TWI428654B - 自動聚焦模組與其方法 - Google Patents

Description

自動聚焦模組與其方法

本發明是有關於一種降低光源擾動對自動聚焦精度影響之自動聚焦模組與其操作方法。

隨著電子業的蓬勃發展，許多消費性電子產品如手機、相機、投影機等，走向精緻微型化已是市場主流趨勢。為因應電子產業的需求，關鍵零組件之加工成形方式則顯得重要。此外，於太陽能電池製造業或面板製造等光電產業上，亦應用微製程加工，如微電路修補、微加工、切割、熔接、鑽孔、材料改質等等。舊有之機械加工方式受限於刀片大小與機構限制，逐漸不敷使用。目前取而代之的是精度高、速度快的雷射加工方式，如雷射鑽孔、雷射修補、雷射切割等等。

於雷射加工時，由於加工件表面之高低起伏，可能會影像加工尺寸與加工精度。甚至，在加工時，雷射聚焦點可能會脫離加工表面而導致加工能量不足而失效，或光點面積過大導致加工尺寸誤差。故而，需要自動聚焦模組來達成精密加工之目的。自動聚焦模組亦可應用於自動光學檢查(Automated Optical Inspection，簡稱AOI)檢測，如缺陷檢測、尺寸檢測等，以降低檢測時間、增加生產良率及確保產品品質。因此自動聚焦模組在工業界有著龐大的應用市場。

目前自動聚焦模組可分為兩種：影像式自動聚焦模組與光學式自動聚焦模組。影像式自動聚焦模組是傳統業界所熟知的，其優點是價格便宜，但其缺點是精度受限，反應時間太慢，無法滿足生產線上的高產量要求。因此近年來逐漸被光學式自動聚焦模組所取代。

光學式自動聚焦模組是利用光感測器所偵測到的光形(或光能量)的變化作為離焦距離與離焦方向的判斷依據，其精度高、反應時間快。在要求精度高、反應時間快的精密生產線，光學式自動聚焦模組較具優勢。

隨著製造技術的發展，光學式自動聚焦模組的精度要求亦隨之提高，以進一步提升生產良率。以薄膜電晶體陣列(TFT array)修補為例，線寬與聚焦光點愈來愈小，聚焦精度要求愈來愈高。目前搭配20倍物鏡的光學式自動聚焦模組的聚焦精度(focus accuracy)要求在2 μm以內。而對於搭配50倍物鏡的光學式自動聚焦模組而言，其聚焦精度要求更在1 μm以內。

光學式自動聚焦模組需配置偵測光源，該光源的擾動(如光軸飄動或功率變化)對聚焦精度有不良影響。針對降低光源擾動的習知技術來說，可分成兩類：一類是從光源本身的結構改善著手，另一類是從光源的迴授控制著手。然而這些習知技術只能對光源本身功率變化的擾動加以改善，因此對聚焦精度的改善有限。

請參考第1A圖~第1C圖，其顯示習知技術之光源擾動示意圖。習知自動聚焦模組根據成像於光感測器上的影像重心位置來判斷離焦位置。假設自動聚焦模組的發光二極體功率穩定，且偵測物與自動聚焦模組的相對位置不變。自動聚焦模組之發光元件所發射出的光束，會因為光源的光軸飄動，在不同的時間點會有不同的發射方向。以第1A圖為例，11代表理想光軸，而11’與11”則代表光軸飄動後的光軸。由於光軸飄動的關係，導致成像在光感測器12上的位置會隨著時間而在範圍13內變化。

如第1B圖所示，P_t1 ~P_t4 分別代表於四個時間點t1~t4(亦即光感測器的4個不同感測時間點)下的成像在光感測器12上的位置，以據此換算出影像重心位置。由第1B圖可看出，由於光軸飄動的關係，影像的重心位置可能會散佈於4個象限內(假設光感測器的感測單元落於4個象限內)。

由於成像在光感測器12上的前後兩個影像15與15’的位置會隨著時間而變化，根據影像15與15’的重心位置16與16’所判斷出的離焦位置會不同，如第1C圖所示。當自動聚焦模組運作時間愈久時，光源的溫度愈上升，光軸飄動的情況愈明顯，導致自動聚焦精度誤差亦會愈大。

故而，本發明能降低光源擾動對自動聚焦精度的影響，以提升自動聚焦精度。

本發明係有關於一種降低光源擾動對自動聚焦精度影響之方法與裝置，藉由運用光路徑調變器及/或訊號演算法來降低光源擾動在成像光路的光感測器中所造成的感測訊號變化量，以提升自動聚焦精度。

本發明之一示範例提出一種自動聚焦模組，包括：一光源，發射出一光束；一光路徑調變器，調變該光源所發出的該光束入射到該光路徑調變器後的一出射方向；一物鏡，將該光路徑調變器所調變後的該光束入射到一偵測物；一光感測器，感測該光路徑調變器所調變後的該光束入射到該偵測物後反射所形成之一影像，該光路徑調變器縮小形成在該光感測器所感測的該影像之一位置變化；一訊號處理單元，根據該光感測器所感測的該影像以判斷該偵測物之一離焦位置；以及一驅動單元，受控於該訊號處理單元，該驅動單元改變該物鏡與該偵測物間之一相對位置，以讓該偵測物往該物鏡的一焦點位置移動。

本發明之另一示範例提出一種自動聚焦方法，應用於一自動聚焦模組，該方法包括：發射出一光束；調變該光束的一出射方向；利用一物鏡，將調變後的該光束入射到一偵測物；感測調變後的該光束入射到該偵測物後反射所形成之一影像，該調變步驟縮小該影像之一位置變化；根據所感測的該影像以判斷該偵測物之一離焦位置；以及根據所判斷出的該偵測物之該離焦位置，改變該物鏡與該偵測物間之一相對位置，以讓該偵測物往該物鏡的一焦點位置移動。

為了對本發明之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：

於本發明數個實施例中，運用光路徑調變器及/或訊號演算法來降低光源擾動在成像光路的光感測器中所造成的感測訊號變化量，以提升自動聚焦精度。

第一實施例

第2圖顯示根據本發明第一實施例之降低光源擾動對自動聚焦精度影響之自動聚焦模組50之示意圖。自動聚焦模組50包括：光源照射單元100、成像光路單元200與觀測單元300。偵測物以參考符號S代表。自動聚焦模組50可更包括：訊號處理單元400與驅動單元500。

光源照射單元100包括：發光元件110、光路徑調變器101、光整形鏡組102與103、光遮斷器104、分光鏡(BS,beam splitter)105與106、物鏡107。發光元件110比如但不受限於雷射二極體(laser diode,LD)。

成像光路單元200包括：物鏡107、分光鏡105與106、聚焦透鏡201與光感測器202。在此實施例中，物鏡107、分光鏡105與106既屬於光源照射單元100也屬於成像光路單元200。但本發明其他可能實施例並不受限於此種光路架構，比如，於本發明其他可能實施例中，光源照射單元100與成像光路單元200可有各自的物鏡與分光鏡組。

觀測單元300用以接收被偵測物S反射的觀測影像，以讓操作者即時觀測。依據第2圖顯示之第一實施例中的觀測單元300包括無限遠修正光路系統(infinity-corrected optical system)301與觀測感測器302。

於本發明第一實施例，為降低光源擾動對自動聚焦精度的影響，發光元件110(如LD)發射出一束光束，經過光路徑調變器101與光整形鏡組102與103後，形成準直的圓柱狀平行光束B1。光路徑調變器101可快速調變發光元件110所發射的光束入射到光路徑調變器110後的出射光束的方向。圓柱狀平行光束B1經過光遮斷器104後，形成半圓柱狀平行光束B2。半圓柱狀平行光束B2經過分光鏡105與106後，成為光束B3。光束B3經過物鏡107而打到偵測物S。

打到偵測物S的光束B3被偵測物S所反射，經過物鏡107後，再經過分光鏡106與105後，成為光束B4。光束B4經過聚焦透鏡201後，投射在光感測器202。利用投射在光感測器202的光束的重心位置的變化，可用來判斷離焦距離與離焦方向。光感測器202偵測經光路徑調變器101調變後的光束入射到偵測物S後反射所形成之影像；且光路徑調變器101可讓投射在光感測器202的光束影像位置變化縮小。

觀測單元300可讓操作者即時觀測影像。分光鏡106將由物鏡所射出的光束B3分光(一半反射，一半穿透)，穿透分光鏡106的光束會入射至觀測單元300的無限遠修正光路系統301，並由觀測感測器302取得觀測影像。

底下說明本實施例如何運用光路徑調變器101來降低光源擾動對自動聚焦精度的影響。請參考第3圖與第4圖，其顯示根據發明第一實施例之降低光源擾動之示意圖。假設自動聚焦模組的發光元件110(LD)功率穩定，且偵測物S與自動聚焦模組的相對位置不變。如果發光元件110(光源)的光軸飄動的話，光源之光軸在不同的時間點會有不同的發射方向，111代表理想光軸(未有光軸飄動)，而111’與111”則代表光軸飄動後的光軸。當光束入射光路徑調變器101後，由於光路徑調變器101可以快速調變出射光束的方向，且由於光感測器202的曝光時間比光路徑調變器101的調變週期長(比如，光感測器為CCD，則CCD的曝光周期長於光路徑調變器101的旋轉周期)。在光感測器202的曝光時間內，入射到光感測器202的光束的平均位置變化可縮小在範圍250內，範圍250比第1A圖(習知技術)的範圍13小。因此，於本發明第一實施例中，利用光路徑調變器101，投射在光感測器202的光束的重心位置變化縮小，可有效的降低光源擾動對自動聚焦精度的影響。

如第4圖所示，P_11-t1 ~P_22-t1、 P_11-t2 ~P_22-t2、 P_11-t3 ~P_22-t3 與P_11-t4 ~P_22-t4 分別代表於光感測器的4個感測周期時間點t1~t4下的成像在光感測器202上的位置(可據此得出影像重心位置)。由第4圖可看出，即便有光軸飄動，於本發明第一實施例中，由於在一個感測周期內，影像的重心位置可由散佈於4個象限內的影像位置平均而得(假設光感測器的感測單元落於4個象限內)，所以，可得知投射在光感測器202的光束的重心位置變化縮小，可有效的降低光源擾動對自動聚焦精度的影響。

請再次參考第1圖，當偵測物S距離物鏡107的離焦位置在某一點時，此時，訊號處理單元400可根據投射在光感測器202的影像及/或光束重心位置變化，得知此時的偵測物S的離焦距離與離焦方向。假設偵測物S未位於物鏡107的焦點上的話，則訊號處理單元400會控制驅動器500來移動物鏡107及/或偵測物S，以讓偵測物S往物鏡107的焦點位置移動。由於入射至光感測器202的光束的重心位置變化量被光路徑調變器101所縮小了，所以，偵測物S的離焦距離與離焦方向亦被抑制，不會有很大變化，可提升自動聚焦之精度。

光路徑調變器101可以是旋轉的擴散片(diffuser)或聲光調變器或電光調變器等，只要能改變光入射路徑與光出射角度即可。以光路徑調變器101為旋轉的擴散片為例，其能快速旋轉，使得光穿過光路徑調變器101時，其穿透角度會被改變。更進一步說，光路徑調變器101可降低光源的光軸飄動對自動聚焦精度影響。於其他可能實施例中，光路徑調變器101可降低光源強度變動對自動聚焦精度影響。

第二實施例

於本發明第二實施例中，運用訊號演算法來進一步提升自動聚焦之精度。如第5圖所示，成像在光感測器202上不同時間點的影像221與231的重心位置222與232會因為時間點不同而不同。但對於影像221與231來說，其幾何中心點223與233與其重心位置222與232之間的相對位置δ，原則上來說，即便光軸如何變化，理論上此相對位置δ並不會隨之發生變化。所以，於本發明第二實施例中，可利用成像於光感測器上的影像的相對位置δ(影像的幾何中心點與其重心位置間的相對位置)做為離焦距離與離焦方向的判定依據，以進一步提升自動聚焦之精度。更甚者，於第二實施例中，如欲更進一步節省成本，甚至可省略光路徑調變器101。

第三實施例

於本發明第三實施例中，運用訊號演算法來進一步提升自動聚焦之精度。如第6圖所示，成像在光感測器202上不同時間點的影像221與231的幾何面積A原則上不會因為時間點不同而不同，甚至，原則上來說，即便光軸有變化，理論上影像的幾何面積A並不會隨之發生變化。所以，於本發明第三實施例中，可利用成像於光感測器上的影像的幾何面積A做為離焦距離與離焦方向的判定依據，以進一步提升自動聚焦之精度。更甚者，於第三實施例中，如欲更進一步節省成本，甚至可省略光路徑調變器101。

綜上所述可知，於本發明數個實施例中，偵測物S之離焦位置可從光感測器所偵測影像之重心位置變化而得到；或者是，偵測物S之離焦位置可從光感測器202所偵測影像之相對位置變化得到；或者是，偵測物S之離焦位置可從光感測器202所偵測影像之幾何面積變化得到。

綜上所述，雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

11、11’、11”．．．光軸

12．．．光感測器

13．．．範圍

15與15’．．．影像

16與16’．．．重心位置

50．．．自動聚焦模組

100．．．光源照射單元

200．．．成像光路單元

300．．．觀測單元

S．．．偵測物

400．．．訊號處理單元

500．．．驅動單元

110．．．發光元件

101．．．光路徑調變器

102與103．．．光整形鏡組

104．．．光遮斷器

105與106．．．分光鏡

107．．．物鏡

201．．．聚焦透鏡

202．．．光感測器

301．．．無限遠修正光路系統

302．．．觀測感測器

221與231．．．影像

222與232．．．重心位置

223與233．．．幾何中心點

第1A圖~第1C圖顯示習知技術之光源擾動示意圖。

第2圖顯示根據本發明第一實施例之降低光源擾動對自動聚焦精度影響之自動聚焦模組之示意圖。

第3圖與第4圖顯示根據發明第一實施例之降低光源擾動之示意圖。

第5圖顯示根據本發明第二實施例之成像在光感測器上之影像之幾何中心點與其重心位置間的相對位置δ，以用於離焦距離與離焦方向的判定依據。

第6圖顯示根據本發明第三實施例之成像在光感測器上之影像之幾何面積A，以用於離焦距離與離焦方向的判定依據。

50．．．自動聚焦模組

100．．．光源照射單元

200．．．成像光路單元

300．．．觀測單元

S．．．偵測物

400．．．訊號處理單元

500．．．驅動單元

110．．．發光元件

101．．．光路徑調變器

102與103．．．光整形鏡組

104．．．光遮斷器

105與106．．．分光鏡

107．．．物鏡

201．．．聚焦透鏡

202．．．光感測器

301．．．無限遠修正光路系統

302．．．觀測感測器

Claims (14)

1. 一種自動聚焦模組，包括：一光源，發射出一光束；一光路徑調變器，調變該光源所發出的該光束入射到該光路徑調變器後的一出射方向；一物鏡，將該光路徑調變器所調變後的該光束入射到一偵測物；一光感測器，感測該光路徑調變器所調變後的該光束入射到該偵測物後反射所形成之一影像，該光路徑調變器縮小形成在該光感測器所感測的該影像之一位置變化；一訊號處理單元，根據該光感測器所感測的該影像以判斷該偵測物之一離焦位置；以及一驅動單元，受控於該訊號處理單元，該驅動單元改變該物鏡與該偵測物間之一相對位置，以讓該偵測物往該物鏡的一焦點位置移動。
2. 如申請專利範圍第1項所述之自動聚焦模組，其中，該光感測器的一曝光時間比該光路徑調變器的一調變週期長。
3. 如申請專利範圍第1項所述之自動聚焦模組，其中，該訊號處理單元根據該光感測器所感測之該影像之一重心位置變化而判斷該偵測物之該離焦位置。
4. 如申請專利範圍第1項所述之自動聚焦模組，其中，該訊號處理單元根據該光感測器所感測之該影像之一幾何中心點與一重心位置間的一相對位置而判斷該偵測物之該離焦位置。
5. 如申請專利範圍第1項所述之自動聚焦模組，其中，該訊號處理單元根據該光感測器所感測之該影像之一幾何面積而判斷該偵測物之該離焦位置。
6. 如申請專利範圍第1項所述之自動聚焦模組，更包括：一光整形鏡組，將該光路徑調變器所調變後的該光束整形成一準直圓柱狀平行光束；一光遮斷器，將該光整形鏡組所形成的該圓柱狀平行光束遮斷成一半圓柱狀平行光束；一分光鏡，分光該半圓柱狀平行光束，以入射至該物鏡；一聚焦透鏡，入射至該偵測物的該光束經該偵測物所反射而經過該物鏡後，再經過該分光鏡與該聚焦透鏡後，投射在該光感測器；以及一觀測單元，即時觀測影像。
7. 如申請專利範圍第6項所述之自動聚焦模組，其中，該觀測單元包括：一無限遠修正光路系統與一觀測感測器，該分光鏡分光該物鏡所射出的該光束，穿透該分光鏡的該光束入射至該觀測單元的該無限遠修正光路系統。
8. 一種自動聚焦方法，應用於一自動聚焦模組，該方法包括：發射出一光束；調變該光束的一出射方向；利用一物鏡，將調變後的該光束入射到一偵測物；感測調變後的該光束入射到該偵測物後反射所形成之一影像，該調變步驟縮小該影像之一位置變化；根據所感測的該影像以判斷該偵測物之一離焦位置；以及根據所判斷出的該偵測物之該離焦位置，改變該物鏡與該偵測物間之一相對位置，以讓該偵測物往該物鏡的一焦點位置移動。
9. 如申請專利範圍第8項所述之方法，其中，該感測該影像的一曝光時間比調變該光束的一調變週期長。
10. 如申請專利範圍第8項所述之方法，其中，該判斷步驟包括：根據所感測之該影像之一重心位置變化而判斷該偵測物之該離焦位置。
11. 如申請專利範圍第8項所述之方法，其中，該判斷步驟包括：根據所感測之該影像之一幾何中心點與一重心位置間的一相對位置而判斷該偵測物之該離焦位置。
12. 如申請專利範圍第8項所述之方法，其中，該判斷步驟包括：根據所感測之該影像之一幾何面積而判斷該偵測物之該離焦位置。
13. 如申請專利範圍第8項所述之方法，更包括：利用一光整形鏡組，將所調變後的該光束整形成一準直圓柱狀平行光束；利用一光遮斷器將所形成的該圓柱狀平行光束遮斷成一半圓柱狀平行光束；利用一分光鏡分光該半圓柱狀平行光束，以入射至該物鏡；入射至該偵測物的該光束經該偵測物所反射而經過該物鏡後，再經過該分光鏡與一聚焦透鏡後，投射在該光感測器；以及利用一觀測單元來即時觀測影像。
14. 如申請專利範圍第13項所述之方法，其中，該分光鏡分光該物鏡所射出的該光束，穿透該分光鏡的該光束入射至該觀測單元。