CN103376555A - 光学取像装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光学取像装置，包含正方菱镜组以及三个取像单元。正方菱镜组具有互相正交的入光面、第一出光面、第二出光面以及第三出光面，并包含互相正交的第一分光面、第二分光面、第三分光面及第四分光面。当光源进入入光面后，通过第一分光面、第二分光面、第三分光面及第四分光面的分光，可将光源分成单色光并自第一出光面、第二出光面以及第三出光面射出而分别被各取像单元所接收以形成影像。各取像单元所形成的影像叠加后形成彩色影像，借此，可提升光利用效率以及影像解析度，并可避免影像颜色错误。

Description

光学取像装置

技术领域

本发明关于一种光学取像装置，且特别关于一种能获得高解析度彩色影像的光学取像装置。

背景技术

自动光学检测(Automatic Optical Inspection，AOI)是指以光学的方式检测元件外部结构的技术，可分为一维检测(一维条码检测、位移检测)、二维检测(图像识别、瑕疵分类、二维条码检测、形状测量、热影像检测、色泽检测)以及三维检测(形状测量、高度瑕疵检测)等三类。自动光学检测技术所能应用的领域非常广泛，例如工业产品品质检测、宇宙探测、生物医学承项检测、指纹比对及字型辨认、机械视觉、多媒体技术等。

一般而言，LED或太阳能电池晶片等半导体晶片的表面结构是否有瑕疵或者颜色是否符合需求等，均可通过自动光学检测装置来进行。自动光学检测设备包含有取像装置用来对半导体晶片表面取像，所取得的影像则可进行数字分析让使用者得知半导体晶片的表面状况。如上所述，由于自动光学检测方法是以半导体晶片的影像进行分析，因此其影像的解析度以及色彩即成为检测是否精确的重要关键。

于先前技术中，自动光学检测设备的彩色取像装置是利用单色电荷耦合元件(Charge Coupled Device，CCD)搭配彩色滤波阵列来进行取像，其以单色电荷耦合元件上的像素分别取得物体上对应位置的各色影像，再将相邻像素的各色影像合并为彩色影像。然而，先前技术的方法整并像素所得到的彩色影像，其解析度会受到滤波片的设计而大幅下降，此外滤波片同时也会吸收大量光线，导致单色电荷耦合元件收光效率下降而连带降低信噪比。

请参阅图1A以及图1B，图1A是先前技术的彩色CCD阵列1的示意图，图1B是图1A的彩色CCD阵列1的单一彩色感光单元1006用来对物体2取像的示意图。如图1A所示，彩色CCD阵列1由CCD感光阵列10以及滤光片阵列12组成，当光线入射时会先经过滤光片阵列12滤光，接着再由CCD感光阵列10中的各感光单元100进行感光。滤光片阵列12具有绿色滤光单元120、红色滤光单元122以及蓝色滤光单元124，分别对应不同的感光单元100排列而可供绿光、红光以及蓝光通过并被不同感光单元100所接收，因此，组合后的彩色CCD阵列1可包含绿光感光单元1000、红光感光单元1002以及蓝光感光单元1004。于先前技术中，邻近的四个感光单元100配合各滤光单元组合成彩色感光单元1006，因此，所获得彩色影像的解析度将会下降四倍。另外，滤光片阵列12的各滤光单元仅允许对应的单色光通过，其他波段的光线均被吸收，使得CCD感光阵列10接收到的光强度大幅降低。

如图1B所示，彩色感光单元1006中的各单色感光单元可对物体2上对应的位置进行取像，并将其合成彩色影像。若物体2上对应各感光单元的位置的颜色与各感光单元所能感光的颜色相同，例如，物体2表面上的位置20与26显示为绿色，位置22显示为红色，且位置24显示为蓝色，则彩色感光单元1006的各感光单元都能接收到光，经过叠加后，彩色感光单元1006所取得的影像为白色，明显与物体2的表面颜色不符。

因此，有必要设计一种具有新式的彩色光学取像装置，其具有高解析度并能避免取像后颜色错误的状况发生。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种光学取像装置，以解决先前技术的问题。

根据一具体实施例，本发明的光学取像装置包含正方菱镜组、第一取像单元、第二取像单元以及第三取像单元，其中，正方菱镜组包含互相正交的入光面、第一出光面、第二出光面以及第三出光面，并且正方菱镜组之内包含互相正交的第一分光面、第二分光面、第三分光面以及第四分光面。入光面可用来接收光源，第一取像单元、第二取像单元与第三取像单元分别面对第一出光面、第二出光面以及第三出光面，用来接收自此三个出光面所射出的光线。

于本具体实施例中，当入光面接收光源，其光线经过第一分光面、第二分光面、第三分光面以及第四分光面后被分成至少一单色光而分别从第一出光面、第二出光面以及第三出光面射出，并被第一取像单元、第二取像单元与第三取像单元所接收。此三个取像单元分别接收单色光后可产生影像，接着，各取像单元所产生的影像互相叠加以形成彩色影像。通过本具体实施例的光学取像装置，可获得具有高解析度的彩色影像且可避免彩色影像颜色错误的状况发生。

关于本发明的优点与精神可以通过以下的发明详述及所附图式得到进一步的了解。

附图说明

图1A是先前技术的彩色CCD阵列的示意图。

图1B是图1A的彩色CCD阵列的单一彩色感光单元用来对物体取像的示意图。

图2是根据本发明的一具体实施例的光学取像装置的示意图。

图3是图2的光学取像装置进行取像时的光学路径图。

其中，附图标记说明如下：

1：彩色CCD阵列

10：CCD感光阵列

12：滤光片阵列

100：感光单元

120：绿色滤光单元

122：红色滤光单元

124：蓝色滤光单元

1000：绿光感光单元

1002：红光感光单元

1004：蓝光感光单元

1006：彩色感光单元

2：物体

20～26：位置

3：光学取像装置

30：正方菱镜组

34：第一取像单元

36：第二取像单元

38：第三取像单元

300：入光面

302：第一出光面

304：第二出光面

306：第三出光面

310：第一分光面

312：第二分光面

314：第三分光面

316：第四分光面

320：第一直角菱镜

322：第一直角菱镜

324：第三直角菱镜

326：第四直角菱镜

P：处理单元

I：入射光源

R1、R2：红光

B1、B2：蓝光

G1、G2：绿光

F1：第一滤波光

F2：第二滤波光

具体实施方式

请参阅图2，图2是根据本发明的一具体实施例的光学取像装置3的示意图。光学取像装置3可用来对半导体晶片的表面进行取像，以供分析装置分析而获得检测结果。

如图2所示，光学取像装置3中包含有正方菱镜组30，其中正方菱镜组30的外侧具有入光面300、第一出光面302、第二出光面304以及第三出光面306，并且，入光面300、第一出光面302、第二出光面304、以及第三出光面306如同图2所绘示呈正交配置。此外，正方菱镜组30内则具有第一分光面310、第二分光面312、第三分光面314以及第四分光面316，同样地，第一分光面310、第二分光面312、第三分光面314以及第四分光面316也是呈现正交配置。

于本具体实施例中，正方菱镜组30进一步包含第一直角菱镜320、第二直角菱镜322、第三直角菱镜324以及第四直角菱镜326，各直角菱镜中正交的两表面可互相叠合形成正方菱镜组30。详言之，第二直角菱镜322与第一直角菱镜320叠合形成第一分光面310，第三直角菱镜324可与第一直角菱镜320叠合而形成第二分光面312，第四直角菱镜326则同时与第二直角菱镜322与第三直角菱镜324叠合而分别形成第三分光面314与第四分光面316。各直角菱镜互相叠合后，第一直角菱镜320中与正交的两表面呈45°角的表面形成入光面300，同样地，第二直角菱镜322、第三直角菱镜324以及第四直角菱镜326分别形成第一出光面302、第二出光面304以及第三出光面306。

正方菱镜组30的入光面300可用来接收光源，于实务中，一物体可被环境光源或光学取像装置3的发光装置(未绘示于图中)所产生的光照射，并反射进光学取像装置3且入射入光面300。各分光面上可分别涂布不同的滤波层，使光线入射至各分光面时产生分光效果。于本具体实施例中，在第一分光面310可涂布第一低通滤波层，第二分光面312上可涂布第一高通滤波层，第三分光面314上可涂布第二高通滤波层，并且，第四分光面316上可涂布第二低通滤波层。于实务中，上述各滤波层均可为介电滤波镀膜。

请再参阅图2，光学取像装置3进一步包含第一取像单元34、第二取像单元36以及第三取像单元38，各取像单元分别面对第一出光面302、第二出光面304以及第三出光面306。于本具体实施例中，各取像单元包含单色电荷耦合元件，可自各出光面接收光线并产生影像，其中第一取像单元34、第二取像单元36以及第三取像单元38中的单色电荷耦合元件的各个像素位置是互相对应的，使得各取像单元所取得影像的各像素位置互相对应。

请参阅图3，图3是图2的光学取像装置3进行取像时的光学路径图。如图3所示，由物体反射的光线进入入光面300而形成入射光源I。当入射光源I行进至第一分光面310时，位于第一分光面310上的第一低通滤波层可令入射光源I较低频率的光通过，但将入射光源I中具较高频率的光反射而使其朝向第二分光面312行进。于本具体实施例中，第一低通滤波层反射光的频率可以蓝光的频率为基准，换言之，第一分光面310反射入射光源I中高频率的蓝光B1，并使入射光源I中低频率的第一滤波光F1通过。

另一方面，第二分光面312上的第一高通滤波层反射光的频率可以红光的频率为基准，故入射光源I行进至第二分光面312时，第一高通滤波层可使高频率的第二滤波光F2通过且反射低频率的红光R1。同时，由于第二分光面312可允许高频率的光通过，因此由第一分光面310反射而来的蓝光B1可直接通过并自第二出光面304射出。同样地，由第二分光面312所反射的红光R1可穿过第一分光面310并自第一出光面302射出。

当第一滤波光F1通过第一分光面310并到达第三分光面314时，第三分光面314上的第二高通滤波层可将第一滤波光F1再次分光。于本具体实施例中，第二高通滤波层反射光的频率可以红光的频率为基准，因此，第三分光面314可将第一滤波光F1中低频率的红光R2反射至第一出光面302，并允许第一滤波光F1高频率的光穿透而到达第三出光面306。由于第一分光面310已将入射光源I中蓝光波段的光线反射，致使第一滤波光F1中仅包含绿光及红光波段的光线，故第一滤波光F1中通过第三分光面314的高频率的光是绿光G1。

同样地，第二滤波光F2是由第二分光面312滤除红光R1后而得，故其中仅剩包含蓝光及绿光波段的光线。第四分光面316上的第二低通滤波层反射光的频率可以蓝光的频率为基准，因此当第二滤波光F2到达第四分光面316时，其中的蓝光B2被反射至第二出光面304，绿光G2则通过第四分光面316而到达第三出光面306。综上所述，通过第一分光面310、第二分光面312、第三分光面314以及第四分光面316可将入射光源I分光成红、蓝、绿等三种单色光，并且此三种单色光分别可从第一出光面302、第二出光面304以及第三出光面306射出。请注意，于实务中，入射光源I可能包含此三种单色光也可能不完全包含此三种单色光，举例而言，若入射光源I为一白光，正方菱镜组30的三个出光面将射出三种不同单色光，但若入射光源I偏向红光，则可能仅有第一出光面302以及第三出光面306射出单色光(红光及绿光)。

如上所述，第一取像单元34、第二取像单元36以及第三取像单元38分别通过各自的单色电荷耦合元件接收自第一出光面302、第二出光面304以及第三出光面306所射出的单色光而形成单色影像，由于这些单色影像由物体所反射的入射光源I分光后的单色光所形成，故将各影像叠加即可获得物体的彩色影像。请注意，于本具体实施例中，第一取像单元34、第二取像单元36以及第三取像单元38的单色电荷耦合元件的各像素位置是互相对应的，致使所取得的各单色影像中的各像素也互相对应，因此可将各影像的对应像素直接叠加而得到彩色影像。于实务中，各取像单元还可包含单色光滤波器，用来避免其他颜色的光进入电荷耦合元件导致单色影像中的颜色发生错误。举例而言，第一取像单元34中可装设红光滤波器，以防止蓝光或是绿光进入其中而被电荷耦合元件所接收。

请再参阅图2及图3，光学取像装置3进一步具有一处理单元P，其连接第一取像单元34、第二取像单元36以及第三取像单元38。处理单元P可传送触发信号至此三个取像单元使三者同步进行取像，并可接收三者所产生的单色影像，进一步将各单色影像的对应像素互相叠加而合成彩色影像。

正方菱镜组30的各分光面互相正交，且各出光面也互相正交，同时，各分光面与各出光面间呈45°夹角。通过上述配置，由入光面300垂直入射的入射光源I可分成各单色光，接着垂直各出光面射出而被各取像单元接收，因而使合成后的彩色影像更稳定。于实务中，正方形的菱镜组在光学取像装置的机构上较容易被设计，同时，各单色光于正方形的菱镜组中所走的光程皆相同，将有利于彩色影像的合成。

上述具体实施例的第一取像单元34、第二取像单元36以及第三取像单元38所获得的单色影像于合成彩色影像时，均以互相对应的单一像素来进行叠加，因此，其解析度高于先前技术中使用四个像素构成组合像素的方式。举例而言，若各取像单元的的单色电荷耦合元件的像素为800x600，于本具体实施例的光学取像装置3所获得的彩色影像的像素同为800x600，但先前技术的彩色CCD阵列所取得的彩色影像的像素则为200x125(组合像素的数目)。此外，由于各单色影像的各对应像素均对应到物体上的同一个位置，因此可避免于合成彩色影像时发生如同先前技术中颜色错误的状况。

另一方面，正方菱镜组30中的各分光面所涂布的高通或低通滤波层是将各单色光分别反射或使其通过而到达各出光面，换言之，入射光源I中的所有波段的光线均可用来产生单色影像。相较于滤波片阵列会吸收大量光线的性质，正方菱镜组30配合高通或低通滤波层可避免电荷耦合元件收光效率下降，进而提升彩色影像的信噪比。

综上所述，本发明的光学取像装置包含具有互相正交的分光面与互相正交的出光面的正方菱镜组，当物体反射后的光线入射正方菱镜组的入光面时，入射光源由各分光面分光而形成单色光，并分别自各出光面射出。光学取像装置还包含有面对各出光面的取像单元，用以接收自各出光面射出的各单色光并产生单色影像，接着，将各单色影像叠加可形成物体的彩色影像。各单色影像是以单一像素互相叠加而形成彩色影像，借此可获得高解析度的彩色影像并避免先前技术中颜色错误的问题。

通过以上较佳具体实施例的详述，希望能更加清楚描述本发明的特征与精神，而并非以上述所揭露的较佳具体实施例来对本发明的范畴加以限制。相反地，其目的是希望能涵盖各种改变及具相等性的安排于本发明所欲申请的专利范围的范畴内。因此，本发明所申请的专利范围的范畴应该根据上述的说明作最宽广的解释，以致使其涵盖所有可能的改变以及具相等性的安排。

Claims (9)

1.一种光学取像装置，包含：

一正方菱镜组，具有互相正交的一入光面、一第一出光面、一第二出光面以及一第三出光面，该正方菱镜组内包含互相正交的一第一分光面、一第二方光面、一第三分光面以及一第四分光面，该入光面用以接收一光源；

一第一取像单元，面对该第一出光面以接收自该第一出光面射出的光线；

一第二取像单元，面对该第二出光面以接收自该第二出光面射出的光线；以及

一第三取像单元，面对该第三出光面以接收自该第三出光面射出的光线；

其中该光源进入该入光面后，经由该第一分光面、该第二分光面、该第三分光面以及该第四分光面分成至少一单色光，该至少一单色光分别自该第一出光面、该第二出光面以及该第三出光面射出。

2.如权利要求1所述的光学取像装置，其中该第一取像单元、该第二取像单元以及该第三取像单元分别包含一单色电荷耦合元件用以接收该至少一单色光而进行取像。

3.如权利要求2所述的光学取像装置，其中该第一取像单元、该第二取像单元以及该第三取像单元的该等单色电荷耦合元件的各像素位置互相对应，致使各取像单元所取得影像的各像素互相对应。

4.如权利要求3所述的光学取像装置，其中该第一取像单元、该第二取像单元以及该第三取像单元通过同一个触发信号进行同步取像。

5.如权利要求3所述的光学取像装置，进一步包含一处理单元连接至该第一取像单元、该第二取像单元以及该第三取像单元，用以将该第一取像单元、该第二取像单元以及该第三取像单元所取得的影像叠加而形成一彩色影像。

6.如权利要求5所述的光学取像装置，其中该处理单元将各取像单元所取得影像的各对应像素互相叠加而形成该彩色影像。

7.如权利要求1所述的光学取像装置，其中该正方菱镜组包含一第一直角菱镜、一第二直角菱镜、一第三直角菱镜以及一第四直角菱镜，其中该第一直角菱镜分别与该第二直角菱镜以及该第三直角菱镜叠合形成该第一分光面以及该第二分光面，该第二直角菱镜以及该第三直角菱镜分别与该第四直角菱镜叠合形成该第三分光面以及该第四分光面，该一直角菱镜、该第二直角菱镜、该第三直角菱镜以及该第四直角菱镜分别包含该入光面、该第一出光面、该第二出光面以及该第三出光面。

8.如权利要求7所述的光学取像装置，其中该第一分光面上涂布一层第一低通滤波层，用以反射该光源中的蓝光至该第二出光面，并使该光源中的一第一滤波光通过，该第二分光面上涂布一层第一高通滤波层，用以反射该光源中的红光至该第一出光面，并使该光源中的一第二滤波光通过。

9.如权利要求8所述的光学取像装置，其中该第三分光面上涂布一层第二高通滤波层，用以反射该第一滤波光中的红光至该第一出光面，并使该第一滤波光中的绿光通过至该第三出光面，该第四分光面上涂布一层第二低通滤波层，用以反射该第二滤波光中的蓝光至该第二出光面，并使第二滤波光中的绿光通过至该第三出光面。

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