CN108253905A - 垂直彩色共焦扫描方法和系统 - Google Patents

Abstract

一种使用共焦成像系统扫描物体表面的方法包括如下步骤：当分别用具有第一、第二和第三光谱波形的光线照射所述物体时，获取所述物体表面的第一、第二和第三共焦图像；以及用照相机捕获来自被第一、第二和第三光谱波形照射的所述物体的响应信号。所述第一、第二和第三光谱波形各不相同，并且每个光谱波形的部分区域与其它任何一个光谱波形的部分区域重叠。因此，基于所述捕获的响应信号，能够确定对应每张共焦图像上多个点的所述物体表面的多个点的高度。

Description

垂直彩色共焦扫描方法和系统

技术领域

本发明涉及一种用于测量物体表面轮廓的方法和系统，具体地，涉及一种共焦扫描方法和系统。

背景技术

因为装置的尺寸越来越小，所以在半导体行业中，尺度测量的精度要求越来越高。共焦技术为满足高分辨率的二维和三维测量要求提供了很好的方案。具体地，在共焦技术中，彩色共焦技术可以提高用于共焦测量的扫描机构的效率，并且使扫描机构更适合实时检测。

在彩色共焦系统中，沿着光轴线分散着不同颜色的光线，因此，目标物体只能反射小范围的波长，并且由成像系统接收反射的波长。然后，通过分析光谱，可以确定高度信息。光谱分析仪一般包括棱镜、光栅（或过滤器）以及亮度感测装置。

图1示出了由传统的共焦系统获得的示例性彩色共焦信号光谱的曲线图。图中，光谱表示普通的彩色共焦信号。在曲线图中，只有一个峰值，这表明系统只能接收聚焦光，而从物体表面反射的离焦光从针孔射出。换言之，通过查找脉冲信号或颜色的峰值位置就可以估算被检测物体表面的高度，并且可以预先调整高度和颜色之间的关系。为了确定物体的整个形状，需要沿着物体表面上的X-Y轴线进行二维扫描。

为了进一步提高彩色共焦系统的速度，可以用狭缝代替单个针孔点。公开号为2010/0188742的美国专利“狭缝扫描多波长共焦透镜模块和使用其的狭缝扫描显微系统和方法”公开了一种基于狭缝的彩色或多波长扫描系统。然而，在这种系统中，由于未聚焦的光可以扩散，并且沿着狭缝的方向到达相邻像素，所以，串扰问题严重，降低了系统的深度检测精度。

专利号9025245的美国专利“彩色共焦显微镜系统及其信号处理方法”公开了一种共焦系统，其使用一对光纤模块调节线性检测光或平面检测光。根据所述系统的描述，检测光分别通过滤色片被分为两个不同的图像感测单元。通过这种方式，产生了两个RGB图像，并且可以根据这两个图像的亮度比值，实现目标物体深度的计算或表面轮廓的重构。然而，所述系统的严重缺陷为：因为某些杂散或未聚焦的光线也可以进入系统，造成亮度偏移，并且可以改变色率比值，但是，在本系统中，仅基于最大亮度比值计算高度信息，所以，这种系统的准确性低。

因此，本发明的目的是通过调节光源的光谱以提高光色比运算的准确性。

发明内容

因此，本发明的一个目的是提供一种共焦扫描方法和系统。所述方法和系统可以检测捕获的每个图像中的物体外形，同时，能够增强图像中的高度分辨率，而且与现有技术相比，所述方法和系统有助于提高扫描速度。

根据本发明的第一方面，提供了一种使用共焦成像系统扫描物体表面的方法。所述方法包括以下步骤：当分别用具有第一、第二和第三光谱波形的光线照射所述物体时，获取所述物体表面的第一、第二和第三共焦图像；用照相机捕获来自被第一、第二和第三光谱波形照射的所述物体的响应信号；以及基于所述捕获的响应信号，确定对应每张共焦图像上多个点的所述物体表面的多个点的高度，其中，所述第一、第二和第三光谱波形各不相同，并且每个光谱波形的部分区域与其它任何一个光谱波形的部分区域重叠。

根据本发明的第二方面，提供了一种用于扫描物体表面的共焦成像系统。所述系统包括：第一、第二和第三照明组件，用于产生具有第一、第二和第三光谱波形的光线，以照射所述物体；照相机，用于当所述物体分别被具有第一、第二和第三光谱波形的所述光线照射时，捕获所述物体表面的第一、第二和第三共焦图像，所述第一、第二和第三共焦图像示出了来自所述物体表面的响应信号；以及处理器，用于基于所述捕获的响应信号，确定对应于每张共焦图像上多个点的所述物体表面的多个点的高度，其中，所述第一、第二和第三光谱波形各不相同，并且每个光谱波形的部分区域与其它任何一个光谱波形的部分区域重叠。

根据本发明的第三方面，提供了一种用于扫描物体表面的共焦成像系统。所述系统包括：滤波调制组件，用于调制光源产生的光线，以产生具有第一、第二和第三光谱波形的光线来照射所述物体；照相机，用于当所述物体分别被具有第一、第二和第三光谱波形的所述光线照射时，捕获所述物体表面的第一、第二和第三共焦图像，所述第一、第二和第三共焦图像示出了来自所述物体表面的响应信号；以及处理器，用于基于所述捕获的响应信号，确定对应于每张共焦图像上多个点的所述物体表面的多个点的高度，其中，所述第一、第二和第三光谱波形各不相同，并且每个光谱波形的部分区域与其它任何一个光谱波形的部分区域重叠。

参考示出本发明特定优选实施例的附图将有助于在下文详细描述本发明。附图和相关描述的特征不应被理解为用于取代权利要求所限定的本发明的一般特征的普遍性。

附图说明

现将参考如下附图来描述本发明的彩色共焦扫描方法和系统的示例。

图1示出了由传统的共焦系统获得的示例性彩色共焦信号光谱的曲线图。

图2示出了根据本发明的优选实施例的包括调制光源的彩色共焦系统。

图3示出了彩色共焦系统，其沿着其光轴线分散不同颜色的光。

图4示出了包括生成用于照射的不同波形的多个光源的照明设备的等距视图。

图5示出了单级利奥（Lyot）滤波器的结构图。

图6示出了单级利奥（Lyot）滤波器在两个不同的旋转角度下的光谱透射率的曲线图。

图7示出了相对于运动方向以一定角度旋转用于成像的针孔阵列的扫描操作。

图8是示例性彩色照相机的传感器的光谱响应的曲线图，其中，曲线图中的高频率曲线表示在由利奥（Lyot）滤波器调制的不同波长下的不断变化的绿色通道响应。

图9示出的示例性图像采集序列。

图10示出了经彩色共焦系统处理后的重构图像。

具体实施方式

图2示出了根据本发明优选实施例包括调制光源的共焦成像系统或彩色共焦系统10，用于测量物体12的表面轮廓。所述彩色共焦系统10包括生成光线的光源14，所述光线通过聚光透镜16，其中，诸如利奥（Lyot）滤波器18的滤波调制组件设置在聚光透镜后面。在本实施例中，光线谱被利奥（Lyot）滤波器调制成诸如图6所示的光线的正弦形式。然后，被调制的光线通过菲涅尔透镜20，并且被第一反射镜22反射到偏振分束器24。

所述偏振分束器24通过针孔阵列26引导光线。所述针孔阵列包括针孔板和设于第二反射镜30上的管透镜28，其中，针孔板上设有由多个针孔组成的阵列。所述第二反射镜通过彩色元件32、四分之一波长波片34和物镜36反射光线，并且，所述物镜将光线聚焦到物体12上。所述彩色共焦系统10与传统的彩色共焦系统的不同之处在于：针孔板上设有针孔阵列图案，而不是单个针孔。所述偏振分束器24和四分之一波长波片34用于抑制所有透镜表面上的内部杂散光线。

从物体12反射回来的光线通过物镜36、四分之一波长波片34、彩色元件32、第二反射镜30、管透镜28和针孔阵列26返回偏振分束器24。通过这种方式，接收的光线可以通过偏振分束器24到达成像透镜38，并且通过彩色照相机40为产生的图像成像。值得注意的是，与现有技术使用光谱仪检测共焦信号不同，在本实施例中，使用彩色照相机40和针孔阵列26扫描技术检测以密集的二维彩色图像形式存在的共焦信号。因此，所述彩色共焦系统10更划算。

图3示出了彩色共焦系统10，其沿着其光轴线分散不同颜色的光。因为通过彩色共焦系统10的物镜36，不同颜色的光线在不同高度处聚焦，所以出现了这种分散现象。例如，为了成像，可以通过利奥（Lyot）滤波器18抑制光线的某些波长，生成一个垂直分布图案。

根据本发明的优选实施例，当用具有第一、第二和第三光谱波形的光线照射物体12时，在每个光谱波形周期内，至少捕获三个共焦图像，以便获得各个位置处的高度信息。共焦图像上的每个像素的亮度由三部分组成，即：背景亮度（由于存在杂散或离焦光）、被检测物体的反射率以及所处位置的深度信息。

所述至少三个光谱波形是不同的，但是，每个光谱波形的部分区域与其它任何一个光谱波形部分区域重叠（例如，图6所示的其中两个光谱波形的重叠部分）。所述彩色照相机40用于当物体12被至少三种不同的光谱波形照射时，从所述物体捕获响应信号。然后，基于对应于至少三个共焦图像上捕获的多个点的响应信号，确定物体12的表面上的多个点的高度。所述响应信号包括从物体12反射回来并且被彩色照相机40接收的光线的亮度谱。

在实际测量之前进行校准。可以参考一个校准平面完成上述操作。根据这种操作，在每个校准高度处，当分别用具有第一、第二和第三光谱波形的光线照射平面时，共焦系统在相对于平面的各个高度处，捕获校准平面的第一、第二和第三共焦图像。可以从三个共焦图像的每个图像中获得一个亮度谱，因此，可以为每个校准高度获得一个特有的校准亮度比值。随后，基于所述校准亮度比值，可以创建一个虚拟查询表，反之，也可以参考校准平面的各个高度得到所述校准亮度比值。

获取物体12的三个共焦图像的亮度谱之后，可以通过比较虚拟查找表中记录的校准期间得到的不同高度处的亮度变化确定高度信息。虽然本质上，正弦频谱是重复的，但是如果有不明确的地方，可以通过分析亮度响应强度的比值将其弄明白，其中，亮度响应强度从彩色照相机40的RGB通道中感应得到。

下文描述了三个示例性的方法，在所述方法中，可以从系统中得到提供亮度变化信息的多个图像，并且所述亮度变化信息用于获得高度。

1. 捕获不同光源照射的图像。

图4示出了包括用于照射的产生不同光谱波形的多个光源14的照明设备的等距视图。在本实施例中，三个独立的照明组件（46a、46b、46c）连接单个光纤44。每个照明组件（46a、46b、46c）和每个光源（14A、14B、14C）与相应的光接收器48相关联，并且所述光接收器48连接所述光纤44。所述光纤44将各个光源14产生的光线投射到菲涅耳透镜20上，使光线能够向前传输到物体12上。

根据设计要求，从光源14产生的光可以直接传输到光接收器48，或者通过反射镜47反射到光接收器48，其中，所述反射镜设置成反射来自光源14的光线。每个光源（14A、14B、14C）产生具有不同光谱波形的光线，并且依次使用不同的光谱波形照射物体12。

2. 在不同高度处捕获图像。

采用这种替代方法，共焦系统可以在相对于物体12的至少三个不同高度处捕获至少三个共焦图像。通过这种方式，可以根据物体12，升高或降低彩色共焦系统10。与传统的连续沿着垂直轴线扫描以获得最大亮度值的共焦系统不同，根据本发明的优选实施例的检测方法的目的是不采用这种垂直扫描方式就可以从图案化光谱中获得样品。通过从至少三个不同高度处捕获图像，使用同一光源14就可以在物体12上产生不同的光谱波形，因此，通过在各个高度处检测光源14生成的光谱波形产生的亮度响应强度比值，获得物体12表面上的多个点的高度。

由于色效，本发明的装置采样间隔比传统的共焦系统的采样间隔大得多，因此，测量速度可以更快。

3. 旋转利奥（Lyot）滤波器，以移动调制的光谱。

在另一扫描方法中，通过至少三次移动或改变光源14的光谱分布以捕获至少三个共焦图像的方式，获得物体12上的多个点的高度。在这种方法中，通过调制光源14产生的光线，生成第一、第二和第三光谱波形。在图2中已经详细描述了彩色共焦系统10与诸如利奥（Lyot）滤波器的滤光调制器组件的组合设置方式。

如图5所示，一个单级利奥（Lyot）滤波器18包括两个线性偏振器（P1、P2）和一个石英片L。石英片L的光轴与石英片平面上的Z轴线或者竖直轴线平行。相对于石英片L的光轴，线性偏振器（P1、P2）的偏振方向的角度为45度。第一偏振器P1将入射光线性偏振，然后在光线到达第二偏振器P2之前，通过石英片的相位延迟变换光线。由偏振引起的来自利奥（Lyot）滤波器18的光线的旋转度取决于光线的波长和光线在石英片L中的传播距离。

通过控制石英片L绕竖直的Z轴线的旋转，可以改变异常光线和普通光线的传播距离，因此，光谱的透光率是可以改变的。图6示出了来自利奥（Lyot）滤波器18的不同波形在绕着石英片L光轴以两个不同的角度旋转产生的光谱透射率的曲线图。在石英片L旋转之前，获取第一透射率曲线图。例如，在石英片L上绕着Z轴线旋转30度之后，第一曲线图整体向一侧平移，使相同波长范围内的透射率不同，其中，Z轴线方向垂直于通过利奥（Lyot）滤波器18的光线的传播方向。利用利奥（Lyot）滤波器18的这种特性，可以精确控制光谱的调制移动。因此，通过旋转石英片L到不同的旋转角度，可以捕获不同的光源调制产生的光谱图像。但是，应当理解的是，通过采用具有不同相位延迟性的石英片L，可以控制光谱的周期。相应地，这种操作也可以改变异常光线和普通光线的传播距离。

彩色共焦系统10中的光源14可以包括，但不限于：白色发光二极管（LED）、任何的具有不同波长的多个彩色发光二极管或激光器。诸如卤素灯、弧光灯、具有连续广谱的氙灯或任何合适的光谱调制元件的光源都可以用作光源14。

图7示出了用于共焦成像的针孔阵列26的扫描操作，其中，针孔阵列26包括单个针孔50组成的矩阵，并且单个针孔相对于运动方向52以一定角度旋转。在捕获共焦图像期间，针孔阵列26平移到沿着运动方向52的光线传播方向。使用这种针孔阵列26扫描方式，可以通过生成的光谱图像组合，而非单个针孔的单一光点，得到致密的轮廓。因此，提高了扫描速度。

图8是示例性彩色照相机40的传感器的光谱响应的曲线图，其中，曲线图中的高频率曲线表示在由利奥（Lyot）滤波器18调制的不同波长下的不断变化的绿色通道的响应。图中示出了彩色照相机40的传感器的红色通道80、绿色通道（82a、82b）和蓝色通道84各自的固有光谱的响应。图中还示出了根据本发明的优选实施例的调制的光谱分布而获得的调制的光谱86，所述光谱分布比彩色照相机40的传感器的光谱响应的连续性好，而且，在本发明的优选实施例中，调制的光谱用于更准确地确定特定点的高度。

值得注意的是：彩色照相机40的传感器中的最后的响应包括（光谱的）多个：（a）光谱分布（如图6所示）、（b）被检查物体12的颜色、（c）共焦响应信号（如图3所示）和（d）照相机滤波光谱（如图8所示）。这些响应和高度有关，并且，可以通过彩色照相机40的传感器中的最后的响应，准确确定物体的高度。

图9是彩色共焦系统10在相对于物体的三个不同高度处捕获物体12的共焦图像以实现物体12扫描过程的示例性图像采集序列。当彩色共焦系统10位于第一高度时，在点60处激活彩色照相机40的曝光，在点62处捕获到第一图像，同时，旋转的针孔阵列26沿着运动方向52移动，用于捕获物体12的共焦图像的连续区域。当将在点62处将捕获的第一图像传输给处理器时，彩色共焦系统10沿Z轴线在点64处移动到第二高度。当彩色共焦系统位于第二高度时，在点66处激活彩色照相机40的曝光，当旋转的针孔阵列26沿着运动方向52移动时，捕获第二图像。当将在点68处将捕获的第二图像传输给处理器时，彩色共焦系统10沿Z轴线在点70处移动到第三高度。当彩色共焦系统10位于第三高度时，在点72处再次激活彩色照相机40的曝光，在点74处捕获到第三图像，同时，针孔阵列26沿着运动方向52移动。

当将捕获的第三图像传输给处理器时，彩色共焦系统10沿XY平面在点76处检查物体上的另一个位置。彩色共焦系统10会再次在不同高度处捕获物体12的另外三个独立的图像。这种过程将一直继续，直到捕获到被检查物体12的整个表面的所有图像。

图10示出了被彩色共焦系统10处理后的重构图像。根据本发明的优选实施例，使用彩色共焦系统10成像壳厚大约为15微米的引线接合球的三维轮廓，成像过程中，在三个不同的高度处捕获引线接合球对应的图像。基于重构的图像，可以准确地确定引线接合球的表面轮廓。

因此，本发明所描述的彩色共焦系统10将设计的光源和被调制的光谱振幅或波形一体化。通过彩色照相机40的RGB亮度响应差异计算深度信息，其中，从被捕获图像的每个测量点获得所述差异，从而很大程度上避免杂散光线对系统的影响。

应当理解的是，根据本发明的优选实施例的彩色共焦系统10只需要一个标准的彩色照相机40用于深度计算，而不需要光谱仪。因为可以移动针孔50以显示物体12不同的连续部分，以显示整个物体，所以，在捕获每个图像时，仅需使用针孔阵列26上特定数量的针孔50。本发明所描述的设备可以捕获每个图像的整个成像区域。这意味着，通过移动针孔阵列26实现扫描，就可以完成绕X-Y平面扫描，无需移动该光学系统的其余部分或物体12，甚至在扫描整个物体表面时，都无需移动物体，因为扫描都在彩色照相机40的视野内。

此外，所述彩色共焦系统10通过调节光源的光谱来增强感知的高度分辨率。也可以通过使用所选的照明组件依次照射物体，在不同预定高度处捕获共焦图像以及旋转利奥（Lyot）滤波器18的方式中的任何一种方式得到多个图像，并且从多个图像中获得不同的亮度响应，用于计算深度信息。通过这种方式，有助于避免杂散和离焦光线引起的误差，提高精确度。

虽然，以上已对本发明进行了具体描述，但是，还可以对本发明轻易地做出各种变化、修改和/或添加；应当理解，对本发明做出的所述变化、修改和/或添加落入上述说明书的精神和保护范围之内。

Claims (16)

1.一种使用共焦成像系统扫描物体表面的方法，其特征在于，包括如下步骤：

当分别用具有第一、第二和第三光谱波形的光线照射所述物体时，获取所述物体表面的第一、第二和第三共焦图像；

用照相机捕获来自第一、第二和第三光谱波形照射的所述物体的响应信号；以及

基于所述捕获的响应信号，确定对应每张共焦图像上多个点的所述物体表面的多个点的高度，其中，所述第一、第二和第三光谱波形各不相同，并且每个光谱波形的部分区域与其它任何一个光谱波形的部分区域重叠。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述响应信号包括从物体反射回来并且被照相机接收的光线的亮度谱。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，还包括校准步骤，其中，在扫描所述物体的表面之前，当分别用具有第一、第二和第三光谱波形的光线从所述共焦成像系统在相对于平面的各个高度处照射所述平面时，获取所述平面的第一、第二和第三共焦图像。

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述亮度谱对应于在捕获的共焦图像上的各个测量点获取的照相机的RGB亮度响应。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，用具有第一、第二和第三光谱波形的光线照射所述物体包括：调制光源产生的光线，以生成各自的光谱波形。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，在照射所述物体之前，当所述光线穿过利奥（Lyot）滤波器时，用所述利奥（Lyot）滤波器调制所述光线。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，调制所述光线进一步包括：相对第一和第二线性偏振器，绕轴线旋转石英片，所述轴线横向于穿过所述利奥（Lyot）滤波器的光线的传播方向，而且所述石英片位于所述第一和第二线性偏振器之间。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述光源包括产生用于依次照射所述物体的第一、第二和第三光谱波形的第一、第二和第三照明组件。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述第一、第二和第三照明组件产生的光线被单个光学滤波器接收，所述光学滤波器用于将光线传播到所述物体上。

10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述共焦成像系统在相对于所述物体的不同高度处捕获所述第一、第二和第三共焦图像，以产生用于照射所述物体的第一、第二和第三光谱波形。

11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：使光线通过针孔阵列，并且沿着运动方向移动所述针孔阵列，所述运动方向横向于共焦图像捕获期间光线的传播方向。

12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述针孔阵列包括单个针孔组成的矩阵，所述单个针孔相对于针孔阵列的运动方向以一定角度旋转。

13.如权利要求11所述的方法，其特征在于，当沿着运动方向移动所述针孔阵列以捕获所述物体的连续区域的共焦图像时，激活所述照相机的曝光就能够捕获各个共焦图像。

14.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述照相机包括彩色照相机。

15.一种用于扫描物体表面的共焦成像系统，其特征在于，包括：

第一、第二和第三照明组件，用于产生具有第一、第二和第三光谱波形的光线，以照射所述物体；

照相机，用于当所述物体分别被具有第一、第二和第三光谱波形的所述光线照射时，捕获所述物体表面的第一、第二和第三共焦图像，所述第一、第二和第三共焦图像示出了来自所述物体表面的响应信号；以及

处理器，用于基于所述捕获的响应信号，确定对应于每张共焦图像上多个点的所述物体表面的多个点的高度，其中，所述第一、第二和第三光谱波形各不相同，并且每个光谱波形的部分区域与其它任何一个光谱波形的部分区域重叠。

16.一种用于扫描物体表面的共焦成像系统，其特征在于，包括：

滤波调制组件，用于调制光源产生的光线，以产生具有第一、第二和第三光谱波形的光线来照射所述物体；

照相机，用于当所述物体分别被具有第一、第二和第三光谱波形的所述光线照射时，捕获所述物体表面的第一、第二和第三共焦图像，所述第一、第二和第三共焦图像示出了来自所述物体表面的响应信号；以及

处理器，用于基于所述捕获的响应信号，确定对应于每张共焦图像上多个点的所述物体表面的多个点的高度，其中，所述第一、第二和第三光谱波形各不相同，并且每个光谱波形的部分区域与其它任何一个光谱波形的部分区域重叠。