TW202100943A - 鏡面的外差光學相位量測裝置及其量測方法 - Google Patents

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Abstract

一種系統可包括軸、馬達、光學調變器、鏡頭元件、投射面、光源及感測器。上述馬達係耦接軸且配置以使軸旋轉。上述光學調變器係耦接軸且配置以透過軸旋轉。上述光源係配置以通過光學調變器發出光，以通過鏡頭元件將結構光投射到投射面上。上述感測器係配置以捕捉樣品的圖像及結構光，上述結構光係反射自投射面和樣品面。上述系統也可包括計算系統，包括同步模組及分析模組。上述同步模組係配置以透過協調光源和上述感測器，以鎖相 (phase lock) 系統。上述分析模組係配置以至少部分地基於反射自投射面和樣品面的結構光來計算三維物件。

Description

鏡面的外差光學相位量測裝置及其量測方法
本揭露技術的實施例，係總括地導向並用於像是玻璃、塑膠及金屬的鏡面之量測方法、技術、系統及裝置。
一些傳統系統，已將干涉 (interferometry)、雷射散射 (laser scattering) 法，或結構光 (structured light) 應用到三維 (3D) 掃描，以提取例如特定樣品的幾何量測。一些結構光量測系統使用光的準靜態投射 (quasi-static projection)，並分析後續的捕獲圖像。這些方法中的少部分方法，會分析線的彎曲或變形，並做為位移的直接量測，以及分析投射線的寬度，並做為表面曲率的量測。
在一些情況下，歷史方法會使用捕獲圖像的傅立葉變換 (Fourier transform) 來提取被測表面的空間頻率 (spatial frequencies)，以實現表面的重建。在大多數的情況下，歷史系統係使用在結構光中的多個線寬和間距來消除相位誤差 (phase errors)。但是，多數的這些方法可被視為靜態 (static) 或未調變 (unmodulated) 的方法，因此會受有較高的背景噪聲 (background noise)。這些方法中的一些方法，則係使用移位或移動光的結構來增強信號，但這通常受限於一維 (1D) 的線性移位 (linear shift)。
此外，鏡面量測是在製造玻璃 (例如用於顯示器的玻璃)、光學元件、汽車、機械加工的金屬零件等程序中的常規工業實務。由於接觸技術的量測速度，因此傳統技術通常在本質上是光學的。然而，要使用非接觸式光學技術來量測鏡面零件，存在著一些挑戰。具體來說，因為零件的鏡面，光學量測通常會因此反映出所使用光源的不均勻性；而這可能會在特定的觀察角度上產生「熱點」，並導致不想要之檢測器/感測器飽和的結果，且通常會導致不可處理的數據或錯誤結果。此外，也因一些鏡面材料是透明的 (例如玻璃和/或傳統的光學元件)，而導致從樣品面反射的信號強度非常低。干涉儀 (interferometers) 通常用於解決低信號水平和傳統零件處理的問題，並採用照明光學元件來減少由照明不均勻所引起的問題。因此，這通常增加了不必要的成本和時間，同時也讓系統設計更加複雜。
根據所揭露技術的實施例，則解決了這些和其他限制。
所揭露技術的實施方式通常涉及用於量測製成品之幾何形狀的方法和裝置。各種不同的產業通常都依賴幾何量測，以落實並確保產品的品質控管和製造穩定性，且在一些情況下，這些幾何量測會與製造流程 (process flow) 進行整合，以確保能滿足例如單位級別規格 (unit level specifications) 的預組裝或整合的要求 。
一些實施方式可包括將外差相測量與一或多個漫散射屏幕 (diffuse scattering screens) 相結合，以產生漫射光源 (diffuse light source)。替代或附加地，實施方式可包括在追蹤調變之絕對相位的同時，對漫射光源進行空間上的調變。替代或附加地，實施方式可包括觀察來自鏡面物件的空間調變的漫反射光 (diffuse reflected light)，以及重新建構投射在物件表面的光學相位。
在所揭露技術所提供的眾多優點中，例如包括具有能在不需機械式移動物件的情況下量測大面積之表面的能力、能在不考慮內部反射的情況下量測非常薄之玻璃的能力、能量測高度彎曲的表面，以及提供能以低成本量產的解決方法。
半導體製造商可能會在積體電路上沉積或生長銅柱或凸塊，作為工廠中最後的處理步驟之一。凸塊高度和其直徑的控制，通常被認為是關鍵製程參數，因為如果沒有正確地處理，將會影響產率和電性能。因此，需要全自動系統來檢查和量測每個矽晶片、積體電路，以及積體電路上的每個凸塊。統計抽樣可用於監測此過程步驟，且通常被認為是對產品可靠性和產率的關鍵監測者。
另一個快速成長的市場是三維 (3D) 印表機或增材製造 (additive manufacturing) 市場，其中3D物件可從頭開始設計或以3D成像，然後再重製。在從頭開始設計的情況下，3D列印物件的品質控制可透過幾何量測工具來監測，以確保能達到適當的製造公差。在複製的情況下，夠精確的外殼或等效表面能被量測，接著再用以模擬所需的物件，其中需要終端使用者在重量、強度和/或功能的限制下所定義的內部矩陣。這些3D列印物件可以提供給多種產業，包括但不限於航空業、生物醫學業或珠寶業。
總括而言，所揭露技術係提供用以在樣品上產生並投射結構光，接著量測並分析投射光，以產生三維數據的方法和裝置。結構光通常將由一或多條可變 (亦即被控的) 寬度、間距和波長的線所組成，並覆蓋預先定義的區域，在此稱為光的參考框架 (Light Frame of Reference，簡稱為LFOR)。在LFOR內，將定義有一個中心軸，LFOR可以繞著上述中心軸旋轉。一或多個的感測器 (可包括但不限於CCD陣列或照相機) 可設置在一或多個位置上，以量測樣品上的投射結構光，在此稱為圖像捕獲數據陣列 (image capture data array，簡稱為ICDA)。在旋轉LFOR時可捕獲圖像或數據，因此產生資訊的ICDA方塊 (ICDA cube，簡稱為ICDAC)。數據捕獲率 (date capture rate) 和LFOR旋轉率 (LFOR rotation rate) 可同步，以捕獲足夠的資料，藉以滿足用在空間和時間取樣的奈奎斯特定理 (Nyquist's Theorem)。
可以透過ICDAC來分析指定區域 (可包括但不限於ICDA中的單一像素)，這相當於依據時間函數及光強度的調變，在預先定義的區域中追蹤資訊。無效情況 (null condition) 通常存在於中心軸周圍的區域，可透過轉化LFOR、產生來自其他LFOR的LFOR補償 (offset)、轉化樣品，或其他方法來消除。對於平坦表面而言，空間頻率通常都將相同，因此儘管不需使用，但可作為每一藉由ICDAC追蹤的參考信號。
非平坦的表面可包含多個空間頻率，因此將使結構光沿表面曲率變形。變形量通常與垂直於入射光的位移有關。當旋轉LFOR時，相對於參考平面之相位，變形會在ICDAC追蹤中以相位延滯或相位超前的方式表現出來。相對相位 (相較於用在ICDAC追蹤中的參考) 可以透過幾種方法來提取，包括但不限於時差 (time differencing)、利薩茹分析 (Lissajous analysis)、乘積法、傅立葉分析、鎖相 (phase locking) 法等。
有鑑於裝置的調變本質，低水平信號可以透過使用幾種不同技術 (包括基於時間和頻率的過濾、鎖定檢測方案或其他技術) 而與背景噪聲區分開來。又例如，可調整光波長和感測器的類型，以使反射光的量最大化，且使檢測器對光波長的靈敏度最大化。
圖1所示為根據揭露技術一些實施方式的量測系統100的第一示例。在此示例中，系統100包括能夠產生旋轉結構光的光源120，其中結構光係投射在樣品區域110上。投射在樣品區域110上的結構光，可透過第一感測器160來量測。第二感測器可用於量測結構光的角度位置。可收集第一感測器160和第二感測器的數據，並將其傳遞到計算系統190。計算系統190將第二感測器所量測角度位置與第一感測器160所獲取數據的能力同步。還可配置計算系統190以儲存和分析數據。
圖2所示為根據揭露技術一些實施方式的量測系統200的第二示例。與圖1的系統100類似，系統200包括樣品區域210、光源220、第一感測器260以及計算系統290。然而，關於系統200，投射的結構光已如所示旋轉到任意角度，且其後續數據表現則如計算系統290上所示。應當理解的是，結構光可旋轉到任意且離散的角度，或連續旋轉。無論如何，可同步來自第一感測器260和第二感測器的數據。
圖3所示為根據揭露技術一些實施方式之用於產生及分析數據之方法300的第一示例。在步驟1中，以特定角度產生且旋轉結構光 (光的參考框架，LFOR)，並與感測器同步。收集並儲存每個LFOR的參考和樣品的數據 (圖像捕獲數據陣列方塊 (簡稱為ICDAC) )，以進行步驟2。重覆此程序以獲得多個LFOR，或在單一比較後終止此程序。
在步驟2中，可從已儲存的IDAC中提取ICDAC追蹤 (在感測器中的每一X及Y位置) 以作為參考和樣品，且分析ICDAC追蹤以提取相對相位。可對應每一ICDAC追蹤而儲存上述相對相位，以對應每一LFOR產生相位圖 (phase map)。可比較多個相位圖，以識別任何相位包裹錯誤 (phase wrapping errors)，且已識別的錯誤可被校正。可依據LFOR參考校正，轉換相位為3D高度圖資訊 (3D height map information)。
步驟1和2可依次或併行。
圖4所示為根據揭露技術一些實施方式之用於產生及分析數據之方法400的第二示例。在此替代方法中，可同時收集並分析參考和樣品數據。可透過軟體或硬體來完成相對相位的IDAC追蹤分析。
圖5所示為根據揭露技術一些實施方式的示例量測系統500之功能圖。此示例包括同步模組和照明器模組。
所揭露技術的一些實施方式，通常包括大面積的漫散射表面，以例如從光源消除任何熱點或光學不均勻。此表面規格通常直接與樣品尺寸和曲率成比例，因此能讓樣品面的所有角度都被同時照明，例如沒有任何熱點。樣品和觀察的感測器可經幾何配置，使得來自樣品表面之漫射且空間調變的光可成像。此種空間調變的光可轉換為相位，接著再轉換為表面高度。
可使用空間調變的光源，也可使用漫反射屏幕 (例如具有平坦或彎曲的表面)。上述屏幕可能會偏軸照明。樣品可自動放在平台上，以操控樣品 (例如透過旋轉)。感測器 (例如區域掃描相機) 可具有光學元件，以對樣品物件的表面成像。可透過此方法設置照相機和光學元件，以觀察來自樣品面的漫反射光。數據可從第一樣品方向收集，而上述樣品可經旋轉 (例如至少90度)，並可再次收集數據。例如，表面可從相位量測中，透過已知的相位展開演算法 (phase unwrapping algorithms) 進行重建。
圖6所示為根據揭露技術一些實施方式的量測系統600的第三示例。上述系統600包括樣品定位裝置610，係配置以定位樣品601。上述樣品定位設備610例如可為具有一或多軸的機器人或其他自動化裝置，上述軸係用以撿取、放置和/或對準樣品601。上述系統600還包括平台裝置620，上述平台裝置620可具有一或多軸，以在量測前和/或量測期間定位樣品610。上述系統600還包括量測裝置660，以量測例如樣品601的尺寸、形貌和特性。上述系統600還具有計算系統690，可配置以進行例如同步動作、量測和/或分析。
圖7所示為根據揭露技術一些實施方式的量測系統700的第四示例。上述系統700包括樣品定位裝置710、至少一光源720、馬達730、光學調變器735、鏡頭元件740、第一感測器760以及計算系統790。上述系統700還包括投射面750，係配置以接收投射光。上述樣品定位裝置710通常係配置以定位樣品701。
在上述示例700中，馬達730係配置以使軸旋轉，而光學調變器735係耦接上述軸且配置以透過上述軸旋轉。馬達例如可為無刷直驅馬達 (brushless direct motor)、步進馬達 (stepper motor) 或有刷直流馬達 (brush DC motor)，或任何其他是適合的馬達類型。在一些實施例中，馬達730可配置以使軸持續旋轉，而使得光學調變器735透過上述軸持續旋轉。
光源720係配置以通過該光學調變器735發出光，以通過鏡頭元件740將結構光投射到投射面750上。光源720可具有例如能產生和旋轉結構光的投射光學元件。在一些實施例中，光源720可選自於由發光二極體 (LED)、雷射及燈絲源 (filament source) 所組成之群組。
在一些實施例中，上述系統具有多個光源，包括光源720，係配置以消除任何無效情況。這些多個光源係可配置為以不同的寬度、空間頻率和入射角度發出光，以延伸動態範圍或消除相位誤差。
在一些實施例中，光學調變器735包括編碼器 (encoder)，係配置以透過結構光產生圖樣，上述結構光係從光源720所發出並照射至投射面750上。上述投射面750係可由一材料 (例如粗糙的材料) 所製成，上述材料係選自於由紙張、金屬、硬紙板 (cardboard)、布、織物及塗料所組成之群組。樣品701的表面可為光亮的，例如由玻璃所製成。
在上述示例700中，光學感測器裝置至少包括第一感測器760，且光學感測器裝置係配置以透過漫射光捕獲樣品701的圖像，上述漫射光係從投射面750反射並接著從樣品701反射。光學感測器裝置可包括多於一個感測器之陣列，係選自於由CMOS感測器、光感測器、光倍增管 (PMT) 以及電荷耦合裝置 (CCD) 所組成之群組。樣品701的表面可使結構光變形或偏轉 (deflect)，且例如感測器760可讀取此變形的光。
上述計算系統790包括同步模組，係配置以透過協調 (coordinating) 至少一光源720、第一感測器760及任何其他有關的感測器，以鎖相 (phase lock) 上述系統。計算系統790進一步包括分析模組，係配置以根據所接收的漫射光計算三維 (3D) 物件，上述漫射光係反射自投射面750及樣品701。例如，3D物件的特徵可與因樣品701而變形的光量有關。
在一些實施例中，第一感測器760例如可通過桌子與樣品定位裝置710耦合。在替代實施方式中，第一感測器760可與樣品定位裝置710物理上分開。
在一些替代實施方式中，投射到投射面750上的結構光，可從投射面750的後方 (而不是從投射表面750的前方) 進行投射。
圖8所示為根據揭露技術一些實施方式的計算機實施方法800的示例。在802中，馬達使軸旋轉，從而使與上述軸耦合的光學調變器旋轉。在一些實施例中，馬達使軸持續旋轉，使得與軸耦合的光學調變器透過上述軸持續旋轉。
在804中，光源透過光學調變器發光，以通過鏡頭元件將結構光投射到投射面上。光源可包括至少一選自於由發光二極體 (LED)、雷射及燈絲源 (filament source) 所組成之群組。在一些實施例中，多個光源可透過許多不同的寬度、空間頻率和入射角度發出光，以延伸動態範圍或消除相位誤差。
在806中，具有至少一感測器的光學感測器裝置捕獲樣品和結構光的圖像，上述結構光是反射自投射面和樣品面的，且可以是光亮的。上述投射面係由一材料所製成，上述材料係選自於由紙張、金屬、硬紙板 (cardboard)、布、織物及塗料所組成之群組，或任意其他適合的材料。
在一些實施例中，上述至少一個感測器可選自於由CMOS感測器、光感測器、光倍增管 (PMT) 以及電荷耦合裝置 (CCD) 所組成之群組。
在808中，分析模組至少部分地基於結構光，以計算三維 (3D) 物件，上述至少部分之結構光係反射自投射面和樣品面。
雖在圖8中並未示出，但應理解的是，方法800還包括同步模組，上述同步模組係透過協調光源和至少一感測器，以鎖相系統。
在一些情況下，所揭露技術在許多方面上，係可以安裝在硬體、韌體、軟體或其任意組合中的。所揭露技術在許多方面上，還可以作為由一或多個或非暫時性計算機可讀媒體 (computer-readable media) 所攜帶或儲存的指令，且可由一或多個處理器來讀取和執行。這些指令可被稱為計算機程式產品 (computer program product)。此處所討論的計算機可讀媒體，是指可以由計算裝置所讀取的任何媒體。作為示例而非限制，計算機可讀媒體可包括計算機儲存媒體 (computer storage media) 和通信媒體 (communication media)。
另外，本說明書僅針對特定特徵進行描述。應當理解的是，本說明書所揭露內容包括上述特定特徵的所有可能組合。例如，在特定方面揭露特定特徵的情況下，也可以在其他方面的情況下盡可能地使用該特徵。
而且，當在本申請中提及具有二或更多個定義的步驟或操作方法時，所定義的步驟或操作可透過任何順序進行或同時進行，除非其情形排除了這些可能性。
此外，在本揭露中所使用的用語「包括」及其等效文法係指其他元件、特徵、步驟、程序、操作等為可選地存在。例如，一物品「包含」或「其包含」元件A、B及C，其意為上述物品可僅包括A、B和C，或可包括A、B、C及一或多個其他元件。
另外，諸如「右」和「左」的方向係為方便使用，並參考圖式中的附圖使用。但所揭露的請求標的在實際使用中或在不同實現方式中，可有許多面向。因此，在所有實施方式中，圖式中垂直、水平、往右或往左的特徵，可不具有相同的面向或方向。
參酌所示例的實施例，已描述和說明了本揭露的原則，應理解的是，所示例的實施例可在不背離此些原則的情況下，在佈置及細節上進行修改，且可透過任何所期望的方式進行組合。此外，儘管前述的討論係聚焦在特定實施例，但也可構想到其他的配置。
尤其是即使在本文中使用諸如「根據所揭露的實施例」之類的表達用語，這些用語係用以總括地參酌實施例的可能性，而並非欲限制本揭露為特定的實施例配置。如本文中所使用的，這些詞彙可參酌相同或不同的實施例，且這些實施例可與其他實施例進行組合。因此，除了所附申請專利範圍之外，本揭露不應受到限制。
100:量測系統 110:樣品區域 120:光源 160:第一感測器 190:計算系統 200:量測系統 210:樣品區域 220:光源 260:第一感測器 290:計算系統 300:用於產生及分析數據之方法 400:用於產生及分析數據之方法 500:量測系統 600:量測系統 601:樣品 610:樣品定位裝置 620:平台裝置 660:量測裝置 690:計算系統 700:量測系統 701:樣品 710:樣品定位裝置 720:光源 730:馬達 735:光學調變器 740:鏡頭元件 750:投射面 760:第一感測器 790:計算系統 800:計算機實施方法 802、804、806、808:步驟
圖1所示為根據揭露技術一些實施方式的量測系統的第一示例。 圖2所示為根據揭露技術一些實施方式的量測系統的第二示例。 圖3所示為根據揭露技術一些實施方式之用於產生及分析數據之方法的第一示例。 圖4所示為根據揭露技術一些實施方式之用於產生及分析數據之方法的第二示例。 圖5所示為根據揭露技術一些實施方式的示例量測系統之功能圖。 圖6所示為根據揭露技術一些實施方式的量測系統的第三示例。 圖7所示為根據揭露技術一些實施方式的量測系統的第四示例。 圖8所示為根據揭露技術一些實施方式的計算機實施方法的示例。
700:量測系統
701:樣品
710:樣品定位裝置
720:光源
730:馬達
735:光學調變器
740:鏡頭元件
750:投射面
760:第一感測器
790:計算系統

Claims (20)

  1. 一種鏡面的外差光學相位量測系統，包括： 一軸； 一馬達，耦接該軸且配置以使該軸旋轉； 一光學調變器，耦接該軸且配置以透過該軸旋轉； 一鏡頭元件； 一投射面； 一光源，係配置以通過該光學調變器發出光，以通過該鏡頭元件將結構光投射到該投射面上； 一感測器，係配置以捕捉一樣品的圖像及該結構光，該結構光係反射自該投射面和該樣品面；以及 一計算系統，包括： 一同步模組，係配置以透過協調該光源和該感測器，以鎖相 (phase lock) 該系統；以及 一分析模組，係配置以至少部分地基於反射自該投射面和該樣品面的該結構光來計算三維 (3D) 物件。
  2. 如請求項1所述之鏡面的外差光學相位量測系統，其中該馬達係設置為使該軸不停旋轉，以使該光學調變器透過該軸不停旋轉。
  3. 如請求項1所述之鏡面的外差光學相位量測系統，其中該感測器包括至少一選自於由CMOS感測器、光感測器、光倍增管 (PMT) 以及電荷耦合裝置 (CCD) 所組成之群組。
  4. 如請求項1所述之鏡面的外差光學相位量測系統，其中該光源包括複數個光源，該些光源係設置以消除任何無效情況。
  5. 如請求項4所述之鏡面的外差光學相位量測系統，其中該些光源係設置為以不同寬度、空間頻率 (spatial frequencies) 及入射角度發出光，以延伸動態範圍 (dynamic range) 或消除相位誤差 (phase errors)。
  6. 如請求項1所述之鏡面的外差光學相位量測系統，其中該光源包括至少一選自於由發光二極體 (LED)、雷射及燈絲源 (filament source) 所組成之群組。
  7. 如請求項1所述之鏡面的外差光學相位量測系統，其中該馬達為無刷直驅馬達、步進馬達或有刷直流馬達。
  8. 如請求項1所述之鏡面的外差光學相位量測系統，其中該投射面係由一材料所製成，該材料係選自於由紙張、金屬、硬紙板 (cardboard)、布、織物及塗料所組成之群組。
  9. 如請求項8所述之鏡面的外差光學相位量測系統，其中該材料是粗糙的。
  10. 如請求項1所述之鏡面的外差光學相位量測系統，其中該樣品的表面是光亮的。
  11. 如請求項10所述之鏡面的外差光學相位量測系統，其中該樣品是由玻璃所製成。
  12. 如請求項1所述之鏡面的外差光學相位量測系統，其中該光學調變器包括一編碼器，該編碼器係為透過該結構光產生一圖樣，該結構光係從至少一光源所發出並照射至該投射面上。
  13. 一種鏡面的外差光學相位量測方法，包括： 一馬達使一軸旋轉，並使該軸與一光學調變器耦接以旋轉； 一光源發出光，通過該光學調變器並途經一鏡頭元件以投射結構光至一投射面； 一光學感測器裝置具有至少一感測器，以捕捉一樣品的圖像及該結構光，該結構光係反射自該投射面和該樣品面； 一同步模組透過協調該光源和該感測器，以鎖相該系統；以及 一分析模組至少部分地基於該結構光，以計算三維 (3D) 物件，該至少部分之結構光係反射自該投射面和該樣品面。
  14. 如請求項13所述之鏡面的外差光學相位量測方法，更包括該馬達使該軸不停旋轉，以使該光學調變器透過該軸不停旋轉。
  15. 如請求項13所述之鏡面的外差光學相位量測方法，更包括複數個光源並發出不同寬度、空間頻率 (spatial frequencies) 及入射角度的光，以延伸動態範圍 (dynamic range) 或消除相位誤差 (phase errors)。
  16. 如請求項13所述之鏡面的外差光學相位量測方法，其中該至少一感測器係選自於由CMOS感測器、光感測器、光倍增管 (PMT) 以及電荷耦合裝置 (CCD) 所組成之群組。
  17. 如請求項13所述之鏡面的外差光學相位量測方法，其中該光源包括至少一選自於由發光二極體 (LED)、雷射及燈絲源 (filament source) 所組成之群組。
  18. 如請求項13所述之鏡面的外差光學相位量測方法，其中該樣品面是光亮的。
  19. 如請求項13所述之鏡面的外差光學相位量測方法，其中該投射面係由材料所製成，該材料係選自於由紙張、金屬、硬紙板 (cardboard)、布、織物及塗料所組成之群組。
  20. 一種可供一或複數個固定且有形的電腦可讀媒介，該媒介包括複數個指令，在一處理器執行時，透過該些指令使該處理器執行以電腦實現的方法，該方法包括： 一馬達使一軸旋轉，並使該軸與一光學調變器耦接以旋轉； 一光源發出光，通過該光學調變器並途經一鏡頭元件以投射結構光至一投射面； 一光學感測器裝置具有至少一感測器，以捕捉一樣品的圖像及該結構光，該結構光係反射自該投射面和該樣品面； 一同步模組透過協調該光源和該感測器，以鎖相該系統；以及 一分析模組至少部分地基於該結構光，以計算三維 (3D) 物件，該至少部分之結構光係反射自該投射面和該樣品面。
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