TWI676000B - 表面形貌光學量測系統及表面形貌光學量測方法 - Google Patents

表面形貌光學量測系統及表面形貌光學量測方法 Download PDF

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Abstract

一種表面形貌光學量測系統包括多個影像擷取模組、一控制模組以及一運算模組。每一個影像擷取模組包括一電控焦距可調鏡頭、一光學組件以及一影像感測器，其中這些影像擷取模組分別擷取一物體的一最低表面與一最高表面之間不同高度的影像。控制模組耦接這些影像擷取模組，以獨立控制這些影像擷取模組。運算模組耦接控制模組與每一個影像擷取模組的影像感測器。運算模組執行表面形貌光學量測系統的校正以及評估擷取影像中的對焦畫素，以知曉物體的表面形貌。一種使用所述表面形貌光學量測系統的表面形貌光學量測方法亦被提出。

Description

表面形貌光學量測系統及表面形貌光學量測方法
本揭露是有關於一種量測系統及量測方法，且特別是有關於一種表面形貌光學量測系統及表面形貌光學量測方法。
在自動光學檢視(Automatic Optical Inspection,AOI)的領域中，非接觸式三維量測技術佔據了重要的地位。非接觸式三維量測技術的例子有彩色共焦顯微術、白光干涉術與錐光全像術。雖然這些技術提供了準確且精密的深度量測，但這些技術是採用單點量測，因此無法提供被檢視表面的任何二維影像。如果需要三維量測，則必須進行費時的二維表面掃描，且無法提供表面的光譜資訊，例如是表面的顏色。雖然存在基於焦點(焦點改變、焦點的深度、失焦的深度)的三維量測技術，其提供物體的二維表面影像與表面的光譜資訊，然而，目前基於焦點的方法的實作受限於其狹窄的視野(Field of View,FOV)與機械運動範圍。特別是，盲 孔的深度量測或具有一直徑遠大於系統視野的類似的結構，則需要沿著垂直於系統光軸的方向的進行掃描。此外，如果被檢視的物體的深度或高度很大，則必須沿著系統的Z軸的另一個長範圍運動。因此，傳統的方法很費時且可能被系統的範圍給限制住。本揭露的一目標是提供一種快速卻精準的三維結構量測，同時提供表面形態與被檢視的物體的二維彩色影像。
本揭露提供一種表面形貌光學量測系統及一種表面形貌光學量測方法，其能夠提供被檢視表面的二維影像且取得物體的表面形貌。
本揭露一實施例的表面形貌光學量測系統包括多個影像擷取模組、一控制模組以及一運算模組。每一個影像擷取模組包括一電控焦距可調鏡頭、一光學組件以及一影像感測器。這些影像擷取模組分別擷取於一物體的最低表面與最高表面之間不同高度的影像。物體的所述最低表面與最高表面定義了感興趣的表面，在所述表面之間要量測一些物理量，例如高度、橫向尺寸與反射率等，但不以此為限。所述最低表面與最高表面並不必要是物體的最低表面與最高表面，且可代表一局部的最低表面與一局部的最高表面。控制模組耦接這些影像擷取模組以獨立控制這些影像擷取模組。運算模組耦接控制模組與每一個影像擷取模組的影像感測器，其中運算模組執行表面形貌光學量測系統的校正以 及評估擷取影像中的對焦畫素，以量測物體的最高表面與最低表面之間的高度差或物體的任何感興趣的表面之間的高度差。
本揭露一實施例的表面形貌光學量測方法使用上述表面形貌光學量測系統。表面形貌光學量測方法包括以下步驟。取得每一個影像擷取模組的一電參數與一焦距之間的關係。執行這些影像擷取模組的校正，從而當每一個影像擷取模組的電控焦距可調鏡頭處於一閒置狀態時(即是當每一個影像擷取模組對焦在它的預設焦距時，即是，沒有施加任何電控制參數至電控焦距可調鏡頭，或當一參考電控參數施加至電控焦距可調鏡頭時)，這些影像擷取模組的焦距之間存在一預定高度差。藉由經校正的這些影像擷取模組，分別對物體的最高表面與最低表面執行局部深度量測，從而擷取每一個經校正的這些影像擷取模組的對焦範圍內且包含對焦畫素的影像。根據所擷取的影像與預定高度差，取得物體的最低表面與最高表面之間的高度差或物體的任何感興趣的表面之間的高度差。
為讓本揭露的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
10、20、30‧‧‧表面形貌光學量測系統
11、11A、11B、11C、11D、11E、11F‧‧‧影像擷取模組
11a‧‧‧第一影像擷取模組
11b‧‧‧第二影像擷取模組
12‧‧‧控制模組
13‧‧‧運算模組
21‧‧‧部分反射學元件
31‧‧‧反射器
91‧‧‧輸送帶
111、111a、111b‧‧‧可調鏡頭
112、112a、112b‧‧‧影像感測器
113、113a、113b‧‧‧光學組件
114‧‧‧中繼鏡頭
115‧‧‧鏡筒鏡頭
116‧‧‧有限共軛物鏡
117‧‧‧物鏡
118‧‧‧環狀光源
119‧‧‧同軸光源
119A‧‧‧光源
119B‧‧‧準直組件
119C‧‧‧分光件
310、320、330、340‧‧‧步驟
500‧‧‧校正儀
A1、A2、A3‧‧‧箭頭
AD‧‧‧調整距離
B‧‧‧光束
BH‧‧‧盲孔
DBH‧‧‧深度
HD‧‧‧高度差
FD‧‧‧焦距
FP‧‧‧焦平面
FR‧‧‧對焦範圍
OA1、OA2‧‧‧光軸
OBJ‧‧‧物體
OBJ1‧‧‧第一物體
OBJ2‧‧‧第二物體
OE‧‧‧輸出端
P‧‧‧點
PHD‧‧‧預定高度差
S1‧‧‧高表面
S2‧‧‧高表面
SB‧‧‧下表面
ST‧‧‧上表面
Z‧‧‧軸
圖1A是依照本揭露的一實施例的一種表面形貌光學量測系統的影像擷取模組的示意圖。
圖1B是依照本揭露的一實施例的一種表面形貌光學量測系統的示意圖。
圖2A至圖2F分別是本揭露實施例可使用的影像擷取模組的示意圖。
圖3是是依照本揭露的一實施例的一種表面形貌光學量測方法的流程圖。
圖4至圖5分別是表面形貌光學量測系統的校正步驟的示意圖。
圖6A至圖6F分別是依照本揭露的示例性的實施方式的影像擷取模組所擷取的影像。
圖7至圖9分別是依照本揭露其他實施例的表面形貌光學量測系統的示意圖。
本揭露的表面形貌光學量測系統適於量測物體的表面形貌。具體而言，本揭露的表面形貌光學量測系統適於在結構位於比個別的影像擷取模組的視野(Field of View,FOV)和工作範圍中的任一個或兩者都大的距離時，經由取得每個個別的影像擷取模組的視野和工作範圍內的一個或多個高度差，來量測一物體的凹型結構的深度或是凸形結構的高度。例如，本揭露的表面形貌光學量測系統適於在盲孔直徑大於個別的影像擷取模組的視野時，或在盲孔的深度大於單一個影像擷取模組的工作範圍時，量測盲 孔的深度，且類似地可量測銷(pin)的高度，或是其他結構的高度差。為了方便說明，下面所描述的實施例與圖式以盲孔為例，但待測物體的結構並不以此為限。
圖1A是依照圖1B所示的本揭露一實施例(例如是影像擷取模組的第一實施例)的一種表面形貌光學量測系統所使用的影像擷取模組的示意圖。請參照圖1A，影像擷取模組11包括一電控焦距可調鏡頭111以及一影像感測器112，其中影像感測器112設置於從一檢視表面至電控焦距可調鏡頭111的一光束(未繪示)的傳遞路徑上。經由改變施加在電控焦距可調鏡頭111的一電參數(例如是一電壓或一電流)的數值來控制電控焦距可調鏡頭111的焦距。例如，電控焦距可調鏡頭111包括一液態透鏡或是一液晶透鏡，且影像感測器112包括一電荷耦合元件(Charge-Coupled Device,CCD)或是一互補式金氧半導體(Complementary Metal-Oxide Semiconductor,CMOS)，但本揭露不以此為限。
在本實施例中，每一個影像擷取模組11更包括一光學組件113，其中電控焦距可調鏡頭111可設置於光學組件113與影像感測器112之間。光學組件113可包括至少一透鏡元件、一濾波器或其他光學元件。可調鏡頭111、光學組件113與影像感測器112可設置成使得影像擷取模組11呈現物側遠心透鏡、像側遠心透鏡或是雙遠心特性。請參照圖1B，本揭露第一實施例的表面形貌光學量測系統10包括多個影像擷取模組11。圖1B示意性地顯示一第一影像擷取模組11a、一第二影像擷取模組11b、一控制模 組12以及一運算模組13。第一影像擷取模組11a包括一電控焦距可調鏡頭111a、一影像感測器112a以及一光學組件113a。第二影像擷取模組11b包括一電控焦距可調鏡頭111b、一影像感測器112b以及一光學組件113b。第一與第二影像擷取模組的元件可具有相同或不同的規格。應當注意的是，表面形貌光學量測系統10可根據實際量測需求而包括兩個以上的影像擷取模組11，並不限制於圖1B所示的設置。
每一個影像擷取模組11的特徵在於對焦範圍(Focusing Range,FR)與最大對焦距離(Maximum Focus Distance,MFD)。最大對焦距離是沿著影像擷取模組11的光軸，從光學組件113的最前面的元件(例如是輸出端OE)到物體OBJ的一表面上的一焦平面FP的一點P的最長距離，使得點P為對焦的。對焦範圍FR對應於MFD與影像擷取模組11可對焦的最短距離之間的高度差。在給定電控焦距可調鏡頭111的當前控制狀態下，焦距FD為一影像擷取模組11對焦的距離。每一個影像擷取模組11的焦距FD與光學組件113以及電控焦距可調鏡頭111相關。具體而言，取決於光學設計，焦距FD可隨著電控焦距可調鏡頭111的焦距的增加而增加，且焦距FD可隨著電控焦距可調鏡頭111的焦距的減少而減少。不同的光學設計可導致相反的變化。在本實施例中，當這些影像擷取模組11在其對焦範圍FR內擷取影像時，這些影像擷取模組11的位置是固定的。參考圖4所示的焦距FD與電參數之間的關係，最大焦距是當施加於電控焦距可調鏡頭111的電參數(例 如是一電壓或一電流)為最小時的焦距(即是，當電控焦距可調鏡頭111處於一閒置狀態時)，而最小焦距是當施加於電控焦距可調鏡頭111的電參數為最大時的焦距。取決於影像擷取模組11的光學設計，可以發生相反的變化。
每一個影像擷取模組11的最大對焦距離MFD與對焦範圍FR取決於每一個影像擷取模組11的配置，且每一個影像擷取模組11的配置可適應於實際的需求。圖2A至圖2F分別是本揭露實施例可使用的影像擷取模組的示意圖。在圖2A至圖2F中，相同的元件由相同的標號表示，並且不再贅述。
在圖2A中，本揭露第二實施例的影像擷取模組11A包括一電控焦距可調鏡頭111、一影像感測器112、一光學組件113(例如是一無限共軛物鏡)、兩個中繼鏡頭114以及一鏡筒鏡頭115，其中電控焦距可調鏡頭111設置於兩個中繼鏡頭114之間，且鏡筒鏡頭115設置於光學組件113與下方的中繼鏡頭114之間。
在圖2B中，本揭露第三實施例的影像擷取模組11B包括一電控焦距可調鏡頭111、一影像感測器112、一中繼鏡頭114以及一有限共軛物鏡116，其中中繼鏡頭114設置於電控焦距可調鏡頭111與影像感測器112之間，且電控焦距可調鏡頭111設置於有限共軛物鏡116與中繼鏡頭114之間。
在圖2C中，本揭露第四實施例的影像擷取模組11C包括一電控焦距可調鏡頭111、一影像感測器112、一中繼鏡頭114以及一物鏡117，其中中繼鏡頭114設置於電控焦距可調鏡頭111與 影像感測器112之間，且物鏡117設置於電控焦距可調鏡頭111與中繼鏡頭114之間。
在圖2D中，本揭露第五實施例的影像擷取模組11D包括一環狀光源118，以提供照明物體OBJ的一光束B。環狀光源118可包括至少一發光元件。舉例而言，環狀光源118包括至少一雷射二極體、至少一發光二極體或其組合。應注意的是，環狀光源118可用於本揭露其他光學設計的任一影像擷取模組，換句話說，包括了環狀光源118的影像擷取模組的配置不限於圖2D。
在圖2E中，本揭露第六實施例的影像擷取模組11E與圖2A的影像擷取模組11A相似，而兩者之間的主要差別在於影像擷取模組11E更包括設置於光學組件113(例如是無限共軛物鏡)與鏡筒鏡頭115之間的一同軸光源119。
具體而言，同軸光源119包括一光源119A、一準直組件119B以及一分光件119C。光源119A包括至少一雷射二極體、至少一發光二極體或其組合，以提供照明物體OBJ的一光束B。準直組件119B位於光源119A與分光件119C之間，且準直組件119B包括至少一光學元件，以準直來自光源119A的光束，並將經準直後的光束傳遞至分光件119C。分光件119C位於來自準直組件119B的光束的傳遞路徑上，並位於光學組件113與鏡筒鏡頭115之間。來自光源119A的光束在通過準直組件119B之後被傳遞至分光件119C。通過準直組件119B並傳遞至分光件119C的光束在被分光件119C反射後，接著被傳遞至光學組件113。經由分光件119C 反射並傳遞至光學組件113的光束B在通過光學組件113後，再被傳遞至物體OBJ。被傳遞至物體OBJ的光束B再被物體OBJ反射，並依序通過光學組件113、分光件119C、鏡筒鏡頭115、靠近於物體OBJ的中繼鏡頭114、電控焦距可調鏡頭111以及遠離於物體OBJ的中繼鏡頭114後，再被影像感測器112接收。
應注意的是，同軸光源119可用於本揭露其他光學設計的任一影像擷取模組。換句話說，包括了同軸光源119的影像擷取模組的配置不限於圖2E。舉例而言，圖1B的影像擷取模組11的至少其中之一可更包括圖2F如所示的同軸光源119。在圖2F中，本揭露第七實施例的影像擷取模組11F與圖1A的影像擷取模組11相似，而兩者之間的主要差別在於影像擷取模組11F更包括設置於物體OBJ與光學組件113之間的同軸光源119，同軸光源119中的元件與圖2E所描述的那些元件相似。
應注意的是，圖1B的表面形貌光學量測系統10的這些影像擷取模組11的其中一個或多個可被圖2A的影像擷取模組11A、圖2B的影像擷取模組11B、圖2C的影像擷取模組11C、圖2D的影像擷取模組11D、圖2E的影像擷取模組11E或是圖2F的影像擷取模組11F取代。當表面形貌光學量測系統10的這些影像擷取模組11採用不同的配置時，這些影像擷取模組11的焦距FD及/或對焦範圍FR不需要相同。此外，在圖1A至圖2F中的影像感測器112可為一區域感測器或一線感測器。
請再參考圖1B，控制模組12耦接這些影像擷取模組11， 以獨立控制這些影像擷取模組11。舉例而言，控制模組12可控制這些影像擷取模組11的每一個，以擷取影像，並經由改變輸入的電參數來控制電控焦距可調鏡頭111a、111b的焦距。
控制模組12可包括一個或多個控制器，以獨立控制這些影像擷取模組11。在一實施例中，控制模組12可內建於這些影像擷取模組11的其中一個或多個，或是內建於一行動裝置、一閘道器或是一雲端系統等等。
運算模組13耦接控制模組12與每一個影像擷取模組11的影像感測器112，其中運算模組13執行表面形貌光學量測系統10的校正以及評估擷取影像中的對焦畫素，以量測物體OBJ的最低表面與最高表面之間的高度差或物體OBJ的任何感興趣的表面之間的高度差。具體而言，表面形貌光學量測系統10的校正可包括取得每一個影像擷取模組11的電參數與焦距FD之間的關係，並執行這些影像擷取模組11的校正，從而當每一個影像擷取模組11的電控焦距可調鏡頭111處於一閒置狀態時(即是，如圖4所示，當施加在電控焦距可調鏡頭111的電參數為最小時)，這些影像擷取模組11的焦平面FP之間存在一預定高度差PHD。在一實施例中，運算模組13可內建於這些影像擷取模組11的其中一個或多個，或是內建於一行動裝置、一閘道器或是一雲端系統等等。
在本實施例中，表面形貌光學量測系統10適於量測具有一盲孔BH的物體OBJ的表面形貌。具體而言，表面形貌光學量測系統10適於取得盲孔BH的一深度DBH。這些影像擷取模組11 分別設置在物體OBJ的最低表面與最高表面上方，以擷取物體OBJ的最低表面與最高表面的影像。如圖1B所示，第一影像擷取模組11A設置在盲孔BH的一上表面ST上方，以擷取盲孔BH的上表面ST的影像，而第二影像擷取模組11B設置在盲孔BH的一下表面SB上方，以擷取盲孔BH的下表面SB的影像。可調整影像擷取模組11的數量，以匹配物體OBJ的幾何與量測需求。舉例而言，在一實施例中，可使用超過一個的影像擷取模組11來擷取盲孔BH的上表面ST的影像。
現參照圖3至圖6D說明使用這些影像擷取模組的表面形貌光學量測方法。圖3是依照本揭露的一實施例的一種表面形貌光學量測方法的流程圖。圖4至圖5分別是表面形貌光學量測系統的校正步驟的示意圖。圖6A至圖6F分別是依照所述方法的示例性的實施方式的表面形貌光學量測系統的影像擷取模組所擷取的影像。
請參照圖1B與圖3至圖6F，步驟310說明了如何建立每一個影像擷取模組11的一電參數(例如一電壓或一電流)與一焦距FD之間的關係。具體而言，每一個影像擷取模組11的焦距FD隨著施加在電控焦距可調鏡頭111的電參數的改變而改變。因此，可以經由以下的步驟來取得由相同的影像擷取模組11所擷取的兩個影像的焦距變化。首先，在圖3的步驟310中，取得施加在圖1B的這些電控焦距可調鏡頭(111a與111b)的電參數的數值與在圖1B的每一個電控焦距可調鏡頭的焦距FD之間的關係，例如是圖 4所示。可以經由擷取具有已知高度的表面的一物體的影像，再取得每一個擷取影像中的對焦畫素，最後將所述對焦畫素的影像與所述擷取的影像的電參數相關連，來取得電參數的數值與焦距FD之間的關係。在接下來的運算處理中，經由相同的影像擷取模組11所擷取的不同的影像中的對焦畫素之間的焦距變化，可從對應於擷取影像的電參數的變化來推導出。
在步驟320中，執行這些影像擷取模組11的校正，從而當每一個影像擷取模組11的電控焦距可調鏡頭(111a或111b)處於一閒置狀態時，這些影像擷取模組11的焦平面FP之間存在一預定高度差PHD。具體而言，請參照圖5，執行這些影像擷取模組11的校正包括以下步驟。首先，當每一個影像擷取模組11的電控焦距可調鏡頭(111a或111b)處於閒置狀態時，使用第一影像擷取模組11a來擷取一校正儀500的高表面S1的影像且使用第二影像擷取模組11b來擷取校正儀500的低表面S2的影像，其中校正儀500的高低表面具有準確知曉的預定高度差PHD。接著，調整每一個影像擷取模組11之間各自的距離，從而當每一個影像擷取模組11的電控焦距可調鏡頭(111a或111b)處於閒置狀態時，這些影像擷取模組11的焦平面FP分別在校正儀500的高低表面上。如此一來，如圖5所示的影像擷取模組11之間的高度差等於PHD+AD，其中AD為一調整距離。當影像擷取模組11為嚴格地相同時，則AD=0。然而，由於當每一個影像擷取模組11處於閒置狀態時，每一個影像擷取模組11的焦距FD可能會不相等(因為 不同的光學特性，或是因為微小的製造差異，或是當可調鏡頭(111a或111b)靜止時因為微小的可調鏡頭光學特性，使得焦距FD可能不相等)，因此調整距離AD可為正或負。
可經由改變施加在任一個電控焦距可調鏡頭(111a或111b)的電參數來執行額外的調整，從而讓電控焦距可調鏡頭各自的焦平面FP可準確地定位在校正儀500的高表面S1與低表面S2上。在步驟320之後，當每一個影像擷取模組11的電控焦距可調鏡頭(111a或111b)處於閒置狀態時，影像擷取模組11的焦平面(planes of Focus,PoF)分別在校正儀500的高低表面上。
圖5中校正儀500的高低表面之間的預定高度差PHD是基於圖1B所示的盲孔BH的深度DBH的預期設計值來選擇。換句話說，經校正的影像擷取模組11的焦距FD的變化是落在盲孔BH的實際的深度DBH的範圍內。據此，當校正儀500替換成物體OBJ時，可通過輸入的電參數的改變讓每一個影像擷取模組11的焦距FD產生局部變化，來量測盲孔BH實際的深度DBH，且每一個影像擷取模組11的對焦範圍FR可小於物體OBJ的最低表面與最高表面之間的高度差HD(即是，盲孔BH的深度DBH)。因此，每一個影像擷取模組11的對焦範圍FR不需要包含整個盲孔BH的深度DBH，從而僅需要擷取每個影像擷取模組11對焦範圍FR內的影像而不需要擷取整個深度DBH的影像，因此縮短了量測時間。這樣還能夠量測尺寸大於個別的影像擷取模組11的對焦範圍FR的物體的高度。每一個影像擷取模組11的對焦範圍FR 可根據實際的需求改變，且本揭露並不用以限制每一個影像擷取模組11的對焦範圍FR。
在步驟330中，藉由影像擷取模組11分別對物體OBJ的最高與最低表面(圖1B中的上表面ST與下表面SB)進行局部深度量測，從而擷取經校正的這些影像擷取模組11的對焦範圍FR內且包含對焦畫素的影像。在本實施例中，如圖1B所示，每一個影像擷取模組11的對焦範圍FR可不同。
圖6A至圖6F是依照一示例性的實施例，經由多個校正後的影像擷取模組所擷取的影像的示意性表示。
圖6A至圖6C顯示出圖1B的第一影像擷取模組11a所見的盲孔SB的頂部，且圖6D至圖6F顯示出圖1B的第二影像擷取模組11b所見的盲孔SB的底部。第一影像擷取模組11a設置成使得盲孔SB的上表面ST落在第一影像擷取模組11a的對焦範圍FR內。圖6A至圖6C顯示出上表面ST對焦程度的增加，其中圖6C顯示對焦的上表面ST，而下表面SB完全失焦。圖6D至圖6F顯示出第二影像擷取模組11b所見的盲孔SB的底部。第二影像擷取模組11b設置成使得盲孔SB的下表面SB落在第二影像擷取模組11b的對焦範圍FR內。圖6D至圖6F顯示出下表面SB對焦程度的增加，其中圖6F顯示對焦的下表面SB，而上表面ST完全失焦。注意，盲孔SB的整個深度超出任一個影像擷取模組11的對焦範圍FR。
在圖3的步驟340中，根據所擷取的影像與預定高度差 PHD，取得物體OBJ的最低與最高表面之間或物體OBJ的任何感興趣的表面之間的高度差HD。具體而言，取得物體OBJ的最低與最高表面之間的高度差HD可包括以下步驟。首先，在所擷取的影像中選取對焦畫素。接著，經由使用在步驟310所取得如圖4所示的電參數與焦距之間的關係，來對每一個對焦畫素與相關焦距FD進行匹配。接著，根據預定高度差加上這些影像擷取模組11之間的調整距離(PHD+AD)以及從每一個影像擷取模組11的電控焦距可調鏡頭111的電參數的變化所導出的焦距FD的變化(來自電控焦距可調鏡頭111的閒置狀態)，可取得物體OBJ的最低與最高表面之間或物體OBJ的任何感興趣的表面之間的高度差HD。舉例而言，如果與第二影像擷取模組11b在下表面SB所擷取的影像中的對焦畫素相對應的焦距變化為X，且與第一影像擷取模組11a在上表面ST所擷取的影像中的對焦畫素相對應的焦距變化為Y，則物體OBJ的最低與最高表面之間(即，盲孔BH的深度DBH)的高度差HD等於(PHD+AD+|X-Y|)。
圖7至圖9分別是依照本揭露其他實施例的一種表面形貌光學量測系統的示意圖。在圖7至圖9中，相同的元件由相同的標號表示，並且不再贅述。
請參照圖7，本揭露第二實施例的表面形貌光學量測系統20包括設置在物體OBJ與每一個影像擷取模組11之間的一部分反射光學元件21。部分反射光學元件21的中心區域被設計為允許來自盲孔BH的下表面SB的光束穿過，並在第二影像擷取模組11b 成像。部分反射光學元件21的外圍區域被設計為反射來自盲孔BH的上表面ST的光束，並在第一影像擷取模組11a成像(如果第一影像擷取模組11a包括光源)。舉例而言，部分反射光學元件21可為具有一透射中心區域與一反射外圍區域的一特製鏡子。替代地，部分反射光學元件21可為一分光件。在第一影像擷取模組11a與第二影像擷取模組11b分別包括具有不同波長的光源(例如是，一可見光源與一紅外光源)的情況下，部分反射光學元件21可為一熱鏡或一冷鏡，但本揭露不限於此。
在圖7的配置中，在校正這些影像擷取模組11的期間，可經由沿著如圖7所示的箭頭A1與A2的方向分別移動第一影像擷取模組11a與第二影像擷取模組11b來調整第一影像擷取模組11a與第二影像擷取模組11b的位置。
請參照圖8，在本揭露第三實施例的表面形貌光學量測系統30中，第一影像擷取模組11a與第二影像擷取模組11b都面向物體OBJ，從而第一影像擷取模組11a的光軸OA1平行於第二影像擷取模組11b的光軸OA2。此外，表面形貌光學量測系統30更包括設置於部分反射光學元件21與其中一影像擷取模組11(例如是第一影像擷取模組11a)之間的一反射器31。反射器31位在物體OBJ與多個影像擷取模組的其中之另一(例如第二影像擷取模組11b)之間的光傳遞路徑之外。換句話說，反射器31不會位於部分反射光學元件21與第二影像擷取模組11b之間，且反射器31也不會位於部分反射光學元件21與物體OBJ之間，使得第二影像擷 取模組11b能夠擷取來自物體OBJ的下表面SB的光束(未標示)。來自盲孔BH的上表面ST的光束(未標示)在依序經由部分反射光學元件21與反射器31的反射之後，被傳遞至第一影像擷取模組11a。反射器31可包括一鏡子或塗佈反射層的一板材。
請參照圖9，在本揭露第四實施例的表面形貌光學量測系統中，多個物體OBJ(例如一第一物體OBJ1與一第二物體OBJ2)設置在一輸送帶91上，輸送帶91沿著箭頭A3所示的方向平移這些物體OBJ。第一影像擷取模組11a用於擷取每一個物體OBJ的上表面ST，且第二影像擷取模組11b用於擷取每一個物體OBJ的下表面SB。
舉例而言，當在輸送這些物體OBJ且第一物體OBJ1通過一影像擷取模組(例如是11b)的下方時，影像擷取模組(例如是11b)擷取第一物體OBJ1的下表面SB。當這些物體OBJ沿著輸送帶91進一步移動時，第一物體OBJ1與第二物體OBJ2分別位於影像擷取模組(例如是11a與11b)的下方；其中位於第一物體OBJ1上方的影像擷取模組(例如是11a)擷取第一物體OBJ1的上表面ST的影像，且位於第二物體OBJ2上方的影像擷取模組(例如是11b)同時地擷取第二物體OBJ2的下表面SB的影像。當第二物體OBJ2通過用於擷取每一個物體OBJ的上表面ST的影像的影像擷取模組(例如是11a)的下方時，影像擷取模組(例如是11a)擷取第二物體OBJ2的上表面ST的影像。
注意，圖9示意性地示出兩個物體OBJ，但物體OBJ的 數量並不限於此。
綜上所述，在本揭露的實施例中，取得了被檢視物體的表面的二維影像。此外，經由多個影像擷取模組同時擷取物體的最高表面與最低表面(或是兩者之間任何感興趣的表面)的影像。因此，本揭露的表面形貌光學量測系統與表面形貌光學量測方法能夠高速取得物體的表面形貌。此外，本揭露的表面形貌光學量測系統與表面形貌光學量測方法可適於取得凹陷或凸起結構的深度量測，其深度量測的深度或橫向尺寸大於單一個傳統的表面形貌光學量測系統的規格。在一實施例中，可經由增加影像擷取模組的數量來量測物體的多於一個的高度差。在本揭露實施例中的影像擷取模組的電控焦距可調鏡頭與光學組件形成一影像側遠心透鏡、一物側遠心透鏡或一雙遠心透鏡。
雖然本揭露已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本揭露，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本揭露的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本揭露的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

Claims (15)

  1. 一種表面形貌光學量測系統，包括：多個影像擷取模組，每一個影像擷取模組包括一電控焦距可調鏡頭、一光學組件以及一影像感測器，其中該些影像擷取模組分別擷取於一物體的最低表面與最高表面之間不同高度的影像；一控制模組，耦接該些影像擷取模組，以獨立控制該些影像擷取模組；以及一運算模組，耦接該控制模組與每一個影像擷取模組的該影像感測器，其中該運算模組執行該表面形貌光學量測系統的校正以及評估擷取影像中的對焦畫素，以量測該物體的最高表面與最低表面之間的高度差或量測該物體的任何感興趣的表面之間的高度差。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的表面形貌光學量測系統，其中每一個影像擷取模組在該物體的厚度方向上具有一對焦範圍，且每一個影像擷取模組的該對焦範圍小於該物體的最低表面與最高表面之間的該高度差。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的表面形貌光學量測系統，其中當每一個影像擷取模組的該電控焦距可調鏡頭處於一閒置狀態時，該些影像擷取模組的焦距之間存在一預定高度差。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的表面形貌光學量測系統，其中該些影像擷取模組的至少一個包括一無限共軛物鏡或一有限共軛物鏡。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的表面形貌光學量測系統，其中該影像擷取模組的該電控焦距可調鏡頭與該光學組件形成一影像側遠心透鏡、一物側遠心透鏡或一雙遠心透鏡。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的表面形貌光學量測系統，其中該些影像擷取模組的至少一個包括一同軸光源或一環狀光源。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的表面形貌光學量測系統，其中該同軸光源或該環狀光源包括至少一個雷射二極體、或至少一個發光二極體或上述的組合。
  8. 如申請專利範圍第1項所述的表面形貌光學量測系統，其中每一個影像擷取模組的該影像感測器為一區域感測器或一線感測器。
  9. 如申請專利範圍第1項所述的表面形貌光學量測系統，更包括：一部分反射光學元件，設置在該物體與每一個影像擷取模組之間。
  10. 如申請專利範圍第9項所述的表面形貌光學量測系統，更包括：一反射器，設置在該部分反射光學元件與該些影像擷取模組的其中之一之間，且該反射器位在該物體與該些影像擷取模組的其中之另一之間的光傳遞路徑之外。
  11. 如申請專利範圍第1項所述的表面形貌光學量測系統，更包括：一輸送帶，該物體設置在該輸送帶上。
  12. 一種表面形貌光學量測方法，其使用如申請專利範圍第1項所述的表面形貌光學量測系統，該表面形貌光學量測方法包括以下步驟：取得每一個影像擷取模組的一電參數與一焦距之間的關係；執行該些影像擷取模組的校正，從而當每一個影像擷取模組的該電控焦距可調鏡頭處於一閒置狀態時，該些影像擷取模組的焦距之間存在一預定高度差；藉由經校正的該些影像擷取模組分別對物體的最高表面與最低表面執行局部深度量測，從而擷取對焦範圍內且包含對焦畫素的影像；以及根據所擷取的影像與該預定高度差，取得該物體的最低表面與最高表面之間的高度差或該物體的任何感興趣的表面之間的高度差。
  13. 如申請專利範圍第12項所述的表面形貌光學量測方法，其中該電參數為電壓或電流。
  14. 如申請專利範圍第12項所述的表面形貌光學量測方法，其中執行該些影像擷取模組的校正包括：當每一個影像擷取模組的該電控焦距可調鏡頭處於該閒置狀態時，藉由該些影像擷取模組分別擷取一校正儀的高低表面的影像，其中該校正儀的該高低表面之間的高度差為準確知曉的；以及調整該些影像擷取模組的位置，從而讓每一個影像擷取模組所擷取的影像為對焦的。
  15. 如申請專利範圍第12項所述的表面形貌光學量測方法，其中取得該物體的該最低表面與該最高表面之間的該高度差包括：在所擷取的影像中選取該對焦畫素；以及將每一個對焦畫素與一相關距離做匹配。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111623961A (zh) * 2020-06-10 2020-09-04 太仓考斯茂石英有限公司 玻璃透镜检测机及控制方法

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112683190B (zh) * 2020-10-27 2022-10-04 广东奥普特科技股份有限公司 一种透明体内置物深度检测方法及其检测系统
US20220364848A1 (en) * 2021-05-13 2022-11-17 Industrial Technology Research Institute Depth measurement apparatus and depth measurement method

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6823724B1 (en) * 2001-12-06 2004-11-30 Jeol Ltd. Method and apparatus for measuring values of physical property
US20140168660A1 (en) * 2012-12-14 2014-06-19 University Of New Brunswick Method and apparatus for surface profilometry
TWI489101B (zh) * 2013-12-02 2015-06-21 Ind Tech Res Inst 結合三維及二維形貌之量測方法及裝置
TWI516743B (zh) * 2014-05-30 2016-01-11 南臺科技大學 具直線奈米定位之自動聚焦三維量測系統
TWI568989B (zh) * 2015-05-21 2017-02-01 財團法人工業技術研究院 全域式影像檢測系統及其檢測方法
CN107764204A (zh) * 2017-11-30 2018-03-06 苏州优函信息科技有限公司 基于光片显微镜的三维表面形貌仪及三维图像拼接方法

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7668364B2 (en) 2005-04-26 2010-02-23 Hitachi Via Mechanics, Ltd. Inspection method and apparatus for partially drilled microvias
JP4452815B2 (ja) 2007-07-31 2010-04-21 レーザーテック株式会社 深さ測定装置
WO2009023635A1 (en) 2007-08-10 2009-02-19 Board Of Regents, The University Of Texas System Forward-imaging optical coherence tomography (oct) systems and probe
US20110184694A1 (en) 2007-08-19 2011-07-28 Camtek Ltd. Depth measurements of narrow holes
IL188029A0 (en) 2007-12-10 2008-11-03 Nova Measuring Instr Ltd Optical method and system
TWI487898B (zh) 2014-01-13 2015-06-11 Machvision Inc 電路板之盲孔內缺陷的檢測設備、檢測系統及其檢測方法
CN105117074B (zh) 2015-08-19 2018-06-29 业成光电（深圳）有限公司 光感测结构及其制造方法
TWI558976B (zh) 2015-09-02 2016-11-21 久元電子股份有限公司 導電結構製造方法及盲孔關鍵尺寸資訊檢測方法
TWI623367B (zh) 2015-11-19 2018-05-11 財團法人金屬工業研究發展中心 雷射加工系統及即時確認加工量的方法

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6823724B1 (en) * 2001-12-06 2004-11-30 Jeol Ltd. Method and apparatus for measuring values of physical property
US20140168660A1 (en) * 2012-12-14 2014-06-19 University Of New Brunswick Method and apparatus for surface profilometry
TWI489101B (zh) * 2013-12-02 2015-06-21 Ind Tech Res Inst 結合三維及二維形貌之量測方法及裝置
TWI516743B (zh) * 2014-05-30 2016-01-11 南臺科技大學 具直線奈米定位之自動聚焦三維量測系統
TWI568989B (zh) * 2015-05-21 2017-02-01 財團法人工業技術研究院 全域式影像檢測系統及其檢測方法
CN107764204A (zh) * 2017-11-30 2018-03-06 苏州优函信息科技有限公司 基于光片显微镜的三维表面形貌仪及三维图像拼接方法

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111623961A (zh) * 2020-06-10 2020-09-04 太仓考斯茂石英有限公司 玻璃透镜检测机及控制方法

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Publication number Publication date
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