TW201120558A - Focal position detecting apparatus and method - Google Patents

Description

201120558 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關於一種聚焦定位判定裝置以及方法，特 別是有關於一種能判定待測物離焦距離、離焦方向以及傾 斜情形的聚焦定位判定裝置以及方法。 【先前技術】 聚焦判定裝置通常應用於雷射加工或是光學檢測，進 行雷射加工時，工件的表面也許會具有不同的高低起伏， 若是雷射的焦點無法隨著工件的表面起伏，則會影響加工 的精度，在光學檢測的應用中，若是影像失焦，亦會影響 到檢測判斷的結果。 參見第1圖，US 4,816,665提供一種聚焦判定裝置， 在該裝置中，光束20穿過分光鏡14、反射鏡13以及物鏡 12後投射至一待測物30上，待測物30將光束沿原路徑反 射後，穿過一鏡片組15之後入射於感測器17(四象限PD) 中。 參見第2A圖，當光束焦點於待測物30上聚焦時，在 感測器17上會形成一正圓形光斑，若是光束近焦或是遠焦 時，則會如第2B、2C圖所示在感測器17上形成橢圓形光 斑。然而，此量測方式亦受到待測物30擺放傾斜而影響其 量測結果，無法提供精準的量測資料。 201120558 【發明内容】 物的—種聚紋位判定裝置，用於欺-待例 物的眾焦與疋位。聚焦定位判 模组、—弁與备怂 ... x置匕括一平面光源產生 、、 先予系統、一光感測器以及一妇貼 平面光束沿-第-路徑行二學系統

U ’其+光束穿過光學系統後投射於待測 物’且光束被待測物反射後沿—第二路徑穿過光學系統， 光感測器設置於第二路徑上，柱狀透鏡設置於第二路徑 上’並位於光學系統與光感測器之間，光束沿第二路徑依 序穿過光學系統以及柱狀透鏡後入射於光感測器。 本發明提供一種聚焦定位判定方法，包括提供一上述 之聚焦定位判定裝置，在聚焦定位判定裝置中，光束在穿 過柱狀透鏡後聚焦形成一線狀光斑於光感測器上，根據線 狀光斑的長度判斷待測物的離焦程度。 為讓本發明能更明顯易懂，下文特舉出較佳實施例， 並配合所附圖式，作詳細說明如下： 【實施方式】 參見第3Α、4Α、5Α圖，本發明之聚焦判定裴置1〇〇 包括一平面光源產生模組2〇〇、一光學系統300、—光感測 器400以及一柱狀透鏡5〇〇。 平面光源產生模組200包括一光源201以及一光擴束 準直元件202，其中光源201為一雷射光源、一發光二極 體LED光源或是一白熾光源，可提供一光束，光擴束準直 201120558 元件202可將該光束擴束為—平行的平面光束沿一第一路 徑R1行進。 光學系統300包括一偏極分光元件(PBS)3(H、-聚焦 透鏡搬以及四分之—波片（quarter-wave plate)3〇3，偏極 分光元件川1言史置於第一路徑R1上，聚焦透鏡302設置於 偏極分光το件301以及待測物〇B之間四分之一波片则 則設置於偏極分光元件3()1以及聚焦透鏡迎之間。偏極 刀光元件301將反射s偏極光束並讓p偏極光束穿透出 去，其中s偏極光束射向四分之一波片3〇3以及聚隹透 302後投射於-待測物表面〇B，待測物表面〇b將該、s偏 極光束反射沿n徑R2再次穿過光學系統働，詳細 的說明，反射的光束再次穿過聚焦透鏡302以及四分之一 波片303，此時，s偏極光束已經來回穿過四分之一波片 303兩次，也就是已由s偏極光束轉為p偏極光束，p偏極 光束會直接穿透偏極分光元件3〇1，入射至光感測器。 應注思的疋，光學系統300不限定包括上述元件，舉 例說明，光學糸統300也可由一分光元件(bs)以及一聚焦 透鏡所組成，分光元件設置於第一路徑R1上，而聚焦透鏡 設置於分光元件以及待測物之間，光束依序穿過分光元件 以及聚焦透鏡後投射於待測物上，並且光束被該待測物反 射後再沿第二路徑R2依序穿過聚焦透鏡以及分光元件後 入射至光感測器400。 光感測器400以及柱狀透鏡500皆設置於第二路徑 上’且柱狀透鏡500係設置於光學系統300以及光感測器 400之間’其中光感測器400可包括一感光耦合元件 201120558 (CCD) 互補式金屬氣化半導體(CMOS)、一定位感度探 測益（PSD)或是一光感測陣列（pd array)，而柱狀透鏡5〇〇 可為圓柱形透鏡或是半圓柱形透鏡（第6A、6B圖所示），並 且柱狀透鏡500之一轴心A與第二路徑垂直R2(如第3A、 4A、5A圖所示）。 待測物OB所反射之光束經過光學系統3〇〇後穿過柱 狀透鏡500，可在光感測器400上形成一線狀光斑，使用 者可根據線狀光斑之變化狀況而得知光束的聚焦以及傾斜 φ 的程度。 以下配合第9圖說明一種聚焦定位判定方法，該方法 包括A :提供一如上所述聚焦定位判定裝置1〇〇 ; B :在聚 焦判定裝置100中，光束在穿過柱狀透鏡5〇〇後形成一線 狀光斑於光感測器400上；C:根據線狀光斑的長度或尺吋 判断待測物0B的離焦程度，配合參見第3B以及第7圖， 如第3B圖所示，C1 :若光束經過光學系統3〇〇後聚焦於 待測物OB，由待測物〇B反射的光束會沿著如第3A圖所 •示之第二路徑R2行進，光束穿過柱狀透鏡5〇〇後入射於光 感測器400 ’在光感測器4〇〇上形成第一線狀光斑5〇1，且 此線狀光斑501具有一第一長度D1 ;配合參見第4B以及 第7圖’如第4B圖所示’ C2 :若光束經過光學系統_ 後聚焦點落於待測物0B的後側，由待測物〇B反射的光束 會沿著如第4A圖所示之第二路徑R2行進，光束穿過柱狀 透鏡500後入射於光感測器4〇〇，在光感測器4〇〇上形成 第二線狀光斑502，此線狀光斑5〇2具有一第二長度D2， 且此第一長度D2大於第—長度m，並隨著離焦的距離越 201120558 遠而越長；配合參見第5B以及第7圖，如第5b圖戶_ C3 :若光束經過光學系統300後聚焦點落於待測物〇=， 前側，由待測物OB反射的光束會沿著如第5A圖所示的 二路徑R2行進，光束穿過柱狀透鏡500後入射於光感= 400，在光感測器400上形成第三線狀光斑5〇3，此态 斑503具有一第三長度D3，且此第三長度w小於第= 度D1，並隨著離焦的距離越遠而越短。 、 長 聚，定位判定方法更可包括一步驟D:根據線狀光斑 的位移量判斷待側物OB的傾斜程度，配合來見第8， 在方法D中，當待測物QB正確擺放時，^光斑5=，之 中心點會成像於光感測器400中之一第一 1 r 1 (基準立 置），當待測物OB傾斜擺放時，線狀光斑5〇2，之中心點合 成像於光感測器400中之一第二位置p2，‘镇。^曰 罝如第8圖所示， 於此實施例中’第二位置P2在X軸以及γ軸上皆相對於 該第一位置Ρ1位移（ΛΧ,ΛΥ)，也就是根據第二位置打與 該第一位置Ρ1之間的位移量可判斷待測物〇 Β於χ軸以^ Υ軸上傾斜的情況。 本發明之聚焦定位判定裝置刚利用在光感應器伽 上形成線狀光斑’可直接根據線狀光斑的長度或尺寸判定 光束是否聚以及離焦的距離’並且可根據相對於基準位 置偏移的位移量而判定待侧物的傾斜程度，相較於習知之 聚焦定位判定襞置與方法，本發明所揭露之聚焦定位判定 裝置以及方法更為簡易。 惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不 能以此限定本發明實施之範圍’即大凡依本發明申請專利 201120558 範圍及發明說明内容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍 屬本發明專利涵蓋之範圍内。另外本發明的任一實施例或 申請專利範圍不須達成本發明所揭露之特點。此外，摘要 部分和標題僅是用來輔助專利文件搜尋之用，並非用來限 制本發明之權利範圍。 201120558 【圖式簡單說明】 第1圖顯示習知聚焦定位判定裝置之示意圖； 第2A、2B、2C圖顯示習知聚焦定位判定裝置中光束 成像於感測器之示意圖； 第3A圖顯示本發明聚焦定位判定裝置之示意圖； 第3B圖顯示第3A圖中部份光路之放大示意圖； 第4A圖顯示本發明聚焦定位判定裝置之示意圖； 第4B圖顯示第4A圖中部份光路之放大示意圖； 第5A圖顯示本發明聚焦定位判定裝置之示意圖； 第5B圖顯示第5A圖中部份光路之放大示意圖； 第6A、6B圖顯示本發明聚焦定位判定裝置中之柱狀 透鏡之立體圖； 第7圖顯示本發明聚焦定位判定裝置中光束成像於光 感測器之示意圖； 第8圖顯示本發明聚焦定位判定裝置中光束成像於光 感測器之示意圖；以及 第9圖顯示本發明聚焦定位判定方法之流程圖。 【主要元件符號說明】 100聚焦判定裝置； 12物鏡； 13反射鏡； 14分光元件； 201120558 15鏡片組； 17感測器； 20光束； 200平面光源產生模組； 201光源； 202光擴束準直元件； 30待測物； 300光學系統； B 301偏極分光元件； 302聚焦透鏡； 303四分之一波片； 400光感測器； 500柱狀透鏡； 501、502、503線狀光斑； 501’、502’線狀光斑； A轴心； • D卜D2、D3長度； R1第一路徑； R2第二路徑； OB待測物； P1第一位置； P2第二位置。

Claims (1)

1. 201120558 七、申請專利範圍： 1. 一種聚焦定位判定裝置，用於判定一待測物的聚焦 與定位，包括： 一平面光源產生模組，提供一平面光束沿一第一路徑 行進； 一光學系統，設置於該第一路徑上，其中該光束穿過 該光學系統後投射於該待測物，且該光束被該待測物反射 後沿一第二路徑穿過該光學系統； 一光感測器，設置於該第二路徑上；以及 # 一柱狀透鏡，設置於該第二路徑上，並位於該光學系 統與該光感測器之間，且該柱狀透鏡之轴心與該第二路徑 垂直； 其中該光束沿該第二路徑依序穿過該光學系統以及該 柱狀透鏡後入射於該光感測器。 2. 如申請專利範圍第1項所述之聚焦定位判定裝置， 其中該平面光源產生模組包括： 一光源，提供一光束；以及 · 一擴束準值鏡，將該光束轉化為該平行的平面光束。 3. 如申請專利範圍第2項所述之聚焦定位判定裝置， 其中該光源為一雷射光源、發光二極體光源或是白熾光源。 4. 如申請專利範圍第1項所述之聚焦定位判定裝置， 其中該光學系統包括： 一偏極分光元件，設置於該第一路徑上； 一聚焦透鏡，設置於該偏極分光元件以及該待測物之 12 201120558 間；以及 一四分之一波片，設置於該偏極分光元件以及該聚焦 透鏡之間； 其中該光束依序穿過該偏極分光元件、該四分之一波 片以及該聚焦透鏡後投射於該待測物上，並且該光束被該 待測物反射後再依序穿過該聚焦透鏡、該四分之一波片以 及該偏極分光元件。 5. 如申請專利範圍第1項所述之聚焦定位判定裝置， φ 其中該光學系統包括： 一分光元件，設置於該第一路徑上；以及 一聚焦透鏡’設置於該分光元件以及該待測物之間； 其中該光束依序穿過該分光元件以及該聚焦透鏡後投 射於該待測物上’並且該光束被該待測物反射後再依序穿 過該聚焦透鏡以及該分光元件。 6. 如申請專利範圍第丨項所述之聚焦定位判定裝置， 其中該光感測器包括一感光耦合元件（CCD)、一互補式金 • 屬氧化半導體(CMOS)、一定位感度探測器（PSD)或是一光 感測陣列(PD array)。 7. 如申請專利範圍第1項所述之聚焦定位判定裝置， 其中該柱狀透鏡可為圓柱形或是半圓柱形。 8. —種聚焦定位判定方法，包括： 提供如申請專利範圍第1項所述之一聚焦定位判定裝 置； 在該聚焦判定裝置中，該光束在穿過該柱狀透鏡後形 成一線狀光斑於該光感測器上；以及 13 201120558

   該光束焦點落於該待測物後側。 斑的長度大於該特定長度 「側’當該線狀光班的長度 驟中，當該光束聚焦於該待測物時: 具有一特定長度，當該線狀光斑的 時，該光束焦點落於該待測物前側， 小於該特定長度時，該光戾焦 10. 如申請專利範圍第8項所述之聚焦定位判定方法， ，包括根據該線狀光斑的位移量_該待側物的傾 度。 11. 如巾請專利範圍第1G項所述之聚线位判定方 法’其中根據該線狀光斑的位移量判斷該待側物的傾斜程 度的步驟中，當該待測物正確擺放時，該線狀光斑之中心 2像於該光感測器中之一第一位置’當該待測物傾斜擺 放時’該線狀級之N點成像於該光感測器巾之一第二 位置’根據該第二位置與該第一位置之間的位移量； 待測物傾斜的情況。 U Π·如申請專利範圍第8項所述之聚焦定位判定方法， 其中該聚焦定_定裝置之鮮Φ光源產生模組包括： 一光源，提供一光束；以及 一擴束準值鏡，將該光束轉化為該平行的平面光束。 13. 如申請專利範圍第12項所述之聚焦定位判定方 法’其中該光源為—雷射光源、發光二極體光源或是白熾 光源。 14. 如申請專利範圍第8項所述之聚焦定位判定方法， 201120558 其中該聚焦定位判定裝置之該光學系統包括： 一偏極分光元件，設置於該第一路徑上； 一聚焦透鏡，設置於該偏極分光元件以及該待測物之 間；以及 一四分之一波片，設置於該偏極分光元件以及該聚焦 透鏡之間； 其中該光束依序穿過該偏極分光元件、該四分之一波 片以及該聚焦透鏡後投射於該待測物上，並且該光束被該 參 待測物反射後再依序穿過該聚焦透鏡、該四分之一波片以 及該偏極分光元件。 15. 如申請專利範圍第8項所述之聚焦定位判定方法， 其中該聚焦定位判定襞置之該光學系統包括： 一分光元件，設置於該第一路徑上；以及 一聚焦透鏡，設置於該分光元件以及該待測物之間； 其中該光束依序穿過該分光元件以及該聚焦透鏡後投 射於該待測物上’並且該光束被該待測物反射後再依序穿 鲁過該聚焦透鏡以及該分光元件。 16. 如申請專利範圍第8項所述之聚焦定位判定方法， 其中該聚焦定位判定裴置之該光感測器包括一感光耦合元 件(CCD)、一互補式金屬氧化半導體(CMOS)、一定位感度 探測器（PSD)或是一光感測陣列（PD array)。 17. 如申請專利範圍第8項所述之聚焦定位判定方法， 其中該聚焦定位判定裝置之該柱狀透鏡可為圓柱形或是半 圓柱形。

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