[发明专利]使用连续运动扫描和时间插值的主动对准

说明书

对于相关申请的交叉引用

本申请要求名称为“使用连续运动扫描和时间插值的主动对准”的、在2012年4月13日提交的美国临时专利申请No.61/623,932的权益。

技术领域

本发明涉及在制造或测试期间的光学组件的自动机器人对准，并且更具体地涉及包含光学组件通过可能的对准位置的连续运动扫描以优化光学组件的布置的设备和方法。

背景技术

在许多精密制造工艺中使用机器人。例如，机器人用于诸如在蜂窝电话和汽车的倒车摄像头的制造中精确地在数字相机传感器之前对准透镜。在其他示例中，在电信和计算机网络设备的制造中，机器人对准在激光器或者光传感器之前的光纤的端部。该透镜的许多很小，在直径上在几毫米的数量级上，并且因此必须相对于传感器或激光器以经常在大约±5微米或更小的数量级的高精度被定位。

为了控制成本，经常使用不太精确的方法来制造用于透镜的光学元件并且在透镜外壳中安装该光学元件。结果，该光学元件和透镜经常件彼此之间不均匀。即，组件的尺寸和对称性经常透镜或其他光学组件之间彼此不同，导致在组件的焦距和光轴取向上的变化。

为了补偿这样的变化，使用几种已知方法来将每一个透镜相对于其对应的图像传感器定制对准。一种方法包含：向传感器安装具有精细螺纹的支架，并且在互补螺纹的镜筒中安装一组光学元件。然后，当透镜镜筒被以螺纹旋入支架内时，可以调整在光学元件和传感器之间的距离。一旦光学元件被布置得距传感器期望的距离，则可以相对于支架固定镜筒以防止进一步的旋转。不幸的是，该方法允许仅沿着z轴(光轴)的在光学元件和传感器之间的距离的调整。因此，该方法被称为仅使用一个自由度的对准。这样的对准方法不能补偿在光学元件中的所有的可能不对称或在镜筒内的光学元件的不良对准。

由Automation Engineering,Inc.("AEi"),Wilmington,MA开发的一种更复杂的方法包含：使用相机模块或其他光电产品组件几何体通过粘结剂将透镜镜筒(其在该情况下不要求螺纹)附接到图像传感器或其基板或包括该图像传感器的相机外壳，使得多个自由度对准是可能的。机器人在自由空间中调整透镜镜筒相对于图像传感器的位置，机器人然后将透镜镜筒保持在位，直到粘结剂充分固化以防止一旦机器人释放透镜镜筒的令人讨厌的蠕动。使用该方法，可以沿着所有三个线性轴(x、y和z)调整透镜的位置，并且，可以调整透镜的俯仰(围绕x轴的旋转)和横摇(围绕y轴的旋转)，以实现相对于传感器的透镜定位和定向，这补偿了在光学元件中的缺陷，并且以该方式，将光学元件相对于图像传感器的位置安装在镜筒内。该方法被称为围绕5自由度对准。

也由Automation Engineering,Inc.开发的该方法的改进包含：机器人将透镜围绕透镜的光轴或围绕z轴旋转以优化图像质量，以补偿在该轴上的角透镜不对称。注意，对于螺纹镜筒对准方法而言，围绕光轴或z轴的对准一般是不可能的，因为非常不可能同时实现期望的透镜至传感器间隔(通过将镜筒以螺纹旋入和旋出)和期望的透镜旋转角(通过旋转镜筒)两者。向5自由度对准方法加上该改进提供了6自由度对准。

“被动对准”涉及使用精密机械夹具、工具和关于组件的表面的物理特性(基准点)等，基于组件的设计规格来将组件彼此对准。例如，透镜的目标设计焦距可以用于相对于传感器定位透镜。然而，被动对准假定组件完美地符合它们的理论设计规格。这当然通常对于真实世界产品并不出现。因此，被动对准方法通常不能充分地补偿在诸如透镜的组件中的件到件的变化，除非每件被独立地测试以确认其实际规格。

相反，“主动对准”涉及在制造期间测量组件的组合的一个或多个关键性能属性，并且在反馈循环中使用被测的属性来控制这种制造。例如，可以在机器人将透镜步进通过一系列离散位置(例如，沿着x、y和z轴)和取向(例如，围绕z轴倾斜、摇动或旋转)的同时，在透镜和图像传感器组合的视角内布置诸如测试图案的可视目标。计算机分析在每一个步骤来自传感器的图像数据，并且基于该分析，计算机控制机器人定位和定向该透镜以获得最佳的图像质量。然后诸如通过粘结剂将该透镜相对于传感器固定在位。因此，主动对准能够补偿在组件中的件到件变化。

虽然主动对准要求被动对准不需要的硬件和软件，但是主动对准可能未必比被动对准更昂贵。例如，经常可以使用在给定的制造台中的较不精确的并且因此较不昂贵的固定和移动平台来执行主动对准。主动对准也可以提供较高的制造产量，这导致降低的制造成本。然而，步进通过所有的测试位置和取向耗费时间。制造商持续地寻求缩短循环时间，并且因此加速制造过程。