CN106895793B - 双模式深度测量的方法与装置 - Google Patents

Abstract

一种双模式深度测量的装置与方法，其适于测量物体的深度信息，当物体表面呈现镜面时采用散焦深度测距模式或当物体表面呈现织纹面时采用聚焦深度测距模式。该装置包括光源、控制器、处理器、发光光学系统、成像光学系统、分光器及一摄影机。控制器用以切换至散焦深度测距模式或聚焦深度测距模式，发光光学系统在散焦深度测距模式时聚焦从该光源发出的该光束在该物体表面以及在聚焦深度测距模式时以一均匀照度光束照射该物体表面。

Description

双模式深度测量的方法与装置

技术领域

本发明涉及一种双模式深度测量的方法与装置，且特别涉及一种小尺度深度测量。

背景技术

在自动光学检测(Automatic Optical Inspection(AOI))领域中，深度和距离测量占据了重要的地位。一些技术，利如彩色共焦光谱(chromatic confocalspectroscopy)、白光干涉(white light interferometry)、锥光全像(conoscopicholography)、三角测量、聚焦深度(depth from focus，DFF)、散焦深度(depth fromdefocus，DFD)等，可以执行相关的测量。

基于散焦深度的深度测量是由分析一个或多个撷取影像的散焦量来获得深度信息。更进一步说，将光束聚焦成光点投射在欲测量的物体表面上，并利用光点的尺寸来推断深度信息。估算深度的精准度以及测量范围是依据光源的种类(例如发光二极体(LED)、激光等)以及用于准直及聚焦光束的光学元件的光学特性来决定。一旦选定了聚焦的透镜，则测量的范围及精准度亦得以固定。这样的方法对于需要不同的测量范围和深度精准度的测量来说是不足的。

基于聚焦深度的深度测量，是利用从不同聚焦距离的物体影像中提取在聚焦范围的感兴趣区域(region of interest，ROI)，以获得层叠的二维切片。这些二维切片接着用于重建物体的三维模型。在此，测量系统的解析度及精确度是决定于光学系统的景深。

散焦深度测量对于当欲测量物体具有较差反射率及较少的散射的状况来说是不足的，然而聚焦深度测量需要待测量物体的表面具有足够的纹理以使得聚焦的感兴趣区域能可靠的提取出来。一个系统不能够同时测量上述两种不同材质的物体，因此，如何使深度测量系统能改变测量范围以及能够同时用在具有纹理表面和镜面的物体上，实为当前亟欲解决的问题之一。

发明内容

本发明提供一种双模式深度测量的方法与装置。

本发明提供一种双模式深度测量装置，其适于测量一物体的深度信息，其中当该物体表面呈现镜面时采用一散焦深度测距模式或当该物体表面呈现织纹面时采用一聚焦深度测距模式，此双模式深度测量装置包括一光源、一控制器、一处理器、一发光光学系统、一成像光学系统、一分光器以及一摄影机。控制器用以切换至散焦深度测距模式或聚焦深度测距模式，处理器用以处理多个影像及执行多个影像处理运算，发光光学系统适于控制光源发出的一光束，其中在散焦深度测距模式时发光光学系统聚焦光源发出的光束在物体表面及在聚焦深度测距模式时发光光学系统以一均匀照度光束照射物体表面，成像光学系统适于撷取影像且适于控制该光源发出的该光束。

本发明提供一种双模式深度测量方法，适于测量一物体的深度信息，其中当一物体表面呈现镜面时采用一散焦深度测距模式或当一物体表面呈现纹理面时采用一聚焦深度测距模式。其包括照射一同调光至物体，分析一物体表面影像呈现的光斑数量，根据光斑数量定义物体具有一镜面或一纹理面，当该物体具有一镜面时，采用散焦深度测距模式的方法测量物体的深度信息以及当物体具有一纹理面时，采用聚焦深度测距模式的方法测量该物体的深度信息。

基于上述，本发明的双模式深度测量装置及方法在物体具有纹理面时采用聚焦深度测距模式及在物体具有镜面时采用散焦深度测距模式，并设计检测切换模式的机制，以使本发明的系统可弹性地改变测量范围，并可运用在不同材质的物体测量上。

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附附图作详细说明如下。

附图说明

图1绘示在散焦深度(DFD)测距模式时的一光源及一发光光学系统的示意图；

图2绘示在聚焦深度(DFF)测距模式时的一光源与一发光光学系统的示意图；

图3是校正曲线图；

图4绘示本发明的双模式深度测量的装置；

图5A至5C绘示依据不同的入射光(准直、发散及收敛)产生的不同高度的聚焦光示意图；

图6是本发明的双模式深度测量方法的流程图；

图7A及7B绘示自待检查表面反射的光强度曲线；

图8绘示校正方法的流程图；

图9绘示一朗奇刻度板(Ronchi ruling board)及一电聚焦可调透镜。

【附图标记说明】

110：光源

120：控制器

130：发光光学系统

131、161：电聚焦可调透镜

140：分光器

150：摄影机

160：成像光学系统

170：透镜模组

800：校正板

910、920：物体

910a：镜面表面

920a：纹理表面

S110、S120、S130、S140、S150、S151、S152、S210、S220、S230、S240、S250、S260：步骤

具体实施方式

本发明涉及一种双模式深度测量的装置与方法，使用者可在物体具有镜面反射的表面或是物体具有纹理的表面上进行深度测量，并且使用者可以调整希望的深度测量精准度及工作范围。本发明的双模式深度测量的装置与方法可以高精准度获得被检测物件的相对距离。图1及图2绘示在不同模式下光源照射物体表面的示意图，图1绘示在散焦深度(depth from defocus，DFD)模式时的光源110及发光光学系统130示意图。在图1中，一物体910例如是硬盘碟片或晶圆片，其具有镜面反射的表面910a，此表面910a以下称作镜面表面。如图1所示，发光光学系统130将来自光源110的光聚焦至镜面表面910a并形成一狭小的光点SP。图2绘示在聚焦深度(depth from focus，DFF)模式时的光源110及发光光学系统130示意图，在图2中，物体920具有纹理表面920a。任何光投射至纹理表面920a后会产生显著的散射光，而这将严重妨害使用散焦深度的测距方法。因此，对于纹理表面920的深度测量必须采用聚焦深度模式而非散焦深度模式。在图2中，自光源110发射的光被发光光学系统130转换成一均匀光束后，照射至纹理表面920a，如此一来，经过适当的照射，即可撷取到纹理表面920a的多个二维切片影像。

图3是用于散焦深度模式的校正曲线C1，校正曲线C1显示了深度及光点SP尺寸之间的关系。光点SP的尺寸是由散焦量来决定，而散焦量是由于物体920的高度轮廓变化产生的。因此，根据校正曲线C1即可获得镜面表面910a的深度信息。

聚焦深度模式是基于为了获得物体的三维模型而撷取物体在不同的高度的影像的原则，其包含了找出聚焦的(in-focus)感兴趣区域(regions of interest，ROI)的每个二维切片影像的步骤，并将一系列聚焦的ROI二维切片影像拼接起来以重建物体的三维模型。在本实施例中，聚焦深度模式的二维切片影像可通过改变成像光学系统的聚焦距离而撷取到影像，而此成像光学系统例如是图4中的成像光学系统160。选择不同高度的ROI二维切片影像例如可执行子像素边缘检测(sub-pixel edge detection)或利用适当的滤波机制进行高通滤波，亦或可采用其他本领域已知的方法，本实施例不以此为限。

图4绘示本发明的双模式深度测量装置100，双模式深度测量装置100包括一光源110、一控制器120、一发光光学系统130、一分光器140、一摄影机150、一成像光学系统160、一透镜模组170以及一处理器180。通过成像光学系统160及透镜模组170可获得被照射的物体表面的影像，通过成像光学系统160、透镜模组170以及发光光学系统130可控制照射至物体表面的光，因此成像光学系统160可用于影像撷取与发光控制。投射至物体表面的光能够聚焦成一狭小的光点或是在一个与成像光学系统的视场(field of view，FOV)相等或大于的区域内形成光强度均匀分布。双模式深度测量装置100用以测量镜面表面910a的深度信息时采用散焦深度模式或是测量纹理表面920a的深度信息时采用聚焦深度模式。光源110可以是非同调光源，例如是发光二极体，亦或是同调光源，例如是激光。光源也可以是非同调光源与同调光源的组合，结合分光器的使用则可切换至其一种光源或是同时两种光源，本实施例并不以此为限。

控制器120可以是电脑、处理器芯片、电路或是储存程序的储存装置。控制器120用以控制发光光学系统130以及成像光学系统160。在本实施例中，控制器120用以切换散焦深度模式和聚焦深度模式，切换的机制将在下个段落进行详细的描述。

发光光学系统130用以控制自光源110发出的光。在散焦深度模式时，光被控制而聚焦至物体表面，而在聚焦深度模式时，光被控制而产生一均匀光投射至物体表面。从光源110及发光光学系统130出来的光被分光器140反射而朝向物体方向，再通过成像光学系统160及透镜模组170。分光器140可以偏振化或对偏振不敏感。分光器140能够与四分之一波片一起使用以避免从物体反射的光反射至光源110，若从物体反射的光反射至光源100将可能破坏某些包含光电二极管(photodiode)的激光的能量控制。

利用成像光学系统160和透镜模组170以改变成像系统的聚焦距离，成像系统包括摄影机150、成像光学系统160以及透镜模组170。在聚焦深度模式中成像系统用以获得纹理表面920a的二维切片影像，在散焦深度模式中成像系统用以获得自光源110聚焦至镜面表面910a上的影像。在聚焦深度模式时，发光光学系统130使得均匀光束的照射范围至少与成像系统的视场相等。

此外，发光光学系统130包含一电聚焦可调透镜131以及成像光学系统160包含一电聚焦可调透镜161。控制器120控制施加至电聚焦可调透镜130的电流或电压以聚焦自光源110发出的光或是使得自光源110发出的光转换成均匀光照射至物体表面。控制器120控制施加在电聚焦可调透镜161的电流电压以改变纹理表面920a的聚焦区域(in-focusedregion)。

请参考图5A至5C，自光源110发出的准直光、发散光或收敛光入射透镜模组170后经由发光光学系统130及成像光学系统160的控制决定了位置和照射类型。如图5A所示，当入射透镜模组170的光束为准直的，其聚焦的距离会与聚焦透镜的焦长相同。如图5B所示，当入射光为发散的，通过透镜模组170后将获得较大的照射范围。如图5C所示，当入射光是收敛的，通过透镜模组170后的聚焦距离将小于聚焦透镜的焦长。

请参考图4，自待测物体表面反射的光经由透镜模组170及成像光学系统160成像并通过分光器140，而被摄影机150所撷取。图6绘示本发明双模式深度测量方法的流程图，此方法采用散焦深度模式来测量镜面表面910a的深度信息，以及采用聚焦深度模式来测量纹理表面920a的深度信息。在步骤S110中，物体例如是图1的物体910或图2的物体920被一同调光照射，使得光聚焦在物体表面一小于成像系统视场的尺寸，步骤S110中的同调光可由光源110所提供。

在步骤S120，分析自物体，例如是在图1及图2的物体910或物体920，反射的光斑(speckle)数量。图7A和7B显示两条对应聚焦至物体表面的光的横切线的光强度轮廓的强度曲线。图7A的光斑数量多于图7B的光斑数量，是因为图7B的曲线较图7A的曲线平滑而较少杂乱信号起伏。

在步骤S130，由控制器120根据反射影像的光斑数量来判断物体呈现镜面表面或是纹理表面。如果光斑的数量小于一预定值，则可判定此物体呈现镜面表面，如果光斑的数量大于一预定值，则可判定此物体具有纹理表面。

在步骤S140，具有镜面表面的物体是利用散焦深度模式进行测量深度信息，也就是说，控制器120控制施加在电聚焦可调透镜131的电流或电压使得来自光源110的光聚焦在物体表面。已知的是，聚焦光点的尺寸是直接相关于物体表面的高度变化。控制器180利用撷取的影像测量光点的尺寸，镜面表面的深度信息可犹如图3的校正曲线C1所获得，校正曲线C1为光点的尺寸与相对深度的关系。深度信息亦可由控制器180利用反馈回路控制施加在电聚焦可调透镜131的电流以使其维持聚焦光点的尺寸为最小的电流与深度变化的关系曲线所获得。

在步骤S150，具有纹理表面的物体是以聚焦深度模式测量深度信息。步骤S150包括步骤S151和步骤S152，在步骤S151，控制器120控制施加在电变焦可调透镜131的电流或电压以使照射至物体表面的光为均匀的并具有一照射场至少相同或大于成像系统的视场。在步骤S152，控制器120控制施加在电变焦可调透镜161的电流或电压以改变聚焦距离，因此改变纹理表面920a的再聚焦区域。值得注意的是，改变电聚焦可调透镜161的焦长会影响照射至物体的光，而此可由电变焦可调透镜131适当地控制补偿。接着，撷取多个在均匀照射的聚焦的二维切片影像。处理器180接着由聚焦的二维切片影像提取聚焦的感兴趣区域并通过堆叠及合并聚焦的感兴趣区域而获得纹理表面的三维结构。

在本实施例中，控制施加在电聚焦可调透镜161的电流或电压改变了成像系统的聚焦并决定撷取纹理表面920a的何种高度的聚焦感兴趣区域。为了得到施加在透镜使其聚焦的电压或电流和高度的关系，需要一种校正方法。请参考图8及图9，图8绘示校正方法的流程图，图9绘示一校正板800，例如是朗奇刻线板，以及一电聚焦可调透镜161。校正板的表面包含了蚀刻线或镀线精准的以已知的距离作间隔，校正板利用一步块以一已知角度做倾斜。在步骤S210，电聚焦可调透镜161或是校正板800以一预定水平距离移动，使得电变焦可调透镜161对准包含校正板800的一条线的感兴趣区域，此条线即为目标线。

在步骤S220，电聚焦可调透镜161的焦点通过改变施加在电聚焦可调透镜161的电流或电压来改变。

在步骤S230，撷取校正板800的影像并计算此影像中感兴趣区域的焦点。

在步骤S240，确认目标线是否在聚焦范围内，若目标线不在聚焦位置，则回到步骤S220，若目标线在聚焦位置，则进行到步骤S250。

在步骤S250，记录施加在电聚焦可调透镜的电流或电压与垂直深度的改变的关系，改变的深度可根据校正板800的已知水平距离及倾斜角度来计算。

在步骤S260，决定是否满足停止条件。举例来说，停止条件可以是电聚焦可调透镜161或校正板800的动作到达一远端，或是施加在电聚焦可调透镜161的电压或电流达到一最大值或一最小值。若未满足停止条件，将回到步骤S210，否则终止校正程序。

根据上述的实施例，本发明的装置与方法可选择在散焦深度模式或聚焦深度模式进行深度测量。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种双模式深度测量装置，适于测量一物体的深度信息，其中当该物体表面呈现镜面时采用一散焦深度模式或当该物体表面呈现纹理面时采用一聚焦深度模式，该双模式深度测量装置包括：

一光源；

一控制器，用以切换至该散焦深度模式或该聚焦深度模式；

一处理器，用以处理多个影像及执行多个影像处理运算；

一发光光学系统，适于控制该光源发出的一光束，其中在散焦深度模式时该发光光学系统聚焦该光源发出的该光束在该物体表面及在聚焦深度模式时该发光光学系统以一均匀照度光束照射该物体表面；

一成像光学系统，适于撷取影像且适于控制该光源发出的该光束；

一分光器；以及

一摄影机。

2.如权利要求1所述的双模式深度测量装置，其中在聚焦深度模式时，由该光源及该发光光学系统产生的该均匀照度光束的光场为相等或大于该成像光学系统的视场。

3.如权利要求1所述的双模式深度测量装置，其中该发光光学系统包括一电聚焦可调透镜。

4.如权利要求3所述的双模式深度测量装置，其中该控制器控制施加于该电聚焦可调透镜的一电量以产生在该物体表面的一聚焦光点或以该均匀照度光束照射该物体表面。

5.如权利要求1所述的双模式深度测量装置，其中该成像光学系统包含一电聚焦可调透镜。

6.如权利要求5所述的双模式深度测量装置，其中该控制器控制施加于该电聚焦可调透镜的一电量以改变该物体表面的可聚焦区域。

7.如权利要求1所述的双模式深度测量装置，其中该处理器适于定义该物体表面呈现镜面或纹理面。

8.如权利要求7所述的双模式深度测量装置，其中该处理器定义该物体表面呈现镜面或纹理面是根据一同调光照射该物体后，由该物体反射的光斑数量决定。

9.一种双模式深度测量方法，适于测量一物体的深度信息，其中当一物体表面呈现镜面时采用一散焦深度模式或当一物体表面呈现纹理面时采用一聚焦深度模式，该方法包括：

照射一同调光至该物体；

分析一物体表面影像呈现的光斑数量；

根据光斑数量定义该物体具有一镜面或一纹理面；

当该物体具有一镜面时，采用该散焦深度模式的方法测量该物体的深度信息；以及

当该物体具有一纹理面时，采用该聚焦深度模式的方法测量该物体的深度信息。

10.如权利要求9所述的双模式深度测量方法，其中采用该散焦深度模式的方法测量该物体的深度信息的步骤中，一光源发出的光聚焦在该物体表面。

11.如权利要求9所述的双模式深度测量方法，其中采用该聚焦深度模式的方法测量该物体的深度信息的步骤中，一光源发出的光是以一均匀照度照射该物体表面的一区域。

12.如权利要求11所述的双模式深度测量方法，其中被照射的该物体表面的该区域是相等或大于一成像光学系统的视场。