專利名稱：聚焦方法與自動聚焦裝置及其偵測模塊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種聚焦裝置，且特別是涉及一種可偵測并調(diào)整聚焦位置的聚焦方法
與聚焦裝置及其偵測模塊。
背景技術(shù)：
近年來隨著電子產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，許多消費(fèi)性電子產(chǎn)品(例如手機(jī)、相機(jī)、投影 機(jī))的市場走向皆趨向于精致微型化。為了因應(yīng)電子產(chǎn)業(yè)的趨勢，其消費(fèi)性電子產(chǎn)品的關(guān) 鍵零組件的加工成形方式則日趨重要。在另一方面，目前太陽能電池或面板的制造也伴隨 著許多微米制作工藝的加工，例如微電路修補(bǔ)、微加工、切割、熔接、鉆孔、材料改質(zhì)。而舊 有的機(jī)械加工方式受限于刀片大小與機(jī)構(gòu)限制，逐漸不敷使用。 目前的解決方式是以精密度高、速度快的激光來進(jìn)行加工，例如激光鉆孔、激光 切割。而為使激光加工的精密度不因加工件表面的高低起伏的影響，使得激光在加工時(shí)的 聚焦點(diǎn)脫離加工表面，因而導(dǎo)致加工時(shí)激光能量不足而加工失效，或光點(diǎn)面積過大而產(chǎn)生 加工尺寸的誤差，即必須搭配自動聚焦模塊來達(dá)成精密加工的目的。 圖1為繪示美國專利公告號US6， 259， 057B1號專利案的激光雕刻機(jī)的自動聚焦結(jié) 構(gòu)的結(jié)構(gòu)圖。請參照圖l，傳統(tǒng)激光雕刻機(jī)100使用機(jī)械探針101來偵測激光是否聚焦，以 做為是否聚焦的判定方式，再依據(jù)其偵測結(jié)果調(diào)整激光光束，以達(dá)成自動聚焦的功能。但機(jī) 械探針101必須直接接觸加工物件表面才能進(jìn)行偵測，此偵測方式往往會造成加工物件表 面受損或污染，且受限于機(jī)械結(jié)構(gòu)的限制，以致精密度無法有效提升，使得利用此偵測方式 的加工裝置無法符合現(xiàn)今微制作工藝加工的標(biāo)準(zhǔn)。 圖2為繪示美國專利公告號US7， 298， 549B2號專利案的顯微鏡的結(jié)構(gòu)圖。請參照 圖2，為了提高加工的精密度，目前的加工機(jī)械則多以光學(xué)式自動聚焦的方式取代機(jī)械式聚 焦，而現(xiàn)今常見的自動聚焦類型為共軛焦式(Confocal)光學(xué)聚焦。 一般而言，共軛焦式通 常需要較多的光學(xué)元件(例如分光鏡201、濾鏡202、聚焦鏡203及光學(xué)透鏡204、205等) 將光源引導(dǎo)至檢測器210，以偵測是否聚焦。并且，此自動對焦的方式無法直接分辨離焦的 方向，需透過聚焦鏡203位移一行程后，方可辨別加工物件是處于前焦?fàn)顟B(tài)或后焦?fàn)顟B(tài)。此 自動聚焦的方式則會有成本較高及體積較大的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種判斷是否聚焦于適當(dāng)位置的偵測模塊，以判斷焦點(diǎn)偏 離的位置及距離。 本發(fā)明提出一種具有判斷是否聚焦于適當(dāng)位置的偵測模塊的自動聚焦裝置。此聚 焦裝置可自動調(diào)整聚焦點(diǎn)至適當(dāng)?shù)奈恢谩?本發(fā)明提出一種具有判斷是否聚焦于適當(dāng)位置的聚焦方法，可自動地調(diào)整聚焦點(diǎn) 至適當(dāng)?shù)奈恢谩?在一范例中，提出一種偵測模塊，適于偵測經(jīng)過一聚焦光束投射到一待測物表面的離焦?fàn)顟B(tài)及其焦點(diǎn)位置。此偵測模塊包括一橢圓曲面反射元件與一光感測元件。此橢圓 曲面反射元件具有一光束缺口 ，其中此聚焦光束通過光束缺口投射到待測物表面，產(chǎn)生反 射光線與散射光線。而光感測元件用以感測由橢圓曲面反射元件所反射的反射光線與散射 光線，并據(jù)以產(chǎn)生偵測結(jié)果，根據(jù)此偵測結(jié)果調(diào)整聚焦光束的焦點(diǎn)位置，用于讓焦點(diǎn)位置落 在該待測物的表面。 在一范例中，提出一種自動聚焦裝置，包括一光聚焦元件、一光感測元件、一具有
光束缺口的橢圓曲面反射元件、一數(shù)據(jù)處理元件、一致動元件與一調(diào)整單元。此光聚焦元件 可將偵測光束聚焦成具一焦點(diǎn)的聚焦光束，且此聚焦光束可入射至一待測物，使待測物產(chǎn) 生反射光線與散射光線。光感測元件用以感測光的信號。而橢圓曲面反射元件，置于光聚 焦元件與待測物之間，用以使聚焦光束經(jīng)由光束缺口入射至待測物，同時(shí)，橢圓曲面反射元 件將待測物散射后的反射光與散射光，導(dǎo)引至光感測元件上。數(shù)據(jù)處理元件則是用以分析 光感測元件接收到的信號，判定待測物是否聚焦，同時(shí)，數(shù)據(jù)處理元件也用以運(yùn)算需修正離 焦?fàn)顟B(tài)的控制信號，并將控制信號傳送至致動元件。而致動元件則耦接調(diào)整單元，并依據(jù)控 制信號產(chǎn)生驅(qū)動信號傳送至調(diào)整單元。而調(diào)整單元則分別連接光聚焦元件、橢圓曲面反射 元件與光感測元件，并可同時(shí)使三元件朝一方向移動。 在一范例中，提出一種聚焦判斷方法，包括將偵測光束聚焦成具一焦點(diǎn)的聚焦光
束，并投射到一待測物，使待測物產(chǎn)生反射光線與散射光線。通過一橢圓曲面的反射，將反 射光線與散射光線導(dǎo)引至橢圓曲面的一焦點(diǎn)，并加以感測后產(chǎn)生一感測信號，由此感測信 號判定聚焦光束的焦點(diǎn)是否位于聚焦光束投射到待測物的表面。 為讓本發(fā)明的上述特征和優(yōu)點(diǎn)能更明顯易懂，下文特舉實(shí)施例，并配合所附附圖， 作詳細(xì)說明如下。


圖1為繪示美國專利公告號US6， 259， 057B1號專利案的激光雕刻機(jī)的自動聚焦結(jié) 構(gòu)的結(jié)構(gòu)圖； 圖2為繪示美國專利公告號US7， 298， 549B2號專利案的顯微鏡的結(jié)構(gòu)圖； 圖3為橢圓形平面圖； 圖4為本發(fā)明一實(shí)施例的偵測模塊的結(jié)構(gòu)剖視圖； 圖5A為圖4的激光光束聚焦于物體的放大示意圖； 圖5B為圖4的激光光束聚焦于物體后方的放大示意圖； 圖5C為圖4的激光光束聚焦于物體前方的放大示意圖； 圖6A為圖4的激光光束聚焦于物體的偵測結(jié)果示意圖； 圖6B為圖4的激光光束聚焦于物體后方的偵測結(jié)果示意圖； 圖6C為圖4的激光光束聚焦于物體前方的偵測結(jié)果示意圖； 圖7A 圖7C為應(yīng)用圖4實(shí)施例的聚焦裝置不同實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖8為本發(fā)明一實(shí)施例的聚焦方法流程圖。 主要元件符號說明 30 :物體 40 :平臺
100 :傳統(tǒng)激光雕刻機(jī) 101 :機(jī)械探針 200 :顯微鏡 201 :分光鏡 202 :濾鏡 203 :聚焦鏡 204、 205 :光學(xué)透鏡 210 :檢測器 300:橢圓曲面反射元件 300a:光束缺口 301、302:焦點(diǎn) 310、311 :線段 312、313 :光線 400:偵測模塊 401 :光感測元件 402、705 :光束 501、501'、501":光點(diǎn)面積 502 、502'、502" 601、601，、601" 602 、602'、602" 700 :聚焦裝置 701 :數(shù)據(jù)處理單元 701':數(shù)據(jù)處理單元 701":致動元件 701A :控制裝置 702、702A :致動元件 703 :調(diào)整單元 704 :光源 706 :光聚焦元件 S801 S803 :聚焦方法的步驟
光型
光強(qiáng)度分布的峰值
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明提出一種結(jié)構(gòu)簡單且可有效判斷是否聚焦于適當(dāng)位置的偵測單元，以此判斷焦點(diǎn)偏離的位置及距離，以此偵測單元來架構(gòu)聚焦裝置，使聚焦裝置可自動調(diào)整聚焦點(diǎn)至適當(dāng)?shù)奈恢?。由此，此聚焦裝置可判斷光束聚焦點(diǎn)偏離的方向，以調(diào)整聚焦點(diǎn)的位置。
而在說明本發(fā)明實(shí)施例之前，先對本發(fā)明實(shí)施例的重要概念作解說。圖3為一橢圓形平面圖。請參照圖3，由圖形理論得知，橢圓形300具有兩共軛焦點(diǎn)301及302，若由焦點(diǎn)301延伸出一線段(以線段310為例)與橢圓形300會形成一交叉點(diǎn)，若此交叉點(diǎn)與焦點(diǎn)302連成一線段(以線段311為例)。線段310及311會分別與橢圓形300形成角度e工與92，且角度e工與92會相等。以橢圓形的特性來說，橢圓形300上的任一點(diǎn)與兩焦
點(diǎn)301及302所連成的線段，皆會有上述特性。依據(jù)上述，若橢圓形300為一反射元件，且焦點(diǎn)301為光源時(shí)，光線會從焦點(diǎn)301發(fā)射經(jīng)橢圓曲面反射元件300反射后，必定會通過橢圓曲面反射元件300的焦點(diǎn)302。另外，從焦點(diǎn)301向外發(fā)散的光線312及313，經(jīng)橢圓反射罩300反射后，則會交叉于焦點(diǎn)302(亦即聚焦于焦點(diǎn)302)。以此概念延伸，則提出一種可偵測光束是否聚焦正確位置的偵測單元。 圖4為本發(fā)明一實(shí)施例的偵測模塊400的結(jié)構(gòu)剖視圖。請參照圖4，偵測模塊400包括橢圓曲面反射元件300及光感測元件401 ，其中此橢圓曲面反射元件300為部分橢圓體的反射元件，其材質(zhì)例如為金屬材質(zhì)或玻璃材質(zhì)鍍上反射膜等具有反射能力的物質(zhì)。而此橢圓曲面反射元件300具有一光束缺口 300a。經(jīng)由一聚焦元件聚焦后的光束402，透過光束缺口 300a聚焦于橢圓曲面反射元件300的焦點(diǎn)301上。而物體30表面上的一點(diǎn)必須與焦點(diǎn)301重合，此點(diǎn)則為聚焦后的光束402的焦點(diǎn)的正確位置，但實(shí)際的使用時(shí)并無法一次就直接聚焦在預(yù)定的位置，因此，需要通過本實(shí)施例所提出的偵測模塊400偵測并據(jù)以調(diào)整聚焦后的光束402的焦點(diǎn)位置。上述的光束402可為來自單波長或是多波長光源所發(fā)出的光束，例如從發(fā)光二極管(light-emitting diode，LED)、白熾光源(Incandescent lightsource)、激光或其他類型的光源所發(fā)出的光束。 光感測元件401則是位于橢圓曲面反射元件300的另一焦點(diǎn)302的位置，也就是位于焦點(diǎn)301的共軛焦點(diǎn)。 當(dāng)聚焦后的光束402(在此以激光光束為例)透過光束缺口 300a打在物體30表面上的此點(diǎn)(亦即焦點(diǎn)301)時(shí)，則激光(laser)光束402會被物體30反射及散射，而反射及散射的光束會被橢圓曲面反射元件300反射到位于焦點(diǎn)302的光感測元件401上。接著，光感測元件401接收反射及散射的光束并產(chǎn)生偵測結(jié)果，其中此偵測結(jié)果包括光強(qiáng)度分布及光型尺寸。 光感測元件401可以采用例如光電位置感測器(Position SensitiveDevice, PSD)、電荷耦合裝置(Charge-Coupled Device, CCD)、互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor， CMOS)、光電二極管(PhotonDiode)、光電二極管陣列(photon diode array)或其他光感測元件，但不以此為限。 光感測元件401會依照激光光束402聚焦位置與焦點(diǎn)301相對位置的不同，而產(chǎn)生不同的偵測結(jié)果，依照其偵測結(jié)果可判斷激光光束402聚焦位置是否正確，激光光束402聚焦位置接下來會伴隨下列圖示作說明。圖5A為圖4的激光光束402聚焦于物體30的放大示意圖。圖5B為圖4的激光光束402聚焦于物體30后方的放大示意圖。圖5C為圖4的激光光束402聚焦于物體30前方的放大示意圖。圖6A為圖4的激光光束402聚焦于物體30的偵測結(jié)果示意圖。圖6B為圖4的激光光束402聚焦于物體30后方的偵測結(jié)果示意圖。圖6C為圖4的激光光束402聚焦于物體30前方的偵測結(jié)果示意圖。其中，當(dāng)激光光束402聚焦于物體30之后則稱物體30位于前焦?fàn)顟B(tài)，當(dāng)激光光束402穿透物體30之前聚焦則稱物體30位于后焦?fàn)顟B(tài)。 請參照圖5A與圖6A，激光光束402照射物體30的表面時(shí)，會使物體30產(chǎn)生一光點(diǎn)面積501。當(dāng)激光光束402正確聚焦于物體30的表面時(shí)，使激光光束402聚焦的位置502位于物體30的表面，此時(shí)光點(diǎn)面積501會為最小，而依照上述的概念，所有反射及散射的光
7束會被橢圓曲面反射元件300反射而射向另一個(gè)焦點(diǎn)302。此時(shí)，光感測元件401會偵測經(jīng)由橢圓曲面反射元件300反射的結(jié)果，而據(jù)以產(chǎn)生其強(qiáng)度分布圖，圖6A所示。此時(shí)光型601尺寸會最小，并且光強(qiáng)度分布的峰值602的位置會置于圖形的中央，以代表激光光束402正確聚焦于物體30的表面上。 除此之外，若激光光束402的焦點(diǎn)落于物體30表面的后方時(shí)，物體30的位置稱為前焦?fàn)顟B(tài)，也就是物體30位于激光光束402焦點(diǎn)的前方。而在此時(shí)，光感測元件401會產(chǎn)生不同的偵測結(jié)果，并可據(jù)以判斷物體30的位置。請參照圖5B與圖6B，當(dāng)激光光束402聚焦的位置502'距離物體30表面越遠(yuǎn)時(shí)，光點(diǎn)面積501'會越來越大。此時(shí)，激光光束402反射及散射后的光束被橢圓曲面反射元件300反射后，并不一定會穿透焦點(diǎn)302。也就是說，反射及散射后的光束被橢圓曲面反射元件300反射后并不會再度聚焦于焦點(diǎn)302，致使光感測元件401產(chǎn)生如圖6B所示的偵測結(jié)果。此時(shí)光型601'尺寸會正相關(guān)于激光光束402聚焦的位置502'與距離物體30表面的距離，并且光強(qiáng)度分布的峰值602'的位置會置于所示圖示中的上方，以代表激光光束402的焦點(diǎn)落于物體30表面的后方，而使物體30位于焦點(diǎn)的前方。 同樣地，若激光光束402的焦點(diǎn)落于物體30表面的前方時(shí)，物體30的位置稱為后焦?fàn)顟B(tài)，也就是物體30位于激光光束402焦點(diǎn)的后方。而在此時(shí)光感測元件401產(chǎn)生的偵測結(jié)果又會不同，并可據(jù)以判斷物體30的位置。請參照圖5C與圖6C，同樣地，當(dāng)激光光束402聚焦的位置502"距離物體30的表面越遠(yuǎn)時(shí)(此時(shí)指的是激光光束402的焦點(diǎn)在物體30表面的上方)，光點(diǎn)面積501"也會越來越大。此時(shí)，激光光束402反射及散射后的光束被橢圓曲面反射元件300反射后，也不一定會穿透焦點(diǎn)302。也就是說，反射及散射后的光束被橢圓曲面反射元件300反射后并不會再度聚焦于焦點(diǎn)302，致使光感測元件401產(chǎn)生如圖6C所示的偵測結(jié)果。此時(shí)光型601"尺寸同樣會正相關(guān)于激光光束402聚焦的位置502"與距離物體30表面的距離，并且光強(qiáng)度分布的峰值602"的位置會置于所示圖形的下方，以代表激光光束402的焦點(diǎn)落于物體30表面的前方，而使物體30位于焦點(diǎn)的后方。
由此，偵測模塊400可通過光強(qiáng)度分布的峰值的位置以及光型尺寸的大小，即可得知激光光束402是否正確聚焦于物體30的表面上。并且，可通過光強(qiáng)度分布的峰值的位置以及光型尺寸的大小，可得知激光光束402相對于物體30的表面的聚焦位置與離焦方向，以及激光光束402聚焦的位置與物體30表面的距離。 再者，可利用上述實(shí)施例，提出 一種可自動聚焦的聚焦的裝置。圖7A為應(yīng)用圖4的其中一種實(shí)施例的聚焦裝置700結(jié)構(gòu)示意圖。請參照圖4及圖7A，聚焦裝置700包括偵測模塊400、數(shù)據(jù)處理單元701、致動元件702、調(diào)整單元703、光源704及光聚焦元件706。偵測模塊400的結(jié)構(gòu)及運(yùn)作方式如上述實(shí)施例的說明，故在此不再贅述。數(shù)據(jù)處理單元701以嵌入式控制器為例，其耦接偵測模塊400中的光感測元件401，以依據(jù)偵測結(jié)果產(chǎn)生控制信號至致動元件702。致動元件702耦接調(diào)整單元703，以依據(jù)控制信號產(chǎn)生驅(qū)動信號傳送至調(diào)整單元703，其中此驅(qū)動信號可以為數(shù)字信號或是模擬信號。 在此調(diào)整單元703以馬達(dá)為例，其固定光聚焦元件706、橢圓曲面反射元件300及光感測元件401，以依據(jù)驅(qū)動信號調(diào)整光聚焦元件706、橢圓曲面反射元件300及光感測元件401在Z軸上的位置，其中調(diào)整單元703必須相應(yīng)于驅(qū)動信號的形式，以能相應(yīng)于驅(qū)動信號而動作。光源704用以提供一光束705，且光聚焦元件706例如為凸透鏡，以對光束705進(jìn)行聚焦，以形成聚焦光束402，同時(shí)，該聚焦光束402的焦點(diǎn)將與橢圓曲面反射元件300的焦點(diǎn)301重合。光感測元件401固定于橢圓曲面反射元件300的焦點(diǎn)302。
請參照圖7A，在此假設(shè)光源704所發(fā)射出的光線為激光光束705。上述的激光光束705并非用以限制本發(fā)明，也可采用來自單波長或是多波長光源所發(fā)出的光束，例如從發(fā)光二極管(LED)、白熾光源(Incandescent light source)或其他類型的光源所發(fā)出的光束。此激光光束705經(jīng)光聚焦元件706聚焦后形成激光光束402。激光光束402會對物體30進(jìn)行照射，此照射可以為激光加工的行為，亦即利用聚焦后的激光光束402對物體30的表面進(jìn)行加工，其中物體30為放置于平臺40上，以使物體30于加工過程保持穩(wěn)定。在加工的過程中，物體30會沿著X軸或Y軸(未繪示)作水平移動，但物體30表面欲加工的一點(diǎn)須置于焦點(diǎn)301，以能做正確的加工處理。當(dāng)激光光束402正確聚焦于物體30的表面時(shí)(即焦點(diǎn)301位于物體30的表面時(shí))，其反射及散射后的光線會再次聚焦于焦點(diǎn)302，則偵測結(jié)果如圖6A所示，此激光光束402就可對物體30的表面作正確的加工處理。
若當(dāng)激光光束402聚焦于物體30的表面下方時(shí)(即物體30位于前焦?fàn)顟B(tài)時(shí))，其反射及散射后的光線無法聚焦于焦點(diǎn)302，代表激光光束402無法于物體30的表面作正確的加工處理。此時(shí)偵測結(jié)果如圖6B所示，其光強(qiáng)度分布的峰值602'的位置會置于所示圖示中的上方，代表激光光束402聚焦的位置須向上移動。而數(shù)據(jù)處理單元701會依據(jù)此時(shí)的偵測結(jié)果產(chǎn)生控制信號至致動元件702。接著致動元件702依據(jù)控制信號產(chǎn)生驅(qū)動信號至調(diào)整單元703，使調(diào)整單元703進(jìn)行光聚焦元件706位置的調(diào)整。此時(shí)，調(diào)整單元703會同時(shí)使光聚焦元件706、橢圓曲面反射元件300及光感測元件401沿著Z軸往上移動，以使激光光束402聚焦的位置向上移動至物體30的表面。其中光聚焦元件706、橢圓曲面反射元件300及光感測元件401的位移量為正相關(guān)于光型601'尺寸的大小，亦即光型601'尺寸越大，光聚焦元件706、橢圓曲面反射元件300及光感測元件401的位移量越大。
若當(dāng)激光光束402聚焦于物體30的表面上方時(shí)(即物體30位于后焦?fàn)顟B(tài)時(shí))，其反射及散射后的光線也無法聚焦于焦點(diǎn)302，也代表激光光束402無法于物體30的表面作正確的加工處理。此時(shí)偵測結(jié)果如圖6C所示，其光強(qiáng)度分布的峰值602"的位置會置于所示圖示中的下方，代表激光光束402聚焦的位置須向下移動。而數(shù)據(jù)處理單元701同樣會依據(jù)此時(shí)的偵測結(jié)果產(chǎn)生控制信號至致動元件702。接著致動元件702依據(jù)控制信號產(chǎn)生驅(qū)動信號至調(diào)整單元703，使調(diào)整單元703進(jìn)行光聚焦元件706、橢圓曲面反射元件300及光感測元件401位置的調(diào)整。此時(shí)，調(diào)整單元703會使光聚焦元件706、橢圓曲面反射元件300及光感測元件401沿著Z軸往下移動，以使激光光束402聚焦的位置向下移動至物體30的表面。其中光聚焦元件706、橢圓曲面反射元件300及光感測元件401的位移量也為正相關(guān)于光型601"尺寸的大小。 而在其他一些實(shí)施例中，數(shù)據(jù)處理單元701及致動元件702可整合在一起，同樣可
處理偵測結(jié)果并依據(jù)偵測結(jié)果驅(qū)動調(diào)整單元703，調(diào)整光束402聚焦的位置。 請參照圖7B，為另一個(gè)應(yīng)用圖4實(shí)施例的聚焦裝置700結(jié)構(gòu)示意圖。此聚焦裝置
700與圖7A差異之處在于將致動元件702整合到調(diào)整單元703內(nèi)。數(shù)據(jù)處理單元701依據(jù)
偵測結(jié)果產(chǎn)生控制信號，并傳到調(diào)整單元703內(nèi)的致動元件702A。接著致動元件702A依據(jù)
控制信號控制調(diào)整單元703進(jìn)行光聚焦元件706、橢圓曲面反射元件300及光感測元件401
位置的調(diào)整。
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請參照圖7C，為又一個(gè)應(yīng)用圖4實(shí)施例的聚焦裝置700結(jié)構(gòu)示意圖。此聚焦裝置700與圖7A差異之處在于將數(shù)據(jù)處理單元與致動元件整合為同一裝置，也就是此控制裝置701A包括數(shù)據(jù)處理單元701'與致動元件701"。數(shù)據(jù)處理單元701'依據(jù)偵測結(jié)果產(chǎn)生控制信號給致動元件701"。接著致動元件701"依據(jù)控制信號產(chǎn)生驅(qū)動信號至調(diào)整單元703，使調(diào)整單元703進(jìn)行光聚焦元件706、橢圓曲面反射元件300及光感測元件401位置的調(diào)整。 以另一觀點(diǎn)來看，上述實(shí)施例可整理出一種聚焦方式，應(yīng)用在聚焦裝置700。圖8為本發(fā)明一實(shí)施例的聚焦方法流程圖。請參照圖8，首先如步驟S801所示，提供橢圓曲面反射元件。接著步驟S802會透過橢圓曲面反射元件偵測光束聚焦的位置，以產(chǎn)生偵測結(jié)果，其中偵測結(jié)果會由光感測元件所提供，且其包括光強(qiáng)度分布的峰值及光型尺寸，由此判斷光聚焦元件與待測物之間的離焦?fàn)顩r。最后，步驟S803中，調(diào)整單元會依據(jù)驅(qū)動信號調(diào)整光聚焦元件的位置，用于調(diào)整激光光束聚焦的位置。 進(jìn)一步來說，在步驟S803中，若偵測結(jié)果表示光束聚焦的位置于物體的表面時(shí)，則不調(diào)整光束聚焦的位置。此外，若偵測結(jié)果表示光束聚焦的位置位于物體的表面后方時(shí)，則調(diào)整光束聚焦的位置朝光源移動，使光束聚焦的位置調(diào)整到物體的表面?；蛘撸魝蓽y結(jié)果表示光束聚焦的位置位于物體的表面前方時(shí)，則調(diào)整光束聚焦的位置遠(yuǎn)離光源，以使光束聚焦物體的表面上。 綜合上述，本發(fā)明實(shí)施例透過橢圓曲面反射元件反射光束碰觸待測物表面所反射或散射的光束，并利用光感測元件接收反射或散射的光束以產(chǎn)生偵測結(jié)果，接著依據(jù)偵測結(jié)果判斷光束是否正確聚焦于待測物表面的一點(diǎn)。由此，可透過簡單的結(jié)構(gòu)達(dá)到偵測光束聚焦的位置，并可達(dá)到縮減偵測模塊的體積以及降低成本的功效。 雖然結(jié)合以上實(shí)施例揭露了本發(fā)明，然而其并非用以限定本發(fā)明，任何所屬技術(shù)領(lǐng)域中熟悉此技術(shù)者，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，可作些許的更動與潤飾，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)以附上的權(quán)利要求所界定的為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
一種偵測模塊，適于偵測經(jīng)過一聚焦光束投射到一待測物表面的焦點(diǎn)位置，該偵測模塊包括橢圓曲面反射元件，具有一光束缺口，其中該聚焦光束通過該光束缺口投射到該待測物表面，產(chǎn)生反射光線與散射光線；以及光感測元件，用以感測由該橢圓曲面反射元件所反射的該反射光線與該散射光線，并據(jù)以產(chǎn)生一偵測結(jié)果，根據(jù)該偵測結(jié)果調(diào)整該聚焦光束的焦點(diǎn)位置，用于讓該焦點(diǎn)位置落在該待測物的表面。
2. 如權(quán)利要求1所述的偵測模塊，其中該橢圓曲面反射元件具有一第一焦點(diǎn)，而該第 一焦點(diǎn)與該聚焦光束的焦點(diǎn)重合。
3. 如權(quán)利要求2所述的偵測模塊，其中該橢圓曲面反射元件具有一第二焦點(diǎn)，其中該 第一焦點(diǎn)與該第二焦點(diǎn)為該橢圓曲面反射元件的橢圓曲面的兩共軛焦點(diǎn)，而該光感測元件 則位于該第二焦點(diǎn)進(jìn)行感測。
4. 如權(quán)利要求1所述的偵測模塊，其中該光感測元件測得該反射光線與該散射光線的 光信號與光紋圖案，并通過該光信號與該光紋圖案比較取得該聚焦光束的焦點(diǎn)與該聚焦光 束投射到該待測物的表面的一距離，該距離等于或大于零。
5. 如權(quán)利要求4所述的偵測模塊，其中當(dāng)該距離大于零時(shí)，通過調(diào)整該聚焦光束的焦 點(diǎn)位置，而使該聚焦光束的焦點(diǎn)落在該聚焦光束投射到該待測物的表面。
6. 如權(quán)利要求l所述的偵測模塊，其中該光感測元件為光電位置感測器(PSD)、電荷耦 合裝置(CCD)、互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)裝置、光電二極管(Photon Diode)或光電二 極管陣列(Photon Diode Array)其中之一。
7. —種自動聚焦裝置，包括光聚焦元件，可將一偵測光束聚焦成具一焦點(diǎn)的一聚焦光束，且該聚焦光束可入射至 一待測物，使該待測物產(chǎn)生反射光線與散射光線； 光感測元件，用以感測光的信號；具有一光束缺口的橢圓曲面反射元件，置于該光聚焦元件與該待測物之間，用以使該 聚焦光束經(jīng)由該光束缺口入射至該待測物；同時(shí)，該橢圓曲面反射元件，可將該待測物散射 后的反射光與散射光，導(dǎo)引至該光感測元件上；調(diào)整單元，分別連接該光聚焦元件、該橢圓曲面反射元件，與該光感測元件，并可同時(shí) 使三元件朝一方向移動；致動元件，耦接該調(diào)整單元，并依據(jù)控制信號產(chǎn)生驅(qū)動信號傳送至該調(diào)整單元；以及數(shù)據(jù)處理元件，耦接于該光感測元件以及該致動元件，用以分析該光感測元件接收到 的信號，判定該待測物是否離焦，同時(shí)，該數(shù)據(jù)處理元件也用以運(yùn)算需修正離焦?fàn)顟B(tài)的一控 制信號，并將該控制信號傳送至該致動元件。
8. 如權(quán)利要求7所述的自動聚焦裝置，其中該橢圓曲面反射元件具有一第一焦點(diǎn)與一 第二焦點(diǎn)；同時(shí)，該橢圓曲面反射元件的該第一焦點(diǎn)與該聚焦光束的該焦點(diǎn)重合。
9. 如權(quán)利要求7所述的自動聚焦裝置，其中該光感測元件位于該橢圓曲面反射元件的 第二焦點(diǎn)處。
10. 如權(quán)利要求7所述的自動聚焦裝置，其中該調(diào)整單元包含一馬達(dá)，連結(jié)該光聚焦元 件、該橢圓曲面反射元件，與該光感測元件，并可同時(shí)使三元件朝一方向移動。
11. 如權(quán)利要求7所述的自動聚焦裝置，其中該調(diào)整單元包含一組馬達(dá)，分別連結(jié)該光 聚焦元件、該橢圓曲面反射元件，與該光感測元件，并可同時(shí)使三元件朝一方向移動。
12. 如權(quán)利要求7所述的自動聚焦裝置，其中該光感測元件為光電位置感測器(PSD)、 電荷耦合裝置(CCD)、互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)裝置、光電二極管(Photon Diode)或 光電二極管陣列(Photon Diode Array)其中之一。
13. 如權(quán)利要求7所述的自動聚焦裝置，其中該橢圓曲面反射元件的內(nèi)曲面可增加一 高反射層，以提高該橢圓曲面反射元件的反射率。
14. 如權(quán)利要求7所述的自動聚焦裝置，其中該自動聚焦裝置還包含一氣體控制元件， 用以去除粉塵微粒。
15. 如權(quán)利要求14所述的自動聚焦裝置，其中該氣體控制元件還包含一吹氣裝置與一 抽氣裝置，用以去除該粉塵微粒。
16. 如權(quán)利要求7所述的自動聚焦裝置，其中該控制信號可以為數(shù)字信號或是模擬信號。
17. —種聚焦判斷方法，包括將一偵測光束聚焦成具一焦點(diǎn)的一聚焦光束，并投射到一待測物，使該待測物產(chǎn)生反 射光線與散射光線；以及通過一橢圓曲面的反射，將該反射光線與該散射光線，導(dǎo)引至該橢圓曲面的一焦點(diǎn)，并 加以感測后產(chǎn)生一感測信號，藉該感測信號判定該聚焦光束的該焦點(diǎn)是否位于該聚焦光束 投射到該待測物的表面。
18. 如權(quán)利要求17所述的聚焦判定方法，其中該橢圓曲面具有兩焦點(diǎn)，且該聚焦光束 的該焦點(diǎn)與該橢圓曲面的第一焦點(diǎn)重合。
19. 如權(quán)利要求18所述的聚焦判定方法，其中該聚焦光束的該焦點(diǎn)與該聚焦光束投射 到該待測物的表面重合時(shí)，為聚焦?fàn)顟B(tài)。
20. 如權(quán)利要求18所述的聚焦判定方法，其中該聚焦光束的該焦點(diǎn)落在該聚焦光束投 射到該待測物的表面的上方靠近該聚焦光束入射的方向時(shí)，為后焦?fàn)顟B(tài)。
21. 如權(quán)利要求18所述的聚焦判定方法，其中該聚焦光束的焦點(diǎn)落在該聚焦光束投射 到該待測物的表面下方遠(yuǎn)離該聚焦光束入射的方向時(shí)，為前焦?fàn)顟B(tài)。
22. 如權(quán)利要求17所述的聚焦判定方法，其中該感測信號為測得該反射光線與該散射 光線的光信號與光紋圖案，并通過該光信號與光紋圖案比較取得該聚焦光束的該焦點(diǎn)與該 聚焦光束投射到該待測物的表面的一距離，該距離等于或大于零。
23. 如權(quán)利要求22所述的聚焦判定方法，其中該光信號包括該反射光線與該散射光線 的光強(qiáng)度分布，而根據(jù)該光強(qiáng)度的峰值與該光紋圖案比較即可判斷該聚焦光束的該焦點(diǎn)是 否落在該聚焦光束投射到該待測物的表面。
24. 如權(quán)利要求22所述的聚焦判定方法，其中當(dāng)該距離大于零時(shí)，通過調(diào)整該聚焦光 束的該焦點(diǎn)位置，而使該聚焦光束的該焦點(diǎn)落在該聚焦光束投射到該待測物的表面。
全文摘要
本發(fā)明公開一種判斷聚焦的方法與自動聚焦裝置及其偵測模塊。此偵測模塊包括橢圓曲面反射元件、光感測元件。橢圓曲面反射元件具有光束缺口、第一焦點(diǎn)及第二焦點(diǎn)。光束經(jīng)由光聚焦元件聚焦后，透過光束缺口投射在待測物表面。橢圓曲面反射元件反射光束投射待測物表面后反射或散射的光線。光感測元件配置于第二焦點(diǎn)，用以接收橢圓曲面反射元件反射的光束，并產(chǎn)生偵測結(jié)果，以便調(diào)整光聚焦元件與待測物表面的距離，以便讓光束聚焦的位置正確地落在待測物的表面。
文檔編號B23K26/06GK101750711SQ20081018418
公開日2010年6月23日 申請日期2008年12月19日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月19日
發(fā)明者劉裕升, 林昆蔚, 王雍行, 胡平浩, 鐘佳詔 申請人:財(cái)團(tuán)法人工業(yè)技術(shù)研究院