TWI413799B - The method of automatically looking for the focus position of the optical microscope - Google Patents

Description

光學顯微鏡之自動尋找對焦位置之方法

本發明係有關於一種自動尋找對焦位置之方法，特別是指一種光學顯微鏡之自動尋找對焦位置之方法。

光學顯微鏡藉由聚光鏡及物鏡將待測物件放大到人眼所能觀察的影像，使得研究人員能夠輕易的觀察極小物體的形貌、大小和內部結構，以便於更進一步的研究與分析。隨著光學顯微鏡的發展，人們可以探知微觀的世界，科學家依靠顯微鏡的幫助，開啟顯微領域的研究，並應用在多種領域上，如醫藥學、生物學、地質學、礦物學、植物學、材料科學、治金學、食品檢驗、犯罪檢驗及其他相關學科的研究與發展過程都產生無可替代的作用，成為名符其實的科學工具。

隨著數位影像訊號技術的發展之下，光學顯微鏡系統只需搭配CCD Camera便可應用在產品的檢測與物件量測以加快量測的速率，如晶圓的表面粗糙度和平面度的量測、覆晶製程中錫球與凸塊的尺寸和共面度的量測、液晶平面顯示器CF與cell製程中spacer的尺寸和高度之檢測、光纖端面和微光學元件表面形貌之量測或是生物細胞的觀察與分析等，常需要耗費相當多的時間，必須透過自動對焦的方式簡化使用者的反覆操作，藉由高效率的自動對焦系統的輔助，以達到試品快速自動化觀察分析與檢測的目標。

自動對焦技術在掃描的顯微鏡系統當中扮演著舉足輕重的角色，一般來說，其演算法都藉由數學函式的運算來找出其對焦曲線，透過搜尋極值得到最佳的對焦位置。自動對焦技術的大致分類可分為主要兩種：主動式與被動式，被動式的研究又可分為清晰度運算法和對焦搜尋法，而清晰度運算法包含頻率轉換方式或是空間域的運算。

主動式架構為使用超音波、雷射或是紅外線等之輔助光源投射至待測物體表面後，藉由感測器接收返回之訊號並測量反射時間或利用三角測量法計算與物體之間的距離，據以調整鏡距以達成對焦目的。其優點為對焦判斷速度快速，即使在昏暗不明的清況下也可對焦，缺點為：(1)價格昂貴：測距設備價格高昂，且成本與設備解析度成正比。(2)架設困難：無法提供近似同光軸之設計，無法以視野範圍為對焦位置將造成誤差。(3)體積龐大：目前半導體或其他光電產業之檢測系統樣品與鏡頭之距離極短，但對焦設備體積過大將難以應用於一般之機台。

被動式自動對焦方法利用待測物體表面反射回鏡頭之光源，並利用CCD或其他感測器得到數位化資料，計算影像清晰度數值或對比度等，再配合對焦搜尋演算法來完成對焦。優點為不需複雜之外掛機構佔用體積，可直接利用CCD等取像及運算。其缺點為：(1)運算時間久：由於需於在焦點附近來回判斷真正焦點位置，所以相當耗時，因此需要能夠提高運算速度的演算法。(2)需要充足的光照：當主體照明光線不足無法精密測距。

國內所自行開發的技術多以被動式自動對焦方法為主，應用系統執行影像擷取時所使用的CCD，將光的強度轉變為可量測的電壓訊號，靠著適當的時序，將一維的電壓訊號完整表現出二維的影像，再經由視覺處理方式以軟體配合對焦演算法推算出正確對焦位置。運用被動式自動對焦機台造價便宜，只要給予充足的光照，即可讓機台找出對焦位置。然而被動式自動對焦機台之運算時間較常，因此影響對焦效率，若能使被動式自動對焦方法的運算時間縮短，則必能提升被動式自動對焦機台的對焦效率。

因此本發明提供一種光學顯微鏡之自動尋找對焦位置之方法，其係可簡化自動對焦的運算流程，以提升光學顯微鏡之自動對焦速率，如此可解決上述之問題。

本發明之主要目的，在於提供一種光學顯微鏡之自動尋找對焦位置之方法，其係藉由取樣的方式擷取複數個影像訊號之複數個能量值，如此可儉省運算時間，並計算相鄰之能量值之一清晰度值，以快速判斷最佳焦點位置所擷取的影像，進而減少光學顯微鏡尋找最佳焦點位置的時間，以增加光學顯微鏡的對焦效率。

本發明之光學顯微鏡之自動尋找對焦位置之方法，首先，依據複數取樣位置，取樣複數個影像訊號；之後，計算該些影像訊號，得知對應之複數個能量值；接著，計算相鄰之能量值之清晰度值；然後，計算清晰度值對應之一絕對值；接續，判斷該些絕對值之一最大值，最大值對應複數個影像之其中之一；最後，依據最大值所對應之影像訊號而得知所對應之該取樣位置，並作為該光學顯微鏡之該對焦位置。藉由取樣的方式以擷取複數個影像訊號之複數個能量值，如此可儉省運算時間，並計算相鄰之能量值之一清晰度值，以快速判斷最佳焦點位置所擷取的影像，進而減少光學顯微鏡尋找最佳焦點位置的時間，以增加光學顯微鏡的對焦效率。

茲為使 貴審查委員對本發明之結構特徵及所達成之功效有更進一步之瞭解與認識，謹佐以較佳之實施例及配合詳細之說明，說明如後：請參閱第一圖，其係為本發明較佳實施例之流程圖；如圖所示，本發明之光學顯微鏡之自動尋找對焦位置之方法包含下列步驟，首先，進行步驟S1，依據複數取樣位置，取樣複數個影像訊號；之後，進行步驟S2，計算複數個影像訊號，得知對應之複數個能量值；接著，進行步驟S3，計算相鄰之複數個能量值之複數個清晰度值，使用皮爾森運算法運算出複數個清晰度值；然後，進行步驟S4，計算複數個清晰度值對應之複數個絕對值；接續，進行步驟S5，判斷複數個絕對值之一最大值，最大值對應複數個影像之其中之一；最後，進行步驟S6，依據最大值所對應之影像訊號而得知所對應該取樣位置，並作為光學顯微鏡之對焦位置。藉由取樣的方式以擷取複數個影像訊號之複數個能量值，可儉省運算時間，並計算相鄰之能量值之一清晰度值，以快速判斷最佳焦點位置所擷取的影像，進而減少光學顯微鏡尋找最佳焦點位置的時間，以增加光學顯微鏡的對焦效率。

傳統的頻譜分析只能對線性物理現象來定義，而大自然的各種現象，多為非穩態訊號及短暫的特徵，這些部分在訊號處理當中極為重要，傳統 的頻譜分析卻無法進行有效之解析。再者，所有的訊號處理都應當於發生的時間予以識別，振福與頻率兩者都須要賦予時間的變數，才能將訊號的特性充分表現出來，因此本發明利用希爾伯特轉換，給予整個訊號能量-即時頻率-時間的分布，以產生一希爾伯特頻譜(Hilbert Spectrum)，由於希爾伯特轉換對非線性及非穩態之歷時訊號較其他頻譜分析有較佳之解析能力，因此訊號經由希爾伯特轉換後，可使訊號的分析較為容易，以提升分析的準確度。

請參閱第二圖，其係為本發明較佳實施例之影像訊號之詳細步驟的流程圖；如圖所示，於步驟S1中，更包含下列步驟，首先，進行步驟S12，取樣複數個影像訊號之複數個時域影像訊號；之後，進行步驟S14，轉換複數個時域影像訊號為複數個頻率域影像訊號並依據複數個頻率域影像訊號產生複數個能量值。使用希爾伯特運算法產生複數個能量值。其中於步驟S12後，更包含一步驟S13，其係建立複數個時域影像訊號之複數個集合向量訊號，如此於步驟S14中，將這些複數個集合向量訊號轉換為複數個頻率域影像訊號。另外，本發明於步驟S2後，更包含一步驟S22，放大複數個能量值，放大的方式係將能量值平方。

本發明取樣一影像訊號或時間序列X(t)，經過希爾伯特轉換之後得一複數時間序列Z(t)，Z(t)的數學式表示如：Z(t)=X(t)+iY(t)，而複數時間序列所對應一振幅大小a(t)，而a(t)的數學式表示如a(t)=√(X² (t)+Y² (t))，而離散的希爾伯特轉換可表示如：Y(n)=IDFT(H(m)‧DFT(X(n)))，此處DFT和IDFT為離散傅立葉轉換和離散傅立葉反轉換，DFT的數學式表示如： IDFT的數學式表示如： 而H為一向量，其值如：H(m)=1 for m=1,(n/2)+1 2 for m=2,3,……(n/2) 0 for m=(n/2)+2,……,n本發明透過一維的希爾伯特轉換以獲得頻率的影像能量訊息，由影像系統擷取的每張時域影像訊號f_k (x,y)，將影像灰階值資料建立集合向量Z_c ，Z_c 為間隔等距d的向量，c=1,2,...,C，表示如下：Z₁ =f_k (1,j) Z₂ =f_k (1+d,j)．．．Z_c =f_k ((c-1)‧d,j)其中C=int(image_width/d-1)，j=1,2,3......image_height。如此取樣方式不用計算整張影像的資訊，可以大大節省運算的時間，再將c V向量經由希爾伯特轉換成頻率域的影像訊號，取其振福(能量)大小並平方，平方的目的是增大其變異量以利於對焦的判斷，分別表示為：H₁ =(a₁ )² H₂ =(a₂ )² ．．．Hc=(a_c )² 之後建構單一序列的希爾伯特能量頻譜向量(Hilbert Power Spectrum Vector，簡稱HPSV)： HPSV_k =H 1=H 2．．=H C對於每一張擷取的影像都有其相對應的希爾伯特能量頻譜向量，之後在運用皮爾森相關分析可以比較兩張影像能量大小之間的關聯性，而r即為清晰度值，清晰度值r的數學式表示如下： r值只會介於1與-1之間，因此我們利用|r |的方式可以讓我們容易得知影像能量強弱的關聯性，其中X和Y為兩樣本的變數，n代表樣本的資料量。當|r |值越趨近於零，清晰度值越小；當|r |值越大，清晰度值越大，根據此特性，當|r |為所連續擷取掃描影像相關性的極值時，k為所擷取的影像第k張，就是最佳的對焦位置，而最佳位置的表示式為：Best_focus=max|r |，計算相關性r，令X=HPSV₁ ，Y=HPSV_k ，n=image_height，X為參考的資料與不同k張的Y做關聯性的分析，也就是說以第一張擷取影像的希爾伯特能量頻譜向量為基準與第k張的希爾伯特能量頻譜向量與之做比較，得到極值| r_k |，最佳的對焦影像就座落在第k張的位置，於本發明中能量值係指能量頻譜向量之意。

本發明所提出的對焦方法可應用在不同的光學顯微鏡下，如螢光顯微 鏡、金像顯微鏡、白光干涉儀等。以螢光顯微鏡來說明，螢光顯微鏡是一種觀察分析生物細胞的活動以及細胞內部組織的分布之裝置，金像顯微鏡普遍在簡易的觀測物體形貌上使用，若搭配高速自動對焦的系統，便可簡化使用者反覆的操作，提升工作效率。

目前市面上白光干涉儀有多種的對焦系統模組，若要使系統簡化並降低成本，而且不需外加的輔助儀器及複雜的光路，可藉由單顆CCD的取像達成，並搭配高速、高準確的清晰度演算法粗步判斷干涉影像的位置，設定預設的掃描範圍，再透過高精密的PZT垂直掃描，即可完成待測物體3D形貌的量測。因此可藉由本發明所提供之光學顯微鏡之自動尋找對焦位置之方法，可簡化演算過程，以提升學顯微鏡之自動對焦效率。

綜上所述，本發明之光學顯微鏡之自動尋找對焦位置之方法，首先依據複數取樣位置，取樣複數個影像訊號，以計算該些影像訊號之複數個能量值；之後在計算相鄰之能量值，得知對應之清晰度值，並找出清晰度值對應之一絕對值的最大的值，最大值對應複數個影像之其中之一，如此以判斷最大值所對應之影像訊號之一位置。藉由取樣的方式以擷取複數個影像訊號之複數個能量值，如此可儉省運算時間，並計算相鄰之能量值之一清晰度值，以快速判斷最佳焦點位置所擷取的影像，進而減少光學顯微鏡尋找最佳焦點位置的時間，以增加光學顯微鏡的對焦效率。

故本發明係實為一具有新穎性、進步性及可供產業利用者，應符合我國專利法所規定之專利申請要件無疑，爰依法提出發明專利申請，祈 鈞局早日賜准專利，至感為禱。

惟以上所述者，僅為本發明之一較佳實施例而已，並非用來限定本發明實施之範圍，舉凡依本發明申請專利範圍所述之形狀、構造、特徵及精神所為之均等變化與修飾，均應包括於本發明之申請專利範圍內。

第一圖為本發明較佳實施例之流程圖；以及第二圖為本發明較佳實施例之影像訊號之詳細步驟的流程圖。

Claims (7)

1. 一種光學顯微鏡之自動尋找對焦位置之方法，該方法包含：依據複數取樣位置，取樣複數個影像訊號，其中，該取樣位置為一光學顯微鏡之成像位置；計算該些影像訊號之複數個能量頻譜向量；計算相鄰之該些取樣位置之該些能量頻譜向量，得知對應之複數個清晰度值；計算該些清晰度值對應之複數個絕對值；判斷該些絕對值之一最大值，該最大值對應該些影像之其中之一；以及依據該最大值所對應之該影像訊號，而得知所對應之該取樣位置，並作為該光學顯微鏡之該對焦位置。
2. 如申請專利範圍第1項所述之光學顯微鏡之自動尋找對焦位置之方法，其中於依據複數取樣位置，取樣複數個影像訊號之步驟中，包含下列步驟：依據該些取樣位置，取樣複數個時域影像訊號；以及轉換該些時域影像訊號為複數個頻率域影像訊號。
3. 如申請專利範圍第2項所述之光學顯微鏡之自動尋找對焦位置之方法，其中該計算該些影像訊號之複數個能量頻譜向量之步驟係依據該些頻率域影像訊號產生該些能量頻譜向量。
4. 如申請專利範圍第2項所述之光學顯微鏡之自動尋找對焦位置之方法，其中於依據該些取樣位置，取樣複數個時域影像訊號之步驟後，更包含一步驟，其係建立該些時域影像訊號之複數個集合向量訊號，以於轉換該些時域影像訊號為複數個頻率域影像訊號之步驟中，將該些集合向量訊號轉換為該些頻率域影像訊號。
5. 如申請專利範圍第2項所述之光學顯微鏡之自動尋找對焦位置之方法，其中於使用該些頻率域影像訊號產生該些能量頻譜向量之步驟中，其係使用希爾伯特運算法產生該些能量頻譜向量。
6. 如申請專利範圍第1項所述之光學顯微鏡之自動尋找對焦位置之方法，其中於計算相鄰之該些取樣位置之該些能量頻譜向量之複數個清晰度值之步驟中，其係使用皮爾森運算法運算該些清晰度值。
7. 如申請專利範圍第1項所述之光學顯微鏡之自動尋找對焦位置之方法，其中於計算相鄰之該些取樣位置之該些能量頻譜向量之步驟前，更包含一步驟，係為以平方放大該些能量頻譜向量。