专利名称：估计焦点对准位置的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及图像扫描设备中估计目标的焦点对准位置的一种方法，以及执行这种方法的设备。
背景技术：
许多情形下图像扫描设备用来获得目标的图像。许多例子中，由设备的光学配置提供的聚焦深度证明是比被扫描的目标位置的变化要小。对于基本上模糊的目标，这可以认为是表面的高度在扫描中不同的点处以大于设备的聚焦深度的量而变化。为了产生目标图像，需要在扫描期间调节聚焦。
本技术中已知在采样中使用若干点处的“聚焦映射(focusmap)”。焦距被测量并使用内插技术预测这些点之间的焦距。这一过程的缺陷在于，焦距的快速变化需要在扫描之前测量许多点。这当然是耗时的，并可能明显降低设备生产率。一般对于一单个目标可能有八或九个聚焦样本。如果这种目标产生比如100,000象素乘以100,000线的图像，则焦点之间可能多达20,000线。因而需要对先有技术进行改进，以产生一种快速和精确的装置，用于确定在扫描中多点处的焦点对准位置。
发明内容
根据本发明的第一方式，提供在图像扫描设备中估计目标焦点对准位置的一种方法，包括以标称的聚焦程度扫描目标的第一部分，以获得对应的图像信息；以一个或多个各进一步的聚焦程度(focus level)扫描目标的一个或多个进一步的部分，以获得对应的图像信息；使用各图像信息对于标称的和一个或多个进一步的聚焦程度的每一个计算聚焦参数；以及使用计算的聚焦参数估计目标的第一和进一步的部分的每一个的共同的焦点对准位置。
已经认识到，焦点对准位置实际上可在进行扫描本身期间来估计。通过牺牲某些标称焦点对准图像信息，通过获得在与标称聚焦程度不同的一个或多个进一步聚焦程度的图像信息，能够估计焦点对准位置。然后以进一步聚焦程度和标称聚焦程度获得的信息能够用来确定焦点对准位置。其优点在于，在扫描本身期间能够在若干不同的点估计焦点对准位置。此外不需要预扫描或进行任何映射，因而可实时(on-the-fly)进行聚焦。假设有时以进一步的聚焦程度获得充分小量的图像信息，通过根据以标称聚焦程度获得的周围图像信息修改进一步聚焦程度图像信息，也能够维护图像信息的总体质量。
最好使用两个或多个进一步的聚焦程度，且这些聚焦程度最好设置为跨骑标称聚焦程度。因而当提供两个进一步程度时，在标称聚焦程度每一“侧”提供一个。这不是必需的，并且实际上在进一步和标称聚焦程度之间的间隔对于每一个进一步的程度可能不同。通常使用检测器阵列进行图像扫描，从检测器阵列获得图像信息的扫描线，以建立起结果的图像。由于聚焦通常是一个机械过程(至少对于光的聚焦)，聚焦程度最好彼此分开数条扫描线。这允许有时间使设备在各种聚焦程度之间被调节。因而进一步的聚焦程度可彼此隔开大约50条扫描线。
一般，扫描的大部分或扫描的一部分以标称聚焦程度获得，并且从标称聚焦程度向各进一步聚焦程度对少量几条扫描线修改聚焦。原则上，只有一条扫描线可用于进一步的聚焦程度，虽然一般可使用三条扫描线。
聚焦参数可采取数种形式，虽然最好取聚焦优化值(merit value)的形式。一般，聚焦优化值是图像内复杂性程度的数值度量，值越大，图像中的细节越多。焦点越对得准的图像具有对应的越高的优化值。本发明中特别的优点是，对于进一步的聚焦程度使用正规化的优化值形式的优化值。正规化最好相对于标称聚焦程度在目标基本相同的位置处进行。使用目标相同的位置是为了防止在进一步聚焦程度与标称聚焦程度的优化值之间呈现的图像细节量有差别。因而假设目标内细节的程度在这些相邻位置是相同的，使得这些可被认为基本上是相同的位置。
一旦对于标称的和进一步的聚焦程度的每一个获得了聚焦参数，通过把对于标称的和进一步的聚焦程度的聚焦参数拟合为曲线，可获得估计的焦点对准位置的计算。这种“曲线”也可包括直线。此外，在峰值位置的焦点对准参数值也可用来计算焦距值中的误差。一般来说，该误差反比于聚焦参数的量值，诸如优化值。
该方法还可进一步包括在穿过扫描的数个位置处重复上述的方法。任何估计的焦点对准值可拟合为曲线，以便估计测量的位置之间的焦点对准位置和/或预测待扫描的目标的区域中的聚焦。例如，如果聚焦程度的趋势总的来说是向上，则可预见扫描将以这种方式以聚焦向上方向继续进行。例如这可能是目标相对于扫描设备光轴倾斜的情形。
标称聚焦程度最好尽可能接近焦点对准位置。在进行扫描之前，可以估算开始聚焦位置，以便近似或精确地对目标确定焦点对准位置，并可对应于此相应地设置标称聚焦程度。
如较早所述，当以进一步的聚焦程度获得图像信息时，可通过使用以标称聚焦程度获得的相邻图像信息的内插来修改所述图像信息，改进对于该聚焦程度的图像信息的质量。在使用扫描线的情形下，可使用来自相邻标称聚焦程度图像信息的数条附近扫描线的加权作用来进行内插。
根据本发明的第二方面，提供一种图像扫描设备，包括检测器阵列，用于从目标获得图像信息；扫描装置，用于引起检测器阵列与目标之间的相对运动；
调焦装置，适用于修改检测器阵列与目标之间的聚焦；以及处理器，适用于引起该设备通过以标称聚焦程度扫描目标的第一部分来执行根据本发明第一方面的方法，以获得对应的图像信息，以一个或多个各进一步的聚焦程度扫描目标的一个或多个进一步的部分，以获得对应的图像信息，使用各图像信息对于标称的和一个或多个进一步的聚焦程度的每一个计算聚焦参数，以及使用计算的聚焦参数估计对于目标的第一和进一步的部分的每一个共同的焦点对准位置。
将可以理解，该扫描设备一般可包括扫描仪，其类型可包括移动目标的扫描仪而不是检测器阵列以及任何透镜。还可提供适用于进行扫描、计算和估计步骤之一或每一个的装置。
现在参照
根据本发明的方法和设备的一个例子，其中图1是根据该例子的设备的示意表示；图2是示例的方法的流程图；图3示出各聚焦程度的变化；图4示出使用优化曲线确定焦点对准位置；以及图5示出使用该方法跟踪表面起伏。
具体实施例方式
在图1中，1总体示出一个示例性图像扫描设备。其包括一个扫描头2，其包括光学检测器阵列3和可调节聚焦系统4。提供一个平台5，待扫描的目标6位于其上。一个驱动机构7把扫描头连接到轨道8上，使得扫描头能够相对于目标6按箭头9所指移动。使用可包括可编程逻辑、专用处理器或计算机系统的控制器10控制该图像扫描设备。
现在参照图2的流程图说明执行根据本发明的方法的图像扫描设备1的操作。该方法在步骤100开始，在此进行各种设置和初始化过程，包括把目标6定位在平台5上。控制器10借助于驱动机构7移动扫描头2到开始位置。这一步骤还可选地包括初始聚焦测量，可通过以下方式执行该测量例如通过调节可调节聚焦系统4，以便从目标在数个不同聚焦位置获得图像信息，并然后从在每一聚焦位置的图像信息获得的聚焦优化值来确定焦点对准位置。
在步骤101控制器操作可调节聚焦系统4，以便把焦距设置在标称聚焦程度。这可基于诸如上述的较早的聚焦测量，或可基于预定的聚焦程度或假设的默认值来实现。
在步骤102，通过控制器10开始扫描，引起驱动机构7沿轨道8以预定的速度(或者平滑地或者停止-开始)移动扫描头2。在扫描头前进行时光学检测器阵列3反复获得图像信息的扫描线。现在参照图3，示出扫描期间获得每一扫描线的聚焦程度。纵坐标轴例如是表示图1中垂直方向的聚焦程度的轴线，而横坐标轴表示扫描方向(平行于图1中箭头9)。扫描在图3中的A开始，在此以标称聚焦程度取数条扫描线。这种情形下，以标称聚焦程度获得头六条扫描线(图3中标号1到6)。对于每一条扫描线，记录对应的图像信息。为了确定标称聚焦程度是否为焦点对准，在图2的步骤103，控制器10使得可调节聚焦系统4向上按量X调节聚焦程度(图3)。后续的扫描线7，8，9以这一新的第一进一步的聚焦程度获得。应当注意，在获得扫描线6和7之间可暂时减慢扫描，以允许可调节系统有时间调节聚焦。然而，这可能不是实质性的，这取决于进行扫描和聚焦可被调节的快速性。另外，能够以“半-聚焦”位置，即以相对于标称焦距0.5X距离处获得扫描线7和9。这些将作为这种情形下第二进一步的聚焦位置有效地起到作用(见后)。
已经以第一进一步的聚焦程度获得了三条扫描线7，8，9，控制器10一旦再次调节聚焦系统4以把聚焦位置移回到标称聚焦程度的位置。然后在标称焦距位置取得大约40条进一步的扫描线，这些表示在图3中的扫描线10到60。
在步骤105，控制器10引起可调节聚焦系统在相对方向移动焦距达量X，并此后获得扫描线61，62和63。
对于第一进一步的聚焦程度，一旦以第二进一步的聚焦程度获得了三条扫描线，在步骤106该焦距返回到标称聚焦程度。
在步骤107，分析以标称焦距，第一进一步的焦距和第二进一步的聚焦程度的每一个获得的图像信息，以便确定聚焦参数。在这种情形下，这采取聚焦优化值的形式。这种值提供与图像信息内细节量相关的数值。
如果目标6示出在通过采样的细节中无变化，则在步骤107计算的聚焦优化值可直接在以下所述稍后的步骤中使用。然而，许多被扫描的采样在图像的复杂性上作为扫描位置的函数呈现变化，并因而最好在步骤108进行正规化步骤。这只对第一和第二进一步的聚焦程度进行。正规化通过如下进行取得扫描线7，8和9(对于第一进一步的聚焦程度)处的焦距优化值，并使这些除以按标称聚焦程度在一个或多个相邻扫描程度例如5，6，10，11获得的值。对这些值求平均能够降低伪值。假设在总共被扫描的五条或七条扫描线内几乎没有目标内细节的变化的情况下，使用标称聚焦程度的相邻扫描线。不必正规化标称聚焦程度优化值，因为假设这为一。
再来参见图3，可以看到焦点对准程度位于标称聚焦程度的第一进一步的聚焦程度侧。理想上，希望标称聚焦程度与焦点对准程度一致，从而获得最佳图像信息。为了确定焦点对准程度的位置，使对于标称的和第一及第二进一步的聚焦程度的聚焦优化值在步骤109拟合到一条曲线。这种曲线的一个例子示于图4，这以正规化焦距优化值的形式相对聚焦程度(横坐标)绘制在聚焦参数(纵坐标)的图上。当已知的一般形式的聚焦优化曲线(在200处所示)拟合为正规化聚焦优化值时，很清楚的是，标称聚焦位置与峰值(表示焦点对准位置)最接近。在纵坐标轴上峰值位置的交叉点给出焦点对准位置的聚焦程度。因而通过使用这一方法在步骤110进行计算而估计出焦点对准位置。
除了确定焦点对准位置之外，通过考虑聚焦优化值的量值能够估计这一位置的误差。大的聚焦优化值指示小的误差。这是因为当图像信息包含大量高频分量时，则给出很大的优化值，但当其只具有很小量的高频分量时，则其给出低的优化值。这种低的优化值类似于具有散焦的大量高频分量且已使高频成分去除的图像的区域。因而，如果产生高的优化值，则确定已达到焦点对准程度。此外，高的优化值保证来自噪声的作用很小，并能够以比低优化值峰值更高的确定性找出峰值。因而能够指定误差作为具有与优化值本身量值成反比的一个量值。
已找出焦点对准位置(程度)，因而在步骤112能够把标称聚焦调节到与这一焦点对准位置一致。这示于图3中。
虽然图4中为拟合曲线示出三个点，但最好有更大数目的点以改进曲线精度。可选地，可假设这些点的每一个在它们内部具有固有的误差。
虽然可使用数个进一步的聚焦程度以改进定位焦点对准位置的精确度，但要记住，在这些其它聚焦程度这样作时会降低获得的图像信息的质量。因而，在确定焦点对准程度中使用的扫描线的量与这样确定的程度的精确度之间存在折衷。对此进行改进的一种方式是向图4的曲线添加两个进一步的点，这些表示完全散焦的程度。例如这可这样来实现，假设量X(标称和第一/第二进一步聚焦位置之间的差)的整数倍数(诸如3)提供完全散焦的图像信息，并因而聚焦参数可接近零。因而这些点可添加到曲线以帮助拟合曲线200。
在上述的例子中，假设目标本身没有显示表面高度的变化并因而是平坦的(至少为成像服务)。然而，对于许多采样不是这样的情形，或者因为样本本身具有表面起伏，或因为样本本身一般相对于扫描头平面倾斜。
然而如所述，如果焦点对准位置实际上作为穿越扫描的位置的函数而变化，则该方法可被重复，例如以便重复地估计穿越扫描的各点处焦点对准位置。这示于图5，在此实际的表面起伏示于300，且四个焦点对准位置被表示为包含它们的误差。曲线301根据最近的焦点对准值实时拟合，并能够用来计算各计算位置之间的焦点对准位置。此外，其还能够用来预测下一个焦点对准位置将位于哪里，因而在进行下一个位置处的进一步的第一和第二进一步聚焦程度读取之前，允许标称聚焦位置据此被调节。因而从图5能够看出，通过使用采用了所述方法进行焦点对准位置的周期性的估计，在扫描本身期间能够跟随目标6的表面拓扑结构。这是非常有益的，因为不需要预扫描且能够实时进行。
在图2步骤115结束扫描，并此后处理表示图像信息的所获得的数据，以产生所希望的目标图像。另外，可进行进一步的带的扫描，在处理之前重复早先的步骤的方法。
应当记住，以进一步的聚焦程度获得的图像信息的质量一般低于以标称聚焦程度获得的图像信息的质量(假设焦点对准程度较接近标称焦距)。由于这一数据是低质量的，为了防止图像内的误差，该方法进一步包括在步骤116处理信息的步骤，以改进以这些进一步的聚焦程度获得的图像信息。这是通过内插方法实现的，其中使用在每一进一步的聚焦程度的任一侧的标称聚焦程度的扫描线来内插图像信息。因而，取扫描线7，8，9为例，在以下表中示出来自附近线的部分贡献。
这些是在线6和10之间的距离的25％，50％和75％处的内插值，可使用具有用于内插的其它加权或非均匀的线间隔的许多其它内插技术。
这一内插明显改进了整个图像的质量。应当记住，扫描线一般是非常狭窄的，因而这一内插步骤116在最终图像中不可见。
应当理解，本方法事实上可用于任何扫描系统，而不限于光学扫描，例如其还可用于电子显微镜等。使用预扫描(其在此进行)中的焦距值，或基于来自相邻“样本”的相邻信息，还可改进步骤114中的曲线的外推。因而如业内专业人员可理解的，这种信息的焦距值可用作为标称焦距的“种子点”。
权利要求
1.一种在图像扫描设备中估计目标的焦点对准位置的方法，包括以标称的聚焦程度扫描目标的第一部分，以获得对应的图像信息；以一个或多个各进一步的聚焦程度扫描目标的一个或多个进一步的部分，以获得对应的图像信息；使用各图像信息对于标称的聚焦程度和一个或多个进一步的聚焦程度的每一个计算聚焦参数；以及使用计算的聚焦参数估计对于目标的第一和进一步的部分的每一个共同的焦点对准位置。
2.根据权利要求1的方法，其中使用至少两个进一步的聚焦程度，在标称聚焦程度的每一侧有一个。
3.根据以上任一权利要求的方法，其中由扫描线形成扫描，以及其中，当使用至少两个进一步的聚焦程度时，聚焦程度由数条扫描线彼此分开。
4.根据权利要求3的方法，其中进一步的聚焦程度由大约50条扫描线彼此分开。
5.根据以上任一权利要求的方法，其中当由扫描线形成扫描时，对于小数目的扫描线，聚焦从标称聚焦程度修改为各进一步的聚焦程度。
6.根据以上任一权利要求的方法，其中聚焦参数是焦距优化值。
7.根据权利要求6的方法，其中对于进一步的聚焦程度的每一个的优化值，是相对于在目标的基本相同的位置处的标称聚焦程度正规化的正规化优化值。
8.根据以上任一权利要求的方法，其中估计的焦点对准位置的计算通过把标称的和进一步的聚焦程度参数拟合为曲线而获得。
9.根据权利要求8的方法，其中对应于基本上散焦程度的聚焦参数值被用来拟合曲线，散焦值的聚焦程度对应于标称聚焦程度和进一步的聚焦程度之差的2倍或更多倍数的程度。
10.根据权利要求8或9的方法，其中该曲线具有对应于焦点对准位置的峰值。
11.根据权利要求10的方法，还包括使用峰值位置的聚焦参数值来计算焦距值的误差。
12.根据权利要求11的方法，其中误差反比于聚焦参数优化值的量值。
13.根据以上任一权利要求的方法，还包括把标称聚焦程度修改为估计的焦点对准程度。
14.根据以上任一权利要求的方法，还包括在穿越扫描的数个位置重复该方法，并把估计的焦点对准值拟合为曲线，以便估计测量的位置之间的焦点对准位置，和/或预测待扫描的目标的区域中的聚焦。
15.根据以上任一权利要求的方法，还包括在进行扫描之前，确定开始聚焦位置以作为标称聚焦程度。
16.根据以上任一权利要求的方法，还包括通过使用以标称聚焦程度获得的相邻图像信息进行内插来修改以进一步聚焦程度获得的图像信息。
17.根据权利要求16的方法，其中当对于数条扫描线获得进一步聚焦程度的图像信息时，使用来自相邻标称聚焦程度图像信息的数条最近的扫描线的加权贡献进行内插。
18.图像扫描设备，包括检测器阵列，用于从目标获得图像信息；扫描装置，用于引起检测器阵列与目标之间的相对运动；调焦装置，适用于修改检测器阵列与目标之间的聚焦；以及处理器，适用于使得该设备通过以标称聚焦程度扫描目标的第一部分来执行根据以上任一权利要求的方法，以便获得对应的图像信息，以一个或多个各进一步的聚焦程度扫描目标的一个或多个进一步的部分，以便获得对应的图像信息，对于标称的聚焦程度和一个或多个其它的聚焦程度的每一个计算聚焦参数，以及使用计算的聚焦参数估计对于目标的第一和进一步部分的每一个共同的焦点对准位置。
19.根据权利要求18的设备，其中该设备包括扫描仪。
20.根据权利要求18或19的设备，还包括用于以一个或多个各聚焦程度扫描目标的装置。
21.根据权利要求18到20中任一个的设备，还包括用于计算聚焦参数的装置。
22.根据权利要求18到21中任一个的设备，还包括用于估计焦点对准位置的装置。
全文摘要
提供了在图像扫描设备中估计目标的焦点对准位置的一种方法。目标的第一部分以标称聚焦程度被扫描，以获得对应的图像信息。目标的一个或多个进一步的部分以一个或多个各进一步的聚焦程度被扫描，以获得对应的图像信息。然后对于标称和一个或多个进一步的聚焦程度的每一个使用各图像信息计算聚焦参数。然后使用计算的聚焦参数估计对于目标的第一和进一步的部分每一个共同的焦点对准位置。还提供了执行该方法的对应的设备。
文档编号H04N1/024GK1825888SQ200610004448
公开日2006年8月30日 申请日期2006年2月14日 优先权日2005年2月14日
发明者马丁·P·戈卡 申请人:富士胶片电子影像有限公司