CN219798248U - 光学光斑影像多重放大取像装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种光学光斑影像多重放大取像装置，主要通过一光发射器来发射(半导体激光或其他形态的)激光至一粗糙表面上，使激光与粗糙表面的凹、凸点产生干涉及绕射形成光斑，再反射至成像表面而形成光斑图像，但在此之前先经过一光栏及特殊设计的光学系统，将此光斑图像放大，再依需要透过分光镜等支光学系统，可以将物体表面同一局部小点分别以不同放大倍率成像于CCD或CMOS等2D影像传感器，获得多重放大倍率的光斑图像，据此运用此多重即时光斑图像，以供快速精密定位的功能。

Description

光学光斑影像多重放大取像装置

技术领域

本实用新型涉及一种光学光斑影像多重放大取像装置，尤其是指一种以激光打在粗糙表面，而产生干涉效应，即通过光件产生的绕射光之间，彼此干涉，经过放大之后，再加以取像的装置与方法，特别适合使用在极精密测量及定位(如：半导体设备)等技术工程上。

背景技术

在精密测量及定位光学仪器时，常使用优质的光发射器，一般仍以激光为主，由于激光为一同调性很高的一种光源；若将此种激光打到一粗糙物体表面时，该粗糙物体表面的峰顶与谷底的高、低差在四分之一波长至二分之一波长(或其倍数)时，就会产生干涉、绕射图样，一般称为激光光斑(Laser speckle)，且因为前述由激光打到的粗糙表面，多半是由研磨等方式制作出来的，其粗糙高、低是不规则的3D结构体，因此前述由激光束打在粗糙物体表面，所产生的激光光斑也是一种不规则的图像，这激光光斑图像可以代表这粗糙表面上局部表面的唯一印记，也就是说此物体表面没有一处相应点的激光光斑图像是相同的，它是某个定点的唯一标志，因此该定点可以在测量上定位为起始点、中间特定点、终点，可以作为精密测量的光学定位的用途，例如：精密测量机具或技术工程之上，能得到极其精准的测量。

请参看图5所示，为现有利用激光光斑应用的基本结构图，主要是设有一光发射器80，将光线L0打在具有粗糙表面82的反射台81上，经过干涉、绕射，再投射在成像幕90上，而该成像幕90上的成像表面91就会显示出该区域独一无二的光斑92排列，并据此作为测量的起始点、中间特定点或终点，在测量工程上具有特别的意义。

激光光斑运用在测量方面，最早大约在2003年美国专利为US 6642506B1公开利用此光斑的技术开始，较著名是于2008年在中国专利CN 101751148B等专利的发表，均有提及有关利用光斑影像作为物体一维位移量的测量方法，但在实际运用时，对于需要高速及高精度，甚至在超高精度位移测量时，这些光学装置的设计，就无法得到优良的观测及测量，主要是因为这些光学装置的设计，皆无法有效的将该激光光斑快速、有效而清晰的放大展现，因此虽然是激光光斑的技术运用，多半仍只限于简单的不甚精密，或速度不快的短距离测量工作，如：鼠标及不甚精密的测量技术工程的产品上而已，对于较高精密且需要放大激光光斑，作为精密测量后续的工作则只能止步不前。

以上所述是目前激光光斑测量技术瓶颈所在之处，但因为优良的激光光斑测量技术应是足够将更细微的光斑图像放大观测，才可以将测量的工作调节至更为精准的程度，其至于能够在一些场合提供更高速的移动来使用，等到特定点时，又要得到优质的清晰光斑影像，方能使得在高级的光学定位及测量的机具上得心应手，并在此领域上更上一层楼。

实用新型内容

本实用新型的主要目的在于提供一种光学光斑影像多重放大取像装置，通过一光发射器来发射激光至一粗糙表面上，使激光与粗糙表面的凹、凸点产生干涉及绕射，再反射至成像表面而形成光斑，但在此之前先经过一光栏及特殊设计的光学系统，将此光斑图像放大，再依需要透过分光镜等支光学系统，可以将物体表面同一局部小点分别以不同放大倍率成像于CCD或CMOS等2D影像传感器，获得多重放大倍率的光斑图像，据此运用此多重即时光斑图像，以供快速精密定位的功能。

为达到上述的目的，本实用新型将由下列实施例来达成：

本实用新型提供一种光学光斑影像多重放大取像装置，其设有一反射台，具有一粗糙表面；另设一光发射器，能射出激光光线于该反射台的粗糙表面上；在该反射台的粗糙表面相对于光发射器发出的激光光线的反射方向，分别设有一外光栏及一第一光学系统，并且使该反射的光线经光栏而进入该第一光学系统；该第一光学系统具有第一光学镜及第二光学镜，该第一光学镜的焦距小于该第二光学镜的焦距，并在该第一光学镜及该第二光学镜的中间再设一内光栏；另在该第一光学系统的第二光学镜外侧再设有一接收光线的第一传感器，据此以提供清晰而精准放大的光斑图像，以使精密的测量工作能达到更高的技术水准。

在本实用新型一实施例中，其中，该第一光学系统上设有调整镜片机构。

承上所述，本实用新型又可在该外光栏及该第一光学系统之间，再设一具反射膜的方形分光棱镜，且在该分光棱镜的反射膜反射侧边，再增设第二光学系统，该第二光学系统具有第一光学镜、内光栏、第二光学镜，并在该第二光学系统的后方设置相对应的第二传感器；且该第二光学系统与第一光学系统的放大倍率为不同，据此以达到高速移动测量、提供清晰而精准放大的光斑图像，以使精密的测量工作能达到更高的技术水准。

在本实用新型一实施例中，其中，该第一光学系统的该第一光学镜及该第二光学镜均为凸透镜。

在本实用新型一实施例中，其中，该第一光学系统的该第一光学镜为凹透镜，而该第二光学镜为凸透镜。

在本实用新型一实施例中，其中，该第二光学系统的该第一光学镜及该第二光学镜均为凸透镜。

在本实用新型一实施例中，其中，该第二光学系统的该第一光学镜为凹透镜，而该第二光学镜为凸透镜。

在本实用新型一实施例中，其中，该第一光学系统及第二光学系统上设有调整镜片机构。

附图说明

图1为本实用新型的第一种实施例示意图。

图2为本实用新型的第二种实施例示意图。

图3为本实用新型的第三种实施例示意图。

图4为本实用新型的第四种实施例示意图。

图5为现有利用激光光斑应用的基本结构图。

附图标记说明：10-反射台；11-粗糙表面；20-光发射器；31-外光栏；32-内光栏；33-第二光学系统的内光栏；34-第二光学系统的内光栏；400-调整镜片机构；4A-第一光学系统；4B-第二光学系统；4C-第一光学系统；4D-第二光学系统；41-第一光学镜；42-第二光学镜；43-第二光学系统的第一光学镜；44-第二光学系统的第二光学镜；50-分光棱镜；51-反射膜；60-第一传感器；61-第二传感器；71-第一光学镜；72-第二光学系统的第一光学镜；F0-虚焦距；F1-第一光学镜的焦距；F2-第二光学镜的焦距；80-光发射器；81-反射台；82-粗糙表面；90-成像幕；91-成像表面；92-光斑；L0-光线。

具体实施方式

请参看图1所示，为本实用新型光学光斑影像多重放大取像装置的第一种实施例，至少包含有：

一反射台10，具有一粗糙表面11。

一光发射器20，尤以一种半导体激光(或其他形态)的激光为佳，以缩小的平行光束射出光线L1于该反射台10的粗糙表面11上。

在该反射台10的粗糙表面11上相对于光发射器20发出的光线L1反射方向，分别设有一外光栏31及一第一光学系统4A，并且使该反射的光线L1经外光栏31而进入该第一光学系统4A。

该第一光学系统4A具有第一光学镜41及第二光学镜42，该第一光学镜41的焦距F1小于该第二光学镜42的焦距F2，并在该第一光学镜41及该第二光学镜42的中间设有一内光栏32；另在该光学系统4A的第二光学镜42外侧再设有一接收光线L1的第一传感器60以构成本实用新型的放大装置，据此再由该第一传感器60传送至后续工作，如：计算机系统、干涉仪、运算单元而进行测量及定位的工作；而该第一传感器60尤以CCD或CMOS等2D影像传感器为佳。

再则，本实用新型应用在测量距离的机具时(图中未示)，该反射台10与光发射器20之间，是有可能产生相对位移动的情况，以利激光打在不同位置时所需要进行的物距调整，才能方便测量，故当光发射器20以激光平行光线L1打到粗糙表面11上，再反射至第一光学系统4A时，可能需要调整第一光学镜41及第二光学镜42之间的距离，此时可使用调整镜片机构400来执行，但该调整镜片机构400仅需取用习知既有的技术及构件即可，仅是本实用新型的附加应用，故本案即未予赘述，合先陈明。

如图1所示的实施例中，该光发射器20以较窄的光直径D1的平行光线L1射于该反射台10的粗糙表面11，光线L1经反射进入外光栏31，再依序进入第一光学系统4A中的第一光学镜41、内光栏32、第二光学镜42，得到较宽的光直径D2，再投射在第一传感器60上，由于第一光学镜41的焦距F1小于第二光学镜42的焦距F2，则依既有的公式可得:

放大倍率(M)＝F2/F1＝D2/D1

据此，可以通过该焦距F2/F1及光直径D2/D1来决定放大成像系统的倍数，至于实际的运用倍率，则可依实际情况，即调整第一光学镜41的焦距F1小于第二光学镜42的焦距F2的比例，举例而言，对于一般快速移动的场合，能轻易的提高2至3倍的放大，就能比现有无法放大的影像要更清晰许多，若是需要特别清晰的场合，实际的测量，则可达到100倍或更高倍率，是本实用新型优于现有技术的特色之一，以符合各式场合的运用；另本实用新型的图1、图2、图3、图4等实施例的放大倍率皆为此理，以下不再赘述。

请一同参看图2、图1所示，其中图2是本实用新型第二种实施例，为图1的简易置换但却能得到高阶优质的测量定位的场合，其结构主要是在前述(如图1)的外光栏31及第一光学系统4A之间，再设一具反射膜51的方形分光棱镜50，除了原有的第一光学系统4A仍设于该分光棱镜50的后方之外，又于分光棱镜50的反射膜51反射侧边，再增设另一第二光学系统4B，该第二光学系统4B亦具有第一光学镜43、内光栏33、第二光学镜44，并在该第二光学系统4B后方设置另一相对应的第二传感器61，该第二传感器61尤以CCD或CMOS为佳；因此，由该光发射器20以较窄的光直径D1的平行光线L1射于该反射台10的粗糙表面11，光线L1经反射进入外光栏31，再进入分光棱镜50，一部分的光线L11穿过反射膜51，进入第一光学系统4A中的第一光学镜41、内光栏32、第二光学镜42，得到较宽的光直径D2，再投射在第一传感器60上；另一部分的光线L12被该反射膜51反射，进入第二光学系统4B中的第一光学镜43、内光栏33、第二光学镜44，再投射在第二传感器61上。

当该第一光学系统4A与第二光学系统4B的放大倍率为不同，例如：第一光学系统4A运用(如前段所述)以焦距比达例如100倍，后方第一传感器60亦相对提高至出光直径同等级尺寸；而第二光学系统4B则可(如前段所述)以焦距比调整为3倍，而在后方第二传感器61则相对使用出光直径同等级尺寸即可；如此一来，当需要在测量起始点及终点的光斑图像时，可以使用第一光学系统4A下的第一传感器60来观测，而在快速移动时，即观测第二光学系统4B的后方第二传感器61，由于尺寸较小，计算机运算较快，能快速的显现出光斑图像。

前述图2实施例的场合，是因为较高精度的测量仪器或定位系统在使用时，当设定了测量的“起始点”，并且移动至“中间特定点”、“终点”而完成定位，但该起始点及终点，甚至是中间特定位置点，往往是需要较大倍数的放大才可以得到清晰而准确的定位及观测，但在大倍率下的模式时，光斑图像较大，计算机处理影像的时间较久；但反观在该“起始点”、“中间特定点”、“终点”之间的移动，则需要以较快的速度来移动，一方面是节省时间，另一方面也供加工刀具或其他工具座的立即到达定位，此时由于光斑图像较小，计算机处理影像的时间较短，因此实际此时任务是需要不同倍率的测量才能轻松完成，故如图2具有使用较大倍率(例如100倍)的第一光学系统4A及使用较小倍率的第二光学系统4B，当在较高精度的测量仪器或定位系统中，低倍率的光斑图像较小，计算机处理影像所花的时间短，此时可以对应于快速移动加工刀具，或其他的加工座体的粗略定位，只需使用第二光学系统4B的要求即已足够；待移动到“起始点”、“中间特定点”、“终点”，要求精确定位的位置时，皆需放慢移动速度，此时可切换成较大倍率的第一光学系统4A，计算机也可以花较长时间处理放大光斑图像，获得更精确的精密定位，这也就是在快速移动时，其实是不需要较大倍率的放大，依实际测试使用是大约2-3倍就可以足够使用了，若要放大至更精密时，如本实用新型实测可以放大约100倍，得到优良的测量定位，但现有技术不但无法放大，也没有可以相互交替使用的功能，而本实用新型的第二实施例却可以轻易的解决这个问题，是本实用新型另一优点。

图1及图2中，第一光学系统4A、第二光学系统4B内的第一光学镜41、第二光学系统的第一光学镜43及第二光学镜42、第二光学系统的第二光学镜44，皆是以凸透镜为实施例，即能得到预期的优良功效，而图3及图4则是将第一光学镜71、第二光学系统的第一光学镜72改以凹透镜为实施例的运用，但结构的排列及光学技术的运用皆是等效的实用新型技术，能达到同样的目的。

请参看图3所示的实施例，设一反射台10，具有一粗糙表面11；一光发射器20，尤以一种半导体激光(或其他形态)的激光为佳，以缩小的平行光束射出光线L1于该反射台10的粗糙表面11上。在该反射台10的粗糙表面11上相对于光发射器20发出的光线L2反射方向，分别设有一外光栏31及第一光学系统4C，并且使该反射的光线L2经外光栏31而进入该第一光学系统4C；该第一光学系统4C具有第一光学镜71及第二光学镜42，该第一光学镜71为凹透镜，而第二光学镜42为凸透镜，且该第一光学镜71的虚焦距F0小于该第二光学镜42的焦距F2，并在该第一光学镜71及该第二光学镜42的中间设有一内光栏32；另在该第一光学系统4C的第二光学镜42外侧再设有一接收光线L2的第一传感器60，该第一传感器60尤以CCD或CMOS等2D影像传感器为佳。

再则，本实用新型应用在测量距离的机具时(图中未示)，该反射台10是有可能移动的，故当光发射器20以激光平行光线L2打到粗糙表面11上时，再反射至第一光学系统4C时，可依需要调整第一光学镜71及第二光学镜42之间的距离，即可使用调整镜片机构400来执行，但该调整镜片机构400仅需取用习知既有的技术及构件即可，不再赘述。

请参看图4，请一同参看图4、图3所示，其中图4是在前述(如图3)的外光栏31及第一光学系统4C之间，再设一具反射膜51的方形分光棱镜50，除了原有的第一光学系统4C仍设于该分光棱镜50的后方之外，又于分光棱镜50的反射膜51反射侧边，再增设另一第二光学系统4D，该第二光学系统4D亦具有第一光学镜72、内光栏34、第二光学镜44，并在该第二光学系统4D后方设置另一相对应的第二传感器61，该第二传感器61尤以CCD或CMOS为佳；因此，由该光发射器20以较窄的光直径D1的平行光线L2射于该反射台10的粗糙表面11，光线L2经反射进入外光栏31，再进入分光棱镜50，一部分的光线L21穿过反射膜51，进入第一光学系统4C中的第一光学镜71、内光栏32、第二光学镜42，得到较宽的光直径D2，再投射在第一传感器60上；另一部分的光线L22被该反射膜51反射，进入第二光学系统4D中的第一光学镜72、内光栏34、第二光学镜44，再投射在第二传感器61上。

但其中，该第一光学系统4C与第二光学系统4D的放大倍率为不同，由于该第一光学系统4C与第二光学系统4D的第一光学镜71、第二光学系统的第一光学镜72是凹透镜，所以能更将体积缩小不占空间，但仍可以达到一定的倍数比；例如：该第一光学系统4C实际运用焦距比能达到20倍，后方第一传感器60亦相对使用出光直径同等级尺寸；而该第二光学系统4D则能调整焦距比为2-3倍，后方第二传感器61亦相对使用出光直径同等级尺寸；对于需要中等倍数(如20倍间)的切换，体积则可以更为缩小，当需要在测量起始点、中央特定点、终点的精密光斑图像时，可以使用第一光学系统4C下的第一传感器60来观测，而在快速移动时，即观测第二光学系统4D的后方第二传感器61，能快速的显现出相对的放大光斑图像。

以上所述的结构，仅为本实用新型的较佳实施例而已，并非用以限定本实用新型实施的范围；故当熟习此技艺所作出等效或轻易的变化者，在不脱离本创作的精神与范围下所作的均等变化与修饰，例如：略增加无关的光学元件，或大致改变元件的形状或尺寸，或以等效取代的构件，或使用不同的材质，或应用在不同的场合(如光学、工程、电子、机械、半导体设备)等机具，但运用本实用新型的光斑影像放大特征者，皆应涵盖于本实用新型的特征内。

Claims (10)

1.一种光学光斑影像多重放大取像装置，其特征在于，至少包含有:

一反射台，具有一粗糙表面；

一光发射器，能够射出激光光线于该反射台的粗糙表面上；

在该反射台的粗糙表面相对于光发射器发出的激光光线的反射方向，分别设有一外光栏及一第一光学系统，并且使该反射的光线经该外光栏而进入该第一光学系统；该第一光学系统具有第一光学镜及第二光学镜，该第一光学镜的焦距小于该第二光学镜的焦距，并在该第一光学镜及该第二光学镜的中间再设一内光栏；另在该第一光学系统的第二光学镜外侧再设有一接收光线的第一传感器。

2.根据权利要求1所述的光学光斑影像多重放大取像装置，其特征在于，该第一光学系统上设有调整镜片机构。

3.根据权利要求1所述的光学光斑影像多重放大取像装置，其特征在于，该外光栏及该第一光学系统之间，再设一具反射膜的方形分光棱镜，且在该分光棱镜的反射膜反射侧边，再增设第二光学系统，该第二光学系统具有第一光学镜、内光栏、第二光学镜，并在该第二光学系统的后方设置相对应的第二传感器；且该第二光学系统与第一光学系统的放大倍率为不同。

4.根据权利要求1所述的光学光斑影像多重放大取像装置，其特征在于，该第一光学系统的该第一光学镜及该第二光学镜均为凸透镜。

5.根据权利要求1所述的光学光斑影像多重放大取像装置，其特征在于，该第一光学系统的该第一光学镜为凹透镜，而该第二光学镜为凸透镜。

6.根据权利要求3所述的光学光斑影像多重放大取像装置，其特征在于，该第一光学系统的第一光学镜及该第一光学系统的第二光学镜均为凸透镜。

7.根据权利要求3所述的光学光斑影像多重放大取像装置，其特征在于，该第一光学系统的第一光学镜为凹透镜，而该第一光学系统的第二光学镜为凸透镜。

8.根据权利要求3所述的光学光斑影像多重放大取像装置，其特征在于，该第二光学系统的第一光学镜及该第二光学系统的第二光学镜均为凸透镜。

9.根据权利要求3所述的光学光斑影像多重放大取像装置，其特征在于，该第二光学系统的第一光学镜为凹透镜，而该第二光学系统的第二光学镜为凸透镜。

10.根据权利要求3所述的光学光斑影像多重放大取像装置，其特征在于，该第一光学系统及第二光学系统上设有调整镜片机构。