TWI619926B - 一種重構目標表面的三維輪廓的裝置和方法 - Google Patents

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Abstract

本發明公開一種用於重構物件的目標表面的三維輪廓的裝置，該裝置包含有：i)發光裝置，具有至少兩種照射方式以照射目標表面，其中，第一照射方式在目標表面上產生圖案，而第二照射方式照射目標表面的每一部分；ii)成像設備，用於捕獲一旦順序啟動第一照射方式和第二照射方式而通過發光裝置照射目標表面時目標表面的各個圖像；以及iii)處理器，用於根據由成像設備所捕獲的目標表面的圖像而重構目標表面的三維輪廓。本發明還公開一種用於重構物件的目標表面的三維輪廓的方法。

Description

一種重構目標表面的三維輪廓的裝置和方法
本發明涉及一種重構物件的目標表面的三維(3D)輪廓(profile)的裝置和方法，該物件具體但非排他地包括帶有環氧樹脂以進行感測器鍵合的圖像感測器襯底(image sensor substrate)。
使用反射自物件的目標表面的光線的光學測量方法的方式測量物件的表面外形通常是眾所周知的。例如，用於重構物件的3D輪廓的二相圖案的使用被公開於專利號為6,049,384的美國專利中。
參閱圖1a所示，公開於專利號為6,049,384的美國專利中的裝置100包含有：i)第一和第二發光設備102、104；ii)定時回路106，其與第一和第二發光設備102、104相耦接；iii)分劃板(reticle)108，其具有金屬化和透明的條狀交替的區域；iv)檢測器112；和v)處理器114。當定時回路106僅僅啟動第一發光設備102時，光線自第一發光設備102沿著所示的單一移動線投射在分劃板108和物件的目標表面110上。具體地，在金屬化條狀反射光線遠離目標表面110的同時，分劃板108的透明條狀允許光線通過以到達目標表面110。從而，包含有多個在不同光線強度之間交替的條狀的圖案形成在目標表面110上，如圖1b所示。
另一方面，當定時回路106僅僅啟動第二發光設備104時，光線自第二發光設備104沿著所示的另一條移動線投射在分劃板108和目標表面110上。具體地，在分劃板108的透明條狀允許光線在遠離目標表面110的方向通過的同時，分劃板108的金屬化條狀將光線朝向目標表面110反射。 從而，包含有多個在不同光線強度之間交替的條狀的圖案也形成在目標物件的表面110上，如圖1c所示。
在相對于由發光設備102、104投射的光線的焦平面成三角測量角度Ø處設置的檢測器112，被採用來捕獲一旦由第一和第二發光設備102、104連續光線投射而形成在目標表面110的表面上的圖案的各個圖像。根據由檢測器112所成像的圖像，處理器114相應地產生了目標物件110的表面的3D圖像。
值得注意的是，圖1b和圖1c的各自圖案被準確地反相排列180度。為了實現這些圖案的需要，發光設備102、104的位置必須符合某種關係。換而言之，任一發光設備102、104的位置調整使得發光設備102、104中的另一個進行相應的位置調整成為需要。而且，分劃板108的位置調整也使得兩個發光設備102、104相應的位置調整成為需要。這種需要不令人期望地使得該裝置100的裝配複雜化。另外，分劃板108的角度受到投射自發光設備102、104的光線的角度的約束，以及相應地，光線投射的焦平面可能沒有和目標表面110的物體平面(object plane)對準。這樣可能不令人期望地引起形成於目標表面110上的圖案出現不均勻的週期和條紋振幅(periods and fringe amplitudes)。
因此，本發明的目的是尋求消除傳統裝置100的上述限制，並向普通公眾提供有益的選擇。
第一方面，本發明提供一種用於重構物件的目標表面的三維輪廓的裝置。具體地，該裝置包含有：i)發光裝置，具有至少兩種照射方式以照射目標表面，其中，第一照射方式在目標表面上產生圖案，而第二照射方式照射目標表面的每一部分；ii)成像設備，用於捕獲一旦順序(sequential)啟動第一照射方式和第二照射方式而通過發光裝置照射目標表面時目標表面的各個圖像；以及iii)處理器，用於根據由成像設備所捕獲 的目標表面的圖像而重構目標表面的三維輪廓。
可選地，該發光裝置可包含有：i)格柵；ii)第一發光設備，其相對於格柵設置，以致于該第一發光設備被操作來投射光線於該格柵上，以藉此在目標表面上產生圖案；以及iii)第二發光設備，其被操作來投射光線，以照射目標表面的每一部分。
另外，光學器件也可包含其中。在這種情形下，該格柵設置在光學器件和第一發光設備之間，以致于來自第一發光設備的、投射於格柵上的光線被光學器件反射以在目標表面上產生格柵圖案。另一方面，第二發光設備相對於光學器件設置，以致于來自第二發光設備的光線通過光學器件投射在目標表面上，以照射目標表面的每一部分。光學器件的實例包括分光器(beam-splitter)或棱鏡(prism)。
第二方面，本發明提供一種用於重構物件的目標表面的三維輪廓的方法。具體地，該方法包含有以下步驟：順序啟動發光裝置的至少兩種照射方式以照射目標表面，其中，第一照射方式在目標表面上產生圖案，而第二照射方式照射目標表面的每一部分；使用成像設備捕獲一旦通過至少兩種照射方式照射目標表面時目標表面的各個圖像；以及使用處理器以根據所捕獲的目標表面的圖像而重構目標表面的三維輪廓。
可選地，其中，該發光裝置包含有：格柵，第一發光設備，第二發光設備；該方法可具體包含有以下步驟：該第一發光設備投射光線於該格柵上，以藉此在目標表面上產生圖案；以及該第二發光設備投射光線，以照射目標表面的每一部分。
另外，其中，該格柵設置在又一光學器件和第一發光設備之間，該方法還可進一步包含有以下步驟：使用光學器件以將來自第一發光設備的、投射於格柵上的光線反射而致於在目標表面上產生圖案，以及通過光學器件將來自第二發光設備的光線投射，以致於照射目標表面的每一部分。
100‧‧‧裝置
102、104‧‧‧第一和第二發光設備
106‧‧‧定時回路
108‧‧‧分劃板(reticle)
110‧‧‧目標表面
112‧‧‧檢測器
114‧‧‧處理器
200‧‧‧裝置
202‧‧‧目標表面
204‧‧‧重構物件
206‧‧‧發光裝置
208‧‧‧成像設備
210‧‧‧處理器
212‧‧‧格柵(grating)
214‧‧‧第一發光設備
216‧‧‧第二發光設備
217‧‧‧發光控制裝置
218‧‧‧板式分光器(plate beam-splitter)
現在參考附圖，僅僅以示例的方式，描述本發明的較佳實施例，其中：圖1a所示為傳統的3D成像裝置，其在物件的目標表面上形成了多相圖案；而圖1b和圖1c表示了多相圖案，它們被剛好反相排列180度。
圖2所示為根據本發明較佳實施例所述的用於重構物件的目標表面的3D輪廓的裝置；圖3a所示為包含有由圖2的裝置所產生的圖案的目標表面的典型圖像，而圖3b所示為其中有由圖2的裝置所照射的目標表面的每一部分的典型圖像；圖3c所示為典型標準化的條紋圖像，而圖3d所示為典型相位的圖像；以及圖4所示為根據圖3a和圖3b的圖像所重構時的目標表面的典型的3D輪廓。
圖2所示為用於重構物件204的目標表面202的3D輪廓的裝置200，其中，該裝置200包含有：i)發光裝置206，用於照射目標表面202；ii)成像設備208(例如攝像機)，用於一旦目標表面202被發光裝置206照射時將目標表面202成像；iii)發光控制裝置217，用於控制發光的開和關；和iv)處理器210，用於根據由成像設備208成像時的目標表面202的圖像重構目標表面202的3D輪廓。目標表面202的實例是圖像感測器襯底表面，在該表面上環氧樹脂黏合劑將被滴注以進行感測器鍵合。
發光裝置206可以兩種照射目標表面202的照射方式運行，第一照射方式根據格柵(grating)212的結構在目標表面202上產生圖案，而第二照射方式照射目標表面202的每一部分。特別地，發光裝置206包含有格柵212和相對於格柵212設置的第一發光設備214，以致於當光線從第一發光設備214處投射在格柵212上時，所述的圖案產生在目標表面202上。而且， 發光裝置206包含有第二發光設備216，以照射目標表面202的每一部分。通過僅僅啟動第一發光設備214和第二發光設備216中的一個，發光裝置206以兩種照射方式運行，以照射目標表面202。第一發光設備214和第二發光設備216的啟動通過發光控制裝置217(如LED驅動器系統)得以控制。較佳地，該圖案為可重複的。
圖3a所示為包含有由發光裝置206以第一照射方式所產生的所述圖案的目標表面202的典型圖像，而圖3b所示為其中有由發光裝置206以第二照射方式所照射的目標表面202的每一部分的典型圖像。
另外，板式分光器(plate beam-splitter)218包含于發光裝置206中，以致於光線能夠從第一發光設備214和第二發光設備216處投射，以相對於目標表面202成期望的角度(如90度)照射目標表面202。一組透鏡模組被使用來在目標表面202上形成格柵212的圖像。更為具體地，由第一發光設備214投射的光線所產生的格柵212的圖像被板式分光器218反射，以藉此在目標表面202上產生所述的圖案。另一方面，第二發光設備216相對于第一發光設備214和板式分光器218二者垂直地設置，以便於從第二發光設備216投射的光線通過板式分光器218朝向目標表面202，以照射目標表面202的每一部分。
但是，值得欣賞的是，發光裝置206可以包括僅僅一個單獨的發光設備，以實現兩種照射方式來在目標表面202上產生所述的圖案和照射目標表面202的每一部分。這可以通過配置可移動的格柵212來實現，以便於光線從單獨的發光設備以第一照射方式投射在格柵212而在目標表面202上產生所述的圖案，以及格柵212移動離開，以致于單獨的發光設備直接將光線投射在目標表面202上而以第二照射方式照射目標表面202的每一部分。同樣值得欣賞的是，如果在不同的照射方式中(其不限於上述的兩種方式)一個或多個發光設備能夠相對於目標表面202相應地佈置，那麼分光器218是可選的。而且，任一光學器件(如棱鏡或立式分光器)可以被使 用來取代板式分光器218，只要它能實現各個照射方式的預想目的。
一旦通過發光裝置206順序啟動第一照射方式和第二照射方式照射目標表面202，那麼成像設備208捕獲目標表面202的各個圖像，其後，各個圖像向前被傳送至處理器210進行影像處理，以重構目標表面202的3D輪廓(更多詳情如下)。
現在使用正弦波圖像(sinusoidal pattern)解釋如圖2所示的裝置200的運行原理。
當通過發光裝置206以第一照射方式和第二照射方式順序照射時，構成目標表面202的圖像的點x可以在數學上分別表示如下：I 1=r.L 1.(1+m.cosθ) (1)
I 2=r.L 2 (2)
其中，I1和I2分別為通過成像設備208所檢測到的光線強度；r為目標表面202的反射率；L1和L2分別為關於第一發光設備214和第二發光設備216的發光強度的因數；m為條紋調變值(fringe modulation)並相關於正弦波(如可重複性)圖案的條紋振幅、物件204的材料屬性，以及目標表面202和有關的透鏡與發光設備之間的聚焦；θ為根據格柵212的結構由發光裝置206在目標表面202上所產生的圖案相關的相位角。
由於第一發光設備214和第二發光設備216的L1和L2可以提前校準，所以公式(1)和(2)可以簡化為：I 1=r.(1+m.cosθ) (3)
I 2=r (4)
值得注意的是，相應的條紋圖案和在目標表面202上所產生的正弦波圖案為反相180度，相應的條紋圖案能夠標準化(normalized)(即排除目標表面202自身的圖像)和以比例值R表示如下：R=(I 1-I 2)/I 2=m.cosθ (5)
圖3c所示為從公式(5)獲得的典型的條紋圖案的圖像。具體地相位角θ表明了所述的圖案設置於目標表面202的位置。這意味著所述的圖案的側向位置充當了目標表面202的高度的函數。通過求解相位角θ，目標表面202的各個高度能夠相應地通過下述公式得以確定：θ=ω z h+θ 0 (6)
h=(θ-θ 0)/ω z (7)
其中參數ω z為縱向角頻率(angular frequency)(基於高度的相位變化率)，而參數θ 0 為在參考水平面(即h=0)的相位值。這兩個參數ω z和θ 0 能夠通過校準而獲得。
由於公式(5)包括兩個未知數，關於調變值m和相位角θ，另一個公式通常被需要來求解這兩個未知數。
作為準備，針對檢查具有穩定調變值m的目標物體，m值能夠或者得到校準或者得知。在這種情形下，公式(5)獨自計算相位角θ是充分的，其能夠通過以下的公式得到計算：θ=cos-1[(I 1-I 2)/(m.I 2)] (8)
可是，在得知m不合適，但另一方面平整度限定被利用的情形下，相位角θ值能夠從由成像設備28所檢測到的相鄰點x的光強度中獲得。具體地，假定是I 1 '和I 2 '由成像設備28所檢測到的所述相鄰點x的各自的光強度，這樣獲得進一步的公式如下：R '=(I ' 1-I ' 2)/I 2 '=m.cos(θ+δ)=m.[cosθcosδ-sinθsinδ] (9)
因此，根據下述的數學運算，公式(5)和(9)能夠被使用來求得兩個未知量：調變值m和相位角θ，R '/R=cosδ-tanθsinθ (10)
θ=tan-1[cotδ-(R '/R)(secδ)] (11)
其中，δ為基於根據目標表面202上所產生的正弦波圖案而 標準化的條紋圖案的點x和x'之間的位移而導致的已知的相位變化。通過求得相位角θ，從而公式(7)能夠解答確定目標表面202的各個高度h。
圖3d所示為從公式(11)獲得的標準化的條紋圖案的典型相位的圖像。
通過需要該裝置200包括可以兩種照射方式運行來照射目標表面202的發光裝置206，格柵212的位置能夠輕易地被調整以和重構物件204的物體平面對齊定位。而且，在不牽涉第一發光設備214和第二發光設備216二者進行相應的位置調整的情形下，格柵212的任一位置調整能夠得以完成。另外，該裝置也能作為用於完整照射目標表面202的光源，以執行圖像相關的操作例如使用基準標記進行圖案識別，且不限於僅僅進行目標表面的3D輪廓重構等等。
值得欣賞的是，在不離開本發明所要求的保護範圍的情形下，不同的實施例也能夠被開發出。例如，裝置200的使用不限於襯底表面或引線框表面的3D輪廓重構，而且也包括各種其他類型的表面，例如在表面安裝技術(SMT：surface mounting technology)領域中用於安裝表面裝配器件的焊膏和印刷電路板(PCBs)的表面，和用於表面檢查的工具和底座(mount)表面。

Claims (8)

  1. 一種用於重構物件的目標表面的三維輪廓的裝置，該裝置包含有：發光裝置，具有至少兩種照射方式以照射目標表面，其中，第一照射方式在目標表面上產生圖案，而第二照射方式照射目標表面的每一部分沒有一相應的圖案；發光控制裝置，每次操作以順序啟動至少兩種照射方式之一；成像設備，用於操作順序分別捕獲第一照射方式照射目標表面時目標表面的圖像和第二照射方式照射目標表面時目標表面的圖像；以及處理器，關於目標表面上各個點，用於根據由成像設備所捕獲的目標表面之兩順序捕獲的圖像所獲得圖像特徵之組合，而重構目標表面的三維輪廓。
  2. 如請求項1所述的裝置，其中，該發光裝置包含有：格柵；第一發光設備，其相對於格柵設置，以致于該第一發光設備被操作來投射光線於該格柵上，以藉此在目標表面上產生圖案；以及第二發光設備，其被操作來投射光線，以照射目標表面的每一部分。
  3. 如請求項2所述的裝置，該裝置還包含有：光學器件，其中，該格柵設置在光學器件和第一發光設備之間，以致于來自第一發光設備的、投射於格柵上的光線被光學器件反射以在目標表面上產生圖案，以及第二發光設備相對於光學器件設置，以致于來自第二發光設備的光線通過光學器件投射在目標表面上，以照射目標表面的每一部分。
  4. 如請求項3所述的裝置，其中，該光學器件為分光器。
  5. 如請求項3所述的裝置，其中，該光學器件為棱鏡。
  6. 一種用於重構物件的目標表面的三維輪廓的方法，該方法包含有以下步驟：順序啟動發光裝置的至少兩種照射方式以照射目標表面，其中，第一照射方式在目標表面上產生圖案，而第二照射方式照射目標表面的每一部分沒有一相應的圖案；所述順序啟動發光裝置的至少兩種照射方式之步驟，包括使用發光控制裝置，使得每次控制發光控制裝置以順序啟動至少兩種照射方式之一的步驟；使用成像設備順序捕獲第一照射方式照射目標表面時目標表面的圖像和第二照射方式照射目標表面時目標表面的圖像；以及關於目標表面上各個點，使用處理器以根據所捕獲的目標表面之兩順序捕獲的圖像所獲得圖像特徵之組合，而重構目標表面的三維輪廓。
  7. 如請求項6所述的方法，其中，該發光裝置包含有：格柵，第一發光設備，第二發光設備；該方法包含有以下步驟：該第一發光設備投射光線於該格柵上，以藉此在目標表面上產生圖案；以及該第二發光設備投射光線，以照射目標表面的每一部分。
  8. 如請求項7所述的方法，其中，該格柵設置在又一光學器件和第一發光設備之間，該方法還包含有以下步驟：使用光學器件以將來自第一發光設備的、投射於格柵上的光線反射而便於在目標表面上產生圖案，以及通過光學器件將來自第二發光設備的光線投射，以便於照射目標表面的每一部分。
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