JPH01262511A - 撮像装置の自動焦点機構 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は撮像装置の自動焦点機構に関するものであり、
例えば撮像装置によるパターン認識のための自動焦点調
節に利用される。

従来の技術 この種の自動焦点機構としては、従来第７図に示すよう
なものが知られている。このものは画像コントローラａ
によって制御される撮像機すと、その撮像光路上に置か
れた対物レンズＣとによって、ワークｄ上のパターンを
認識し、処理する装置において、撮像機すと対物レンズ
Ｃとの間に設けたハーフミラ−ｅによって撮像光路ｒか
ら分岐し、かつ撮像機すの撮像面と等価な受光面をなす
ラインセンサｇに達する第１測距光路りを形成している
。そして第１測距光路りはまた途中に設けられたハーフ
ミラ−１によってさらに分岐されかつ反射ミラーｊによ
ってラインセンサｇの第１測距光路りとは別の位置に達
する第２測距光路ｋを形成している。

第１測距光路りでは撮像面と等価な結像状態をラインセ
ンサｇ上に作るのに対し、第２測距光路にでは第１測距
光路りより長いために、第１測距光路りの場合よりは前
ピンの結像状態を作り、再結像状態を電気レベルで見た
ときの出力ｍ、、ｍｚの状態の組合せで合焦、前ピン、
後ピンを判定するようになっている。

発明が解決しようとする課題 しかし上記のような従来方式では、測距のための光学系
と、この光学系で得た信号を処理する自動焦点のための
コントローラとが特別に必要である。このため構造が複
雑で高価につくし、装置が大型化する。また自動焦点は
撮像画面上の一点についてしか行えない不便もある。

そこで本発明は撮像画面上で所望の部分を走査できる撮
像機を巧みに採用して、前記のような問題点を解消し得
る撮像装置の自動焦点機構を提供することを目的とする
ものである。

課題を解決するための手段 本発明は前記のような目的を達成するために、撮像面の
所望部分を繰返し走査できる撮像手段と、（最像手段に
おける焦点調節手段と、焦点調節手段を所定の範囲で作
動させると共に所定の焦点調節位置ごとに撮像手段によ
る特定部分での走査を行わせる動作制御手段と、所望部
分での各回の走査における出力の差分値を算出して絶対
値で最大のものを得ると共に、さらにそられのうちの最
大のものを合焦情報値として抽出しそれを得た走査が行
われたときの焦点調節位置を合焦位置とする信号処理手
段とを備えたことを特徴とするものである。

撮像手段はＭＯＳ型カメラであり、焦点調節手段はピエ
ゾアクチュエータを駆動源とするのが好適である。

作用 上記上たる特徴では、動作制御手段によって撮像手段の
焦点調節手段が所定の範囲で動作されるのに併せ、この
動作での所定の焦点調節位置ごとに撮像手段では撮像画
面中の所望の部分が走査される。この各回の走査により
得られる電気的な画像信号は各焦点調節位置に対応して
おり、各焦点調節位置での合焦度合の情報を、合焦度合
に応じたコントラストの違いとして含んでいる。そして
焦点ｔＪ４節の所定範囲が被検面に対する合焦位置を必
ず含むように設定されることにより、前記画像信号に合
焦情報を含むことができる。

そこで信号処理手段によって各回の走査で得られる電気
的な各画像信号の差分値が算出されその絶対値で最大の
ものが得られると、各走査における画面での最良の合焦
度合を示す情報として得ることができる。次いで信号処
理手段によって各回の走査における各最大差分値のうち
の最大のものが合焦情報値として抽出され、それを得た
走査が行われたときの焦点調節位置を合焦位置とされる
が、焦点調節の所定範囲中に合焦位置があることに対応
して、実際の合焦位置に合致した結果を得ることができ
る。

前記動作制御手段および信号処理手段は、撮像手段が持
っている電子制御手段の機能で代替することができる。

撮像手段にＭＯＳ型カメラを用いると、前記走査および
信号処理を高速で行うことができ、焦点調節手段がピエ
ゾアクチュエータを駆動源にしていると焦点調節動作を
微小ストロークづつ高速で振動なく行えると共に所定位
置に安定させ得る。したがってＭＯＳ型カメラとピエゾ
アクチュエータを組合せ使用すると、高速度でしかも正
確な自動焦点機能を発揮することができる。

実施例 第１図は本発明をパターン認識のための撮像装置に適用
した場合の一実施例を示している。

この撮像装置は図に示すように台盤１上のワーク２の被
検面２ａをカメラ４により撮像して被検面２ａに施され
ている第２図に示すようなパターン５０種類や良否を認
識するようになっている。

この認識作業のためにカメラ４による撮像光路１５中に
対物レンズ３が設置され、それらは高倍率で焦点深度の
浅い撮像光学系１０をなしている。このような光学系で
は少しの焦点調節で合焦度合が大きく変わる。一方作業
性の向上の而から自動焦点機能に高速性が要求される。

これらに対応するためカメラ４には撮像画面中の所望の
部分を繰返し高速で走査できる部分走査モードを持った
ＭＯ５型カメラを採用している。また対物レンズ３のホ
ルダー１６にピエゾアクチュエータ６を接続して焦点調
節手段とし、ピエゾアクチュエータ６をピエゾ電源７に
より駆動することで焦点調節を微小ストロークづつ正確
にしかも高速に無振動で行えるようにしている。

カメラ４の駆動装Ｗ８および前記ピエゾ電源７は分配器
１１を介しマイクロコンピュータと云った電子制御装置
９に接続され、この制御装置９によってカメラ４および
ピエゾアクチュエータ６をパターン認識および自動焦点
のために動作制御し、またそれに伴う必要な信号処理を
行うようになっている。

制御装置９によるパターン認識の動作については既に知
られているので説明は省略する。

制御装置９による自動焦点動作は、パターン認識の動作
の前に必要に応じ行われる。そのための具体的構成とし
ては、制御装置９にカメラ４およびピエゾアクチュエー
タ６に自動焦点動作を行わせる動作制御手段１２として
の機能と、必要な信号処理を行う信号処理手段１３とし
ての機能とをプログラムにより与えである。

動作制御手段１２０機能によっては、ピエゾアクチュエ
ータ６を所定の焦点調節範囲Ｚで動作させると共に、所
定の焦点調節位置ごとにカメラ４における撮像面の所望
する特定の部分を走査させる。

所定の焦点調節範囲Ｚは、台盤１上で通常通りに位置決
めされるワーク２の被検面２ａに対しての合焦位置を含
み得るように設定されるもので、３０μｍ程度必要であ
る。また高精度に合焦位置を判別するため焦点調節のス
テンプ幅を２μｍ程度に設定するのが好ましい。そこで
ピエゾアクチュエータ６の駆動は２μｍづつ１６段階に
行うようにする。これによりピエゾアクチュエータ６の
変位量ｐｚ、は０Ｂｒａから３２μｍまでとなり、焦点
調節位置は変位なしの状態を入れて１７段階のアドレス
に設定される。この各アドレスを得るためピエゾアクチ
ュエータ６を駆動するのに必要な各ピエゾ電圧Ｐｖ８は
、第３図に示すピエゾ電圧ＰｖＮとピエゾアクチュエー
タ６の変位量ＰＺＮとの関係から設定することができ、
それをテーブル化して制御装置９に予めプログラムして
おく。ピエゾアクチュエータ６の変位速度はｌμＩＩＩ
／ｆｆ１ｓ程度である。

カメラ４における部分走査は、例えば被検面２ａ上の適
当な部分、例えば焦点状態を判別するのに有利な部分、
あるいは特に焦点を合わせたい部分である第２図に仮想
線で示すような対象部分Ｐに対応する画像部分につき行
われる。このため制御装置９には撮像面上の部分走査エ
リアを設定する入力が適宜なされる。

１回の部分走査は例えば５本の走査ライン分けわれる。

実際の部分走査モードでは、通常の全走査ラインのうち
５本のラインを有効ラインとした後、２１本のラインを
無効ラインとし、次の５本のラインをを効ラインとする
と云ったことを繰返すことで行われる。この部分走査に
より得られるカメラ４のモニタ画像は第４図に示すよう
に、有効ライン部分（白抜き）２１と無効ライン部分（
斜線）２２とが交互に配列した状態となる。

そしてこの画面で云えば有効ライン部分２１のうち、前
記１７段階の焦点調節アドレスに対応する各走査ライン
部分２１．〜２１１７を選択し、この各ライン部分２１
．〜２１１７で部分走査が行われるのに同期して対物レ
ンズ３が対応する順位のアドレスに位置するよう焦点調
節動作を行わせる。

各有効ライン部分２１＋〜２１１？に対応する画像は第
５図に一部を省略して示すように、被検面２ａ上の対象
部分Ｐにおける像が、対物レンズ３の各焦点ｔＡ節テア
ドレスの合焦度合に応じた鮮明度で形成される。

合焦度が低いとパターン５の像５ａにボケが生じ、像５
ａがない部分との境界のコントラストが小さい。また合
焦度が高いとパターン５の像５ａは鮮明となり、像５ａ
がない部分とのコントラストが大きい。このコントラス
トの違いは各有効ライン部分２Ｌ〜２１１フについての
部分走査における出力電位の違いとして知ることができ
る。

そこで信号処理手段１３の機能により先ず、各有効走査
部分２１１〜２１．７での、時系列で与えられる走査出
力について差分値Ｎを求める。差分値Ｎは連続した走査
出力における所定の画素単位分ごとの出力どうしを比較
して求められ、その絶対値ＩＮＩが画素間のコントラス
ト情報となる。

したがって各有効ライン部分２１．〜２１＋？のどの部
分のＩＮＩが最大となるかを判定すれば、合焦度合の最
も高い画像を得た有効ライン部分を知ることができ、所
定の焦点調節範囲に合焦位置が含まれていることに対応
してそのＩＮＩが最大である有効ライン部分での画像が
実際上合焦状態にあったことを意味し、その走査が行わ
れたときの対物レンズ３の焦点調節アドレスが合焦位置
であると判定することができる。

この判定も信号処理手段１３の機能により実行される。

具体的には各有効走査部分２１．〜２１１７のそれぞれ
についてＩＮＩを求めておいてそれを各有効走査部分２
１．〜２１１？でのコントラスト情報とし、さらにそれ
らのうち最大のＩＮＩを合焦情報ＮＭとして抽出し、こ
の？ＪＭが得られた有効走査部分を走査したときの対物
レンズ３の焦点調節アドレスを合焦位置と判定する。

この判定を得たとき動作制御手段１２の機能によって、
その判定に係るアドレスまで対物レンズ３が移動させら
れる。これによって光学系ＩＯは高倍率で焦点深度の浅
いものであっても台盤１上にセットされたワーク２の被
検面２ａに焦点を自動的にかつ正確に合わされ、パター
ン５の認識が的確に行われる。

なお、前記実施例では焦点調節が対物レンズ３を動かす
ことで行っているが、これに限るものではなく、台盤ｌ
によるワーク２の昇降で行うこともできるし、カメラ４
において行うこともできその方式は間はない。

発明の効果 本発明によれば所望の部分を繰返し走査できる撮像手段
とその焦点調節手段、動作制御手段および信号処理手段
だけで自動焦点機能を達成することができ、動作制御、
信号処理の各手段は撮像手段でパターン認識等を行うの
に用いられる制御装置の制御機能で代替し得るし、焦点
調節手段も通常用いられるものであるから、従来のよう
な特別な光学系やコントローラを必要とせず構造が簡単
で安価なものとなる。また装置が大型化することもない
。さらに撮像手段における自動焦点のための走査は部分
的であって、所定の焦点調節範囲での各焦点調節位置に
て逐次行うものの時間の延長にはならない。そして部分
走査は撮像画面のどの部分についても行うことができ、
被検面の焦点調節に有利な部分や焦点を特に合わせたい
部分等必要部分について自由に自動焦点機能を働かせる
ことができる。

また撮像手段にＭＯＳ型カメラ、焦点調節手段の駆動源
にピエゾアクチュエータを用いるとそれらの性質上前記
部分走査による自動焦点動作が高速でかつ正確に無振動
でなされる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示すパターン認識用の撮像
装置の概略図、第２図はワークの被検面の平面図、第３
図はピエゾ電圧ｐｖ、４とピエゾアクチュエータの変位
ｍｐｚ、との関係特性を示すグラフ、第４図はカメラ４
のモニタ画面で見た部分走査状態を示す図、第５図は部
分走査の繰返しにより得た画像の状態を示す図、第６図
は各部分走査で得た最大差分値の絶対値分布グラフ、第
７図は自動焦点機構の従来例を示す撮像装置の概略図で
ある。 ２・・・−・・−−−−・・・−・−−−−−・・−・
・−・・−・・・・ワーク２ａ・−・・・−−−−−・
・・・・−・−・・−・・−・・−・−・・被検面３・
−・・・・・−・−・・・・・−・・−・・・・・−・
・−・・対物レンズ４−・・−・−・・・−・・・−・
・・・−・−・・・・・−ＭＯＳ　型カメラ６・・・−
・・・・・−・・・・・・−・−・・・・−・・・・・
ピエゾアクチュエータ７・−・・・・−・・・・・−・
−・・・−・−・・・・・−・・・・ピエゾｔｉ！９・
・・・・・・・・−・・・・−・−・・・・・−・・・
・・・・・・・制御装置１２・・・−・・・−・・・−
・・−・・−・−・・・・−・−・−動作制御手段１３
・−・・・・−・−・・−・・−・−・−・・・−・・
・−・・・・・−信号処理手段。 代理Ａ４弁理士　中尾　　敏男　はか１名第　１　図 第２図 第５図 第３図 ピエゾも圧ＰＶＮ（） 検を　≦２

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）撮像面の所望部分を繰返し走査できる撮像手段と
   、撮像手段における焦点調節手段と、焦点調節手段を所
   定の範囲で作動させると共に所定の焦点調節位置ごとに
   撮像手段による特定部分での走査を行わせる動作制御手
   段と、所望部分での各回の走査における出力の差分値を
   算出して絶対値で最大のものを得ると共に、さらにそら
   れのうちの最大のものを合焦情報値として抽出しそれを
   得た走査が行われたときの焦点調節位置を合焦位置とす
   る信号処理手段とを備えたことを特徴とする撮像装置の
   自動焦点機構。
2. （２）撮像手段はＭＯＳ型カメラであり、焦点調節手段
   はピエゾアクチュエータを駆動源とする請求項（１）記
   載の撮像装置の自動焦点機構。