CN1237364C - 自动聚焦的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种能够进行正确聚焦的自动聚焦装置和方法。测量物体(4)和物镜(2)之间的相对位置用于聚焦。照射到物体上的激光束经过柱状透镜传递，使得被会聚在一个方向。会聚到一个方向上的激光通过物镜(2)以线性形状的形式照射到物体(4)上。被物体(4)反射的照明激光束被探测装置集中并探测。从探测到的反射激光束测量物体和物镜间的相对位置以进行聚焦。

Description

自动聚焦的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种用于测量物体和物镜之间距离的自动聚焦装置和方法，根据测得的值进行聚焦。

背景技术

在如光学显微镜或测度仪这样的光学测量设备领域，已有自动聚焦装置被用于对已观测到的物体进行自动聚焦。

在自动聚焦仪器中，有那种向物体入射激光束并检测从物体反射的激光束的聚焦仪器用于测量距离以进行自动聚焦。这些自动聚焦仪器包括一个光电探测器如光电二极管，并检测从光电探测器反射的激光束。

如果自动聚焦仪器用于光学显微镜，则从光源发出的激光束通过物镜照射到物体上。通过物镜照明的激光束被物体反射，再经过物镜又照射到光电探测器上。

反射的激光束在与物体和物镜之间的距离相关联的光电二极管上形成一个光斑。对于有自动聚焦装置装载其上的光学显微镜，移动物镜以在一个处于预置位置的光电二极管上形成反射激光束的光斑。这样就实现了在光学显微镜上的聚焦。

同时，上述的自动聚焦装置也被研制用于如对光盘的光学拾取装置中。在这种自动聚焦装置中，光源辐射光斑可被缩小为圆形光斑的激光束。

在这种情形中，试图将自动聚焦装置中的激光束光斑的直径减小至一个尽可能小的值。以这种方式，自动聚焦装置可对光学设备如光学拾取装置实现精确聚焦。

这种用于光学设备如光学显微镜的自动聚焦装置需要对明亮和黑暗部分呈现显著不同或具有非平滑表面态的物体实现精确的聚焦。如果物体的表面状态很差，并且自动聚焦装置采用具有小直径圆形光环的激光束斑，则反射的激光束被干扰。因此，对于自动聚焦装置，不能通过光电探测器最佳检测反射的激光束，于是不能聚焦。

另一方面，如果自动聚焦装置被用于光学测量设备如光学显微镜，则需要对大于激光束光斑直径的视场实现聚焦。但是，因为对物体照明的是小光斑直径的激光束，所以仅对由激光照明的光学显微镜视场中的点聚焦。如果仅对光学显微镜视场中的点聚焦，则会带来不能对其它部分实现聚焦的不便利。

为了避免这些问题，有人提出在整个视场内对小直径的圆形光斑扫描，并对扫描线上各个点的测量值进行平均，得出一个用于进行聚焦的平均值。但是，如果使用这种方法，则需要提供一个扫描激光束的机构，因而使结构复杂并耗费聚焦时间。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种自动聚焦方法和装置，其中激光束照射到物体上，无需对正确的聚焦进行扫描。

本发明提供的一种自动聚焦方法对物体和物镜间的相对位置进行测量以实现聚焦，该方法包括步骤：经过柱状透镜传递照射到物体上的激光束并将激光束会聚到一个方向，辐射激光束然后通过物镜在一个方向上以线性形状的形式将光束会聚到物体上，集中并探测由辐射到物体上的激光束反射产生的线性反射光束，从探测到的反射激光束测量物体和物镜间的相对位置进行聚焦。

这种自动聚焦方法还被设计成在一个方向的激光被会聚后，至少其一部分被具有镜面以照明物体的遮挡片遮挡，不被遮挡片遮挡的激光由物镜反射并照射到遮挡片的镜面，照射到遮挡片的反射激光束被镜面反射落到探测装置上。

利用本发明的自动聚焦方法，激光被布置在激光光路上的柱状透镜转变成线性光斑，照射到物体上。利用这种技术，探测到作为线性形状光斑射的反射激光束。顺此，从上述探测到的反射激光束测量出物体和物镜之间的距离以用于聚焦。

所以，利用这种技术，即使物体在亮处和暗处呈现明显的差异或物体表面不光滑，反射的激光束也可以无干扰状态照射到光电探测器上。另外，优选地，用遮挡片至少遮挡被会聚的一个方向的激光的一部分，该遮挡片具有用以部分辐射被遮挡光到物体上的镜面；

本发明还提供一种自动聚焦装置，对物体和物镜间的相对位置进行测量以实现聚焦，该装置包括一个向物体辐射激光束的光源，一个布置在从光源发出的激光束光轴上的柱状棱镜，仅将光束会聚在一个方向，还包括一个探测装置，集中并探测通过柱状透镜以线性形状的形式反射的激光束。探测装置通过反射激光束形成的光斑测量物体和物镜间的相对位置以用于聚焦。

对于本发明的自动聚焦装置，因为柱状透镜布置在光源发出的激光光路上，所以照射到物体上的是线性形状激光束。该自动聚焦装置用线性形状激光束的反射光束实现聚焦。因此，对于本发明的自动聚焦装置，可测量物体和物镜间的距离以进行聚焦校正，即使物体在明暗处显示显著的差别或即使物体的表面不光滑。

对于本发明的自动聚焦方法和自动聚焦装置，用呈线性形状光斑的激光束测量物体和物镜间的相对位置。因此，对于本发明，可以在照射激光束不受物体表面状态影响的情况下测得物体和物镜间的相对位置。所以，对于本发明的自动聚焦方法和自动聚焦装置，可在很宽的区域和短时间内进行聚焦。

附图简述

图1是采用本发明自动聚焦装置的光学显微镜，尤其还显示了自动聚焦装置中来自横侧的激光束。

图2是采用本发明自动聚焦装置的光学显微镜，尤其还显示了自动聚焦装置中来自垂直于图1所示横侧的激光束。

图3是用于本发明自动聚焦装置中的激光斑。

图4a至图4c是形成在两段式探测器上的反射激光束光斑的光路，其中图4a是物镜和物体分开一个大于焦距的距离的情形，图4b是物镜和物体分开一个等于焦距的距离的情形，图4c是物镜和物体分开一个小于焦距的距离的情形。

图5a至5c是形成在两段式探测器上的反射激光束光斑的平面图，其中图5a是物镜和物体分开一个大于焦距的距离的情形，图5b是物镜和物体分开一个等于焦距的距离的情形，图5c是物镜和物体分开一个小于焦距的距离的情形。

图6a是照射到光电二极管PA和光电二极管PB上的反射激光束光量的曲线，图6B是从光电二极管PA中减去二极管PB的光量所获得的聚焦误差信号的曲线。

图7是本发明另外实施例整体型光学显微镜的示意图。

发明的具体实施方式

下面参考附图对本发明的优选实施例进行详细的解释。

在本发明的第一实施例中，自动聚焦装置和自动聚焦方法应用到图1所示的光学显微镜1上。但本发明的自动聚焦装置和自动聚焦方法也可应用到其它的光学装置上，如测度仪上，不局限于光学显微镜。

在图示的实施例中，光学显微镜1包括一个具有物镜2和目镜3、放置在被观察的物体4对面的镜头简单元5，一个对物体4辐射照明光束的照明单元6和一个测量物体4和物镜2分开距离用于聚焦的自动聚焦装置7。

在本光学显微镜1中，镜头筒单元5包括一个面对被观察物体4放置的物镜2，一个放置在穿过物镜2的光束光轴上的目镜3。镜头筒单元5还包括一个设置在穿过反射镜8的光束光轴上的CCD9，用于对透射光探测并成象。

在本光学显微镜1中，照明单元6包括一个辐射照明光束的照明光源10，一个第一透镜11，一个光阑12，一个滤波器13，一个第二透镜14和一个照明镜15，这些组件按上述的顺序布置在同一光轴上。

在本光学显微镜1中，自动聚焦装置7包括一个由激光二极管组成的用于辐射激光束的光源16，一个布置在光源16发出的激光束光轴上的柱状透镜17，一个用于至少遮挡穿过柱状透镜17的光束一部分的刃形边缘18，一个用于会聚被刃形边缘18遮挡的激光束的透镜19和一个用于反射激光束，以将由透镜19会聚的激光束透过物镜2的反射镜20，如图1和2所示。自动聚焦装置7还包括一个光电探测器21，用于探测从物体4反射的激光束。

光电探测器接收天线单元21包括上述刃形边缘18，反射由刃形边缘18反射的反射激光束的反射镜22，探测由反射镜对反射激光束22反射的激光束光斑的两段式探测器23。

对于图示中实施例的光学显微镜1，通过自动聚焦装置7在向着或离开物体4的方向上移动物镜2来聚焦。

自动聚焦装置7在聚焦时对物体4辐射激光。自动聚焦装置7通过光电探测器21探测被物体4反射的照明激光束以测量物体4和物镜2之间的相对位置。

在自动聚焦装置7，从光源16发出的预定激光落到柱透镜17上。入射到柱状透镜17上的激光在其一个方向上被准直，而在其它方向上直接穿过透镜，因此呈现一个大致为椭圆形的光斑。穿过柱状透镜17的激光束在入射到透镜19之前被刃形边缘18在大致沿长轴的中心位置遮挡。

当激光束入射到透镜19上时，大致为椭圆形光斑的长轴方向被准直，短轴方向被会聚。然后激光被反射镜20反射并进入镜头筒单元5落到物体2上。激光束在照到物体4上之前还被物镜2会聚。

因为光源辐射的激光按如上所述的方式穿过具有柱状透镜17的光学系统，所以如果物镜2对于物体4聚焦，则在物体4上形成如图3所示的线性形状光斑S。

照射到物体4上的激光束经反射为反射激光束。该反射激光束经过物镜2、反射镜20和透镜19照射到刃形边缘18落到光电探测器21上。照射到刃形边缘18上的反射激光束由此被反射照射到反射激光束22的反射镜上。反射的激光束被反射激光束22的反射镜反射，从而照到两段式探测器23上。反射的激光束在两段式探测器23上形成光斑。

这也就是对于本光学显微镜1，激光束由自动聚焦装置7在图2中箭头所指的方向A上照射，照射图2中箭头B所示方向上的反射光。

两段式探测器由二个光电二极管PA和PB组成，用于探测照射到其上的反射激光束。

具体地说，如果物体4和物镜2的位置相隔大于物镜2的焦距，如图4a所示，则激光束在非聚焦状态照射到两段式探测器23上。在这种情况下，仅在光电二极管PA上形成宽阔的光斑。

如果物体4和物镜2的位置相隔等于物镜2的焦距，如图4b所示，则激光束在聚焦状态照射到两段式探测器23上。在这种情况下，在横跨光电二极管PA和PB的两侧形成唯一的光斑。

如果物体4和物镜2的位置相隔小于物镜2的焦距，如图4c所示，则激光束在非聚焦状态照射到两段式探测器23上。在这种情况下，仅在光电二极管PB上形成宽阔的光斑。

对于本自动聚焦装置7，如上所述，形成在两段式探测器23上的反射激光束的光斑依据物体4和物镜2的相对位置而变得不同。自动聚焦装置7探得两段式探测器23上的光斑用于测量物体4和物镜2的相对位置。自动聚焦装置7根据测量值驱动物镜2以聚焦。

具体来说，两段式探测器23探测入射到光电二极管PA和PB上的光量，如图6a所示。两段式探测器23借助于控制器24取得光电二极管PA和光电二极管PB的信号间的差，如图6b所示。在这种方式下，控制器24根据以S形曲线获得的所谓的聚焦误差信号驱动物镜2。

本自动聚焦装置7驱动物镜，使得物镜2和物体4处于聚焦状态，如图4b所示，并且使得将在光电二极管PA和PB上形成光斑，如图5b所示。这也就是本自动聚焦装置7驱动物镜，使得在控制器24中的聚焦误差信号将代表图6b中的点A。

对于因而由自动聚焦装置7聚焦的光学显微镜1，照明单元6发出照明光照射到物体4上。该照射光借助于镜头简单元5形成物体4的象。

照明单元6从照明光源10中发出预定光量的光。该光由第一透镜11会聚，经过光阑12和滤波器13落在第二透镜14上。入射到第二透镜14上的照明光被减小到理想的光斑直径，并由照明镜15反射进入镜头筒单元5，落到物镜2上。照明光由物镜2准直，以一理想的光斑尺寸照射到物体4上。

光学显微镜1用如上述所述发出的、由物镜2、目镜3和CCD 9会聚的照明光对物体4成象。光学显微镜1通过具有柱状透镜17的自动聚焦装置7测得物体4和物镜2的相对位置以实现聚焦。

这也就是自动聚焦装置7通过在物体4上照射线性形状激光束实现聚焦。因此，即使在物体4表面的光暗显著不同，也不会破坏光束的完整性。自动聚焦装置7的使用，可以不依赖于物体4的表面状态实现聚焦校正。

另外，如果欲对光学显微镜1的全视场实现聚焦，使用自动聚焦装置7也可在较短的时间内达到，因为是线性形状激光被用于聚焦。这也就是对于自动聚焦装置7，使用线性形状激光不需要激光扫描整个视场就可实现聚焦。

另外，对于光学显微镜1，如果物体4有两层或多层，可通过对控制器24提供一个位置补偿将待辐照的层用激光详尽照射。这也就是对于本光学显微镜1，可以仅对处于理想高度的物体4聚焦。

同时，图示实施例的光学显微镜不仅局限于照明单元6有一个不同于自动聚焦装置7的光路的结构。相反，光学显微镜1还可以是整体型的光学显微镜30，照明单元6有一个如同自动聚焦装置7的正弦光路。

在下列对图7中所示的整体型光学显微镜30的描述中，与上述光学显微镜1中对应的部分或组成采用相同的标号，并为简单起见，省去对其结构和操作的描述。

图7中所示的整体型光学显微镜30粗略地由一个整体型装置31组成，包括一个有物镜2和CCD 9并被设置在物体4对面的镜头简单元5，一个辐射照明光束的照明单元6和辐射聚焦光束的自动聚焦装置7。

整体型装置31具有这样的结构，照明单元6的照明镜15设置在反射镜20和组成自动聚焦装置7的透镜19之间。对于整体型光学显微镜30，结构如上所述，从整体型装置31的照明光源10发出的照明光的光轴和自动聚焦装置7的激光束光轴叠合作为照明光并进入镜头筒单元5。照明光和激光落到镜头筒单元5中的物镜2上从而照射物体4上。

对于上述的整体型光学显微镜30，物体4和物镜2间的聚焦可达到和上述的光学显微镜1一样的精确度。另外，因为照明单元6和自动聚焦装置7在本整体型光学显微镜30中称为一个独立的整体单元，所以显微镜的尺寸可以减小。

本发明的自动聚焦方法和装置不局限于光学显微镜1和30。本发明当然还可以应用到具有光学系统和需要聚焦的任意的光学设备中。

对于上述的实施例，用到了所谓的刃形边缘法，在该法中，刃形边缘形状的遮挡片用作探测装置探测反射的激光。但是，本发明的自动聚焦方法和装置不局限于上述的探测反射激光的探测装置，如也可采用傅科(Foucault)法或临界角法。

Claims (8)

1.一种用于自动聚焦装置的自动聚焦法，所述自动聚焦装置包括物镜、柱状透镜、位于所述柱状透镜之后用于形成线性形状光斑的透镜、具有镜面的遮挡片和用于探测物体和物镜之间相对位置从而实现对物体的聚焦的探测装置，所述方法包括步骤：

经过柱状透镜传递照射到物体上的激光束并仅在一个方向上会聚激光束；

辐射激光束，然后通过物镜在一个方向上以线性形状的形式将光束会聚到物体上；

集中并探测由辐射到物体上的激光束反射所产生的线性形状反射激光束；和

从探测到的线性形状反射激光束的一点测量物体和物镜间的相对位置。

2.如权利要求1所述的自动聚焦法，还包括：

用遮挡片至少遮挡被会聚在一个方向的激光的一部分，该遮挡片具有用以部分辐射被遮挡光到物体上的镜面；

由物镜反射不被遮挡片遮挡的激光从而辐射被反射激光束到遮挡片的镜面；和

从遮挡片的镜面反射照射到遮挡片镜面上的反射激光束，使反射的光束落到探测装置上。

3.如权利要求2所述的自动聚焦法，其特征在于包括具有两个光电二极管的两段式探测器被用于上述探测装置的步骤。

4.如权利要求2所述的自动聚焦法，其特征在于包括形成上述遮挡片，从而使其具有一个形状为刃形边缘的激光遮挡端。

5.一种通过测量物体和物镜的相对位置来实现物体的聚焦的自动聚焦装置，包括：

一个向物体辐射激光束的光源；

一个布置在从光源发出的激光束光轴上的柱状透镜，用于仅将光束会聚在一个方向；

一个位于所述柱状透镜之后的透镜，用于形成线性形状光斑；

一个探测装置，集中并探测以线性形状反射激光束，所述线性形状反射激光束是通过反射经所述柱状透镜以线性形式辐射在所述物体上的所述激光而获得的；

上述探测装置通过测量由所述线性形状反射激光束形成的光斑，测量物体和物镜间的相对位置。

6.如权利要求5所述的自动聚焦装置，其特征在于探测装置包括一个具有镜面并用于遮挡至少一部分激光的遮挡片；

上述激光被反射到物体上，并且所述的线性形状反射激光照射到遮挡片的镜面；

照射到遮挡片镜面的所述线性形状反射激光被镜面反射落到探测装置上。

7.如权利要求6所述的自动聚焦装置，其特征在于探测装置包括由两个光电二极管形成的两段式探测器。

8.如权利要求6所述的自动聚焦装置，其特征在于上述遮挡片具有一个形状为刃形边缘的激光遮挡端。

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