專利名稱：選擇性觀察物體特征的高速采集視覺系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及用于光學(xué)成像的系統(tǒng)及方法，更具體地，涉及一種用于選擇性地觀察各種物體特征、包括埋設(shè)于非透明材料下的特征的快速(非掃描式)光學(xué)顯微方法及
>J-U ρ α裝直。
背景技術(shù)：
對埋設(shè)于非透明材料下的物體特征進(jìn)行觀察是重大的技術(shù)挑戰(zhàn)，當(dāng)光學(xué)視覺系統(tǒng)必須能夠產(chǎn)生物體的實(shí)時(shí)活動(dòng)圖像(real time live image)且該物體特征不透光時(shí)尤其如此。在此類視覺系統(tǒng)中，掃描并非可接受的解決方案，并且因物體特征本身不透射背光(backlight)，故無法使用背光照明。此外，出于成本考慮，使用波長介于材料透明窗口內(nèi)的照明光有時(shí)可能并不可行，尤其是當(dāng)材料透明窗口位于可見光的波長范圍外時(shí)。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)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光源、以及使用在對應(yīng)波長范圍中具有靈敏度的成像傳感器會極大地提高光學(xué)檢查系統(tǒng)的總成本，故此并不可取。另外，成像系統(tǒng) 的光學(xué)分辨率會隨照明光波長的增大而減小，故使用紅外線照明光源也是不可取的。在其它應(yīng)用中，亟需一種突顯物體的某些特征而不突顯其它特征的視覺系統(tǒng)。例如，在許多應(yīng)用中，物體的表面紋理(surface texture)不如物體表面上所出現(xiàn)的特征重要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及能基本消除與選擇性地觀察物體特征的現(xiàn)有技術(shù)相關(guān)聯(lián)的一個(gè)或多個(gè)上述或其它問題的方法及系統(tǒng)，物體特征包括埋設(shè)于非透明材料下的物體特征。根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供一種用于對包括非透明材料的物體成像的光學(xué)裝置。該裝置包括照明光源、遠(yuǎn)場校正物鏡(infinity corrected objective)、照明光學(xué)路徑、中繼光學(xué)器件、圖像傳感器以及成像光學(xué)路徑。其中，照明光源產(chǎn)生照明光，該照明光具有受控的角頻譜(angular spectrum);遠(yuǎn)場校正物鏡用于將該照明光引導(dǎo)至該物體上并聚集來自該物體的光；照明光學(xué)路徑將該照明光從該照明光源傳遞至該遠(yuǎn)場校正物鏡；中繼光學(xué)器件設(shè)置于該照明光學(xué)路徑內(nèi)，并用于將進(jìn)入該遠(yuǎn)場校正物鏡的該照明光的光線導(dǎo)引至預(yù)定傾角；圖像傳感器用于產(chǎn)生該物體的圖像；成像光學(xué)路徑用于將所聚集的光從遠(yuǎn)場校正物鏡傳遞至圖像傳感器。在所述光學(xué)裝置中，照明光源、遠(yuǎn)場校正物鏡及中繼光學(xué)器件被布置成至少部分地防止雜散光線、由非透明材料的表面或界面所散射的光線、以及受非透明材料的不均勻性干擾的光線進(jìn)入成像光學(xué)路徑。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種用于對包括物體特征的物體成像的光學(xué)裝置。該裝置包括照明光源、遠(yuǎn)場校正物鏡、照明光學(xué)路徑、中繼光學(xué)器件、圖像傳感器以及成像光學(xué)路徑。其中，照明光源具有發(fā)光孔徑并產(chǎn)生照明光，該照明光具有受控的角頻譜；遠(yuǎn)場校正物鏡用于將該照明光引導(dǎo)至物體上并聚集來自該物體的光；照明光學(xué)路徑將該照明光從照明光源傳遞至遠(yuǎn)場校正物鏡；中繼光學(xué)器件設(shè)置于照明光學(xué)路徑內(nèi)，并用于將進(jìn)入遠(yuǎn)場校正物鏡的照明光的光線導(dǎo)引至預(yù)定傾角；圖像傳感器用于產(chǎn)生物體的圖像；成像光學(xué)路徑用于將所聚集的光從遠(yuǎn)場校正物鏡傳遞至圖像傳感器。在該裝置中，照明光源的發(fā)光孔徑被配置成完全填充遠(yuǎn)場校正物鏡的入射光瞳(entrance pupil),且中繼光學(xué)器件被配置成將照明光聚焦于物體的表面上或?qū)⒄彰鞴庠吹膱D像形成于物體平面上。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種用于對包括物體特征的物體成像的光學(xué)裝置。該裝置包括照明光源、遠(yuǎn)場校正物鏡、照明光學(xué)路徑、中繼光學(xué)器件、圖像傳感器以及成像光學(xué)路徑。其中，照明光源具有發(fā)光孔徑并產(chǎn)生照明光，該照明光具有受控的角頻譜；遠(yuǎn)場校正物鏡用于將照明光引導(dǎo)至該物體上并聚集來自該物體的光；照明光學(xué)路徑用于將該照明光從該照明光源傳遞至遠(yuǎn)場校正物鏡；中繼光學(xué)器件設(shè)置于照明光學(xué)路徑內(nèi)，并用于將進(jìn)入該遠(yuǎn)場校正物鏡的照明光的光線導(dǎo)引至預(yù)定傾角；圖像傳感器用于產(chǎn)生物體的圖像；成像光學(xué)路徑用于將所聚集的光從遠(yuǎn)場校正物鏡傳遞至圖像傳感器。在該裝置中，照明光源的發(fā)光孔徑實(shí)質(zhì)上減小，且中繼光學(xué)器件用于提供入射于物體上的強(qiáng)發(fā)散或強(qiáng)會聚照明光。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種用于對包括非透明材料的物體成像的方法。本發(fā)明的方法包括:利用照明光源產(chǎn)生照明光，該照明光具有受控的角頻譜；利用遠(yuǎn)場校正物鏡將該照明光引導(dǎo)至物體上并聚集來自該物體的光；利用照明光學(xué)路徑將該照明光從照明光源傳遞至遠(yuǎn)場校正物鏡；利用設(shè)置于照明光學(xué)路徑內(nèi)的中繼光學(xué)器件將進(jìn)入遠(yuǎn)場校正物鏡的照明光的光線導(dǎo)引至預(yù)定傾角；利用圖像傳感器產(chǎn)生物體的圖像；以及利用成像光學(xué)路徑將所聚集的光從遠(yuǎn)場校正物鏡傳遞至圖像傳感器。在本發(fā)明的方法中，照明光源、遠(yuǎn)場校正物鏡及中繼光學(xué)器件被布置成至少部分地防止雜散光線、由非透明材料的表面或界面所散射的光線、以及受非透明材料的不均勻性干擾的光線進(jìn)入成像光學(xué)路徑。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種用于對包括物體特征的物體成像的方法。本發(fā)明的方法包括:利用照明光源產(chǎn)生照明光，照明光源具有發(fā)光孔徑，照明光具有受控的角頻譜；利用遠(yuǎn)場校正物鏡將照明光引導(dǎo)至物體上并聚集來自物體的光；利用照明光學(xué)路徑將照明光從照明光源傳遞至遠(yuǎn)場校正物鏡；利用設(shè)置于照明光學(xué)路徑內(nèi)的中繼光學(xué)器件將進(jìn)入遠(yuǎn)場校正物鏡的照明光的光線導(dǎo)引至預(yù)定傾角；利用圖像傳感器來產(chǎn)生物體的圖像；以及利用成像光學(xué)路徑將所聚集的光從遠(yuǎn)場校正物鏡傳遞至圖像傳感器。在本發(fā)明的方法中，照明光源的發(fā)光孔徑被配置成完全填充遠(yuǎn)場校正物鏡的入射光瞳，且中繼光學(xué)器件被配置成將照明光聚焦于物體的表面上或?qū)⒄彰鞴庠吹膱D像形成于物體平面上。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種用于對包括物體特征的物體成像的方法。本發(fā)明的方法包括:利用照明光源產(chǎn)生照明光，該照明光源具有發(fā)光孔徑，該照明光具有受控的角頻譜；利用遠(yuǎn)場校正物鏡將照明光引導(dǎo)至物體上并聚集來自物體的光；利用照明光學(xué)路徑將照明光從照明光源傳遞至遠(yuǎn)場校正物鏡；利用設(shè)置于照明光學(xué)路徑內(nèi)的中繼光學(xué)器件將進(jìn)入遠(yuǎn)場校正物鏡的照明光的光線導(dǎo)引至預(yù)定傾角；利用圖像傳感器產(chǎn)生物體的圖像；以及利用成像光學(xué)路徑將所聚集的光從遠(yuǎn)場校正物鏡傳遞至圖像傳感器。在本發(fā)明的方法中，照明光源的發(fā)光孔徑實(shí)質(zhì)上減小，且中繼光學(xué)器件用以提供入射于物體上的強(qiáng)發(fā)散或強(qiáng)會聚照明光。關(guān)于本發(fā)明的其它方面將于以下闡述，且部分實(shí)施方式根據(jù)本說明書的描述將變得顯而易見或可通過實(shí)施本發(fā)明而知悉。本發(fā)明的各方面可通過在以下詳細(xì)說明及隨附的權(quán)利要求中所特別指出的方面以及各個(gè)方面與實(shí)施方式的組合而實(shí)現(xiàn)及獲得。應(yīng)理解，上述說明與以下說明僅為示例性及解釋性的，而并非旨在以任何方式限制本發(fā)明或其應(yīng)用。


并入本說明書中并構(gòu)成本說明書的一部分的各個(gè)附圖通過舉例說明本發(fā)明的實(shí)施例，并與本說明書一起用于解釋及示出所述技術(shù)的原理。具體而言:圖1示出新穎的光學(xué)圖像采集系統(tǒng)的示例性實(shí)施例的原理概念；圖2示出某些光源的示例性特性；圖3示出用于減少在非透明材料的表面或界面處所散射且由成像系統(tǒng)所捕獲的光量的方法的一個(gè)示例性實(shí)施例；圖4不出來自一般光源或錯(cuò)誤光束傳遞的雜散光；圖5示出所述系統(tǒng)通過具有受控的角頻譜的光源來實(shí)現(xiàn)正確的光束傳遞的實(shí)施例；圖6示出受非透明材料的不均勻性干擾且由實(shí)施例中的所述成像系統(tǒng)捕獲的光線.
圖7和圖8示出利用具有受控的角頻譜的光源來消除或減少由非透明材料的表面或界面直接反射的光、雜散光、以及由于非透明材料的不均勻性而散射或干擾的光的所述技術(shù)的示例性實(shí)施例；以及圖9示出所述多源照明器以及用于減小激光源與圖像中相關(guān)的“光斑”的同調(diào)性的退相系統(tǒng)及方法的示例性實(shí)施例。
具體實(shí)施例方式在以下詳細(xì)說明中，將參照附圖，在附圖中相同的功能組件由相同的編號表示。所述附圖以示例性而非限制的方式顯示根據(jù)本發(fā)明原理的具體實(shí)施例及實(shí)施方式。以下，將非常詳細(xì)地闡述這些實(shí)施方式，以使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠?qū)嵺`本發(fā)明；并且應(yīng)理解，亦可使用其它實(shí)施方式，且在不背離本發(fā)明的范圍及精神的條件下，可對各種組件作出結(jié)構(gòu)改變和/或替換。因此，以下詳細(xì)說明不應(yīng)被理解為具有限制意義。本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例提供一種用于選擇性地觀察物體特征、包括埋設(shè)于非透明材料下的物體特征的快速光學(xué)(非掃描式)顯微方法及裝置。在本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，所述光學(xué)系統(tǒng)的分辨率僅受衍射效應(yīng)限制。本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例使用具有波長的照明光源，該波長可由常規(guī)(即非紅外線(IR)或紫外線(UV))CXD (chargecoupled device ;電荷稱合器件)照相機(jī)或其它低成本圖像感測及記錄器件(例如攝影板(photography plate))高效地偵測到。在本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，物體照明光的波長被設(shè)定為盡可能的短，以最大化系統(tǒng)的解析能力。在本文中:I) “非透明材料”指的是如下材料:自其表面或接受入射光的界面反射的光的反射率相當(dāng)于或大于以下二者的乘積:a)等于該材料的2倍厚度的路徑的透射率，與b)埋設(shè)界面的反射率。非透明材料包括半不透明(sem1-opaque)材料以及半透明(sem1-transparent)材料。2)“具有受控的角頻譜的光源”指的是如下光源:其發(fā)光表面的每一點(diǎn)皆僅在某一角度方向上或在該角度方向周圍的小立體角(solid angle)內(nèi)發(fā)光。發(fā)光的特定角度方向及立體角分布寬度取決于光學(xué)檢查裝置的特定設(shè)計(jì)所用的特定光學(xué)器件的特性。上述具有受控的角頻譜的光源可為激光、激光二極管(laser diode ;LD)或任一非同調(diào)光源，其輸出的光經(jīng)過適當(dāng)過濾以確保該光源的每一點(diǎn)皆僅在某一角度方向上或在該某一角度方向周圍的小立體角內(nèi)發(fā)光。本發(fā)明的各種實(shí)施例提供一種如下文所詳細(xì)解釋的機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)被設(shè)計(jì)成有利于以能獲得高圖像對比度的方式將照明光傳遞至物體，該圖像對比度足以用于偵測埋設(shè)于非透明材料下的特征而圖像分辨率僅受限于衍射效應(yīng)。如本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知，圖像可見度的特征在于圖像對比度。在其它條件相同的情況下，物體特征的可見度隨對比度的增大而按比例增大。當(dāng)特征尺寸大于視覺系統(tǒng)的衍射限值(diffraction limit)且視覺系統(tǒng)具有接近于I (unity)的調(diào)變傳送函數(shù)(Modulation Transfer Function)時(shí),對比度取決于待解析的物體特征所聚集的照明強(qiáng)度與圖像平面內(nèi)所量測的背景照明的比率。因此，為增大對比度，需減小背景照明的強(qiáng)度。背景照明強(qiáng)度具有若干個(gè)可改善的組成因素。其中主要的組成因素有自非透明材料的表面或界面反射和/或散射的光以及因不良的照明光束傳遞而造成的所謂雜散光。本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，非透明材料可包含空間不均勻性(spatialinhomogeneity),這樣的空間不均勻性會干擾來自待由成像系統(tǒng)解析的物體特征的光線。這種具有散射性質(zhì)的光線傳播干擾會造成不受控制的圖像模糊(blur)、圖像位置自真實(shí)位置(true location)發(fā)生位移、以及形成偽特征(fake feature),這些皆會使特征辨識復(fù)雜化程度升高并降低分辨率，有時(shí)更會使得圖像特征無法辨析。對被所述方式干擾的圖像進(jìn)行重建需要使用高階機(jī)器視覺算法，這不但耗費(fèi)資源及時(shí)間，且對于需要進(jìn)行實(shí)時(shí)圖像處理的高速圖像采集應(yīng)用而言不實(shí)用。本發(fā)明的各種實(shí)施例提供通過減少下述光量進(jìn)而增大所形成的光學(xué)圖像的對比度的系統(tǒng)及方法:雜散光、進(jìn)入視覺(圖像采集)系統(tǒng)的由非透明材料的表面或界面反射及散射的光、以及受非透明材料的不均勻性干擾的光。在下文中，將詳細(xì)說明本發(fā)明的各個(gè)示例性實(shí)施例。圖1示出新穎的光學(xué)圖像采集系統(tǒng)100的一個(gè)示例性實(shí)施例的原理概念。如圖1所示，所述光學(xué)圖像采集系統(tǒng)包括多個(gè)可選光源102、以及過濾、退相(cbphasing)及均光光學(xué)器件103，其皆由照明控制器101控制。由上述光學(xué)組件所產(chǎn)生的經(jīng)調(diào)節(jié)的光束通過中繼光學(xué)器件104,中繼光學(xué)器件104提供空間強(qiáng)度調(diào)變(spatial intensity modulation)并用于將進(jìn)入遠(yuǎn)場校正物鏡(infinity corrected objective lens)的照明光的光線在照射于物體上且被該同一物鏡聚集之前導(dǎo)引至所需傾角，該遠(yuǎn)場校正物鏡安裝于旋轉(zhuǎn)臺(turret)105上。直接被物體反射或散射的光由漸暈光圈(vignetting iris)或中心塊106濾除，漸暈光圈或中心塊106由成像光學(xué)器件控制器107控制。輸出光由照相機(jī)管狀透鏡108以及圖像傳感器109聚集。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)110對光學(xué)圖像采集系統(tǒng)100執(zhí)行總體控制功能，且亦可對圖像傳感器109所采集的圖像執(zhí)行分析。因背面光照明不適合于非透明特征的成像，故本發(fā)明的各種實(shí)施例使用與遠(yuǎn)場校正物鏡光學(xué)器件相組合的同軸正面照明光源。如本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知，遠(yuǎn)場校正光學(xué)器件用于在無窮遠(yuǎn)處形成定位于物體平面中的物體的圖像。上述進(jìn)入光學(xué)成像系統(tǒng)的雜散光通常是由不良的照明光束傳遞系統(tǒng)造成的。圖2示出若干示例性類型的光源的某些發(fā)光特性。具體而言，由圖2可看出，發(fā)光二極管200的發(fā)光表面的每一點(diǎn)皆具有半球狀發(fā)光圖案203。另一方面，激光201及202的每一特定發(fā)光表面點(diǎn)皆僅在特定方向上或在該方向周圍的窄立體角范圍內(nèi)發(fā)射光204及205。高質(zhì)量激光202與低質(zhì)量激光201的不同處在于，高質(zhì)量激光所發(fā)射的光的強(qiáng)度分布及相位分布為角度206皆為平滑函數(shù)(smooth function),此確保得到更均勻的光照明分布。因高質(zhì)量激光202對物體照明的均勻性，故相較于激光201，使用高質(zhì)量激光202能產(chǎn)生更高質(zhì)量的圖像。應(yīng)注意，使用低質(zhì)量激光進(jìn)行物體的照明通常需要對照明光束進(jìn)行額外均化。其中，轉(zhuǎn)盤光學(xué)總成(rotating disk optical assembly)為本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知的有利于光束均化的示例性器件。圖3示出消除由非透明材料的表面或界面301的微小粗糙度(roughness)所散射的光的本發(fā)明的一個(gè)示例性實(shí)施例。在本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，通過應(yīng)用具有受控的角頻譜的光源以及專門設(shè)計(jì)的用于將照明光線傳遞至遠(yuǎn)場校正物鏡302的系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)上述散射光的消除，遠(yuǎn)場校正物鏡302以發(fā)散方式引導(dǎo)光至非透明材料的表面或界面上。作為應(yīng)用所述照明技術(shù)的結(jié)果，在表面或界面處所散射的光線303的顯著部分離開成像系統(tǒng)而不貢獻(xiàn)于圖像背景。減弱的圖像背景繼而能提高形成的圖像中特征304的對比度。參照圖4,圖中不出傳統(tǒng)光傳遞系統(tǒng)405以及光聚集系統(tǒng)406。本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，例如因通常由非同調(diào)光源(例如發(fā)光二極管(LED)或白熾燈)所產(chǎn)生的傾斜照明光線的多重反射及散射，可出現(xiàn)雜散光401。上述傾斜光線亦可因光源與光學(xué)系統(tǒng)的不準(zhǔn)確耦合而產(chǎn)生。此種傾斜光線在物鏡402的出射光瞳(exit pupil)內(nèi)相對于光軸403具有傾角404,其中，傾角404大于邊緣光線的傾斜度(tilt),這是決定物鏡的視場(Field of View ；F0V)的最大尺寸，如圖4所示的那樣。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，為減少或消除這種雜散光量，照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)成在其橫截面處有效地控制照明光束的發(fā)散度(divergence)及角頻譜。這通過利用中繼光學(xué)器件來實(shí)現(xiàn)，該中繼光學(xué)器件將進(jìn)入遠(yuǎn)場校正物鏡的照明光的光線引導(dǎo)至所需傾角。圖5示出具有受控的角頻譜的光源減少或消除雜散光的示例性應(yīng)用，雜散光在成像系統(tǒng)的光學(xué)器件內(nèi)作為背景照明貢獻(xiàn)之用。由該圖可清楚地看出，因進(jìn)入照明光傳遞系統(tǒng)505的照明光的角頻譜的受控性質(zhì)，在信號收集系統(tǒng)506中不存在雜散光。另外，因非透明層的不均勻性而散射的光線507不進(jìn)入信號收集系統(tǒng)506。這會使得所產(chǎn)生的物體特征圖像的圖像背景減弱且對比度提高。在本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，照明光的受控的角頻譜為這樣的特征，即該特征能夠減少混入信號收集系統(tǒng)506中的雜散光及散射光的量。為提高系統(tǒng)的功能能力并同時(shí)使其保持低成本和/或小尺寸，在本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，可使用半導(dǎo)體激光(激光二極管)或固態(tài)激光作為具有受控的角頻譜的照明光源，以用于高速圖像采集。在本發(fā)明系統(tǒng)的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，同樣的激光可執(zhí)行另一功能(例如材料處理)，另一功能可涉及校正在成像模式中所偵測到的某些缺陷。應(yīng)注意，在具有雙重用途激光的系統(tǒng)中，可提供適宜的光衰減組件以確保在圖像采集模式及材料處理模式中實(shí)現(xiàn)適合的光脈波能量平衡。在另一實(shí)施例中，使用發(fā)光二極管(LED)進(jìn)行低速圖像采集，該發(fā)光二極管耦合至具有可控光圈的光纖以使發(fā)光區(qū)域形成漸暈并使該發(fā)光區(qū)域成為點(diǎn)式光源(point-wise source)。在其它示例性實(shí)施例中，可使用任一具有受控的角頻譜的光源實(shí)現(xiàn)物體照明。為了在光束橫截面內(nèi)緩和發(fā)散角的變化(進(jìn)行角度過濾)以及強(qiáng)度分布的變化，在本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，可將光纖或光導(dǎo)與光源耦合。在其它示例性實(shí)施例中，通過使用高質(zhì)量激光或光束成形器(beam shaper)或通過對具有常規(guī)特性的光源所產(chǎn)生的光執(zhí)行角度過濾，來獲得所需光束品質(zhì)。上述高質(zhì)量激光的發(fā)光特性已在圖2中示出且已在上文中進(jìn)行了闡述。圖6示出用于消除受非透明材料的不均勻性601干擾的光線的本發(fā)明的示例性實(shí)施例。這樣的光線可導(dǎo)致特征602的圖像模糊或一部分圖像的形狀或位置(軸向或橫向位置)被擾動(dòng)、以及形成偽圖像。這可通過在遠(yuǎn)場校正物鏡604與耦合至該物鏡的管狀透鏡(圖中未示出)之間設(shè)置受控的漸暈光圈603來實(shí)現(xiàn)。該光圈用作圖像聚集系統(tǒng)的新孔徑光闌(aperture stop),該孔徑光闌會人為地縮窄成像系統(tǒng)的數(shù)值孔徑(numerical aperture)并使該物鏡工作于非遠(yuǎn)心模式(non-telecentric mode)。盡管這樣會降低光學(xué)系統(tǒng)的分辨率，但也會減少或完全消除受干擾的圖像形成光線(perturbed image forming ray)605之量，否則受干擾之圖像形成光線605會通過假影(artifact)而污染所形成之圖像并降低對比度。可通過形成光學(xué)系統(tǒng)來降低數(shù)值孔徑縮窄的潛在負(fù)面影響，該光學(xué)系統(tǒng)在正常(無光圈)條件下被過米樣(oversample)。圖7及圖8示出通過具有受控的角頻譜的光源消除物體直接反射至物鏡的光的本發(fā)明的示例性實(shí)施例。具體而言，在本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，如圖8所示，光導(dǎo)、光纖或具有受控的角頻譜的光源的輸出與“中繼光學(xué)器件” 801結(jié)合，進(jìn)而與遠(yuǎn)場校正物鏡相結(jié)合地工作。在一個(gè)實(shí)施例中，“中繼光學(xué)器件”801用于將進(jìn)入該遠(yuǎn)場校正物鏡的光線引導(dǎo)至所需傾角，從而使直接反射的光線聚焦于物鏡802與管狀透鏡803之間并防止直接反射的光線于傳感器平面內(nèi)形成圖像。在這樣的情況下，通過設(shè)置一塊或變跡組件804來代替物鏡802的焦點(diǎn)，可完全或部分地濾除直接反射的光，如圖8所示的那樣。在另一實(shí)施例中，部分的直接反射的光701可通過以圖7所示的部署漸暈光圈702的方式消除。在本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，為減少由非透明材料的表面或界面直接反射并返回至視覺系統(tǒng)中的光量，對進(jìn)入遠(yuǎn)場校正物鏡的出射光瞳中的照明光束的角頻譜進(jìn)行控制。為實(shí)現(xiàn)這樣的目標(biāo)，本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例結(jié)合利用I)光束發(fā)散度與2)中繼光學(xué)器件的放大倍率(power)。其中，光束發(fā)散度為具有受控的角頻譜的光源或耦合至光源的特定光纖或光導(dǎo)的特性。為進(jìn)一步控制照明光束的角頻譜，本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例另外包括用于在光束進(jìn)入遠(yuǎn)場校正物鏡之前執(zhí)行光束變跡(對光束中的強(qiáng)度執(zhí)行空間調(diào)變)的裝置，如圖8所示。這是為了自照明光束移除在物體空間中相對于光軸具有小傾角的光線，該照明光束無法被管狀透鏡803前方的光圈組件804濾除。此外，在本發(fā)明的相同或其它實(shí)施例中，通過在光束進(jìn)入成像系統(tǒng)的管狀透鏡803之前對該光束進(jìn)行變跡及漸暈，來提高軸向區(qū)域中的對比度。因本發(fā)明的各種實(shí)施例使用同調(diào)光源作為非透明物體的照明，故在所形成的圖像中可出現(xiàn)顯著干涉圖案(strong interference patterns),因此降低對比度。因照明光的同調(diào)本身特性而在所采集的圖像中造成這樣的干涉圖案一般被稱為“光斑(specklepattern)”。當(dāng)其它條件相同時(shí)，此種圖案在圖像中的解析能力、對比度及偽特征方面降低圖像質(zhì)量。此種圖像的處理需要耗費(fèi)大量計(jì)算資源和時(shí)間的算法，且通常無法實(shí)時(shí)完成。為消除或減少“光斑”并使簡單的機(jī)器視覺算法能夠?qū)崟r(shí)地處理圖像，必須完成激光輸出的高效去同調(diào)(decoherence)。圖9示出用于減小激光源的同調(diào)性及圖像中的相關(guān)“光斑”的多源照明器(multisource illuminator)以及退相系統(tǒng)及方法的示例性實(shí)施例。為了消除上述提及的圖像中的干涉效應(yīng)，本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例使用退相光學(xué)器件，該退相光學(xué)器件由半波片(l/2wave plate) 901、稱合至光擴(kuò)散器(light diffuser) 903的非偏振保持光纖(non-polarization maintaining fiber)或光導(dǎo) 902、以及偏振分光鏡(polarizing beamsplitter>904組成。由激光906產(chǎn)生的激光沿光學(xué)路徑910傳播，再經(jīng)由擴(kuò)散器903及非偏振保持光纖或光導(dǎo)902而去偏振(depolarization)。促成所述去偏振過程的各因素在統(tǒng)計(jì)上為相互獨(dú)立的，因此，部分改變后的偏振狀態(tài)的光束具有極低的同調(diào)性。在一個(gè)實(shí)施方式中，激光906可為二極管激發(fā)固態(tài)激光(diode-pumped solid-state laser ;DPSS)、半導(dǎo)體激光或氣體激光。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，上述類型的激光在本文中僅作為示例，且所述概念并不受限于任何特定激光類型或特性。因此，任一現(xiàn)有適宜或之后研發(fā)的激光，皆可作為本發(fā)明的各實(shí)施例中照明光源之用。應(yīng)注意，如圖9的配置中所示，激光906可用于以上文所述的方式進(jìn)行材料處理(燒蝕，ablation)。為此，圖9所示的配置設(shè)有翻轉(zhuǎn)選截鏡(flip pick off mirror) 912,該翻轉(zhuǎn)選截鏡912被設(shè)計(jì)成通過沿對應(yīng)的兩個(gè)光學(xué)路徑910及911選擇性地引導(dǎo)激光的光輸出來實(shí)現(xiàn)在激光906的兩個(gè)操作模式之間的切換。半波片901容許對原始偏振及已解稱偏振(decoupled polarization)相對于偏振分光鏡904的反射/透射偏振(reflected/transmitted polarization)的方向進(jìn)行調(diào)整。偏振分光鏡904容許反射具有最高強(qiáng)度的原始偏振方向905、或具有最低強(qiáng)度的已解耦偏振方向907或其組合。由偏振分光鏡904所產(chǎn)生的已解耦偏振907用于物體的照明。照明系統(tǒng)被配置成能夠根據(jù)操作者操作開關(guān)909的選擇而輕易地使用具有不同波長的若干不同光源908 (同調(diào)光源及非同調(diào)光源)。在本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，由各種光源所產(chǎn)生的照明光經(jīng)由相同光纖或光導(dǎo)902而被傳遞至中繼光學(xué)器件801。為高效地將到達(dá)中繼光學(xué)器件的照明光的角度控制為使其分布在預(yù)定立體角范圍內(nèi)，光纖的可調(diào)光圈漸暈輸出被用于將光傳遞至中繼光學(xué)器件。該光纖輸出與該中繼光學(xué)器件之間的距離805 (參見圖8)也為可調(diào)參數(shù)。傳遞照明光的光纖的輸出孔徑的直徑、以及光纖輸出與中繼光學(xué)器件801之間的距離805的參數(shù)具有可調(diào)性，故能夠?yàn)V除不需要的照明光線，并甚至能夠?qū)⒎峭{(diào)光源轉(zhuǎn)換成具有受控的角頻譜的光源，從而充分地利用上述光源的特性的優(yōu)點(diǎn)。為了減少由非透明材料703 (參見圖7)的表面或界面直接反射的光、以及相對于光軸具有小傾角的光的量(其無法由管狀透鏡前面的光圈702消除)，可在中繼光學(xué)器件模塊內(nèi)安裝完全不透明或局部不透明塊704。該塊用以減少或從照明光束中移除相對于光軸具有小傾角的光線，該光線使照明光束變中空或變跡。該方法能夠在物體平面內(nèi)調(diào)變照明強(qiáng)度分布。在本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，通過將分光鏡置于遠(yuǎn)場校正物鏡與觀察照相機(jī)的管狀透鏡之間，使照明光束耦合至遠(yuǎn)場校正物鏡。本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例利用具有照明光波長的照明光源，該照明光波長可由在400納米至1100納米波長范圍內(nèi)具有靈敏度的常規(guī)電荷耦合器件(CXD)或互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)照相機(jī)高效地偵測到。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，所述概念并不僅限于本文所提供的波長范圍。使用本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知的且可廣泛購得的CCD或CMOS器件進(jìn)行圖像采集會降低偵測系統(tǒng)的成本并同時(shí)提供高的像素密度。在該配置中，理想的是從有利的候選波長中選擇最短波長，以保持最高的光學(xué)解析能力。并且，在本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，提供窄頻帶照明光源，以容許窄頻譜窗口的使用并提高對比度。所述視覺系統(tǒng)的上述各實(shí)施例能夠允許在衍射限制的分辨率情況下獲得埋設(shè)于非透明材料下的物體特征的高質(zhì)量圖像，該衍射限制的分辨率取決于遠(yuǎn)場校正物鏡、管狀透鏡、以及設(shè)置于該物鏡與該管狀透鏡之間的漸暈/阻擋組件的特性。如上所述，在各種實(shí)施例中，具有受控的角頻譜的光源可為激光、激光二極管(LED)、或任一非同調(diào)光源(例如一白熾燈)，其輸出光經(jīng)適當(dāng)過濾以確保光源的每一點(diǎn)皆僅在特定角度方向上或在特定角度方向周圍的小立體角內(nèi)發(fā)光。該角度方向以及上述立體角的分布寬度取決于成像系統(tǒng)的特定設(shè)計(jì)的光學(xué)器件的參數(shù)。為確保對物體的均勻照明，可使用角度光束強(qiáng)度調(diào)變器(angular beam intensity modulator)(例如擴(kuò)散器和/或光束變跡塊)來調(diào)節(jié)由照明光源所產(chǎn)生的光束的強(qiáng)度。在本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，照明光源可操作于800納米與1200納米之間的可見光波長范圍中。在本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，二極管激發(fā)固態(tài)激光906的納秒輸出用于雙重目的，包括材料處理(參見圖9中的輸出911)以及視覺系統(tǒng)的視場照明。這種配置使得能以實(shí)時(shí)模式(on-the-fly mode)實(shí)現(xiàn)極快的圖像采集,并容許電子傳感器具有兩種快門(包括滾動(dòng)快門以及全局快門)的電子傳感器。在這樣的兩個(gè)快門的配置中，效率實(shí)質(zhì)上是相似的，這是由于激光906的照明脈波寬度(pulse duration)遠(yuǎn)短于圖像傳感器在圖像信號采集期間的行進(jìn)距離的長度。在本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，照明光源為產(chǎn)生實(shí)質(zhì)上單色照明光的單色光源。在相同或不同實(shí)施例中，光學(xué)裝置更包括顏色檢查子系統(tǒng)，該顏色檢查子系統(tǒng)包括白色照明光源，該白色照明光源產(chǎn)生白色照明光?？商峁╅_關(guān)模塊，該開關(guān)模塊可選擇使用單色光與白色光來照明物體。在所述概念的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，該光學(xué)裝置包括開關(guān)，該開關(guān)用以可選擇地將單色照明光源與白色照明光源耦合至照明路徑。本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，在這種系統(tǒng)中，可兼具物體的單色圖像與彩色圖像，并可提高某些物體特征的可偵測性(detectability)。在本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，由中繼光學(xué)器件導(dǎo)引的照明光線的傾角在介于O度與5度之間的范圍內(nèi)變化。本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，上述角度范圍在本文中僅作為示例，且所述概念并不僅限于任一特定傾角或傾角范圍。在本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，照明光脈波的能量在ImJ與2mJ之間的范圍內(nèi)變化。本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，上述能量值在本文中僅作為示例，且所述概念并不僅限于任一特定光脈波能量或光脈波能量范圍。在本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，作為具有受控的角頻譜的光源的特征的立體角在O球面度與0.16球面度之間的范圍內(nèi)變化。本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，上述立體角范圍在本文中僅作為示例，且所述概念并不僅限于任一作為具有受控的角頻譜的光源的特征的特定立體角或立體角范圍。當(dāng)為偵測及辨識缺陷而檢查具有重復(fù)圖案(例如像素?cái)?shù)組)的微型電路時(shí)，因要解析的特征具有小尺寸而需要使用具有高分辨率的光學(xué)系統(tǒng)，且因要檢查大量的像素而需要電子偵測系統(tǒng)具有高采集速率。因此，優(yōu)選地，可利用機(jī)器視覺技術(shù)來自動(dòng)執(zhí)行檢查過程。因圖像采集速率高(在某些實(shí)施例中可達(dá)到每秒50幀至100幀)且視場大(在某些實(shí)施例中最大可為600微米至800微米)、同時(shí)所需的分辨率高(通常為I微米至2微米)，優(yōu)選地應(yīng)使用具有高像素?cái)?shù)量的圖像傳感器。另一方面，所用的圖像分析方法或機(jī)器視覺技術(shù)必須非常簡單，以便能夠?qū)崟r(shí)或近乎實(shí)時(shí)地處理大量數(shù)據(jù)，從而處理所采集的圖像并較早地或在需要進(jìn)行校正或決定下一事件(例如下一圖像采集或新任務(wù))發(fā)生前產(chǎn)生所需的校正或決定。帶有光學(xué)透明或半透明特征(例如IXD面板上的主動(dòng)ITO層或?yàn)V光片層)的電路可能具有技術(shù)紋理(technological texture),該技術(shù)紋理將作為機(jī)器視覺系統(tǒng)的大量特征而出現(xiàn)。一般情況下這些特征并不包含缺陷，處理時(shí)會對執(zhí)行圖像分析的計(jì)算資源造成很大的負(fù)擔(dān)。然而，在某些應(yīng)用中(例如人工檢查)，這些特征對于成像裝置而言必須可見。因此，需要從所形成的物體圖像中，利用靈活且可控的硬件光學(xué)手段選擇性地濾除這些特征。本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，操作者控制光學(xué)成像系統(tǒng)的照明光束的各參數(shù)，以使某些物體特征在所形成的物體圖像中變得實(shí)質(zhì)上或完全不可見。為實(shí)現(xiàn)該功能，具有受控的角頻譜的光源的發(fā)光孔徑必須足夠大以完全填充遠(yuǎn)場校正物鏡的入射光瞳，并且中繼光學(xué)器件必須被調(diào)整成將照明光聚焦于物體的表面上。在這樣的條件下，物體的每一點(diǎn)皆以特定物鏡數(shù)值孔徑(NA)所容許的照射光線最大傾角而被對稱地照明。在上述照明條件下，相較于周圍材料而具有較小折射率變化、且以低高度的矮坡為特征的物體特征將不可見。為了實(shí)現(xiàn)上述照明配置，用于使光纖產(chǎn)生漸暈的可調(diào)光圈必須被打開，并且光纖與中繼光學(xué)器件之間的距離必須被調(diào)整成能夠?qū)⒄彰鞴馐劢褂谖矬w上或在物體平面上形成照明光源的圖像以獲得區(qū)域光源。本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例亦使得能夠通過渲染突顯所述物體特征并使其可易于解析。這需要縮小上述發(fā)光孔徑并形成入射于該物體上的強(qiáng)發(fā)散或會聚光束。因此，使用者可通過以所述方式控制照明光束的特性，從而使形成的物體圖像突顯某些物體特征而不突顯某些物體特征。所述系統(tǒng)的其它光學(xué)組件(包括中繼光學(xué)器件、遠(yuǎn)場校正物鏡、分光鏡以及管狀透鏡)的設(shè)計(jì)為本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知，且這樣的組件可廣泛購得。最后，應(yīng)理解，本文所述的過程及技術(shù)并非固有地與任一特定裝置相關(guān)，而是可由各組件的任一適宜組合來實(shí)現(xiàn)。此外，根據(jù)本文所述的教示內(nèi)容，可使用各種類型的通用器件。構(gòu)造專門裝置來執(zhí)行本文所述的方法步驟也可被證明較為有利。上文已結(jié)合特定示例闡述了本發(fā)明，這樣的示例在所有方面皆旨在作為示出性而非限制性說明。此外，通過閱讀本說明書及實(shí)踐本文所揭露的發(fā)明，本領(lǐng)域技術(shù)人員將易知本發(fā)明的其它實(shí)施方式。對于具有受衍射限制的分辨率的顯示埋設(shè)于非透明材料下的特征的系統(tǒng)中，所述實(shí)施例的各個(gè)方面和/或組件可單獨(dú)使用或以任一組合使用。本說明書及各示例旨在僅被視為示例性的，本發(fā)明的真實(shí)范圍及精神由以下權(quán)利要求的范圍闡明。
權(quán)利要求
1.用于對包括非透明材料的物體成像的光學(xué)裝置，所述裝置包括: a.照明光源，用于產(chǎn)生照明光，所述照明光具有受控的角頻譜； b.遠(yuǎn)場校正物鏡，用于將所述照明光引導(dǎo)至所述物體上并聚集來自所述物體的光； c.照明光學(xué)路徑，用于將所述照明光從所述照明光源傳遞至所述遠(yuǎn)場校正物鏡； d.中繼光學(xué)器件，設(shè)置于所述照明光學(xué)路徑內(nèi)，用于將進(jìn)入所述遠(yuǎn)場校正物鏡的所述照明光的光線導(dǎo)引至預(yù)定傾角； e.圖像傳感器，用于產(chǎn)生所述物體的圖像；以及 f.成像光學(xué)路徑，用于將所聚集的光從所述遠(yuǎn)場校正物鏡傳遞至所述圖像傳感器， 其中，所述照明光源、所述遠(yuǎn)場校正物鏡及所述中繼光學(xué)器件被布置成至少部分地防止雜散光線、由所述非透明材料的表面或界面所散射的光線、以及受所述非透明材料的不均勻性干擾的光線進(jìn)入所述成像光學(xué)路徑。
2.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)裝置，還包括:i拆卸塊，設(shè)置在所述成像光學(xué)路徑內(nèi)所述遠(yuǎn)場校正物鏡的光學(xué)下游；以及 ii.可調(diào)光圈，設(shè)置在所述成像光學(xué)路徑內(nèi)所述遠(yuǎn)場校正物鏡的光學(xué)下游， 其中，所述中繼光學(xué)器件、所述遠(yuǎn)場校正物鏡、所述可拆卸塊及所述可調(diào)光圈被布置成至少部分地防止由所述物體的所述非透明材料的表面或界面直接反射的光線到達(dá)所述傳感器或在傳感器平面內(nèi)形成圖像。
3.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)裝置，其中，所述中繼光學(xué)器件用于對所述照明光的強(qiáng)度執(zhí)行空間調(diào)變。
4.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)裝置，還包括退相光學(xué)器件，所述退相光學(xué)器件包括半波片、非偏振保持光學(xué)組件及偏振分光鏡，其中，所述退相光學(xué)器件能夠操作以解耦所述照明光的偏振，從而抑制或減少光斑。
5.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)裝置，還包括均光光學(xué)器件，所述均光光學(xué)器件能夠操作以均化所述照明光的強(qiáng)度分布。
6.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)裝置，還包括第二照明光源及開關(guān)，所述開關(guān)能夠操作以選擇性地將所述照明光源與所述第二照明光源耦合至所述中繼光學(xué)器件。
7.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)裝置，其中，所述照明光源還包括光纖或光導(dǎo)，所述光纖或光導(dǎo)能夠操作以將所述照明光傳遞至所述中繼光學(xué)器件，且其中通過選取所述光纖或光導(dǎo)的數(shù)值孔徑并利用所述光纖或光導(dǎo)的可調(diào)光圈漸暈輸出以及所述光纖或光導(dǎo)與所述中繼光學(xué)器件之間的可調(diào)距離，來控制所述照明光的角頻譜。
8.如權(quán)利要求7所述的光學(xué)裝置，其中，所述傾角至少通過所述光纖或光導(dǎo)的發(fā)光孔徑的大小、所述光纖或光導(dǎo)與所述中繼光學(xué)器件之間的距離、以及耦合至所述中繼光學(xué)器件的所述照明光的發(fā)散度來確定。
9.如權(quán)利要求5所述的光學(xué)裝置，還包括照明控制器，所述照明控制器能夠操作以改變所述光纖的發(fā)光孔徑以及所述光纖或光導(dǎo)與所述中繼光學(xué)器件之間的距離。
10.如權(quán)利要求5所述的光學(xué)裝置，還包括成像光學(xué)器件控制器，其用于控制所述可調(diào)光圈漸暈輸出的大小。
11.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)裝置，其中，所述成像光學(xué)路徑包括管狀透鏡，所述管狀透鏡用于在所述圖像傳感器中產(chǎn)生所述物體的圖像，所述管狀透鏡設(shè)置于所述可拆卸塊及所述可調(diào)光圈的光學(xué)下游。
12.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)裝置，還包括過濾光學(xué)器件，其中，所述照明光源、所述遠(yuǎn)場校正物鏡、所述過濾光學(xué)器件及所述中繼光學(xué)器件被布置成使所述照明光在所述物體上具有預(yù)定入射角，其中所述預(yù)定入射角被選擇成能防止雜散光及防止或減少從所述非透明材料的表面或界面散射的光量進(jìn)入所述成像光學(xué)路徑，并能夠防止或減少由所述非透明材料的表面或界面直接反射的光量到達(dá)所述圖像傳感器，或防止所述直接反射的光于圖像傳感器平面內(nèi)形成圖像。
13.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)裝置，還包括空間光束強(qiáng)度調(diào)變器，其設(shè)置于所述中繼光學(xué)器件內(nèi)并用于調(diào)節(jié)所述照明光。
14.如權(quán)利要求11所述的光學(xué)裝置，其中所述空間光束強(qiáng)度調(diào)變器包括光擴(kuò)散器、光纖或光導(dǎo)，所述光擴(kuò)散器、所述光纖或所述光導(dǎo)設(shè)置于所述照明光學(xué)路徑內(nèi)并能夠操作以均化所述照明光的強(qiáng)度的空間及角度分布。
15.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)裝置，還包括光纖或光導(dǎo)，所述光纖或光導(dǎo)具有可調(diào)光圈漸暈輸出并能夠操作以控制發(fā)光區(qū)域的發(fā)散度及大小以及所述照明光的角頻譜分布。
16.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)裝置，其中，所述照明光源為產(chǎn)生基本為單色照明光的單色光源，并且所述光學(xué)裝置還包括顏色檢查子系統(tǒng)，所述顏色檢查子系統(tǒng)包括白色照明光源及開關(guān)模塊，所述白色照明光源產(chǎn)生白色照明光，其中，所述開關(guān)模塊、所述成像光學(xué)路徑及所述圖像傳感器用于產(chǎn)生由所述單色光與所述白色光交替照明的物體的圖像。
17.如權(quán)利要求14所述的光學(xué)裝置，還包括開關(guān)，所述開關(guān)用于將所述單色照明光源與所述白色照明光源交替地耦合至所述照明光學(xué)路徑。
18.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)裝置，其中，所述照明光的波長根據(jù)所述非透明材料的光學(xué)特性來選擇，所述非透明材料覆蓋所述物體上的特定結(jié)構(gòu)。
19.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)裝置，其中，所述照明光源的發(fā)光表面上的每一點(diǎn)皆基本在單個(gè)方向上或在所述方向周圍的窄立體角內(nèi)發(fā)光。
20.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)裝置，還包括一組遠(yuǎn)場校正物鏡及開關(guān)模塊，其中所述開關(guān)模塊能夠操作以選擇性地將所述遠(yuǎn)場校正物鏡置于所述成像光學(xué)路徑中，且所述遠(yuǎn)場校正物鏡的特征在于不同的放大率以及被設(shè)計(jì)成工作于不同的頻譜范圍中。
21.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)裝置，還包括多個(gè)照明光源、以及照明控制器，所述照明控制器能夠操作以控制所述照明光源的多個(gè)參數(shù)，所述參數(shù)包括發(fā)光強(qiáng)度、工作周期、同步化模式或觸發(fā)模式中的至少一個(gè)。
22.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)裝置，其中所述照明光源包括激光或發(fā)光二極管中的至少一個(gè)。
23.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)裝置，其中，所述照明光源包括以納秒模式運(yùn)作的二極管激發(fā)固態(tài)激光，所述照明光源被配置成另外執(zhí)行材料處理。
24.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)裝置，其中，所述圖像傳感器包括電荷耦合器件成像傳感器。
25.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)裝置，其中，所述照明光源所產(chǎn)生的照明光的特征在于這樣的波長，在所述波長下所述物體的至少一部分的材料為不透明。
26.用于對包括物體特征的物體成像的光學(xué)裝置，所述裝置包括:a.照明光源，具有發(fā)光孔徑并產(chǎn)生照明光，所述照明光具有受控的角頻譜； b.遠(yuǎn)場校正物鏡，用于將所述照明光引導(dǎo)至所述物體上并聚集來自所述物體的光； c.照明光學(xué)路徑，用于將所述照明光從所述照明光源傳遞至所述遠(yuǎn)場校正物鏡； d.中繼光學(xué)器件，設(shè)置于所述照明光學(xué)路徑內(nèi)，并用于將進(jìn)入所述遠(yuǎn)場校正物鏡的照明光的光線導(dǎo)引至預(yù)定傾角； e.圖像傳感器，用于產(chǎn)生所述物體的圖像；以及 f.成像光學(xué)路徑，用于將所聚集的光從所述遠(yuǎn)場校正物鏡傳遞至所述圖像傳感器， 其中，所述照明光源的所述發(fā)光孔徑被配置成完全填充所述遠(yuǎn)場校正物鏡的入射光瞳，且所述中繼光學(xué)器件被配置成將所述照明光聚焦于所述物體表面上或?qū)⑺稣彰鞴庠吹膱D像形成于物體平面。
27.如權(quán)利要求26所述的光學(xué)裝置，其中，所述照明光源還包括光纖或光導(dǎo)，所述光纖或光導(dǎo)能夠操作以將所述照明光傳遞至所述中繼光學(xué)器件，且其中通過選取所述光纖或所述光導(dǎo)的數(shù)值孔徑并利用所述光纖或所述光導(dǎo)的可調(diào)光圈漸暈輸出以及利用所述光纖或所述光導(dǎo)與所述中繼光學(xué)器件之間的可調(diào)距離，來控制所述照明光的角頻譜，并且其中所述光纖或所述光導(dǎo)的所述可調(diào)光圈漸暈輸出被開啟且所述光纖或所述光導(dǎo)與所述中繼光學(xué)器件之間的可調(diào)距離被設(shè)定成使所述照明光聚焦于所述物體上或?qū)⑺稣彰鞴庠吹膱D像形成于所述物體平面上。
28.用于對包括物體特征的物體成像的光學(xué)裝置，所述裝置包括: a.照明光源，具有發(fā)光孔徑并產(chǎn)生照明光，所述照明光具有受控的角頻譜；` b.遠(yuǎn)場校正物鏡，用于將所述照明光引導(dǎo)至所述物體上并聚集來自所述物體的光； c.照明光學(xué)路徑，用于將所述照明光從所述照明光源傳遞至所述遠(yuǎn)場校正物鏡； d.中繼光學(xué)器件，設(shè)置于所述照明光學(xué)路徑內(nèi)，并用于將進(jìn)入所述遠(yuǎn)場校正物鏡的所述照明光的光線導(dǎo)引至預(yù)定傾角； e.圖像傳感器，用于產(chǎn)生所述物體的圖像；以及 f.成像光學(xué)路徑，用于將所聚集的光從所述遠(yuǎn)場校正物鏡傳遞至所述圖像傳感器， 其中，所述照明光源的所述發(fā)光孔徑實(shí)質(zhì)上減小，且所述中繼光學(xué)器件被配置成提供入射于所述物體上的強(qiáng)發(fā)散或強(qiáng)會聚照明光。
29.用于對包括非透明材料的物體成像的方法，所述方法包括: a.利用照明光源產(chǎn)生照明光，所述照明光具有受控的角頻譜； b.利用遠(yuǎn)場校正物鏡將所述照明光引導(dǎo)至所述物體上并聚集來自所述物體的光； c.利用照明光學(xué)路徑將所述照明光從所述照明光源傳遞至所述遠(yuǎn)場校正物鏡； d.利用設(shè)置于所述照明光學(xué)路徑內(nèi)的中繼光學(xué)器件將進(jìn)入所述遠(yuǎn)場校正物鏡的所述照明光的光線導(dǎo)引至預(yù)定傾角； e.利用圖像傳感器來產(chǎn)生所述物體的圖像；以及 f.利用成像光學(xué)路徑將所聚集的光從所述遠(yuǎn)場校正物鏡傳遞至所述圖像傳感器， 其中，所述照明光源、所述遠(yuǎn)場校正物鏡及所述中繼光學(xué)器件被布置成至少部分地防止雜散光線、由所述非透明材料的表面或界面所散射的光線、以及受所述非透明材料的不均勻性干擾的光線進(jìn)入所述成像光學(xué)路徑。
30.用于對包括物體特征的物體成像的方法，所述方法包括:a.利用照明光源產(chǎn)生照明光，所述照明光源具有發(fā)光孔徑，所述照明光具有受控的角頻譜； b.利用遠(yuǎn)場校正物鏡將所述照明光引導(dǎo)至所述物體上并聚集來自所述物體的光； c.利用照明光學(xué)路徑將所述照明光從所述照明光源傳遞至所述遠(yuǎn)場校正物鏡； d.利用設(shè)置于所述照明光學(xué)路徑內(nèi)的中繼光學(xué)器件將進(jìn)入所述遠(yuǎn)場校正物鏡的照明光的光線導(dǎo)引至預(yù)定傾角； e.利用圖像傳感器來產(chǎn)生所述物體的圖像；以及 f.利用成像光學(xué)路徑將所聚集的光從所述遠(yuǎn)場校正物鏡傳遞至所述圖像傳感器， 其中，所述照明光源的所述發(fā)光孔徑被配置成完全填充所述遠(yuǎn)場校正物鏡的入射光瞳，且所述中繼光學(xué)器件被配置成將所述照明光聚焦于所述物體的表面或?qū)⑺稣彰鞴庠吹膱D像形成于物體平面。
31.用于對包括物體特征的物體成像的方法，所述方法包括: a.利用照明光源產(chǎn)生照明光，所述照明光源具有發(fā)光孔徑，所述照明光具有受控的角頻譜； b.利用遠(yuǎn)場校正物鏡將所述照明光引導(dǎo)至所述物體上并聚集來自所述物體的光； c.利用照明光學(xué)路 徑將所述照明光從所述照明光源傳遞至所述遠(yuǎn)場校正物鏡； d.利用設(shè)置于所述照明光學(xué)路徑內(nèi)的中繼光學(xué)器件將進(jìn)入所述遠(yuǎn)場校正物鏡的所述照明光的光線導(dǎo)引至預(yù)定傾角； e.利用圖像傳感器來產(chǎn)生所述物體的圖像；以及 f.利用成像光學(xué)路徑將所聚集的光從所述遠(yuǎn)場校正物鏡傳遞至所述圖像傳感器， 其中，所述照明光源的發(fā)光孔徑實(shí)質(zhì)上減小，且所述中繼光學(xué)器件被配置成提供入射于所述物體上的強(qiáng)發(fā)散或強(qiáng)會聚照明光。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于選擇性地觀察物體特征、包括埋設(shè)于非透明材料下的特征的系統(tǒng)及方法。該系統(tǒng)包括照明光源，用于產(chǎn)生具有受控的角頻譜的照明光；對照明光進(jìn)行空間強(qiáng)度調(diào)變的均光光學(xué)器件；退相光學(xué)器件，用于減少或抑制因照明光的同調(diào)性而產(chǎn)生于圖像中的干涉圖案；遠(yuǎn)場校正物鏡，將照明光引導(dǎo)至物體上并聚集來自物體的光；照明光學(xué)路徑，將照明光從照明光源傳遞至遠(yuǎn)場校正物鏡；中繼光學(xué)器件，將進(jìn)入遠(yuǎn)場校正物鏡的照明光的光線導(dǎo)引至所需傾角；可調(diào)光圈，使光纖的自由孔徑產(chǎn)生漸暈；變跡組件，位于中繼光學(xué)器件內(nèi)，并對照明強(qiáng)度進(jìn)行空間調(diào)變；圖像傳感器，用于產(chǎn)生物體的圖像；及成像光學(xué)路徑，用于將光從物體傳遞至圖像傳感器，成像光學(xué)路徑包括管狀透鏡、可拆卸塊以及可調(diào)光圈。
文檔編號G01B9/04GK103109152SQ201180038899
公開日2013年5月15日 申請日期2011年7月20日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月12日
發(fā)明者安德雷·博爾登約克 申請人:光子動(dòng)力學(xué)公司