CN100529946C - 自动对焦方法及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明为一种自动对焦方法及其应用，主要是提供影像撷取装置以多阶段搜寻法则与对焦函数为基础，搭配不同大小的对焦位置的粗搜寻、波包区域搜寻以及最佳对焦位置的细搜寻三个阶段进行对焦。其中，以影像撷取装置的入射光束的波长二分之一整数倍作为搜寻步幅，在波包区域搜寻对焦函数的极大值，且定义对焦函数极大值所对应的对焦位置为最佳对焦位置，用以快速且有效地获得最佳对焦位置。

Description

自动对焦方法及其应用

技术领域

本发明涉及一种自动对焦方法及其应用，特别涉及提供一影像撷取装置的对焦判断方法，用以达到影像撷取装置针对待测物影像撷取的对焦操作。

背景技术

现有影像撷取系统中所使用的自动对焦方法，为提供影像撷取时，进行调节光学透镜组对焦距离所需的控制，用以获得清晰且正确的影像信息。通常这类技术中，以被动式影像系统而言，其对焦函数曲线为一沿着光学透镜组对焦轴的位置改变的单峰曲线，使得此函数的极大值即是系统所定义的最佳对焦位置。然而，对于干涉系统的对焦函数曲线而言，其对焦函数为一单峰曲线与干涉波包曲线叠加所构成的讯号。由于干涉系统的对焦关系到干涉图谱品质的优劣，间接影响测量系统的准确度，因此干涉系统在测量之前必先将光学系统调整至对焦位置，由前述所知，干涉系统的对焦函数曲线并非是简单的单峰曲线极大值，而是具有波包般的起伏变化，以人工进行对焦动作将旷日费时，以正确性来说，依靠人眼作定性判断，最佳对焦位置常常难以界定，以重复性而言，人工判断最佳对焦位置很难有一致的结果，将自动对焦技术与人工对焦做一比较，自动对焦技术明显节省大量时间，并增加最佳对焦位置的准确性及稳定性，实为干涉系统在工业应用上不可或缺的一环。

现有干涉系统自动对焦方法中，部分为使用以变换不同速度移动物镜搜寻，在波包区附近来回搜寻，决定出波包区边界后，设定强度最大值为最佳对焦点。其通常存在一些缺点，包括即使搜寻位置已经进入波包区，但仍需要来回搜寻以订出波包区的边界，故在自动对交流程上相当费时，并且只能在波包区附近搜寻，因而仅适合小搜寻范围。再者，这类技术以设定强度阀值作为最佳对焦位置的门槛，但强度阀值会因为被测物体表面性质的不同而改变，或者是干涉物镜因为色差缘故，导致强度最大与零光程差位置并非重合，则此算法将无法找到最佳对焦点。

另外，部分现有技术尚需使用其它硬件辅助以达到自动对焦目的，故干涉系统必须多出硬件配置。或者是其必须有完整的波包区域信息才可进行对焦动作，故流程费时而不适合大扫描范围自动对焦。

因此，本发明的发明人有鉴于现有自动对焦方法的缺失，希望提供一自动对焦方法及其应用，并以此提供干涉系统一种快速、简易且正确性良好的自动对焦方法。

发明内容

本发明的主要目的是提供一自动对焦方法，其可使用于干涉系统的一种快速、简易且高正确性的自动对焦方法，对焦过程中不受对焦函数曲线起伏的影响，可以精确求取最佳对焦位置，有效缩短干涉系统在量测前置动作所需的时间，也减少人为判断对焦位置错误的可能性。

本发明的另一目的是提供一自动对焦方法，可利用白光干涉技术进行三维测量，需要完整扫瞄波包所在区域，在兼顾量测效率的前提下，正确的最佳对焦点与有效的扫瞄范围，将不必要的噪声减到最少，使扫瞄范围确实涵盖整个波包区，量测将更加有效率，同时扫描范围以最佳对焦点为中心，可以使误差减少且量测数据更具代表性。

基于本发明前述的各项目的，本发明提供一种自动对焦方法及其应用，本发明可应用于一干涉系统，该干涉系统为一可撷取影像并提供干涉讯号光源的光学影像系统，其包括光源装置、物镜组、分光镜、影像撷取装置以及逻辑演算控制单元，该光源装置提供一入射光束经过分光镜而反射至该物镜组，该物镜组包括干涉物镜，该物镜组具有焦距调节功能，使得入射光束抵达待测对象并反射形成携带干涉讯号的反射光束，反射光束经过该物镜组后穿透过分光镜，并被影像撷取装置所撷取。该逻辑演算控制单元通过控制手段以及记忆手段，调节该物镜组的对焦距离并纪录该影像撷取装置所撷取的光学信息。本发明自动对焦方法是通过该逻辑演算控制单元所具有的逻辑演算手段，用以计算影像撷取装置所撷取的光学信息，并获得最佳对焦距离，且该方法的主要步骤包括对焦位置的粗搜寻、波包区域搜寻以及最佳对焦位置的细搜寻三个阶段进行对焦。其中，各搜寻阶段分别以不同搜寻步幅进行对焦位置搜寻，且主要以光源装置的波长作为搜寻步幅的设定依据。

为使本领域技术人员了解本发明的目的、特征及功效，现通过下述具体实施例，并配合附图，对本发明详加说明如后。

附图说明

图1表示本发明自动对焦方法的步骤流程图；

图2表示本发明自动对焦方法所应用的干涉系统的组件关联图；

图3表示本发明自动对焦方法所撷取的对焦函数-对焦位置关系示意图；

图4表示本发明图3的对焦函数一阶微分-对焦位置关系示意图；

图5表示本发明自动对焦方法所撷取的光学信息示意图；

图6表示本发明自动对焦方法的进行波包区间搜寻的步骤流程图；

图7表示本发明自动对焦方法的进行波包区间搜寻的步骤流程图；

图8表示本发明自动对焦方法的波包区间对焦函数在对焦位置上的分布示意图。

具体实施方式

图1表示本发明自动对焦方法的步骤流程图；图2表示本发明自动对焦方法所应用的干涉系统的组件关联图；图3表示本发明自动对焦方法所撷取的光学信息示意图。参考图1以及图2所示，本发明是将一光学影像系统所撷取影像进行自动对焦的方法，以图2所示的较佳实施例来说，该光学影像系统包括光源装置1、物镜组2、分光镜3、影像撷取装置4以及逻辑演算控制单元5，该光源装置1提供一入射光束11经过分光镜3而反射至该物镜组2，使得入射光束11抵达待测对象6并反射形成携带干涉讯号的反射光束41，反射光束41经过该物镜组2后穿通过分光镜3，并被影像撷取装置4所撷取。其中，该光源装置1所产生的入射光束11光源讯号可以为白光光源；该物镜组2包括有干涉物镜以及物镜组的焦距调节手段；以及该逻辑演算控制单元5具有逻辑演算手段、记忆手段以及控制手段并可由电子电路或者是计算机系统所达成。因此，该逻辑演算控制单元5可通过其控制手段以及记忆手段，进行调节该物镜组2的对焦距离并纪录该影像撷取装置4所撷取的光学信息，使得本发明自动对焦方法可通过该逻辑演算控制单元5所具有的逻辑演算手段，计算影像撷取装置4所撷取的光学信息，并获得最佳对焦距离。其方法的主要步骤包括：步骤101，为该逻辑演算控制单元5使用控制手段，控制该物镜组2以调节对焦距离，并控制该影像撷取装置4撷取待测对象6的光学信息且转换为对焦函数，该对焦函数包含光学信息与对焦距离的关系；步骤102，为该逻辑演算控制单元5使用逻辑演算手段，以大步幅方式挑选特定对焦位置的对焦函数值，以进行焦点区间7的粗搜寻，用以快速地将最佳对焦点定位在一区间内，该焦点区间7为该对焦函数包含焦点距离位置的区域，如图3所示；步骤103，为该逻辑演算控制单元5使用逻辑演算手段，进行波包区域搜寻，该波包区间8为该对焦函数包含干涉影像波包的区域，如图3所示；以及步骤104，为该逻辑演算控制单元5使用逻辑演算手段，以搜寻对焦函数极大值的方式，进行最佳对焦位置的细搜寻。

前述步骤中，以大步幅方式在搜寻区域挑选特定对焦位置的对焦函数值，由于此步骤为以较少取样点提供该逻辑演算控制单元5进行逻辑演算手段，其对应获得的对焦函数值在对焦位置上的分布关系图如图4所示。接着，将对焦函数值在对焦位置上的分布关系通过一阶微分，则对应图4的示范，可获得图5所示，且其中微分后的最大值即为本步骤所决定的对焦距离的粗略位置。

图6表示本发明自动对焦方法的进行波包区间搜寻的步骤流程图。参考图6所示，包括：步骤201，为设定一阀值(threshold)，此阀值针对所使用的光学影像系统，在实验室中预先以实验方式取得进入波包区间的对焦函数阀值的经验值或实验值；步骤202，为该逻辑演算控制单元5通过逻辑演算手段以小于波包区间宽度的搜寻步幅为第一搜寻步幅进行搜寻，在本发明的说明书中提供一实施例以0.5倍波包区间宽度作为搜寻步幅，同时撷取对焦位置P1、P2、P3、P4以及P5五点位置的对焦函数值S1、S2、S3、S4以及S5；步骤203，为该逻辑演算控制单元5通过逻辑演算手段计算对焦函数值S1、S2以及S3的平均值；步骤204，为该逻辑演算控制单元5通过逻辑演算手段计算对焦函数值S1与S2之差值以及S2与S3之差值的平均作为一基值，该基值的计算式表示为[(S2-S1)+(S3-S2)]/2；步骤205，为该逻辑演算控制单元5通过逻辑演算手段计算，将S4加上S5并减去两倍的前三点对焦函数值的平均值，再将结果除以前述基值而获得一顶点参考值；步骤206，为该逻辑演算控制单元5通过逻辑演算手段判断该顶点参考值是否大于阀值，若顶点参考值大于阀值，则判断P4与P5位置的对焦函数值已进入波包区间，且此位置是较佳对焦位置的附近，否则进入步骤207；以及步骤207，为该逻辑演算控制单元5通过逻辑演算手段将前述五点对焦函数所选取的位置沿着对焦调节方向前移0.5倍波包区间宽度而获得新的P1、P2、P3、P4以及P5五点位置，且对应获得新的对焦函数值S1、S2、S3、S4以及S5，并回到步骤203重新演算。

图7表示本发明自动对焦方法的进行波包区间搜寻的步骤流程图；图8表示本发明自动对焦方法的波包区间对焦函数在对焦位置上的分布示意图。参考图7所示，前述步骤中，在完成波包区间搜寻的步骤后，进行最佳对焦位置的细搜寻步骤，包括：步骤301，为设定大于入射光束的波长作为一第二搜寻步幅，此波长针对光学影像系统的光源装置所提供的光源的平均波长，且此波长可在实验室中预先以实验方式取得；步骤302，为以前述步骤所获得的P4以及S4分别为搜寻的起使位置P1′以及对焦函数的对应值S1′，并以第二搜寻步幅在对焦方向上进行对焦函数值的搜寻，而获得对焦位置在P2′以及对应的对焦函数值为S2′；步骤303，为该逻辑演算控制单元5通过逻辑演算手段比较S1′是否小于S2′，若S1′小于S2′，则进入步骤304，否则进入步骤305；步骤304，为设定入射光束的波长的二分之一作为一第三搜寻步幅，参考图8所示，设定前述步骤所获得的P1′以及S1′分别为搜寻的起使位置Pmax以及对焦函数的对应值Smax，以Pmax为中心在对焦方向轴的前向与反向上以第三搜寻步幅分别搜寻数个位置点以及其所对应的对焦函数值；步骤305，为将前述两点对焦函数所选取的位置沿着对焦调节方向前移一倍的第二搜寻步幅而获得新的P1′以及P2′位置，且对应获得新的对焦函数值S1′以及S2′，并回到步骤303重新演算；步骤306，为选择以第三搜寻步幅进行搜寻的结果中，对焦函数值最大者为新的Smax，其所对应的位置为新的起使位置Pmax；步骤307，为选择以第三搜寻步幅进行搜寻的结果中，对焦函数值最大者为新的Smax，其所对应位置为新的起使位置Pmax；步骤308，为选择以小于第三搜寻步幅的步幅为第四搜寻步幅，且选择以起使位置Pmax为中心在对焦方向轴的前向与反向上分别搜寻数个位置点以及其所对应的对焦函数值，并选择搜寻的结果中，对焦函数值最大者为新的Smax，其所对应位置为新的起使位置Pmax；步骤309，为选择以小于第四搜寻步幅的步幅为第五搜寻步幅，且选择以起使位置Pmax为中心在对焦方向轴的前向与反向上分别搜寻数个位置点以及其所对应的对焦函数值，并选择搜寻的结果中，对焦函数值最大者为新的Smax，其所对应位置为新的起使位置Pmax，而此新的起使位置Pmax即可作为最佳对焦位置点。

前述步骤中，因为所撷取影像信息的波包区域中的波包周期为一光学干涉信息，使得波包的空间分布周期为光源波长的一半。因此，以大于入射光束的波长作为第二搜寻步幅时，第二搜寻步幅大小系以入射光束的波长作为依据，但是相对于波长而具有过大的步幅下，其搜寻不具有意义。再者，又因为所撷取影像信息的对焦函数中波包区域受到单峰曲线部分的迭加，使得越接近最佳对焦位置的波包对焦函数值会越大(以同一周期相位而言)，故前述步骤所使用的各个搜寻步幅分别系二分之一光源波长的整数倍时，主要系在这样的搜寻步幅下，一但搜寻至波包区域时，会搜寻到各个周期性分布的波包的同一相位处，可通过对焦函数值的增加而判断越接近最佳对焦位置。

前述步骤中，步骤308可以以毫米级的搜寻步幅进行搜寻，而步骤309可以以纳米级的搜寻步幅进行搜寻，并通过不断减小搜寻步幅，而达到更精确的最佳对焦位置点搜寻结果。

虽然本发明以具体实施例揭露如上，然其所揭露的具体实施例并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种更动与润饰，其所作的更动与润饰皆属于本发明的范畴。

Claims (7)

1.一种自动对焦方法，包括下列步骤：

提供一光学影像系统，包括光源装置、物镜组、影像撷取装置以及逻辑演算控制单元，该物镜组包括干涉物镜，该物镜组具有焦距调节功能，该逻辑演算控制单元通过控制手段以及记忆手段，提供调节该物镜组的对焦距离并纪录该影像撷取装置所撷取的光学信息，且该逻辑演算控制单元通过逻辑演算手段，提供计算影像撷取装置所撷取的光学信息；

调节该物镜组的对焦距离，并控制该影像撷取装置撷取待测对象的光学信息且转换为对焦函数；

以大步幅方式挑选特定对焦位置的对焦函数值，以进行焦点区间的粗搜寻；

进行波包区域搜寻；

以及

进行最佳对焦位置的细搜寻；

其中，最佳对焦位置的细搜寻步骤进一步包括：

设定入射光束的波长二分之一的整数倍作为第一搜寻步幅，在波包区域搜寻对焦函数的极大值，且定义对焦函数极大值所对应的对焦位置为最佳对焦位置。

2.如权利要求1所述的自动对焦方法，其中最佳对焦位置的细搜寻步骤进一步包括：

设定大于入射光束的波长作为第二搜寻步幅，在波包区域搜寻对焦函数的极大值，且定义对焦函数极大值所对应的对焦位置为第二参考位置；

以及

设定入射光束的波长二分之一作为第三搜寻步幅，以第二参考位置为中心，在数个二分之一波长的波包区域中搜寻对焦函数的极大值，且定义对焦函数极大值所对应的对焦位置为最佳对焦位置。

3.如权利要求1所述的自动对焦方法，其中最佳对焦位置的细搜寻步骤进一步包括：

设定大于入射光束的波长作为第二搜寻步幅，在波包区域搜寻对焦函数的极大值，且定义对焦函数极大值所对应的对焦位置为第二参考位置；

设定入射光束的波长二分之一作为第三搜寻步幅，以第二参考位置为中心，在数个二分之一波长的波包区域中搜寻对焦函数的极大值，且定义对焦函数极大值所对应的对焦位置为第三参考位置；

以及

设定毫米级距离作为第四搜寻步幅，以第三参考位置为中心，在数个毫米范围的波包区域中搜寻对焦函数的极大值，且定义对焦函数极大值所对应的对焦位置为最佳对焦位置。

4.如权利要求1所述的自动对焦方法，其中步骤进一步包括：

设定大于入射光束的波长作为第二搜寻步幅，在波包区域搜寻对焦函数的极大值，且定义对焦函数极大值所对应的对焦位置为第二参考位置；

设定入射光束的波长二分之一作为第三搜寻步幅，以第二参考位置为中心，在数个二分之一波长的波包区域中搜寻对焦函数的极大值，且定义对焦函数极大值所对应的对焦位置为第三参考位置；

设定毫米级距离作为第四搜寻步幅，以第三参考位置为中心，在数个毫米范围的波包区域中搜寻对焦函数的极大值，且定义对焦函数极大值所对应的对焦位置为第四参考位置；

以及

设定纳米级距离作为第五搜寻步幅，以第四参考位置为中心，在数个奈米范围的波包区域中搜寻对焦函数的极大值，且定义对焦函数极大值所对应的对焦位置为最佳对焦位置。

5.如权利要求1所述的自动对焦方法，其中波包区域搜寻步骤进一步包括：

设定一对焦函数阀值，用以选择接近波包区间的对焦位置；

选择以小于波包区间宽度的搜寻步幅进行搜寻，同时撷取对焦位置P1、P2、P3、P4以及P5五点位置的对焦函数值S1、S2、S3、S4以及S5；

计算对焦函数值S1、S2以及S3的平均值；

计算对焦函数值S1与S2的差值以及S2与S3的差值的平均作为一基值，该基值的计算式表示为[(S2-S1)+(S3-S2)]/2；

计算S4加上S5并减去两倍的前三点对焦函数值的平均值，再将结果除以前述基值而获得一顶点参考值；

判断该顶点参考值若大于阀值，则判断P4与P5位置的对焦函数值已进入波包区间，且此位置在较佳对焦位置的附近；

以及

判断该顶点参考值若小于阀值，则判断P4与P5位置的对焦函数值未达波包区间，该逻辑演算控制单元透过逻辑演算手段将前述五点对焦函数所选取的位置沿着对焦调节方向前移一个搜寻步幅而获得新的P1、P2、P3、P4以及P5五点位置，且对应获得新的对焦函数值S1、S2、S3、S4以及S5，并回到前述步骤进行演算。

6.如权利要求5所述的自动对焦方法，其中选择以0.5倍波包区间宽度作为搜寻步幅波包区间宽度的搜寻步幅进行波包区域搜寻步骤。

7.如权利要求1所述的自动对焦方法，其中焦点区间的粗搜寻步骤进一步包括：

将对焦函数值在对焦位置方向上的分布关系经过微分手段达到对焦函数的一阶微分，且其中对焦函数的一阶微分的最大值定义为焦点区间的粗略位置。

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