TWI571341B - An auto focus system and method that can focus on beam sensitivity - Google Patents

Description

可根據光束靈敏度聚焦的自動聚焦系統與方法

本創作是關於一種聚焦系統與方法，特別是指可根據光束靈敏度聚焦的自動聚焦系統與方法。

因應零組件微型化的趨勢，為了達到高效率、高產能、高精度的微型零組件加工成果，使用高精度與高速的雷射加工裝置是一優先選擇，雷射加工裝置係例如雷射鑽孔機、雷射切割機…等。為了提高雷射加工裝置之加工精確度，一般會搭配自動聚焦裝置來達成精密對焦以進行加工；另外，各種機械產業、生物醫療應用的精密儀器或線上檢測設備亦需要高精度的對焦系統，以對焦於待測物體表面。然而，現有自動聚焦裝置僅能產生單波長的對焦光束，每一種目標物對不同光波長光束具有不同的反射特性，當一物品對於自動聚焦裝置所產生的光束之反射特性差，則無法達到精確對焦，使得上述儀器或設備之精確度大打折扣，因此現有的自動聚焦裝置有待進一步改良。

本創作的主要目的是提供一種可根據光束靈敏度聚焦的自動聚焦系統，可於判斷出不同波長光束的對一物品的靈敏度後，利用具有最佳靈敏度之波長光束進行聚焦，克服先前技術所述無法準確對焦的問題。

本創作可根據光束靈敏度聚焦的自動聚焦系統包含：一物鏡模組，包含有一物鏡；一光源裝置，發出一測試光束或一工作光束，該測試光束或工作光束透過該物鏡而投射於一目標物品，該測試光束包含有複數波長，且該測試光束或工作光束投射在該目標物品後產生一反射測試光束或一反射工作光束； 一光感測裝置，經由一測試光路或一工作光路接收該測試反射光束或該工作反射光束；一放大倍率調整裝置，設於該工作光路中且位於該物鏡與該光感測裝置之間，該放大倍率調整裝置提供複數種可供選擇放大倍率，使該反射工作光束透過任一放大倍率而投射到該光感測裝置；以及一焦距控制裝置，電性連接該光感測裝置、光源裝置與該放大倍率調整裝置，且具有一測試模式與一工作模式；在該測試模式下，該焦距控制裝置判斷該光感測裝置所接收的該反射測試光束於每個波長下的靈敏度；在該工作模式下，該焦距控制裝置根據靈敏度判斷結果控制該光源裝置產生該工作光束，並判斷該光感測裝置所接收該反射工作光束在不同放大倍率下的聚焦狀態，以根據聚焦狀態判斷結果移動該物鏡或移動該目標物品的位置，使該工作光束聚焦在該目標物品。

本創作的另一目的是提供一種可根據光束靈敏度聚焦的自動聚焦方法，該方法係於一焦距控制裝置執行且包含：發出一測試光束，該測試光束通過一物鏡而投射於一目標物品，且該測試光束投射在該目標物品上產生一反射測試光束；將該反射測試光束透過一光感測裝置分光為複數不同波長的測試子光束；判斷每個測試子光束相對於該目標物品的靈敏度；根據靈敏度判斷結果產生一工作光束，該工作光束通過該物鏡投射在該目標物品後產生一反射工作光束；將該反射工作光束透過該光感測裝置分光為複數不同波長的工作子光束，以根據工作子光束的聚焦狀態移動該物鏡或移動該目標物品的位置，使該工作光束聚焦在該目標物品。

本創作係因應不同波長的光束相對於該目標物品的靈敏度不盡相同，故利用具有最高靈敏度的光束進行聚焦，並對應控制反射工作光束通過該放大倍率調整裝置時的放大倍率以判斷該工作光束的聚焦狀態，進而移動該物鏡以調整該工作光束的焦點位置，或移動該目標物品的位置以達到該工作光束的焦點位置。下列實施例係用以例示說明本創作，以令所請創作之範疇更為清楚。

11‧‧‧光感測裝置

110‧‧‧分光器

111‧‧‧第一光感測器

112‧‧‧第二光感測器

113‧‧‧第三光感測器

121‧‧‧驅動裝置

122‧‧‧物鏡

13‧‧‧光源裝置

14‧‧‧放大倍率調整裝置

140‧‧‧分光器

141‧‧‧第一倍率透鏡

142‧‧‧第二倍率透鏡

143‧‧‧第三倍率透鏡

15‧‧‧焦距控制裝置

161‧‧‧第一反射鏡模組

162‧‧‧第二反射鏡模組

163‧‧‧第三反射鏡模組

164‧‧‧反射鏡

165‧‧‧反射鏡

166‧‧‧反射鏡

170‧‧‧光整形鏡組

171‧‧‧第一分光鏡

172‧‧‧第二分光鏡

20‧‧‧目標物品

21‧‧‧移動平台

22‧‧‧驅動裝置

31‧‧‧測試光束

32‧‧‧反射測試光束

321‧‧‧第一測試子光束

322‧‧‧第二測試子光束

323‧‧‧第三測試子光束

33‧‧‧工作光束

34‧‧‧反射工作光束

341‧‧‧第一工作子光束

342‧‧‧第二工作子光束

343‧‧‧第三工作子光束

圖1：本創作系統較佳實施例於測式模示下的示意圖。

圖2：本創作方法流程圖。

圖3：本創作系統較佳實施例於工作模示下的示意圖(一)。

圖4A：本創作焦點粗調動作參考圖。

圖4B：本創作焦點微調動作參考圖。

圖4C：本創作焦點聚焦動作參考圖。

圖5：本創作系統較佳實施例於工作模示下的示意圖(二)。

圖6：本創作系統較佳實施例於工作模示下的示意圖(三)。

請參考圖1，本創作自動聚焦系統包含有一光感測裝置11、一物鏡模組、一光源裝置13、一放大倍率調整裝置14與一焦距控制裝置15，或進一步包含一第一反射鏡模組161、一第二反射鏡模組162與一第三反射鏡模組163，該第二與第三反射鏡模組162、163分別包含有可移動的反射鏡164、165，該第一反射鏡模組161包含有兩個可同步移動的反射鏡166。

以下簡述各元件的功能說明。該光感測裝置11具有一光輸入端與複數信號輸出端，該光輸入端用以接收一光束，該光感測裝置11可將該光束 進行分光以得到複數不同波長的子光束，並將該些子光束分別轉換為影像資料後，分別由該複數信號輸出端輸出。該物鏡模組包含有一物鏡122，該物鏡122可連接一驅動裝置121，該驅動裝置121可包含有控制晶片、步進馬達與連接該物鏡122的傳動機構，用以移動該物鏡122的位置。該光源裝置13用以發出一光束，該光束可為同調光源或非同調光源，例如雷射光束、發光二極體光束或白熾光束。該光束通過該物鏡122而投射在一目標物品20，其中該目標物品20可置放在一移動平台21上，該移動平台21連接另一驅動裝置22，該驅動裝置22可包含有控制晶片、步進馬達與連接該移動平台21的傳動機構，用以移動該移動平台21的位置。該光源裝置13所發出的光束投射在該目標物品20後產生一反射光束，該反射光束可投射到該光感測裝置11。該放大倍率調整裝置14提供複數不同大小的放大倍率，當一光束進入該放大倍率調整裝置14後，該光束可透過任一放大倍率而聚焦在該光感測裝置11。

該焦距控制裝置15電性連接該光感測裝置11、光源裝置13與該放大倍率調整裝置14，負責根據從該光感測裝置11所接收到的影像資料判斷反射光束的靈敏度，以及根據靈敏度判斷結果控制該光源裝置13再產生另一光束作為一工作光束。該焦距控制裝置15可電性連接該驅動裝置121以移動該物鏡122的位置，以在目標物品20不動的狀態下調整該工作光束的焦點位於該目標物品20，達到聚焦的目的；或者，該焦距控制裝置15可電性連接該驅動裝置22以移動該移動平台21的位置，以在物鏡122不動的狀態下讓目標物品20達到該工作光束的焦點處，達到聚焦的目的。以下說明係以目標物品20不動，而是移動該物鏡122的位置進行聚焦為例。

所謂靈敏度是指一特定波長的光束照射該目標物品20時，該焦距控制裝置15對應從該光感測裝置11接收一反射光束並判斷該反射光束的強度，若反射光束強度越強，代表該目標物品20對該特定波長光束的反射特性較 佳，則該波長對於該目標物品20的靈敏度越高；反之，若反射光束強度越弱，代表該目標物品20對該特定波長光束的反射特性較差，則該波長對於該目標物品20的靈敏度越低。

請參考圖2，為本創作聚焦方法第一較佳實施例的流程示意圖，配合參考圖1，該焦距控制裝置15控制該光源裝置13投射一測試光束31於該目標物品20，該測試光束31投射在該目標物品20後產生一反射測試光束32，該反射測試光束32再經由一測試光路而投射到該光感測裝置11，由該光感測裝置11將該反射測試光束32分光為複數不同波長的測試子光束(步驟101)。所謂測試光路，是指該反射測試光束32從該物鏡122到達該光感測裝置11之間的路徑。如圖1所示，該測試光束31係通過一光整形鏡組170、一第一分光鏡171、一第二分光鏡172與該物鏡122而投射到該目標物品20，該測試光束31包含有複數波長，例如該光源裝置13包含有多種不同波長的發光二極體，該些不同波長發光二極體混光而形成該測試光束31。為方便說明，該光源裝置13具有一紅光發光二極體、一綠光發光二極體與一藍光發光二極體，故該測試光束31為紅光波長(λ=620~750nm)、綠光波長(λ=495~570nm)與藍光波長(λ=400~495nm)混合而成的光束，但不以此為限。

該光感測裝置11包含有一分光器110與複數光感測器，分別為一第一光感測器111、一第二光感測器112與一第三光感測器113，各光感測器可為光二極體陣列(photo diode array)、電荷耦合元件(CCD)或互補金屬氧化半導體(CMOS)。該分光器110具有一光輸入端與三個光輸出端，其光輸入端可接收該反射測試光束32，且該分光器110將該反射測試光束32分光為一第一測試子光束321、一第二測試子光束322與一第三測試子光束323後，分別由該些光輸出端輸出，其中該第一~第三測試子光束321~323分別為紅、綠、藍光光束。該第一至第三光感測器111~113分別為紅光、綠光與藍光感測器，用以接收該分 光器110所輸出的第一至第三測試子光束321~323，並對應產生第一、第二與第三影像資料，該第一~第三影像資料分別輸出給該焦距控制裝置15。

該焦距控制裝置15接收到該些影像資料後，係根據該些影像資料判斷每個測試子光束321~323的靈敏度(步驟102)。判斷子光束靈敏度的方式包含以下兩種：(一)根據該第一~第三影像資料分別計算的該些測試子光束321~323強度值，強度值最強的子光束其靈敏度最高；(二)該焦距控制裝置15預設有一參考影像資料，該參考影像資料是利用一特定光束投射在該目標物品20時所產生的影像資料，該參考影像資料的一參考強度值作為判斷靈敏度的標準，該焦距控制裝置15將該第一~第三測試子光束321~323的強度值分別與該參考強度值進行相減，分別得到該第一~第三差異值，其中差異值最小的子光束其靈敏度最高。

於定義出每個測試子光束的靈敏度後，請參考圖3，該焦距控制裝置15根據靈敏度判斷結果產生一工作光束33，該工作光束33通過該光整形鏡組170、該第一分光鏡171、該第二分光鏡172與該物鏡122而投射到該目標物品20，使該工作光束33投射在該目標物品20後產生一反射工作光束34，該反射工作光束34經由一工作光路而投射到該光感測裝置11(步驟103)。所謂工作光路，是指該反射工作光束34從該物鏡122到達該光感測裝置11之間的路徑。

於第一較佳實施例中，是以該具有最高靈敏度的子光束波長為基準，該焦距控制裝置15對應調整該光源裝置13所輸出測試光束32中其餘波長的光強度以產生另一光束作為該工作光束33，令該工作光束33所包含的各種波長相對於該目標物品20都具有相同的高靈敏度。舉例來說，當該測試光束32的第一測試子光束321被判斷為具有最高靈敏度，該焦距控制裝置15提升綠光與藍光發光二極體的輸出功率，直到該焦距控制裝置15判斷出每個測試子光束 321~323的強度皆相同，並以當下的光束作為該工作光束33，故該工作光束33的各種波長相對於該目標物品20都具有相同的靈敏度。

如圖3所示，當該光源裝置13發出該反射工作光束34時，該焦距控制裝置15同時驅動該第一~第三反射鏡模組161~163作動以建構該工作光路，使該反射工作光束34順利到達該光感應裝置11。

如圖3所示，該放大倍率調整裝置14包含有一分光器140與複數倍率透鏡，本創作以第一、第二與第三倍率透鏡141、142、143為例，且該第三倍率透鏡143的放大倍率大於該第二倍率透鏡142，該第二倍率透鏡142的放大倍率大於該第一倍率透鏡141。當該反射工作光束34進入該放大倍率調整裝置14的分光器140，該分光器140可將該反射工作光束34分光為一第一工作子光束341、一第二工作子光束與一第三工作子光束，於第一較佳實施例中，該焦距控制裝置15控制該放大倍率調整裝置14僅讓第一工作子光束341輸出到該第一光感測器111，使該焦距控制裝置15對應接收到該第一工作子光束341的第一影像資料。

當該焦距控制裝置15接收到該第一影像資料後，係根據該第一影像資料判斷該反射工作光束34的聚焦狀態。舉例而言，若該第一影像資料是一光點，該焦距控制裝置15可根據該光點的尺寸變化判斷目前該反射工作光束34的焦點位置。請配合參考圖4A，假設有一目標焦點B，目前該反射工作光束34的一初始焦點A1與該目標焦點B之間仍有段距離，其中該初始焦點A1位於該第一倍率透鏡141的焦距調整範圍內。此時，該焦距控制裝置15可移動該物鏡122的位置，讓該工作光束33的焦點A1往該目標焦點B移動，但是因為該第一倍率透鏡141的倍率最低，故該焦點A1的調整效果有限，假設在第一倍率透鏡141的焦距調整範圍內，該工作光束33能調整到焦點A2，完成一次粗調動作(步驟104)。

請參考圖4B，該焦點A2位於該第二倍率透鏡142的焦距調整範圍內。接著，請參考圖5，該焦距控制裝置15移動該第二反射鏡模組162內的反射鏡164位置，讓該放大倍率調整裝置14的分光器140僅輸出該第二工作子光束342，該第二工作子光束342通過該第二倍率透鏡142後沿著該工作光路到達該光感應裝置11的分光器110，故該焦距控制裝置15從該第二光感測器112接收該第二工作子光束342的第二影像資料。當該焦距控制裝置15接收到該第二影像資料後，同前述焦距調整步驟，因該第二倍率透鏡142的倍率較高，請參考圖4B，故能移動該物鏡122以將該反射工作光束34的焦點A2更為推進到焦點A3，完成一次微調動作(步驟105)。

請參考圖4C，經前一步驟調整後的焦點A3和該目標焦點B都位於該第三倍率透鏡143的焦距調整範圍內。更進一步地，該焦距控制裝置15移動該第三反射鏡模組163內的反射鏡165位置，請參考圖6，讓該放大倍率調整裝置14的分光器140僅輸出第三工作子光束343，該第三工作子光束343通過該第三倍率透鏡143後沿著該工作光路到達該光感應裝置11的分光器110，故該焦距控制裝置15從該第三光感測器113接收該第三工作子光束343的第三影像資料。當該焦距控制裝置15接收到該第三影像資料後，同前述焦距調整步驟，因該第三倍率透鏡143的倍率為最高，故能調整該物鏡122的位置以將該反射工作光束34的焦點A3更為推進到該目標焦點B，完成聚焦動作(步驟106)。

由第104~106步驟可見，本創作是從低放大倍率開始進行焦點粗調動作，接著切換到較高放大倍率以進行微調與完成聚焦。

請參考圖2所示的流程圖，於第二較佳實施例中，第103步驟產生該工作光束33時，本創作提供另一方案，該焦距控制裝置15判斷出第一~第三測試子光束的靈敏度後，係直接以具有最佳靈敏度的測試子光束作為該工作光束33，該焦距控制裝置15進行焦點的粗調與微調如前述第104~106步驟，不 再贅述，需要說明的是，因為該工作光束33僅具有單一波長，故該放大倍率調整裝置14與分光器140、110所分出複數子光束的波長與靈敏度皆相同。

請參考圖2所示的流程圖，於第三較佳實施例中，第103步驟產生該工作光束33時，該光源裝置13直接以該測試光束31作為該工作光束33。由於在第102步驟以判斷出已知每個波長的靈敏度高低，於第104步驟中，請參考圖3，分光器140輸出靈敏度最低的第一工作子光束341，讓該第一工作子光束341通過第一倍率透鏡141投射到該光感測裝置11，如前述步驟，該焦距控制裝置15根據第一影像資料調整物鏡122的位置，配合參考圖4A，讓焦點A1往目標焦點B移動。

然後，請參考圖5，分光器140輸出靈敏度次低的第二工作子光束342，讓該第二工作子光束342通過第二倍率透鏡142投射到該光感測裝置11，該焦距控制裝置15根據第二影像資料調整物鏡122的位置，配合參考圖4B，讓焦點進一步往目標焦點B移動。最後，分光器140輸出靈敏度最高的第三工作子光束343，讓該第三工作子光束343通過第三倍率透鏡143投射到該光感測裝置11，該焦距控制裝置15根據第三影像資料調整物鏡122的位置，請參考圖4C，讓該反射工作光束34的焦點A3推進到該目標焦點B，完成聚焦動作。

綜上所述，該焦距控制裝置15具有一測試模式與一工作模式，在該測試模式下，該焦距控制裝置15判斷該光感測裝置11所接收的該反射測試光束32中每個波長的靈敏度；在該工作模式下，該焦距控制裝置15根據該反射測試光束32靈敏度判斷結果控制該光源裝置13產生該工作光束33，並判斷該光感測裝置11所接收該反射工作光束34在不同放大倍率下的聚焦狀態，以根據聚焦狀態判斷結果調整該物鏡122的位置，或移動該目標物品20的位置以達到該工作光束的焦點位置，使該工作光束33聚焦在該目標物品20。

11‧‧‧光感測裝置

110‧‧‧分光器

111‧‧‧第一光感測器

112‧‧‧第二光感測器

113‧‧‧第三光感測器

121‧‧‧驅動裝置

122‧‧‧物鏡

13‧‧‧光源裝置

14‧‧‧放大倍率調整裝置

140‧‧‧分光器

141‧‧‧第一倍率透鏡

142‧‧‧第二倍率透鏡

143‧‧‧第三倍率透鏡

15‧‧‧焦距控制裝置

161‧‧‧第一反射鏡模組

162‧‧‧第二反射鏡模組

163‧‧‧第三反射鏡模組

164‧‧‧反射鏡

165‧‧‧反射鏡

166‧‧‧反射鏡

170‧‧‧光整形鏡組

171‧‧‧第一分光鏡

172‧‧‧第二分光鏡

20‧‧‧目標物品

21‧‧‧移動平台

22‧‧‧驅動裝置

31‧‧‧測試光束

32‧‧‧反射測試光束

321‧‧‧第一測試子光束

322‧‧‧第二測試子光束

323‧‧‧第三測試子光束

Claims (12)

1. 一種可根據光束靈敏度聚焦的自動聚焦系統，包含：一物鏡模組，包含有一物鏡；一光源裝置，發出一測試光束或一工作光束，該測試光束或工作光束透過該物鏡而投射於一目標物品，該測試光束包含有複數波長，且該測試光束或工作光束投射在該目標物品後產生一反射測試光束或一反射工作光束；一光感測裝置，經由一測試光路或一工作光路接收該測試反射光束或該工作反射光束；一放大倍率調整裝置，設於該工作光路中且位於該物鏡與該光感測裝置之間，該放大倍率調整裝置提供複數種可供選擇放大倍率，使該反射工作光束透過任一放大倍率而投射到該光感測裝置；以及一焦距控制裝置，電性連接該光感測裝置、光源裝置與該放大倍率調整裝置，且具有一測試模式與一工作模式；在該測試模式下，該焦距控制裝置判斷該光感測裝置所接收的該反射測試光束於每個波長下的靈敏度；在該工作模式下，該焦距控制裝置根據靈敏度判斷結果控制該光源裝置產生該工作光束，並判斷該光感測裝置所接收該反射工作光束在不同放大倍率下的聚焦狀態，以根據聚焦狀態判斷結果移動該物鏡或移動該目標物品的位置，使該工作光束聚焦在該目標物品。
2. 如請求項1所述根據光束靈敏度聚焦的自動聚焦系統，該焦距控制裝置電性連接一驅動裝置，該驅動裝置連接該物鏡，該焦距控制裝置透過該驅動裝置移動該物鏡。
3. 如請求項1所述根據光束靈敏度聚焦的自動聚焦系統，該目標物品設於一移動平台，該焦距控制裝置電性連接一驅動裝置，該驅動裝置連接該 移動平台，該焦距控制裝置控制該驅動裝置以移動該移動平台，而調整該目標物品的位置。
4. 如請求項1至3中任一項所述根據光束靈敏度聚焦的自動聚焦系統，進一步包含有複數反射鏡模組，該複數反射鏡模組用以構成該工作光路。
5. 如請求項4所述根據光束靈敏度聚焦的自動聚焦系統，該光感測裝置包含有一分光器與複數光感測器，該分光器將該反射測試光束分光為複數測試子光束，且由該複數光感測器分別接收該複數測試子光束，以供該焦距控制裝置判斷各測試子光束的靈敏度。
6. 如請求項5所述根據光束靈敏度聚焦的自動聚焦系統，該放大倍率調整裝置包含有一分光器與複數不同放大倍率的倍率透鏡，該分光器將該反射工作光束分光為複數工作子光束，該複數工作子光束分別通過該些倍率透鏡投射到該光感測裝置，以供該焦距控制裝置根據該複數工作子光束的聚焦狀態移動該物鏡或移動該目標物品的位置。
7. 一種可根據光束靈敏度聚焦的自動聚焦方法，係於一焦距控制裝置執行且包含：發出一測試光束，該測試光束通過一物鏡而投射於一目標物品，且該測試光束投射在該目標物品上產生一反射測試光束；將該反射測試光束透過一光感測裝置分光為複數不同波長的測試子光束；判斷每個測試子光束相對於該目標物品的靈敏度；根據靈敏度判斷結果產生一工作光束，該工作光束通過該物鏡投射在該目標物品後產生一反射工作光束；將該反射工作光束透過該光感測裝置分光為複數不同波長的工作子光束，以根據工作子光束的聚焦狀態移動該物鏡或移動該目標物品的位置，使該工作光束聚焦在該目標物品。
8. 如請求項7所述根據光束靈敏度聚焦的自動聚焦方法，於判斷每個測試子光束的靈敏度的步驟中，係根據該複數測試子光數的強度值判斷靈敏度。
9. 如請求項7所述根據光束靈敏度聚焦的自動聚焦方法，於判斷每個測試子光束的靈敏度的步驟中，係將該複數測試子光數的強度值分別與一參考強度值進行相減而得到複數差異值，由該複數差異值判斷靈敏度。
10. 如請求項8或9所述根據光束靈敏度聚焦的自動聚焦方法，於產生該工作光束的步驟中，係以該具有最高靈敏度的測試子光束波長為基準，對應調整該測試光束中其餘波長的光強度以產生該工作光束，令該工作光束所包含的各種波長具有相同的靈敏度。
11. 如請求項8或9所述根據光束靈敏度聚焦的自動聚焦方法，於產生該工作光束的步驟中，係直接以具有最高靈敏度的測試子光束作為該工作光束。
12. 如請求項8或9所述根據光束靈敏度聚焦的自動聚焦方法，於產生該工作光束的步驟中，以該測試光束作為該工作光束，該方法進一步包含：輸出靈敏度最低的一第一工作子光束到該光感測裝置，以根據該第一工作子光束的聚焦狀態移動該物鏡以進行粗調；輸出靈敏度次低的一第二工作子光束到該光感測裝置，以根據該第二工作子光束的聚焦狀態移動該物鏡以進行微調；輸出靈敏度最高的一第三工作子光束到該光感測裝置，以根據該第三工作子光束的聚焦狀態移動該物鏡以完成聚焦。