TWI497031B - 產生一物體之一影像的光學裝置及方法 - Google Patents
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Description
本發明係關於用於光學成像之系統及方法，更具體而言，係關於一種用於選擇性地觀察各種物體特徵、包括埋設於非透明材料下之特徵之快速(非掃描式)光學顯微方法及裝置。
對埋設於「非透明材料」下之物體特徵之觀察係為一重大之技術挑戰，當光學視覺系統必須能夠產生物體之即時活動影像(real time live image)且該等物體特徵不透光時尤其如此。在此類視覺系統中，掃描並非一可接受之解決方案，並且因物體特徵本身不透射背光(backlight)，故無法使用背光照明。此外，出於成本考量因素，使用波長介於材料透明窗口內之一照明光可能有時並不可行，尤其是當材料透明窗口位於可見光之波長範圍外時。熟習此項技術者應可理解，對非透明物體使用紫外線光源或紅外線光源作為照明，且搭配在對應波長範圍中具有靈敏度之成像感測器使用，會極大地提高光學檢查系統之總成本，故此並不可取。另外，成像系統之光學解析度會隨照明光波長之增大而減小，故使用紅外線照明光源係為不可取的。
在其他應用中，亟需一種具有將突顯物體之某些特徵而不突顯其他特徵之視覺系統。例如，在許多應用中，物體之表面紋理(surface texture)不如物體表面上所出現之特徵重要。
本發明係關於能實質消除與用於選擇性地觀察物體特徵之習知
技術相關聯之上述其中之一或多數及其他問題者的方法及系統，該等物體特徵包括埋設於非透明材料下之物體特徵。
根據本發明之一態樣，提供一種產生一物體之一影像的光學裝置，該物體具有一非透明材料。該裝置包含：一照明光源，產生一照明光，該照明光具有一受控之角頻譜(angular spectrum)；一遠場校正物鏡(infinity corrected objective)，用於引導該照明光至該物體上並聚集來自該物體之光；一照明光學路徑，將該照明光自該照明光源傳遞至該遠場校正物鏡；一中繼光學器件，設置於該照明光學路徑內，用於將進入該遠場校正物鏡之該照明光之光線導引至一預定傾角；一影像感測器，用於產生該物體之該影像；以及一成像光學路徑，用於將該所聚集之光自該遠場校正物鏡傳遞至該影像感測器。在所述該光學裝置中，該照明光源、該遠場校正物鏡及該中繼光學器件被排列成至少部分地防止雜散光線、由該非透明材料之表面或介面所散射之光線、以及受該非透明材料之不均勻性干擾之光線進入該成像光學路徑。
根據本發明之另一態樣，提供一種用於產生一物體之一影像的光學裝置，其係包含一物體特徵。該裝置包含：一照明光源，具有一發光孔徑並產生一照明光，該照明光具有一受控之角頻譜；一遠場校正物鏡，用於引導該照明光至該物體上並聚集來自該物體之光；一照明光學路徑，將該照明光自該照明光源傳遞至該遠場校正物鏡；一中繼光學器件，設置於該照明光學路徑內，用於將進入該遠場校正物鏡之該照明光之光線導引至一預定傾角；一影像感測器，用於產生該物體之該影像；以及一成像光學路徑，
用於將該所聚集之光自該遠場校正物鏡傳遞至該影像感測器。在該裝置中，該照明光源之該發光孔徑得以完全填充該遠場校正物鏡之一入射光瞳(entrance pupil)，且該中繼光學器件得以聚焦該照明光於該物體之一表面上或形成該照明光源之一影像於一物體平面上。
根據本發明之又一態樣，提供一種用於產生一物體之一影像的光學裝置，其係包含一物體特徵。該裝置包含：一照明光源，具有一發光孔徑並產生一照明光，該照明光具有一受控之角頻譜；一遠場校正物鏡，用於引導該照明光至該物體上並聚集來自該物體之光；一照明光學路徑，將該照明光自該照明光源傳遞至該遠場校正物鏡；一中繼光學器件，設置於該照明光學路徑內，用於將進入該遠場校正物鏡之該照明光之光線導引至一預定傾角；一影像感測器，用於產生該物體之該影像；以及一成像光學路徑，用於將該所聚集之光自該遠場校正物鏡傳遞至該影像感測器。在該裝置中，該照明光源之該發光孔徑實質上減小，且該中繼光學器件用以提供一入射於該物體上之強發散或強會聚照明光。
根據本發明之另一態樣，提供一種用於產生一物體之一影像的方法，該物體包含一非透明材料。本發明方法包含：利用一照明光源產生一照明光，該照明光具有一受控之角頻譜；利用一遠場校正物鏡，引導該照明光至該物體上並聚集來自該物體之光；利用一照明光學路徑，將該照明光自該照明光源傳遞至該遠場校正物鏡；利用一設置於該照明光學路徑內之中繼光學器件，將進入該遠場校正物鏡之該照明光之光線導引至一預定傾角；利用一影
像感測器來產生該物體之該影像；以及利用一成像光學路徑，將該所聚集之光自該遠場校正物鏡傳遞至該影像感測器。在本發明方法中，該照明光源、該遠場校正物鏡及該中繼光學器件係用以至少部分地防止雜散光線、由該非透明材料之表面或介面所散射之光線、以及受該非透明材料之不均勻性干擾之光線進入該成像光學路徑。
根據本發明之再一態樣，提供一種用於產生一物體之一影像的方法，其係包含一物體特徵。本發明方法包含：利用一照明光源產生一照明光，該照明光源具有一發光孔徑，該照明光具有一受控之角頻譜；利用一遠場校正物鏡，引導該照明光至該物體上並聚集來自該物體之光；利用一照明光學路徑，將該照明光自該照明光源傳遞至該遠場校正物鏡；利用一設置於該照明光學路徑內之中繼光學器件，將進入該遠場校正物鏡之該照明光之光線導引至一預定傾角；利用一影像感測器來產生該物體之該影像；以及利用一成像光學路徑，將該所聚集之光自該遠場校正物鏡傳遞至該影像感測器。在本發明方法中，該照明光源之該發光孔徑得以完全填充該遠場校正物鏡之一入射光瞳，且該中繼光學器件得以聚焦該照明光於該物體之一表面上或形成該照明光源之一影像於一物體平面上。
根據本發明之再一態樣，提供一種用於產生一物體之一影像的方法，該物體包含一物體特徵。本發明方法包含：利用一照明光源產生一照明光，該照明光源具有一發光孔徑，該照明光具有一受控之角頻譜；利用一遠場校正物鏡，引導該照明光至該物體上
並聚集來自該物體之光；利用一照明光學路徑，將該照明光自該照明光源傳遞至該遠場校正物鏡；利用一設置於該照明光學路徑內之中繼光學器件，將進入該遠場校正物鏡之該照明光之光線導引至一預定傾角；利用一影像感測器來產生該物體之該影像；以及利用一成像光學路徑，將該所聚集之光自該遠場校正物鏡傳遞至該影像感測器。在本發明方法中，該照明光源之該發光孔徑實質上減小，且該中繼光學器件用以提供一入射於該物體上之強發散或強會聚照明光。
關於本發明之其他態樣將於以下闡述，且部分實施態樣根據本說明而顯而易知，或可藉由實施本發明而知悉。本發明之各態樣可藉由在以下詳細說明及隨附申請專利範圍中所特別指出之要件以及各種要件與態樣之組合而達成及獲得。
須理解者，上述說明與以下說明僅為實例性及解釋性的，而並非旨在以任何方式限制本發明或其應用。
在以下詳細說明中，將參照附圖，在附圖中相同之功能元件係以相同之編號表示。所述附圖以例示而非限制方式顯示根據本發明原理之具體實施例及實施方式。以下，將非常詳細地闡述該等實施方式，以使熟習此項技術者能夠實踐本發明；並且應理解，亦可使用其他實施方式，且在不背離本發明範圍及精神之條件下，可對各種元件作出結構改變及/或替換。因此，以下詳細說明不應被理解為具有限制意義。
本發明之一或多個實施例提供一種用於選擇性地觀察物體特
徵、包括埋設於非透明材料下之物體特徵之快速光學(非掃描式)顯微方法及裝置。在本發明之一或多個實施例中，所述光學系統之解析度係僅受繞射效應限制。本發明之一或多個實施例使用一具有一波長之照明光源，該波長可被一常規(即非紅外線(IR)或紫外線(UV))電荷耦合器件(charge coupled device；CCD)照相機或其他低成本影像感測及記錄器件(例如一攝影板(photography plate))而高效地偵測到。在本發明之一或多個實施例中，物體照明光之波長被設定為盡可能短，以最大化系統之解析能力。
在本文中：
1)「非透明材料」係指一如下材料：自其表面之光反射率或接受入射光之介面相當於或大於以下二者之乘積：a)等於該材料之2倍厚度之一路徑之透射率，與b)埋設介面之反射率。非透明材料包括半不透明(semi-opaque)材料以及半透明(semi-transparent)材料。
2)「具有受控之角頻譜之光源」係指一如下光源：其發光表面之每一點皆僅在某一角度方向上或在該角度方向周圍之一小立體角(solid angle)內發光。發光之特定角度方向及立體角分佈寬度取決於光學檢查裝置之特定設計所用之特定光學器件之特性。上述具有受控之角頻譜之光源可為一雷射、一雷射二極體(laser diode；LD)或任一非同調光源，其輸出光經適當過濾以確保該光源之每一點皆僅在某一角度方向上或在該某一角度方向周圍之小立體角內發光。
本發明之各種實施例提供一種如下文所詳細解釋之機構，該機構被設計成有利於以能獲得高影像對比度之方式將照明光傳遞至物體，該影像對比度足以用於偵測埋設於非透明材料下之特徵而影像解析度僅受限於繞射效應。
如熟習此項技術者眾所習知，影像可見度(visibility)之特徵係為影像對比度。在其他條件相同之條件下，物體特徵之可見度隨對比度之增大而按比例增大。當特徵尺寸大於視覺系統之繞射限值(diffraction limit)且視覺系統具有一接近於1(unity)之調變傳送函數(Modulation Transfer Function)時，對比度係取決於自欲被解析之物體特徵所聚集之照明強度與影像平面內所量測之背景照明之比率。
因此，為增大對比度，需減小背景照明之強度。背景照明強度具有若干個可改善的組成因素。其中主要之組成因素有自非透明材料之表面或介面反射及/或散射之光以及因不良之照明光束傳遞而造成之所謂雜散光。
如熟習此項技術者將理解，非透明材料可包含空間不均勻性(spatial inhomogeneity)，該等空間不均勻性會干擾來自欲被成像系統解析之物體特徵之光線。此種具有散射性質之光線傳播干擾會造成不受控制之影像模糊(blur)、影像位置自真實位置(true location)發生位移、以及形成偽特徵(fake feature)，皆會提高使特徵辨識複雜化並降低解析度，有時更會使得影像特徵無法辨析。對被以所述方式受到干擾之影像進行重建需要使用高階機器視覺演算法，不但耗費資源及時間，且此種方式對於需要進行即
時影像處理之高速影像擷取應用而言不實用。
本發明之各種實施例提供用於藉由減少下述光之量進而增大所形成之光學影像之對比度的系統及方法：雜散光、進入視覺(影像擷取)系統自非透明材料之表面或介面反射及散射之光、以及受非透明材料之不均勻性干擾之光。在下文中，將詳細說明本發明之各實例性實施例。
第1圖例示一新穎光學影像擷取系統100之一實例性實施例之一原理概念。如第1圖所示，所述光學影像擷取系統包含複數個可選光源102、以及過濾、退相(dephasing)及均光光學器件103，其皆由照明控制器101控制。由上述光學組件所產生之經調節之光束通過中繼光學器件104，係提供空間強度調變(spatial intensity modulation)並用於將進入遠場校正物鏡(infinity corrected objective lens)之照明光之光線在照射於物體上且被該同一物鏡聚集之前導引至所需傾角，該遠場校正物鏡係安裝於旋轉台(turret)105上。直接被物體反射或散射之光係由漸暈光圈(vignetting iris)或中心塊106濾除，漸暈光圈或中心塊106係由成像光學器件控制器107控制。輸出光係由照相機管狀透鏡(tube lens)108以及影像感測器109聚集。電腦系統110對光學影像擷取系統100執行總體控制功能，且亦可對影像感測器109所擷取之影像執行分析。
因背面光照明不適合於非透明特徵之成像，故本發明之各種實施例使用一與遠場校正物鏡光學器件相組合之同軸正面照明光源。如此項技術中之通常知識者眾所習知，遠場校正光學器件係
用以於無窮遠處形成定位於物體平面中之物體之一影像。
上述進入光學成像系統之雜散光通常係由不良之照明光束傳遞系統造成。第2圖例示若干實例性類型之光源之某些發光特性。具體而言，由第2圖可看出，一發光二極體(light emitting diode；LED)200之發光表面之每一點皆具有一半球狀發光圖案203。另一方面，雷射201及202之每一特定發光表面點皆僅在一特定方向上或在該方向周圍之一窄立體角範圍內發射光204及205。高品質雷射202與低品質雷射201之相異處在於，高品質雷射所發射之光之強度分佈及相位分佈係為角度206皆為平滑函數(smooth function)，此確保得到一更均勻之光照明分佈。因高品質雷射202對物體照明之均勻性，故相較於雷射201，使用高品質雷射202能產生更高品質之影像。須注意者，使用低品質雷射進行物體之照明通常需要對照明光束進行額外均化。其中，一轉盤光學總成(rotating disk optical assembly)為此項技術中之通常知識者眾所習知有利於光束之均化之一實例性器件。
第3圖例示用於消除由非透明材料之表面或介面301之微小粗糙度(roughness)所散射之光的本發明之一實例性實施例。在本發明之一或多個實施例中，此係藉由應用一具有受控之角頻譜(angular spectrum)之光源以及一專門設計的用於將照明光線傳遞至遠場校正物鏡302之系統而達成，遠場校正物鏡302以發散方式引導光至非透明材料之表面或介面上。作為應用所述照明技術之結果，在表面或介面處所散射之光線303之一顯著部分離開成像系統而不貢獻於影像背景。減弱之影像背景繼而能提高形成之影像中特
徵304之對比度。
參照第4圖，其例示傳統光傳遞系統405以及光聚集系統406。如熟習此項技術者將理解，例如因通常由非同調光源(例如發光二極體(LED)或白熾燈)所產生之傾斜照明光線之多重反射及散射，可出現雜散光401。上述傾斜光線亦可因光源與光學系統之不準確耦合而產生。此種傾斜光線在物鏡402之出射光瞳(exit pupil)內相對於光軸403具有傾角404，其中，傾角404大於邊緣光線之傾斜度(tilt)，其係決定物鏡之視場(Field of View；FOV)之最大尺寸，如第4圖所示。根據本發明之一或多個實施例，為減少或消除此種雜散光量，照明系統設計成在其橫截面處有效地控制照明光束之發散度(divergence)及角頻譜。此係利用一中繼光學器件達成，該中繼光學器件將進入遠場校正物鏡之照明光之光線導引至所需傾角。
第5圖例示用於具受控之角頻譜之光源減少或消除雜散光的一實例性應用，雜散光在成像系統之光學器件內作為背景照明貢獻之用。由該圖式可清楚地看出，因進入照明光傳遞系統505之照明光之角頻譜之受控性質，在訊號收集系統506中不存在雜散光。另外，因非透明層之不均勻性而散射之光線507不進入訊號收集系統506。此會使得所產生之物體特徵影像之影像背景減弱且對比度提高。
在本發明之一或多個實施例中，照明光之受控之角頻譜係為一特徵，該特徵能夠減少混入訊號收集系統506中之雜散光及散射光之量。為提高系統之功能能力並同時使其保持低成本及/或小尺
寸，在本發明之一或多個實施例中，可使用一半導體雷射(雷射二極體)或一固態雷射作為具有受控之角頻譜之照明光源，以用於高速影像擷取。在本發明系統之一或多個實施例中，該同一雷射可執行另一功能(例如材料處理)，該另一功能可涉及校正在一成像模式中所偵測到之某些缺陷。須注意者，在一具有一雙重用途雷射之系統中，可提供一適宜之光衰減組件以確保在影像擷取模式及材料處理模式中達成恰當之光脈波能量平衡。在另一實施例中，使用一發光二極體(LED)進行低速影像擷取，該發光二極體耦合至一具有一可控光圈之光纖以使發光區域形成漸暈並使該發光區域成為點式光源(point-wise source)。在其他實例性實施例中，可使用任一具有一受控之角頻譜之光源達成物體照明(object illumination)。為在光束橫截面內緩和發散角之變化(進行角度過濾)以及強度分佈之變化，在本發明之一或多個實施例中，可將一光纖或光導與光源耦合。在其他實例性實施例中，藉由使用一高品質雷射或一光束成形器(beam shaper)或藉由對一具有常規特性之光源所產生之光執行角度過濾，來獲得一所需光束品質。上述高品質雷射之發光特性例示於第2圖中且已闡述於上文中。
第6圖例示用於消除受非透明材料之不均勻性601干擾之光線的本發明之一實例性實施例。此種光線可導致特徵602之影像模糊或一部分影像之形狀或位置(軸向或橫向位置)被擾動、以及形成偽影像。可藉由在遠場校正物鏡604與耦合至該物鏡之管狀透鏡(圖未示出)間設置一受控之漸暈光圈603來達成。此一光圈用作影像聚集系統之一新孔徑光闌(aperture stop)，該孔徑光
闌會人為地縮窄成像系統之數值孔徑(numerical aperture)並使該物鏡工作於一非遠心模式(non-telecentric mode)。儘管此會降低光學系統之解析度，然而其亦會減少或完全消除受干擾之影像形成光線(perturbed image forming ray)605之量，否則受干擾之影像形成光線605會藉由假影(artifact)而污染所形成之影像並降低對比度。可藉由形成一光學系統來降低數值孔徑縮窄之潛在負面影響，該光學系統係在正常(無光圈)條件下被過採樣(oversample)。
第7圖及第8圖例示用於藉由一具有一受控之角頻譜之光源消除物體直接反射至物鏡之光的本發明之一實例性實施例。具體而言，在本發明之一或多個實施例中，如第8圖所示，光導、光纖或具有受控之角頻譜之光源之輸出係與「中繼光學器件」801結合，進而與遠場校正物鏡相結合地工作。在一個實施例中，「中繼光學器件」801係用於將進入該遠場校正物鏡之光線導引至所需傾角，從而使直接反射之光線聚焦於物鏡802與管狀透鏡803之間並防止直接反射之光線於感測器平面內形成影像。在此種條件下，藉由設置一塊或變跡元件804來代替物鏡802之焦點，可完全或部分地濾除該直接反射之光，如第8圖所示。在一另一實施例中，部分的直接反射之光701可藉由以第7圖所示之方式部署漸暈光圈702的方式消除。
在本發明之一或多個實施例中，為減少自非透明材料之表面或介面直接反射並返回至視覺系統中之光量，對進入遠場校正物鏡之出射光瞳中之照明光束之角頻譜進行控制。為達成此目標，本
發明之一或多個實施例結合利用1)光束發散度與2)中繼光學器件之放大倍率(power)。其中，光束發散度係為一具有受控之角頻譜之光源或耦合至一光源之特定光纖或光導之一特性。
為進一步控制照明光束之角頻譜，本發明之一或多個實施例另外包含用於在光束進入遠場校正物鏡之前執行光束變跡(對光束中之強度執行空間調變)的裝置，如第8圖所示。此係為了自照明光束移除在物體空間中相對於光軸具有一小傾角之光線，該照明光束無法被管狀透鏡803前方之光圈元件804濾除。此外，在本發明之相同或其他實施例中，藉由在光束進入成像系統之管狀透鏡803之前對該光束進行變跡及漸暈，來提高軸向區域中之對比度。
因本發明之各種實施例使用一同調光源作為非透明物體的照明，故在所形成之影像中可出現顯著干涉圖案(strong interference patterns)，因此降低對比度。因照明光之同調本身特性而在所擷取之影像中造成之該等干涉圖案一般被稱為「光斑(speckle pattern)」。當其他條件相同時，此種圖案在影像中之解析能力、對比度及偽特徵方面降低影像品質。此種影像之處理需要耗費大量計算資源及時間之演算法，且通常無法即時完成。為消除或減少「光斑」並使簡單之機器視覺演算法能夠即時地處理影像，必須完成雷射輸出之高效去同調(decoherence)。
第9圖例示用於減小雷射源之同調性及影像中之相關「光斑」的多源照明器(multisource illuminator)以及退相系統及方法之一實例性實施例。為消除上述提及之影像中之干涉效應，本發明之
一或多個實施例使用一退相光學器件，該退相光學器件係由一半波片(1/2 wave plate)901、一耦合至光擴散器(light diffuser)903之非偏振保持光纖(non-polarization maintaining fiber)或光導902、以及一偏振分光鏡(polarizing beam splitter)904組成。由一雷射906產生之雷射光沿一光學路徑910傳播，再經由擴散器903及非偏振保持光纖或光導902而去偏振(depolarization)。促成所述去偏振過程之各因素在統計上係為獨立的，因此，部分改變後的偏振狀態之光束具有極低之同調性。在一個實施方式中，雷射906可為一二極體激發固態雷射(diode-pumped solid-state laser；DPSS)、一半導體雷射或一氣體雷射。然而，如熟習此項技術者將理解，上述類型之雷射在本文中僅供作為實例，且所述概念並不受限於任何特定雷射類型或特性。因此，任一現有適宜或之後研發之雷射，皆可作為本發明之各實施例中照明光源之用。須注意者，如第9圖之配置中所示，雷射906可用於以上文所述之方式進行材料處理(燒蝕(ablation))。為此，第9圖所示之配置設置有一翻轉選截鏡(flip pick off mirror)912，該翻轉選截鏡912被設計成藉由沿對應之二光學路徑910及911選擇性地引導雷射之光輸出而達成在雷射906之該二操作模式間之切換。
半波片901容許調整原始偏振及已解耦偏振(decoupled polarization)相對於偏振分光鏡904之反射/透射偏振(reflected/transmitted polarization)之方向。偏振分光鏡904容許反射具有最高強度之原始偏振方向905、或具有最低強度之已解耦偏振方向907、或其組合。由偏振分光鏡904所產生之已解耦偏振907係用於物體之照明。
照明系統被配置成能夠根據操作者操作開關909之選擇而輕易地使用不同波長之若干不同光源908(同調光源及非同調光源)。
在本發明之一或多個實施例中，由各種光源所產生之照明光經由相同光纖或光導902而被傳遞至中繼光學器件801。為高效地控制到達中繼光學器件之照明光之角度分佈在一預定立體角範圍內，一光纖之可調光圈漸暈輸出被使用於傳遞光至中繼光學器件。該光纖輸出與該中繼光學器件間之距離805(參見第8圖)亦為一可調參數。傳遞照明光之光纖之輸出孔徑之直徑、以及光纖輸出與中繼光學器件801間之距離805之二參數具有可調性，故能夠濾除不需之照明光線並能夠將甚至非同調光源轉換成具有受控之角頻譜之光源，藉以充分地利用上述光源之特性之優點。
為減少由非透明材料703(參見第7圖)之表面或介面直接反射的光量，且該光量相對於光軸具有一小傾角之光(其無法由管狀透鏡前面之光圈702消除)，可於中繼光學器件模組內安裝一完全不透明或局部不透明塊(block)704。該塊用以減少或自照明光束中移除相對於光軸具有小傾角之光線，其係使照明光束變中空(hollow)或變跡。該方法能夠在物體平面內調變照明強度分佈。
在本發明之一或多個實施例中，藉由將一分光鏡置於遠場校正物鏡與觀察照相機之管狀透鏡之間，使照明光束耦合至遠場校正物鏡。本發明之一或多個實施例利用一具有一照明光波長之照明光源，該照明光波長可由在400奈米至1100奈米波長範圍內具有靈敏度之一常規電荷耦合器件(CCD)或互補金屬氧化物半導體(CMOS)照相機高效地偵測到。然而，如熟習此項技術者將理解，
所述概念並不僅限於本文所提供之波長範圍。使用熟習此項技術者眾所習知且可廣泛購得之CCD或CMOS器件進行影像擷取會降低偵測系統之成本並同時提供高之畫素密度。在該配置中，亟欲自有利之候選波長中選擇最短波長，以保持最高之光學解析能力。並且，在本發明之一或多個實施例中，提供一窄頻帶照明光源，以容許窄頻譜窗口之使用並提高對比度。
所述視覺系統之上述各實施例能夠以在繞射限制之解析度情況下獲得埋設於非透明材料下之物體特徵之高品質影像，該繞射限制之解析度係取決於遠場校正物鏡、管狀透鏡、以及設置於該物鏡與該管狀透鏡間之漸暈/阻擋組件之特性。
如上所述，在各種實施例中，具有受控之角頻譜之光源可為一雷射、一雷射二極體(LED)、或任一非同調光源(例如一白熾燈)，其輸出光經適當過濾以確保光源之每一點皆僅在一特定角度方向上或在一特定角度方向周圍之一小立體角內發光。該角度方向以及上述立體角之分佈寬度取決於成像系統之一特定設計之光學器件之參數。為確保對物體之均勻照明，可使用一角度光束強度調變器(angular beam intensity modulator)(例如一擴散器及/或光束變跡塊)來調節由照明光源所產生之光束之強度。在本發明之一或多個實施例中，照明光源可操作於800奈米與1200奈米間之可見光波長範圍中。
在本發明之一或多個實施例中，二極體激發固態雷射906之一奈秒輸出係用於雙重目的，包括材料處理(參見第9圖中之輸出911)以及視覺系統之視場照明。此種配置使得能以即時模式
(on-the-fly mode)達成極快之影像擷取，並容許實作具有二種快門(包括一滾動快門(rolling shutter)以及一全局快門(global shutter))之電子感測器。在該二快門配置中，效率將實質上相似，乃因雷射906之照明脈波寬度(pulse duration)遠短於影像感測器在影像訊號擷取期間之行進距離之長度。
在本發明之一或多個實施例中，照明光源係為一產生實質上單色照明光之單色光源。在相同或不同實施例中，光學裝置更包含一顏色檢查子系統，該顏色檢查子系統包含一白色照明光源，該白色照明光源產生一白色照明光。可提供一開關模組，該開關模組可選擇使用該單色光與該白色光來照明(alternatively illyminate)物體。在所述概念之一或多個實施例中，該光學裝置包含一開關，該開關用以可選擇地耦合該單色照明光源與該白色照明光源至照明路徑。如熟習此項技術者將理解，在此種系統中，可兼具物體之單色影像與彩色影像二者，並可提高某些物體特徵之可偵測性(detectability)。
在本發明之一或多個實施例中，由中繼光學器件導引之照明光線之傾角在介於0角度與5角度間之一範圍內變化。如熟習此項技術者將理解，上述角度範圍在本文中僅供作為實例，且所述概念並不僅限於任一特定傾角或傾角範圍。
在本發明之一或多個實施例中，照明光脈波之能量在1mJ與2mJ間之一範圍內變化。如熟習此項技術者將理解，上述能量值在本文中係供作為實例，且所述概念並不僅限於任一特定光脈波能量或光脈波能量範圍。
在本發明之一或多個實施例中，作為具有受控之角頻譜之光源之特徵的立體角在0球面度與0.16球面度間之一範圍內變化。如熟習此項技術者將理解，上述立體角範圍在本文中係僅供作為實例，且所述概念並不僅限於任一作為具有受控之角頻譜之光源之特徵的特定立體角或立體角範圍。
當為偵測及辨識缺陷而檢查具有一重複圖案(例如一畫素陣列)之微型電路時，因欲被解析之特徵具有一小尺寸而需要使用一具有高解析度之光學系統，且因欲檢查大量之畫素而需要電子偵測系統具有一高擷取速率。因此，較佳地可利用一機器視覺技術來自動執行檢查過程。因影像擷取速率高(其在某些實施例中可達到每秒50個訊框至100個訊框)且視場大(其在某些實施例中可最大為600微米至800微米)、同時所需之解析度高(通常為1微米至2微米)，較佳應使用具有高畫素數目之影像感測器。另一方面，所用之影像分析方法或機器視覺技術必須非常簡單，以便能夠即時或近乎即時地處理大量資料，藉此處理所擷取之影像並較早地或在需要進行校正或決定之下一事件(例如下一影像之擷取或一新任務)發生前產生所需之校正或決定。
帶有光學透明或半透明特徵(例如LCD面板上之主動ITO層或濾光片層)之電路可能具有技術紋理(technological texture)，該等技術紋理將對一機器視覺系統顯視為大量特徵。一般該等特徵並不包含缺陷，處理時會對執行影像分析之計算資源造成一很大之負擔。然而，在等某些應用中(例如人工檢查)，該等特徵對於成像裝置而言必須可見。因此，需要從所形成之物體影像中，利
用靈活且可控之硬體光學手段選擇性地濾除該等特徵。
本發明之一或多個實施例中，操作者控制光學成像系統之照明光束之各參數，以使某些物體特徵在所形成之物體影像中變得實質上或完全不可見。為達成該功能，具有受控之角頻譜之光源之發光孔徑必須足夠大以完全填充遠場校正物鏡之入射光瞳，並且中繼光學器件必須被調整成聚焦照明光於物體之表面上。在此等條件下，物體之每一點皆以特定物鏡數值孔徑(NA)所容許之照射光線最大傾角而被對稱地照明。在上述照明條件下，相較於周圍材料而具有較小折射率變化且以低高度之矮坡為特徵之物體特徵將不可見。為達成上述照明配置，用於使光纖產生漸暈之可調光圈必須被打開，並且光纖與中繼光學器件間之距離必須被調整成能夠聚焦照明光束於物體上或形成照明光源之一影像於物體平面上以獲得區域光源。
本發明之一或多個實施例亦使得能夠藉由渲染突顯所述物體特徵並使其可易於解析。此需要縮小上述發光孔徑並形成一入射於該物體上之強發散或會聚光束。
因此，使用者可藉由以所述方式控制照明光束之特性，以便使形成之物體影像突顯某些物體特徵及不突顯某些物體特徵。
所述系統之其他光學組件(包括中繼光學器件、遠場校正物鏡、分光鏡以及管狀透鏡)之設計係為此項技術中之通常知識者眾所習知，且此等組件可廣泛購得。
最後，應理解，本文所述之過程及技術並非固有地相關於任一
特定裝置，且可由各組件之任一適宜組合來實作。進一步，根據本文所述之教示內容，可使用各種類型之通用器件。構造專門裝置來執行本文所述之方法步驟亦可證明較為有利。上文已結合特定實例闡述了本發明，該等實例在所有方面皆旨在作為例示性而非限制性說明。
此外，藉由閱讀本說明書及實踐本文所揭露之發明，熟習此項技術者將易知本發明之其他實施方式。在以受繞射限制之解析度觀察隱藏於非透明材料下之特徵的系統中，所述實施例之各種態樣及/或組件可單獨使用或以任一組合使用。本說明書及各實例旨在僅被視為實例性的，本發明之真實範圍及精神係由以下申請專利範圍闡明。
100‧‧‧光學影像擷取系統
101‧‧‧照明控制器
102‧‧‧可選光源
103‧‧‧過濾、退相及均光光學器件
104‧‧‧中繼光學器件
105‧‧‧旋轉台
106‧‧‧漸暈光圈或中心塊
107‧‧‧成像光學器件控制器
108‧‧‧照相機管狀透鏡
109‧‧‧影像感測器
110‧‧‧電腦系統
200‧‧‧發光二極體
201‧‧‧雷射
202‧‧‧高品質雷射
203‧‧‧半球狀發光圖案
204‧‧‧光
205‧‧‧光
206‧‧‧角度
301‧‧‧表面或介面
302‧‧‧遠場校正物鏡
303‧‧‧光線
304‧‧‧特徵
401‧‧‧雜散光
402‧‧‧物鏡
403‧‧‧光軸
404‧‧‧傾角
405‧‧‧光傳遞系統
406‧‧‧光聚集系統
505‧‧‧照明光傳遞系統
506‧‧‧訊號收集系統
507‧‧‧光線
601‧‧‧不均勻性
602‧‧‧特徵
603‧‧‧受控之漸暈光圈
604‧‧‧遠場校正物鏡
605‧‧‧光線
701‧‧‧被直接反射之光
702‧‧‧漸暈光圈
703‧‧‧非透明材料
704‧‧‧塊
801‧‧‧中繼光學器件
802‧‧‧物鏡
803‧‧‧管狀透鏡
804‧‧‧光圈/變跡元件
805‧‧‧距離
901‧‧‧半波片
902‧‧‧非偏振保持光纖或光導
903‧‧‧光擴散器
904‧‧‧偏振分光鏡
905‧‧‧原始偏振方向
906‧‧‧雷射
907‧‧‧已解耦偏振方向
908‧‧‧光源
909‧‧‧開關
910‧‧‧光學路徑
911‧‧‧光學路徑
912‧‧‧翻轉選截鏡
併入本說明書中並構成本說明書之一部分之各附圖係舉例說明本發明之實施例，並與本說明一起用於解釋及例示所述技術之原理。具體而言：第1圖例示一新穎光學影像擷取系統之一實例性實施例之原理概念；第2圖例示某些光源之實例性特性；第3圖例示一種用於減少在非透明材料之表面或介面處所散射且由一成像系統所捕獲之光量的方法之一實例性實施例；第4圖例示來自一般光源或錯誤光束傳遞之雜散光；第5圖例示為所述系統藉由實作具有受控之角頻譜之光源而達
成之正確光束傳遞之一實施例；第6圖例示受非透明材料之不均勻性干擾且被所述成像系統之一實施例捕獲之光線；第7圖及第8圖例示用於利用具有受控之角頻譜之光源來消除或減少自非透明材料之表面或介面所直接反射之光、雜散光、以及由於非透明材料之不均勻性而散射或干擾之光的所述技術之一實例性實施例；以及第9圖例示一所述多源照明器以及用於減小雷射源與影像中相關「光斑」之同調性的退相系統及方法之一實例性實施例。
100‧‧‧光學影像擷取系統
101‧‧‧照明控制器
102‧‧‧可選光源
103‧‧‧過濾、退相及均光光學器件
104‧‧‧中繼光學器件
105‧‧‧旋轉台
106‧‧‧漸暈光圈或中心塊
107‧‧‧成像光學器件控制器
108‧‧‧照相機管狀透鏡
109‧‧‧影像感測器
110‧‧‧電腦系統
Claims (32)
- 一種產生一物體之一影像的光學裝置，該物體包含一非透明材料，該裝置包含：a.一照明光源，用於產生一照明光，該照明光具有一受控之角頻譜(angular spectrum)；b.一遠場校正物鏡(infinity corrected objective)，用於引導該照明光至該物體上並聚集來自該物體之光；c.一照明光學路徑，用於將該照明光自該照明光源傳遞至該遠場校正物鏡；d.一中繼光學器件，設置於該照明光學路徑內，用於將進入該遠場校正物鏡之該照明光之光線導引至一預定傾角；e.一影像感測器，用於產生該物體之該影像；以及f.一成像光學路徑，用於將該所聚集之光自該遠場校正物鏡傳遞至該該影像感測器，其中該照明光源、該遠場校正物鏡及該中繼光學器件被排列成至少部分地防止雜散光線、由該非透明材料之表面或介面所散射之光線、以及受該非透明材料之不均勻性干擾之光線進入該成像光學路徑。
- 如請求項1所述之光學裝置，更包含：i.一可移除塊，於該遠場校正物鏡之光學後端設置於該成像光學路徑內；以及ii.一可調光圈(adjustable iris)，於該遠場校正物鏡之光學後端設置於該成像光學路徑內，其中該中繼光學器件、該遠場校正物鏡、該可移除塊及 該可調光圈被排列成至少部分地防止由該物體之該非透明材料之該表面或介面直接反射之光線到達該感測器或形成該影像於一感測器平面內。
- 如請求項1所述之光學裝置，其中該中繼光學器件用以對該照明光之強度執行空間調變(spatial modulation)。
- 如請求項1所述之光學裝置，更包含一退相光學器件(dephasing optics)，該退相光學器件包含：一半波片(1/2 wave plate)、一非偏振保持光學元件(non-polarization maintaining optical element)及一偏振分光鏡(polarizing beam splitter)，該退相光學器件可操作以解耦該照明光之偏振，藉以抑制或減少光斑(speckle pattern)。
- 如請求項1所述之光學裝置，更包含一均光光學器件(homogenizing optics)，可操作以均化該照明光之強度分佈。
- 如請求項1所述之光學裝置，更包含一第二照明光源及一開關，該開關可操作以選擇性地耦合該照明光源與該第二照明光源至該中繼光學器件。
- 如請求項1所述之光學裝置，其中該照明光源更包含一光纖或光導，該光纖或光導可操作以傳遞該照明光至該中繼光學器件，且其中藉由選取該光纖或光導之一數值孔徑(numerical aperture)並利用該光纖或光導之一可調光圈漸暈輸出(vignetting output)以及該光纖或光導與該中繼光學器件間之一可調距離，而控制該照明光之該角頻譜。
- 如請求項7所述之光學裝置，其中該傾角係至少取決於該光纖或光導之一發光孔徑(emitting aperture)之大小、該光纖 或光導與該中繼光學器件間之該距離、以及耦合至該中繼光學器件之該照明光之一發散度(divergence)。
- 如請求項7所述之光學裝置，更包含一照明控制器，可操作以改變該光纖之一發光孔徑以及該光纖或光導與該中繼光學器件間之該距離。
- 如請求項7所述之光學裝置，更包含一成像光學器件控制器，用以控制該可調光圈漸暈輸出之大小。
- 如請求項2所述之光學裝置，其中該成像光學路徑包含一管狀透鏡(tube lens)，以用於在該影像感測器中產生該物體之該影像，該管狀透鏡係設置於該可移除塊及該可調光圈之光學後端。
- 如請求項1所述之光學裝置，更包含一過濾光學器件，其中該照明光源、該遠場校正物鏡、該過濾光學器件及該中繼光學器件被排列成使該照明光於該物體上具有一預定入射角，其中該預定入射角被選擇成能防止雜散光及防止或減少自該非透明材料之一表面或一介面散射之一光量進入該成像光學路徑，並能產生以下條件：防止或減少由該非透明材料之該表面或該介面直接反射之一光量到達該影像感測器，或防止該直接反射之光於一影像感測器平面內形成該影像。
- 如請求項1所述之光學裝置，更包含一空間光束強度調變器，設置於該中繼光學器件內，用於調節該照明光。
- 如請求項1所述之光學裝置，更包含一光擴散器(light diffuser)、一光纖或一光導，設置於該照明光學路徑中並可操作以均化該照明光之該強度之空間及角度分佈。
- 如請求項1所述之光學裝置，更包含一光纖或光導，該光纖或光導具有一可調光圈漸暈輸出並可操作以控制一發光區域之一發散度及一大小以及該照明光之一角頻譜分佈。
- 如請求項1所述之光學裝置，其中該照明光源係為一產生實質上單色照明光之單色光源，且其中該光學裝置更包含一顏色檢查子系統，該顏色檢查子系統包含一白色照明光源及一開關模組，該白色照明光源產生一白色照明光，其中該開關模組、該成像光學路徑及該影像感測器用以產生由該單色光與該白色光交替照明之該物體之影像。
- 如請求項16所述之光學裝置，更包含一開關，該開關用以將該單色照明光源與該白色照明光源交替地耦合至該照明光學路徑。
- 如請求項1所述之光學裝置，其中該照明光之一波長係根據該非透明材料之光學特性加以選擇，該非透明材料覆蓋該物體上之一特定結構。
- 如請求項1所述之光學裝置，其中該照明光源之一發光表面上之每一點皆在一實質單一方向上或在該方向周圍之一窄立體角內發光。
- 如請求項1所述之光學裝置，更包含一組遠場校正物鏡及一開關模組，其中該開關模組可操作以選擇性地將該遠場校正物鏡置於該成像光學路徑中，且其中該等遠場校正物鏡之特徵係不同之放大率(magnification)並被設計成工作於不同之頻譜範圍中。
- 如請求項1所述之光學裝置，更包含複數個照明光源、及一 照明控制器，該照明控制器可操作以控制該等照明光源之複數個參數，該等參數包含以下至少其中之一：發光強度、工作週期(duty cycle)、同步化模式或觸發模式。
- 如請求項1所述之光學裝置，其中該照明光源包含一雷射或一發光二極體(light emitting diode；LED)至少其中之一。
- 如請求項1所述之光學裝置，其中該照明光源包含一以奈秒模式運作之二極體激發固態雷射(diode pumped solid state laser)，該照明光源係用以另外執行材料處理。
- 如請求項1所述之光學裝置，其中該影像感測器包含一電荷耦合器件(charge coupled device；CCD)成像感測器。
- 如請求項1所述之光學裝置，其中該照明光源所產生之該照明光之特徵為一波長，在該波長下該物體之至少一部分之一材料為不透明。
- 如請求項2所述之光學裝置，更包含一成像光學器件控制器，用以控制該可移除塊之一位置。
- 一種用於產生一物體之一影像的光學裝置，該物體包含一物體特徵，該裝置包含：a.一照明光源，具有一發光孔徑並產生一照明光，該照明光具有一受控之角頻譜；b.一遠場校正物鏡，用於引導該照明光至該物體上並聚集來自該物體之光；c.一照明光學路徑，用於將該照明光自該照明光源傳遞至該遠場校正物鏡；d.一中繼光學器件，設置於該照明光學路徑內，用於將 進入該遠場校正物鏡之該照明光之光線導引至一預定傾角；e.一影像感測器，用於產生該物體之該影像；以及f.一成像光學路徑，用於將該所聚集之光自該遠場校正物鏡傳遞至該影像感測器，其中該照明光源之該發光孔徑用以完全填充該遠場校正物鏡之一入射光瞳(entrance pupil)，且該中繼光學器件用以聚焦該照明光於該物體之一表面上或形成該照明光源之一影像於一物體平面。
- 如請求項27所述之光學裝置，其中該照明光源更包含一光纖或光導，該光纖或光導可操作以傳遞該照明光至該中繼光學器件，且其中藉由選取該光纖或光導之一數值孔徑並利用該光纖或光導之一可調光圈漸暈輸出以及利用該光纖或光導與該中繼光學器件間之一可調距離，控制該照明光之該角頻譜，並且其中該光纖或光導之該可調光圈漸暈輸出被開啟且該光纖或光導與該中繼光學器件間之該可調距離經設定，以達成該照明光聚焦於該物體上或形成該照明光源之該影像於該物體平面上。
- 一種用於產生一物體之一影像的光學裝置，該物體包含一物體特徵，該裝置包含：a.一照明光源，具有一發光孔徑並產生一照明光，該照明光具有一受控之角頻譜；b.一遠場校正物鏡，用於引導該照明光至該物體上並聚集來自該物體之光；c.一照明光學路徑，用於將該照明光自該照明光源傳遞 至該遠場校正物鏡；d.一中繼光學器件，設置於該照明光學路徑內，用於將進入該遠場校正物鏡之該照明光之光線導引至一預定傾角；e.一影像感測器，用於產生該物體之該影像；以及f.一成像光學路徑，用於將該所聚集之光自該遠場校正物鏡傳遞至該影像感測器，其中該照明光源之該發光孔徑實質上減小，且該中繼光學器件用以提供一入射於該物體上之強發散或強會聚照明光。
- 一種用於產生一物體之一影像的方法，該物體包含一非透明材料，該方法包含：a.利用一照明光源產生一照明光，該照明光具有一受控之角頻譜；b.利用一遠場校正物鏡，引導該照明光至該物體上並聚集來自該物體之光；c.利用一照明光學路徑，將該照明光自該照明光源傳遞至該遠場校正物鏡；d.利用一設置於該照明光學路徑內之中繼光學器件，將進入該遠場校正物鏡之該照明光之光線導引至一預定傾角；e.利用一影像感測器來產生該物體之該影像；以及f.利用一成像光學路徑，自該遠場校正物鏡傳遞該所聚集之光至該影像感測器，其中該照明光源、該遠場校正物鏡及該中繼光學器件係用以至少部分地防止雜散光線、由該非透明材料之一表面或 介面所散射之光線、以及受該非透明材料之不均勻性干擾之光線進入該成像光學路徑。
- 一種用於產生一物體之一影像的方法，該物體包含一物體特徵，該方法包含：a.利用一照明光源產生一照明光，該照明光源具有一發光孔徑，該照明光具有一受控之角頻譜；b.利用一遠場校正物鏡，引導該照明光至該物體上並聚集來自該物體之光；c.利用一照明光學路徑，將該照明光自該照明光源傳遞至該遠場校正物鏡；d.利用一設置於該照明光學路徑內之中繼光學器件，將進入該遠場校正物鏡之該照明光之光線導引至一預定傾角；e.利用一影像感測器來產生該物體之該影像；以及f.利用一成像光學路徑，將該所聚集之光自該遠場校正物鏡傳遞至該影像感測器，其中該照明光源之該發光孔徑用以完全填充該遠場校正物鏡之一入射光瞳，且該中繼光學器件用以聚焦該照明光於該物體之一表面或形成該照明光源之一影像於一物體平面。
- 一種用於產生一物體之一影像的方法，該物體包含一物體特徵，該方法包含：a.利用一照明光源產生一照明光，該照明光源具有一發光孔徑，該照明光具有一受控之角頻譜；b.利用一遠場校正物鏡，引導該照明光至該物體上並聚集來自該物體之光； c.利用一照明光學路徑，將該照明光自該照明光源傳遞至該遠場校正物鏡；d.利用一設置於該照明光學路徑內之中繼光學器件，將進入該遠場校正物鏡之該照明光之光線導引至一預定傾角；e.利用一影像感測器來產生該物體之該影像；以及f.利用一成像光學路徑，將該所聚集之光自該遠場校正物鏡傳遞至該影像感測器，其中該照明光源之該發光孔徑實質上減小，且該中繼光學器件用以提供一入射於該物體上之強發散或強會聚照明光。
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