光学设备及其坐标校正方法

摘要

本发明公开了一种光学设备的坐标校正方法，是用以校正与调整该光学仪器的一扫描坐标系与一感应坐标系间的一正交角度差，以使该正交角度差归零。该方法是先制备一校正元件，其表面上标记有二不相平行的校正直线，然后，利用感应坐标系感应上述二校正直线以计算出二初始直线方程式，接着，沿该扫描坐标系的一扫描方向移动校正元件，以使上述二校正直线亦同时沿扫描方向移动，之后，再利用感应坐标系感应上述二校正直线以计算出二校正直线方程式，最后，利用校正直线方程式与初始直线方程式来计算出扫描坐标系与感应坐标系间的正交角度差，并调整感应坐标系或扫描坐标系，以使正交角度差归零。

说明书

技术领域

本发明涉及一种光学设备及其坐标校正方法，特别是指一种利用一标记有二不相平行的直线的校正元件来使一扫描坐标系与一感应坐标系间的一正交角度差归零的坐标校正方法。

背景技术

随着时势的发展与演进，许多产品在加工尺寸精准度方面的要求，亦随之日趋严谨，特别是对于光电类或微机电类元件而言，其精准度往往必须达到纳米等级的要求。然而，在光电类或微机电类元件的整个加工过程中，往往不可避免地必须将待加工的工件输送至特定的加工位置来进行加工作业，甚至还可能会在工件尚处于运动状态时，就进行特定的加工作业。在此状况下，从微观的角度来看，即便这些运动非常微小，也势必会对加工品质造成重大的影响。

在此前提之下，往往必须借助于更精密的光学设备(或仪器)在每个重要的生产工艺中对工件进行检测与检查工作，才能进一步确保加工品质，提供工件的加工合格率。为了使这些光学设备在进行检测时能够得到更精确的检测效果，则必须先对这些光学设备进行精确的自我校正。为了进一步阐述相关的校正技术，下面将列举一公知实施例来详述光学设备的坐标自我校正技术。

请参阅图1至图3，图1是显示公知光学设备的局部立体外观示意图，图2是显示公知光学设备的显示器显示校正点位置的示意图，图3是显示感应坐标系与扫描坐标系之间存在正交角度差的示意图。如图所示，一光学设备100包含有一光学镜头组件1与一扫描平台2。光学镜头组件1包含有一壳体11、一扫描光源12、一光学感应模块13、一显示器14、一悬臂15与一立杆16。

扫描光源12、光学感应模块13与显示器14是位于壳体11的内部或表面，壳体11连接悬臂15，悬臂15连接于立杆16，立杆16则连接于固定承载基座(未标示)。光学感应模块13内建置有一感应坐标系Sec₀，其是由一第一感应方向轴X₀’与一正交于第一感应方向轴X₀’的第二感应方向轴Y₀’所组成。同时，光学感应模块13尚且包含有一运算处理单元(未标示)与一坐标调整机构(未标示)。扫描平台2建置有一扫描坐标系Sac₀，其是由一第一扫描方向轴X₀与一正交于第一扫描方向轴X₀的第二扫描方向轴Y₀所组成。同时，扫描平台2上标记有二校正点P₁与P₂，其中，校正点P₁是位于扫描坐标系Sac₀的原点，故校正点P₁的坐标为(0，0)，校正点P₂是位于扫描坐标系Sac₀的第一扫描方向轴X₀上，其坐标为(x₁，0)。

在进行坐标校正前，可先利用扫描光源12将一检测光线投射至一涵盖校正点P₁的校正区域CA₀，使检测光线自该校正区域CA₀反射至光学感应模块13，光学感应模块13会感应出校正点P₁的位置，并感应出位置校正点P₁的位置而显示于显示器14上。此时，可透过显示器14来调整光学感应模块13的坐标调整机构，以使校正点P₁落于感应坐标系Sec₀的原点位置而完成初始化调整。

在进行坐标校正时，扫描平台2会沿一平行于上述第一扫描方向轴X₀的扫描方向I₀移动一扫描距离Δx₁，使校正点P₂进入校正区域CA₀。此时，在显示器14上，是显示扫描平台2上的校正点P₂位于一感应校正点P₂’的位置，且该感应校正点P₂’的坐标为(x₁’，y₁’)，因此，感应校正点P₂’与第二感应方向轴Y₀’间相距一感应距离差Δx₁’＝x₁’，感应校正点P₂’与第一感应方向轴X₀’间相距另一感应距离差Δy₁’＝y₁’。同时，校正点P₁与感应校正点P₂’的连线是与第一感应方向轴X₀’之间相差一正交角度差Δθ₀，利用众所周知的三角函数关系，可以得到Δθ₀＝tan^-1(y₁’/x₁’)，相关的计算工作可透过光学感应模块13内的运算处理单元来完成。

由于校正点P₁与校正点P₂的连线是位于第一扫描方向轴X₀上，但是校正点P₁与感应校正点P₂’的连线是与第一感应方向轴X₀’之间相差一正交角度差Δθ₀，表示第一感应方向轴X₀’与第一扫描方向轴X₀之间相差该正交角度差Δθ₀。因此，必须利用光学感应模块13的坐标调整机构，将感应坐标系Sec₀沿反时针方向调整该正交角度差Δθ₀，使该正交角度差Δθ₀归为零，而完成感应坐标系Sec₀与扫描坐标系Sac₀间的校正作业。

举凡在所属技术领域具有通常知识者皆能轻易理解，亦可另外制备一校正元件，在该校正元件上标记上述的校正点P₁与P₂后，在将其放置于扫描平台2上，通过该扫描平台2而沿扫描方向I₀移动而得到类似的结果，从而取代上述直接在扫描平台2上标记校正点P₁与P₂的作法。

举凡在所属技术领域具有通常知识者亦能轻易理解，在以上所揭露的技术中，普遍存在四项严重的问题。其一，校正点P₁与P₂的连线必须平行于扫描方向I₀；其二，为了让光学感应模块13的感应范围能涵盖校正点P₁与P₂，则势必会缩小第一感应方向轴X₀’与第一扫描方向轴X₀间的比值，亦即缩小感应倍率，如此一来，则容易造成解析失真度变高而影响校正的精准度；其三，相对于其二，若欲维持高感应倍率，则势必要缩小感应范围，则可能会使其中一个校正点落于感应范围之外；其四，在上述方法中，由于量测二个数据点，即决定感应坐标系Sec₀，在取样点少的情况下，势必会造成量测不确定度(Uncertainty of Measurement)偏高。

综观以上所述可知，公知技术中存在着二校正点的连线必须平行于扫描方向，分辨率不佳，感应范围小无法同时感应到校正参考标的(即公知实施例中的第二个校正点)，以及量测不确定度偏高四个主要问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种光学设备及其坐标校正方法，其是利用感应坐标系来感应在扫描坐标系中二不平行的直线，在进行扫描前后的方程式变化关系，结合统计学上的最小平方线性回归演算法，求得最佳化趋近直线方程式的计算技术，以同时解决上述四个问题。

为解决上述技术问题，本发明提出了一种光学设备的坐标校正方法，其是用以校正与调整该光学仪器的一扫描坐标系与一感应坐标系间的一正交角度差，以使该正交角度差归零。该方法是先制备一校正元件，其表面是上标记有二不相平行的校正直线。然后，利用感应坐标系感应与计算出上述二校正直线的二初始直线方程式。接着，使校正元件沿该扫描坐标系的一扫描方向移动，以使上述二校正直线亦同时沿扫描方向移动。之后，利用感应坐标系感应并计算出上述二校正直线在沿扫描方向移动后的二校正直线方程式。最后，再利用校正直线方程式与初始直线方程式来计算出扫描坐标系与感应坐标系间的正交角度差，并调整感应坐标系或扫描坐标系，以使正交角度差归零。

本发明还提出了一种光学设备，包含：一校正元件，其一表面上标记有二不相平行的校正直线；一扫描平台，是建置一扫描坐标系，并结合有该校正元件，以带动该校正元件沿该扫描坐标系的一扫描方向移动；一光学感应模块，是建置一感应坐标系，以在该校正元件沿该扫描方向移动前，利用该感应坐标系感应该校正元件的表面上的上述二校正直线以计算出二初始直线方程式，并在该校正元件沿该扫描方向移动后，再利用该感应坐标系分别感应该校正元件表面上的上述二校正直线以计算出二校正直线方程式，并进一步计算该感应坐标系与该扫描坐标系间的一正交角度差；以及一调整机构，是用以调整该光学感应模块的扫描坐标系，以使该正交角度差归零。

在本发明较佳实施例中，上述的初始直线方程式与校正直线方程式，是在校正元件移动前与移动后，分别感应校正直线上的多个初始观察点与校正观察点的坐标数据，结合统计学的最小平方线性回归演算法的计算技术所求得的最佳化趋近直线方程式。同时，本发明较佳实施例更进一步揭露了一种用以调整该感应坐标系的调整机构，以精密调整该感应坐标系的角度而使该正交角度差归零。

本发明对照现有技术具有下述功效：

相较于公知的坐标校正技术，本发明是利用感应坐标系来感应二不相平行(彼此之间互为线性独立)的直线在沿扫描坐标系的扫描方向移动时的直线方程式变化，结合坐标转换的数学运算技术而求得存在于感应坐标系与扫描坐标系间的正交角度差。

在此前提下，校正元件的放置方向可以不必受到限制，故可有效解决上述第一项问题而提升操作的方便性。同时，由于只需二不相平行的直线在沿扫描方向移动的些微距离即可感应计算出上述的正交角度差的缘故，所以不必为了增加视野而缩小感应倍率，也不会有感应不到校正参考标的(校正直线)的问题。因此，此种校正方法仍可维持高放大倍率与分辨率，故可同时解决上述第二项问题和第三项问题。

此外，由于本发明较佳实施例是利用坐标转换的数学运算技术与统计学上的最小平方线性回归演算法所求取的最佳化趋近直线方程式来代表初始直线方程式与校正直线方程式，据以描述感应坐标系与扫描坐标系间所偏差的正交角度差。在初始观察点与校正观察点的坐标数据的数量越多时，所计算出的初始直线方程式与校正直线方程式将会越准确，故可有效降低量测不确定度而提升校正的精准度。

附图说明

图1是显示公知光学设备的局部立体外观示意图；

图2是显示公知光学设备的显示器显示校正点位置的示意图；

图3是显示感应坐标系与扫描坐标系之间存在正交角度差的示意图；

图4是显示本发明较佳实施例的局部外观示意图；

图5是显示图4中圈A所示区域的局部放大图；

图6是显示本发明较佳实施例的显示器显示校正直线位置的示意图；

图7是显示感应坐标系与扫描坐标系之间存在正交角度差的示意图；

图8是显示本发明较佳实施例的调整机构的元件配置示意图；

图9是显示本发明较佳实施例的调整机构调整影像传感器作微小角度旋转的动作示意图；以及

图10是显示本发明较佳实施例坐标校正的简易流程图。

附图标记说明：

100、200          光学设备

1、3              光学镜头组件

2、4              扫描平台

11、31            壳体

12、32            扫描光源

13、33            光学感应模块

14、34            显示器

15、36            悬臂

16、37            立杆

331               影像传感器

331a              中心轴

35                调整机构

351               基座

352               固定座

3521              ㄇ字型本体

3521a             第一区段

3521b             第二区段

3521c             第三区段

3522              凸伸部

353、353a                    固定元件

354、354a                    万向元件

355、355a                    夹持元件

356                          调整器

356a                         抵制部

356b                         调整部

357                          缓冲组件

357a                         缓冲固定座

357b                         压缩弹簧

5                            校正元件

Sec₀、Sec₁                   感应坐标系

Sac₀、Sac₁                   扫描坐标系

X₀’、X’                    第一感应方向轴

Y₀’、Y’                    第二感应方向轴

X₀、X                        第一扫描方向轴

Y₀、Y                        第二扫描方向轴

CA₀、CA₁                     校正区域

P₁、P₂                       校正点

P₂’                         感应校正点

P₁₁～P₁₃、P₂₁～P₂₃           初始观察点

P₁₁’～P₁₃’、P₂₁’～P₂₃’   校正观察点

L₁、L₂                       校正直线

Δx₁、Δx                    扫描距离

Δx₁’、Δy₁’               感应距离差

Δx’                        感应距离

Δθ₀、Δθ₁                 正交角度差

I₀、I₁     扫描方向

II         调整方向

III        调整旋转方向

具体实施方式

由于本发明所提供的光学设备及其坐标校正方法可广泛运用于多种具备扫描坐标系与感应坐标系的光学装置、设备与系统，其组合具体实施方式更是不胜枚举，故在此不再一一赘述，仅列举其中一较佳实施例来加以具体说明。

请参阅图4至图7，图4是显示本发明较佳实施例的局部外观示意图，图5是显示图4中圈A所示区域的局部放大图，图6是显示本发明较佳实施例的显示器显示校正直线位置的示意图，图7是显示感应坐标系与扫描坐标系之间存在正交角度差的示意图。如图所示，一光学设备200包含有一光学镜头组件3、一扫描平台4与一校正元件5。光学镜头组件3包含有一壳体31、一扫描光源32、一光学感应模块33、一显示器34、一调整机构35、一悬臂36与一立杆37。

扫描光源32、光学感应模块33、显示器34与调整机构35是位于壳体31的内部或表面，壳体31是连接悬臂36，悬臂36连接于立杆37，立杆37则连接于固定承载基座(未标示)。光学感应模块33内建置有一感应坐标系Sec₁，其由一第一感应方向轴X’与一正交于第一感应方向轴X’的第二感应方向轴Y’所组成。同时，光学感应模块33尚且包含有一运算处理单元(未标示)与一影像传感器331(标示于图8)，在本实施例中，上述的感应坐标系Sec₁是建置于影像传感器331，且影像传感器331具备一中心轴331a(标示于图8)。扫描平台4建置有一扫描坐标系Sac₁，其是由一第一扫描方向轴X与一正交于第一扫描方向轴X的第二扫描方向轴Y所组成。

同时，第一感应方向轴与第二感应方向轴Y’是分别对应于第一扫描方向轴与第二扫描方向轴Y。感应坐标系Sec1与扫描坐标系Sac1间是存在一正交角度差Δθ₁。其中，正交角度差Δθ₁等于第一扫描方向轴X与该第一感应方向轴间X’的夹角，由于上述的正交关系，当然，正交角度差Δθ₁亦等于第二扫描方向轴Y与该第二感应方向轴间Y’的夹角。校正元件5是固定于扫描平台4，其表面标记有二不相平行(即彼此互为线性独立)的校正直线L₁与L₂。

在进行坐标校正前，可先利用扫描光源32将一检测光线投射至一涵盖校正直线L₁与L₂的校正区域CA₁，使检测光线自该校正区域CA₁反射至光学感应模块33，光学感应模块33的影像传感器331会感应出校正直线L₁上随意撷取的三个初始观察点P₁₁、P₁₂与P₁₃的坐标数据，同时也会感应出校正直线L₂上随意撷取的三个初始观察点P₂₁、P₂₂与P₂₃的坐标数据。然后，可利用统计学上的最小平方线性回归演算法来分别计算出校正直线L₁与L₂的二初始直线方程式。

在进行坐标校正时，扫描平台4会沿一平行于第一扫描方向轴X的扫描方向I₁移动一扫描距离Δx，使校正直线L₁与L₂仍保持部分线段位于校正区域CA₁。此时，在显示器34上，会感应到扫描平台4上的校正直线L₁与L₂移动一感应距离Δx’，而光学感应模块33的影像传感器331会感应出校正直线L₁上随意撷取的三个校正观察点P₁₁’、P₁₂’与P₁₃’的坐标数据，同时也会感应出校正直线L₂上随意撷取的三个校正观察点P₂₁’、P₂₂’与P₂₃’的坐标数据。然后，可利用统计学上的最小平方线性回归演算法来分别计算出校正直线L₁与L₂的二校正直线方程式。

以下，将进一步详述如何利用初始直线方程式与校正直线方程式来计算出的正交角度差Δθ₁。假设上述二初始直线方程式分别为：

Y’＝a₁X’+b₁        ...................(等式1)

Y’＝a₂X’+b₂        ...................(等式2)

其中，a₁与a₂表示斜率，b₁与b₂分别表示二初始直线方程式在第二感应方向轴Y’上的截距。因此，a₁、a₂、b₁与b₂皆为已知参数。

同时，由于校正直线是沿一直线移动而未旋转，故在移动前后所得的初始直线方程式与校正直线方程式应具备相同的斜率，故可假设上述二校正直线方程式，分别为：

Y’＝a₁X’+b₁’        ...................(等式3)

Y’＝a₂X’+b₂’        ...................(等式4)

其中，a₁、a₂、b₁’与b₂’为已知参数，利用上述等式1至等式4，以及以上定义的相关参数，可整理出以下关系。

b₁’＝b₁+Δx’cos(Δθ₁)-a₁Δx’sin(Δθ₁)    ....(等式5)

b₂’＝b₂+Δx’cos(Δθ₁)-a₂Δx’sin(Δθ₁)    . ..(等式6)

将以上的等式5与等式6进行一连串的整理与计算后，可求得正交角度差Δθ₁与感应距离Δx’，由于相关的繁杂数学运算过程是在所属领域具有通常知识者所熟知的计算技艺，在此则不再予以赘述。同时，在求出感应距离Δx’后，可将其除以扫描坐标系Sac₁上的该扫描距离Δx，所得的比值(Δx’/Δx)即为感应坐标系相对于扫描坐标系的感应倍率。此外，上述的初始直线方程式、校正直线方程式、正交角度差Δθ₁与感应距离Δx’的相关运算公式可直接建置于上述的运算处理单元而自动进行运算处理。

在求出正交角度差Δθ₁后，可进一步利用上述的调整机构35来调整影像传感器331作微小角度的旋转，以调整该感应坐标系Sec₁的角度，使上述的正交角度差归零。因此，以下将继续对调整机构35的结构提出更详尽的说明。

请参阅图8与图9，图8是显示本发明较佳实施例的调整机构的元件配置示意图，图9是显示本发明较佳实施例的调整机构调整影像传感器作微小角度旋转的动作示意图。如图所示，调整机构35包括一基座351、一固定座352、一对固定元件353与353a、一对万向元件354与354a、一对夹持元件355与355a、一调整器356与一缓冲组件357。

基座351与影像传感器331的中心轴331a是互为相对固定件。固定座352包含一ㄇ字型本体3521与一凸伸部3522。ㄇ字型本体3521内部是容纳影像传感器331，并且包含一第一区段3521a，一垂直于第一区段3521a的第二区段3521b，以及一平行于第一区段3521a并与垂直于第二区段3521b的第三区段3521c，影像传感器331是接触于第二区段3521b。凸伸部3522是自第二区段3521b凸伸出，并可移动地结合于基座351。

固定元件353与353a是穿透结合于该第一区段3521a与第三区段3521c。万向元件354与354a是在ㄇ字型本体3541内部，并且分别结合于固定元件353与353a的一端，夹持元件355与355a是分别结合于万向元件354与354a，并分别以一对夹持方向夹持影像传感器331。

调整器356包含一抵制部356a与一调整部356b，抵制部356a是接触于该凸伸部3522。缓冲组件357是接触于固定座352的凸伸部3522与调整器356相反的一侧，并且包含缓冲固定座357a与一压缩弹簧357b，其中，缓冲固定座357a是结合于基座351，压缩弹簧357b位于缓冲固定座357a与固定座352的凸伸部3522之间。

在调整影像传感器331的感应坐标系Sec₁时，调整器356的调整部356a是调控抵制部356b沿一调整方向II移动，借此控制固定座352沿调整方向II而相对于基座351与上述的中心轴331a进行相对的移动。然后，夹持元件355与355a会透过万向元件354与354a而转向，借此改变夹持元件355与355a夹持影像传感器331的夹持方向而使影像传感器以中心轴331a为中心而沿一旋转调整方向III旋转。

在本实施例中，由于缓冲组件357是接触于固定座352的凸伸部3522与调整器356相反的一侧的缘故，因此在整个调整过程中，缓冲组件357可缓冲上述调整器356调控该固定座352沿调整方向II移动的速度与力量，而达到辅助精密调控的效果。

以下，将汇整以上繁杂的叙述，将本发明较佳实施例的运作流程予以汇整与简化。请继续参阅图10，其是显示本发明较佳实施例坐标校正的简易流程图，并请一并参阅图4至图9。如图所示，在进行光学设备200的坐标校正之前，先制备表面标记有上述二不相平行(即彼此互为线性独立)的校正直线L₁与L₂的校正元件5(步骤110)。

接着，利用光学感应模块33的影像传感器331内的感应坐标系Sec₁感应校正直线，并利用统计学上的最小平方线性回归演算法来计算出初始直线方程式(步骤120)。然后，沿扫描坐标系Sac₁的扫描方向I₁移动校正元件5，使校正直线L₁与L₂同时沿扫描方向I₁移动(步骤130)，并利用感应坐标系Sec₁感应校正直线L₁与L₂以计算出校正直线方程式(步骤140)。

最后，利用初始直线方程式与校正直线方程式来计算感应坐标系Sec₁与扫描坐标系Sac₁间的正交角度差Δθ₁(步骤150)，并调整感应坐标系Sec₁角度，使正交角度差Δθ₁归零(步骤160)。

举凡在所属技术领域具有通常知识者皆能理解，在扫描平台4邻接位置，亦可装设适当的坐标调整机构来调整扫描平台4的角度，因此，在执行步骤160中，亦可调整扫描坐标系Sac₁而使上述的正交角度差Δθ₁归零。同时，在实务运用面上，可撷取更多数量的初始观察点的坐标数据与校正观察点的坐标数据，使得利用上述最小平方线性回归演算法所计算的初始直线方程式与校正直线方程式更为精确，进而降低量测不确定度。

以上的实施例说明，仅为本发明的较佳实施例说明，举凡所属技术领域中具有通常知识者当可依据本发明的上述实施例说明而作其它种种的改良及变化。然而这些依据本发明实施例所作的种种改良及变化，当仍属于本发明的发明精神及界定的专利范围内。