自动聚焦控制方法、自动聚焦控制器和图像处理器技术

一种自动聚焦控制方法、自动聚焦控制器和图像处理器，它们能够消除由光学系统产生的影响而实现稳定的自动聚焦控制功能。在计算多个聚焦位置处获得的每个样品图像的聚焦估计值时，对所获得的样品图像进行平滑处理，以减少由于光学系统而引起的亮度的暗和亮的模式，并根据平滑处理过的样品图像来计算聚焦估计值。此外，通过平均平滑处理的样品图像的显示亮度来标准化聚焦估计值以获得最佳的估计值。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及例如一种自动聚焦控制方法、自动聚焦控制设备和图像处理设备，它们都适合用在通过视频摄像机来对对象样品进行图像拍摄、观察和检查的设备中，尤其能够通过消除光学系统的影响而实现稳定的自动聚焦操作。
技术介绍
迄今，已用聚焦估计值来进行图像的自动聚焦控制，该聚焦估计值是通过根据对象样品(工件)的图像数据来估计和量化聚焦程度而得到的。也就是说，在镜头与对象之间的不同距离处收集样品的图像数据并计算关于各个图像数据的聚焦估计值，以便找出适合的聚焦位置。图21示出了镜头到工件的距离(水平轴)和聚焦估计值(垂直轴)之间的关系。这个关系是在以恒定的间隔改变镜头到工件的距离时通过加载图像并计算和标绘各个图像的聚焦估计值而得到的。在曲线图上的最大聚焦估计值为聚焦的位置，即，最佳的聚焦位置(焦点位置)。下面将聚焦估计值相对镜头到工件的距离的关系图称之为“聚焦曲线”。在常规技术中，已经设计了在预定的查找范围内改变镜头到工件的距离并将图中的聚焦估计值的最大值定为最佳的聚焦位置，或者根据在最大值前后的聚焦估计值来计算最佳聚焦位置。聚焦估计值使用了亮度的最大值、亮度的导数、亮度的离差、亮度导数的离差，等等。将爬坡法或类似方法认作是根据最大聚焦估计值来找到最佳聚焦位置的算法，此外，为了减少查找时间，将查找操作分为许多步骤的方法也已投入实用(已公开的日本专利申请书Nos.Hei 6-217180和2002-333571，以及日本专利出版物No.2971892)。随着目标工件的小型化，对于运用这种聚焦技术的检查设备而言，也要求更大地改进其分辨率。采用短波长/单波长的照明光源能够改进分辨率。尽管单波长的结构能够避免色差或类似因素的影响，然而，短波长的结构能够提高光学分辨率。然而，存在这样的一个问题，这就是要用在光路上的诸如镜头的光学材料的种类会受到照明光源的短波长结构的限制，并且，斑点之类的影响会由于单波长结构而出现。斑点就是这样的状态，即，屏幕的亮度以斑点的形式分布，并根据光源的波长或光学系统的结构呈现一种独特的灰度级分布模式。在这些影响之下出现了一种情况，如图22所示，这就是形成了聚焦曲线，受光学系统影响的部分具有比在最佳聚焦位置的聚焦估计值更大的值。聚焦曲线的形状和数值范围并非单独由诸如反射率之类的物体表面状态决定。因此，在上述的情况下，根据聚焦估计值的最大值寻找聚焦位置的常规技术不能够稳定地找到最佳的聚焦位置。鉴于上述的问题，提出了本专利技术，本专利技术的目的在于，提供一种自动聚焦方法、自动聚焦控制设备和图像处理设备，它们都能通过消除光学系统的影响而实现稳定的自动聚焦操作。
技术实现思路
为了解决上述的问题，根据本专利技术的自动聚焦控制方法包括图像获得步骤，用于在镜头到对象的距离中的彼此不同的多个聚焦位置处获得对象的各个图像数据；估计值计算步骤，用于根据获得的各个图像数据来对多个聚焦位置计算聚焦估计值；焦点位置计算步骤，用于计算作为焦点位置的聚焦位置，在此位置上聚焦估计值之一达到最大值；移动步骤，相对于对象将镜头相对地移动到计算出的焦点位置。该自动聚焦控制方法对获得的图像数据进行平滑处理，并根据平滑处理过的图像数据来计算聚焦估计值。也就是说，亮度的灰度级分布是由于单波长、由光斑(speckle)而引起的。由于这个缘故，在本专利技术中，为了减少灰度级分布模式，增加了图像平滑处理。通过图像平滑处理，能掌握目标样品(对象)的特征，并在减少光斑的灰度级分布模式的同时，最佳地计算聚焦估计值。在图像的平滑处理期间，可以根据对其施加处理的光学系统的种类和对象样品的表面特性等来适当地设置处理条件，譬如，要处理的像素的数量(单元处理的范围)、滤光(filtering)系数、处理的次数以及是否有加权，等等。此外，在计算聚焦估计值期间，检查在获得的图像数据中的相邻像素之间的亮度的差是否合适，并且能使用例如边缘增强技术，该技术提取在特征和轮廓部分的像素之间的亮度数据的变化。在计算聚焦估计值期间，在同一目标区中的聚焦位置之间，如果存在亮度的不均匀性，那么，在相邻像素之间，亮度数据差的绝对值就会起变化，以致于不能最佳地计算聚焦估计值。由于这个缘故，为了避免这个问题，将计算出的估计值除以整个屏幕的平均亮度并用屏幕的平均亮度来对聚焦估计值标准化是合适的。此外，在上述的自动聚焦控制操作期间，能增加这样的功能，即，根据在多个聚焦位置上获得的各个样品图像的聚焦估计值来合成对象的全焦距(omnifocal)图像或三维图像。这个处理将在各个聚焦位置上获得的每个图像在屏幕上分为多个区域，并根据对于每个分划区上得到的聚焦估计值和聚焦位置信息来执行。在此情况下，由于消除了光学系统的影响，就能够用超级分辨率来检查和观测具有三维结构的对象的表面。根据本专利技术的自动聚焦控制设备包括估计值计算装置，其根据在镜头到对象间的距离中的彼此不同的多个聚焦位置上获得的各个图像数据来对多个聚焦位置计算各个聚焦估计值；还包括焦点位置计算装置，其根据计算出的聚焦估计值的最大值来计算焦点位置；还有图像平滑装置，其对获得的图像数据进行平滑处理。该自动聚焦控制装置根据由图像平滑装置平滑处理过的图像数据来计算各个图像数据的聚焦估计值。通过与图像获得装置和驱动装置结合，可将根据本专利技术的自动聚焦设备建造为单个的图像处理装置，所述图像获得装置在多个聚焦位置上获得对象的各个图像数据，所述驱动装置调节镜头到对象的距离，或者，也可以将该自动聚焦设备构造为独立于图像获得装置和驱动装置的分离结构。根据本专利技术，由于可能通过消除光学系统的影响来稳定地进行高精度的自动聚焦，因此，能使用短波长/单波长光学系统来实现样品观测，从而能实现大规模集成电路上微造的半导体晶片等的高分辨率观测。附图说明图1是根据本专利技术的第一实施例的图像处理设备1的结构示意图。图2是说明控制器7的结构方块图。图3是图像处理设备1的操作流程图。图4是说明图像处理设备1的另一个操作例子的流程图。图5是说明本专利技术的一个操作的聚焦曲线的例子，FC1示出了在执行使用聚焦估计值来进行图像平滑处理和亮度标准化时得到的例子，FC2示出了在只进行图像平滑处理时得到的例子，FC3示出了常规的例子。图6是说明了在聚焦估计值的最大值附近用曲线近似法来计算焦点位置的方法的图。图7是示出了施加到镜头驱动部分4的电压和镜头的实际移动电压之间的关系的示意图。图8是说明了加载样品图像和计算聚焦估计值的并行处理方法的图。图9示出了本专利技术的第二实施例，并说明了将屏幕分成为多个区域并在各个划分区中检查焦点位置的方法。图10是本专利技术的第三实施例的程序流程图。图11是用在本专利技术的第三实施例的存储器的结构图。图12是说明全焦距图像获得步骤的流程图。图13示出了本专利技术的第四实施例，并说明通过在聚焦轴方向上组合样品图像的焦点位置来获得三维图像的方法。图14是说明合成三维图像的方法的流程图。图15是功能方块图，该图示出了根据本专利技术的第五实施例的自动聚焦控制设备的第一结构例。图16是功能方块图，该图示出了根据本专利技术的第五实施例自动聚焦控制设备的第二结构例。图17是功能方块图，该图示出了根据本专利技术的第五实施例自动聚焦控制设备的第三结构例。图18是功能方块图，该图示出了根据本专利技术的第五实施例自动聚焦控制设备的第四结构例本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种自动聚焦控制方法，包括：图像获得步骤，用于在镜头和对象间的距离中的彼此不同的多个聚焦位置上获得对象的各个图像数据；估计值计算步骤，用于根据所述获得的各个图像数据为多个聚焦位置中的每一个计算每个聚焦估计值；焦点位置计算步骤，用于计算作为焦点位置的聚焦位置，在该位置处所述聚焦估计值达到最大值；移动步骤，用于相对于所述对象将所述镜头相对地移动到所述计算的焦点位置；所述自动聚焦控制方法的特点在于：在所述图像获得步骤和所述估计值计算步骤之间提供图像平滑步骤，用于平滑所述获得的图像数据；根据所述平滑过的图像数据来计算所述聚焦估计值。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：江部宏树，山内正弥，菊地清幸，黑田清隆，高桥淳市，
申请(专利权)人：索尼株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]