CN107076548A - 利用衍射光栅的三维形状测量装置 - Google Patents

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Abstract

公开一种利用衍射光栅的三维形状测量装置，其包括：分光器，其安装于光源部发生的光的行进方向，使光的一部分沿第一路径反射，且使光的一部分沿第二路径透过；图像传感器，其接收沿所述第一路径行进而被具备至少一个孔(hole)的测量对象物反射的光，并测量所述测量对象物的形状；及衍射光栅，其配置于所述光源部与所述分光器之间的光路径、所述测量对象物与所述分光器之间的光路径及所述测量对象物与所述图像传感器之间的光路径中一个以上的光路径。

Description

利用衍射光栅的三维形状测量装置
技术领域
本发明涉及三维形状测量装置，更详细而言，涉及一种利用激光的三维形状测量装置。
背景技术
最近，正在活跃地进行对超小型大容量的半导体存储器研究。因此，正开发着一种通过在一个半导体封装件中贴装多个半导体芯片的多芯片封装件而增大半导体存储器元件的存储容量的技术。
为了电气连接如上所述在多个半导体芯片中形成的电路图案，形成了竖直贯通硅晶片基板的导通孔(TSV；Through Silicon Via)。这种导通孔应按预定规格形成，否则会引起半导体封装件的故障。因此，对于这种导通孔的深度及形状是否正常形成，存在需要检查的必要性。
在原有方式下，为了检测孔的深度，正在应用着必须利用同轴光的FSI、WSI、confocal方式。但是，就confocal方式而言，由于是利用光线借助于透镜而在空间上聚集，因而当测量窄而深的孔时，存在遮挡聚焦于入口处的光线的问题。
另外，原来利用单一照相机进行测量，但就这种单一照相机方式而言，光线的反射小，难以测量/检查倾斜面。另外，在利用多个照相机观察孔的侧面的情况下，不仅难以同时对焦，而且存在影像失真的问题。这是因为，针对照相机观察的角度，测量对象物(应同时测量多个平坦的晶片、孔，而不是一个)形成为不是垂直而是倾斜的状态，因此，近大远小，发生失真，成像面也倾斜，存在在整个FOV中难以同时对焦的问题。
(现有技术文献)韩国授权专利第10-1407482号，(论文)Applicability ofdiffraction grating to parallax image array generation in integral imaging:Jang-Il Ser、Jae-Young Jang、Sungdo Cha、and Seung-Ho Shin、Department ofPhysics、Kangwon National University、Chuncheon 200-701、South Korea
发明内容
解决的技术问题
本发明目的在于提供一种能够高速、准确地测量孔的深度、孔的形状(内壁)及形成有孔的测量对象物的三维形状测量装置。
技术方案
本发明一个实施例的利用衍射光栅的三维形状测量装置包括：分光器，其安装于光源部发生的光的行进方向，使光的一部分沿第一路径反射，且使光的一部分沿第二路径透过；图像传感器，其接收沿所述第一路径行进而被具备至少一个孔(hole)的测量对象物反射的光，并测量所述测量对象物的形状；及衍射光栅，其配置于所述光源部与所述分光器之间的光路径、所述测量对象物与所述分光器之间的光路径及所述测量对象物与所述图像传感器之间的光路径中一个以上的光路径。
另外，就利用衍射光栅的三维形状测量装置而言，其特征可以在于，所述衍射光栅使入射到所述衍射光栅的光衍射，以便被所述图像传感器接收的光具有互不相同的视差信息。
另外，就利用衍射光栅的三维形状测量装置而言，其特征可以在于，所述图像传感器包括多个图像传感器，所述多个图像传感器通过单一成像透镜接收所述具有互不相同视差信息的光，生成基于所述各个互不相同的视差信息的多个图像。
另外，就利用衍射光栅的三维形状测量装置而言，其特征可以在于，所述测量对象物配置得使沿所述第一路径反射的光在形成所述孔的前面或后面反射。
另外，就利用衍射光栅的三维形状测量装置而言，其特征可以在于，当所述测量对象物配置得使沿所述第一路径反射的光在所述后面反射时，所述图像传感器使在所述测量对象物的后面反射的光与在位于所述测量对象物后面内部的所述孔的底面反射光干涉并接收，从而测量所述测量对象物的形状。
另外，就利用衍射光栅的三维形状测量装置而言，其特征可以在于，还包括基准镜，其配置于沿所述第二路径透过的光的行进方向，形成与所述测量对象物反射的光引起干涉的基准光；所述图像传感器利用因所述测量对象物反射的光与所述基准光的重叠而导致的干涉信号，测量所述测量对象物的形状。
另外，就利用衍射光栅的三维形状测量装置而言，其特征可以在于，所述衍射光栅具有透镜阵列(lens array)、立体光栅(lenticular)、棱镜阵列(prism array)、线栅(wiregrid)、凸凹、直角三角形阵列、等腰三角形阵列中至少一种形态。
另外，其特征可以在于，利用所述衍射光栅的三维形状测量装置以基板的导通孔为测量对象物，测量三维形状。
发明效果
如果利用本发明一个实施例的利用衍射光栅的三维形状测量装置，则可以获得在孔的竖直面等单一的观察角度下无法测量的盲区的影像并进行测量及检查，能够减小因振动导致的测量误差，提高检查速度。
具有的优点是，所述利用衍射光栅的三维形状测量装置通过使用衍射光栅，能够不发生三维测量对象物的影像失真及焦点问题，而利用一台照相机获得多视点的影像。
因此，所述利用衍射光栅的三维形状测量装置适合于测量孔的入口为数μm至数百μm、深宽比(aspect ratio，相对于孔口径的深度)达到1:10左右的极薄且深的导通孔(例如through silicon via)。
附图说明
图1是根据本发明一个实施例的利用衍射光栅的三维形状测量装置的概念图。
图2是用于说明根据本发明一个实施例的三维形状测量装置的衍射光栅的功能的概念图。
图3是用于说明具有不同视差信息的光入射到测量对象物的形态的概念图。
图4显示了针对包含12(4x 3)个孔的测量对象物的一部分而利用互不相同视差生成的9个影像。
图5是用于说明图像传感器只利用测量对象物反射的光的情形的概念图。
具体实施方式
本说明书中使用的术语只用于说明特定的实施例，并非要限定本发明之意。只要在文理上未明确表示不同，单数的表现也包括复数的表现。在本说明书中，“包括”或“具有”等术语应理解为是要指定实施的特征、数字、步骤、动作、构成要素、部件或他们组合的存在，并非预先排除一个或其以上的不同特征或数字、步骤、动作、构成要素、部件或他们的组合的存在或附加可能性。
只要未不同地定义，包括技术性或科学性术语在内，在此使用的所有术语是与本发明所属技术领域的普通技术人员一般理解的意义相同的意义。与一般使用的字典中定义的内容相同的术语，应解释为与相关技术的文理上具有的意义一致的意义，只要在本说明书中未明确地定义，不得解释为理想性地，过于形式上的意义。附图中提示的相同的附图标记代表相同的构件。不过，在说明实施形态方面，当判断认为对相关公知功能或构成的具体说明可能不必要地混淆本发明要旨时，省略对其的详细说明。另外，为了说明，附图中各构成要素的大小可以夸张，并非意味着实际应用的大小。
在本说明书中，即使是互不相同的实施例，针对相同、类似的构成，赋予相同、类似的附图标记，其说明用最初说明替代。只要在文理上未明确表示不同，本说明书中使用的单数的表现包括复数的表现。只要在文理上未明确表示不同，本说明书中使用的单数的表现包括复数的表现。另外，在以下说明中使用的关于构成要素的词尾“模块”及“部”，是仅考虑说明书撰写上的便利而赋予或混用的，并非其本身具有相互区别的意义或作用。
在说明本发明方面，第一、第二等术语虽然可以用于说明多样的构成要素，但所述构成要素不被所述术语限定。所述术语仅用于将一个构成要素区别于其他构成要素之目的。例如，在不超出本发明的权利范围的前提下，第一构成要素可以命名为第二构成要素，类似地，第二构成要素也可以命名为第一构成要素。
下面参照附图，对本发明的实施例进行详细说明。
图1是根据本发明一个实施例的利用衍射光栅的三维形状测量装置的概念图。如果参照图1，根据本发明一个实施例的利用衍射光栅的三维形状测量装置1000可以包括频率扫描干涉仪200、图像传感器400及至少一个的衍射光栅10、20、30，在另一实施例中，可以还包括光源部100。
在一个实施例中，光源部100可以包括光电二极管110，或者可以还包括准直透镜120。光电二极管110可以输出激光，从光电二极管110输出的光入射到准直透镜120。准直透镜120可以收敛从光电二极管110输出并扩散的光，输出平行的光。如图1所示，在光源部100输出的光可以沿着光路径L行进到频率扫描干涉仪200。
在一个实施例中，如图1所示频率扫描干涉仪200可以配置于光源部100的前方，可以包括分光器210，所述分光器210安装于光源部100发生的光的行进方向，使光的一部分沿第一路径L1反射，使光的一部分沿第二路径L2透过。
例如，分光器210可以包括分束器(BS；Beam splitter)或偏振光分束器(PBS；Polarizing beam splitter)。
测量对象物300可以配置于沿第一路径L1反射的光的行进方向。测量对象物300可以包括供至少一个孔(hole)301配置的前面310和配置于所述前面320的相反面的后面320。另外，所述测量对象物300可以是包括至少一个导通孔(via hole)的基板。例如，所述测量对象物300可以是在半导体封装中使用的硅晶片，但并非限定于此。
如图1所示的光路径L1，被分光器210反射而沿第一路径L1行进的光，行进到测量对象物300而被反射后，可以行进到图像传感器400。
图像传感器400可以接收沿第一路径L1行进而被所述测量对象物300反射的光，测量测量对象物300的形状。具体而言，图像传感器400可以通过接收的光而生成测量对象物300的图像，观察者可以通过如上所述生成的图像而观察测量对象物300的形态。另外，图像传感器400可以包括多个图像传感器，所述多个图像传感器通过单一成像透镜，接收具有所述互不相同视差信息的光，生成基于所述各个互不相同视差信息的多个图像。下面对此进行具体说明。
当利用普通的频率扫描干涉仪时，入射到测量对象物的光只包括垂直入射的光，但本发明的形状测量装置利用了利用衍射光栅而从多样角度入射到测量对象物并反射的光。如此利用具有多样角度入射并反射的光，可以从多样角度同时观察测量对象物的孔的深度及孔的内壁。
图2是用于说明根据本发明一个实施例的三维形状测量装置的衍射光栅的功能的概念图。在图2中，为了说明的便利，在本发明可实现的多样衍射光栅的位置中，在图1的衍射光栅10、20、30中，以只配备衍射光栅20的情形为例进行说明。如果参照图2，入射到衍射光栅的光a透过衍射光栅，沿具有互不相同视差信息的多条路径a1、a2、a3行进。如此行进的光会具有互不相同视差，入射到测量对象物300而被反射。
根据本发明一个实施例的利用衍射光栅的三维形状测量装置1000，如图1所示，可以包括配置于所述光源部100与所述分光器210之间的光路径的衍射光栅10、配置于所述测量对象物300与所述分光器210之间的光路径的衍射光栅20或配置于所述测量对象物300与所述图像传感器400之间的光路径的衍射光栅30中的一个以上的衍射光栅30。即，图1的衍射光栅10、20、30中至少一个可以包括于根据本发明一个实施例的三维形状测量装置100。
在本发明中，当利用衍射光栅的三维形状测量装置1000包括配置于所述光源部100与所述分光器210之间的光路径的衍射光栅10时，使光源部210发生的光沿着多样的角度行进，从而可以具有在多种角度进行照明的效果。
另外，当利用衍射光栅的三维形状测量装置1000包括配置于所述图像传感器400前方光路径的衍射光栅30时，由于配置于图像传感器前面部，因而具有装置容易制作的优点。所述衍射光栅10、20、30在图1中图示为具有凸凹形态，但并非限定于此，在另一实施例中，所述衍射光栅也可以具有透镜阵列(lens array)、立体光栅(lenticular)、棱镜阵列(prism array)、线栅(wire grid)、凸凹、直角三角形阵列、等腰三角形阵列中的一种形态等。
图3是用于说明具有不同视差信息的光入射到测量对象物的形态的概念图。如果参照图3，衍射的光a31、a32、a33入射到测量对象物300的孔及上部，如图3所示，入射到测量对象物300的光具有既定的角度，从而光可以向孔的内壁行进。图像传感器400利用入射到图像传感器400的光，可以获得关于测量对象物300的孔内壁的图像，图像传感器400通过入射视差信息不同的多条光，从而可以获得多个在多样角度呈现的孔内壁的图像。
就图3而言，光a32入射到孔的内壁，图像传感器400通过光a32的反射光而可以获得关于存在于孔的内壁的裂纹x的影像。
另外，图像传感器400接收的光包括a31、a32、a33等具有互不相同视差信息的光，因而可以生成基于所述各个互不相同视差信息的多个图像。为了如此接收视差信息不同的多条光并生成图像，图像传感器400可以具备视差图像阵列(parallax image array)。
图4显示了针对包含12(4x 3)个孔的测量对象物的相同的一部分而利用互不相同视差获得的9个影像排列。在本发明中，由于被衍射光栅所衍射的光，在图像传感器400中生成的图像如图4所示，可以包括具有互不相同视差信息的多个影像。在图4中可知，在因垂直入射的光而获得的影像I5中虽然未显示出孔内壁，但通过此外其他影像I1、I2、I3、I4、I6、I7、I8、I9，可以在互不相同角度观察到孔内壁的样子。
为了生成测量对象物300的图像，图像传感器400可以只利用测量对象物300反射的光，或除测量对象物300反射的光之外，还一同利用其他光(基准光)，生成测量对象物300的图像。
图5是用于说明图像传感器400只利用测量对象物300反射的光的情形的概念图。如果参照图5，测量对象物300可以配置得使从分光器210入射的光入射到后面320，而非为因形成测量对象物300的孔而得到显示的前面310。
发光部100释放并被分光器201反射的光具有透过测量对象物300的特性，入射到测量对象物300的光会在前面310、后面320及孔301的底面反射。因此，生成被测量对象物300的后面320反射的光b1、被孔的底面反射的光b2及被前面反射的光b3的路径，各反射的光会被图像传感器400接收。图像传感器400使反射光被位于所述测量对象物后面内部的所述孔的底面所干涉并接收，从而可以利用所述光b1-b3中的至少一个，测量测量对象物300的孔的深度。即，图像传感器400使被位于所述测量对象物后面内部的所述孔的底面反射的光发生干涉并接收，从而可以测量测量对象物的形状。此时，因不使用另外的基准镜，而使得受振动影响不大，可以提高移动速度，具有提高信号稳定性的优点。
另一实施例的利用衍射光栅的三维形状测量装置1000可以还包括基准镜220，所述基准镜220配置于沿所述第二路径L2透过的光的行进方向，形成与所述测量对象物反射的光引起干涉的基准光。如果再次参照图1，所述基准光的光路径可以为图1的L2。当还包括所述基准镜220时，图像传感器400可以利用所述测量对象物300反射的光与所述基准光的干涉信号，测量所述测量对象物300的形状。
另外，在一个实施例中，为了防止视差影像相互重叠，所述频率扫描干涉仪200可以包括光切断部230，以便从分光器210透过或反射的光以既定宽度入射到测量对象物300或基准镜220。其中，光切断部230限制入射到所述测量对象物300的光的宽度，所述光切断部230的开放区域的宽度d可以利用衍射光栅20与测量对象物300之间的距离(例如，衍射光栅配置于测量对象物与分光器之间时)、测量对象物300的观察区域的FOV(Field Of View，视场)的大小、及光切断部230与测量对象物300之间距离中的至少一者来决定。
另一方面，现有文献Applicability of diffraction grating to parallaximage array generation in integral imaging与利用干涉仪的本发明，在其利用领域上不同。另外，在本发明中，配置于分光器与光源部之间的衍射光栅10及接收被测量对象物反射的光与反射基准镜的光并使得衍射的衍射光栅30，属于以往技术未公开的本发明的主要特征之一。
在利用激光的外观检查光学系中，利用衍射光栅的三维形状测量装置1000可以无失真地获得多种视点的影像，获得只具有单一视点的原有检查系统所无法解决的盲区信息，利用视差信息，可以获得更精密的三维信息。
另外，利用衍射光栅的三维形状测量装置1000适合于测量孔的入口为数μm至数百μm、深宽比(aspect ratio，相对于孔口径的深度)达到1:10左右的极薄且深的导通孔(例如through silicon via)。
另外，本发明具有的优点是，通过使用衍射光栅，从而能够没有三维测量对象物的影像失真及焦点问题，而利用一台照相机获得多视点的影像。
以上考查的本发明，以附图中图示的实施例为参考进行了说明，但这只不过是示例性的，只要是相应领域的普通技术人员便会理解，可以由此导出多样的变形及实施例的变形。但是，这种变形应视为在本发明的技术保护范围内。因此，本发明真正的技术保护范围应根据附带的专利权利要求书的技术思想确定。

Claims (8)

1.一种利用衍射光栅的三维形状测量装置，其中，包括：
分光器，其安装于光源部发生的光的行进方向，使光的一部分沿第一路径反射，且使光的一部分沿第二路径透过；
图像传感器，其接收沿所述第一路径行进而被具备至少一个孔的测量对象物反射的光，并测量所述测量对象物的形状；及
衍射光栅，其配置于所述光源部与所述分光器之间的光路径、所述测量对象物与所述分光器之间的光路径及所述测量对象物与所述图像传感器之间的光路径中一个以上的光路径。
2.根据权利要求1所述的利用衍射光栅的三维形状测量装置，其中，
所述衍射光栅使入射到所述衍射光栅的光衍射，以便被所述图像传感器接收的光具有互不相同的视差信息。
3.根据权利要求2所述的利用衍射光栅的三维形状测量装置，其中，
所述图像传感器包括多个图像传感器，所述多个图像传感器通过单一成像透镜接收所述具有互不相同视差信息的光，生成基于所述各个互不相同的视差信息的多个图像。
4.根据权利要求1所述的利用衍射光栅的三维形状测量装置，其中，
所述测量对象物配置得使沿所述第一路径反射的光在形成所述孔的前面或后面反射。
5.根据权利要求4所述的利用衍射光栅的三维形状测量装置，其中，
当所述测量对象物配置得使沿所述第一路径反射的光在所述后面反射时，所述图像传感器使在所述测量对象物的后面反射的光与在位于所述测量对象物后面内部的所述孔的底面反射光干涉并接收，从而测量所述测量对象物的形状。
6.根据权利要求1所述的利用衍射光栅的三维形状测量装置，其中，
还包括基准镜，其配置于沿所述第二路径透过的光的行进方向，形成与所述测量对象物反射的光引起干涉的基准光；
所述图像传感器利用因所述测量对象物反射的光与所述基准光的重叠而导致的干涉信号，测量所述测量对象物的形状。
7.根据权利要求1所述的利用衍射光栅的三维形状测量装置，其中，
所述衍射光栅具有透镜阵列、立体光栅、棱镜阵列、线栅、凸凹、直角三角形阵列、等腰三角形阵列中至少一种形态。
8.根据权利要求1所述的利用衍射光栅的三维形状测量装置，其中，
利用所述衍射光栅的三维形状测量装置以基板的导通孔为测量对象物，测量三维形状。
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