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TWI786991B - 自動對焦系統及自動對焦方法 - Google Patents

自動對焦系統及自動對焦方法 Download PDF

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TWI786991B TW110146579A TW110146579A TWI786991B TW I786991 B TWI786991 B TW I786991B TW 110146579 A TW110146579 A TW 110146579A TW 110146579 A TW110146579 A TW 110146579A TW I786991 B TWI786991 B TW I786991B
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Abstract

一種自動對焦系統，包括對焦光源、物鏡、離焦透鏡、第一影像感測器以及控制器。對焦光源用以發出對焦光。物鏡設置在對焦光的傳遞路徑上，其中對焦光穿過物鏡後照射至樣品。離焦透鏡設置在對焦光的傳遞路徑上，使對焦光經過物鏡後的最小光點處偏離物鏡的焦點。第一影像感測器用以接收對焦光從樣品反射後的對焦反射光。控制器電性連接至第一影像感測器。控制器根據對焦反射光在第一影像感測器的成像面所形成的光斑的重心位置、位置變化或能量變化，驅動物鏡或樣品移動，使物鏡的焦點落在樣品上。

Description

自動對焦系統及自動對焦方法
本發明是有關於一種自動對焦系統及自動對焦方法。
一般來說，自動對焦系統可分為影像式與光學式等兩種。影像式自動對焦系統是傳統業界所熟知的，其最大的優點是價格便宜，但缺點在於反應時間太慢、精度受限於焦深，因此近年來逐漸被光學式自動對焦模組取代。而光學式自動對焦系統是利用光感測器所偵測到的光形(或光能量)變化作為離焦距離與方向的判斷依據，其最大的好處是精度高、反應時間快。然而，當待測物已在焦點附近時，光感測器所偵測到的光形會嚴重變形，導致離焦距離與方向的判斷產生誤差，因此造成對焦系統的判斷困難。
本發明提供一種自動對焦系統及自動對焦方法，其對焦精度較高且反應時間縮短。
本發明的一實施例提供一種自動對焦系統，其包括對焦光源、物鏡、離焦透鏡、第一影像感測器以及控制器。對焦光源用以發出對焦光。物鏡設置在對焦光的傳遞路徑上，其中對焦光穿過物鏡後照射至樣品。離焦透鏡設置在對焦光的傳遞路徑上，使對焦光經過物鏡後的最小光點處偏離物鏡的焦點。第一影像感測器用以接收對焦光從樣品反射後的對焦反射光。控制器電性連接至第一影像感測器。控制器根據對焦反射光在第一影像感測器的成像面所形成的光斑的重心位置、位置變化或能量變化，驅動物鏡或樣品，使物鏡的焦點落在樣品上。
本發明的一實施例提供一種自動對焦方法，其包括以下步驟。控制對焦光源發出對焦光，使對焦光經過物鏡後的最小光點處偏離物鏡的焦點，其中對焦光依序穿過離焦透鏡、物鏡後照射至樣品。接收對焦光從樣品反射後的對焦反射光。根據對焦反射光在第一影像感測器的成像面所形成的光斑的重心位置、位置變化或能量變化，驅動物鏡或樣品移動，使物鏡的焦點落在樣品上。
基於上述，在本發明的一實施例中，自動對焦系統或自動對焦方法利用設置在對焦光的傳遞路徑上的離焦透鏡，使對焦光經過物鏡後的最小光點處偏離物鏡的焦點。因此，自動對焦系統或自動對焦方法在判斷物鏡的焦點與樣品之間的距離的誤差降低，進一步使系統精度提高及反應時間縮短。
10:自動對焦系統
20、20’:驅動器
30:控制器
100:對焦光源
200、800、1000:透鏡組
300:遮光部件
400:離焦透鏡
500、600:分光器
700:物鏡
900:第一影像感測器
1100:第二影像感測器
C1:直線
C2:曲線
D:距離
F:焦點
FL:對焦光
FRL:對焦反射光
IL:照明光
IP:成像面
IRL:平行影像光
MS、MS’:最小光點
O:光軸
RS1、RS2:光斑
S:樣品
S100、S120、S140:步驟
圖1是根據本發明的一實施例的自動對焦系統的示意圖。
圖2是多個不同的光斑形成在第一影像感測器的成像面的示意圖。
圖3是根據本發明的一實施例的自動對焦系統，在物鏡各離焦位置經計算後的實驗離焦值與理論值之間的關係圖。
圖4是根據本發明的一實施例的自動對焦方法的流程圖。
圖1是根據本發明的一實施例的自動對焦系統的示意圖。請參考圖1，本發明的一實施例提供一種自動對焦系統10，其包括對焦光源100、物鏡700、離焦透鏡400、第一影像感測器900以及控制器30。對焦光源100用以發出對焦光FL。對焦光源100例如是雷射二極體(Laser Diode,LD)光源、發光二極體(light-emitting diode,LED)光源或其他合適的光源。對焦光FL例如是紅外光或其他波長的光。
在本實施例中，物鏡700設置在對焦光FL的傳遞路徑上，其中對焦光FL穿過物鏡700後照射至樣品S。離焦透鏡400設置在對焦光FL的傳遞路徑上，且在對焦光FL的傳遞路徑上設置在對焦光源100與物鏡700之間。離焦透鏡400使對焦光FL經過物鏡700後的最小光點MS處偏離物鏡700的焦點F。其中，前 述的焦點F為一平行光僅通過物鏡700後的最小光點處，即物鏡700的焦距處。而為了方便說明，圖1示意了物鏡700的焦點F落在樣品S上。
在本實施例中，第一影像感測器900可為薄膜電晶體(thin film transistor,TFT)、互補金屬氧化物半導體(Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS)、電荷耦合元件(charge coupled device,CCD)等光感測器，但本發明不以此為限。
除此之外，上述的控制器30例如是包括微控制器單元(Microcontroller Unit，MCU)、中央處理單元(central processing unit，CPU)、微處理器(microprocessor)、數位訊號處理器(digital signal processor，DSP)、可程式化控制器、可程式化邏輯裝置(programmable logic device，PLD)或其他類似裝置或這些裝置的組合，本發明並不加以限制。此外，在一實施例中，控制器30的各功能可被實作為多個程式碼。這些程式碼會被儲存在一個記憶體中，由控制器30來執行這些程式碼。或者，在一實施例中，控制器30的各功能可被實作為一或多個電路。本發明並不限制用軟體或硬體的方式來實作控制器30的各功能。
在本實施例中，第一影像感測器900用以接收對焦光FL從樣品S反射後的對焦反射光FRL。控制器30電性連接至第一影像感測器900。控制器30根據對焦反射光FRL在第一影像感測器900的成像面所形成的光斑的重心位置、位置變化或能量變化(例 如圖2所示的成像面IP上的光斑RS1或RS2)，驅動物鏡700或樣品S沿物鏡700的光軸O移動，使物鏡700的焦點F落在樣品S上。
圖2是多個不同的光斑形成在第一影像感測器的成像面的示意圖。請同時參考圖1與圖2，舉例來說，當自動對焦系統不設置離焦透鏡400時，圖2中的光斑由左至右可為物鏡700的焦點F分別由接近樣品S(也就是對焦光FL經過物鏡700後的最小光點MS最接近樣品S時)至遠離樣品S在第一影像感測器900的成像面IP所形成的光斑。當自動對焦系統10設置離焦透鏡400時，離焦透鏡400使在成像面IP上的各光斑產生位移，例如圖2示意了位移500μm(此時，最小光點MS處被位移但焦距F並未被位移)，其中光斑RS1、RS2為物鏡700的焦點F最接近樣品S時的光斑。而由於在圖2中-250μm至250μm處的光斑都接近半圓形，使得自動對焦系統10易於分析此區段內各光斑的重心、位置變化或能量變化。因此，分析此區段內的光斑可降低判斷上的誤差，進一步使系統精度提高及反應時間縮短。反之，在不設置離焦透鏡，且系統在物鏡700的焦點F處接近樣品S時，影像感測器所取得的光斑(例如圖2小於-250μm區段內的光斑)產生嚴重的變形，使系統判斷上的誤差增加，進一步使系統精度降低及反應時間增加。
在本實施例中，如圖1所示，對焦光FL經過物鏡700後的最小光點MS處與物鏡700的焦點F處之間的距離D可由離焦 透鏡400的焦距控制。
在本實施例中，自動對焦系統10更包括驅動器20、20’。驅動器20、20’例如是載台(stage)，但本發明不以此為限。驅動器20與物鏡700連接或驅動器20’用以承載樣品S，並與控制器30電性連接，其中控制器30藉由驅動器20、20’驅動物鏡700或樣品S移動。
在本實施例中，自動對焦系統10更包括遮光部件300。遮光部件300在對焦光FL的傳遞路徑上設置在物鏡700與對焦光源100之間，且用以改變對焦光FL照射在樣品S上的光斑形狀。舉例來說，對焦光FL從對焦光源100發出後的光斑接近於圓形。而對焦光FL通過遮光部件300後，其光斑可接近於半圓形。但本發明對於遮光部件300改變對焦光FL的光斑形狀並不以此為限。
在本實施例中，自動對焦系統10更包括透鏡組200、800以及分光器500、600。透鏡組200設置在對焦光源100與遮光部件300之間，且用以使對焦光FL擴束、縮束或準直化。離焦透鏡400設置在分光器500與遮光部件300之間，且分光器500用以使波長相同於對焦光FL的光部分穿透且部分反射。分光器600設置在分光器500的光路下游，且物鏡700設置在分光器600與驅動器20’之間。相似地，分光器600使波長相同於對焦光FL的光反射、或部分穿透且部分反射。透鏡組800設置在分光器500與第一影像感測器900之間，且用以使對焦反射光FRL成像在第一影像感測器900上。
在本實施例中，自動對焦系統10更包括透鏡組1000以及第二影像感測器1100，用以接收照明光IL照射至樣品S後(漫反射)的影像光。照明光IL例如是由一取像光源發出，且分光器600適於使波長相同於照明光IL的光穿過、或部分穿透且部分反射。取像光源可設置在樣品S周圍，例如設置在驅動器20’上。其中，透鏡組1000以及第二影像感測器1100在自動對焦系統10用以作為對樣品S取像。在上述的控制器30使物鏡700的焦點F落在樣品S上後，從第二影像感測器1100的成像面的一平行影像光IRL逆追跡經過物鏡700後的最小光點MS’處落在樣品S上。
圖3是根據本發明的一實施例的自動對焦系統，在物鏡各離焦位置經計算後的實驗離焦值與理論值之間的關係圖。其中，直線C1為物鏡700在不同的離焦位置(也就是物鏡700的焦點F相對於樣品S的位置)的理論值，且曲線C2為對應於直線C1上不同的離焦位置經控制器10計算後的實驗離焦值。請參考圖3，曲線C2大致上接近於直線C1，因此自動對焦系統10具有良好的系統精度。
圖4是根據本發明的一實施例的自動對焦方法的流程圖。請參考圖4，本發明的一實施例提供一種自動對焦方法，其包括以下步驟。在步驟S100中，控制對焦光源100發出對焦光FL，使對焦光FL經過物鏡700後的最小光點MS處偏離物鏡700的焦點F，其中對焦光FL依序穿過離焦透鏡400、物鏡700後照射至樣品S。在步驟S120中，接收對焦光FL從樣品S反射後的對焦 反射光FRL。在步驟S140中，根據對焦反射光FRL在第一影像感測器900的成像面IP所形成的光斑RS1、RS2的重心位置、位置變化或能量變化，驅動物鏡700或樣品S移動，使物鏡700的焦點F落在樣品S上。
在本實施例中，上述驅動物鏡700或樣品S移動包括以下步驟。藉由與控制器30電性連接的驅動器20、20’，驅動物鏡700或樣品S移動。
綜上所述，在本發明的一實施例中，自動對焦系統或自動對焦方法利用設置在對焦光的傳遞路徑上的離焦透鏡，使對焦光經過物鏡後的最小光點處偏離物鏡的焦點。因此，自動對焦系統或自動對焦方法避免了利用有嚴重變形的光斑來判斷光斑的重心位置、位置變化或能量變化，使系統計算物鏡的焦點與樣品之間的距離的誤差降低，進一步使系統精度提高及反應時間縮短。
10:自動對焦系統
20、20’:驅動器
30:控制器
100:對焦光源
200、800、1000:透鏡組
300:遮光部件
400:離焦透鏡
500、600:分光器
700:物鏡
900:第一影像感測器
1100:第二影像感測器
D:距離
F:焦點
FL:對焦光
FRL:對焦反射光
IL:照明光
IRL:平行影像光
MS、MS’:最小光點
O:光軸
S:樣品

Claims (10)

  1. 一種自動對焦系統，包括： 一對焦光源，用以發出一對焦光； 一物鏡，設置在該對焦光的傳遞路徑上，其中該對焦光穿過該物鏡後照射至一樣品； 一離焦透鏡，設置在該對焦光的該傳遞路徑上，使該對焦光經過該物鏡後的最小光點處偏離該物鏡的焦點； 一第一影像感測器，用以接收該對焦光從該樣品反射後的對焦反射光；以及 一控制器，電性連接至該第一影像感測器， 其中該控制器根據該對焦反射光在該第一影像感測器的成像面所形成的光斑的重心位置、位置變化或能量變化，驅動該物鏡或該樣品移動，使該物鏡的該焦點落在該樣品上。
  2. 如請求項1所述的自動對焦系統，其中該對焦光經過該物鏡後的該最小光點處與該物鏡的該焦點處之間的距離由該離焦透鏡的焦距控制。
  3. 如請求項1所述的自動對焦系統，更包括： 一驅動器，與該物鏡連接或用以承載該樣品，並與該控制器電性連接，其中該控制器藉由該驅動器驅動該物鏡或該樣品移動。
  4. 如請求項1所述的自動對焦系統，更包括： 一遮光部件，在該對焦光的該傳遞路徑上設置在該物鏡與該對焦光源之間，用以改變該對焦光照射在該樣品上的光斑形狀。
  5. 如請求項1所述的自動對焦系統，更包括： 一第二影像感測器，用以接收一照明光照射至該樣品後的影像光，其中在該控制器使該物鏡的該焦點落在該樣品上後，從該第二影像感測器的成像面的一平行影像光逆追跡經過該物鏡後的最小光點處落在該樣品上。
  6. 一種自動對焦方法，包括： 控制一對焦光源發出一對焦光，使該對焦光經過一物鏡後的最小光點處偏離該物鏡的焦點，其中該對焦光依序穿過一離焦透鏡、該物鏡後照射至一樣品； 接收該對焦光從該樣品反射後的對焦反射光； 根據該對焦反射光在一第一影像感測器的成像面所形成的光斑的重心位置、位置變化或能量變化，驅動該物鏡或該樣品移動，使該物鏡的該焦點落在該樣品上。
  7. 如請求項6所述的自動對焦方法，其中該對焦光經過該物鏡後的該最小光點處與該物鏡的該焦點處之間的距離由該離焦透鏡的焦距控制。
  8. 如請求項6所述的自動對焦方法，其中驅動該物鏡或該樣品移動包括： 藉由與一控制器電性連接的一驅動器，驅動該物鏡或該樣品移動，其中該驅動器與該物鏡連接或用以承載該樣品。
  9. 如請求項6所述的自動對焦方法，其中一遮光部件在該對焦光的傳遞路徑上設置在該物鏡與該對焦光源之間，用以改變該對焦光照射在該樣品上的光斑形狀。
  10. 如請求項6所述的自動對焦方法，其中一第二影像感測器用以接收一照明光照射至該樣品後的影像光，其中在該控制器使該物鏡的該焦點落在該樣品上後，從該第二影像感測器的成像面的一平行影像光逆追跡經過該物鏡後的最小光點處落在該樣品上。
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