[发明专利]一种基于光谱共焦的原位自动对焦装置及方法

说明书

本发明公开了一种基于光谱共焦的原位自动对焦装置及方法。通过采用光谱共焦传感器同轴安装的形式实现了绝对离焦位移量的测量，提高了自动对焦系统的闭环控制响应；通过运动台光栅尺位移量信号匹配离焦量测量的光谱共焦探头和现有光路系统信号转换模块的触发工作时间，可以避免对焦系统对现有光路系统的光谱干扰；通过设置离焦测量点相对于成像或加工位置形成一定的超前偏移量，可以确保自动对焦装置始终对当前工作位置实现动态对焦，避免产生对焦位置的滞后。

技术领域

本发明属于自动光学检测技术领域，具体涉及一种基于光谱共焦的原位自动对焦装置及方法。

背景技术

光学检测和光学加工技术作为精密工程领域中的重要环节，目前已经成为人类生活生产中必不可少的部分。从高端的芯片光刻工艺，到工业常见的工件视觉检测环节，再到包括激光切割、激光熔覆打印、激光微纳加工、激光退火、激光焊接等激光加工领域，人类正在利用光学的各种特性来实现更精密更复杂的检测和加工要求。作为光学参数操控的主要部件，光学系统的数值孔径越大，整体设备能够检测或加工出的关键尺寸就越小，而随之而来的就是光学系统的景深变小，从而使检测或加工的质量对光学系统相对于工件的离焦量十分敏感。因此，精密的光学检测和光学加工技术势必对光学系统的对焦控制提出更高的要求。

自动对焦装置通常可以认为是一个独立闭环的控制系统，由离焦量探测器、调焦执行机构和控制器三部分组成。离焦量探测器可以是通过条纹结构光获取工件表面的离焦信号，也可以通过高精度的位移传感器测得光学系统和工件表面之间的离焦量，调焦执行机构主要用于光学系统的离焦量控制，可以通过直线位移平台搭载整体光学系统进行运动，也可以通过音圈电机或者压电陶瓷对变焦光学系统中的特定镜片的位置进行控制。控制器获得离焦量探测器的离焦数据后驱动控制调焦执行机构，从而实现对工件表面自动对焦的功能。

在目前的现有技术中，主要的自动对焦装置形式可以分为同轴式、离轴式以及三角反射式三种。同轴式自动对焦装置中，自动对焦系统的光路和现有的检测或加工用的光学系统通过分光器件实现部分的光路同轴，如日本中央精机株式会社AF系列产品、加拿大WDI公司ATF系列产品，为了避免对焦系统对现有光学系统的成像造成影响，一般需要通过滤光片将两个系统进行光谱隔离，因此导致了现有光学系统特定光谱段信息的丢失，同时目前的同轴式自动对焦装置常常通过分析光斑形貌信号或光斑信号强度或成像像散程度来表征，其只能够实现是否离焦以及离焦方向的表征，而无法定量的计算出具体的离焦位移量，因此往往需要多个闭环控制周期实现单次自动对焦，导致最终的闭环控制带宽不高，无法实现高响应的自动聚焦功能。而如果采用专利CN114047203A中提到的基于光谱共焦的自动对焦装置，光谱共焦基于光谱色散的原理需要占用数百纳米的光谱带宽，则往往只能限制于光谱不敏感的应用，如AOI检测设备等。离轴式自动对焦装置中，自动对焦系统的光路独立于现有的光学系统，从而无需考虑两者之间的光谱波段的耦合和隔离，但是离轴式自动对焦装置的测量点与现有的光学系统的视场中心存在较大偏离，因此往往需要进行高度的位置映射，对工件某一片区域进行离焦量检测后进入现有光学系统的视场内进行检测或加工，通过位置映射的高度数据驱动控制调焦执行机构进行变焦动作，控制策略比较复杂，如专利CN113900219A。三角反射式自动对焦装置的光学系统同样独立于现有的光学系统，其测量点可以通过调整三角反射的角度移动到与现有光学系统的视场中心重合的位置，但为了与现有光学系统的大口径高分辨特性匹配，需要增大三角反射的角度，进而直接提高了结构的复杂性和成本，如专利CN104749901A。

因此，提供一种不影响现有光学系统光谱特性的、能够原位实时测量的、结构简单的高响应自动对焦装置及对焦方法是本领域技术人员亟待解决的一个技术问题。

发明内容

为了解决背景技术中的问题，本发明提出了一种基于光谱共焦的原位自动对焦装置及方法。

本发明采用的技术方案如下：

一、一种基于光谱共焦的原位自动对焦装置