CN105258655B - 一种重构目标表面的三维轮廓的装置和方法 - Google Patents

一种重构目标表面的三维轮廓的装置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种用于重构对象的目标表面的三维轮廓的装置，该装置包含有：i）发光装置，具有至少两种照射方式以照射目标表面，其中，第一照射方式在目标表面上产生图案，而第二照射方式照射目标表面的每一部分；ii）成像设备，用于捕获一旦顺序激活第一照射方式和第二照射方式而通过发光装置照射目标表面时目标表面的各个图像；以及iii）处理器，用于根据由成像设备所捕获的目标表面的图像而重构目标表面的三维轮廓。本发明还公开一种用于重构对象的目标表面的三维轮廓的方法。

Description

一种重构目标表面的三维轮廓的装置和方法
技术领域
本发明涉及一种重构对象的目标表面的三维(3D)轮廓(profile)的装置和方法，该对象具体但非排他地包括带有环氧树脂以进行感测器键合的图像感测器衬底(imagesensor substrate)。
背景技术
使用反射自对象的目标表面的光线的光学测量方法的方式测量对象的表面外形通常是众所周知的。例如，用于重构对象的3D轮廓的二相图案的使用被公开于专利号为6,049,384的美国专利中。
参阅图1a所示，公开于专利号为6,049,384的美国专利中的装置100包含有：i)第一和第二发光设备102、104；ii)定时回路106，其与第一和第二发光设备102、104相耦接；iii)分划板(reticle)108，其具有金属化和透明的条状交替的区域；iv)检测器112；和v)处理器114。当定时回路106仅仅激活第一发光设备102时，光线自第一发光设备102沿着所示的单一移动线投射在分划板108和对象的目标表面110上。具体地，在金属化条状反射光线远离目标表面110的同时，分划板108的透明条状允许光线通过以到达目标表面110。从而，包含有多个在不同光线强度之间交替的条状的图案形成在目标表面110上，如图1b所示。
另一方面，当定时回路106仅仅激活第二发光设备104时，光线自第二发光设备104沿着所示的另一条移动线投射在分划板108和目标表面110上。具体地，在分划板108的透明条状允许光线在远离目标表面110的方向通过的同时，分划板108的金属化条状将光线朝向目标表面110反射。从而，包含有多个在不同光线强度之间交替的条状的图案也形成在目标对象的表面110上，如图1c所示。
在相对于由发光设备102、104投射的光线的焦平面成三角测量角度处设置的检测器112，被采用来捕获一旦由第一和第二发光设备102、104连续光线投射而形成在目标表面110的表面上的图案的各个图像。根据由检测器112所成像的图像，处理器114相应地产生了目标对象110的表面的3D图像。
值得注意的是，图1b和图1c的各自图案被准确地反相排列180度。为了实现这些图案的需要，发光设备102、104的位置必须符合某种关系。换而言之，任一发光设备102、104的位置调整使得发光设备102、104中的另一个进行相应的位置调整成为需要。而且，分划板108的位置调整也使得两个发光设备102、104相应的位置调整成为需要。这种需要不令人期望地使得该装置100的装配复杂化。另外，分划板108的角度受到投射自发光设备102、104的光线的角度的约束，以及相应地，光线投射的焦平面可能没有和目标表面110的物体平面(object plane)对准。这样可能不令人期望地引起形成于目标表面110上的图案出现不均匀的周期和条纹振幅(periods and fringe amplitudes)。
因此，本发明的目的是寻求消除传统装置100的上述限制，并向普通公众提供有益的选择。
发明内容
第一方面，本发明提供一种用于重构对象的目标表面的三维轮廓的装置。具体地，该装置包含有：i)发光装置，具有至少两种照射方式以照射目标表面，其中，第一照射方式在目标表面上产生图案，而第二照射方式照射目标表面的每一部分；ii)成像设备，用于捕获一旦顺序(sequential)激活第一照射方式和第二照射方式而通过发光装置照射目标表面时目标表面的各个图像；以及iii)处理器，用于根据由成像设备所捕获的目标表面的图像而重构目标表面的三维轮廓。
可选地，该发光装置可包含有：i)格栅；ii)第一发光设备，其相对于格栅设置，以致于该第一发光设备被操作来投射光线于该格栅上，以藉此在目标表面上产生图案；以及iii)第二发光设备，其被操作来投射光线，以照射目标表面的每一部分。
另外，光学器件也可包含其中。在这种情形下，该格栅设置在光学器件和第一发光设备之间，以致于来自第一发光设备的、投射于格栅上的光线被光学器件反射以在目标表面上产生格栅图案。另一方面，第二发光设备相对于光学器件设置，以致于来自第二发光设备的光线通过光学器件投射在目标表面上，以照射目标表面的每一部分。光学器件的实例包括分光器(beam-splitter)或棱镜(prism)。
第二方面，本发明提供一种用于重构对象的目标表面的三维轮廓的方法。具体地，该方法包含有以下步骤：顺序激活发光装置的至少两种照射方式以照射目标表面，其中，第一照射方式在目标表面上产生图案，而第二照射方式照射目标表面的每一部分；使用成像设备捕获一旦通过至少两种照射方式照射目标表面时目标表面的各个图像；以及使用处理器以根据所捕获的目标表面的图像而重构目标表面的三维轮廓。
可选地，其中，该发光装置包含有：格栅，第一发光设备，第二发光设备；该方法可具体包含有以下步骤：该第一发光设备投射光线于该格栅上，以藉此在目标表面上产生图案；以及该第二发光设备投射光线，以照射目标表面的每一部分。
另外，其中，该格栅设置在又一光学器件和第一发光设备之间，该方法还可进一步包含有以下步骤：使用光学器件以将来自第一发光设备的、投射于格栅上的光线反射而致于在目标表面上产生图案，以及通过光学器件将来自第二发光设备的光线投射，以致于照射目标表面的每一部分。
附图说明
现在参考附图，仅仅以示例的方式，描述本发明的较佳实施例，其中：
图1a所示为传统的3D成像装置，其在对象的目标表面上形成了多相图案；而图1b和图1c表示了多相图案，它们被刚好反相排列180度。
图2所示为根据本发明较佳实施例所述的用于重构对象的目标表面的3D轮廓的装置；
图3a所示为包含有由图2的装置所产生的图案的目标表面的典型图像，而图3b所示为其中有由图2的装置所照射的目标表面的每一部分的典型图像；
图3c所示为典型标准化的条纹图像，而图3d所示为典型相位的图像；以及
图4所示为根据图3a和图3b的图像所重构时的目标表面的典型的3D轮廓。
具体实施方式
图2所示为用于重构对象204的目标表面202的3D轮廓的装置200，其中，该装置200包含有：i)发光装置206，用于照射目标表面202；ii)成像设备208(例如摄像机)，用于一旦目标表面202被发光装置206照射时将目标表面202成像；iii)发光控制装置217，用于控制发光的开和关；和iv)处理器210，用于根据由成像设备208成像时的目标表面202的图像重构目标表面202的3D轮廓。目标表面202的实例是图像传感器衬底表面，在该表面上环氧树脂黏合剂将被滴注以进行传感器键合。
发光装置206可以两种照射目标表面202的照射方式运行，第一照射方式根据格栅(grating)212的结构在目标表面202上产生图案，而第二照射方式照射目标表面202的每一部分。特别地，发光装置206包含有格栅212和相对于格栅212设置的第一发光设备214，以致于当光线从第一发光设备214处投射在格栅212上时，所述的图案产生在目标表面202上。而且，发光装置206包含有第二发光设备216，以照射目标表面202的每一部分。通过仅仅激活第一发光设备214和第二发光设备216中的一个，发光装置206以两种照射方式运行，以照射目标表面202。第一发光设备214和第二发光设备216的激活通过发光控制装置217(如LED驱动器系统)得以控制。较佳地，该图案为可重复的。
图3a所示为包含有由发光装置206以第一照射方式所产生的所述图案的目标表面202的典型图像，而图3b所示为其中有由发光装置206以第二照射方式所照射的目标表面202的每一部分的典型图像。
另外，板式分光器(plate beam-splitter)218包含于发光装置206中，以致于光线能够从第一发光设备214和第二发光设备216处投射，以相对于目标表面202成期望的角度(如90度)照射目标表面202。一组透镜模块被使用来在目标表面202上形成格栅212的图像。更为具体地，由第一发光设备214投射的光线所产生的格栅212的图像被板式分光器218反射，以藉此在目标表面202上产生所述的图案。另一方面，第二发光设备216相对于第一发光设备214和板式分光器218二者垂直地设置，以便于从第二发光设备216投射的光线通过板式分光器218朝向目标表面202，以照射目标表面202的每一部分。
但是，值得欣赏的是，发光装置206可以包括仅仅一个单独的发光设备，以实现两种照射方式来在目标表面202上产生所述的图案和照射目标表面202的每一部分。这可以通过配置可移动的格栅212来实现，以便于光线从单独的发光设备以第一照射方式投射在格栅212而在目标表面202上产生所述的图案，以及格栅212移动离开，以致于单独的发光设备直接将光线投射在目标表面202上而以第二照射方式照射目标表面202的每一部分。同样值得欣赏的是，如果在不同的照射方式中(其不限于上述的两种方式)一个或多个发光设备能够相对于目标表面202相应地布置，那么分光器218是可选的。而且，任一光学器件(如棱镜或立式分光器)可以被使用来取代板式分光器218，只要它能实现各个照射方式的预想目的。
一旦通过发光装置206顺序激活第一照射方式和第二照射方式照射目标表面202，那么成像设备208捕获目标表面202的各个图像，其后，各个图像向前被传送至处理器210进行图像处理，以重构目标表面202的3D轮廓(更多详情如下)。
现在使用正弦波图像(sinusoidal pattern)解释如图2所示的装置200的运行原理。
当通过发光装置206以第一照射方式和第二照射方式顺序照射时，构成目标表面202的图像的点x可以在数学上分别表示如下：
I1＝r.L1.(1+m.cosθ) (1)
I2＝r.L2 (2)
其中，I1和I2分别为通过成像设备208所检测到的光线强度；r为目标表面202的反射率；L1和L2分别为关于第一发光设备214和第二发光设备216的发光强度的因子；m为条纹调变值(fringe modulation)并相关于正弦波(如可重复性)图案的条纹振幅、对象204的材料属性，以及目标表面202和有关的透镜与发光设备之间的聚焦；θ为根据格栅212的结构由发光装置206在目标表面202上所产生的图案相关的相位角。
由于第一发光设备214和第二发光设备216的L1和L2可以提前校准，所以公式(1)和(2)可以简化为：
I1＝r.(1+m.cosθ) (3)
I2＝r (4)
值得注意的是，相应的条纹图案和在目标表面202上所产生的正弦波图案为反相180度，相应的条纹图案能够标准化(normalized)(即排除目标表面202自身的图像)和以比例值R表示如下：
R＝(I1-I2)/I2＝m.cosθ (5)
图3c所示为从公式(5)获得的典型的条纹图案的图像。具体地相位角θ表明了所述的图案设置于目标表面202的位置。这意味着所述的图案的侧向位置充当了目标表面202的高度的函数。通过求解相位角θ，目标表面202的各个高度能够相应地通过下述公式得以确定：
θ＝ωzh+θ0 (6)
h＝(θ-θ0)/ωz (7)
其中参数ωz为纵向角频率(angular frequency)(基于高度的相位变化率)，而参数θ0为在参考水平面(即h＝0)的相位值。这两个参数ωz和θ0能够通过校准而获得。
由于公式(5)包括两个未知数，关于调变值m和相位角θ，另一个公式通常被需要来求解这两个未知数。
作为准备，针对检查具有稳定调变值m的目标物体，m值能够或者得到校准或者得知。在这种情形下，公式(5)独自计算相位角θ是充分的，其能够通过以下的公式得到计算：
θ＝cos-1[(I1-I2)/(m.I2)] (8)
可是，在得知m不合适，但另一方面平整度限定被利用的情形下，相位角θ值能够从由成像设备28所检测到的相邻点x的光强度中获得。具体地，假定是I1'和I2'由成像设备28所检测到的所述相邻点x的各自的光强度，这样获得进一步的公式如下：
R'＝(I'1-I'2)/I2'＝m.cos(θ+δ)＝m.[cosθcosδ-sinθsinδ] (9)
因此，根据下述的数学运算，公式(5)和(9)能够被使用来求得两个未知量：调变值m和相位角θ，
R'/R＝cosδ-tanθsinθ (10)
其中，δ为基于根据目标表面202上所产生的正弦波图案而标准化的条纹图案的点x和x'之间的位移而导致的已知的相位变化。通过求得相位角θ，从而公式(7)能够解答确定目标表面202的各个高度h。
图3d所示为从公式(11)获得的标准化的条纹图案的典型相位的图像。
通过需要该装置200包括可以两种照射方式运行来照射目标表面202的发光装置206，格栅212的位置能够轻易地被调整以和目标表面204的物体平面对齐定位。而且，在不牵涉第一发光设备214和第二发光设备216二者进行相应的位置调整的情形下，格栅212的任一位置调整能够得以完成。另外，该装置也能作为用于完整照射目标表面202的光源，以执行图像相关的操作例如使用基准标记进行图案识别，且不限于仅仅进行目标表面的3D轮廓重构等等。
值得欣赏的是，在不离开本发明所要求的保护范围的情形下，不同的实施例也能够被开发出。例如，装置200的使用不限于衬底表面或引线框表面的3D轮廓重构，而且也包括各种其他类型的表面，例如在表面安装技术(SMT：surface mounting technology)领域中用于安装表面装配器件的焊膏和印刷电路板(PCBs)的表面，和用于表面检查的工具和底座(mount)表面。

Claims (8)

1.一种用于重构对象的目标表面的三维轮廓的装置，该装置包含有：
发光装置，具有至少两种照射方式以照射目标表面，其中，第一照射方式在目标表面上产生图案，而第二照射方式以不产生图案的方式照射目标表面的每一部分；
发光控制装置，用来按顺序地一次只激活至少两种照射方式中的一种；
成像设备，用于按顺序捕获当第一照射方式照射目标表面时目标表面的第一图像和第二照射方式照射目标表面时目标表面的第二图像；以及
处理器，用于根据结合由成像设备捕获的目标表面的第一、第二图像中获得的图像特征而重构目标表面的三维轮廓。
2.如权利要求1所述的装置，其中，该发光装置包含有：
格栅；
第一发光设备，其相对于格栅设置，以致于该第一发光设备被操作来投射光线于该格栅上，以藉此在目标表面上产生图案；以及
第二发光设备，其被操作来投射光线，以照射目标表面的每一部分。
3. 如权利要求2所述的装置，该装置还包含有：光学器件，
其中，该格栅设置在光学器件和第一发光设备之间，以致于来自第一发光设备的、投射于格栅上的光线被光学器件反射以在目标表面上产生图案，以及
第二发光设备相对于光学器件设置，以致于来自第二发光设备的光线通过光学器件投射在目标表面上，以照射目标表面的每一部分。
4.如权利要求3所述的装置，其中，该光学器件为分光器。
5.如权利要求3所述的装置，其中，该光学器件为棱镜。
6.一种用于重构对象的目标表面的三维轮廓的方法，该方法包含有以下步骤：
顺序激活发光装置的至少两种照射方式以照射目标表面，其中，第一照射方式在目标表面上产生图案，而第二照射方式以不产生图案的方式照射目标表面的每一部分；
其中顺序激活发光装置的至少两种照射方式以照射目标表面的步骤中包含了使用发光控制装置，用来按顺序地一次只激活至少两种照射方式中的一种的步骤；
使用成像设备按顺序捕获当第一种照射方式照射目标表面时目标表面的第一图像和第二种照射方式照射目标表面时目标表面的第二图像；以及
使用处理器以根据结合捕获的目标表面的第一、第二图像中获得的图像特征而重构目标表面的三维轮廓。
7. 如权利要求6所述的方法，其中，该发光装置包含有：格栅，第一发光设备，第二发光设备；该方法包含有以下步骤：
该第一发光设备投射光线于该格栅上，以藉此在目标表面上产生图案；以及
该第二发光设备投射光线，以照射目标表面的每一部分。
8. 如权利要求7所述的方法，其中，该格栅设置在又一光学器件和第一发光设备之间，该方法还包含有以下步骤：
使用光学器件以将来自第一发光设备的、投射于格栅上的光线反射而便于在目标表面上产生图案，以及
通过光学器件将来自第二发光设备的光线投射，以便于照射目标表面的每一部分。
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