失。

為解決上述問題，本發明提供一種動態式自動追焦系統，包括一影像擷取裝置、一驅動裝置、以及一焦距調整模組。該影像擷取裝置朝拍攝區域對一工件進行影像擷取，以獲得該工件之影像。該驅動裝置調整該影像擷取裝置與該工件之間的間距。該焦距調整模組耦合至該影像擷取裝置與該驅動裝置，根據該工件之影像中之預定義的一圖形特徵的大小，產生一控制信號並傳送至該驅動裝置，藉以該驅動裝置調整該影像擷取裝置的位置，使該圖形特徵的大小調整為符合預定圖形特徵的大小。

進一步地，該動態式自動追焦系統包含有一氣浮載台，係對工件提供正壓使該工件懸浮於該氣浮載台的上方。

進一步地，該動態式自動追焦系統包含有一光學投影器，所述的圖形特徵係由該光學投影器投射至該工件上或該工件的附近。

進一步地，該焦距調整模組係依據該圖形特徵與預定義圖形特徵間的比例，計算出該影像擷取裝置與正確焦距位置間的距離參數，並依據該距離參數控制該驅動裝置使該影像擷取裝置移動至該正確焦距位置。

進一步地，該動態式自動追焦系統，更進一步包含有一設置於該影像擷取裝置及該拍攝區域之間以提供同軸光源的 光源模組。

進一步地，該光源模組係包含有一設置於該影像擷取裝置一側的照明單元，以及一設置於該影像擷取裝置及該拍攝區域之間以將該照明單元的光線反射至該拍攝區域以形成該同軸光源的分光鏡。

本發明的另一目的，在於提供一種動態式自動追焦系統，包括一第一影像擷取裝置、一第二影像擷取裝置、一驅動裝置、以及一焦距調整模組。該第一影像擷取裝置朝拍攝區域對一工件進行影像擷取，以獲得該工件之影像。該第二影像擷取裝置鎖定該工件上或該工件附近的預定義圖形特徵。該驅動裝置調整該影像擷取裝置與該工件之間的間距。該焦距調整模組耦合至該第二影像擷取裝置與該驅動裝置，根據該工件之影像中之預定義的一圖形特徵的大小，產生一控制信號並傳送至該驅動裝置，藉以該驅動裝置調整該影像擷取裝置的位置，使該圖形特徵的大小調整為符合預定圖形特徵的大小。

進一步地，該動態式自動追焦系統包含有一氣浮載台，係對工件提供正壓使該工件懸浮於該氣浮載台的上方。

進一步地，該動態式自動追焦系統包含有一光學投影器，所述的圖形特徵係由該光學投影器投射至該工件上或該工件的附近。

進一步地，該焦距調整模組係依據該圖形特徵與該預定義圖形特徵間的比例，計算出該第一影像擷取裝置與正確焦 距位置間的距離參數，並依據該距離參數控制該驅動裝置使該第一影像擷取裝置移動至該正確焦距位置。

進一步地，該動態式自動追焦系統包含有一設置於該第一影像擷取裝置及該拍攝區域之間以提供同軸光源的光源模組。

進一步地，該光源模組係包含有一設置於該第一影像擷取裝置一側的照明單元，以及一設置於該第一影像擷取裝置及該拍攝區域之間以將該照明單元的光線反射至該拍攝區域以形成該同軸光源的分光鏡。

是以，本發明係比習知技術具有以下之優勢功效：

1.本發明的演算流程簡單，可快速的將影像擷取裝置調整至正確的焦距位置並持續對工件追焦，確保所拍攝到的影像均能清晰顯示。

2.本發明經由預定義圖形特徵的大小調整焦距，可避免因解析度判斷差異，造成每幅影像尺寸參差不一產生誤差。

100‧‧‧自動追焦系統

P‧‧‧工件

Q‧‧‧圖形特徵

10‧‧‧氣浮載台

11‧‧‧氣嘴

21‧‧‧影像擷取裝置

22‧‧‧驅動裝置

23‧‧‧焦距調整模組

30‧‧‧光源模組

31‧‧‧照明單元

32‧‧‧分光鏡

33‧‧‧擴散片

40‧‧‧光學投影器

200‧‧‧自動追焦系統

51‧‧‧第一影像擷取裝置

52‧‧‧第二影像擷取裝置

53‧‧‧驅動裝置

54‧‧‧焦距調整模組

55‧‧‧分光鏡

60‧‧‧光源模組

圖1，本發明第一實施例的示意圖。

圖2，本發明自動對焦的工作示意圖。

圖3，本發明第二實施例的示意圖。

有關本發明之詳細說明及技術內容，現就配合圖式說明如下。再者，本發明中之圖式，為說明方便，其比例未必照 實際比例繪製，該等圖式及其比例並非用以限制本發明之範圍，在此先行敘明。

本發明的自動追焦系統可應用於自動光學檢測(Automated Optical Inspection)的機台上，配合影像擷取裝置(CCD,CMOS攝像機)用於對半導體、晶片等微機電元件(MEMS Components)或是面板、晶圓或其他類此之工件進行精密檢測。有關於本發明自動追焦系統的詳細技術內容以下係配合圖式進行說明：請參閱「圖1」，係揭示本發明第一實施例的示意圖，如圖所示：所述的自動追焦系統100包括一供工件P設置的氣浮載台10，一設置於該氣浮載台10一側並包含有一拍攝區域的影像擷取裝置21，一設置於該影像擷取裝置21一側的驅動裝置22，一耦合至該影像擷取裝置21與該驅動裝置22的焦距調整模組23，以及一設置於該影像擷取裝置21及該拍攝區域之間以提供同軸光源的光源模組30。

所述的氣浮載台10係對工件P提供正壓使該工件P懸浮於該氣浮載台10的上方。所述的氣浮載台一側係設置有氣壓泵(圖未式)，並對該氣浮載台10表面上的複數個氣嘴11提供正壓，使該氣嘴11向外吹氣，藉由向上氣壓使該工件P飄浮於氣浮載台10的上方。於一較佳實施例中，所述的氣浮載台10可透過治具固定該工件P側緣，並帶動該工件P水平移動，藉以輸送該 工件P。於另一較佳實施例中，可透過調整氣嘴11的方向使該工件P承受水平分力，透過水平分力帶動該工件P前進，本發明並不欲限制於上述的實施例。

所述的影像擷取裝置21係追隨該工件P上下移動，以確保該工件P能夠控制在合理的對焦範圍內。該影像擷取裝置21可為電荷耦合裝置(Charge-coupled Device,CCD)或互補金屬氧化物半導體(Complementary Metal Oxide Semiconductor,CMOS)或其他類此之影像擷取裝置，於本發明中不予以設限。

所述的驅動裝置22係結合至該影像擷取裝置21，用以調整該影像擷取裝置21的高度，以控制該影像擷取裝置21與工件P的間距。於一較佳實施例中，該驅動裝置22係利用伺服馬達旋轉螺桿，以帶動乘載該影像擷取裝置21、光源模組30、光源投影器40的載台上下位移，由於伺服馬達的誤差極低，可精確地配合工件P的位置上下調整該影像擷取裝置21的高度。

所述的焦距調整模組23係經由該影像擷取裝置21取得該工件P的影像，於該工件P的影像中鎖定預定義的圖形特徵，並透過該驅動裝置22調整該影像擷取裝置21的位置，使該圖形特徵Q的大小符合預定義圖形特徵的大小以即時追焦。有關於焦距調整模組23的詳細演算流程，後方將有更詳細的說明。

於本發明中所述的圖形特徵Q可以為工件P上本身具有的花紋、圖案、電極形狀，亦可透過雷射、或其他光學手段將影像投影至該工件P或工件P的周圍，以供焦距調整模組23作 為對焦用的參考圖形。於本實施例中，係提供一光學投影器40，藉由該光學投影器40將所述的圖形特徵Q投射至該工件P或該工件P附近的位置。

所述的光源模組30係設置於該影像擷取裝置21及該拍攝區域之間用以照亮該工件P。該光源模組30係包含有一設置於該影像擷取裝置21一側的照明單元31，以及一設置於該影像擷取裝置及該拍攝區域之間，用以將該照明單元31的光源反射至該氣浮載台10上以形成同軸光源的分光鏡32。所述的分光鏡32係呈45度傾斜，可將照明單元31送出的部分光源向下轉折90度用以照亮工件P，另一方面工件P的影像將穿過該分光鏡32並送至該影像擷取裝置21以供該影像擷取裝置21進行拍攝。於其中一較佳實施例，該光源模組30係包含有一設置於該分光鏡32與該照明單元31之間的擴散片33，該擴散片33係將照明單元31所送出的光源變得均勻，藉以避免亮、暗帶的產生。

以下係針對焦距調整模組23的詳細演算方法進行說明： 請參閱「圖2」，於初始設定時，所述的焦距調整模組23係可透過預定義的方式(例如人工、或是透過影像調校)，對欲進行檢測的工件P先進行初步的取像，並由該工件P的影像中擷取出需要的圖形特徵Q(例如工件P表面上的圖案、花紋、或是光學投影的圖形)，並將該圖形特徵Q及該圖形特徵Q的相關參數(例如半徑、長度、或面積等)紀錄於儲存單元做為參考數據，完成 初步的設定。

於進行追焦時，該影像擷取裝置21取得該工件P的影像，於該工件P的影像中鎖定上述預定義的圖形特徵，並調整影像擷取裝置21的位置(高度)使該預定義圖形特徵的符合預定義的大小以完成對焦。

於其中一較佳實施例中，焦距調整模組23可即時演算圖形特徵Q的面積大小以將該影像擷取裝置21移動至正確的焦距。影像擷取裝置21係由影像中找到預定義的圖形特徵，並擷取出該圖形特徵Q。所擷取出的圖形特徵Q係藉由即時演算的方式分析大小(半徑、長度、面積等)，若圖形特徵Q的大小小於預存的參數時，該焦距調整模組23係控制該影像擷取裝置21向上移動，使影像擷取裝置21的焦點向上移動；反之，若圖形特徵Q的大小大於預存的參數時，該焦距調整模組23係向下移動該影像擷取裝置21，使影像擷取裝置21的焦點向下移動。於移動的同時，可藉由即時演算圖形特徵Q的面積大小，以分析影像擷取裝置21是否已達到預設的對焦位置，達到即時動態自動追焦的功能。

於另一較佳的實施例中，該焦距調整模組23係依據該圖形特徵Q與預定義圖形特徵間的比例，計算出與正確焦距位置間的距離參數，並依據該距離參數控制該驅動裝置22使影像擷取裝置21移動至該正確焦距位置。

具體請參閱「圖2」，當工件P上的圖形特徵Q可被影像擷取裝置21清晰聚焦時，可產生與預定義圖形特徵大小相同 的光學標記圖案。惟，當該影像擷取裝置21於失焦的情況下，該光學投影器40並未將圖形特徵Q投影在該工件P之對焦面上，將產生另外的失焦圖案。假設預定義的圖形特徵直徑為x，所拍攝到的圖形特徵Q經由演算法可取得直徑為y。由於對焦和失焦的圖案間之特徵直徑有線性關係，意味可藉由係數轉換成與對焦面之工作距離的差距，C係為工作距離和特徵直徑間的線性係數，此係數在同一追焦系統(相同環境條件)下為定值，且可經由實際測試獲得，因此應移動之正確焦距位置間的距離△f可藉由以下公式取得：△f=C(x-y)

當所計算出的距離△f的值為正，則代表影像擷取裝置21需向下移動|△f|的距離，藉以放大影像並移動至正確的焦距位置；當所計算出的距離△f的值為負，則代表影像擷取裝置21需向上移動|△f|的距離，藉以縮小影像並移動至正確的焦距位置。

藉由上述的方式，可快速的將影像擷取裝置21移動至正確的焦距位置，進一步達到即時對焦的目的。

以下係舉本發明另一較佳實施例進行說明，本實施例與第一實施例的主要差異點在於將影像擷取裝置拆分為兩組，一組用以檢測工件的瑕疵，一組用以計算工件的間距。其餘與第一實施例相同部分，以下即不再贅述。請參閱「圖3」，係揭示本發明第二實施例的示意圖，如圖所示：於本實施例中，係提供一種自動追焦系統200，包含 有一檢測該工件P瑕疵的第一影像擷取裝置51，一鎖定該工件P上或附近圖形特徵Q的第二影像擷取裝置52，一調整該第一影像擷取裝置51與該工件P間距的驅動裝置53，以及一連接至該驅動裝置53及該第二影像擷取裝置52的焦距調整模組54。該焦距調整模組54係根據該工件P之影像中之預定義的一圖形特徵，產生一控制訊號並傳送至該驅動裝置53，藉以該驅動裝置53調整該第一影像擷取裝置51的位置。

於本實施例中，所述的第一影像擷取裝置51與第二影像擷取裝置52固定在同一載台上，由焦距調整模組54控制並透過螺桿移動。工件P的光路係經由分光鏡55分別傳送至該第一影像擷取裝置51及該第二影像擷取裝置52。光源模組60係設置於該分光鏡55的下方，光學投影器40則設置於該氣浮載台10的一側。該光源模組60及光學投影器40係追隨該第一影像擷取裝置51及該第二影像擷取裝置52上下移動(例如設置於同一載台上)，以便該光源模組60、光學投影器40、該第一影像擷取裝置51、該第二影像擷取裝置52保持固定的間距，使拍攝到的每張影像均能維持相同的亮度及清晰度。於對焦時，由第二影像擷取裝置52即時偵測並計算光學投影器40在工件上的圖形特徵Q取得對焦值(差異值)，基於該對焦值同時控制馬達移動該第一影像擷取裝置51、該第二影像擷取裝置52、該光源模組60、及該光學投影器40直到對焦值符合預期。

於另一較佳實施例中，所述的第二影像擷取裝置 52、係與該第一影像擷取裝置51設置於不同的載台上。該第一影像擷取裝置51為可移動，該第二影像擷取裝置52則為固定位置。分光鏡55設置於該第一影像擷取裝置51及第二影像擷取裝置52之間，該第一影像擷取裝置51係於該分光鏡55的光路上直向移動，以調整該第一影像擷取裝置51至焦距位置。該光源模組60及光學投影器40係追隨該第一影像擷取裝置51上下移動(例如設置於同一載台上)，使拍攝到的每張影像均能維持相同的亮度及清晰度。所述的第二影像擷取裝置52係將該圖形特徵Q與預定義的大小進行比對，並計算出對焦值(差異值)傳送至焦距調整模組54，該焦距調整模組54依據該對焦值控制第一影像擷取裝置51與光源模組60及光學投影器40的位置直到對焦值符合預期，以達到動態自動追焦之功能。

綜上所述，本發明的演算流程簡單，可快速的將影像擷取裝置調整至正確的焦距位置並持續對工件動態自動追焦，確保所拍攝到的影像均能清晰顯示。此外，本發明經由預定義圖形特徵的大小調整焦距，可避免因解析度判斷差異，造成每幅影像尺寸參差不一產生誤差。

以上已將本發明做一詳細說明，惟以上所述者，僅惟本發明之一較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即凡一本發明申請專利範圍所作之均等變化與修飾，皆應仍屬本發明之專利涵蓋範圍內。

100‧‧‧自動追焦系統

P‧‧‧工件

10‧‧‧氣浮載台

21‧‧‧影像擷取裝置

22‧‧‧驅動裝置

23‧‧‧焦距調整模組

30‧‧‧光源模組

31‧‧‧照明單元

32‧‧‧分光鏡

33‧‧‧擴散片

40‧‧‧光學投影器

Claims (12)

1. 一種動態式自動追焦系統，包括：一影像擷取裝置，朝拍攝區域對一工件進行影像擷取，以獲得該工件之影像；一驅動裝置，調整該影像擷取裝置與該工件之間的間距；以及一焦距調整模組，耦合至該影像擷取裝置與該驅動裝置，根據該工件之影像中之圖形特徵與預定義圖形特徵的大小，產生一控制信號並傳送至該驅動裝置，藉以該驅動裝置調整該影像擷取裝置的位置，使該圖形特徵的大小調整為符合預定圖形特徵的大小。
2. 如申請專利範圍第1項所述之動態式自動追焦系統，更進一步包含有一氣浮載台，係對工件提供正壓使該工件懸浮於該氣浮載台的上方。
3. 如申請專利範圍第1至2項中任一項所述的動態式自動追焦系統，更進一步包含有一光學投影器，所述的圖形特徵係由該光學投影器投射至該工件上或該工件的附近。
4. 如申請專利範圍第1至2項中任一項所述的動態式自動追焦系統，其中，該焦距調整模組係依據該圖形特徵與預定義圖形特徵間的比例，計算出該影像擷取裝置與正確焦距位置間的距離參數，並依據該距離參數控制該驅動裝置使該影像擷取裝置移動至該正確焦距位置。
5. 如申請專利範圍第1至2項中任一項所述的動態式自動追焦系統，更進一步包含有一設置於該影像擷取裝置及該拍攝區域之間以提供同軸光源的光源模組。
6. 如申請專利範圍第5項所述的動態式自動追焦系統，其中，該光源模組係包含有一設置於該影像擷取裝置一側的照明單元，以及一設置於該影像擷取裝置及該拍攝區域之間以將該照明單元的光線反射至該拍攝區域以形成該同軸光源的分光鏡。
7. 一種動態式自動追焦系統，包括：一第一影像擷取裝置，朝拍攝區域對一工件進行影像擷取，以獲得該工件之影像；一第二影像擷取裝置，鎖定該工件上或該工件附近的圖形特徵；一驅動裝置，調整該影像擷取裝置與該工件之間的間距；以及一焦距調整模組，耦合至該第二影像擷取裝置與該驅動裝置，根據該工件之影像中之該圖形特徵與預定義圖形特徵的大小，產生一控制信號並傳送至該驅動裝置，藉以該驅動裝置調整該影像擷取裝置的位置，使該圖形特徵的大小調整為符合預定圖形特徵的大小。
8. 如申請專利範圍第7項所述的動態式自動追焦系統，更進一步包含有一氣浮載台，係對該工件提供正壓使該工件懸浮於該氣浮載台的上方。
9. 如申請專利範圍第7至8項中任一項所述的動態式自動追焦系統，更進一步包含有一光學投影器，所述的圖形特徵係由該光學投影器投射至該工件上或該工件的附近。
10. 如申請專利範圍第7至8項中任一項所述的動態式自動追焦系統，其中，該焦距調整模組係依據該圖形特徵與預定義圖形特徵間的比例，計算出該第一影像擷取裝置與正確焦距位置間的距離參數，並依據該距離參數控制該驅動裝置使該第一影像擷取裝置移動至該正確焦距位置。
11. 如申請專利範圍第7至8項中任一項所述的動態式自動追焦系統，更進一步包含有一設置於該第一影像擷取裝置及該拍攝區域之間以提供同軸光源的光源模組。
12. 如申請專利範圍第11項所述的動態式自動追焦系統，其中，該光源模組係包含有一設置於該第一影像擷取裝置一側的照明單元，以及一設置於該第一影像擷取裝置及該拍攝區域之間以將該照明單元的光線反射至該拍攝區域以形成該同軸光源的分光鏡。