TWI295369B - Inspection method and device for deformation of lens - Google Patents

Description

1295369 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係與—種量測透鏡變盘古 其f-種利用極化影像補償來檢測透:變= 法有關。 覌义形的裝置與方 【先前技術】 近年來，隨㈣電產業勒發展、 光學元件需求愈來愈油。尤其是，近年 ，對 照相手機等錄人裝置的逐步普及，光學元件產^相機、 前所未有·景中，其中，光學透鏡更是料'^於 也是最基本的光學元件之一。呆甲取重要 光學透鏡的種類繁多，而且隨著其應用範圍、 用材料的差異，而可能會採取不·製造方式來進行量 產。然而’光學透鏡的每-種製造方式除了需思考到如二 快速地大量生m卜，還必彡I考慮如⑽持大量產出的光 學透鏡的品質。因此，如何快速又精確地對光學透鏡的進 行光學拎測，也一直是也是該領域近年來亟欲發展的重要 技街之一。 一般來說，先學透鏡（例如，塑膠透鏡）在加工成形 後，常會因内部殘留應力或吸水而造成該透鏡外形的變 化，致使其光束聚焦波前產生球差（Sphere aberration)、 散光（Astigmatism)及慧差（Coma)等光學成像誤差。而 在習知的技術中，一般用來檢測光學透鏡非球面外形誤的 檢測方法係透過差輪廓儀來進行。然而，利用差輪廓儀來 5 1295369 ===::過長及所取得的資料為直 之檢驗數據，作為是否為ί:::斷無法提供即時且有效 rp' . ^$用的習知技術是利用偏光儀 8二=撿驗透鏡變形。由於光線在晶體内傳播 ===_方向的影響，造成光線在不二 也二因Λ不门斤射率；因此，當光線通過光學透鏡時， 也會因為不同的折射率 τ 向相互垂直之射現象）而產生兩道振動方 ,果堤兩道極化光束即為正常光束 透過這兩ίΓΓ的與非正常光束（extra〇rdinary ray)。 而，ρ -相位差即可判斷透鏡的變形程度。然 片虽先子透! 兄在未受殘留應力影響時，其雙折射效應非 吊不明』，因此只使用偏光儀來量測並無法偵測到足夠的 相位差變化。

J 為了有效克服上述之問題，上述之偏光儀之量測技術 有必要進^步改善，以提供足夠的相位差變化來達成量測 光學透鏡變形之目的。本·發明的動機即由此而產生，本案 申請人鑑於時代潮流之所需，乃經悉心試驗與研究，並一 ，本鍥而不捨之精神，提出一種「利用光學透鏡之極化補償 影像來檢測透鏡變形的檢測方法」。相較於習知的量測方 式，本發明之構想不僅可以利用即時影像來偵測透鏡外塑 之誤差外’也可以偵測透鏡内部的殘留應力，同時，本發 明之構想亦可以作為光學系統聚焦或成像品質的量測。 【發明内容】 1295369

本电《構4係提出—種透鏡變形程度的檢測方 法，其中該檢測方法係藉由觀察—待測透鏡之極化補償影 像來達成，該方法係包含下列步驟：⑴提供—光源，以 產生-平行光束；（2)提供-起偏器（⑽心^、以使 該平行光線通過該起偏器後，產生一極化光束；（3 )使节 極化光束通過該制透鏡，其巾，該極化光束因該待測透 鏡作用而產生一偏折光束；（4)提供一相位差板（此&祀 retardation plate)，以使該偏折光束通過該相位差板而 於該相位差板的長轴及短軸方向分別產生不同波長的極化 補儒影像，以及（5)分析该極化補償影像，以判斷該待測 透鏡之變形程度。 根據上述構想，其中步驟（5)更包含提供—檢偏哭、 (analyzer)，以觀測該極化補償影像。 根據上述構想，其中步驟（5)更包含提供一影像偵測 裝置，以偵測該極化補償影像。 根據上述構想，其中更包含：提供一影像分析軟體， 以分析該極化補償影像。 根據上述構想，其中更包含將該極化補償影像過遽出 藍紅光與綠光的成分。.. 根據上述構想，其中該藍紅光成分係用以判斷該待測 透鏡是否偏心及傾斜。 根據上述構想’其中違碌光成分係用以判斷該待測透 鏡是否存在球差與殘留應力3 ' 根據上述構想’其係猎由一查找表（LUT )所紀錄之相 7 1295369 Ψ 位差值比對該極化補償影像。 根據上述構想，其中該相位差值係滿足：占 2π d λ cos 炉

a [乂- 其 5表示相位差值’ φ表示折射角度，α表示位置角声， λ表tf平光波長以及d表示該相位差板之厚度。 本發明之第二構想亦提出—種湘二偏極器及 差板，進行透鏡變形之極化補償影像的檢測方法，=位 枝包含下列步驟：⑴提供—標準平板玻璃，置^則 ::極器之間；(2)調整該二偏極器、該標準平板坡： 旦广位相差板之相對位置，以使通過該檢偏器之極 二像呈完全對稱的狀態；（3)提供—計算程式，以建立二 —待測透鏡之極化補償影像於每一角度 4母 =⑽位差值的查找表⑽);⑷提供 、秀透鏡，取代該標準平板玻璃，並刮用該標準坡璃 球鏡之極化補償影像之查找表；（5)比對通過該標準破 二面透鏡所形成之極化補償影像與該查找表之相位差值， =進行該極化補償影像之色彩校正；（6)提供一待測透鏡’， 錄代該玻璃球面透鏡；以及（7)提供—影像感測器，^^記 μ通過該待測透鏡所形成之極化補償影像。 ° :、根據上述構想’該檢測方法更包含下列步驟：（7 1) 將=過該待測透鏡所形成的極化補償影像分成紅藍（rb) =衫像與綠（G)色影像；（7· 2)由該紅藍色影像判斷該待 逯鏡是否偏心或傾斜丨以及（ 7.3)由該綠色影像判=該 + 2π d λ cos ¢9 8 P295369 待測透鏡是否存在球差與殘留應力。 根據上述構想’其中該標準平板玻璃之平行精度係小 於5秒弧，且其兩平面之形狀精度係小Λ/4，其 = 632. 8 nm ° 根據上述構想，其巾該標準玻魏面透鏡之平行精产 係小於3G秒弧，且其兩平面之形狀精度係小λ /4， ^ = 632.8 nm〇 ’、 根據上述構想，其中該相位差值係滿足5 α 2π d λ COS ^ Ν cos2 + sin2^ μ 4- 2π d 、 cosa »---ri_ 义cos炉1 5表示相位差值’ φ表示折射角度，α表示位置角度，入 表示平行光波長以及d表示該相位差板之厚度。 _本表月之第二構想係提出一種透鏡檢測裝置，其係包 含-光源卜起偏器（polarizer)，置於該光源之上，以 產生-極化光束；—待測透鏡，置放於該起偏器上方，以 使該極化錢職㈣透毅產生—偏折光束；—極 位補償器，置放於該待測透鏡上方，錢該偏折光束於長 軸及短軸方向分別產生不同波長之極化補償影像；以及一 檢偏器（analyzer)，置放在該極化相位補償器上方， 測該板極化補償影像之變化。 規 ==ϋ中該起偏器之極化， 器之極化方向互相垂直。 根據上述構想，其中該極化相位補償器係為延遲入 長之相位差板。 ^ 9 1295369 哭之It構想，其中該起偏器之極化方向係與該檢偏 裔之極化方向互相平行。 1/2 據上述構想，該透鏡檢測裝置更包含—影像感測 益，放於該檢偏器上方，以偵測該極化補償影像之變化。

本發明得藉由下述之較佳具體實施 明，俾得一更深入之了解。 口圖式5兒 【實施方式】 ^ __&例°該透鏡檢測裝置100 i要係由__ Λ、0’ 一偏極器20、40、一極化相位補償 以 :像=6。所組成。該则為了能二Si 源在，光源10上方通常會配置—擴散板12，以使該光 # 且平行發射的平行光束Lm

稱極器2〇又 I =Γ )，該平行光束通過該起偏器J ;上=一極化光束。而-待測透鏡3〇係置放於該起偏 :土：，因而使該極化光束通過該待測透鏡3〇後，產生一 造dt偏^光束係因為該待測透鏡30之折射情況所 生聚4^ 斧凸魏，料使該偏折光束產 玍來焦的偏折情況；若該待測透鏡3〇 度 ，束產生發散的偏折情況。在:^

，该待測透鏡3。係承載於一調整基座32上，“I 10 1295369 ίΓ置可叫檢測f要賴整該侧透鏡3M目對於該光源 於上述之偏極光束通過該待測透鏡時會因雙折射現 象= 吏不同偏極方向的偏折光束產生相位變化，而為了加 固相位落差的變化’需透過前述之極化相位 來達成這個目的。姉化相賴償㈣即為，/差板50 在極化'先學技術上該極化相位補償詩照其對兩個極 成的相位延遲量可分為全波長、1/2波長或1/4波 、、虽化相位補償器。舉—全波長的極化相位哭 其背景光束為-桃紅色波長的光束，當—經過聚^ 泰政的偏折光束在通過該全波長的相位差板50時，在該相 (一板^、長軸方向’會產生破壞干涉之光束由綠光波長 且ηπι)轉為紅光波長⑽);在短軸方向，則是由綠光 =的光束轉為藍光波長（45Qnm)的光束。一旦塑膠透 束稱之變形’如球差、慧差及散光等’都會使光 果傳遞方向產生變化。 為了能有效偵測到這些波長的變化，本發明之透鏡檢 二衣置100係在該極化相位補償器（或相位差板）5〇上方 =配置-檢偏器（analyzer) 4G來觀察該偏折光束的波長 顏色）變化。該檢偏器40係與前述之起偏器20屬於相 5類型的偏極器，其中該檢偏器4〇的偏極方向可以設置成 偏裔20的偏極方向互相平行或垂直。當該檢偏器 的偏極方向與該起偏器20㈣極方向互相平行時，該 目位差板50需使肖1/2波長之相位差板5〇 ;而當該檢偏 1295369 器40的偏極方向與該起偏哭^ 該相位差板' 的偏極方向互相垂直時， 如前所述Λ隹了f長之相位差板5。。

位差板時，在長：；；發散的偏折先束在通過全波長的相 由綠光波長轉為θ生皮壞干涉之波長而使光束 察到該待測透鏡30呈皮若透過該檢偏器 40則可觀 束則是由綠錢長轉在短軸方向上，該偏折光 觀察到該待測透鏡心二1長，透過該檢偏器4G則可以 鏡3〇的偏折光束係 =於通過該待測透 射角度⑽==編將會隨著入射光束的折 所示，其係利用一全波長二;:::第2圖⑴-(〇 將會隨著折料度 t差板來㈣其相位差值<5 測透鏡之料為化的情況。若以該待 X-Z兩個戴面 I板的光軸為z轴’在Y-Z及 差板後所形hW &置肖度α的―人射光通過該相位 說明如下·· h M (Q光與e光）的相位差值5係 (1) X:Z戴面的相位差值夂： 如第2圖“、&一 的情況下，h 不’在平行光束入射全波長相位差板 二其相位差值(5係表示如下： 5 = ~f'd'k-n\ (1) 的雙折射方為相，差’ λ為光束波長，n。、ne為相位差板 差板厚度。° U光與e光:)之折射係數，而d則是相位 12 1295369 '、'而在考慮偏折光束的情況下，在x-z截面上，其 折射率會p現極化光束的折射角度％而改變，因此當依(” 式來汁相位差6時’其折射率差△ n($)值表示如下： — ° (2) 而除了 ΔΝ(φ )不為常數外，其通過波片的實際厚度也 會隨φ而改變如下式： (3) COS ¢9 故其相位差值3係為： 2π 韻〇)=与·」L.胁⑽ (4) λ COS(p 其中λ是入射光束波長，d為相位差板的厚度。 (2) Y-Z截面上的相位差值: 在Y-Z截面上，相位差板的折射率不隨極化光束的折 射角度P而改變’其折射率差ΔΝ⑷值為一定數n 如第2圖（Β)，故相位差值占為： 咖)=了·"[义一 •k-H (5) 1π π χ — - 2π d λ COS ¢9 其中又是入射光束波長，d為相位差板的厚度。 (3)任一位置角度邙入射之相位差值占： 如第2圖(C)所示’當人射光束—位置角度^入射該 相位差板時，其會產生兩個分量分別落在χ_ζ及γ_ζ兩截 面上’綜合（4)與⑸式，可得任一截面相位差為： 13 6) 1295369 2 ^·Ν Λ c〇s^ iy〇 Ν sin2 炉 cosa λ 及相位i板表數=差值5的5十异，以及在已知待測透鏡 先獲得用電腦程式的計算，即可預 該表準色圖可_」„。在一較佳具體實施例中， 所觀測到的待測=找表（LUT)的型式，以方便與 述之、J透鏡的極化補償影像進行比對。因士，兮 <之透4檢測農f ln # 口此刖 影像感測裝置6〇，:心會在該檢偏器40上方，設置- 並記錄該待湘并歹'σ一 CCD或CM0S照相機等，以偵測 待劂透鏡30之極化補償影像。 m於除了則述之透鏡檢測裝置外，本發明亦提出一錄读# 变开> 之檢測方法的牛 牙、兄 或杳ΐ鏡之?化補償影像與該待測透鏡之1準色圖 =__制透鏡之變_度。該檢丨貞彳方法可 述具體實施例中之透鏡檢測裝s⑽來實施。首 /4 ’提?—平行精度小於5秒弧，兩平面形狀精度小於又 / ==Μ2·8 nm)的標準平板玻璃透鏡，以進行該透鏡 =裝置的光軸校正；.將該標準平板玻璃透鏡置放於兩偏 \之間並°周整該二偏極器、該標準平板玻璃透鏡以及 二相位差板之相對位置’直到該標準平板玻璃透鏡之極化 1償影像呈完全對稱為止。接著，提供—平浦度小於3〇 心弧，兩平面形狀精度小於A/4 ( λ = 632. 8 nm)的標準 求面透鏡取代該標準平板玻璃透鏡，以進行該透鏡檢測裝 14 1295369 置的色彩校正；利用影像感測器紀錄該標準球面透鏡所形 : 成之極化補償影像，並將該極化補償影像的色彩與透過第 (6)式所計算的理論圖形作比對，以進行該該極化補償影. • 像的色彩校正。接著，提供一待測透鏡取代該標準球面透 • 鏡，並透過該影像感測器紀錄該待測透鏡之極化補償影 像。透過該影像感測器所偵測到的極化補償影像係如第3 圖（A)所示。接著利用一影像處理程式或濾波器將該極化 ^ 補償影像分別過濾成紅藍（RB)色影像與綠（G)色影像（如 — 第3圖（Β)及第3圖（C)所示），以進行該待測透鏡變形 之量測。從第3圖（Β)中可以看出，由於紅藍光可以使該 待測透鏡之極化補償影像的長轴與短轴上的色彩產生明顯 的對比，因而可以容易地麫斷出該紅藍色影像並沒有對稱 於中心軸，因而容易的檢測待測透鏡存在偏心（decenter) 或傾斜（tilt)的現象。而從第3圖（C)的綠色影像中， 則可以輕易地從圖中的暗場（如箭頭表示處），而得知待測 φ 透鏡上的應力殘留之處。 上述之具體實施例中，雖以全波長之相位差板作為極 化補藏影像的量測基準，然而，對於熟悉本領域具有通常 知識者，必定能很容易的想到利用其他量測基準來操作本 案之量測方法。因此，即使熟悉本領域之人士按暨有知識 而諸般修飾，仍不脫離如後所述之申請專利範圍所欲保護 ，之範圍。 【圖式簡單說明】 第1圖係說明本發明之透鏡檢測裝置之具體實施例。 15 1295369 第2圖（A) - (C)係說明相位差板之相位差值5隨著 折射角度P與位置角度α而變化的情況。 第3圖（A) - (C)係表示本發明之極化補償影像之實 際量測圖形以及其紅藍光與綠光分量之色彩圖形。 【主要元件符號說明】

100 透鏡檢測裝置 10 光源 12 擴散板 20 起偏器 30 待測透鏡 40 檢偏器 32 調整基座 50 相位差板 60 影像感測器

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Claims (1)

1295369 私年(丨月叉曰修(更)正本 十、申請專利範圍： 1· 一種透鏡變形的檢測方法，其係藉由觀察一待測透鏡之 極化補償影像，以檢測該待測透鏡變形程度，該檢測方 法係包含下列步驟·· (1) 長:供一光源，以產生一平行光束； (2) 提供一起偏器（p〇larizer)，以使該平行光線通過 該起偏器後，產生一極化光束；

(3) 使該極化光束通過該待測透鏡，其中，該極化光束 因該待測透鏡作用而產生一偏折光束； (4) 提供一相位差板（phase retardation plate)，以 使該偏折光束通過該相位差板而於該相位差板的長轴及 短軸方向分別產生不同波長的極化補償影像；以及 (5) 分析該極化補償影像，以判斷該待測透鏡之變形程 度。 2·如申請專利範圍第1項所述之方法，其中步驟（5)更包 含提供一檢偏器（analyzer)，以觀測該極化補償影像。 3·如申請專利範圍第1項所述之方法，其中步驟（5)更包 含提供一影像偵測裝置，以偵測該極化補償影像。 4·如申請專利範圍第1項所述之方法，其中更包含··提供 一影像分析軟體，以分析該極化補償影像。 5·如申請專利範圍第4項所述之方法，其中更包含將該極 化補償影像過濾出藍紅光與綠光的成分。 6·如申請專利範圍第5項所述之方法，其中該藍紅光成分 係用以判斷該待測透鏡是否偏心及傾斜。 17 1295369 7·如申請專利範園第5項所述之方法，其'^亥分係 用以判斷該待測透鏡是否存在球差與殘留鹿力。 8.如申請專利範圍第4項所述之方法，其係藉由一查找表 (LUT )所紀錄之相位差值比對該極化補償影像。 9·如申請專利範圍第8項所述之方法，其中該相位差值係 滿足：（5 ψ ，a

N • cosa • 其中，占表示相位差值，φ表示折 射角度，α表示位置角度，λ表示平行光波長以及d 表示該相位差板之厚度。 10· —種透鏡變形的檢測方法，其係利用二偏極器及一相位 差板進行透鏡變形之極化補償影像的檢測，該檢測方法 包含下列步驟： (1) 提供一標準平板玻璃透鏡，置放於該二偏極器之間； (2) 調整該二偏極器、該標準平板玻璃透鏡以及該位相 差板之相對位置，以使通過該檢偏器之極化補償影像呈完 全對稱的狀態； (3) 提供一計算程式，以建立每一待測透鏡之極化補償 影像於每一角度位置α與每一折射角度0的相位差值的查 找表（LUT); (4) 提供一標準玻璃球面透鏡，取代該標準平板玻璃透 鏡，並利用該標準玻璃球面透鏡之極化補償影像之查找表； C5)比對通過該標準玻璃球面透鏡所形成之極化補償影 像與該查找表之相仇差值，以進行該極化補償影像之色彩 18

1295369 校正； (6) 提供一待測透鏡，取代該玻璃球面透鏡；以及 (7) 提供一影像感測器，以記錄通過該待測透鏡所形成 之極化補償影像。 11.如申請專利範圍第10項所述之方法，其更包含下列步 (7. 1)將通過該待測透鏡所形成的極化補償影像分成 ⑩ 紅藍（RB)色影像與綠（G)色影像； (7. 2)由該紅藍色影像判斷該待測透鏡是否偏心或傾 斜；以及 (7. 3)由該綠色影像判斷該待測透鏡是否存在球差與 殘留應力。 12.如申請專利範圍第10項所述之方法，其中該標準平板 玻璃之平行精度係小於5秒弧，且其兩平面之形狀精度 係小 λ /4，其中 λ = 632. 8 nm。 • 13.如申請專利範圍第10項所述之方法，其中該標準玻璃 球面透鏡之平行精度係小於30秒弧，且其兩平面之形 狀精度係小λ /4，其中又=632. 8 nm。 14.如申請專利範圍第10項所述之方法，其中該相位差值 係滿足 5 ( P，α ) = ¥.__^_.乂 λ cosp 0 ，其中，占表示相位差值，P表示折射 λ CQS(p 6 ° 角度，α表示位置角度，λ表示平行光波長以及d表示 Na ^N02 cos2 φ + Ne2 sin2 φ -cos a 該相位差板之厚度。 (S > 19 •1295369 收年丨丨月is修(更)正本 15· —種透鏡變形的檢測裝置，其係包含： — 一光源； • 一起偏器（Polarizer)，置於該光源之上，以產生 一極化光束； 一待測透鏡，置放於該起偏器上方，以使該極化光 通過該待測透鏡後產生一偏折光束； 一極化相位補償器，置放於該待測透鏡上方，以使 # 該偏折光束於長軸及短軸方向分別產生不同波長之極 化補償影像；以及 一檢偏器（analyzer)，置放在該極化相位補償器 上方，以觀測該板極化補償影像之變化。 16·如申請專利範圍第15項所述之透鏡檢測裝置，其中該 起偏器之極化方向係與該檢偏器之極化方向互相垂直。 17·如申請專利範圍第ι6項所述之透鏡檢測裝置，其中該 極化相位補償器係為延遲全波長之相位差板。 _ 18·如申請專利範圍第15項所述之透鏡檢測裝置，其中該 起偏斋之極化方向係與該檢偏器之極化方向互相平行。 19·如申請專利範圍第18項所述之透鏡檢測裝置，其中該 極化相位補償器係為延遲1/2波長之相位差板。 20·如申請專利範圍第15項所述之透鏡檢測裝置，更包含 衫像感測态，置放於該檢偏器上方，以偵測該極化補 償影像之變化。