TWI838477B - 用於測量光學元件的介面的方法和裝置 - Google Patents

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Abstract

本發明是有關於一種用於測量待測量的光學元件(5)的介面之方法(100)，所述待測量的光學元件(5)構成包括至少一稱為“參考光學元件”的光學元件的複數個類似的光學元件的部分，所述方法(100)是藉由測量裝置(1)來加以實施，所述方法(100)包括以下的步驟： 相對地定位(102)所述至少一參考光學元件以及測量光束(11)，以便於容許所述至少一參考光學元件的所述介面的測量； 獲得(104)用上述方式定位的至少一參考光學元件的稱為“參考影像”的影像； 相對於視野來定位(106)所述待測量的光學元件(5)，以便於容許獲得所述待測量的光學元件的稱為“測量影像”的影像； 根據所述參考影像及所述測量影像來判斷(107)所述待測量的光學元件(5)在所述視野中相對於所述至少一參考光學元件的位置的差異； 調整(110)所述待測量的光學元件(5)在所述視野中的位置，以便於抵消所述位置的差異；以及 藉由所述測量光束(11)來測量(112)所述待測量的光學元件(5)的所述介面。 本發明亦有關於一種實施此種方法(100)之裝置(1)。

Description

用於測量光學元件的介面的方法和裝置
本發明是有關於一種用於測量構成複數個實質相同的光學元件的部分的一光學元件的介面之方法。本發明亦有關於一種實施此種方法之測量裝置。
本發明的技術領域非限制性地是光學元件的光學測量。
在例如是透鏡或包括數個透鏡的物鏡的光學元件的製造期間，控制或測量構成的元件沿著例如是所述光學元件的光軸的一測量軸的厚度或位置、亦或是在構成的元件之間的間隙可能是必要的。
為此目的，尤其已知的是使用低相干干涉儀技術。源自於一寬頻光源的一測量光束傳播穿過所述光學元件的表面。在這些表面上的光束的反射被收集及分析，使得它們與彼此及/或與一參考光束干涉，以便於判斷在干涉的光束之間的光學路徑上的差異，並且從其推論在對應的表面或介面之間的位置及/或距離。因此，例如判斷在一光學組件中的透鏡厚度、在透鏡之間的距離、以及/或透鏡的位置是可能的。
此種測量技術大致是藉由逆反射來操作。於是，所述測量光束必須以一法線或垂直的入射來入射在所有待被測量的表面上，以便於產生可藉由所述測量系統捕捉的一反射波。為了測量一光學組件，此條件一般是牽涉到需要疊加或對準所述測量光束與所述組件，而且特別是組成其的透鏡的光軸。因此，實施一用於所述測量光束的對準之有效的程序是必要的。實際上，能夠在例如是針對於具有數毫米尺寸的物體的一微米數量級的精確性下，相對於一組件的光軸來定位所述測量光束是必要的。於是，具有可供利用的使得達成此效能成為可能的方法是必要的。
一種利用一低相干干涉儀來測量在一光學組件中的透鏡的位置之系統被描述在US 8,760,666 B2中。所述測量光束的對準是藉由傳播一對準光束通過所述組件的光學元件，並且藉由利用一具有CCD或PSD類型的位置敏感的偵測器來偵測其相對於一理論的位置之偏轉來加以實行。由於所述理論的位置實際上是未知的，而再者由於所述對準光束是因為其所通過的透鏡而劣化，因而此偏轉是藉由執行所述光學組件的一旋轉來加以偵測，以便於從其推斷此對準光束在所述偵測器上所行進的一路徑。所述組件的位置以及其之角度的方位被校正，以便於最小化此路徑的範圍。
然而，在光學組件的量產製造的背景下，例如是用於製造智慧型手機用的物鏡，測量時間必須被最小化。尤其，如先前所述的根據所述樣本的一角度的旋轉的光學對準技術的使用是不適合的。
本發明的一目標是克服這些缺點。
本發明的另一目標是提出一種用於測量一例如是光學元件或組件的物體的介面之方法及裝置，例如是測量在表面之間的位置或間隙，其容許測量光束相對於物體的光軸的快速且精確的定位。
本發明的一目標亦提出一種用於測量介面或表面之方法及裝置，其適合用於透鏡的組件上的測量，尤其是具有數百微米到數毫米的數量級或微透鏡的尺寸。
本發明的一目標亦提出一種用於介面的測量之方法及裝置，其適合用於測量在具有毫米尺度的曲率半徑的非球面或形式自由類型的透鏡。
本發明的又一目標是提出一種方法以及一種介面測量裝置，其適合用於以高速率在複數個類似的光學物體或元件上測量。
這些目標中的至少一個是利用一種用於測量一待測量的光學元件的介面之方法來加以達成，所述光學元件構成複數個類似的光學元件的部分，其包括至少一稱為“參考光學元件”的光學元件，所述方法是藉由一測量裝置來加以實施，所述測量裝置包括： 成像通道，其被配置以產生照明光束並且包括成像裝置，所述成像裝置被配置以獲得在所述成像裝置的視野中的由所述照明光束所照明的光學元件的影像；以及 測量通道，其被配置以在相對於所述視野而判斷的位置處產生測量光束，並且包括被配置以產生距離及/或厚度測量的距離光學感測器； 所述方法包括以下的步驟： 相對地定位(102)所述至少一參考光學元件以及所述測量光束，以便於容許所述參考光學元件的所述介面的測量； 獲得用上述方式定位的至少一參考光學元件的影像，其被稱為“參考影像”； 相對於所述視野來定位所述待測量的光學元件，以便於容許獲得所述待測量的光學元件的稱為“測量影像”的影像； 根據所述參考影像及所述測量影像來判斷所述待測量的光學元件在所述視野中相對於所述至少一參考光學元件的位置的差異； 調整所述待測量的光學元件在所述視野中的位置，以便於抵消所述位置的差異；以及 藉由所述測量光束來測量所述待測量的光學元件的所述介面。
在本發明的背景內，“光學元件”可以是指任意類型的光學物體，例如用以插置在光束中、成形光束、及/或產生影像。其例如可以是指： 單一光學構件，例如是透鏡或薄片； 透鏡及/或其它光學構件的組件，例如是成像或相機物鏡、或是用於成形光束的裝置， 光波導、光纖、等等。
光學元件尤其可以是由例如是透鏡的折射或繞射元件所構成、或包括折射或繞射元件。其於是可以包括對應於穿過其的光束的傳播軸的光軸。此光軸亦可以(尤其是對於具有折射型透鏡的光學元件而言)是或唯一是垂直於所述光學元件的所有表面或介面的軸。
有關“複數個類似的光學元件”是表示一組具有相同類型、相同模型、來自一個而且是同一個批次、或是已經進行相同的製造步驟，尤其是以大量來製造的光學元件。
根據本發明的方法使得實行光學元件的介面的測量、例如從其推論這些介面的距離或位置的測量、及/或所述光學構件的厚度或是分隔它們的間隙的測量是可能的。這些介面例如可以包括透鏡的表面。
這些測量可以利用藉由逆反射來操作的距離感測器的測量光束來實行。為此目的，所述測量光束垂直地入射在待測量的介面上是必要的(在根據所用的光學的角度的容限的極限之內)。一般而言，此狀況需要所述測量光束與待測量的所述光學元件的所述光軸最佳或是至少充分地對準。實際上，此定位是棘手且耗時的操作。
根據本發明，此定位是針對於複數個類似的光學元件的一或多個光學元件(稱為參考光學元件)來加以決定，其例如源自於一個而且是同一個批次、一個而且是同一個製造系列、或是已經進行相同的製造步驟。因此被決定的測量點是對應於在所述成像裝置的視野中的一參考點。
根據本發明的方法是利用實際狀況為已經根據相同或類似的製造步驟所製造的光學元件當它們被類似地照明時，其展示反射及/或透射的光強度的類似的特定圖案或特徵。因此，利用藉由照明光束所產生、藉由所述光學元件反射、透射及/或散射而且包含此種特定的圖案或特徵的影像，以便於判斷這些光學元件在所述成像裝置的所述視野中的相對的位移或移動是可行的。
應注意到的是，在所述光學元件包括透明的構件、或是由透明的構件所構成的範疇內，所獲得的影像一般不是這些元件或是這些元件的表面的影像，而是產生自所述照明與這些構件的相互作用的光學簽名。
因此所獲得的位移資訊於是可被用來相關在所述視野中的所述參考點以更加快速且有效地定位所述光學元件。被定位在所述參考或測量點的所述測量光束於是自動地與所述待測量的光學元件的所述光軸對準。所述測量光束的位置對應於其中可以獲得所述光學元件的所述介面的最可能精確的測量的一最佳的位置。藉由所述測量光束參考一特徵圖案或形狀的定位，可靠地定位用於所有所述類似的光學元件的所述測量光束的最佳位置是可能的，因此使得獲得可靠、可重複並且可再現的測量成為可能的。在這些特徵圖案中的至少一個的定位之後，知道所述測量光束相關一特徵形狀的定位因此被用於所述待測量的光學元件相關一或多個參考光學元件的自動的定位，並且從其直接而且在無額外的努力下推論用於光學元件的後續的測量的所述測量光束的位置。
決定在所述一或多個參考光學元件上的測量點、以及因此所述一或多個參考光學元件以及所述測量光束的相對的定位的步驟可以藉由已知的方法來實行。此步驟並不需要針對於其它待測量的光學元件來重複之。
根據本發明的方法尤其可被實施以用於在光學元件或組件之製造期間控制所述光學元件或組件，例如是由透鏡或微透鏡所形成的物鏡，例如是智慧型手機物鏡、或是用於汽車產業、以及尤其是在大量製造中。事實上，在此例中，最小化所述測量時間是非常重要的，以便於能夠維持高的製造速率。根據本發明的方法使得盡可能快速而且盡可能可靠地判斷待測量的光學元件或組件的對應於所述測量光束的一最佳化的對準的平均光軸成為可能的，而不需要利用所述測量光束來掃描所述元件直到滿足需要的測量信號被獲得為止，而且不需要對於來自一個且同一個大量製造的一批次的每一個光學元件都實行此最佳化。尤其，所述測量光束的定位可以藉由利用有關此批次的單一光學元件的測量的資訊來快速地加以實行。
相對地定位所述至少一參考光學元件以及所述測量光束的步驟可包括對準所述測量光束，以便於垂直於所述至少一參考光學元件的所述介面的至少一部分。
根據一非限制性的實施例，根據本發明的方法可包括藉由利用來自所述複數個光學元件的複數個參考光學元件來獲得複數個參考影像。
在此例中，一參考影像可以根據複數個參考影像的組合而被產生。此組合可以例如藉由利用所述不同的參考影像的強度而被產生。
根據本發明的方法的一非限制性的實施例，判斷位置的差異的步驟可以包括比較所述參考影像及所述測量影像的步驟。
在此比較步驟期間，所述影像的形狀以及尤其是光強度對比形狀的類似性可被利用於判斷光學元件相對於所述視野的相對位置。
所述比較的步驟因此可以包括以下的步驟： 分別在所述參考影像及所述測量影像中識別及定位至少一對應的特徵形狀； 判斷在所述參考影像及所述測量影像中的所述對應的特徵形狀之間的位置的差異、或是相對的位移。
替代或是額外地，所述比較步驟可包括影像關聯性的步驟。
所述影像關聯性的技術事實上特別適合用於測量在兩個影像之間的位置的差異或是相對的位移。此為一種用於測量一影像的一部分或全部相關另一影像或一參考影像的位移場之技術。
一般而言，判斷在影像之間的位置的差異的步驟可以藉由實施任何已知的影像對位(registration)方法來實行。
所述位置的差異或是所述相對的位移可以用一具有平移及旋轉的幾何轉換的形式，例如是剛性幾何轉換來加以表示。
根據一非限制性的實施例，調整位置的步驟可包括： 相對於所述視野來位移所述待測量的光學元件；及/或 相對於所述視野來位移所述測量光束。
所述位置的調整被實行以便於補償在先前的步驟中所識別出的位置的差異。其至少是在平移上加以實行，其可能是足以定位所述測量光束。選配的是，其亦可以為了更高的精確性而在旋轉上加以實行。
根據本發明的方法亦可以包括所述測量光束相對於所述待測量的光學元件的定位的一最佳化。
此最佳化可以藉由相對於所述元件來本地位移所述測量光束來加以實行，以便於最佳化一測量參數，例如是一偵測到的強度或是與所預期的測量的一差異。所述本地的位移例如可以根據點網格或路徑、或是以最小化誤差梯度的方式來加以實行。
當然，此最佳化是類似用於一參考光學元件以及所述測量光束的所述相對的定位的實施方式。然而，其仍然是快許多的，因為用於定位所述測量光束的最耗時的步驟(定位其以便於容許所述介面的測量，即使並非最佳的)是藉由所述參考影像及所述測量影像的比較來調整所述測量光束的位置以快速地加以實行。
根據一非限制性的實施例，有關於所述待測量的光學元件的方法的步驟可以針對於源自一個且同一個生產線的待測量的複數個光學元件來實行。
有利的是，根據本發明的方法可被實施以測量在光學元件的介面之間的位置及/或間隙，所述光學元件具有一帶有透鏡的光學組件的形式，例如是智慧型手機物鏡，所述介面包括所述透鏡的表面。
根據本發明的另一態樣，提出一種用於測量一待測量的光學元件的介面之裝置，所述光學元件構成包括至少一參考光學元件的複數個類似的光學元件的部分，所述裝置包括： 成像通道，其被配置以產生照明光束並且包括成像裝置，所述成像裝置被配置以獲得在所述成像裝置的視野中的由所述照明光束照明的光學元件的影像；以及 測量通道，其被配置以在相對於所述視野而判斷的位置處產生測量光束，並且包括被配置以產生距離及/或厚度測量的距離光學感測器；以及 處理模組，其被配置以處理所述距離及/或厚度的測量、以及所述影像； 所述裝置被配置以實施根據本發明的方法的所有步驟。
實施根據本發明的方法的裝置代表一種測量系統，此表示當所述測量光束例如與所述待測量的光學元件的所述光軸精確對準時，一可利用的測量信號被獲得，使得識別其之介面、位置及間隙成為可能的。
因此，所述裝置例如容許光學元件的製程中的控制被實行，以便於驗證它們是否符合規格。應該進一步注意到的是在所述位置的調整之後，若沒有可利用的測量信號，則此可能表示對準所述測量光束與所述待測量的光學元件的所述光軸(例如)是不可能的、或是此元件並沒有與其之所有的構件共同的光軸，其指出此光學元件是有缺陷的，因而必須被屏除。此假設性的例子例如可能發生在一光學構件並未對準、離心或是傾斜時。
根據一非限制性的實施例，所述光學感測器可包括低相干干涉儀。
此種干涉儀特別適合用於實行距離及/或間隙測量。
任意類型的適當的已知的低相干干涉儀都可被利用。此種干涉儀尤其可以實施： 在時域中的低相干干涉儀技術，其具有用於在干涉波之間產生光學延遲的延遲線； 在頻域中的低相干干涉儀技術，其具有用於所述干涉信號的分析的光譜儀；或是 藉由波長掃描的低相干干涉儀技術，其具有可調諧的雷射源。
根據本發明的所述裝置亦可包括用於將所述測量光束插入所述成像通道的光學元件，因而其在所述視野中傳播。
這些光學元件例如可包括分光鏡或是分光鏡立方體。
根據所述裝置的一非限制性的特定實施例，所述測量通道可以進一步被配置以產生入射在所述待被測量的光學元件的一相反面上的第二測量光束。
在此例中，所述待測量的光學元件可以在其之兩個面上加以測量。
有利的是，根據本發明的所述裝置可以進一步包括用於接收所述複數個光學元件的支承件。
此支承件例如可以由用於樣本的支承件所構成的，其打算在插座或孔中接收複數個待測量的光學元件，這些插座或孔是能夠例如以一網格圖形對準的。
較佳的是，所述待測量的光學元件在所述支承件上被對準以便於使得其之個別的光軸平行於所述成像裝置的光軸以及所述測量光束。事實上，對於具有明確容限的光學元件，例如是透鏡的鏡筒而言，此平行性可以藉由容限及機械式調整而在足夠的精確性下加以實行。
在此例中，根據本發明的所述裝置可包括位移裝置，其能夠在一垂直於所述成像裝置的一光軸的平面中位移所述支承件。
這些位移裝置例如可以包括平移及/或旋轉台。
所述待測量的光學元件的所述對準於是只在垂直於所述成像裝置的所述光軸的所述平面中加以實行，此可以輕易在高速率下獲得之。
非常瞭解到的是以下將會描述的實施例是非限制性的。本發明的變化尤其可被設想為只包括在以下敘述的特徵中之一批所選的特徵，而與其它所述特徵隔離開來，前提是此所選的特徵是足以授予一技術的優點、或是將本發明相對習知技術的狀態區別開來。此選擇包括至少一不具有結構細節、或是只有結構細節的一部分的(較佳的是功能性)特徵，只要此部分單獨是足以授予一技術的優點、或是將本發明相對習知技術的狀態區別開來即可。
尤其，所述所有的變化以及所有的實施例都可以組合在一起，只要從技術的觀點來看此組合並無反對即可。
在圖式中，數個圖中共同的元件保有相同的元件符號。
圖1是能夠在本發明的背景中被實施的一測量裝置的一非限制性的實施例的概略的表示圖。所述裝置尤其可使用於實施本發明的方法。
在圖1中所示的裝置1被配置以在一具有所述光學元件5的類型的物體5，例如是一具有複數個透鏡的光學組件上，實行沿著所述光軸的介面位置或厚度的測量。
所述測量裝置1包括一成像通道VI以及一測量通道VM。在所述測量通道VM中，源自於距離光學感測器2的一測量光束11例如是藉由單模光纖21而被傳輸至準直儀20。所述準直儀20形成一實質準直的光束，其藉由一分光鏡7(較佳的是二向色的(dichroic))或是一分光鏡立方體而被導引朝向一待測量的物體5。所述測量光束11是藉由一遠端物鏡3而被聚焦在所述物體上。
所述準直儀20以及所述遠端物鏡3構成一成像系統，其成像所述測量光束11源自於的所述光纖21的核心在所述物體5、或是在所述物體5的附近。
當入射在所述待測量的物體5的一表面或是一介面上的測量光束11是在實質垂直於此表面或是此介面的一方向上，在尤其是根據在所述遠端物鏡3的層級的角孔徑的容限極限之內時，在此表面或是此介面上所產生的反射會被再耦合到所述光纖21中，因而在所述光學感測器2中加以處理。
所述距離光學感測器2可包括一低相干干涉儀。
圖2展示在本發明的背景內可利用的一在時域中的範例的低相干干涉儀。
所述低相干干涉儀2例如可以操作在紅外線中。針對於測量具有抗反射處理的光學組件，對於所述干涉儀選擇一工作波長不同於所述抗反射處理被最佳化所針對的波長可能是有利的，在此情形中，它們可以呈現高的反射度。因此，操作在紅外線中的干涉儀非常適合用於測量打算被用在可見光波長的光學組件。
再者，在圖1所示的配置中，所述干涉儀2是打算透過成像裝置，並且尤其是所述遠端物鏡3來操作，所述成像裝置是針對於在顯微鏡術中標準的可見光波長而被最佳化。在另一方面，現今已知的是針對於可見光波長而被最佳化光學的抗反射處理傾向大幅增加所述表面在紅外線之下的反射度，有時高達30%，其對於紅外線干涉儀構成非常嚴峻的測量情況。以所述干涉儀2所實施的方法明確地容許其能夠實際上對於寄生的反射不敏感地加以執行。
此結果是藉由實施一低相干干涉儀原理而被達成，其中只有所述測量光束11的已經發生在一涵蓋所述物體5的所述介面的測量區域或範圍(或是至少在一等同於在所述準直儀20以及所述物體5之間沿著所述光束11的光學距離之光學距離)內的反射可以引發可用的干涉。
如同在圖2中所示，所述干涉儀2包括根據單模光纖的雙邁克生(Michelson)干涉儀。其是藉由光纖光源42來加以照明。所述光源42可以是一超流明二極體(SLD)，其中心波長可以是1300nm到1350nm的數量級。此波長的選擇尤其是對應於所述構件的可利用性的標準。
源自於所述光源42的光是透過一耦合器40以及所述光纖21而被導引至所述準直儀20，以構成所述測量光束11。所述光束的一部分是在所述準直儀20的層級，例如是構成所述光纖的末端的二氧化矽-空氣或是玻璃-空氣介面而被反射在所述光纖21中，以便於構成所述參考波。
源自於所述物體5的逆反射被耦合在所述光纖21中，並且和所述參考波被導引到建構在光纖光學耦合器41周圍的解碼干涉儀。此解碼干涉儀具有光學相干器功能，其兩個臂分別是一固定的參考44以及一時間延遲線45。在所述參考44以及所述延遲線45的層級被反射的信號是透過所述耦合器41而被組合在偵測器43上。所述延遲線45的功能是在所述入射波以及反射波之間引入一光學延遲，所述光學延遲是以一已知的方式隨著時間而為可變的，其例如是藉由一反射鏡的位移來加以獲得。
所述解碼干涉儀的臂44及45的長度被調整以便於使得利用所述延遲線45來再現在所述準直儀20的層級被反射的參考波以及源自於所述物體5的逆反射之間的光學路徑上的差異成為可能的，在此情形中，一干涉波峰是在所述偵測器43的層級加以獲得，所述干涉波峰的形狀及寬度是依據所述光源42的頻譜特徵而定。
因此，所述測量的範圍是藉由在所述解碼干涉儀2的臂44及45之間的光學長度上的差異、以及藉由所述延遲線45的最大衝程而被判斷出。再者，由於所述參考波是在所述成像系統之外的所述準直儀20的層級被產生，因此在所述測量通道VM中的寄生反射並不顯著地貢獻到所述干涉。
參考圖1，根據所示的實施例的所述裝置1的成像通道VI包括一相機6，其配備有一CCD7矩陣感測器、以及成像光學裝置，其適合用於根據在所述物體5上的一視野，在所述相機6的感測器7上形成所述物體5、或是至少其之輸入面的一影像，所述視野是實質成比例於所述成像光學裝置的放大率以及所述感測器7的尺寸。
在圖1的範例實施方式中，所述成像光學裝置包括一被配置在所述物體5的側邊上的遠端物鏡3以及一光中繼器13。
所述裝置1的成像通道VI亦包括一光源8，其發射光譜包括可見光及/或近紅外光(在1μm左右)波長。此光源8發射一照明光束9，其照明所述物體5以便於容許其之藉由反射的成像。為了清楚起見，在所述分光鏡10之後的照明光束9並未顯示在圖1中，所述分光鏡10使得導引來自所述光源8的光朝向所述物體5以及所述反射光朝向所述相機6是可行的。
所述裝置1亦可以額外地、或是作為所述光源8的替代來包括一用於以透射來照明所述物體5的光源8a。
包括所述測量光束11的干涉儀的測量通道VM被配置以便於至少部分通過所述成像光學裝置以及尤其是所述遠端物鏡3。所述測量光束11是藉由所述耦合裝置7而被插入所述成像光學裝置中，使得其是沿著在所述成像通道的視野之內所包括的一測量區域入射在所述物體5上。
在另一未被展示的配置中，所述測量光束可以藉由一被設置在所述物鏡3以及所述物體5之間的分光鏡而被插入所述成像裝置的視野之內。
因此，在圖1中的組件使得將一干涉儀的測量光束11插入到一成像系統的視野中成為可能的，所述成像系統在所述展示的例子中是由所述相機6、所述遠端物鏡3以及所述中繼器透鏡13所構成的。藉由此配置，所述測量光束11相關藉由所述成像系統產生的影像的位置可以是已知或索引的、或至少是固定的。
所述準直儀20亦可以選配地包括位移裝置15，其使得以一已知的方式來相關藉由所述成像裝置所涵蓋的視野以位移所述測量光束11的位置以及因此在所述物體5上的所述測量點的位置成為可能的。
在如同圖1所示的裝置1中，所述干涉儀的測量光束11是在所述成像通道VI中被保持固定在相同的位置。因此，所述測量光束11在所述相機的參考座標之內的位置亦被保持固定的。其亦可以在所述裝置的一初步的對準步驟期間被精確地調整及/或判斷。
在一不同於圖1所示的配置中，所述裝置可以包括用於從所述成像通道的元件，從相對所述物體的一相反的側邊傳送一第二測量光束到待被檢視的物體5之上的裝置。在此配置中，相關藉由所述成像裝置產生的影像來索引或至少保持所述第二測量光束的位置固定也是可能的。
在此例中，所述裝置亦可包括所述測量光束11，此使得在所述物體5之兩個表面上來測量所述物體5成為可能的。
所述第二測量光束可以源自於所述感測器2、或是源自於其它實施相同或不同的測量原理的感測器。
根據在圖1中所示的實施例的裝置1亦包括樣本支承件30，其是欲接收所述待測量的物體5、以及例如平移及/或旋轉台的位移裝置14，使得在一垂直於所述成像裝置的光軸的平面之內位移所述支承件30成為可能的。
根據亦在圖1中所示的一例子，尤其是為了具有大量製造的相機物鏡類型的光學元件5的形式的物體5的控制，所述樣本支承件30包括複數個插座31，使得接收複數個待測量的物體5成為可能的。
例如，這些物體5可以是被組裝在一鏡筒中的透鏡，並且所述插座是貫穿具有對應於所述鏡筒的直徑之一直徑的開口，其在所述鏡筒置放於其上的基底上具有一肩部。
較佳的是，所述樣本支承件30被配置成使得所述待測量的物體5被設置以使得其之個別的光軸平行於所述成像系統的光軸以及最重要地平行於所述測量光束11的光軸。因此，所述測量光束11在所述物體5的光軸上的對準可以只在所述平面14中利用所述位移裝置來加以實行，並且因此是在高的速率下加以實行。
根據本發明的裝置1亦包括一處理模組50或是計算模組，其被配置以處理所述距離及/或厚度測量、以及所述影像。此計算模組包括至少一電腦、一中央處理或計算單元、一微處理器(較佳是專用的)、及/或適當的軟體裝置。
根據在圖1中所示的實施例的裝置1可被利用以實施根據本發明的方法的步驟，其將會在以下加以描述。
圖3展示待測量的物體或光學元件5的例子。這些是分別由數個透鏡或微透鏡35所構成的物鏡，所述透鏡或微透鏡35被安裝在一鏡筒36中，並且是沿著一共同的光軸23堆疊的。
圖3(a)展示理想情形，其中所述透鏡35是完美對準的，並且所述透鏡35的光軸的每一個被重疊在因此形成的物鏡的共同的光軸23上。
圖3(b)及圖3(c)展示在圖3(a)中闡述的相同的物體5。所述干涉儀的測量光束11的沿著一測量軸的一位置是被指出。在所提出的兩個情形中，所述物體5的光軸23以及藉由所述測量光束11表示的測量軸是不同的，所述測量光束11的位置不是最佳的。圖3b及圖3c展示所述測量光束11與待被考量的光軸23的兩種類型的對準誤差，亦即分別是所述測量光束11的定心(centring)誤差以及角度的對準誤差。在兩種情形中，此導致測量是未被最佳化的、或甚至是不可能的。
如同在圖3(b)中所示，所述測量光束11的反射25是在所述物體5的每一介面處產生。由於所述物體5的光軸23相對所述測量光束11的對準誤差，因此在所述介面處的反射25的傳播方向不再是與所述測量光束11的方向24對準的。此導致在和所述裝置1的測量通道的光纖21的耦合期間逆反射信號的強度損失。於是，介面未被偵測到、或是在顯著的誤差下被測量是可能的。
在圖3(a)至(c)所呈現的例子中，所述光學元件(透鏡35)是相關彼此完美地對準及配置的。在組裝期間產生的透鏡35的個別位置的誤差將會是透過相同的所述介面的反射問題的偵測而為明顯的。在此情形中，單一對稱的光軸並不存在。
圖3(d)展示透鏡35的一組件，每一個透鏡35具有一光軸26稍微不同於一共同的對稱軸23。於是，所述測量只在所述測量光束11針對於每一個透鏡35，相對於這些透鏡35的個別的光軸26而被對準在一對應於最小(離心及/或角度的)定位誤差的軸上時被最佳化。
圖4是根據本發明的一種測量方法的一非限制性的實施例的概略表示圖。
在圖4中所示的方法100包括一參考物體以及一距離光學感測器的一測量光束的一相對的定位步驟102，以便於容許所述參考物體的所述介面的一測量。所述測量光束例如可以源自於一低相干干涉儀，例如是參考在圖1中的裝置1所述的。所述參考物體以及所述待測量的物體分別構成複數個類似的物體的部分。
所述步驟102使得判斷代表所述參考物體的光軸的一測量點，並且因此對準所述測量光束與所述參考物體的光軸成為可能的。所述測量光束被定位在用於所述參考物體的所述介面的測量的一最佳化的位置。
此最佳化的測量位置或是參考位置對應於所述測量光束相關所述參考物體的平均光軸的最接近的對準。在此配置中，形成所述物體的元件的表面的位置的一盡可能精確的測量可加以獲得。
根據一例子，在所述定位步驟102期間，所述測量光束被對準以便於垂直於所述參考物體的介面的至少一部分。
針對於所述參考物體的一最佳化的測量位置的判斷的所述步驟102可以根據數個方式來加以實行。
例如，根據一預設的路徑(例如是以一網格或一螺旋)來實行所述參考物體的藉由所述測量光束的有系統的掃描是可能的，以便於根據例如是測量信號的振幅、及/或所述測量與預期值的對應性的標準來判斷最佳的位置。當然，所述相機可被利用以實行預先定位，並且限制所述掃描區域。
當此定位步驟102是利用一如上所述的包括樣本支承件30的裝置1來實施時，所述測量光束11可被視為平行於所述物體或是所述光學元件5的個別的光軸。為了決定所述測量位置，位移接著是單純地利用其之位移裝置14，例如是平移及/或旋轉台而在所述樣本支承件30的平面中加以做成。
圖5展示針對於藉由沿著一個且同一個光軸的四個微透鏡的堆疊所形成的具有相機物鏡類型的光學元件5，利用例如在圖2中所示的低相干干涉儀2獲得的干涉儀的測量的一個例子。這些微透鏡具有個別的厚度d1、d2、d3及d4，並且藉由間隙e1、e2及e3來加以分開。對於所述微透鏡的表面的位置、或是在介面之間的距離的預期值可以是藉由設計而為已知的、或是藉由初步的測量來推論。連續的曲線51展示一測量信號51，其中對應的干涉包跡波峰代表所述測量光束在所述光學元件5的透鏡的介面上的反射。這些波峰可以對應於實際的介面、或是由於在所述系統中的多重反射(虛擬的介面)。為了識別所述實際的介面，尤其是用於複雜的樣本，使用有關所述光學元件5的先驗知識是可能的，例如是對於表面的位置的所述預期值。在圖5的例子中，如同在所述測量信號51上所識別的所述微透鏡的表面的預期的個別的位置是藉由交叉來指出。在所述測量信號上的所述預期的介面的識別、以及對於位置及/或距離所測量的值與預期值的比較使得驗證所述測量光束相對於所述參考目標的光軸的測量及位置成為可能的。事實上，若所述測量光束相對於所述光軸錯誤地定位，則一般而言是沒有波峰、或是只有一部分在所述測量信號51上被偵測到，因而對於位置或距離具有可能不精確的值。再者，尤其是對於測量光學元件5而言，對於位置或距離的某些波峰或值的欠缺而在相關所述預期值的容限的邊界之外是指出一有缺陷的光學元件，例如是有錯誤定位的透鏡。
在所展示的例子中，圖5給出在一參考相機物鏡的介面上驗證的一實驗測量結果，所述連續的曲線51的波峰具有對應於所述微透鏡的表面的預期的位置之位置。因此，此結果是代表所述測量光束與所述參考相機物鏡的光軸的對準。
在所述方法100的一步驟104期間，一影像被獲得，其稱為如同在先前的步驟102期間設置的所述物體或是所述參考光學元件的“參考影像”。此獲得是藉由根據本發明的裝置1的成像通道VI或成像系統來加以實行的。
如上參考圖1所述的，所述物體5是藉由一照明光束9而被照明的。在所述展示的例子中，此光束是沿著一成像光束12而部分地被所述物體反射，所述成像光束12是被成像在所述相機6的光檢測器7上。
所述反射影像可以藉由所述物體或所述元件5的所述第一表面，例如是所述鏡筒的第一光學構件及/或元件的表面所反射的光來加以產生。
所述影像亦可能是產生自被所述照明光束9照明的所述物體的不同的光學構件所發生的多重反射。
因此，影像被產生而具有被檢視的所述物體以及所述成像狀況的光強度對比形狀特徵。
圖6a展示在獲得而且在電腦50上處理之後的在照明下的一相機物鏡的微透鏡所反射的多重反射的一範例影像。在此例子中，所述光強度對比具有實質同心環的特徵形狀。
應注意到的是，在一具有所述光學元件或組件類型的物體5下，嚴格來說所獲得的並不是所述物體的一影像，因為所述組件的元件的表面是反射及/或透明的。所獲得的影像反而是對應於因為所述照明光束9例如在所述透鏡之間以及在所述組件的壁上的反射及散射的部分的貢獻之一視覺簽名。此牽涉到在所述光學元件中的寄生反射的一影像。尤其，此影像一般並不容許所述組件的光軸能夠被視覺化。
從此觀點來看，利用一反射光源8，其頻譜包括除了所述光學元件5被最佳化所針對的波長以外的波長可能是有利的，尤其是在所述抗反射處理的層級，以便於產生更多的寄生反射。
所述測量光束的位置70亦被標示在圖6a上。然而，應該注意到的是並不必要精確地知道此位置，因為其在所述相機6的視野內是維持固定的。
所述參考物體的所收集到的影像被儲存在所述裝置1的資料儲存裝置中，例如是在所述電腦50中。
在所述方法的一步驟106期間，一待測量的物體是相對於所述相機6的視野而被設置，以便於容許獲得所述物體的一影像，其被稱為“測量影像”。
如同參考圖1所述的，一製造批次的複數個物體5可被置放在一支承件30上，其被配置成使得所述待測量的物體5被設置成其之個別的光軸平行於所述裝置1的成像系統的光軸，並且平行於所述測量光束11的光軸。
所述位移裝置14使得相對於所述成像裝置的視野以及相對於在此視野中是固定的測量光束11來位移所述物體5成為可能的。因此，所述位移裝置14使得在不須修改所述照明裝置或所述偵測系統以及所述測量光束11的位置下改變所述待測量的物體5成為可能的。然而，由於所述物體5在所述支承件30上的定位的不確定性，這些位移裝置並不使得(大致或至少是可靠地)直接定位所述測量光束11在一物體5上的正確位置成為可能的。
在所述參考及待測量的物體5是相同或類似的範圍下內，就存在於所述影像中的對比圖案或紋理是類似的意義而言，利用相同的測量裝置1所獲得的所述物體5的個別的測量影像是類似的。因此，所述測量影像亦類似於預先所儲存的參考影像。
一旦已經針對於一物體獲得一測量影像後，其是在所述方法的一步驟107中和所述參考影像相比較。此比較步驟107使得利用形狀或對比的類似性來判斷所述待測量的物體在視野中相對於所述參考物體的位置的差異成為可能的。
在所述步驟107期間，所述測量及參考影像被分析以從其推論出所述待測量的物體在所述成像系統的視野中相關所述參考物體的一項位置差異的資訊。所述位置差異的資訊使得推論所述待測量的物體的相關所述測量光束11的相對的位置成為可能的，所述測量光束11在所述視野中的位置是被保持固定的。
根據所述步驟107的一範例實施方式，類似的形狀或輪廓是在測量及參考影像中尋找，這些輪廓及形狀出現在不同的位置是可能的。
更明確地說，在一步驟108期間，每一個影像被分析以便於識別及定位一或多個特徵形狀。在所獲得的影像中的所述特徵形狀的識別可以利用任何已知的影像處理技術，例如是藉由形狀識別及/或影像關聯性來加以實行。
所述特徵形狀例如可包括以灰階或是以彩色的一影像、或是一影像的部分、或是藉由一輪廓抽取及/或切割技術所獲得的一輪廓影像。所述形狀可以源自於校準測量及/或一理論或幾何模型化。它們可以具有一獨特全域的影像或結構、或是一組具有已知的空間關係的不同的影像或結構的形狀。
所述特徵形狀在某些情形中可以是預設的。
所述特徵形狀的位置的差異對應於所述待測量的物體以及所述參考物體在所述視野中的個別的位置。
在一步驟109期間，在兩個個別的影像的輪廓或特徵之間的距離接著可被計算出，以提供在所述兩個影像之間，在相同的視野中的位置的差異。
圖6b展示在圖6a中的影像的處理的一個例子。所施加的處理是梯度類型的濾波，其強調在圖6a中的影像的灰階上的變化。因此，特徵形狀變成是明顯的，更容易在透明的光學元件中的散射或寄生反射的影像上找出。
圖7a及7b分別展示一參考物體以及一待測量的物體的經處理的影像的例子。所述處理使得特徵形狀82出現。一游標80指出所述測量光束在所述相機的視野中的位置。在對應於一參考影像的圖7a中，所述測量光束的此位置是與所述參考物體的光軸對準。
在圖7b中，所述待測量的物體在所述成像系統的視野中出現在一相對於在圖7a中的所述參考物體的位置之不同的位置。一第二游標81指出此待測量的物體的光軸的位置，所述測量光束必須被置放在其上，並且其是未知的。因此，在所述游標80、81的位置上的差異對應於所述待測量的物體在所述視野中相對於所述參考物體並且因此相對於所述距離光學感測器的測量光束的移位。根據本發明，此移位是藉由一影像對位技術而被判斷出，其目標是在所述視野中最佳的疊加所述兩個影像及/或其之特徵形狀82，以便於判斷其之位置的差異。
根據本發明的方法的步驟107的實施方式之一優先選擇的例子，一種影像關聯性方法被用來判斷所述待測量的物體在所述視野中相對於所述參考物體的位置的差異。其是假設在所述參考影像以及所述待測量的物體的變形或經位移的影像之間的任何差異只發生自被觀察到的特徵形狀的位移場的影響。
圖8展示所述方法的步驟107的一根據影像關聯性的利用的範例實施方式。
圖8(a)及8(b)分別展示一參考物體的一所儲存的參考影像以及一被測量的物體的一測量影像。圖8(c)展示在圖8(a)及(b)中的影像的重疊，其被利用於針對於一特定的相對位置(x, y)的所述關聯性計算。對於不同的相對位置(x, y)的複數個影像重疊是被利用於實行此計算。
圖8(d)展示在圖8(a)及(b)中的影像的關聯性為這些影像的複數個相對位置(x,y)的一函數的圖。原點位置91對應於所述參考影像的位置。所述圖的最大值對應於具有所述測量影像的最大關聯性的位置92。所述兩個位置91、92的比較使得獲得在相同的視野中的所述兩個影像之間的對位值成為可能的，並且因此同時獲得在所述測量及參考物體之間待被實行的位置調整。
應注意到的是在所展示的例子中，這些對位或調整值是只在平移上被判斷出而已。事實上，在所述光學物體或元件被視為實質具有一相關其之光軸的旋轉對稱性的範圍內，在所述參考物體以及所述測量物體之間的位置的旋轉的差異可以被忽略。
當在所述視野中所述待測量的物體相關所述參考物體的位置的差異已經被判斷時，根據在圖4中所示的本發明的方法的以下的步驟110是由在所述視野中，所述待測量的物體的位置相對於所述參考物體的位置的調整所構成的，以便於抵消位置的差異。
事實上，如上所示，在所述成像系統的視野中，在所述參考物體與所述被測量的物體的影像之間的位置的差異使得直接推論所述物體在此相同的視野中的位置上的差異成為可能的。
此知識容許所述待測量的物體能夠在所述視野中被移位以將其設置在一對應於所述參考物體的位置之位置。在此步驟110期間，所述待測量的物體的光軸是因此自動與所述距離光學感測器2的測量光束11對準。這是由於實際狀況為在所述方法的步驟102中被判斷出並且代表所述參考物體的光軸的測量點是被定位在所述待測量的物體上。
就一方面而言，在所提出的實施例中，所述位置的調整的步驟110是藉由利用所述位移裝置14來相關所述視野位移所述待測量的物體來加以實行。
當然，在另一方面，此位置調整可以藉由利用所述位移裝置15來相關所述視野位移所述測量光束來加以實行。
在此對位步驟110的結束時，所述待測量的物體因此是在所述視野中精確地被設置，因而所述測量光束是與所述待測量的物體的光軸對準。
在一測量步驟112期間，所述待測量的物體的介面是藉由所述測量光束11來加以測量。
圖9展示針對一源自於和所述參考物鏡相同的製造批次的相機物鏡的一低相干干涉儀測量結果的一個例子，其測量結果是被展示在圖5中，在以上相關判斷所述光軸的代表的測量點的步驟104所闡述的。
在圖9中，一測量到的強度被描繪為所述測量光束所行進的一距離的一函數。對應於所述微透鏡的表面的預期位置(被標示為交叉)的強度波峰是正確地被偵測出。
當然，本發明並不限於已敘述的例子，而是可以在不超出本發明的範疇下對於這些例子做成許多的修改。
1:裝置 2:距離光學感測器 3:遠端物鏡 5:物體/光學元件 6:相機 7:分光鏡 8:光源 8a:光源 9:照明光束 10:分光鏡 11:測量光束 12:成像光束 13:光中繼器 15:位移裝置 20:準直儀 21:單模光纖 23:光軸 24:方向 25:反射 26:光軸 30:樣本支承件 31:插座 35:透鏡/微透鏡 36:鏡筒 40:耦合器 41:耦合器 42:光纖光源 43:偵測器 44:固定的參考 45:時間延遲線 50:處理模組 51:測量信號 70:測量光束的位置 80:測量光束的位置 81:待測量的物體的光軸的位置 82:特徵形狀 91:參考影像的位置 92:測量影像的最大關聯性的位置 100:方法 102:步驟 104:步驟 106:步驟 107:步驟 108:步驟 109:步驟 110:步驟 112:步驟 d1、d2、d3、d4:厚度 e1、e2、e3:間隙 VI:成像通道 VM:測量通道
本發明的其它優點及特徵將會在審視非限制性的例子的詳細說明時，以及從所附的圖式來看變成明顯的，其中： [圖1]是以本發明所實施的一測量裝置的一非限制性的實施例的概略的表示圖； [圖2]是能夠被利用在本發明的所述測量裝置中的一範例光學感測器的概略的表示圖； [圖3]概略地表示能夠被利用在本發明的待測量的物體或光學元件的例子； [圖4]是根據本發明的一測量方法的一非限制性的實施例的概略的表示圖； [圖5]是利用本發明所獲得的一參考物體的一範例測量； [圖6a]是利用本發明所獲得的一物體的一範例影像； [圖6b]是利用本發明所獲得的一物體的一範例經處理的影像； [圖7a]是利用本發明所獲得的一參考物體的一範例經處理的影像； [圖7b]是利用本發明所獲得的一待測量的物體的一範例經處理的影像； [圖8]展示根據本發明的方法的步驟的實施方式的一非限制性的例子；以及 [圖9]是利用本發明所獲得的一待測量的物體的一範例測量。
100:方法
102:步驟
104:步驟
106:步驟
107:步驟
108:步驟
109:步驟
110:步驟
112:步驟

Claims (14)

  1. 一種用於測量待測量的光學元件(5)的介面之方法(100)，所述待測量的光學元件(5)構成包括至少一稱為“參考光學元件”的光學元件的複數個類似的光學元件的部分，所述方法(100)是藉由測量裝置(1)來加以實施，所述測量裝置(1)包括：成像通道(VI)，其被配置以產生照明光束(9)並且包括成像裝置(3、6、13)，所述成像裝置(3、6、13)被配置以在所述成像裝置(3、6、13)的視野中獲得由所述照明光束(9)所照明的光學元件的影像；以及測量通道(VM)，其被配置以在相對於所述視野而判斷的位置處產生測量光束(11)，並且包括被配置以產生距離及/或厚度測量的距離光學感測器(2)；其特徵在於，所述方法(100)包括以下的步驟：相對地定位(102)所述至少一參考光學元件以及所述測量光束(11)，以便於容許所述至少一參考光學元件的所述介面的測量；獲得(104)用上述方式定位的至少一參考光學元件的稱為“參考影像”的影像；相對於所述視野來定位(106)所述待測量的光學元件(5)，以便於容許獲得所述待測量的光學元件的稱為“測量影像”的影像；根據所述參考影像及所述測量影像來判斷(107)所述待測量的光學元件(5)在所述視野中相對於所述至少一參考光學元件的位置的差異；調整(110)所述待測量的光學元件(5)在所述視野中的位置，以便於抵消所述位置的差異；以及藉由所述測量光束(11)來測量(112)所述待測量的光學元件(5)的所述介面，其中所述方法被實施以測量在待測量的光學元件的所述介面之間的所述位置及/或所述間隙，所述光學元件是具有透鏡的光學組件的形式，所述介面包含 所述透鏡的表面。
  2. 如請求項1之方法(100)，其中，相對地定位所述至少一參考光學元件以及所述測量光束(11)的步驟(102)包括對準所述測量光束(11)，以便於垂直於所述至少一參考光學元件的所述介面的至少一部分。
  3. 如請求項1或2之方法(100)，進一步包括藉由利用所述複數個光學元件的複數個參考光學元件來獲得複數個參考影像。
  4. 如請求項1或2之方法(100)，其中，判斷位置的差異的步驟(107)包括比較所述參考影像及所述測量影像的步驟。
  5. 如請求項4之方法(100)，其中，所述比較的步驟包括以下的步驟：分別在所述參考影像及所述測量影像中識別(108)及定位至少一對應的特徵形狀；在所述參考影像及所述測量影像中判斷(109)在所述對應的特徵形狀之間的位置的差異。
  6. 如請求項4之方法(100)，其中，所述比較的步驟包括影像關聯性步驟。
  7. 如請求項1或2之方法(100)，其中，調整位置的步驟(110)包括：相對於所述視野來位移所述待測量的光學元件；及/或相對於所述視野來位移所述測量光束。
  8. 如請求項1或2之方法(100)，其中，有關所述待測量的光學元件的步驟是針對於源自一個且同一個製造總體的複數個待測量的光學元件來加以實行。
  9. 如請求項1或2之方法(100)，其中，待測量的所述光學元件是智慧型手機物鏡。
  10. 一種用於測量待測量的光學元件(5)的介面之裝置(1)，所述待測量的光學元件(5)構成包括至少一參考光學元件的複數個類似的光學元件的部分，所述待測量的光學元件是具有透鏡的光學組件的形式，所述介面包含所述透鏡的表面，所述裝置包括：成像通道(VI)，其被配置以產生照明光束(9)並且包括成像裝置(3、6、13)，所述成像裝置(3、6、13)被配置以在所述成像裝置(3、6、13)的視野中獲得由所述照明光束(9)所照明的光學元件的影像；測量通道(VM)，其被配置以在相對於所述視野而判斷的位置處產生測量光束(11)，並且包括被配置以產生距離及/或厚度測量的距離光學感測器(2)，每個通道(VI、VM)包含獨特的光源(8、8a、42)；支承件(30)，其用於接收所述複數個光學元件；位移裝置(14、15)，其被配置以相對於所述視野而移動所述待測量的光學元件(5)或所述測量光束(11)；以及處理模組(50)，其被配置以處理所述距離及/或厚度測量、以及所述影像；所述裝置(1)被配置以實施如請求項1-9中任一項之方法(100)的所有步驟。
  11. 如請求項10之裝置(1)，其中，所述光學感測器(2)包括低相干干涉儀。
  12. 如請求項10或11之裝置(1)，進一步包括用於將所述測量光束(11)插入所述成像通道(VI)中的光學元件(7)，因而其被傳播在所述視野中。
  13. 如請求項10或11之裝置(1)，其中，所述測量通道(VM)進一步被配置以產生入射在所述待測量的光學元件(5)的相反的面上的第二測量光束。
  14. 如請求項10或11之裝置(1)，其中所述位移裝置(14)適合用於在垂直於所述成像裝置(3、6、13)的光軸的平面中位移所述支承件(30)。
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