TWI411860B - 聚焦定位判定方法 - Google Patents

Description

聚焦定位判定方法

本發明係有關於一種聚焦定位判定方法，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。

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。

本發明提供一種聚焦定位判定裝置，用於判定一待測 物的聚焦與定位。聚焦定位判定裝置包括一平面光源產生模組、一光學系統、一光感測器以及一柱狀透鏡。平面光源產生模組提供一平面光束沿一第一路徑行進，光學系統設置於第一路徑上，其中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一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：

參見第3A、4A、5A圖，本發明之聚焦判定裝置100包括一平面光源產生模組200、一光學系統300、一光感測器400以及一柱狀透鏡500。

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，光擴束準直元件202可將該光束擴束為一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)301、一聚焦 透鏡302以及四分之一波片(quarter-wave plate)303，偏極分光元件301設置於第一路徑R1上，聚焦透鏡302設置於偏極分光元件301以及待測物OB之間，四分之一波片303則設置於偏極分光元件301以及聚焦透鏡302之間。偏極分光元件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303以及聚焦透鏡302後投射於一待測物表面OB，待測物表面OB將該S偏極光束反射沿一第二路徑R2再次穿過光學系統300，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301，入射至光感測器400。

應注意的是，光學系統300不限定包括上述元件，舉例說明，光學系統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(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)，而柱狀透鏡500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之一軸心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300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100；B：在聚焦判定裝置100中，光束在穿過柱狀透鏡500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斷待測物OB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300後聚焦於待測物OB，由待測物OB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500後入射於光感測器400，在光感測器400上形成第一線狀光斑501，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300後聚焦點落於待測物OB的後側，由待測物OB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400，在光感測器400上形成第二線狀光斑502，此線狀光斑502具有一第二長度D2，且此第二長度D2大於第一長度D1，並隨著離焦的距離越遠而越長；配合參見第5B以及第7圖，如第5B圖所示，C3：若光束經過光學系統300後聚焦點落於待測物OB的前側，由待測物OB反射的光束會沿著如第5A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400，在光感測器400上形成第三線狀光斑503，此線狀光斑503具有一第三長度D3，且此第三長度D3小於第一長度D1，並隨著離焦的距離越遠而越短。

聚焦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，配合參見第8圖，在方法D中，當待測物OB正確擺放時，線狀光斑501’之中心點會成像於光感測器400中之一第一位置P1(基準位置)，當待測物OB傾斜擺放時，線狀光斑502’之中心點會成像於光感測器400中之一第二位置P2，如第8圖所示，於此實施例中，第二位置P2在X軸以及Y軸上皆相對於該第一位置P1位移(△X,△Y)，也就是根據第二位置P2與該第一位置P1之間的位移量可判斷待測物OB於X軸以及Y軸上傾斜的情況。

本發明之聚焦定位判定裝置100利用在光感應器400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焦以及離焦的距離，並且可根據相對於基準位置偏移的位移量而判定待側物的傾斜程度，相較於習知之聚焦定位判定裝置與方法，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範圍及發明說明內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內。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。

100‧‧‧聚焦判定裝置

12‧‧‧物鏡

13‧‧‧反射鏡

14‧‧‧分光元件

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

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‧‧‧軸心

D1、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

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。

100‧‧‧聚焦判定裝置

200‧‧‧平面光源產生模組

201‧‧‧光源

202‧‧‧光擴束準直元件

300‧‧‧光學系統

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

A‧‧‧軸心

R1‧‧‧第一路徑

R2‧‧‧第二路徑

OB‧‧‧待測物

Claims (9)

1. 一種聚焦定位判定方法，包括：提供一聚焦定位判定裝置，其中該聚焦定位判定裝置包括：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；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，且該柱狀透鏡之軸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，並且形成一線狀光斑於該光感測器上；根據該線狀光斑的長度判斷該待測物的離焦程度；以及根據該線狀光斑的位移量判斷該待側物的傾斜程度。
2. 如申請專利範圍第1項所述之聚焦定位判定方法，其中根據該線狀光斑的長度判斷該待測物的離焦程度的步驟中，當該光束聚焦於該待測物時，所形成之該線狀光斑具有一特定長度，當該線狀光斑的長度大於該特定長度時，該光束焦點落於該待測物前側，當該線狀光班的長度小於該特定長度時，該光束焦點落於該待測物後側。
3. 如申請專利範圍第1項所述之聚焦定位判定方法， 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，該線狀光斑之中心點成像於該光感測器中之一第一位置，當該待測物傾斜擺放時，該線狀光斑之中心點成像於該光感測器中之一第二位置，根據該第二位置與該第一位置之間的位移量判斷該待測物傾斜的情況。
4. 如申請專利範圍第1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。
5. 如申請專利範圍第4項所述之聚焦定位判定方法，其中該光源為一雷射光源、發光二極體光源或是白熾光源。
6. 如申請專利範圍第1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。
7. 如申請專利範圍第1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。
8. 如申請專利範圍第1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)。
9. 如申請專利範圍第1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。