CN1093943C - 自动聚焦装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种自动聚焦装置，该装置包括使光会聚在被测定物的测定面上的物镜(14)，根据从该物镜(14)射出的光可以观察被测定物像的CCD摄象机(24)，根据该CCD摄象机24获得的被测定物像的对比度使物镜沿其光轴移动的激励机构，其特征在于还包括照明装置(25)，投影透镜(21)和显示确定图形的液晶板(22)，并且设置使确定图形投影在被测定物的测定面上的图形投影机构(20)。

Description

自动聚焦装置

本发明涉及根据被测定物像的对比度将物镜经常移动到被测平面内的自动聚焦装置。例如，可以用在一边用观察光学***观察被测定物的像、一边测定被测定物的尺寸和形状的图象测定仪器和显微镜等光学测定装置中的自动聚焦装置。

在现有的设置在图象测定仪和显微镜等的光学测定装置上的自动聚焦装置的工作方式中，用CCD照相机对被测定物测定面的图象进行摄影，根据图象的对比度调焦的对比度法或把激光照射在被测定物的测定面上，根据反射光调焦的激光聚焦法等均为公知。

可是，上述现有的对比度法和激光聚焦法存在下述缺点。

在前者的对比度法中，欲在镜面和玻璃面等原来对比度低的表面上进行调焦是困难的。

在后者的激光聚焦法中，虽然可在上述对比度低的面上调焦，但是只有在有激光的点(多在中央部分)上才能调焦。另外，装置本身的成本也高。

本发明的目的是要解决现有的对比度法和激光调焦法中存在的问题。不受被测定物材料的限制对所有材料的被测定物都可以进行调焦，并且提供在被测定物的观察图象内任意位置上进行调焦的自动聚焦装置。

本发明的自动聚焦装置包括：使光会聚在被测定物的测定面上的物镜。根据从该物镜射出的光观察被测定物像的观察光学***，根据该观察光学***所获得的被测定物像的对比度使上述物镜向该光轴方向移动的驱动机构，其特征在于设置把确定图形投影在上述被测定物的测定面上的图形投影机构。

按照这种结构，因为可以将确定的图形投影在被测定物的测定面上，所以，为了根据该图形的对比度将光会聚在被测定物的测定面上，可以使物镜沿光轴方向改变。因此，即使在镜面和玻璃面等原来对比度低的材料上也可调焦。显然，本发明通过对比度法也可解决激光聚焦法中的问题。

在上述结构中，图形投影机构最好包括照明装置、投影透镜、插在照明装置与投影透镜之间并形成确定图形的图形投影板。

如果这样做，在测定由对比度低的材料组成的测定物时，通过投影透镜将图形投影板的图形投影在被测定物的测定面上的状态下测定；而在测定由对比度高的材料组成的被测定物时，如果将图形投影板通过拔出等方法从光路中拆下，则可以按常规的对比度方法使用。而且还可以与具有最适合被测定物的测定面形状的图形的投影板交换。

另外图形投影机构除了包括上述照明装置，投影透镜和图形投影板之外，最好还包括调节图形投影板与图形投影透镜相对距离和倾角的调整机构。

如果按这种布置，因为可以调整图形投影透镜与图形投影板的相对距离与倾角，所以可以使图形投影板的图形明显而正确地投影在被测定物的测定面上。

再者，对调整机构的结构而言，虽没有特殊限定，但最好包括下述构件，例如包括相对来自上述照明装置的光的光轴正交、并互相正交地可调整地设置在具有上述照明装置和投影透镜的架上的滑动板，在该滑动板上以与上述光轴平行的轴为中心可转动地设置的转动板，在该转动板上有载置并保持上述图形投影板的座，在该座的确定角度间隔位置上设有通过螺纹配合将前端配合在上述转动板上的若干拉紧螺钉，在上述紧固螺钉之间设有通过螺纹配合在上述转动板上的若干安装螺钉。

另外，图形投影板最好由通电控制图形显示、例如利用通电时显示图形非通电时图形消失的液晶板构成。

如果这样安排，则在测定由对比度高的材料组成的被测定物时，即使在使用与常规对比度相同的方法的情况下，也可以简单地使图形投影板的图形消失。

另外，就液晶板上具有的图形而言，对于遮光性不同的两个三个角形，最好使它们成为在沿左右方向交替且上下颠倒地并置、同时还沿上下方向交替且上下颠倒地并置的三角形图形；对于遮光性不同的两个四边形，最好使它们在倾斜状态下成为沿它们互相正交的倾斜方向交替且并置的四边形图形；或者对于遮光性不同的两个带状波形，最好成为交替并置的波形图形等。

如果这样安排，即使被测定物的边缘具有方向性，因为该边缘保持不动，即因为边缘不可能隐藏在这些图形中，所以可以稳定地调焦。

另外，最好用CCD摄缘机作为观察光学***。

另外，驱动机构最好包括磁铁和线圈，上述磁铁设置在上述密封箱体和保持上述物镜并使该物镜可相对上述密封箱体沿光轴方向移动的透镜座两者之一上，上述线圈设置在上述密封箱体和透镜座两者的另一个上面。

图1为与本发明的第一实施方式有关的图象测定装置的侧面图；

图2为沿图1中II-II线剖切的剖视图；

图3为上述实施方式中定位机构的放大图；

图4为沿图3中IV-IV线剖切的剖视图；

图5为上述实施方式中液晶板的平面图和将该液晶板的图形投影在被测定物的测定面上时的图；

图6表示上述实施方式中的调整机构的平面图；

图7为上述实施方式中的调整机构的剖视图；

图8为上述实施方式中的控制装置的方框图；

图9为液晶板另一例的平面图；

图10为液晶板又一例的平面图；

图11为液晶板另一例的平面图；

图12为液晶板再一例的平面图；

图13为具有格状图形的液晶板的平面图和将液晶板图形投影在被测定面上时的图；

图14为与本发明另一实施方式有关的图像测定装置的侧面图。

下面参照附图详细说明本发明的一个实施例。

图1是与本实施例有关的图像测定装置的侧面图，图2是沿图1的II-II线剖切的剖视图。

该图像测定装置由用于承载可沿X和Y轴方向(图1的左右方向和与图1的纸面垂直的方向)移动的被测定物的平台10和通过图中未示出的柱相对上述平台10可沿Z轴方向(图1的上下方向)升降的光学组件11构成。

上述光学组件11具有密封箱体12。在密封箱体12下侧的圆筒部12A上通过可以沿光轴方向(图1的上下方向)位移的透镜座13设置有物镜14。在圆筒部分12A与透镜保持座13之间设有可使上述物镜座13沿光轴方向移动的驱动机构的激励器15，激磁器15由固定在上述圆筒部分12A一侧的磁铁16和固定在上述透镜座13一侧的线圈17构成。另外，在上述密封箱体12的上面分别安装CCD摄像机24和照明装置25。CCD摄像机24配置在上述物镜14的光轴L上，构成可以根据从该物镜14射出的光观察被测定物的像的观察光学***。

在上述密封箱体12内分别设置有：使上述照明装置25射出的光成直角并朝光轴L反射的平面镜26，在光轴L上使上述平面镜26的反射光反射在物镜14上的分束镜27，放大倍数不同(例如1X，2X，6X)的镜头28A，28B，28C，将这些镜头28A-28C中之一切换选择在光轴L上的切换装置29，将图形投影在被测定物的测定面上的图形投影机构20。

上述切换装置29包括：以与光轴L平行的轴31为中心可转动地设置在与上述光轴L不同的位置上并且把上述若干镜头28A-28C等间隔(120°间隔)安装在以从该轴31到上述光轴L的距离为半径的圆周上的回转头32，将上述回转头32定位在使上述各镜头28A-28C与上述光轴L一致的各个角度上的定位机构33，通过离合器43连接在上述回转头32上的回转头驱动电动机44。另外，45代表检测回转头32转动角度的检测器。

上述定位机构33包括：在上述回转头32的外周面上在工作时靠在与在上述回转头32的外周面的120°角间隔位置形成的三个凹部51A、51B、51C相接触的方向并且可以嵌入上述凹部51A-51C的支撑座52。如图3和图4所示，通过具有片状支持物结构的板簧54将支撑座52支撑在安装在密封箱体12上面的L形壳体53上。

上述图形投影机构20包括照明装置25，配置在上述平面镜26与分束镜27之间的投影透镜21，***在上述照明装置25与上述平面镜26之间(与照明装置25的物体面共轭的位置)并且形成确定图形的图形投影板22，调整上述图形投影板22与上述投影透镜21的相对距离和倾角的调整机构23。

如图5(A)所示，上述图形投影板22由利用通电显示三角形图形的液晶板22A构成。上述三角形图形是将两个具有不同遮光性的三角形，具体地说将具有透光性的正三角形与具有遮光性的正三角形沿左右方向(X轴方向)交错且上下颠倒并置的同时沿上下方向(Y轴方向)交错且上下颠倒并置。

如图6和图7所示，上述调整机构23包括：沿X、Y轴方向可调整地设置在上述密闭箱体12中并且通过固定螺钉60A固定的滑动板60，以Z轴为中心可自由转动地设置在该滑动板60上并通过固定螺钉61A固定在任意角度位置上的转动板61，装在转动板61上并保持上述液晶板22A的座62，靠螺纹配合在该座62的120°角间隔位置上并且前端连接在上述转动板61上的三个止动螺钉63，在上述三个止动螺钉63之间靠螺纹配合在上述转动板61上的三个拉紧螺钉64，因此，可以通过调整滑动板60的位置调整液晶板22A的X、Y轴方向的位置，通过转动转动板61调整液晶板22A的角度(以Z轴为中心的角度)，通过推拉止动螺钉63和拉紧螺钉64调整液晶板22A与投影透镜21的距离和倾角。

图8为与本实施例有关的图像测定装置的方框图。在该控制装置上装有CPU71。CRT73通过控制单元72、上述照明装置25通过照明控制单元74、上述CCD摄像机24通过帧图形转换器(フレ-ムグラバ)75、上述液晶板22A通过通电控制单元76、上述激励器15通过激励器控制单元77、上述回转头驱动电动机44通过回转头驱动控制单元78分别与CPU71相连。另外，检测平台10的X轴方向位置的X轴编码器79X、检测平台10的Y轴方向位置的Y轴编码器79Y、检测光学***11(对物镜14)的Z轴方向位置的Z轴编码器79Z和指令输入单元80也分别与CPU71相连。

在上述结构中，进行测定时，使28A-28C中任一镜头位于光轴L上。此时离合器43处于闭合状态，电动机44转动确定角度后停止转动。因此，在任一个镜头28A-28C到达光轴L附近的同时，支撑座52开始嵌合在对应的凹部51A-51C中，此时，如果离合器43分离，因为电动机44与回转头32分离，即因为电动机44没有转动阻力，所以回转头32自动地回转定位到开始嵌合的凹部51A-51C完全嵌入到支撑座52的角度位置上。

在这种状态下，如果从照明装置25射出光，上述光被平面镜26反射后，又被分束镜27反射通过物镜14照射在载置在平台10上的被测定物上。被测物的反射光通过物镜14和分束镜27后按选择的镜头28A-28C的倍率扩大或缩小后成像在CCD摄像机24上。

CPU71判断被CCD摄像机24摄像的各象素的对比度值，如果此对比度值在预定值以下，则通过通电控制单元76使液晶板22A通电。这样一来，因为在液晶板22A上显示出图5(A)中所示的三角形图形，所以该三角形图形通过投影透镜21被投影在被测定物的测定面上。因此，CPU71根据被CCD摄像机24摄像的各像素的对比度值通过激励器控制单元77驱动激励器15，使物镜14沿光轴X方向位移进行调焦。即使物镜14位于图象对比度值最大的位置上。这时，例如如图5(B)所示，由于被测定物的边缘保留不动，所以可以稳定地进行调焦。

在这种状态下，根据CCD摄像机24摄象的被测定物的图象可以测定被测定物的尺寸和形状等。

在本实施例中，由于通过设置把图形投影在被测定物的测定面上的投影机构20，可以将图形投影在被测定物的测定表面上，所以根据该图形的对比度为了将光会聚在被测定物的测定面上可以使物镜14沿光轴L方向移动。因此，即使在镜面或玻璃面等原来对比度低的材料上也可以调焦。显然，由于采用对比度法，所以消除了激光聚焦法的任何缺点。

另外，因为图形投影机构20包括照明装置25，投影透镜21，***在照明装置25与投影透镜21之间并且形成确定图形的图形投影板22，调整该投影板22的角度和上述投影透镜21的相对距离和倾角的调整机构23，所以可以调整图形投影板22的角度和投影透镜21相对于图形投影板22的距离和倾角，从而可以把图形投影板22的图形明显而正确地投影在被测定物的测定面上。

另外，因为图形投影板22由利用通电显示图形的液晶板22A构成，所以在测定由对比度高的材料组成的被测定物时，通常取消液晶板22A的图形，可以与常规的对比度法一样地使用。因此可以方便地切换到常规的对比度法的方式下。

另外，因为在通电时才显示三角形图形，所以即使被测定物的边缘具有方向性，也由于上述边缘可保持不动，所以能稳定地调焦。顺便说明一下，还应考虑下述情况，如图13A所示，用显示窄条状图形的液晶板22F，在相同方向的边缘的情况；如图13(B)所示，窄条与被测定物的边缘重合并把必要的边缘隐藏在焦点中的情况。

另外，由于在物镜14与CCD摄影机24之间设有将可自由转动、具有不同放大倍数的三个镜头28A-28C配置成圆周状的回转头32，包括该回转头32并构成使任何一个镜头28A-28C切换到物镜14的光轴L上的切换机构29，所以，例如与物镜回转头的方式相比，因为没有必要用多个物镜。所以可以降低成本，并且还可以利用环形照明等外加照明。

因为切换机构29由回转头32和定位机构33构成。上述回转头以与物镜14的光轴L平行的轴31为中心可转动地设置在与物镜14的光轴L不同的位置上并且将三个镜头28A-28C安装在以从该中心到物镜14的光轴L的距离为半径的圆周上，上述定位机构将回转头32定位在使各镜头28A-28C与物镜14的光轴L一致的对应角度位置上，所以当回转头32转动时，通过定位机构33使回转头32定位在各镜头28A-28C与透镜14的光轴L一致的对应位置上，从而可以方便地使各镜头28A-28C与物镜14的光轴L一致。

由于电动机44通过离合器43与回转头32的轴31相连，所以可以通过电动机44使回转头32自动地转动到确定的角度位置上。因此，当回转头32达到确定角度位置时，由于离合器43断开，电动机44与回转头32分离，这时，由于电动机44的转动阻力消失，通过定位机构33可将回转头32正确定位在确定角度位置上。

由于定位机构33包括形成在回转头32外周面上的凹部51A-51C，支撑座52靠在使该支撑座52与回转头32的外周面接触的板簧54上，所以，当回转头32达到确定角度位置时，即当任何一个凹部51A-51C开始嵌入支撑座52中时，当通过离合器43使电动机44与回转头32离开时，由于回转头32自动地在凹部51A-51C被支撑座52嵌入的方向转动，所以，可以通过简单结构使回转头32正确定位。

在上述实施例中，虽然将图形投影板22制成通电时显示三角形的液晶板22A，但并不仅限于此，也可采用显示其它图形的液晶板。

例如，可以如图9所示，采用通电时显示四边形图形的液晶板22B。它们是透光性不同的四边形，具体地讲，是使具有透光性的正四边形与具有遮光性的正四边形处在倾斜的状态下，并沿互相垂直的倾斜方向并置。

也可以如图10、图11、图12所示，采用通电时显示波形的液晶板22C，22D和22E等。这些图形是具有遮光性不同的两个带状波形，具体地讲，是使具有透光性的带状波形与具有遮光性的带状波形沿左右方向、上下方向或倾斜方向交错地并置。

如图14所示，使图形投影机构20的照明装置25与另外的照明装置25A夹着平面镜26设置在与投影透镜21的相反侧的同时，如果象图示那样起伏自由地构成平面镜26，则也可以通过照明装置25、25A的切换进行图形投影。

另外，作为图形投影板22，并不只限于液晶板22A-22F，例如也可以用画有十字线等确定图形的板等。在这种构成可自由***的结构的情况下，测定对比度高的被测定物时可以将这些板拔出。

至于调整机构23亦不限于上述实施例中所述的结构，例如止动螺钉和拉紧螺64的数量可以是任意的。

激励器15的配置也可与上述实施例不同，可将线圈17设置在圆筒部分12A的一侧，将磁铁16设置在物镜座13的一侧。

按照本发明的自动聚焦装置，对被测定物的材料没有限制，即对所有材料的被测定物都能进行调焦，并且可以在被测定物的观察图象内的任意位置进行调焦。

Claims (10)

1.一种自动聚焦装置，包括：将光会聚在被测定物的测定表面上的物镜、观察从该物镜射出的光所形成的被测物的像的光学观察***、根据该光学观察***获得的被测定物的像的对比度使上述物镜沿其光轴方向移位的驱动机构，以及将确定的图形投影在上述被测定物的测定面上的图形投影机构；

其中，所述图形投影机构包括液晶板，该液晶板被充电时能控制要显示在液晶板上的所述确定图形，当对比度值低于预定值时，投射该确定图形。

2.如权利要求1所述的自动聚焦装置，其特征在于所述的图形投影机构包括照明装置、投影透镜、插在上述照明装置与所述投影透镜之间并且具有至少一个确定图形的图形投影板。

3.如权利要求1所述的自动聚焦装置，其特征在于：在所述液晶板上显示的所述确定图形是三角形图形，其中三角形按这样的方式排列：每两个具有不同透光性的三角形沿左右、上下方向交错并且彼此上下方向相反并置，使到相邻的三角形的所有顶点都沿相反方向定位。

4.如权利要求1所述的自动聚焦装置，其特征在于：在所述液晶板上显示的所述确定图形是正四边形图形，其中正四边形按这样的方式排列：每两个具有透光性不同的正四边形在倾斜方向上交替并置，并沿与正四边形的边线相交的彼此互相垂直的直线方向上。

5.如权利要求1所述的自动聚焦装置，其特征在于：在所述液晶板上显示的所述确定图形是带状波形图形，其中该波形是按这样的方式排列：每两个具有透光性不同的带状波形是交替并置的。

6.如权利要求1所述的自动聚焦装置，其特征在于：所述的图形投影机构包括：照明装置、投影透镜，插在上述照明装置与所述投影透镜之间的所述液晶板，以及调整机构，该调整机构调整相对于上述投影透镜的上述液晶板的相对距离和倾角。

7.如权利要求6所述的自动聚焦装置，其特征在于：上述调整机构包括：沿相对来自上述照明装置的光的光轴正交的方向可调整地设置在具有上述照明装置和投影透镜的密闭箱中的滑动板，可绕着与来自所述照明装置的光的上述光轴平行的轴转动地设置在该滑动板上的转动板，装在上述转动板上并且保持上述图形投影板的座、若干设置在该座中的确定角度间隔位置上、其前端接触上述转动板上的止动螺钉，若干位于上述止动螺钉之间并固定在上述转动板上的拉紧螺钉。

8.如权利要求7所述的自动聚焦装置，其特征在于：上述光学观察***包括CCD摄像机。

9.如权利要求8所述的自动聚焦装置，其特征在于：上述驱动机构包括设置在所述箱体的一侧上的磁铁和保持上述物镜并使该物镜可沿所述光轴方向移动的透镜座，以及设置在该透镜座和上述箱体的另一侧上的线圈。

10.如权利要求1所述的自动聚焦装置，其特征在于：所述确定图形具有一个面对至少两个不同方向的外形。

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