TWI470299B - 自動對焦裝置與方法 - Google Patents

Description

自動對焦裝置與方法

本揭露係有關於一種自動對焦裝置與方法，特別是有關一種自動對焦裝置與方法。

隨著平面顯示器大廠技術不斷精進，陣列(array)製程階段、液晶(cell)製程以及彩色濾光片(color filter)製程中，對於品質的控管的要求也越來越嚴格。因此自動光學檢測系統(automatic optical inspection,AOI)的效果優劣，將會影響到產品的產能以及生產製造的成本。一般之缺陷多是微米等級的外觀，檢測系統多是採用高倍之顯微光學鏡組；為了克服顯微光學鏡組焦深較短的問題，有必要發展出高精度、微米級的對焦系統。

在目前之習用技術中，主要的對焦方式分成主動式對焦以及被動式對焦兩種方式，其中被動式對焦，例如台灣公告專利號TW00486599所揭露的技術，其係利用粗調與細調兩階段的方式尋焦。另外，在台灣公告專利TW00571583，則揭露一種以景深作為尋焦步階的依據，且必須設定尋焦範圍，以在短行程範圍內進行自動對焦。而主動式對焦技術，如中央精機株式會社(CHUO PRECISION INDUSTRIAL CO.,LTD.)所生產的型號AF-I的自動對焦裝置，其原理為由光源產生之光透過對焦光柵的投影經過光學鏡組投射至物體表面，將物面反射之光柵影像與原光柵影像進行相位比對，其架構使用了線型感測器，所以對焦速度快。此外，又如美國專利US.Pat.No.7,477,401也揭露一種利用兩種不同光源配合色散原理以進行物體表面形貌量測以及二維紅外線影像觀察。

有鑑於此，本揭露一實施例提供一種自動對焦裝置，其用於搭配一光學檢測系統，上述光學檢測系統係針對一待測物件而設計，上述自動對焦裝置包括一第一光源系統，用以產生一第一光源；一色散鏡組，接收上述第一光源以產生一色散光源；一第二光源系統，用以產生一第二光源；一光學鏡組，用以聚焦上述色散光源和上述第二光源至上述待測物件上並經上述待測物件反射形成一第一物光和一第二物光；一頻譜儀，用以接受上述第一物光的一色散光譜而產生一回饋訊號；一位移平台控制器，接收上述回饋訊號，計算上述待測物件的高度；一光源切換器，將上述色散光源及上述第二光源間隔並循環經過上述光學鏡組聚焦至上述待測物件上；一位移平台，連接上述位移平台控制器，上述位移平台用以承載上述色散鏡組、上述第二光源系統、上述光學鏡組和上述光源切換器，由上述位移平台控制器控制上述位移平台移動距離，讓上述待測物件維持在上述光學鏡組的一焦點位置上。

本揭露另一實施例提供一種自動對焦方法，包括提供一自動對焦裝置，包括一第一光源系統，用以產生一第一光源；一色散鏡組，接收上述第一光源以產生一色散光源；一第二光源系統，用以產生一第二光源；一光學鏡組，用以聚焦上述色散光源和上述第二光源至上述待測物件上並經上述待測物件反射形成一第一物光和一第二物光；一頻譜儀，用以接受上述第一物光的一色散光譜而產生一回饋訊號；一位移平台控制器，接收上述回饋訊號，計算上述待測物件的高度；一光源切換器，將上述色散光源及上述第二光源間隔並循環經過上述光學鏡組聚焦至上述待測物件上；一位移平台，連接上述位移平台控制器，上述位移平台用以承載上述色散鏡組、上述第二光源系統、上述光學鏡組和上述光源切換器，由上述位移平台控制器控制上述位移平台移動距離，讓上述待測物件維持在上述光學鏡組的一焦點位置上；將一待測物件置於上述自動對焦裝置的一尋焦範圍內；旋轉上述光源切換器至一特定位置，使經過上述色散鏡組之上述色散光源經由上述光源切換器的反射到達上述待測物件，且上述待測物件反射形成的上述第一物光依上述色散光源的一第一光路反射回至上述頻譜儀；分析上述第一物光的上述色散光譜以得到關於上述待測物件的一表面高度資訊；移動上述位移平台，讓上述待測物件維持在上述光學鏡組的一焦點位置上，同時上述光源切換器的上述特定位置使上述第二光源反射離開上述第一光路，不會影響上述色散光譜；旋轉上述光源切換器至另一特定位置，使上述第二光源穿透上述光源切換器並經過上述光學鏡組聚焦至上述待測物件產生一第二物光，且上述第二物光依上述第二光源的一第二光路穿透且入射上述光學檢測系統，且上述光源切換器的上述另一特定位置使上述色散光源穿透；感測上述第二物光以形成一對焦影像。

以下以各實施例詳細說明並伴隨著圖式說明之範例，做為本發明之參考依據。本發明實施例所列數值範圍僅用於清楚說明本發明，本領域具有通常知識者當知悉使用不同裝置或設備將具有不同的數值範圍。本發明已經由數種實施例揭露如上。習知技藝者應能以本發明所揭露的技術內容作為基礎來設計或修改其他的製程或架構來達到相同於本發明之目的和/或優點。習知技藝者應能知悉在不脫離本發明的精神和架構的前提下，當可作些許更動、替換和置換。本發明之範疇當視所附申請專利範圍而定。

本發明提供一種自動對焦裝置與方法，可以提供電荷耦合元件(CCD)正常取像與待測物件對焦資訊。主要利用於線上檢測系統中，持續針對線上待測物體進行對焦之動作，以幫助電荷耦合元件(CCD)檢測系統取得清晰影像，不會因待測物件之高低變化偏離檢測光之有效景深而模糊。

第1圖為本發明實施例之自動對焦裝置500的架構示意圖。第5圖為本發明實施例之自動對焦方法60的流程圖。本發明實施例之自動對焦裝置500用於搭配例如一電荷耦合元件(CCD)檢測系統的光學檢測系統236，上述光學檢測系統236係針對線上的待測物件250而設計。因此，許多待測物件250會置於例如輸送帶之輸送裝置254上，沿一方向252持續不斷地移動。接下來，利用第1和5圖說明利用本發明實施例之本發明實施例自動對焦裝置500進行之自動對焦方法60的步驟。首先，進行步驟600，提供如第1圖所示之一自動對焦裝置500。在本發明一實施例中，本發明實施例之自動對焦裝置500包括一第一光源系統200、一第二光源系統214、一色散鏡組204、一光學鏡組208、一頻譜儀210、一位移平台控制器212、一光源切換器222和一位移平台234。如第1圖所示，第一光源系統200係用以產生一第一光源202。在本發明一實施例中，第一光源202可為具有多重波長的一寬頻光。色散鏡組204係用以接收第一光源202以產生一色散光源205。第二光源系統214係用以產生一第二光源216。在本發明一實施例中，第二光源216可包括白光之寬頻光源。在本發明其他實施例中，第二光源216可包括紅外光等具有特定波長之單頻光源。在本發明一實施例中，色散光源205可選擇性經過反射鏡206之光學元件改變行進方向而入射至光學鏡組208，另外，第二光源216也可選擇性經過透鏡218或半穿透半反射鏡220之光學元件改變行進方向入射至光學鏡組208。在本發明一實施例中，光學鏡組208係用以聚焦色散光源205和第二光源216至待測物件250上反射以形成一第一物光230和一第二物光232。第一物光230會依色散光源205的一光路(意即第1圖所示之205的軌跡)反射回至頻譜儀210。頻譜儀210係用以接受第一物光230產生的一色散光譜207。位移平台控制器212係用以接收頻譜儀210之一回饋頻譜訊號209，計算待測物件250的高度。如第1圖所示，色散光源205和第二光源216可於光源切換器222光路重合(意即色散光源205和第二光源216在光源切換器222和待測物件250之間具有相同的軌跡)，而光源切換器222係用以將色散光源205及第二光源216間隔並循環經過光學鏡組208聚焦至待測物件250。如第2圖所示。光源切換器222包括彼此隔開的一第一區域A和一第二區域B。如第3a圖所示，在本發明一實施例中，第一區域A具有光線反射功能，其可包括一反射鏡，第二區域B具有光線穿透功能，其可包括一透明玻璃或空氣。位移平台234係用以連接該位移平台控制器，且位移平台234用以承載色散鏡組204、第二光源系統214、光學鏡組208和光源切換器222等元件，由位移平台控制器212控制位移平台234的移動距離，讓待測物件250維持在光學鏡組208的一焦點位置上。

接著，進行步驟602，將待測物件250置於自動對焦裝置500的一尋焦範圍S內。在本發明一實施例中，聚焦至待測物件250上色散光源205中不同的波長光線會具有不同的聚焦深度。因此，尋焦範圍S係依據色散光源205的頻寬而定，頻寬愈大則尋焦範圍S愈大。

接著，進行步驟604，旋轉光源切換器222至一特定位置，使色散光源205和第二光源216同時入射至光源切換器222的第一區域A。第3a圖為當色散光源205和第二光源216同時入射至光源切換器的第一區域A的行進方向示意圖，為了方便說明起見，光學鏡組208在此不予顯示。當色散光源205和第二光源216同時入射至光源切換器222的第一區域A時，色散光源205可被第一區域A反射並經過如第1圖所示的光學鏡組208聚焦至待測物件250反射形成一第一物光230(第一物光230與色散光源205具有相同光路，但兩者的行進方向相反)，且第二光源216可被第一區域A反射離開色散光源205的光路。此外，進行步驟604期間，第一物光230產生的色散光譜207(色散光譜207的行進方向與色散光源205的行進方向相反)也會入射至第一區域A而被第一區域A反射至頻譜儀200。

接著，進行步驟606，因此，頻譜儀210可以分析第一物光230產生的色散光譜207中，待測物件250具有特定高度的表面所反射波長光線的強度，因而得到待測物件250表面形貌所具有的高度資訊。

接著，進行步驟608，利用位移平台控制器212接收頻譜儀210之一回饋訊號209，以計算待測物件250的高度移動位移平台234，再由位移平台控制器212控制位移平台234的移動距離，讓待測物件250維持在光學鏡組208的一焦點位置上。

接著，進行步驟610，旋轉光源切換器222至另一特定位置，使色散光源205和第二光源216同時入射至光源切換器222的第二區域B。第3b圖為當色散光源205和第二光源216同時入射至光源切換器的第二區域B的行進方向示意圖，為了方便說明起見，光學鏡組208在此不予顯示。當色散光源205和第二光源216同時入射至光源切換器222的第二區域B時，第二光源216會穿透第二區域B並經過如第1圖所示的光學鏡組208聚焦至待測物件250反射形成一第二物光232。在進行步驟610期間，第二物光232也會依第二光源216的光路穿透第二區域B而選擇性經過半穿透半反射鏡220入射至光學檢測系統236(第二物光232與第二光源216在半穿透半反射鏡220和待測物件250之間具有相同光路，但兩者的行進方向相反)，且色散光源205會穿透第二區域B而離開而不會產生第一物光230。因此，光源切換器222可將色散光源205及第二光源216間隔並循環經過光學鏡組208聚焦至待測物件250。

最後，進行步驟612，利用光學檢測系統236感測第二物光232以形成一對焦影像。由於進行步驟608之後，待測物件250已位於光學鏡組208的焦點位置上，所以光學檢測系統236可以得到待測物件250的清晰影像。另外，因為此時色散光源205會穿透光源切換器222的第二區域B而離開待測物件250而不會產生第一物光230，所以不會影響光學檢測系統236得到的正確顏色影像。

本發明實施例的自動對焦裝置500係利用色散光源205對焦，且利用例如白光或是特定波長之第二光源216用作光學檢測。在接近待測物件250處，色散光源205和第二光源216的光路會互相重疊。為避免色散光源205和第二光源216互相影響，因此本發明實施例的自動對焦裝置500在待測物件250(或光學鏡組208)前方會設計一光源切換器222來切換不同之光源。當待測物件250高度偏移時，位移平台控制器212先利用對焦資訊得知偏移距離，再驅動位移平台234移動到正確位置，可持續取得清晰影像。也因此，光源切換器的旋轉角度控制變得非常重要。接下來利用第2a、2b和4圖來說明本發明實施例之光源切 換器222的旋轉角度訊號偵測方式。如第2a、2b和4圖所示，在本發明一實施例中，光源切換器222可為一輪狀物，可利用一馬達224旋轉帶動光源切換器222的第一區域A和第二區域B，讓第一區域A和第二區域B以馬達224為旋轉軸，沿一方向310輪流且重複出現在色散光源205和第二光源216的光路空間中。在本發明一實施例中，為達到光源切換器222的第一區域A和第二區域B之切換與光學檢測系統236、頻譜儀210資訊同步的需求，可在馬達224上做旋轉角度之訊號偵測。如第4圖所示，馬達224可由一固定件228和圍繞固定件228的一旋轉件226構成。在本發明一實施例中，旋轉件226以固定件228為中心旋轉。而旋轉件226上可貼附一光反射貼片300。另外，可對應於該旋轉件226設置一光收發感測器302，並用以發射一光線304，當光源切換器222旋轉時，光收發感測器302可由光反射貼片300反射的光線304偵測光源切換器222旋轉之特定角度，如此可以提供光學檢測系統236何時光源切換器222已轉到第一區域A，何時在第二區域B。另外，光收發感測器302可控制光源切換器222的一旋轉角度，如此可以判斷取對焦資訊與取得影像之時機。舉例來說，進行步驟604時，可利用馬達224帶動光源切換器222。再利用光收發感測器302發射光線304至馬達224的光反射貼片300的旋轉件226上。當光源切換器222以定速旋轉時偵測由光反射貼片300反射的光線304及控制光源切換器222的一特定旋轉角度或是延遲時間，使色散光源205和第二光源216入射至光源切換器222的第一區域A。另外，進行步驟610時，可利用馬達224帶動光源切換器222。再利用光收發感測器302發射光線304至馬達224的光反射貼片300的旋轉件226上。當光源切換器222旋轉時偵測由光反射貼片300反射的光線304及控制光源切換器222的一特定旋轉角度或是延遲時間，使色散光源205和第二光源216入射至光源切換器222的第二區域B。

本發明實施例提供一種自動對焦裝置與方法。可應用於光學檢測系統上，不影響光學檢測系統之影像判讀，並提供待測物件之對焦資訊。本發明實施例之自動對焦裝置之對焦光源和檢測光源為不同的光源，且兩種光源為共光路(光源切換器和待測物件之間)設計，所以能確保對焦點與檢測點為同一點，不受待測物件高低起伏之外型或是組裝差異而改變。另外，本發明實施例之自動對焦裝置使用光源切換器，輪流且重複切換對焦光源和檢測光源，因而兩種光源不會互相影響。另外，由於光源切換器的使用，可達到100%光能使用率。再者，本發明實施例之自動對焦裝置可搭配使用例如白光、紅外光等不同光源之檢測系統，可提高選擇彈性且利於彩色影像分析。綜上所述，本發明實施例之自動對焦裝置與方法係特別適用於線上檢測具有較大撓曲量的大尺寸面板(panel)。

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，任何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。

500．．．自動對焦裝置

200．．．第一光源系統

202．．．第一光源

204．．．色散鏡組

205．．．色散光源

206．．．反射鏡

207．．．色散光譜

208．．．光學鏡組

209．．．回饋訊號

210．．．頻譜儀

212．．．位移平台控制器

214．．．第二光源系統

216．．．第二光源

218．．．透鏡

220．．．半穿透半反射鏡

222．．．光源切換器

224．．．馬達

226．．．旋轉件

228．．．固定件

230．．．第一物光

232．．．第二物光

234．．．位移平台

236．．．光學檢測系統

250．．．待測物件

252．．．方向

254．．．輸送裝置

300．．．光反射貼片

302．．．光收發感測器

304．．．光線

310．．．方向

A．．．第一區域

B．．．第二區域

S．．．尋焦範圍

60．．．自動對焦方法

600、602、604、606、608、610、612．．．步驟

第1圖為本發明實施例之自動對焦裝置的架構示意圖。

第2a和2b圖為本發明實施例之光源切換器的架構示意圖。

第3a和3b圖為本發明實施例之光源切換器的作用示意圖。

第4圖為帶動本發明實施例之光源切換器的馬達示意圖，其用以說明偵測光源切換器之旋轉角度訊號的原理。

第5圖為本發明實施例之自動對焦方法的流程圖。

500．．．自動對焦裝置

200．．．第一光源系統

202．．．第一光源

204．．．色散鏡組

205．．．色散光源

206．．．反射鏡

207．．．色散光譜

208．．．光學鏡組

209．．．回饋訊號

210．．．頻譜儀

212．．．位移平台控制器

214．．．第二光源系統

216．．．第二光源

218．．．透鏡

220．．．半穿透半反射鏡

222．．．光源切換器

224．．．馬達

226．．．旋轉件

228．．．固定件

230．．．第一物光

232．．．第二物光

234．．．位移平台

236．．．光學檢測系統

250．．．待測物件

252．．．方向

254．．．輸送裝置

S．．．尋焦範圍

Claims (15)

1. 一種自動對焦裝置，其用於搭配一光學檢測系統，該光學檢測系統係針對一待測物件而設計，該自動對焦裝置包括：一第一光源系統，用以產生一第一光源；一色散鏡組，接收該第一光源以產生一色散光源；一第二光源系統，用以產生一第二光源；一光學鏡組，用以聚焦該色散光源和該第二光源至該待測物件上並經該待測物件反射形成一第一物光和一第二物光；一頻譜儀，用以接受該第一物光的一色散光譜而產生一回鏡訊號；一位移平台控制器，接收該回饋訊號，計算該待測物件的高度；一光源切換器，將該色散光源及該第二光源間隔並循環經過該光學鏡組聚焦至該待測物件上；以及一位移平台，連接該位移平台控制器，該位移平台用以承載該色散鏡組、該第二光源系統、該光學鏡組和該光源切換器，由該位移平台控制器控制該位移平台移動距離，讓該待測物件維持在該光學鏡組的一焦點位置上。
2. 如申請專利範圍第1項所述之自動對焦裝置，其中該待測物件置於一輸送裝置上，沿一方向持續不斷地移動。
3. 如申請專利範圍第1項所述之自動對焦裝置，其中該光源切換器包括：一第一區域，用以反射該色散光源並經過該光學鏡組 聚焦至該待測物件或用以反射該色散光譜至該頻譜儀，且將該第二光源反射離開該色散光源的一第一光路；以及一第二區域，用以使該色散光源穿透而離開該待測物件，且使該第二光源穿透並經過該光學鏡組聚焦至該待測物件或使該第二物光穿透且入射該光學檢測系統。
4. 如申請專利範圍第3項所述之自動對焦裝置，其中該第一區域包括一反射鏡。
5. 如申請專利範圍第3項所述之自動對焦裝置，其中該第二區域包括一透明玻璃或空氣。
6. 如申請專利範圍第3項所述之自動對焦裝置，其中利用一馬達旋轉帶動該光源切換器的該第一區域和該第二區域。
7. 如申請專利範圍第6項所述之自動對焦裝置，更包括：一光反射貼片，貼附於該馬達的一旋轉件上；以及一光收發感測器，對應於該旋轉件設置並用以發射一光線，偵測該光源切換器旋轉之一角度。
8. 如申請專利範圍第1項所述之自動對焦裝置，其中該第一光源為一寬頻光源，且該第二光源為一白色光源或特定波長光源。
9. 如申請專利範圍第1項所述之自動對焦裝置，其中該色散光源和該第二光源在該光源切換器與該待測物件之間的光路互相重疊。
10. 一種自動對焦方法，包括下列步驟：提供如申請專利範圍第1項所述之一自動對焦裝置； 將一待測物件置於該自動對焦裝置的一尋焦範圍內；旋轉該光源切換器至一特定位置，使經過該色散鏡組之該色散光源經由該光源切換器的反射到達該待測物件，且該待測物件反射形成的該第一物光依該色散光源的一第一光路反射回至該頻譜儀；分析該第一物光的該色散光譜以得到關於該待測物件的一表面高度資訊；移動該位移平台，讓該待測物件維持在該光學鏡組的一焦點位置上，同時該光源切換器的該特定位置使該第二光源反射離開該第一光路，不會影響該色散光譜；旋轉該光源切換器至另一特定位置，使該第二光源穿透該光源切換器並經過該光學鏡組聚焦至該待測物件產生一第二物光，且該第二物光依該第二光源的一第二光路穿透且入射該光學檢測系統，且該光源切換器的該另一特定位置使該色散光源穿透；以及感測該第二物光以形成一對焦影像。
11. 如申請專利範圍第10項所述之自動對焦方法，其中該光源切換器包括：一第一區域，用以反射該色散光源並經過該光學鏡組聚焦至該待測物件，且將該第二光源反射離開該第一光路；以及一第二區域，用以使該色散光源穿透而離開該第二光路，且使該第二光源穿透並經過該光學鏡組聚焦至該待測物件。
12. 如申請專利範圍第11項所述之自動對焦方法，其 中該第一區域包括一反射鏡。
13. 如申請專利範圍第11項所述之自動對焦方法，其中該第二區域包括一透明玻璃或空氣。
14. 如申請專利範圍第11項所述之自動對焦方法，其中旋轉該光源切換器至該特定位置包括：利用一馬達帶動該光源切換器；一光收發感測器發射一第三光線至該馬達的一光反射貼片的一旋轉件上；以及當該光源切換器旋轉時偵測由該光反射貼片反射的該光線得以檢知該光源切換器旋轉至一相對角度所需時間，使該色散光源和該第二光源入射至該第一區域。
15. 如申請專利範圍第11項所述之自動對焦方法，其中旋轉該光源切換器至該另一特定位置包括：利用一馬達帶動該光源切換器；一光收發感測器發射一第三光線至該馬達的具有一光反射貼片的一旋轉件上；以及當該光源切換器旋轉時偵測由該光反射貼片反射的該光線得以檢知該光源切換器旋轉至另一相對角度所需時間，使該色散光源和該第二光源入射至該第二區域。