CN212058670U - 光学三维测量系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了光学三维测量系统，专门用于高速在线自动检测半导体晶片和晶片封装连线的检查，本系统三维测量系统仅仅需要采集一幅图，就可以得到整个物体表面的三维形貌，因而，测量速度极快，特别适合于在线高速三维检测。该测量系统也适用于检测其他各种物体精密零件的三维表面形貌，特别是其他三维测量系统所不能检测的不连续表面。

Description

光学三维测量系统

技术领域

本实用新型涉及三维测量领域，特别涉及光学三维测量系统。

背景技术

光学共焦3D轮廓仪正在被越来越广泛地运用于工业三维轮廓测量。然而，由于光学共焦测量技术是一个点测量技术，每次只能测量一个点。如果要测量一个表面，它需要进行垂直和横向扫描来测量一个的区域的三维轮廓。目前国内外大多工业光学共聚焦三维轮廓仪是由光学共焦点传感器加上机械扫描机构完成度。光学共焦传感器的生产厂家有，STIL SA,Fogale Nanotech,Micro Epsilon,FRT,Precitec,等等。光学共焦传感器可以高速测量一个点的表面高度，但是要得到一个区域的表面轮廓，它需要逐点扫描，因而测量速度很慢。

日本Keyence商业的光学焦位移传感器采用震动位移传感器测量到物体的距离。由于有机械运动，速度较慢。光学色差共焦点传感器，由于没有机械运动，因而更有优越性，如美国专利5610734，7561273B2，7626705B2，8134691B2，821299B1等。光学色差共焦点传感器的测量原理是基于在光学透镜的色差。

如图4所示，当一个白色光束通过物镜，不同波长的光被聚焦在由所述物镜不同的焦距，由于色像差的影响。离焦的光通过样品表面反射的将被过滤掉的针孔，仅在光束聚焦的频谱由分光计检测。与波长相关的焦点距离的知识，在试样表面上的点的高度可以通过分析反射光用分光光度计进行解码。由此，点高度可测高速。然而，为了获得一个区域的三维轮廓，检体需要被横向通过的XY运动阶段的手段扫描的逐点。

蔡司的Axiotron 2 CSM VIS-UV，如图5所示，是使用光学色差共焦和Nipkow技术以速扫描机构，以产生扫描光学共焦显微镜。有Nipkow转盘上有许多针孔。当尼普科夫圆盘旋转时，光束经过该Nipkow盘上的针孔的扫描整个试样的表面。光束聚焦在不同的距离取决于由于名为Chromat-C美国专利6038066，其插入所述管透镜和物镜之间的透镜的色差的波长。光束被清晰地聚焦在试样表面将反射回通过在试样表面，然后按照相同的路径返回到相同的针孔。穿过针孔，然后光束分离器反射的光束被成像到彩色摄像机。然而，共焦显微镜是用于可视化只而非三维轮廓测量，它可以提供彩色编码图像，但它不能测量的表面高度。

Ruprecht,et al(2004)描述了色差共焦显微镜三维轮廓仪。见图6，白光束被准直并照射旋转的微透镜Nipkow盘。微透镜的焦点在不同的距离被成像到物体上依赖于波长。微透镜作为横向分布的点式传感器，在平行而工作。每个微透镜重新准直由物体反射的光。在视场的微透镜上成像的CCD彩色摄像机。在此设置的深度识别光圈为成像光学的焦点一个针孔。

市场有两个商业共焦显微镜，可以被用作共焦3D轮廓仪，Bruker’s VCMTM andCarl Zeiss’s Axio CSM 700.该光学轮廓仪采用旋转Nipkow圆盘的共焦显微镜技术，用大量垂直扫描采图的方法来测量表面轮廓形貌.它的测量速度慢，仅仅适合测量实验室。

卡尔蔡司Axio上CSM 700是基于色差加狭缝扫描使用狭缝和色差检测器的光学共焦原则。Lin等人1998描述了一种类似的系统。如图7所示，狭缝共焦扫描原理采用狭缝代替针孔对于光源和检测器前的共轭面。因为狭缝不能滤除失焦光平行于狭缝的方向，因此共焦效应沿狭缝开口方向大大受损。当一个白色光束通过的狭缝，并通过物镜色差成像在样品表面，所述不同颜色的光的，从所述物镜聚焦在不同的距离。由表面反射的光，然后将穿过的狭缝过滤掉失焦的光的方向的垂直于狭缝。穿过狭缝的光，然后由一个光栅或棱镜分散并成像在CCD照相机。用不同波长的光将在不同的位置被成像在CCD上依赖于对象的表面的高度。图像具有两个维度，其中第一维表示样本表面的X轴，而第二维表示的高度信息。的高度信息可以基于最亮像素中的第二维的图像来确定。以获得地形地图，试样需要在Y方向进行扫描。

Ang KT等报道了一种高速共焦3D轮廓可以高速测量微流体生物芯片。它是一个面形区域测量系统和适用于测量三维表面，但是它的测量视场是比较小，照明光强度低，均匀性差，杂光干扰大。这些问题大大的限制了它的半导体生产中的三维测量应用。

实用新型内容

本实用新型解决的技术问题是提供一种光学三维测量系统，可实现对物体表面的三维形貌实现高速在线测量。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：光学三维测量系统，包括光源系统，所述光源系统一侧斜向设置有第一分光镜，所述第一分光镜一侧设置有尼普科夫圆盘，使得光源系统射出的平行光经第一分光镜后偏折90度射向尼普科夫圆盘，所述尼普科夫圆盘远离第一分光镜一侧依次设置有第一投影物镜、色差透镜和显微物镜，所述显微物镜远离色差透镜一侧还设置有用于放置待测物的置物台，使得穿过尼普科夫圆盘的光束经由第一投影物镜、色差透镜和显微物镜成像在待测物表面，所述第一分光镜远离尼普科夫圆盘一侧依次设置有第二投影物镜和CCD彩色摄像机，使得带测产品表面反射的光经由显微物镜、色差透镜、第一投影物镜、尼普科夫圆盘、第一分光镜、第二投影物镜进入CCD彩色摄像机内。

进一步的是：所述光源系统包括内部涂有高反射率材料的积分球，所述积分球包括至少一个入光口和一个出光口，所述入光口出设置有宽频带白色光源。

进一步的是：所述宽频带白色光源发光口处设置有用于去除有害红外光能量的带通滤波片。

进一步的是：所述积分球的出光口处设置有科勒照明系统。

进一步的是：所述显微物镜和色差透镜之间还斜向设置有第一分束器，所述第一分束器一侧设置有目镜，使得待测物反射的光显微物镜后经第一分束器后到达目镜。

进一步的是：所述所述第一分束器与目镜之间斜向设置有第二分束器，所述第二分束器一侧依次设置有成像透镜和CCD相机，使得待测物反射的光显微物镜后经第一分束器、第二分束器和成像透镜到达CCD相机。

进一步的是：所述第一分束器、第二分束器、目镜、成像透镜和CCD相机均安装在移动架上，还包括驱动移动架水平移动的移动导轨。

进一步的是：还包括机械扫描装置，所述显微物镜安装在机械扫描装置上，所述显微物镜和机械扫描装置包括两套，所述两套显微物镜分别为高倍率显微物镜和低倍率显微物镜，还包括切换装置，所述两套显微物镜和机械扫描装置均安装在切换装置上。

进一步的是：所述置物台为五维位移台。

进一步的是：所述宽频带白色光源为卤钨灯，所述CCD彩色摄像机(18)为Foveon彩色照相机。

本实用新型的有益效果是：本系统基于光学共焦和光学色差的原理，物体表面不同的高度的区域在像面上呈现不同的颜色，物体表面的彩色就代表了它的高度，光颜色被用作一把尺子，进行三维高度测量。因此不需垂直高度扫描进行高度测量，一幅图就可以测量整个表面的三维高度，具有测量速度快，测量精度高的特点。

附图说明

图1为光学三维测量系统结构图。

图2为CCD彩色摄像机感光光谱相应曲线图。

图3为带通滤波片的光谱图。

图4为光学色差共焦点传感器原理图。

图5为卡尔蔡司的Axiotron2 CSM VIS-UV光学共焦显微镜原理图。

图6为光学共焦显微镜原理图。

图7为狭缝共焦扫描原理。

图中标记为：光源系统1、出光口2、科勒照明系统3、第一分光镜4、尼普科夫圆盘5、第一投影物镜6、色差透镜7、显微物镜9、机械扫描装置10、置物台11、第一分束器12、第二分束器13、目镜14、成像透镜15、CCD相机16、第二投影物镜17、CCD彩色摄像机18。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进一步说明。

如图1和图2所示的光学三维测量系统，包括光源系统1，所述光源系统1一侧斜向设置有第一分光镜4，所述第一分光镜4一侧设置有尼普科夫圆盘5，所述尼普科夫圆盘5上有许多细小的针孔，且处在高速运转过程中，使得光源系统1系统射出的平行光经第一分光镜4后偏折90度射向尼普科夫圆盘5，所述尼普科夫圆盘5远离第一分光镜4一侧依次设置有第一投影物镜6、色差透镜7和显微物镜9，所述显微物镜9远离色差透镜7一侧还设置有用于放置待测物的置物台11，使得穿过尼普科夫圆盘5的光束经由第一投影物镜6、色差透镜7和显微物镜9成像在待测物表面，所述第一分光镜4远离尼普科夫圆盘5一侧依次设置有第二投影物镜17和CCD彩色摄像机18，使得带测产品表面反射的光经由显微物镜9、色差透镜7、第一投影物镜6、尼普科夫圆盘5、第一分光镜4、第二投影物镜17进入CCD彩色摄像机18内，本实施例中使用的CCD彩色摄像机型号为Foveon X3，它的三个彩色芯片(红绿蓝，RGB)，像素对像素精密重叠在一起，被测物体的每一个点彩色光谱信息同时被记录在三个彩色芯片上，这个CCD彩色摄像机可以工作在两种状态下，A，作为一个彩色摄像机，它可以工作在可见光光谱范围。B，这个彩色摄像机的红外滤光片被去掉，这个彩色照相机的光谱范围包括可见光和近红外，电磁波380-1000nm，也可选用其他有同等功能的彩色摄像机。

具体测量时，待测物品放置在置物台11上，光源系统1射出的光线被第一分光镜4偏折90度射入尼普科夫圆盘5上，穿过尼普科夫圆盘5上微小针孔的光束经第一投影物镜6、色差透镜7和显微物镜9成像再待测物品表面，由于色差透镜7产生了纵向色差，使得不同波长的光聚焦在物体表面不同的高度上，即蓝光最高，红光最低，绿光在中间，接着待测物表面反射的光由显微物镜9、色差透镜7和第一投影物镜6成像于尼普科夫圆盘5的一个共轭面，其清晰地聚焦在待测物品表面的光将穿过尼普科夫盘的针孔，而所有的离焦的光将被过滤掉，然后聚焦的光线将通过第二投影镜头，成像在宽光谱CCD彩色摄像机18上，所述彩色摄像机是由三层感光器件叠加集成在一起，它的工作光谱范围包括可见光和近红外380-1000nm范围的电磁波，本系统是基于光学共焦和光学色差的原理，物体表面不同的高度的区域在像面上呈现不同的光谱颜色，因此，物体表面的彩色就代表了它的高度，光谱颜色被用作一把尺子，进行三维高度测量，如图2所示为CCD彩色相机的感光光谱曲线，因此测量时不需垂直高度扫描进行高度测量，一幅彩色照片图就可以精确地测量整个表面的三维高度，测量速度极快且在尼普科夫表面有衍射光栅设计到达表面反射的最小化，同时通过光楔和棱镜的光学装置的设计最小化尼普科夫盘的反射。

在上述基础上，所述光源系统1包括内部涂有高反射率材料的积分球，所述积分球包括至少一个入光口和一个出光口2，所述入光口出设置有宽频带白色光源，将光投射如积分球内，可以使得积分球内的光充分混合，减少损失，本实施例中，设置有5个宽频带白色光源，并且设置在积分球5个不同的方向上，此种设置可组成一个大功率和高强度的照明系统，由于每个光源不是很大，因而不需要安装风扇或冷却系统，没有震动，适合于高速测量。

在上述基础上，所述宽频带白色光源发光口处设置有用于去除有用于除去波长大于1微米的有害红外光能量的带通滤波片，带通滤波片的光谱图如图3所示，将红外光能量的热量被排除到测量系统以外，还可在宽频带白色光源上设置散热器，将宽频带白色光源产生的热量排除到测量系统以外。

在上述基础上，如图1所示，所述积分球的出光口2处设置有科勒照明系统3，使得照明系统具有高均匀性和高功率。

在上述基础上，如图1所示，所述显微物镜9和色差透镜7之间还斜向设置有第一分束器12，所述第一分束器12一侧设置有目镜14，使得待测物反射的光显微物镜9后经第一分束器12后到达目镜14，操作人员可通过观察物镜实现测量位置的调整和显微物镜9的调焦，保证测量的精确度。

在上述基础上，如图1所示，所述所述第一分束器12与目镜14之间斜向设置有第二分束器13，所述第二分束器13一侧依次设置有成像透镜15和CCD相机16，使得待测物反射的光显微物镜9后经第一分束器12、第二分束器13和成像透镜15到达CCD相机16，待测人员可通过在CCD相机16屏幕上观察，实现测量位置的调整和显微物镜9的调焦，保证测量的精确度。

在上述基础上，如图1所示，所述第一分束器12、第二分束器13、目镜14、成像透镜15和CCD相机16均安装在移动架上，还包括驱动移动架水平移动的移动导轨，所述移动导轨的设置，可以对第一分束器12、第二分束器13、目镜14、成像透镜15和CCD相机16的位置进行调整，移进可进行观察调整，移出可用于最大化的光能量的利用，缩短成像所需要的曝光时间，实现高速测量。

在上述基础上，还包括机械扫描装置10，所述显微物镜9安装在机械扫描装置10上，所述显微物镜9和机械扫描装置10包括两套，所述两套显微物镜9分别为高倍率显微物镜9和低倍率显微物镜9，还包括切换装置，所述两套显微物镜9和机械扫描装置10均安装在切换装置上，上述机械扫描装置10可以为PZT微动扫描装置，所述置物台11为五维位移台，包含有XYZ三轴和角度αβ调整，本扫描机构的机械运动由五维位移台或者PZT微动扫描装置组成，使其可用于测量大规模集成电路晶片和其他表面连续扫描测量，如线扫描或区域扫描。

在上述基础上，所述宽频带白色光源为卤钨灯，所述每个卤钨灯均都是低功率的，只有50W，因此不需要安装风扇或冷却系统，可减少机械振动，同时减少耗电量。

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

Claims (10)

1.光学三维测量系统，其特征在于：包括光源系统(1)，所述光源系统(1)一侧斜向设置有第一分光镜(4)，所述第一分光镜(4)一侧设置有尼普科夫圆盘(5)，使得光源系统(1)射出的平行光经第一分光镜(4)后偏折90度射向尼普科夫圆盘(5)，所述尼普科夫圆盘(5)远离第一分光镜(4)一侧依次设置有第一投影物镜(6)、色差透镜(7)和显微物镜(9)，所述显微物镜(9)远离色差透镜(7)一侧还设置有用于放置待测物的置物台(11)，使得穿过尼普科夫圆盘(5)的光束经由第一投影物镜(6)、色差透镜(7)和显微物镜(9)成像在待测物表面，所述第一分光镜(4)远离尼普科夫圆盘(5)一侧依次设置有第二投影物镜(17)和CCD彩色摄像机(18)，使得带测产品表面反射的光经由显微物镜(9)、色差透镜(7)、第一投影物镜(6)、尼普科夫圆盘(5)、第一分光镜(4)、第二投影物镜(17)进入CCD彩色摄像机(18)内。

2.如权利要求1所述的光学三维测量系统，其特征在于：所述光源系统(1)包括内部涂有高反射率材料的积分球，所述积分球包括至少一个入光口和一个出光口(2)，所述入光口出设置有宽频带白色光源。

3.如权利要求2所述的光学三维测量系统，其特征在于：所述宽频带白色光源发光口处设置有用于去除有害红外光能量的带通滤波片。

4.如权利要求2所述的光学三维测量系统，其特征在于：所述积分球的出光口(2)处设置有科勒照明系统(3)。

5.如权利要求1所述的光学三维测量系统，其特征在于：所述显微物镜(9)和色差透镜(7)之间还斜向设置有第一分束器(12)，所述第一分束器(12)一侧设置有目镜(14)，使得待测物反射的光显微物镜(9)后经第一分束器(12)后到达目镜(14)。

6.如权利要求5所述的光学三维测量系统，其特征在于：所述第一分束器(12)与目镜(14)之间斜向设置有第二分束器(13)，所述第二分束器(13)一侧依次设置有成像透镜(15)和CCD相机(16)，使得待测物反射的光显微物镜(9)后经第一分束器(12)、第二分束器(13)和成像透镜(15)到达CCD相机(16)。

7.如权利要求6所述的光学三维测量系统，其特征在于：所述第一分束器(12)、第二分束器(13)、目镜(14)、成像透镜(15)和CCD相机(16)均安装在移动架上，还包括驱动移动架水平移动的移动导轨。

8.如权利要求1所述的光学三维测量系统，其特征在于：还包括机械扫描装置(10)，所述显微物镜(9)安装在机械扫描装置(10)上，所述显微物镜(9)和机械扫描装置(10)包括两套，所述两套显微物镜(9)分别为高倍率显微物镜(9)和低倍率显微物镜(9)，还包括切换装置，所述两套显微物镜(9)和机械扫描装置(10)均安装在切换装置上。

9.如权利要求1所述的光学三维测量系统，其特征在于：所述置物台(11)为五维位移台。

10.如权利要求2所述的光学三维测量系统，其特征在于：所述宽频带白色光源为卤钨灯，所述CCD彩色摄像机(18)为Foveon彩色照相机。

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