CN102478699A - 自动聚焦装置与其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自动聚焦装置与其方法。该自动聚焦装置包括：一光源，发射出一光束；一光路径调整器，调整该光源所发出的该光束入射到该光路径调整器后的一出射方向；一物镜，将该光路径调整器所调整后的该光束入射到一侦测物；一光传感器，感测该光路径调整器所调整后的该光束入射到该侦测物后反射所形成的一图像，该光路径调整器缩小形成在该光传感器所感测的该图像的一位置变化；一信号处理单元，根据该光传感器所感测的该图像以判断该侦测物的一离焦位置；以及一驱动单元，受控于该信号处理单元，该驱动单元改变该物镜与该侦测物间的一相对位置，以让该侦测物往该物镜的一焦点位置移动。本发明能降低光源扰动对自动聚焦精度的影响。
Description
技术领域
本发明是有关于一种降低光源扰动对自动聚焦精度影响的自动聚焦装置与其操作方法。
背景技术
随着电子业的蓬勃发展，许多消费性电子产品如手机、相机、投影机等，走向精致微型化已是市场主流趋势。为因应电子产业的需求，关键零元件的加工成形方式则显得重要。此外，在太阳能电池制造业或面板制造等光电产业上，也应用微工艺加工，如微电路修补、微加工、切割、熔接、钻孔、材料改质等等。旧有的机械加工方式受限于刀片大小与结构限制，逐渐不再使用。目前取而代之的是精度高、速度快的激光加工方式，如激光钻孔、激光修补、激光切割等等。
在激光加工时，由于加工件表面的高低起伏，可能会影响加工尺寸与加工精度。甚至，在加工时，激光聚焦点可能会脱离加工表面而导致加工能量不足而失效，或光点面积过大导致加工尺寸误差。因此，需要自动聚焦装置来达成精密加工的目的。自动聚焦装置也可应用于自动光学检查(Automated Optical Inspection，简称AOI)检测，如缺陷检测、尺寸检测等，以降低检测时间、增加生产良率及确保产品质量。因此自动聚焦装置在工业界有着庞大的应用市场。
目前自动聚焦装置可分为两种：图像式自动聚焦装置与光学式自动聚焦装置。图像式自动聚焦装置是传统业界所熟知的，其优点是价格便宜，但其缺点是精度受限，反应时间太慢，无法满足生产在线的高产量要求。因此近年来逐渐被光学式自动聚焦装置所取代。
光学式自动聚焦装置是利用光传感器所侦测到的光形(或光能量)的变化作为离焦距离与离焦方向的判断依据，其精度高、反应时间快。在要求精度高、反应时间快的精密生产线，光学式自动聚焦装置比较具有优势。
随着制造技术的发展，光学式自动聚焦装置的精度要求也随之提高，以进一步提升生产优良率。以薄膜晶体管阵列(TFT array)修补为例，线宽与聚焦光点越来越小，聚焦精度要求越来越高。目前搭配20倍物镜的光学式自动聚焦装置的聚焦精度(focus accuracy)要求在2μm以内。而对于搭配50倍物镜的光学式自动聚焦装置而言，其聚焦精度要求更在1μm以内。
光学式自动聚焦装置需配置侦测光源，该光源的扰动(如光轴飘动或功率变化)对聚焦精度有不良影响。针对降低光源扰动的已知技术来说，可分成两类：一类是从光源本身的结构改善着手，另一类是从光源的回授控制着手。然而这些已知技术只能对光源本身功率变化的扰动加以改善，因此对聚焦精度的改善有限。
请参考图1A～图1C，其显示已知技术的光源扰动示意图。已知自动聚焦装置根据成像在光传感器上的图像重心位置来判断离焦位置。假设自动聚焦装置的发光二极管功率稳定，且侦测物与自动聚焦装置的相对位置不变。自动聚焦装置的发光元件所发射出的光束，会因为光源的光轴飘动，在不同的时间点会有不同的发射方向。以图1A为例，11代表理想光轴，而11’与11”则代表光轴飘动后的光轴。由于光轴飘动的关系，导致成像在光传感器12上的位置会随着时间而在范围13内变化。
如图1B所示，Pt1～Pt4分别代表于四个时间点t1～t4(即光传感器的4个不同感测时间点)下的成像在光传感器12上的位置，以据此换算出图像重心位置。由图1B可看出，由于光轴飘动的关系，图像的重心位置可能会散布于4个象限内(假设光传感器的感测单元落于4个象限内)。
由于成像在光传感器12上的前后两个图像15与15’的位置会随着时间而变化，根据图像15与15’的重心位置16与16’所判断出的离焦位置会不同，如图1C所示。当自动聚焦装置运作时间越久时，光源的温度越上升，光轴飘动的情况越明显，导致自动聚焦精度误差也会越大。
因此，本发明能降低光源扰动对自动聚焦精度的影响，以提升自动聚焦精度。
发明内容
本发明是有关于一种降低光源扰动对自动聚焦精度影响的方法与装置，通过运用光路径调整器及/或信号算法来降低光源扰动在成像光路的光传感器中所造成的感测信号变化量，以提升自动聚焦精度。
本发明的一实施例提出一种自动聚焦装置，包括：一光源，发射出一光束；一光路径调整器，调整该光源所发出的该光束入射到该光路径调整器后的一出射方向；一物镜，将该光路径调整器所调整后的该光束入射到一侦测物；一光传感器，感测该光路径调整器所调整后的该光束入射到该侦测物后反射所形成的一图像，该光路径调整器缩小形成在该光传感器所感测的该图像的一位置变化；一信号处理单元，根据该光传感器所感测的该图像以判断该侦测物的一离焦位置；以及一驱动单元，受控于该信号处理单元，该驱动单元改变该物镜与该侦测物间的一相对位置，以让该侦测物往该物镜的一焦点位置移动。
本发明的另一实施例提出一种自动聚焦方法，应用于一自动聚焦装置，该方法包括：发射出一光束；调整该光束的一出射方向；利用一物镜，将调整后的该光束入射到一侦测物；感测调整后的该光束入射到该侦测物后反射所形成的一图像，该调整步骤缩小该图像的一位置变化；根据所感测的该图像以判断该侦测物的一离焦位置；以及根据所判断出的该侦测物的该离焦位置，改变该物镜与该侦测物间的一相对位置，以让该侦测物往该物镜的一焦点位置移动。
本发明运用光路径调整器及/或信号算法来降低光源扰动在成像光路的光传感器中所造成的感测信号变化量，以提升自动聚焦精度。
为了对本发明的上述及其它方面有更好的理解，下文特举实施例，并配合所附附图，作详细说明如下：
附图说明
图1A～图1C显示已知技术的光源扰动示意图。
图2显示根据本发明第一实施例的降低光源扰动对自动聚焦精度影响的自动聚焦装置的示意图。
图3与图4显示根据发明第一实施例的降低光源扰动的示意图。
图5显示根据本发明第二实施例的成像在光传感器上的图像的几何中心点与其重心位置间的相对位置δ，以用于离焦距离与离焦方向的判定依据。
图6显示根据本发明第三实施例的成像在光传感器上的图像的几何面积A，以用于离焦距离与离焦方向的判定依据。
【主要元件符号说明】
11、11’、11”：光轴
12：光传感器
13：范围
15与15’：图像
16与16’：重心位置
50：自动聚焦装置
100：光源照射单元
200：成像光路单元
300：观测单元
S：侦测物
400：信号处理单元
500：驱动单元
110：发光元件
101：光路径调整器
102与103：光整形镜组
104：光遮断器
105与106：分光镜
107：物镜
201：聚焦透镜
202：光传感器
301：无限远修正光路系统
302：观测传感器
221与231：图像
222与232：重心位置
223与233：几何中心点
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
在本发明数个实施例中，运用光路径调整器及/或信号算法来降低光源扰动在成像光路的光传感器中所造成的感测信号变化量，以提升自动聚焦精度。
第一实施例
图2显示根据本发明第一实施例的降低光源扰动对自动聚焦精度影响的自动聚焦装置50的示意图。自动聚焦装置50包括：光源照射单元100、成像光路单元200与观测单元300。侦测物以参考符号S代表。自动聚焦装置50可还包括：信号处理单元400与驱动单元500。
光源照射单元100包括：发光元件110、光路径调整器101、光整形镜组102与103、光遮断器104、分光镜(BS，beam splitter)105与106、物镜107。发光元件110例如但不受限于激光二极管(laser diode，LD)。
成像光路单元200包括：物镜107、分光镜105与106、聚焦透镜201与光传感器202。在此实施例中，物镜107、分光镜105与106既属于光源照射单元100也属于成像光路单元200。但本发明其它可能实施例并不受限于此种光路架构，比如，在本发明其它可能实施例中，光源照射单元100与成像光路单元200可有各自的物镜与分光镜组。
观测单元300用以接收被侦测物S反射的观测图像，以让操作者实时观测。依据图2显示的第一实施例中的观测单元300包括无限远修正光路系统(infinity-corrected optical system)301与观测传感器302。
在本发明第一实施例，为降低光源扰动对自动聚焦精度的影响，发光元件110(如LD)发射出一束光束，经过光路径调整器101与光整形镜组102与103后，形成准直的圆柱状平行光束B1。光路径调整器101可快速调整发光元件110所发射的光束入射到光路径调整器110后的出射光束的方向。圆柱状平行光束B1经过光遮断器104后，形成半圆柱状平行光束B2。半圆柱状平行光束B2经过分光镜105与106后，成为光束B3。光束B3经过物镜107而打到侦测物S。
打到侦测物S的光束B3被侦测物S所反射，经过物镜107后，再经过分光镜106与105后，成为光束B4。光束B4经过聚焦透镜201后，投射在光传感器202。利用投射在光传感器202的光束的重心位置的变化，可用来判断离焦距离与离焦方向。光传感器202侦测经光路径调整器101调整后的光束入射到侦测物S后反射所形成的图像；且光路径调整器101可让投射在光传感器202的光束图像位置变化缩小。
观测单元300可让操作者实时观测图像。分光镜106将由物镜所射出的光束B3分光(部分光反射，部分光穿透)，穿透分光镜106的光束会入射至观测单元300的无限远修正光路系统301，并由观测传感器302取得观测图像。
以下说明本实施例如何运用光路径调整器101来降低光源扰动对自动聚焦精度的影响。请参考图3与图4，其显示根据发明第一实施例的降低光源扰动的示意图。假设自动聚焦装置的发光元件110(LD)功率稳定，且侦测物S与自动聚焦装置的相对位置不变。如果发光元件110(光源)的光轴飘动的话，光源的光轴在不同的时间点会有不同的发射方向，111代表理想光轴(未有光轴飘动)，而111’与111”则代表光轴飘动后的光轴。当光束入射光路径调整器101后，由于光路径调整器101可以快速调整出射光束的方向，且由于光传感器202的曝光时间比光路径调整器101的调整周期长(比如，光传感器为CCD，则CCD的曝光周期长于光路径调整器101的旋转周期)。在光传感器202的曝光时间内，入射到光传感器202的光束的平均位置变化可缩小在范围250内，范围250比图1A(已知技术)的范围13小。因此，在本发明第一实施例中，利用光路径调整器101，投射在光传感器202的光束的重心位置变化缩小，可有效的降低光源扰动对自动聚焦精度的影响。
如图4所示，P11-t1～P22-t1、P11-t2～P22-t2、P11-t3～P22-t3与P11-t4～P22-t4分别代表在光传感器的4个感测周期时间点t1～t4下的成像在光传感器202上的位置(可据此得出图像重心位置)。由图4可看出，即便有光轴飘动，在本发明第一实施例中，由于在一个感测周期内，图像的重心位置可由散布于4个象限内的图像位置平均而得(假设光传感器的感测单元落于4个象限内)，所以，可得知投射在光传感器202的光束的重心位置变化缩小，可有效的降低光源扰动对自动聚焦精度的影响。
请再次参考图1，当侦测物S距离物镜107的离焦位置在某一点时，此时，信号处理单元400可根据投射在光传感器202的图像及/或光束重心位置变化，得知此时的侦测物S的离焦距离与离焦方向。假设侦测物S未位于物镜107的焦点上的话，则信号处理单元400会控制驱动器500来移动物镜107及/或侦测物S，以让侦测物S往物镜107的焦点位置移动。由于入射至光传感器202的光束的重心位置变化量被光路径调整器101所缩小了，所以，侦测物S的离焦距离与离焦方向也被抑制，不会有很大变化，可提升自动聚焦的精度。
光路径调整器101可以是旋转的扩散片(diffuser)或声光调整器或电光调整器等，只要能改变光入射路径与光出射角度即可。以光路径调整器101为旋转的扩散片为例，其能快速旋转，使得光穿过光路径调整器101时，其穿透角度会被改变。更进一步说，光路径调整器101可降低光源的光轴飘动对自动聚焦精度影响。在其它可能实施例中，光路径调整器101可降低光源强度变动对自动聚焦精度影响。
第二实施例
在本发明第二实施例中，运用信号算法来进一步提升自动聚焦的精度。如图5所示，成像在光传感器202上不同时间点的图像221与231的重心位置222与232会因为时间点不同而不同。但对于图像221与231来说，其几何中心点223与233与其重心位置222与232之间的相对位置δ，原则上来说，即使光轴如何变化，理论上此相对位置δ并不会随之发生变化。所以，在本发明第二实施例中，可利用成像在光传感器上的图像的相对位置δ(图像的几何中心点与其重心位置间的相对位置)作为离焦距离与离焦方向的判定依据，以进一步提升自动聚焦的精度。尤其是，在第二实施例中，如果想要更进一步节省成本，甚至可省略光路径调整器101。
第三实施例
在本发明第三实施例中，运用信号算法来进一步提升自动聚焦的精度。如图6所示，成像在光传感器202上不同时间点的图像221与231的几何面积A原则上不会因为时间点不同而不同，甚至，原则上来说，即便光轴有变化，理论上图像的几何面积A并不会随之发生变化。所以，在本发明第三实施例中，可利用成像于光传感器上的图像的几何面积A作为离焦距离与离焦方向的判定依据，以进一步提升自动聚焦的精度。尤其是，在第三实施例中，如果想要更进一步节省成本，甚至可省略光路径调整器101。
综上所述，可知，在本发明数个实施例中，侦测物S的离焦位置可从光传感器所侦测图像的重心位置变化而得到；或者是，侦测物S的离焦位置可从光传感器202所侦测图像的相对位置变化得到；或者是，侦测物S的离焦位置可从光传感器202所侦测图像的几何面积变化得到。
综上所述，虽然本发明已以实施例公开如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的修正与改进。因此，本发明的保护范围当视前附的权利要求所界定者为准。
Claims (14)
1.一种自动聚焦装置，包括：
一光源，发射出一光束；
一光路径调整器，调整该光源所发出的该光束入射到该光路径调整器后的一出射方向；
一物镜，将该光路径调整器所调整后的该光束入射到一侦测物；
一光传感器，感测该光路径调整器所调整后的该光束入射到该侦测物后反射所形成的一图像，该光路径调整器缩小形成在该光传感器所感测的该图像的一位置变化；
一信号处理单元，根据该光传感器所感测的该图像以判断该侦测物的一离焦位置；以及
一驱动单元，受控于该信号处理单元，该驱动单元改变该物镜与该侦测物间的一相对位置，以让该侦测物往该物镜的一焦点位置移动。
2.根据权利要求1所述的自动聚焦装置，其中，该光传感器的一曝光时间比该光路径调整器的一调整周期长。
3.根据权利要求1所述的自动聚焦装置，其中，该信号处理单元根据该光传感器所感测的该图像的一重心位置变化而判断该侦测物的该离焦位置。
4.根据权利要求1所述的自动聚焦装置，其中，该信号处理单元根据该光传感器所感测的该图像的一几何中心点与一重心位置间的一相对位置而判断该侦测物的该离焦位置。
5.根据权利要求1所述的自动聚焦装置，其中，该信号处理单元根据该光传感器所感测的该图像的一几何面积而判断该侦测物的该离焦位置。
6.根据权利要求1所述的自动聚焦装置，还包括：
一光整形镜组，将该光路径调整器所调整后的该光束整形成一准直圆柱状平行光束；
一光遮断器，将该光整形镜组所形成的该圆柱状平行光束遮断成一半圆柱状平行光束；
一分光镜，分光该半圆柱状平行光束，以入射至该物镜；
一聚焦透镜，入射至该侦测物的该光束经该侦测物所反射而经过该物镜后，再经过该分光镜与该聚焦透镜后，投射在该光传感器；以及
一观测单元，实时观测图像。
7.根据权利要求6所述的自动聚焦装置，其中，该观测单元包括：一无限远修正光路系统与一观测传感器，该分光镜分光该物镜所射出的该光束，穿透该分光镜的该光束入射至该观测单元的该无限远修正光路系统。
8.一种自动聚焦方法，应用于一自动聚焦装置，该方法包括：
发射出一光束；
调整该光束的一出射方向；
利用一物镜，将调整后的该光束入射到一侦测物；
感测调整后的该光束入射到该侦测物后反射所形成的一图像，该调整步骤缩小该图像的一位置变化；
根据所感测的该图像以判断该侦测物的一离焦位置；以及
根据所判断出的该侦测物的该离焦位置，改变该物镜与该侦测物间的一相对位置，以让该侦测物往该物镜的一焦点位置移动。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，该感测该图像的一曝光时间比调整该光束的一调整周期长。
10.根据权利要求8所述的方法，其中，该判断步骤包括：
根据所感测的该图像的一重心位置变化而判断该侦测物的该离焦位置。
11.根据权利要求8所述的方法，其中，该判断步骤包括：
根据所感测的该图像的一几何中心点与一重心位置间的一相对位置而判断该侦测物的该离焦位置。
12.根据权利要求8所述的方法，其中，该判断步骤包括：
根据所感测的该图像的一几何面积而判断该侦测物的该离焦位置。
13.根据权利要求8所述的方法，还包括：
利用一光整形镜组，将所调整后的该光束整形成一准直圆柱状平行光束；
利用一光遮断器将所形成的该圆柱状平行光束遮断成一半圆柱状平行光束；
利用一分光镜分光该半圆柱状平行光束，以入射至该物镜；
入射至该侦测物的该光束经该侦测物所反射而经过该物镜后，再经过该分光镜与一聚焦透镜后，投射在该光传感器；以及
利用一观测单元来实时观测图像。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，该分光镜分光该物镜所射出的该光束，穿透该分光镜的该光束入射至该观测单元。
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