[發明專利]使用連續運動掃描和時間插值的主動對準

有效

• 申請號: 201380026472.8
• 申請日: 2013-04-12
• 公開（公告）號: CN104350408B
• 公開（公告）日: 2018-04-06
• 發明（設計）人: 安德烈·比
• 申請（專利權）人: 自動化工程機械公司
• 主分類號: G02B7/00
• 分類號: G02B7/00;G02B13/00;G02B27/62
• 代理公司: 中原信達知識產權代理有限責任公司11219
• 代理人: 張煥生,謝麗娜

對于相關申請的交叉引用

本申請要求名稱為“使用連續運動掃描和時間插值的主動對準”的、在2012年4月13日提交的美國臨時專利申請No.61/623,932的權益。

技術領域

本發明涉及在制造或測試期間的光學組件的自動機器人對準，并且更具體地涉及包含光學組件通過可能的對準位置的連續運動掃描以優化光學組件的布置的設備和方法。

背景技術

在許多精密制造工藝中使用機器人。例如，機器人用于諸如在蜂窩電話和汽車的倒車攝像頭的制造中精確地在數字相機傳感器之前對準透鏡。在其他示例中，在電信和計算機網絡設備的制造中，機器人對準在激光器或者光傳感器之前的光纖的端部。該透鏡的許多很小，在直徑上在幾毫米的數量級上，并且因此必須相對于傳感器或激光器以經常在大約±5微米或更小的數量級的高精度被定位。

為了控制成本，經常使用不太精確的方法來制造用于透鏡的光學元件并且在透鏡外殼中安裝該光學元件。結果，該光學元件和透鏡經常件彼此之間不均勻。即，組件的尺寸和對稱性經常透鏡或其他光學組件之間彼此不同，導致在組件的焦距和光軸取向上的變化。

為了補償這樣的變化，使用幾種已知方法來將每一個透鏡相對于其對應的圖像傳感器定制對準。一種方法包含：向傳感器安裝具有精細螺紋的支架，并且在互補螺紋的鏡筒中安裝一組光學元件。然后，當透鏡鏡筒被以螺紋旋入支架內時，可以調整在光學元件和傳感器之間的距離。一旦光學元件被布置得距傳感器期望的距離，則可以相對于支架固定鏡筒以防止進一步的旋轉。不幸的是，該方法允許僅沿著z軸(光軸)的在光學元件和傳感器之間的距離的調整。因此，該方法被稱為僅使用一個自由度的對準。這樣的對準方法不能補償在光學元件中的所有的可能不對稱或在鏡筒內的光學元件的不良對準。

由Automation Engineering,Inc.("AEi"),Wilmington,MA開發的一種更復雜的方法包含：使用相機模塊或其他光電產品組件幾何體通過粘結劑將透鏡鏡筒(其在該情況下不要求螺紋)附接到圖像傳感器或其基板或包括該圖像傳感器的相機外殼，使得多個自由度對準是可能的。機器人在自由空間中調整透鏡鏡筒相對于圖像傳感器的位置，機器人然后將透鏡鏡筒保持在位，直到粘結劑充分固化以防止一旦機器人釋放透鏡鏡筒的令人討厭的蠕動。使用該方法，可以沿著所有三個線性軸(x、y和z)調整透鏡的位置，并且，可以調整透鏡的俯仰(圍繞x軸的旋轉)和橫搖(圍繞y軸的旋轉)，以實現相對于傳感器的透鏡定位和定向，這補償了在光學元件中的缺陷，并且以該方式，將光學元件相對于圖像傳感器的位置安裝在鏡筒內。該方法被稱為圍繞5自由度對準。

也由Automation Engineering,Inc.開發的該方法的改進包含：機器人將透鏡圍繞透鏡的光軸或圍繞z軸旋轉以優化圖像質量，以補償在該軸上的角透鏡不對稱。注意，對于螺紋鏡筒對準方法而言，圍繞光軸或z軸的對準一般是不可能的，因為非常不可能同時實現期望的透鏡至傳感器間隔(通過將鏡筒以螺紋旋入和旋出)和期望的透鏡旋轉角(通過旋轉鏡筒)兩者。向5自由度對準方法加上該改進提供了6自由度對準。

“被動對準”涉及使用精密機械夾具、工具和關于組件的表面的物理特性(基準點)等，基于組件的設計規格來將組件彼此對準。例如，透鏡的目標設計焦距可以用于相對于傳感器定位透鏡。然而，被動對準假定組件完美地符合它們的理論設計規格。這當然通常對于真實世界產品并不出現。因此，被動對準方法通常不能充分地補償在諸如透鏡的組件中的件到件的變化，除非每件被獨立地測試以確認其實際規格。

相反，“主動對準”涉及在制造期間測量組件的組合的一個或多個關鍵性能屬性，并且在反饋循環中使用被測的屬性來控制這種制造。例如，可以在機器人將透鏡步進通過一系列離散位置(例如，沿著x、y和z軸)和取向(例如，圍繞z軸傾斜、搖動或旋轉)的同時，在透鏡和圖像傳感器組合的視角內布置諸如測試圖案的可視目標。計算機分析在每一個步驟來自傳感器的圖像數據，并且基于該分析，計算機控制機器人定位和定向該透鏡以獲得最佳的圖像質量。然后諸如通過粘結劑將該透鏡相對于傳感器固定在位。因此，主動對準能夠補償在組件中的件到件變化。

雖然主動對準要求被動對準不需要的硬件和軟件，但是主動對準可能未必比被動對準更昂貴。例如，經常可以使用在給定的制造臺中的較不精確的并且因此較不昂貴的固定和移動平臺來執行主動對準。主動對準也可以提供較高的制造產量，這導致降低的制造成本。然而，步進通過所有的測試位置和取向耗費時間。制造商持續地尋求縮短循環時間，并且因此加速制造過程。