TW201604609A - 自動聚焦系統 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種用於使一檢驗系統之一照相機自動聚焦之一距離測量系統，該檢驗系統用於檢驗被圖案化之一平坦表面。該系統包含一圖案產生器、一圖像感測器、至少一光學元件、及一處理器。該圖案產生器朝該平坦表面以斜角投射一空間隨機圖案。該至少一光學元件在該圖像感測器上形成所反射之該空間隨機圖案之一圖像，且該圖像感測器捕捉從該平坦表面所反射之該空間隨機圖案之該圖像。該處理器處理該空間隨機圖案之該圖像並提供自動聚焦資訊。

Description

自動聚焦系統
本發明在其一些實施例中涉及自動聚焦系統，且更具體來說(但非排他性之)，涉及供在用於一電路之檢驗系統中使用之自動聚焦系統，該電路例如為印刷電路板(printed circuit board；PCB)、晶片、或其他上面包含圖案之大體平坦物體，例如薄膜電晶體(thin film transistor；TFT)面板、平板顯示器(Flat Panel Display；FPD)、及OLED面板。
先前技術中、自動聚焦系統已知用於對晶片、裸PCB、平板顯示器(FPD)、薄膜電晶體(TFT)面板進行自動化光學檢驗(automated optical inspection；AOI)且也用於PCB製作之成像解決方案。在這些領域中，相對平整物體(例如面板)係為在近範圍處以通常小之場深來加以檢驗及/或成像。在一些自動化光學檢驗系統中，照相機之視場可能小至數百微米到數毫米，而面板之整體大小可高達2×2.5m。在其他領域中，平整物體可能以更低放大率及更大場深來加以檢驗。通常需要使該自動聚焦系統在對面板之不同部分進行成像時維持準確之工作距離。舉例來說，跨面板之工作距離偏差可歸因於板厚度之固有容差、面板平整度之容差、及/或AOI系統(或類似系統)在沿著支撐台板之不同位置處之容差。
許多已知之自動聚焦系統使用三角測量方法來調整照相機 之工作距離。通常，對於三角測量，將點、線或柵格圖案以斜角投射在表面上，並使用照相機來捕捉所投射光束之鏡面反射。感測該點、線或柵格之側向位移，並使用三角測量方法來使所檢測側向位移與照相機相對於所定義工作距離之偏差相關。所感測側向位移或所檢測之相對於焦點之偏差為致動器提供用於調整照相機物鏡之定位之輸入。靈敏度隨傾斜照射角度及光束斑大小而變。
名稱為“使光學頭聚焦在物體主體上之方法及用於包含傾斜檢測之光學檢驗系統之自動聚焦裝置(Method of focusing optical head on object body and automatic focusing device for optical inspection system including tilt detection)”之第5,136,149號美國專利描述一種支撐在可移動台板機構上之半導體晶片，該美國專利之內容以引用方式併入本文中。為將晶片之表面維持在物鏡之焦點處且維持晶片與物鏡之光學軸線垂直之角度，將光束引導到晶片。所反射光被分成第一光束及第二光束。第一光束由一維位置感測裝置(position sensing device；PSD)接收，而第二光束由二維PSD接收。回應於一維PSD及二維PSD之相應輸出而驅動可移動台板機構，以便即使在使晶片移動以掃描該晶片上之相應區時也維持晶片與物鏡之對焦狀態。
名稱為“具有圖案成像系統之自動聚焦顯微鏡(Autofocussing microscope having a pattern imaging system)”之第5,604,344號美國專利描述一種包含圖案成像系統、單個圖像檢測器、及圖案聚焦分析儀之用於顯微鏡之自動聚焦機構，該美國專利之內容以引用方式併入本文中。該圖案成像系統沿著顯微鏡之主光學路徑、透過該顯微鏡之物鏡將至少一圖案成像到物體表面上。接著，該圖案之圖像與物體之圖 像組合且被沿著主光學路徑而朝顯微鏡之圖像平面反射。公開了對高對比圖案之使用。該圖像檢測器檢測所反射圖像，且該圖案聚焦分析儀通過分析圖像檢測器之輸出來確定圖案之清晰度。該圖案聚焦分析儀還可向用於改變距離之設備指示沿聚焦度增加之方向移動。通過以下操作來確定聚焦方向：將兩個圖案成像在自動聚焦設備之透鏡之物體平面上方及下方距離δ處，並將所反射圖像中兩個圖案之聚焦度進行比較。
名稱為“追蹤式自動聚焦系統(Tracking auto focus system)”之第7,301,133號美國專利描述一種用於使瞄準TFT陣列之顯微鏡維持連續對焦以便消除原本將需要之自動聚焦時間之追蹤式自動聚焦系統，該美國專利之內容以引用方式併入本文中。該追蹤式自動聚焦系統部分地包含顯微鏡Z致動器、PSD、類比到數位轉換器(analog-to-digital convert；ADC)、信號調節器、數位比例積分與微分(proportional and differentiating；PID)控制器、及數位到類比轉換器。該PSD與該ADC及信號調節器一起連續地監視並檢測顯微鏡之物鏡與目標之間之距離且將所測量距離供應到放大器。該PID控制器與該DAC一起使顯微鏡之物鏡與目標之分離距離穩定，以維持最佳聚焦。
在物理期刊：會議錄139(2008)012026(Journal of Physics：Conference Series 139(2008)012026)中發表且名稱為“用於3D感測之斑點圖案之投射(Projection of speckle pattems for 3D sensing)”之文章描述了使用所投射斑點圖案來感測深度及厚度，該文章之內容以引用方式併入本文中。在不同平面處產生不同空間隨機圖案。歸因於斑點現象，在不同高度處獲得之圖案係為高度隨機之且彼此不相關。該感測係基於斑點圖案隨著傳播之改變、及在不同深度或側向位置處記錄之斑點圖案之間之相關性 缺失。此原理用於測繪透明介質之厚度、用於深度測距且用於對漫射物體進行三維測繪。已發現，因斑點現象所致之相關性缺失將僅在斑點圖案係在比橫向或軸向斑點大小大之側向或軸向距離處攝取時實現。
根據本發明一些實施例之方面，提供一種包含距離測量系統(Distance Measurement System；DMS)之自動聚焦系統，該DMS產生及/或利用空間隨機自動聚焦圖案來代替所定義幾何自動聚焦圖案，例如，通常在已知三角測量自動聚焦系統中投射之線或柵格圖案。根據本發明之一些實施例，該DMS將該空間隨機圖案投射在照相機之整個視場(field of view；FOV)上及/或照相機之視場(FOV)之相當大部分上。視需要，該DMS將該空間隨機圖案投射在比照相機之FOV大之區域上。根據本發明之一些實施例，該空間隨機圖案係為斑點圖案。視需要，該DMS與用於以小焦深(depth of focus)及小視場來檢驗大平坦表面之照相機及/或成像系統一起運作。視需要，包含DMS之自動聚焦系統特別適合於在檢驗被圖案化之大平坦表面時提供聚焦。
本發明一些實施例之方面係提供一種用於使檢驗系統之照相機自動聚焦之距離測量系統，該檢驗系統用於檢驗被圖案化之平坦表面，該距離測量系統包含：圖案產生器，用於朝該平坦表面以斜角投射空間隨機圖案；圖像感測器，用於捕捉從該平坦表面反射之該空間隨機圖案之圖像；至少一光學元件，用於在該圖像感測器上形成該所反射之該空間隨機圖案之該圖像；以及處理器，用於處理該空間隨機圖案之由該圖像感測器捕捉之該圖像並提供自動聚焦資訊。
視需要，該圖案產生器包含雷射二極體，該雷射二極體以與 用於檢驗該平坦表面之範圍不同之光範圍進行照射。
視需要，該圖案產生器包含用於提供同調光束之照射器、及用於產生該空間隨機圖案之漫射器。
視需要，該圖案產生器包含至少一透鏡，該空間隨機圖案係透過該至少一透鏡而投射，且其中該照射器及該漫射器與該至少一透鏡之間之距離被定義成使投射到該平坦表面上之光線產生發散性。
視需要，該圖案產生器包含不止一個同調照射源，每一個同調照射源均產生唯一空間隨機圖案。
視需要，每一同調照射源均透過專用漫射器進行照射。
視需要，每一照射器均以不同角度進行投射。
視需要，該圖案產生器用以產生斑點圖案。
視需要，該圖案產生器將該空間隨機圖案投射在比該圖像感測器之視場大之區域上。
視需要，該至少一光學元件係用於捕捉該平坦表面之圖像以進行檢驗之成像光學器件。
視需要，該至少一光學元件包含顯微鏡光學器件，且其中該圖案產生器透過該顯微鏡光學器件之物鏡而朝該平坦表面投射該空間隨機圖案。
視需要，該系統包含記憶體，該記憶體用於存儲從該平坦表面反射之該空間隨機圖案之至少一校準圖像，其中該處理器執行該空間隨機圖案之該圖像與該空間隨機圖案之該校準圖像之間之相關。
視需要，該圖像感測器以關注區域模式捕捉該空間隨機圖案之該圖像。
視需要，該圖像感測器從以關注區域模式捕捉該空間隨機圖案之該圖像切換到以全畫面模式捕捉用於檢驗該平坦表面之第二圖像。
視需要，該圖案產生器包含雷射光束源及全像光罩。
本發明一些實施例之方面係提供一種用於使檢驗系統之照相機相對於平坦表面自動聚焦以進行檢驗之自動聚焦系統，該自動聚焦系統包含：圖案產生器，用於產生空間隨機圖案並朝平坦表面以斜角投射所產生之該圖案；照相機，用於捕捉從該平坦表面反射之該空間隨機圖案之圖像；處理器，用於處理該空間隨機圖案之由該照相機捕捉之該圖像並回應於該處理步驟而提供自動聚焦資訊；致動器，用於改變該照相機與該平坦表面之間之工作距離；以及控制器，用於回應於由該處理器提供之自動聚焦資訊而控制該致動器之運作。
視需要，該圖案產生器包含雷射二極體，該雷射二極體以與用於檢驗該平坦表面之範圍不同之光範圍進行照射。
視需要，該圖案產生器包含用於提供同調光束之照射器、及用於產生該空間隨機圖案之漫射器。
視需要，該系統包含記憶體，該記憶體用於存儲在已知致動器位置處從該平坦表面反射之該空間隨機圖案之至少一校準圖像，其中該處理器執行該空間隨機圖案之該圖像與該空間隨機圖案之該校準圖像之間之相關。
視需要，該處理器提供朝所需致動器位置之距離及方向。
視需要，該照相機以關注區域模式捕捉該空間隨機圖案之該圖像。
本發明一些實施例之方面係提供一種用於使檢驗系統之照相機相對於平坦表面自動聚焦以進行檢驗之方法，該方法包含：將空間隨機圖案以斜角投射在該平坦表面上；用照相機捕捉從該平坦表面反射之該空間隨機圖案之圖像；將該圖像與在致動器之已知位置處捕捉之至少一校準圖像進行比較；響應於該比較步驟而確定到預定義目標致動器位置之距離及方向；以及將致動器位置調整到該目標致動器位置。
視需要，該空間隨機圖案係為投射在該照相機之整個視場上。
視需要，該空間隨機圖案係為投射在比該照相機之該視場大之區域上。
視需要，將該圖像之僅一部分與該至少一校準圖像進行比較。
視需要，該比較步驟包含確定該空間隨機圖案之平移。
視需要，該比較步驟包含確定該空間隨機圖案之按比例縮放。
視需要，該方法包含：使該圖像與多個校準圖像相關，每一校準圖像係在該致動器之不同已知位置處捕捉；識別與最大相關性相關聯之致動器位置；以及確定所識別之該致動器位置與該預定義目標致動器位置之間之距離。
視需要，該方法包含以該照相機之關注區域模式捕捉該空間 隨機圖案之圖像。
視需要，該方法包含以與用於檢驗該平坦表面之範圍不同之光範圍來投射該空間隨機圖案。
視需要，該方法包含：隨著該照相機在該平坦表面上之所定義座標之間移動，重複地投射該空間隨機圖案並捕捉該空間隨機圖案之圖像；以及根據需要重複地將該致動器位置調整到該目標致動器位置，直到到達所定義之所檢測缺陷區為止。
視需要，該方法包含：在以下兩種操作之間交替：將該空間隨機圖案以斜角投射在該平坦表面上、以及投射用於檢驗該平坦表面之照射；以及在以下兩種操作之間交替：回應於投射該空間隨機圖案而以關注區域模式捕捉圖像、以及回應於投射用於檢驗該平坦表面之照射而以全畫面模式捕捉圖像。
視需要，自動聚焦係在該檢驗系統之掃描運作期間執行。
視需要，用於投射該空間隨機圖案之持續時間比用於檢驗該平坦表面之照射之持續時間長。
視需要，該方法包含：將該空間隨機圖案投射在該照相機之視場之第一部分上；以及將用於檢驗該平坦表面之照射投射在該視場之第二部分上，該第二部分與該第一部分不同；以及基於從該視場之該第一部分獲得之資訊而使該照相機自動聚焦。
視需要，用於投射該空間隨機圖案之持續時間比用於檢驗該平坦表面之照射之持續時間長。
視需要，該方法包含：同時在共同視場上投射用於檢驗該平 坦表面之照射及投射該空間隨機圖案；回應於該同時投射步驟而捕捉圖像；以及基於對該空間隨機圖案及包含在該平坦表面上之圖案之預定義表徵而將該空間隨機圖案自包含在該平坦表面上之該圖案分離。
視需要，用於投射該空間隨機圖案之持續時間比用於檢驗該平坦表面之照射之持續時間長。
本發明一些實施例之方面係提供一種用於校準用於使檢驗系統之照相機聚焦之自動聚焦系統之方法，該檢驗系統用於檢驗平坦表面，該方法包含：記錄用於調整照相機之工作距離之致動器之位置；將空間隨機圖案以斜角投射在該平坦表面上；用該照相機捕捉從該平坦表面反射之該空間隨機圖案之第一圖像；投射用於捕捉該平坦表面之圖像之照射；用該照相機捕捉該平坦表面之第二圖像；以及使致動器之該位置與該第一圖像及該第二圖像相關聯；針對該第一圖像及該第二圖像兩者且針對不同致動器位置，重複該投射、捕捉及相關聯步驟；處理該平坦表面之該圖像，以確定聚焦品質；以及基於處理步驟而識別目標致動器位置。
視需要，該平坦表面係為通過蝕刻或直接印刷而圖案化。
視需要，該空間隨機圖案係為斑點圖案。
視需要，該方法包含基於該處理步驟而定義用於確定離開該目標致動器位置之距離及方向之模型。
除非另有定義，否則本文中所使用之所有技術及/或科學術語均具有與本發明所屬領域之普通技術人員通常所理解之含義相同之含義。雖然在實踐或測試本發明之實施例時可使用與本文所述之方法及材料類似或等效之方法及材料，但下文對實例性方法及/或材料進行描述。在出 現衝突之情況中，以專利說明書(包含定義)為准。另外，該材料、方法及實例僅係為例示性而非旨在必然限制性。
100‧‧‧檢驗系統
102‧‧‧底架
106‧‧‧基板
110‧‧‧靜態懸浮台板
112‧‧‧第一橋形器件
113‧‧‧第二橋形器件
124‧‧‧位移器
128‧‧‧照相機
132‧‧‧可移動照相機
210‧‧‧照射器
220‧‧‧透鏡元件
300‧‧‧照相機
301‧‧‧照相機
302‧‧‧照相機
310‧‧‧雷射二極體/雷射器
315‧‧‧透鏡/光學器件
316‧‧‧透鏡
320‧‧‧漫射器
330‧‧‧二向色分束器
350‧‧‧圖案產生器
351‧‧‧圖案產生器
352‧‧‧圖案產生器
355‧‧‧圖像感測器
360‧‧‧主光學路徑
370‧‧‧成像光學器件
371‧‧‧透鏡
373‧‧‧上部場透鏡/成像光學器件
375‧‧‧分束器
380‧‧‧物鏡
385‧‧‧光線
395‧‧‧平坦表面
400‧‧‧顯微鏡照相機/顯微鏡
405‧‧‧照相機
420‧‧‧圖案產生器
425‧‧‧光學器件
430‧‧‧圖像感測器
440‧‧‧處理單元/處理器
445‧‧‧控制器
450‧‧‧致動器
460‧‧‧記憶體
480‧‧‧距離測量系統(DMS)
490‧‧‧自動聚焦系統
501‧‧‧相關值
502‧‧‧峰值相關性
510‧‧‧圖案
530‧‧‧空間隨機自動聚焦圖案/斑點圖案
605~645‧‧‧操作
710‧‧‧快速照射脈衝/標準照射脈衝
715‧‧‧讀出時間
720‧‧‧自動聚焦照射脈衝
725‧‧‧讀出時間
750‧‧‧讀出
X‧‧‧方向
Y‧‧‧方向
Z‧‧‧方向
本文將參照附圖及/或圖像僅以舉例方式來描述本發明之一些實施例。現在詳細地具體參照圖式，應強調，所示細節係僅以舉例方式且為便於例示性地論述本發明實施例而給出。就這一點來說，參照圖式來閱讀本說明會使所屬領域之技術人員明瞭可如何實踐本發明之實施例。
在圖式中：第1圖係根據本發明一些實例性實施例可改裝有自動聚焦系統之用於檢驗大平坦表面之實例性檢驗系統之示意圖；第2圖係根據本發明一些實施例與檢驗系統之照相機集成在一起之DMS之光學結構之簡化示意圖；第3圖係根據本發明一些實施例與檢驗系統之顯微鏡集成在一起之DMS之光學結構之簡化示意圖；第4A圖及第4B圖係根據本發明一些實施例與檢驗系統之照相機集成在一起之DMS之替代光學結構之簡化示意圖；第5圖係根據本發明一些實施例投射在經圖案化表面上之所反射斑點圖案之示例性圖像；第6A圖、第6B圖及第6C圖係顯示根據本發明一些實施例因照相機之工作距離改變所致之斑點圖案平移及/或按比例縮放之實例性圖示； 第7圖係根據本發明一些實施例之自動聚焦系統之實例性元件之簡化操作圖；第8圖係根據本發明一些實施例用於校準自動聚焦系統之實例性方法之簡化流程圖；第9圖係根據本發明一些實施例在自動聚焦期間捕捉之圖像與存儲在記憶體中之校準圖像之間之實例性相關值之簡化曲線圖；第10圖係根據本發明一些實施例在使DMS運作與捕捉用於掃描平坦物體之圖像之間交替之簡化時間線；第11圖係根據本發明一些實施例使DMS運作以捕捉平坦物體上之多個離散區域之圖像之簡化時間線；以及第12圖係根據本發明一些實施例以相同圖像使DMS運作及掃描平坦物體之簡化時間線。
本發明在其一些實施例中涉及自動聚焦系統，且更具體來說(但非排他性之)，涉及使用用於電路之檢驗系統中之自動聚焦系統，該電路例如為印刷電路板(PCB)、晶片、或其他上面包含圖案之大體平坦物體，例如薄膜電晶體(TFT)面板、平板顯示器(FPD)、及OLED面板。
根據本發明一些實施例之方面，提供一種DMS，其用於產生空間隨機自動聚焦圖案，並利用空間隨機自動聚焦圖案之照射及反射來感測使成像系統(例如，照相機及/或顯微鏡照相機)相對於平坦表面聚焦 以進行檢驗所需之調整。根據本發明之一些實施例，該DMS包含自動聚焦圖案產生器，該自動聚焦圖案產生器可運作以將該空間隨機自動聚焦圖案以傾斜照射投射在平坦表面上。
在一些實例性實施例中，該空間隨機自動聚焦圖案由包含峰及谷之連續圖案形成。通常，此圖案係為斑點圖案。
根據本發明之一些實施例，該DMS跟隨及/或感測隨機圖案(例如，斑點)之一個或多個特徵因成像系統之工作距離改變而沿一個或多個方向之移位及/或按比例縮放。根據本發明一些實施例之方面，該DMS係為自動聚焦系統之一部分，且該自動聚焦系統使用來自該DMS之輸出來調整成像系統之工作距離以進行聚焦。
根據本發明之一些實施例，該DMS適合於使成像系統相對於被圖案化之平坦表面聚焦。本發明人已發現，在應用於使成像系統相對於被圖案化之平坦表面(例如，TFT面板、FPD及OLED面板)聚焦時，本文中所述之DMS可提供勝過其他已知DMS之優點。通常，TFT面板等係用例如金屬、氧化銦錫(indium tin oxide；ITO)、結晶矽、及/或非晶矽等材料在一個或多個階段內圖案化而成。通常，具有這些材料之圖案係通常與由已知DMS所常用之幾何圖案高度相關之幾何圖案。本發明人已發現，DMS可使用與物體圖案不相關之空間隨機自動聚焦圖案來代替已知之所定義幾何自動聚焦圖案，以在自動聚焦期間避免與蝕刻及/或以其他方式印刷在表面上之圖案混淆。
在基於三角測量之系統中，自動聚焦圖案會(因其傾斜投射)隨著工作距離改變而移位。在相對於所定義工作距離有大偏差時，小之圖案可能會落在FOV之外。本發明人也已發現，通過將空間隨機自動聚焦圖 案投射在FOV之相當大部分上、整個FOV上及/或比FOV大之區域上，自動聚焦圖案落在FOV之外之可能性顯著降低。本發明人已發現，如本文所述之自動聚焦可應用於使具有大工作距離偏差之檢驗系統聚焦，而不會損失準確度。由於自動聚焦圖案係以斜角並在經擴展區域上投射的，因此可在成像系統之不同工作距離處捕捉自動聚焦圖案之不同部分。本發明人也已發現，雖然可在不同工作距離處對自動聚焦圖案之不同部分進行成像，但仍可提供自動聚焦。
在一些實例性實施例中，選擇空間隨機自動聚焦圖案之反射之僅一部分來進行分析。視需要，選擇反射之圍繞FOV中心之一部分來進行分析。本發明人已發現，通過用空間隨機自動聚焦圖案照射FOV之相當大區域並選擇鏡面反射之一部分來進行分析，在光學/機械組裝階段中定位自動聚焦圖案所需之準確度實質上降低，且精度在大之動態範圍內得以維持。根據本發明之一些實施例，只要對光學/機械部件之定位可相對於彼此穩定，便可維持自動聚焦系統之精度及動態範圍。
根據本發明之一些實施例，所使用之空間隨機自動聚焦圖案係為斑點圖案。使用斑點圖案作為自動聚焦圖案之一個優點係為，斑點圖案在大之工作距離動態範圍及所成像區域內提供穩定聚焦。通常，在現有技術系統中，所投射自動聚焦圖案將因不同工作距離而對焦及離焦。在此種情況中，重要之係為對自動聚焦圖案進行引導，使得所投射自動聚焦圖案之最佳焦點準確地定位在照相機之最佳焦點中。本發明人已發現，當使用斑點圖案時，圖案會保持相對良好之聚焦，以致不需要使照相機焦點與斑點圖案之焦點匹配。因此，通常不需要進行精確之機械校準便能使自動聚焦圖案之焦平面與照相機/顯微鏡之焦平面對準，而這通常係已知DMS所 需要之。
使用斑點圖案來進行自動聚焦之另一優點係為，可以相對低之成本產生既隨時間穩定又在基板之不同區域上穩定之斑點圖案。在一些實例性實施例中，用漫射器及雷射光束源來產生斑點圖案。視需要，通過透過全像光罩投射雷射光束來產生斑點圖案。
雖然已知曉用於使用斑點圖案進行深度測距之已知方法，但這些方法係基於在不同深度內斑點圖案之間之相關性缺失。本發明人已發現，對於數量級為幾個場深之小深度改變來說，此類斑點圖案改變並不顯著，而是已發現，可在三角測量方法中使用斑點圖案來檢測斑點圖案要素之移位及/或按比例縮放。在一些實例性實施例中，可發生斑點圖案在不止一個方向上之移位及/或斑點圖案之按比例縮放，且對此進行檢測並將此用於自動聚焦。
根據本發明之一些實施例，當檢驗鏡面物體(例如，玻璃)時，斑點圖案或其他空間隨機圖案係視情況透過物鏡而被傾斜投射，且接著沿著主光學路徑而朝成像系統之圖像平面反射。另一選擇為，該斑點圖案係沿著視情況通向替代圖像感測器之替代光學路徑反射。圖像檢測器獲取所反射圖像，且處理單元分析所反射空間隨機圖案之移位及/或按比例縮放，以確定相對於所需及/或所聚焦工作距離之距離及方向。另一選擇為，使用專用於自動聚焦之圖像感測器。在一些實例性實施例中，該處理單元確定所反射圖像與一個或多個在成像系統之已知工作距離處捕捉之所預存儲圖像之間之相關性。在一些實例性實施例中，使用卷積來追蹤在不同工作距離內斑點圖案之移動。在一些實例性實施例中，確定一個或多個斑點峰值中心之座標，並追蹤其位置及/或將該位置與所存儲座標進行比較，以 定義對照相機之工作距離之調整。
在一些實例性實施例中，自動聚焦系統以追蹤模式運作且隨著成像系統跨基板移動而使成像系統維持連續對焦，以便消除原本將需要用於使成像系統聚焦在基板上之所定義座標處之自動聚焦時間。通常，在追蹤模式期間，隨著成像系統朝所定義座標移動而捕捉自動聚焦圖像。另一選擇為或另外，回應於成像系統到達所定義位置(例如，缺陷區)而執行自動聚焦。在一些實例性實施例中，自動聚焦系統以檢驗系統之掃描模式運作。通常，在掃描模式期間，自動聚焦系統在成像系統之運動期間以預定義速率來執行自動聚焦。通常，成像系統在捕捉檢驗圖像與捕捉自動聚焦圖像之間交替。通常，在追蹤模式及掃描模式兩者期間為進行自動聚焦而捕捉之圖像被定義成實質上小於掃描圖像。
視需要，該成像系統包含顯微鏡。
為便於更好地理解如圖式之第2圖至第6圖中所例示之本發明一些實施例，首先參照如第1圖中所例示供與本發明實施例一起使用之適於檢驗平板顯示器(FPD)之實例性系統之構造及運作。已知檢驗系統100對於檢驗製作中之FPD係有用之。檢驗系統100包含安裝在底架102上之靜態懸浮台板110。該檢驗系統還包含位移器124，位移器124用於使大體平坦基板106沿著Y方向且優選地平行於靜態懸浮台板110而移動。檢驗系統100通常包含多個用於掃描之照相機128(例如第一檢驗單元)，照相機128安裝在靜態懸浮台板110之第一橋形器件112上並連接到影像處理單元。通常，由照相機128捕捉之圖像資料被即時處理，以識別大體平坦基板106之可能有缺陷之部分。通常，各照相機128中之每一個均包含自動聚焦特徵，該自動聚焦特徵用於即時調整該照相機中之每一個之焦點。通常，沿Z方向來調整 各照相機128中之每一個，以與基板106維持所需工作距離。檢驗系統100通常還包含一個或多個可移動照相機132(例如，高解析度攝像機或顯微鏡)(例如第二檢驗單元)，該一個或多個可移動照相機132安裝在相對於第一橋形器件112位移(例如，在第一橋形器件112下游)且也橫跨靜態懸浮台板110之第二橋形器件113上，並連接到用於將所捕捉之缺陷分類之圖像後處理單元。通常，可移動照相機132被沿X方向(例如，橫掃描方向)來回驅動，且回應於從影像處理電腦接收到之輸入而被觸發。通常，該影像處理電腦提供用於重新定位平坦基板106上被懷疑為有缺陷之區域之資訊。通常，X軸線電動機及控制器控制可移動照相機132在第二橋形器件113上之定位。通常，照相機132也包含自動聚焦特徵，該自動聚焦特徵用於通過使照相機132沿Z方向移動而使照相機132聚焦在基板106之所指定缺陷區域上。通常，來自可移動照相機132之輸出用於：對缺陷區域進行視覺檢驗、自動缺陷分類、及/或對圖案之不同特徵進行臨界尺寸與疊對(critical dimension and overlay；CDO)測量。通常，來自可移動照相機之輸出由圖像後處理電腦處理。現在參見第2圖，其顯示根據本發明一些實施例與檢驗系統之照相機集成在一起之DMS之光學結構之簡化示意圖。通常，照相機300包含圖像感測器355、成像光學器件370、及照射器210。通常，照射器210以可見光範圍進行照射。視需要，使用一個或多個透鏡元件220來調節照射。視需要，用分束器375將照射引導到平坦表面395上之目的地區域。通常，來自照射器210之照射係沿著主光學路徑360、透過成像光學器件370而朝圖像感測器355反射。通常，成像光學器件370包含一個或多個透鏡371。在一些實例性實施例中，DMS與照相機300集成在一起。另一選擇為，來自照射器210之照射係沿著視需要通向替代圖像感測器之替代光學路徑反射。在一些實例性實施例中，當對漫射性物體(例如，PCB、及/或為部分漫射性且部分反 射性之物體)進行成像時，來自照射器210之照射係沿著替代光學路徑反射，且主光學路徑不用於自動聚焦。
根據本發明之一些實施例，該DMS包含用於在平坦表面395上之指定區域上產生空間隨機自動聚焦圖案之圖案產生器350。根據本發明之一些實施例，來自自動聚焦圖案產生器350之光線385係以斜角投射在平坦表面395上，以便可應用三角測量方法、基於所檢測到之自動聚焦圖案移位而確定照相機300之工作距離之改變。在一些實例性實施例中，圖案產生器350之光學性質被定義成使得光線385係以平行方式朝平坦表面395引導。在一些實例性實施例中，通過光線385投射之空間隨機自動聚焦圖案也沿著主光學路徑360、透過成像光學器件370而朝圖像感測器355(例如，CCD或CMOS感測器)反射。根據本發明之一些實施例，對所反射自動聚焦圖案之圖像進行分析，以進行自動聚焦。通常，當射到平坦表面395上之光線385為平行時，因工作距離改變所致之自動聚焦圖案移位係大致上全域的，例如，整個自動聚焦圖案一起沿大致上相同方向移位且移位大致上相同距離。根據本發明之一些實施例，與照相機300相關聯之致動器響應於對該圖像中之一個或多個之分析而沿Z方向調整照相機300之工作距離。
在一些實例性實施例中，圖案產生器350能夠將空間隨機自動聚焦圖案投射在圖像感測器355之整個FOV上或投射在大於整個FOV之區域上。另一選擇為，圖案產生器350包含能夠將空間隨機自動聚焦圖案(例如，斑點圖案)投射在照相機300之FOV之所指定部分處之光學器件。
根據本發明之一些實施例，圖案產生器用雷射二極體310產生自動聚焦圖案，雷射二極體310以近紅外(near infrared；NIR)範圍進行照射。視需要，使用低於750μm及/或介於650μm與750μm之間之波長。根 據本發明之一些實施例，使用二向色分束器330將來自照射器210及圖案產生器350兩者之照射引導到平坦表面395上之目的地區域。
在一些實例性實施例中，照相機300在用照射器210進行照射與用圖案產生器350進行照射之間交替。通常，用照射器210捕捉之圖像係用於檢驗平坦表面395，且用圖案產生器350捕捉之圖像係用於使照相機300自動聚焦。在其他實例性實施例中，照射器210及圖案產生器350同時進行照射，且對用於檢驗之圖像執行自動聚焦。
通常，當針對圖案產生器350使用近IR範圍時，透過二向色分束器330時之能量損耗為小之及/或不顯著之。應注意，為清晰起見，僅顯示了從圖案產生器350投射之光線385。另一選擇為，DMS使用專用成像光學器件及/或圖像感測器(例如，不使用成像光學器件370及圖像感測器355)來進行自動聚焦感測。
根據本發明之一些實施例，圖案產生器350用雷射二極體310、漫射器320、及透鏡315來產生斑點圖案。視需要，透鏡315用於由雷射二極體310及漫射器320產生之斑點圖案之自定性質。通常，從雷射二極體310傳出之光線在到達漫射器320時係高度平行的。本發明人已發現，用雷射器及漫射器產生之斑點圖案既隨時間穩定又在照相機300之FOV上穩定，只要雷射二極體310之性質隨時間穩定且漫射器之性質在其所照射區域上穩定即可。
根據本發明之一些實施例，可調整斑點圖案之一個或多個特性，以獲得該DMS之所需準確度。通常，可通過調整雷射二極體310之波長、漫射器320之被雷射器310照射之面積，及/或通過定義漫射器320之性質來調整斑點圖案中斑點之大小。通常，當雷射二極體310照射漫射器320之一大 部分時，斑點大小會較小。雖然小之斑點大小對於在不同工作距離處檢測自動聚焦圖案之平移可提供較高準確度，但在雷射二極體310照射漫射器320之一大部分時發生之平移量值通常小於在雷射二極體310照射漫射器320之較小部分時之平移。通常，可按照系統類型來解決斑點大小與斑點平移之間之折衷問題。
現在參見第3圖，其顯示根據本發明一些實施例與檢驗系統之顯微鏡集成在一起之DMS之光學結構之簡化示意圖。根據本發明之一些實施例，DMS與定位在平坦表面395上方之顯微鏡照相機400一起運作。通常，在顯微鏡照相機中，物鏡380與成像光學器件及/或上部場透鏡373分離。根據本發明之一些實施例，分束器375定位在場透鏡373與物鏡380之間。根據本發明之一些實施例，圖案產生器350將照射以直角投射到主光學路徑，且物鏡380能夠使光線385彎曲，使得光線385以斜角到達平坦表面395。視需要，用於顯微鏡照相機之斜角大於用於較低放大率照相機(例如，如參見第2圖所述)之斜角。視需要及/或另一選擇為，圖案產生器350直接朝物鏡380以斜角投射照射。通常，該照射被引導到平坦表面395上之目的地區域，且接著反射到主光學路徑360中、透過成像光學器件373而朝圖像感測器355反射。另一選擇為，來自圖案產生器350之照射係沿著替代光學路徑反射。
現在參見第4A圖及第4B圖，其顯示根據本發明一些實施例與檢驗系統之照相機集成在一起之DMS之替代光學結構之簡化示意圖。應注意，雖然係針對如第2圖中所述之照相機來顯示替代實例性光學結構，但相同或類似結構也可應用於如第3圖中所述之顯微鏡照相機。視需要，可將不止一種替代方案應用於照相機300及/或顯微鏡照相機400。現在參見第4A 圖，顯示照相機301與圖案產生器351集成在一起，圖案產生器351將空間隨機自動聚焦圖案以變焦效果投射在平坦表面395上。視需要，雷射二極體310與光學器件315之間之距離被定義成使得光線385在射到平坦表面395上時將係不平行的。視需要，當使用不平行投射時，空間隨機自動聚焦圖案通常回應於照相機301之工作距離之改變而以複雜方式改變。視需要，可檢測及/或追蹤移位及按比例縮放兩者，以感測用於聚焦之資訊。
現在參見第4B圖，圖案產生器352可包含不止一個雷射二極體310與漫射器320對。在一些實例性實施例中，圖案產生器352包含兩個雷射二極體310與漫射器320對，該兩個對中之每一對均將空間隨機自動聚焦圖案投射在平坦表面395上。視需要，兩個對透過同一透鏡316進行投射。通常，兩個雷射二極體310並非係同調性的，使得每一雷射二極體310可形成其自身之空間隨機自動聚焦圖案。視需要，圖案產生器352包含不止一個透過同一漫射器進行照射之雷射二極體310。視需要，每一雷射二極體310以不同角度來投射照射且產生唯一空間隨機圖案。在一些實例性實施例中，圖案產生器352能夠將每一空間隨機自動聚焦圖案以不同角度投射在平坦表面上。在一些實例性實施例中，可使用從不同角度投射兩個空間隨機自動聚焦圖案之方式來對於檢測工作距離及/或工作距離之改變以進行自動聚焦提高可靠性及信噪比。
應注意，通常，從圖案產生器351及/或352投射之照射被引導到平坦表面395上之目的地區域，且接著沿著主光學路徑360、透過檢驗系統之成像光學器件並朝圖像感測器355反射。另一選擇為，來自圖案產生器351及/或352之照射係沿著視需要通向替代圖像感測器之替代光學路徑反射。
現在參照第5圖，其顯示根據本發明一些實施例投射在經圖案化表面上之所反射斑點圖案之實例性圖像。根據本發明之一些實施例，用照相機300、301、302、及/或顯微鏡400中之任一個捕捉之圖像500包含蝕刻及/或印刷在面板上之圖案510、以及由多個斑點形成之空間隨機自動聚焦圖案530兩者。應注意，為清晰起見，在第5圖中顯示了恆定強度之斑點輪廓。通常，圖案510包含所定義幾何形狀，例如，矩形、線形、及圓形。通常，空間隨機自動聚焦圖案530與面板之圖案510具有不良相關性，且因此，在自動聚焦期間，空間隨機自動聚焦圖案530不可能與圖案510混淆。
根據本發明之一些實施例，追蹤及/或檢測自動聚焦圖案530中之一個或多個斑點及/或一個或多個斑點群組之平移及/或按比例縮放，以確定照相機之工作距離之改變。通常，可通過對多個覆蓋照相機之FOV之斑點執行分析來提高檢測準確度。在一些實例性實施例中，使用卷積來追蹤在不同工作距離內斑點圖案之移動。在一些實例性實施例中，確定一個或多個斑點中心之座標，並追蹤該座標之位置及/或將該位置與照相機之所定義工作距離之所存儲座標進行比較。視需要，計算所捕捉斑點圖案與在成像系統之已知工作距離處捕捉之一個或多個所預存儲圖像之間之相關性，以確定照相機之當前工作距離。通常，當在照相機之掃描運動期間執行自動聚焦時，圖案510通常可因照相機相對於面板移動而沿掃描方向係模糊的，而空間隨機自動聚焦圖案530將因圖案產生器與照相機集成在一起及/或隨照相機一起移動而保持不模糊。應注意，第5圖中未顯示運動模糊效應。
現在參見第6A圖、第6B圖及第6C圖，其顯示根據本發明一些實施例因照相機之工作距離改變所致之斑點圖案平移及/或按比例縮放之實例性圖示。理想地，對於第2圖中所示之光學結構且根據本發明之一些實 施例，斑點圖案530中之每一斑點將通常回應於照相機300之工作距離改變而如第6A圖中所示沿大致上相同方向平移且平移大致上相同量值。在理想情況下，平移可通常沿某一所定義方向發生。在一些實例性實施例中，理想地，用如第4A圖中所述之DMS形成之斑點圖案可回應於照相機之工作距離改變而沿如第6B圖中所示之縮小方向或沿放大方向移動。本發明人已發現，歸因於系統之不準確性及/或歸因於所使用之簡單機械構造(其不需要準確之機械或校準程式)，斑點圖案之平移及/或按比例縮放方向在整個圖像中通常並非係線性的，且可類似於如第6C圖中所示之方向。通常，斑點圖案或其他空間隨機自動聚焦圖案之移動可包含平移及按比例縮放兩者在兩個維度上之改變之組合。在使用不止一個雷射源(舉例來說，如參照第4B圖所示及所述)之情況中，將發生多種改變，例如，斑點圖案之移動將為更複雜之。
現在參見第7圖，其顯示根據本發明一些實施例之自動聚焦系統之實例性元件之簡化操作圖。根據本發明之一些實施例，自動聚焦系統490包含：DMS 480；致動器450，用於使照相機(例如，圖像感測器及/或相關聯光學器件)相對於平坦表面移動；以及控制器445，用於控制致動器450之位置。根據本發明之一些實施例，DMS 480包含：圖案產生器420，用於產生並在供成像及/或檢驗之平坦表面上投射空間隨機自動聚焦圖案；照相機405，用於捕捉從平坦表面反射之空間隨機自動聚焦圖案；以及處理器440，用於處理來自照相機405之輸出，以確定相對於所聚焦位置之偏差。視需要，處理器440提供改變圖像感測器430之位置之指令，以便改變關注區域(Region of Interest；ROI)。視需要，由DMS 480使用之照相機405係用於檢驗平坦表面之同一照相機。另一選擇為，照相機405係專用於自動聚焦之照相機。通常，當照相機405專用於自動聚焦時，致動器450會改變照相 機405及用於檢驗之照相機兩者之位置。
視需要，圖案產生器420選自實例性圖案產生器350、351、或352中之一個。在一些實例性實施例中，圖案產生器420產生並在平坦表面上投射斑點圖案。根據本發明之一些實施例，圖案產生器420包含一個或多個用於產生斑點圖案之雷射二極體及漫射器。
在一些實例性實施例中，控制該雷射二極體以近IR波長、及/或可與用於檢驗平坦表面之照射有區別之波長進行照射。在一些實例性實施例中，該雷射二極體之強度係基於平坦表面之灰階而選擇，例如，通過計算平坦表面(例如，目標)之圖像之灰階並與所需灰階之預定義值進行比較。視需要，灰階係為目標與隨機圖案之圖像之平均灰階、或某一更高百分位，例如95%。視需要，如果該度量顯著低於或高於所需灰階度量之預定義值，則相應地調整雷射脈衝強度或持續時間。視需要，在兩個自動聚焦圖像之間捕捉一圖像，以估計目標之灰階。
根據本發明之一些實施例，當檢驗透明面板(例如，被圖案化之玻璃面板)時，將雷射二極體選擇成具有足夠低之同調性，以避免因來自該透明面板兩側之反射而產生干涉圖案。視需要，當產生斑點圖案時，將雷射二極體之同調性選擇成高到足以產生所需斑點，但小至足以避免干涉圖案。通常，可使用之現成雷射二極體之同調性適合於厚度超過幾百微米之透明面板。
根據本發明之一些實施例，所投射自動聚焦圖案之鏡面反射由照相機405捕捉以進行自動聚焦，且照相機405既用於對平坦表面進行成像又用於進行自動聚焦。在一些實例性實施例中，光學器件425及圖像感測器430中之一個或多個係為用於對平坦表面進行成像及/或檢驗之成像系統 之元件。另一選擇為，照相機405係為專用於自動聚焦之照相機且與用於對平坦表面進行成像及/或檢驗之照相機分離。
視需要，光學器件425係為顯微鏡光學器件。視需要，所產生之空間隨機自動聚焦圖案係投射在照相機405之整個FOV上。另一選擇為，所產生之空間隨機自動聚焦圖案係投射在該FOV之選定部分上。
在一些實例性實施例中，自動聚焦系統490及/或照相機405在捕捉平坦表面之完整圖像與捕捉空間隨機自動聚焦圖案之自動聚焦圖像(例如自動聚焦圖像)之間交替。視需要，使用較小圖像來捕捉空間隨機自動聚焦圖案(例如，通過選擇使用比全畫面小之關注區域，例如，2000行中之100行)，以減少捕捉並處理空間隨機自動聚焦圖案之圖像所花費之時間。根據本發明之一些實施例，在掃描程式期間，照相機405週期性地在一個或多個完整圖像之後捕捉自動聚焦圖像並基於對該自動聚焦圖像之分析而調整其工作距離。另一選擇為，照相機405在掃描期間捕捉平坦表面與空間隨機自動聚焦圖案反射之組合之圖像。視需要，在此類情況中，空間隨機自動聚焦圖案係投射在FOV之選定部分上。視需要，空間隨機自動聚焦圖案係投射在FOV之與在掃描程式期間進行之其他捕捉重疊之一部分上，使得該部分以空間隨機自動聚焦圖案成像一次且以規律均勻照射成像一次。
在一些實例性實施例中，照相機405用於在多個所請求座標處捕捉圖像。視需要，對於此類情況，照相機405隨著其從一個座標向下一座標移動而捕捉多個自動聚焦圖像，以便其到達所請求對焦座標。視需要，自動聚焦圖像被定義成小於用於檢驗之圖像，以便實現快速自動聚焦捕捉速率及頻寬。
根據本發明之一些實施例，由處理單元440接收並分析照相機405所捕捉之圖像資料，以確定照相機405之工作距離及/或該工作距離相對於聚焦及/或標稱工作距離之偏移。在一些實例性實施例中，分析係基於將由照相機405捕捉之圖像與一個或多個存儲在記憶體460中之圖像進行比較及/或使其相關而進行。視需要，記憶體460存儲用於定義照相機405之工作距離與所投射自動聚焦圖案在所捕捉圖像上之定位之間之關係之模型。
根據本發明之一些實施例，處理單元440對圖像進行預處理，以相對於空間隨機自動聚焦圖案之能量降低物體圖案(例如，印刷及/或蝕刻在平坦表面上之圖案)之能量。在一些實例性實施例中，使用視情況與空間隨機自動聚焦圖案之已知頻率範圍匹配之帶通濾波器(band pass filter)，以增加空間隨機自動聚焦圖案相對於印刷及/或蝕刻在平坦表面上之圖案之對比度。通常，可使用帶通濾波器係因為所捕捉圖像中之最高頻率係與面板上之圖案邊緣相關聯且最低頻率係與在邊緣之間通常均勻之圖案自身相關聯。視需要，在掃描程式期間圖像之模糊會增加不模糊空間隨機自動聚焦圖案相對於基板上之模糊圖案之對比度。通常，模糊僅沿掃描方向出現。
根據本發明之一些實施例，來自處理器440之輸出由控制器445用於啟動致動器450，以調整檢驗及/或成像系統之照相機之工作距離。通常，自動聚焦系統與檢驗及/或成像系統之照相機集成在一起，且致動器450與自動聚焦系統及/或其部分一起來調整照相機405之位置。通常，圖案產生器420、照相機405、處理器440、及記憶體460一起構成DMS。視需要，在一些高精度情況中，控制器致動器將連接在閉合控制環路中。
現在參見第8圖，其顯示根據本發明一些實施例用於校準自 動聚焦系統之實例性方法之簡化流程圖。根據本發明之一些實施例，在校準程式期間，將照相機定位在工作距離範圍之一端處，以開始校準過程(操作605)。根據本發明之一些實施例，在此位置處，捕捉平坦表面之圖像，例如標準圖像(操作610)，且捕捉斑點圖案之圖像，例如斑點圖像(操作615)。根據本發明之一些實施例，將該標準圖像及相關聯斑點圖像連同對支撐照相機之致動器之位置之參考一起存儲在記憶體中(操作620)。根據本發明之一些實施例，該致動器使照相機之工作距離遞增(操作645)，且重複該過程(操作610、615、620)，直到在照相機之工作距離範圍內捕捉標準圖像及斑點圖像為止(操作623)。視需要，識別並存儲斑點圖像之特定區域。
根據本發明之一些實施例，檢驗及/或分析所捕捉之標準圖像，以選擇將產生得到最佳聚焦之圖像之致動器位置(操作625)。通常，選擇產生得到最佳聚焦之圖像之致動器位置係基於所定義準則而自動執行。通常，處理器分析該圖像並選擇及/或建議將產生得到最佳聚焦之圖像之致動器位置。根據本發明之一些實施例，將與得到最佳聚焦之標準圖像相關聯之斑點圖像及其相關聯致動器位置一起進行標記(操作630)。視需要，將與其他斑點圖像中之每一個相關聯之致動器位置更新為包含離開與選定圖像相關聯之致動器位置之距離。根據本發明之一些實施例，在自動聚焦期間，使自動聚焦圖像與在校準期間捕捉之斑點圖像相關。通常，通過使斑點圖像與在校準程式期間(在某一致動器位置處)捕捉之斑點圖像中提供兩個圖像之間之最佳相關性之一個匹配來確定離開所需致動器位置之距離。視需要，使用接近最大相關性圖像之幾個相關性之值來定義平滑函數(例如，抛物線)，且使用該函數之最大值來作為所需致動器位置。視需要，定義並使用一個或多個參數來確定可用於確定離開所需致動器位置 之距離及方向之模型(操作635)。在一些實例性實施例中，確定一個或多個斑點峰值中心之座標。視需要，將該模型及/或參數存儲在記憶體中並在自動聚焦期間加以使用(操作640)。
現在參見第9圖，其顯示根據本發明一些實施例在自動聚焦期間捕捉之圖像與存儲在記憶體中之校準圖像之間之實例性相關值之簡化曲線圖。根據本發明之一些實施例，在檢驗期間，使所反射空間隨機自動聚焦圖案之圖像與來自校準程式且存儲在記憶體中之圖像相關。視需要，執行與多個校準圖像之相關，且獲得相關值501。在一些實例性實施例中，確定所捕捉圖像與校準圖像之間之相關性，直到找到峰值相關性502為止。視需要，基於與提供最高相關性之校準圖像相關聯之工作距離或致動器位置而定義照相機之工作距離或照相機相對於聚焦工作距離之距離。視需要，將與最大相關性相關聯之致動器位置和在校準期間保存之目標致動器位置進行比較，且將位置差異報告給控制器。視需要，使用模型來定義到目標致動器位置之距離，該模型用於計算從當前所捕捉圖像到在目標致動器位置處捕捉之校準圖像之距離。
現在參照見第10圖，其顯示根據本發明一些實施例在使DMS運作與捕捉用於掃描平坦物體之圖像之間交替之簡化時間線。根據本發明之一些實施例，在照相機(例如，照相機128(第1圖)中之每一個)掃描平坦表面之同時使用自動聚焦系統來使該照相機聚焦。通常，在掃描期間，照相機與目標表面之間存在相對運動。通常，在採集目標表面之圖像時，該照相機以快速照射脈衝710施加標準照射(例如，處於可見光範圍中)，以凍結掃描運動。通常，照相機之快門與照射脈衝710協調地打開，且照相機之像素被照射。通常，用於後續圖像採集之時序受照相機之讀出 時間715限制。根據本發明之一些實施例，在掃描期間之圖像採集之間捕捉自動聚焦圖像。根據本發明之一些實施例，照相機及/或DMS例如給圖案產生器350、351、或352提供自動聚焦照射脈衝720，以捕捉自動聚焦圖像。在一些實例性實施例中，自動聚焦照射脈衝720具有比標準照射脈衝710長之持續時間。通常，較長持續時間脈衝720會在掃描期間提供模糊之圖像，這在捕捉自動聚焦圖像時通常係合乎需要的。通常，運動模糊會增加空間隨機自動聚焦圖案與印刷及/或蝕刻在平坦表面上之圖案之間之對比度。通常，雖然平坦表面之圖像係模糊的，但由圖案產生器產生之空間隨機自動聚焦圖案保持不模糊(例如，被聚焦)，因為該圖案產生器隨照相機一起移動。根據本發明之一些實施例，照相機被程式設計為使用較小關注區域(ROI)來捕捉自動聚焦圖像，使得照相機用於自動聚焦之讀出時間725顯著短於用於獲得標準圖像之資料之讀出時間715。通常，用於自動聚焦圖像之較小資訊框對於自動聚焦來說為充足的，讀出時間之減少能夠提高檢驗系統之效率。在一些實例性實施例中，在掃描期間針對每一標準圖像捕捉一個自動聚焦圖像。另一選擇為，每捕捉多個標準圖像才捕捉一次自動聚焦圖像。
現在參見第11圖，其顯示根據本發明一些實施例使DMS運作以捕捉平坦物體上之多個離散區域之圖像之簡化時間線。根據本發明之一些實施例，使用自動聚焦系統來使用於在平坦表面之多個所定義座標處捕捉圖像之照相機(例如，照相機132(第1圖))聚焦。可即時地或通過使照相機停在每一所定義座標處來攝取所定義座標處之圖像。根據本發明之一些實施例，通過在移動到新座標之同時即時執行自動聚焦而避免了在從一個座標向下一座標移動時之延遲。通常，此方法能夠在照相機已對焦之情況下到達所需座標。根據本發明之一些實施例，在照相機正向所需位置 移動時，通過以下操作來捕捉一個或多個自動聚焦圖像：提供自動聚焦照射脈衝720，打開照相機之快門及/或照射圖像感測器之該像素，並取得對每一照射脈衝720之讀出725回應。通常，為自動聚焦圖像定義小之ROI。視需要，一旦照相機到達所需座標，該照相機便起始標準照射脈衝710且通常在讀出時間715內捕捉FOV之完整圖像。通常，用於完整圖像之讀出時間花費大約1-4msec(例如，2msec)，而用於自動聚焦圖像之讀出時間顯著更少，例如，少於50-200μsec。
現在參見第12圖，其顯示根據本發明一些實施例以相同圖像使DMS運作及掃描平坦物體之簡化時間線。根據本發明之一些實施例，對目標物體之圖像採集與自動聚焦圖像採集並不在時間上分離，且使用同一圖像來檢驗平坦表面並為照相機提供自動聚焦感測。在一些實例性實施例中，當物體圖像也用作自動聚焦圖像時，照相機提供標準照射脈衝710及自動聚焦照射脈衝720兩者。通常，標準照射脈衝710與自動聚焦照射脈衝720在時間上重疊。視需要，當標準照射脈衝710與自動聚焦照射脈衝720在時間上重疊時，使用一種演算法來將自動聚焦圖案自物體圖案分離。視需要，該演算法使用關於該圖案之已知資訊。視需要，與標準照射脈衝相比，自動聚焦照射脈衝720係在更長持續時間內提供。通常，當延長自動聚焦照射脈衝720之持續時間時，物體圖案因掃描運動而係模糊的，且自動聚焦圖案相對於物體圖案之對比度得以提高。視需要，使用兩個不同感測器或照相機來捕捉自動聚焦圖像及標準圖像。
在一些實例性實施例中，照相機在僅用標準照射脈衝710進行照射與用標準照射脈衝710及自動聚焦照射脈衝720兩者進行照射之間交替。通常，在掃描期間，圖像之間存在大之重疊。視需要，將不包含自動 聚焦圖案之重疊圖像與包含自動聚焦圖案之重疊圖像進行比較，且此比較能夠將該圖案分離。在一些實例性實施例中，分離係通過灰階處理而進行，灰階專用於空間隨機自動聚焦圖案。
根據本發明之一些實施例，用自動聚焦照射脈衝720投射之空間隨機自動聚焦圖案被引導到FOV之與多個行對應之區域，該等行專用於檢測空間隨機自動聚焦圖案。如此一來，標準照射未對該FOV之由自動聚焦圖案照射之區進行照射。不同照射之間之空間分離可能夠提高斑點之對比度。在一些實例性實施例中，專用行對應於圖像區域之一部分，例如，圖像區域之與掃描方向垂直之子切片，該子切片在掃描期間被成像不止一次，例如，一次係在有空間隨機自動聚焦圖案之情況下被成像且至少再一次係在無空間隨機自動聚焦圖案之情況下被成像。根據本發明之一些實施例，針對每一所捕捉圖像均獲得完整讀出750。
用語“包含(comprise、comprising、include、including)”、“具有(having)”、及其同源詞均意指“包含但不限於(including but not limited to)”。
用語“由......組成(consisting of)”意指“包含且限於(including and limited to)”。
用語“基本上由......組成(consisting essentially of)”意指，組合物、方法或結構可能包含額外成分、步驟及/或部件，但前提係該額外成分、步驟及/或部件不會實質上變更所主張組合物、方法或結構之基本及新穎特性。
應瞭解，為清晰起見而在單獨實施例之上下文中描述之本發 明某些特徵也可以組合形式提供在單個實施例中。相反地，為簡潔起見而在單個實施例之上下文中描述之本發明各種特徵也可單獨地、或以任何適合子組合形式、或視情況提供在本發明之任何其他該實施例中。在各種實施例之上下文中所述之某些特徵不應被視為那些實施例之本質特徵，除非該實施例在沒有那些要素之情況下便不起作用。
210‧‧‧照射器
220‧‧‧透鏡元件
300‧‧‧照相機
310‧‧‧雷射二極體/雷射器
315‧‧‧透鏡/光學器件
320‧‧‧漫射器
330‧‧‧二向色分束器
350‧‧‧圖案產生器
355‧‧‧圖像感測器
360‧‧‧主光學路徑
370‧‧‧成像光學器件
371‧‧‧透鏡
375‧‧‧分束器
385‧‧‧光線
395‧‧‧平坦表面
Z‧‧‧方向

Claims (42)

  1. 一種用於使一檢驗系統之照相機自動聚焦之一距離測量系統，該檢驗系統用於檢驗被圖案化之一平坦表面，包含：一圖案產生器，用於朝該平坦表面以斜角投射一空間隨機圖案；一圖像感測器，用於捕捉從該平坦表面所反射之該空間隨機圖案之一圖像；至少一光學元件，用於在該圖像感測器上形成反射之該空間隨機圖案之該圖像；以及一處理器，用於處理由該圖像感測器捕捉之該空間隨機圖案之該圖像並提供自動聚焦資訊。
  2. 如請求項1之系統，其中該圖案產生器包含一雷射二極體，該雷射二極體以與用於檢驗該平坦表面之範圍不同之光範圍進行照射。
  3. 如請求項1之系統，其中該圖案產生器包含用於提供同調光束之一照射器、以及用於產生該空間隨機圖案之一漫射器。
  4. 如請求項3之系統，其中該圖案產生器包含至少一透鏡，該空間隨機圖案係透過該至少一該透鏡而投射，且其中該照射器及該漫射器與該至少一透鏡之間之距離被定義成使投射到該平坦表面上之光線產生發散性。
  5. 如請求項1之系統，其中該圖案產生器包含不止一個一同調照射源，各該同調照射源均產生唯一空間隨機圖案。
  6. 如請求項5之系統，其中各該同調照射源均透過一專用漫射器進行照射。
  7. 如請求項5之系統，其中各該照射器均以不同角度進行投射。
  8. 如請求項1之系統，其中該圖案產生器用以產生一斑點圖案。
  9. 如請求項1之系統，其中該圖案產生器將該空間隨機圖案投射在比該圖像感測器之視場大之區域上。
  10. 如請求項1之系統，其中該至少一光學元件係為用於捕捉該平坦表面之該圖像以進行檢驗之成像光學器件。
  11. 如請求項1之系統，其中該至少一光學元件包含一顯微鏡光學器件，且其中該圖案產生器透過該顯微鏡光學器件之物鏡而朝該平坦表面投射該空間隨機圖案。
  12. 如請求項1之系統，其中包含一記憶體，該記憶體用於存儲從該平坦表面反射之該空間隨機圖案之至少一校準圖像，其中該處理器執行該空間隨機圖案之該圖像與該空間隨機圖案之該校準圖像之間之相關。
  13. 如請求項1之系統，其中該圖像感測器以關注區域模式捕捉該空間隨機圖案之該圖像。
  14. 如請求項13之系統，其中該圖像感測器從以關注區域模式捕捉該空間隨機圖案之該圖像切換到以全畫面模式捕捉用於檢驗該平坦表面之一第二圖像。
  15. 如請求項1之系統，其中該圖案產生器包含一雷射光束源及一全像光罩。
  16. 一種用於使一檢驗系統之一照相機相對於一平坦表面自動聚焦以進行檢驗之一自動聚焦系統，其中包含：一圖案產生器，用於產生一空間隨機圖案並朝該平坦表面以斜角投射所產生之該空間隨機圖案；一照相機，用於捕捉從該平坦表面反射之該空間隨機圖案之一圖像； 一處理器，用於處理由該照相機捕捉之該空間隨機圖案之該圖像並提供自動聚焦資訊；一致動器，用於改變該照相機與該平坦表面之間之工作距離；以及一控制器，用於回應於由該處理器提供之自動聚焦資訊而控制該致動器之運作。
  17. 如請求項16之系統，其中該圖案產生器包含一雷射二極體，該雷射二極體以與用於檢驗該平坦表面之範圍不同之光範圍進行照射。
  18. 如請求項16之系統，其中該圖案產生器包含用於提供同調光束之一照射器、以及用於產生該空間隨機圖案之一漫射器。
  19. 如請求項16之系統，其中包含一記憶體，該記憶體用於存儲在一已知致動器位置處從該平坦表面反射之該空間隨機圖案之至少一校準圖像，其中該處理器執行該空間隨機圖案之該圖像與該空間隨機圖案之該校準圖像之間之相關。
  20. 如請求項16之系統，其中該處理器提供朝一所需致動器位置之距離及方向。
  21. 如請求項16之系統，其中該照相機以關注區域模式捕捉該空間隨機圖案之該圖像。
  22. 一種用於使一檢驗系統之一照相機相對於一平坦表面自動聚焦以進行檢驗之方法，包含：將一空間隨機圖案以斜角投射在該平坦表面上；用該照相機捕捉從該平坦表面反射之該空間隨機圖案之一圖像；將該圖像與在一致動器之一已知位置處捕捉之至少一校準圖像進 行比較；響應於該比較步驟而確定到一預定義目標致動器位置之距離及方向；以及將該致動器之位置調整到該預定義目標致動器位置。
  23. 如請求項22之方法，其中該空間隨機圖案係投射在該照相機之整個視場上。
  24. 如請求項22之方法，其中該空間隨機圖案係投射在比該照相機之該視場大之區域上。
  25. 如請求項22之方法，其中將該圖像之僅一部分與該至少一校準圖像進行比較。
  26. 如請求項22之方法，其中該比較步驟包含確定該空間隨機圖案之平移。
  27. 如請求項22之方法，其中該比較步驟包含確定該空間隨機圖案之按比例縮放。
  28. 如請求項22之方法，其中包含：使該圖像與該等校準圖像相關，每一該校準圖像係在該致動器之不同已知位置處捕捉；識別與最大相關性相關聯之致動器位置；以及確定所識別之與最大相關性相關聯之該致動器位置與該預定義目標致動器位置之間之距離。
  29. 如請求項22之方法，其中包含以該照相機之關注區域模式捕捉該空間隨機圖案之圖像。
  30. 如請求項22之方法，其中包含以與用於檢驗該平坦表面之範圍不同之光 範圍來投射該空間隨機圖案。
  31. 如請求項22之方法，其中包含：隨著該照相機在該平坦表面上之所定義座標之間移動，重複地投射該空間隨機圖案並捕捉該空間隨機圖案之該圖像；以及根據需要重複地將該致動器位置調整到該目標致動器位置，直到到達所定義之所檢測缺陷區為止。
  32. 如請求項22之方法，其中包含：在以下兩種操作之間交替：將該空間隨機圖案以斜角投射在該平坦表面上、以及投射用於檢驗該平坦表面之照射；以及在以下兩種操作之間交替：回應於投射該空間隨機圖案而以關注區域模式捕捉圖像、以及回應於投射用於檢驗該平坦表面之照射而以全畫面模式捕捉圖像。
  33. 如請求項32之方法，其中自動聚焦係在該檢驗系統之掃描運作期間執行。
  34. 如請求項32之方法，其中用於投射該空間隨機圖案之持續時間比用於檢驗該平坦表面之照射之持續時間長。
  35. 如請求項22之方法，其中包含：將該空間隨機圖案投射在該照相機之一視場之一第一部分上；以及將用於檢驗該平坦表面之照射投射在該視場之一第二部分上，該第二部分與該第一部分不同；以及基於從該視場之該第一部分獲得之資訊而使該照相機自動聚焦。
  36. 如請求項32之方法，其中用於投射該空間隨機圖案之持續時間比用於檢 驗該平坦表面之照射之持續時間長。
  37. 如請求項22之方法，其中包含：同時在共同視場上投射用於檢驗該平坦表面之照射及投射該空間隨機圖案；回應於該同時投射步驟而捕捉圖像；以及基於對該空間隨機圖案及包含在該平坦表面上之一圖案之一預定義表徵而將該空間隨機圖案自包含在該平坦表面上之該圖案分離。
  38. 如請求項37之方法，其中用於投射該空間隨機圖案之持續時間比用於檢驗該平坦表面之照射之持續時間長。
  39. 一種用於校準用於使一檢驗系統之一照相機聚焦之一自動聚焦系統之方法，該檢驗系統用於檢驗一平坦表面，包含：記錄用於調整該照相機之工作距離之一致動器之位置；將一空間隨機圖案以斜角投射在該平坦表面上；用該照相機捕捉從該平坦表面反射之該空間隨機圖案之一第一圖像；投射用於捕捉該平坦表面之一圖像之照射；用該照相機捕捉該平坦表面之一第二圖像；以及使該致動器之位置與該第一圖像及該第二圖像相關聯；針對該第一圖像及該第二圖像兩者且針對不同致動器位置，重複該投射、該捕捉及該相關聯步驟；處理該平坦表面之該圖像，以確定聚焦品質；以及基於處理步驟而識別目標致動器位置。
  40. 如請求項39之方法，其中該平坦表面係通過蝕刻或直接印刷而圖案化。
  41. 如請求項39之方法，其中該空間隨機圖案係為一斑點圖案。
  42. 如請求項39之方法，其中包含基於該處理步驟而定義用於確定離開該目標致動器位置之距離及方向之模型。
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