TWI727381B

TWI727381B - 同軸多波長光學元件檢測系統

Info

Publication number: TWI727381B
Application number: TW108126651A
Authority: TW
Inventors: 許玄岳; 趙元慶
Original assignee: 合盈光電科技股份有限公司
Priority date: 2019-07-26
Filing date: 2019-07-26
Publication date: 2021-05-11
Also published as: TW202104880A

Abstract

本發明有關一種同軸多波長光學元件檢測系統，係指一種使用同軸多頻光源搭配波前檢測器以檢測鏡片品質之優劣的鏡片檢測系統；本發明係包括有一基座、一載台、一含複數發光源及共軸透鏡的光學投射單元、一光學聚焦單元、一波前感測單元與一比對單元；藉此，本發明之鏡片檢測系統藉由氦氖雷射、氫氟雷射、YAG雷射或砷化嫁鋁等發光單元，結合Hartmann-Shack波前檢測器之硬體設計，有效檢測光束穿透待測樣品後進入波前檢測器所形成之波前圖形，並與正常對照組之對照波前圖形比對之間的差異，以有效檢測待測樣品的優劣，確實達到節省檢測時間與檢測成本，以及達成非破壞性檢測目的等主要優勢。

Description

同軸多波長光學元件檢測系統

本發明係有關於一種同軸多波長光學元件檢測系統，尤其是指一種使用複數發光源搭配波前檢測器以檢測待測樣品光學鏡片或光學介質組合品質之良窳的檢測系統。

按，近年來，隨著科學技術的進步與發展，設置於光學產品內的光學鏡片應用也日益增大，例如在數位相機、智慧型手機或筆記型電腦等具有照相功能的電子設備中，都可以見到光學鏡片的長遠應用；一般來說，光學鏡片於成型後會進行相關的檢測動作，例如光軸偏移、曲率或厚度等之檢測程序，目的是要確保光學鏡片的製作品質。

在現行鏡片加工廠的鏡片相關檢測程序上，皆是使用干涉儀進行鏡片曲率之檢測，然而，干涉儀的檢測程序具有必須仰賴人工操作，以及作業時間費時等缺點，所以鏡頭加工廠僅能對鏡片進行抽檢程序，而無法達到全檢的目的；因此，如何藉由創新的硬體設計，有效檢測待測鏡片的優劣，確實達到節省鏡片檢測時間與檢測成本，仍是鏡頭檢測系統等相關產業開發業者與相關研究人員需持續努力克服與解決之課題。

近年來，雖有開發出利用系統波前進行分析診斷鏡片曲率優劣的檢測系統，但其往往受限於長期以來，光學系統均使用在攜帶式裝備上的思維慣性；在檢測系統上也因為對於成像的好壞最終以人眼進行判斷，所以檢測設備均以綠色雷射光進行光學元件良莠評價的基準。但自2015年以來，自動駕駛車系統已逐漸風尚成為顯學，各國都設定2022~2025全數導入自動駕駛。而車用環境在此前景下將直接連結到戶外環境，成為公眾安全系統的一部分。

然而，車載的攝影鏡頭會隨著使用在戶外的動態環境，承受溫差、刮風下雨、熱輻射，甚至霜雪寒凍的情境，在此嚴酷情境下，車載攝影鏡頭依然需清楚忠實的成像與代替人眼智慧化判斷行車的下一步。每一天早，晨光光線由地平線的一端升起，車載攝影鏡頭在此環境下必須瞬間進行自動曝光調整對應外在強烈光源環境，夕陽時分；絢麗的光彩又水平映入車載攝影鏡頭，光從一天的開始由水平仰角朝日正當中再朝另一方向沒入黑夜中。每日周而復始卻呈現不同光的照度，顏色及明暗情境的變化，如晴、陰、雨、霾..等，自駕車載攝影鏡頭必須隨著戶外的動態光源環境進行及時應對，換句話說：車載攝影鏡頭必須在廣義範圍的波長下運作，才能符合自駕車的基本運作。

現階段車載攝影鏡頭成像品質多以相當532nm光譜的綠光雷射進行檢測，在檢測波長的覆蓋度上嚴重不足，但個別切換不同波長的發光源不但費時費力，且在檢驗設備的校正上也是不切實際的選擇。

今，發明人即是鑑於傳統鏡頭檢測系統於實際實施時仍存在有諸多缺失，於是乃一本孜孜不倦之精神，並藉由其豐富之專業知識及多年之實務經驗所輔佐，而加以改善，並據此研創出本發明。

本發明主要目的為提供一種同軸多波長光學元件檢測系統，尤其是指一種使用複數不同的雷射光源搭配波前檢測器以待測樣品光學元件組合曲率之良窳的光學元件檢測系統，主要係藉由氦氖雷射、氫氟雷射、YAG雷射或砷化嫁鋁等發光單元結合Hartmann-Shack波前檢測器之硬體設計，有效檢測不同波長雷射光束穿透待測鏡片後進入波前檢測器所形成之波前圖形，並與正常鏡片之對照波前圖形比對之間的差異，以有效檢測待測樣品光學鏡片或光學介質組合曲率之良窳，確實達到節省檢測時間與檢測成本、實現鏡頭全檢目的，以及達成非破壞性檢測目的等主要優勢者。

為了達到上述之實施目的，本發明人提出一種同軸多波長光學元件檢測系統，係至少包括有一基座、一載台、一光學投射單元、一光學聚焦單元、一波前感測單元，以及一比對單元；基座係用以承載同軸多波長光學元件檢測系統；載台係設置於基座上且其中間部位係開設有一開口，其中載台係用以承載至少一待測樣品，該待測樣品可以是任意形式的光學元件；光學投射單元係設置於基座下端部，該光學投射單元係包含複數發光源以及一共軸透鏡，該複數發光源所發射之該複數不同波長之光束係經由共軸透鏡共軸化光路後朝向載台之開口處發射一光束以通過待測樣品；光學聚焦單元係包括有一設置於載台下方之第一透鏡模組，以及一設置於載台上方之第二透鏡模組，其中第一透鏡模組係將發光單元之光束聚焦於待測樣品(即待測鏡片)上，而第二透鏡模組係用以接收一穿透待測樣品之穿透光束並聚焦向上傳遞；波前感測單元係設置於第二透鏡模組之上方，波前感測單元係包括有一繞射光學元件模組，一連接該繞射光學元件模組的感光耦合元件模組以及一連接該繞射光學元件模組的感光耦合元件模組之波形產生模組，繞射光學元件模組係接收穿透光束並形成複數個光點經感光耦合元件模組傳遞至波形產生模組，波形產生模組係接受光點以經由一轉換公式產生一波前圖形；比對單元係電性連接波前感測單元以接收波前圖形，比對單元係進行波前圖形與一內建之對照波前圖形之比對動作，當比對結果小於一閥值時，待測樣品係判定為正常。

如上所述的同軸多波長光學元件檢測系統，其中共軸透鏡係為一多角菱形透鏡。

如上所述的同軸多波長光學元件檢測系統，其中第一透鏡模組與帶測樣品間包含有一空間濾波單元，該空間濾波單元係用以過濾理想光點以外的空間雜訊並放大該光學投射單元發射之光束。

如上所述的同軸多波長光學元件檢測系統，其中該多角菱形透鏡與該複數發光源之間係進一步設有一快門裝置；該快門裝置上系設有數量係同等對應該發光源數量的快門，用以調控通過該多角菱形透鏡的光束。

如上所述的同軸多波長光學元件檢測系統，其中載台係可進一步設置有一進料裝置，進料裝置係用以承載待測樣品。

如上所述的同軸多波長光學元件檢測系統，其中進料裝置係為Tray盤、移動式載盤、固定式載盤、輸送帶或卡匣等其中之一種裝置。

如上所述的同軸多波長光學元件檢測系統，其中載台係可進一步設置有一移動平台。

如上所述的鏡片檢測系統，其中移動平台係設置有一X軸調整模組與一Y軸調整模組，X軸調整模組與Y軸調整模組係承載進料裝置以分別進行X軸向與Y軸向之移動。

如上所述的鏡片檢測系統，其中載台係可進一步設置有一Z軸調整模組，Z軸調整模組係調整載台於基座上進行Z軸向之移動。

如上所述的鏡片檢測系統，其中發光單元係為一雷射裝置。

如上所述的鏡片檢測系統，其中發光單元係為一LED裝置。

如上所述的鏡片檢測系統，其中發光單元係為一氦氖雷射、氫氟雷射、YAG雷射或砷化嫁鋁等發光單元。

如上所述的鏡片檢測系統，其中波前感測單元係為一Hartmann-Shack波前檢測器。

如上所述的鏡片檢測系統，其中轉換公式係為Zernike多項式演算法。

如上所述的鏡片檢測系統，其中鏡片檢測系統係可進一步裝設於一機殼之內部，該機殼內部係不透光之材質。

藉此，本發明之鏡片檢測系統主要係藉由氦氖雷射、氫氟雷射、YAG雷射或砷化嫁鋁等發光單元，透過光源投射單元內的菱形多角透鏡將複數發光源所發射不同波長的光束同軸化，並可透過設置在菱形多角透鏡前的快門裝置調控進入該菱形多角透鏡的光束波長；結合 Hartmann-Shack波前檢測器之硬體設計，有效檢測不同波長的光束穿透待測樣品後進入波前檢測器所形成之波前圖形，並與正常鏡片之對照波前圖形比對之間的差異，以有效檢測待測樣品光學元件組合曲率之良窳，確實達到節省檢測時間與檢測成本，以及達成非破壞性檢測目的等主要優勢；此外，本發明之同軸多波長光學元件檢測系統主要係結合包含複數個發光源之光學投射單元與波前檢測器之硬體設計，可有效實現待測鏡片或待測鏡頭之檢測時間小於1.5秒之需求，確實達到全檢之目的，以有效節省檢測時間與縮短製程時間之主要優勢。

(1):同軸多波長光學元件檢測系統

(2):待測樣品

(11):基座

(12):載台

(121):進料裝置

(122):移動平台

(1221):X軸調整模組

(1222):Y軸調整模組

(123):Z軸調整模組

(13):光學投射單元

(131):複數發光單元

(132):快門模組

(133):共軸透鏡

(14):光學聚焦單元

(141):第一透鏡模組

(142):第二透鏡模組

(143):空間濾波單元

(15):波前感測單元

(16):顯示單元

(3):機殼

第1圖：本發明同軸多波長光學元件檢測系統其一較佳實施例之整體架構立體圖

第2圖：本發明同軸多波長光學元件檢測系統其一較佳實施例之整體架構側視圖

第3圖：本發明同軸多波長光學元件檢測系統其一交佳實施例之複數發光源與菱形透鏡同軸光路設計示意圖。

第4圖：本發明同軸多波長光學元件檢測系統其一較佳實施例之機殼與顯示單元架設示意圖

為利貴審查委員瞭解本發明之技術特徵、內容、優點，以及其所能達成之功效，茲將本發明配合附圖，並以實施例之表達形式詳細說明如下，而其中所使用之圖式，其主旨僅為示意及輔助說明書之用，未必為本發明實施後之真實比例與精準配置，故不應就所附之圖式的比例與配置關係解讀、侷限本發明於實際實施上的權利範圍，合先敘明。

首先，為了讓貴審查委員更瞭解本發明之技術特徵，將簡要說明波前之基本概念，當光學元件製造後組裝於光學系統時，由於環境溫度、重力或外力的緣故，都會使鏡片產生微小的變形，而這些微小的變形對光學系統的成像品質會產生一定的影響，其中光學元件係可經由計算表面格點之X、Y與Z等三軸項之變形，以轉換成光軸方向的變形(sag)；荷蘭物理學家弗里茨‧塞爾尼克(Frits Zernike)於西元1953年研究相位對比顯微鏡(phase contrast microscope)，係以不破壞細胞的方式觀察活體細胞的內部結構，因而獲得諾貝爾獎，此外，其亦在光學領域發表了Zernike多項式演算法，以方便評估各項像差對光學系統之影響，而被廣泛應用在光學設計領域上，光學系統表面光軸方向之變形可以使用Zernike多項式演算法轉換成光學波前像差，使用Zernike多項式演算法擬合的像差項次可以代表鏡面變形所產生的像差，將像差帶入光學軟體中，可有效計算鏡片之調制轉換函數(Modulation Transfer Function，MTF)與評估整體效能；接著，請參閱第1圖與第2圖所示，為本發明同軸多波長光學元件檢測系統其一較佳實施例之整體架構立體圖，以及整體架構側視圖，其中本發明之同軸多波長光學元件檢測系統(1)係至少包括有：一基座(11)，係用以承載鏡片檢測系統(1)；在本發明其一較佳實施例中，以金屬材質所製備而成的基座(11)係用以支撐本發明之同軸多波長光學元件檢測系統(1)的整體架構；一載台(12)，係設置於基座(11)上且其中間部位係開設有一開口(圖式未標示)，其中載台(12)係用以承載至少一待測樣品(2)；此外，載台(12)係可進一步設置有一進料裝置(121)，進料裝置(121)係用以承載待測樣品(2)；再者，進料裝置(121)係為Tray盤、移動式載盤、固定式載盤、輸送帶或卡匣等其中之一種裝置；此外，載台(12)係可進一步設置有一移動平台(122)；再者，移動平台(122)係設置有一X軸調整模組(1221)與一Y軸調整模組(1222)，X軸調整模組(1221)與Y軸調整模組(1222)係承載進料裝置(121)以分別進行X軸向與Y軸向之移動；此外，載台(12)係可進一步設置有一Z軸調整模組(123)，Z軸調整模組(123)係調整載台(12)於基座(11)上進行Z軸向之移動；在本發明其一較佳實施例中，複數個待測樣品(2)係置放於以Tray盤態樣呈現的進料裝置(121)上，而進料裝置(121)係設置於移動平台(122)上，而移動平台(122)係設置於載台(12)上，且載台(12)係設置於基座(11)上且其中間部位係開設有開口，其中移動平台(122)係設置有X軸調整模組(1221)與Y軸調整模組(1222)，以分別承載進料裝置(121)進行X軸向與Y軸向之移動，載台(12)亦設置有Z軸調整模組(123)，以調整載台(12)於基座(11)上進行Z軸向之移動，也就是說，承載待測樣品(2)之移動平台(122)係可進行X、Y和Z等三個軸向之移動，以使待測樣品(2)依檢測之需求而移動至適當之位置；一光學投射單元(13)，係設置於基座(11)下端部，光學投射單元(13)係包含不同波長之複數發光源(131)係經由共軸透鏡(133)共軸化光路後朝向載台(12)之開口處發射一光束(圖式未標示)以通過待測樣品(2)；此外，複數發光源(131)可為一雷射裝置或LED裝置，較佳係為氦氖雷射裝置；在本發明其一較佳實施例中，以氦氖雷射裝置態樣呈現的複數發光源(131)係設置於基座(11)之下端部，經由共軸透鏡(133)共軸化光路後朝向載台(12)之開口處發射一光束通過待測樣品(2)；一光學聚焦單元(14)，係包括有一設置於載台(12)下方之第一透鏡模組(141)，以及一設置於載台(12)上方之第二透鏡模組(142)，其中第一透鏡模組(141)係將光學投射單元(13)投射之光束聚焦於待測樣品(2)上，而第二透鏡模組(142)係用以接收一穿透待測樣品(2)之穿透光束(圖式未標示)並聚焦向上傳遞；此外，光學投射單元(13)與第一透鏡模組(141)之間係進一步設置有一空間濾波單元(143)；在本發明其一較佳實施例中，光學聚焦單元(14)係由第一透鏡模組(141)與第二透鏡模組(142)所組合而成，其中第一透鏡模組(141)係設置於載台(12)與光學投射單元(13)之間，以接收並聚焦光學投射單元(13)發射之光束於待測樣品(2)上，而第二透鏡模組(142)係設置於載台(12)上方，以接收光束穿透待測樣品(2)而形成之穿透光束並聚焦且向上傳遞至波前感測單元(15)，而光學投射單元(13)與第一透鏡模組(141)之間係設置有空間濾波單元(143)，其中空間濾波單元(143)係過濾不需要之波段的光源；一波前感測單元(15)，係設置於第二透鏡模組(142)之上方，波前感測單元(15)係包括有一繞射光學元件模組(圖式未標示)、一連接該繞射光學元件模組的感光耦合元件模組(圖式未標示)，以及一連接繞射光學元件模組、一連接該繞射光學元件模組的感光耦合元件模組之波形產生模組(圖式未標示)，繞射光學元件模組係接收穿透光束並形成複數個光點傳遞至感光耦合元件模組後傳遞至波形產生模組，波形產生模組係接受光點以經由一轉換公式產生一波前圖形；此外，波前感測單元(15)係為一Hartmann-Shack波前檢測器；此外，轉換公式係為Zernike多項式演算法；在本發明其一較佳實施例中，設置於第二透鏡模組(142)上方之波前感測單元(15)係接收由待測樣品(2)穿透之穿透光束，並經由內建於波前感測單元(15)且以繞射光學元件模組形成複數個光點，再由感光耦合元件模組接收後傳遞至波形產生模組接受複數個光點且由轉換公式轉換成波前圖形(圖式未標示)，其中轉換公式係為Zernike多項式演算法，主要係將繞射光學元件模組所生成之複數個光點轉換成波前圖形；以及一比對單元(圖式未標示)，係電性連接波前感測單元(15)以接收波前圖形，比對單元係進行波前圖形與一內建之對照波前圖形(圖式未標示)之比對動作，當比對結果小於一閥值時，待測樣品(2)係判定為一正常鏡片；在本發明其一較佳實施例中，比對單元最佳係為一電腦裝置，比對單元係接收波前感測單元(15)所產生之波前圖形，並與比對單元內建之對照波前圖形進行比對之動作，當比對結果小於一閥值時，待測樣品(2)係判定為一正常鏡片，其中對照波前圖形係為正常鏡片於本發明之同軸多波長光學元件檢測系統(1)檢測所獲得的波前圖形，故只要待測樣品(2)之波前圖形與正常鏡片的對照波前圖形之差異在一定的範圍內，則待測樣品(2)即被認定為正常。

此外，同軸多波長光學元件檢測系統(1)係可進一步裝設於一不透光機殼(3)之內部；再者，比對單元係可進一步電性連接一顯示單元(16)，顯示單元(16)係架設於機殼(3)之上端部，以顯示比對單元比對之結果；請一併參閱第3圖所示，為本發明鏡片檢測系統其一較佳實施例之機殼與顯示單元架設示意圖，其中機殼(3)係為一四方形不透光之箱體，箱體內部係開設有一容置空間(圖式未標示)，而本發明之同軸多波長光學元件檢測系統(1)係設置於箱體之容置空間內，可防止待測樣品(2)檢測時之不必要的外界干擾，而機殼(3)之上端部係架設有與比對單元電性連接之顯示單元(16)，顯示器係可顯示波前圖形與比對單元比對之結果，以供量測者參考。

接著，為使貴審查委員能進一步瞭解本發明之目的、特徵，以及所欲達成之功效，以下茲舉本發明同軸多波長光學元件檢測系統(1)的具體實際實施例，進一步證明本發明之鏡片檢測系統(1)可實際應用之範圍，但不意欲以任何形式限制本發明之範圍；當一使用者欲進行至少一待測樣品(2)之檢測時，可使用本發明之同軸多波長光學元件檢測系統(1)進行待測樣品(2)之檢測程序，有效檢測光束穿透待測樣品(2)後進入一波前感測單元(15)所形成之波前圖形，並與正常鏡片之對照波前圖形比對之間的差異，以有效檢測待測樣品(2)的優劣，確實達到節省鏡片檢測時間與檢測成本，以及達成非破壞性鏡片檢測之目的等主要優勢；首先，準備一基座(11)，其中基座(11)係用以承載同軸多波長光學元件檢測系統(1)；接著，準備一載台(12)，其中載台(12)係設置於基座(11)上且其中間部位係開設有一開口，其中載台(12)係用以承載至少一待測樣品(2)；接續，準備一光學投射單元 (13)，其中光學投射單元(13)係設置於基座(11)下端部，光學投射單元(13)係包含不同波長之複數發光源(131)經由共軸透鏡(133)共軸化光路後朝向載台(12)之開口處發射一光束以通過待測樣品(2)；接著，準備一光學聚焦單元(14)，其中光學聚焦單元(14)係包括有一設置於載台(12)下方之第一透鏡模組(141)，以及一設置於載台(12)上方之第二透鏡模組(142)，其中第一透鏡模組(141)係為一多角菱形透鏡將光學投射單元(13)之光束聚焦於待測樣品(2)上，而第二透鏡模組(142)係用以接收一穿透待測樣品(2)(即待測鏡片)之穿透光束並聚焦向上傳遞；之後，準備一波前感測單元(15)，其中波前感測單元(15)係設置於第二透鏡模組(142)之上方，波前感測單元(15)係包括有一一繞射光學元件模組(圖式未標示)、一連接該繞射光學元件模組的感光耦合元件模組(圖式未標示)，以及一連接繞射光學元件模組、一連接該繞射光學元件模組的感光耦合元件模組之波形產生模組(圖式未標示)，繞射光學元件模組係接收穿透光束並形成複數個光點傳遞至感光耦合元件模組後傳遞至波形產生模組，波形產生模組係接受光點以經由一轉換公式產生一波前圖形；最後，準備一比對單元，其中比對單元係電性連接波前感測單元(15)以接收波前圖形，比對單元係進行波前圖形與一內建之對照波前圖形之比對動作，當比對結果小於一閥值時，待測樣品(2)係判定為一正常鏡片，其中對照波前圖形係為正常鏡片於本發明之鏡片檢測系統(1)檢測所獲得的波前圖形，故只要待測樣品(2)之波前圖形與正常鏡片的對照波前圖形之差異在一定的範圍內，則待測樣品(2)即被認定為正常鏡片；在本發明之鏡片檢測系統(1)硬體設備完成後，使用者僅需將待測樣品(2)之進料裝置(121)放置於載台(12)上的移動平台(122)，再藉由X軸調整模組(1221)、Y軸調整模組(1222)與Z軸調整模組(123)調整待測樣品(2)的方位，以讓光學投射單元(13)發射之光束經由光學聚焦單元(14)之第一透鏡模組(141)與開口通過待測樣品(2)，再由第二透鏡模組(142)接收穿透光束並聚焦向上傳遞至Hartmann-Shack波前檢測器的波前感測單元(15)，再由波前感測單元(15)將光束轉換成波前圖形後由比對單元與內建之對照波前圖形比對，當比對結果小於一閥值時，待測樣品(2)係判定為正常，本發明之同軸多波長光學元件檢測系統(1)可確實達到節省檢測時間與檢測成本，以及達成非破壞性檢測之目的等主要優勢。

由上述之實施說明可知，本發明之同軸多波長光學元件檢測系統與現有技術相較之下，本發明係具有以下優點：

1.本發明之同軸多波長光學元件檢測系統主要係藉由複數共軸不同波長之發光源結合Hartmann-Shack波前檢測器之硬體設計，有效檢測雷射光束穿透待測樣品後進入波前檢測器所形成之波前圖形，並與正常樣品之對照波前圖形比對之間的差異，以有效檢測待測待測物的優劣，確實達到節省檢測時間與檢測成本，以及達成非破壞性檢測目的等主要優勢。

2.本發明之同軸多波長光學元件檢測系統主要係結合複數共軸不同波長之發光源與波前檢測器之硬體設計，可有效實現一顆待測鏡片或待測鏡頭之檢測時間小於1.5秒之需求，確實達到待測鏡片或待測鏡頭全檢之目的，以有效節省檢測時間與縮短製程時間之主要優勢。

綜上所述，本發明之鏡片檢測系統，的確能藉由上述所揭露之實施例，達到所預期之使用功效，且本發明亦未曾公開於申請前，誠已完全符合專利法之規定與要求。爰依法提出發明專利之申請，懇請惠予審查，並賜准專利，則實感德便。

惟，上述所揭示之圖示及說明，僅為本發明之較佳實施例，非為限定本發明之保護範圍；大凡熟悉該項技藝之人士，其所依本發明之特徵範疇，所作之其它等效變化或修飾，皆應視為不脫離本發明之設計範疇。