本發(fā)明涉及一種雙模式深度測(cè)量的方法與裝置，且特別涉及一種小尺度深度測(cè)量。

背景技術(shù)：

在自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)(Automatic Optical Inspection(AOI))領(lǐng)域中，深度和距離測(cè)量占據(jù)了重要的地位。一些技術(shù)，利如彩色共焦光譜(chromatic confocal spectroscopy)、白光干涉(white light interferometry)、錐光全像(conoscopic holography)、三角測(cè)量、聚焦深度(depth from focus，DFF)、散焦深度(depth from defocus，DFD)等，可以執(zhí)行相關(guān)的測(cè)量。

基于散焦深度的深度測(cè)量是由分析一個(gè)或多個(gè)擷取影像的散焦量來(lái)獲得深度信息。更進(jìn)一步說(shuō)，將光束聚焦成光點(diǎn)投射在欲測(cè)量的物體表面上，并利用光點(diǎn)的尺寸來(lái)推斷深度信息。估算深度的精準(zhǔn)度以及測(cè)量范圍是依據(jù)光源的種類(例如發(fā)光二極體(LED)、激光等)以及用于準(zhǔn)直及聚焦光束的光學(xué)元件的光學(xué)特性來(lái)決定。一旦選定了聚焦的透鏡，則測(cè)量的范圍及精準(zhǔn)度亦得以固定。這樣的方法對(duì)于需要不同的測(cè)量范圍和深度精準(zhǔn)度的測(cè)量來(lái)說(shuō)是不足的。

基于聚焦深度的深度測(cè)量，是利用從不同聚焦距離的物體影像中提取在聚焦范圍的感興趣區(qū)域(region of interest，ROI)，以獲得層疊的二維切片。這些二維切片接著用于重建物體的三維模型。在此，測(cè)量系統(tǒng)的解析度及精確度是決定于光學(xué)系統(tǒng)的景深。

散焦深度測(cè)量對(duì)于當(dāng)欲測(cè)量物體具有較差反射率及較少的散射的狀況來(lái)說(shuō)是不足的，然而聚焦深度測(cè)量需要待測(cè)量物體的表面具有足夠的紋理以使得聚焦的感興趣區(qū)域能可靠的提取出來(lái)。一個(gè)系統(tǒng)不能夠同時(shí)測(cè)量上述兩種不同材質(zhì)的物體，因此，如何使深度測(cè)量系統(tǒng)能改變測(cè)量范圍以 及能夠同時(shí)用在具有紋理表面和鏡面的物體上，實(shí)為當(dāng)前亟欲解決的問(wèn)題之一。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種雙模式深度測(cè)量的方法與裝置。

本發(fā)明提供一種雙模式深度測(cè)量裝置，其適于測(cè)量一物體的深度信息，其中當(dāng)該物體表面呈現(xiàn)鏡面時(shí)采用一散焦深度測(cè)距模式或當(dāng)該物體表面呈現(xiàn)織紋面時(shí)采用一聚焦深度測(cè)距模式，此雙模式深度測(cè)量裝置包括一光源、一控制器、一處理器、一發(fā)光光學(xué)系統(tǒng)、一成像光學(xué)系統(tǒng)、一分光器以及一攝影機(jī)?？刂破饔靡郧袚Q至散焦深度測(cè)距模式或聚焦深度測(cè)距模式，處理器用以處理多個(gè)影像及執(zhí)行多個(gè)影像處理運(yùn)算，發(fā)光光學(xué)系統(tǒng)適于控制光源發(fā)出的一光束，其中在散焦深度測(cè)距模式時(shí)發(fā)光光學(xué)系統(tǒng)聚焦光源發(fā)出的光束在物體表面及在聚焦深度測(cè)距模式時(shí)發(fā)光光學(xué)系統(tǒng)以一均勻照度光束照射物體表面，成像光學(xué)系統(tǒng)適于擷取影像且適于控制該光源發(fā)出的該光束。

本發(fā)明提供一種雙模式深度測(cè)量方法，適于測(cè)量一物體的深度信息，其中當(dāng)一物體表面呈現(xiàn)鏡面時(shí)采用一散焦深度測(cè)距模式或當(dāng)一物體表面呈現(xiàn)紋理面時(shí)采用一聚焦深度測(cè)距模式。其包括照射一同調(diào)光至物體，分析一物體表面影像呈現(xiàn)的光斑數(shù)量，根據(jù)光斑數(shù)量定義物體具有一鏡面或一紋理面，當(dāng)該物體具有一鏡面時(shí)，采用散焦深度測(cè)距模式的方法測(cè)量物體的深度信息以及當(dāng)物體具有一紋理面時(shí)，采用聚焦深度測(cè)距模式的方法測(cè)量該物體的深度信息。

基于上述，本發(fā)明的雙模式深度測(cè)量裝置及方法在物體具有紋理面時(shí)采用聚焦深度測(cè)距模式及在物體具有鏡面時(shí)采用散焦深度測(cè)距模式，并設(shè)計(jì)檢測(cè)切換模式的機(jī)制，以使本發(fā)明的系統(tǒng)可彈性地改變測(cè)量范圍，并可運(yùn)用在不同材質(zhì)的物體測(cè)量上。

為讓本發(fā)明的上述特征和優(yōu)點(diǎn)能更明顯易懂，下文特舉實(shí)施例，并配合所附附圖作詳細(xì)說(shuō)明如下。

附圖說(shuō)明

圖1繪示在散焦深度(DFD)測(cè)距模式時(shí)的一光源及一發(fā)光光學(xué)系統(tǒng)的示意圖；

圖2繪示在聚焦深度(DFF)測(cè)距模式時(shí)的一光源與一發(fā)光光學(xué)系統(tǒng)的示意圖；

圖3是校正曲線圖；

圖4繪示本發(fā)明的雙模式深度測(cè)量的裝置；

圖5A至5C繪示依據(jù)不同的入射光(準(zhǔn)直、發(fā)散及收斂)產(chǎn)生的不同高度的聚焦光示意圖；

圖6是本發(fā)明的雙模式深度測(cè)量方法的流程圖；

圖7A及7B繪示自待檢查表面反射的光強(qiáng)度曲線；

圖8繪示校正方法的流程圖；

圖9繪示一朗奇刻度板(Ronchi ruling board)及一電聚焦可調(diào)透鏡。

【附圖標(biāo)記說(shuō)明】

110：光源

120：控制器

130：發(fā)光光學(xué)系統(tǒng)

131、161：電聚焦可調(diào)透鏡

140：分光器

150：攝影機(jī)

160：成像光學(xué)系統(tǒng)

170：透鏡模組

800：校正板

910、920：物體

910a：鏡面表面

920a：紋理表面

S110、S120、S130、S140、S150、S151、S152、S210、S220、S230、S240、S250、S260：步驟

具體實(shí)施方式

本發(fā)明涉及一種雙模式深度測(cè)量的裝置與方法，使用者可在物體具有鏡面反射的表面或是物體具有紋理的表面上進(jìn)行深度測(cè)量，并且使用者可以調(diào)整希望的深度測(cè)量精準(zhǔn)度及工作范圍。本發(fā)明的雙模式深度測(cè)量的裝置與方法可以高精準(zhǔn)度獲得被檢測(cè)物件的相對(duì)距離。圖1及圖2繪示在不同模式下光源照射物體表面的示意圖，圖1繪示在散焦深度(depth from defocus，DFD)模式時(shí)的光源110及發(fā)光光學(xué)系統(tǒng)130示意圖。在圖1中，一物體910例如是硬盤(pán)碟片或晶圓片，其具有鏡面反射的表面910a，此表面910a以下稱作鏡面表面。如圖1所示，發(fā)光光學(xué)系統(tǒng)130將來(lái)自光源110的光聚焦至鏡面表面910a并形成一狹小的光點(diǎn)SP。圖2繪示在聚焦深度(depth from focus，DFF)模式時(shí)的光源110及發(fā)光光學(xué)系統(tǒng)130示意圖，在圖2中，物體920具有紋理表面920a。任何光投射至紋理表面920a后會(huì)產(chǎn)生顯著的散射光，而這將嚴(yán)重妨害使用散焦深度的測(cè)距方法。因此，對(duì)于紋理表面920的深度測(cè)量必須采用聚焦深度模式而非散焦深度模式。在圖2中，自光源110發(fā)射的光被發(fā)光光學(xué)系統(tǒng)130轉(zhuǎn)換成一均勻光束后，照射至紋理表面920a，如此一來(lái)，經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)恼丈洌纯蓴X取到紋理表面920a的多個(gè)二維切片影像。

圖3是用于散焦深度模式的校正曲線C1，校正曲線C1顯示了深度及光點(diǎn)SP尺寸之間的關(guān)系。光點(diǎn)SP的尺寸是由散焦量來(lái)決定，而散焦量是由于物體920的高度輪廓變化產(chǎn)生的。因此，根據(jù)校正曲線C1即可獲得鏡面表面910a的深度信息。

聚焦深度模式是基于為了獲得物體的三維模型而擷取物體在不同的高度的影像的原則，其包含了找出聚焦的(in-focus)感興趣區(qū)域(regions of interest，ROI)的每個(gè)二維切片影像的步驟，并將一系列聚焦的ROI二維切片影像拼接起來(lái)以重建物體的三維模型。在本實(shí)施例中，聚焦深度模式的二維切片影像可通過(guò)改變成像光學(xué)系統(tǒng)的聚焦距離而擷取到影像，而此成像光學(xué)系統(tǒng)例如是圖4中的成像光學(xué)系統(tǒng)160。選擇不同高度的ROI二維切片影像例如可執(zhí)行子像素邊緣檢測(cè)(sub-pixel edge detection)或利用適當(dāng)?shù)臑V波機(jī)制進(jìn)行高通濾波，亦或可采用其他本領(lǐng)域已知的方法，本實(shí)施例不以此為限。

圖4繪示本發(fā)明的雙模式深度測(cè)量裝置100，雙模式深度測(cè)量裝置100包括一光源110、一控制器120、一發(fā)光光學(xué)系統(tǒng)130、一分光器140、一攝影機(jī)150、一成像光學(xué)系統(tǒng)160、一透鏡模組170以及一處理器180。通過(guò)成像光學(xué)系統(tǒng)160及透鏡模組170可獲得被照射的物體表面的影像，通過(guò)成像光學(xué)系統(tǒng)160、透鏡模組170以及發(fā)光光學(xué)系統(tǒng)130可控制照射至物體表面的光，因此成像光學(xué)系統(tǒng)160可用于影像擷取與發(fā)光控制。投射至物體表面的光能夠聚焦成一狹小的光點(diǎn)或是在一個(gè)與成像光學(xué)系統(tǒng)的視場(chǎng)(field of view，F(xiàn)OV)相等或大于的區(qū)域內(nèi)形成光強(qiáng)度均勻分布。雙模式深度測(cè)量裝置100用以測(cè)量鏡面表面910a的深度信息時(shí)采用散焦深度模式或是測(cè)量紋理表面920a的深度信息時(shí)采用聚焦深度模式。光源110可以是非同調(diào)光源，例如是發(fā)光二極體，亦或是同調(diào)光源，例如是激光。光源也可以是非同調(diào)光源與同調(diào)光源的組合，結(jié)合分光器的使用則可切換至其一種光源或是同時(shí)兩種光源，本實(shí)施例并不以此為限。

控制器120可以是電腦、處理器芯片、電路或是儲(chǔ)存程序的儲(chǔ)存裝置?？刂破?20用以控制發(fā)光光學(xué)系統(tǒng)130以及成像光學(xué)系統(tǒng)160。在本實(shí)施例中，控制器120用以切換散焦深度模式和聚焦深度模式，切換的機(jī)制將在下個(gè)段落進(jìn)行詳細(xì)的描述。

發(fā)光光學(xué)系統(tǒng)130用以控制自光源110發(fā)出的光。在散焦深度模式時(shí)，光被控制而聚焦至物體表面，而在聚焦深度模式時(shí)，光被控制而產(chǎn)生一均勻光投射至物體表面。從光源110及發(fā)光光學(xué)系統(tǒng)130出來(lái)的光被分光器140反射而朝向物體方向，再通過(guò)成像光學(xué)系統(tǒng)160及透鏡模組170。分光器140可以偏振化或?qū)ζ癫幻舾?。分光?40能夠與四分之一波片一起使用以避免從物體反射的光反射至光源110，若從物體反射的光反射至光源100將可能破壞某些包含光電二極管(photodiode)的激光的能量控制。

利用成像光學(xué)系統(tǒng)160和透鏡模組170以改變成像系統(tǒng)的聚焦距離，成像系統(tǒng)包括攝影機(jī)150、成像光學(xué)系統(tǒng)160以及透鏡模組170。在聚焦深度模式中成像系統(tǒng)用以獲得紋理表面920a的二維切片影像，在散焦深度模式中成像系統(tǒng)用以獲得自光源110聚焦至鏡面表面910a上的影像。 在聚焦深度模式時(shí)，發(fā)光光學(xué)系統(tǒng)130使得均勻光束的照射范圍至少與成像系統(tǒng)的視場(chǎng)相等。

此外，發(fā)光光學(xué)系統(tǒng)130包含一電聚焦可調(diào)透鏡131以及成像光學(xué)系統(tǒng)160包含一電聚焦可調(diào)透鏡161?？刂破?20控制施加至電聚焦可調(diào)透鏡130的電流或電壓以聚焦自光源110發(fā)出的光或是使得自光源110發(fā)出的光轉(zhuǎn)換成均勻光照射至物體表面。控制器120控制施加在電聚焦可調(diào)透鏡161的電流電壓以改變紋理表面920a的聚焦區(qū)域(in-focused region)。

請(qǐng)參考圖5A至5C，自光源110發(fā)出的準(zhǔn)直光、發(fā)散光或收斂光入射透鏡模組170后經(jīng)由發(fā)光光學(xué)系統(tǒng)130及成像光學(xué)系統(tǒng)160的控制決定了位置和照射類型。如圖5A所示，當(dāng)入射透鏡模組170的光束為準(zhǔn)直的，其聚焦的距離會(huì)與聚焦透鏡的焦長(zhǎng)相同。如圖5B所示，當(dāng)入射光為發(fā)散的，通過(guò)透鏡模組170后將獲得較大的照射范圍。如圖5C所示，當(dāng)入射光是收斂的，通過(guò)透鏡模組170后的聚焦距離將小于聚焦透鏡的焦長(zhǎng)。

請(qǐng)參考圖4，自待測(cè)物體表面反射的光經(jīng)由透鏡模組170及成像光學(xué)系統(tǒng)160成像并通過(guò)分光器140，而被攝影機(jī)150所擷取。圖6繪示本發(fā)明雙模式深度測(cè)量方法的流程圖，此方法采用散焦深度模式來(lái)測(cè)量鏡面表面910a的深度信息，以及采用聚焦深度模式來(lái)測(cè)量紋理表面920a的深度信息。在步驟S110中，物體例如是圖1的物體910或圖2的物體920被一同調(diào)光照射，使得光聚焦在物體表面一小于成像系統(tǒng)視場(chǎng)的尺寸，步驟S110中的同調(diào)光可由光源110所提供。

在步驟S120，分析自物體，例如是在圖1及圖2的物體910或物體920，反射的光斑(speckle)數(shù)量。圖7A和7B顯示兩條對(duì)應(yīng)聚焦至物體表面的光的橫切線的光強(qiáng)度輪廓的強(qiáng)度曲線。圖7A的光斑數(shù)量多于圖7B的光斑數(shù)量，是因?yàn)閳D7B的曲線較圖7A的曲線平滑而較少雜亂信號(hào)起伏。

在步驟S130，由控制器120根據(jù)反射影像的光斑數(shù)量來(lái)判斷物體呈現(xiàn)鏡面表面或是紋理表面。如果光斑的數(shù)量小于一預(yù)定值，則可判定此物體呈現(xiàn)鏡面表面，如果光斑的數(shù)量大于一預(yù)定值，則可判定此物體具有紋理表面。

在步驟S140，具有鏡面表面的物體是利用散焦深度模式進(jìn)行測(cè)量深度信息，也就是說(shuō)，控制器120控制施加在電聚焦可調(diào)透鏡131的電流或電壓使得來(lái)自光源110的光聚焦在物體表面。已知的是，聚焦光點(diǎn)的尺寸是直接相關(guān)于物體表面的高度變化。控制器180利用擷取的影像測(cè)量光點(diǎn)的尺寸，鏡面表面的深度信息可猶如圖3的校正曲線C1所獲得，校正曲線C1為光點(diǎn)的尺寸與相對(duì)深度的關(guān)系。深度信息亦可由控制器180利用反饋回路控制施加在電聚焦可調(diào)透鏡131的電流以使其維持聚焦光點(diǎn)的尺寸為最小的電流與深度變化的關(guān)系曲線所獲得。

在步驟S150，具有紋理表面的物體是以聚焦深度模式測(cè)量深度信息。步驟S150包括步驟S151和步驟S152，在步驟S151，控制器120控制施加在電變焦可調(diào)透鏡131的電流或電壓以使照射至物體表面的光為均勻的并具有一照射場(chǎng)至少相同或大于成像系統(tǒng)的視場(chǎng)。在步驟S152，控制器120控制施加在電變焦可調(diào)透鏡161的電流或電壓以改變聚焦距離，因此改變紋理表面920a的再聚焦區(qū)域。值得注意的是，改變電聚焦可調(diào)透鏡161的焦長(zhǎng)會(huì)影響照射至物體的光，而此可由電變焦可調(diào)透鏡131適當(dāng)?shù)乜刂蒲a(bǔ)償。接著，擷取多個(gè)在均勻照射的聚焦的二維切片影像。處理器180接著由聚焦的二維切片影像提取聚焦的感興趣區(qū)域并通過(guò)堆疊及合并聚焦的感興趣區(qū)域而獲得紋理表面的三維結(jié)構(gòu)。

在本實(shí)施例中，控制施加在電聚焦可調(diào)透鏡161的電流或電壓改變了成像系統(tǒng)的聚焦并決定擷取紋理表面920a的何種高度的聚焦感興趣區(qū)域。為了得到施加在透鏡使其聚焦的電壓或電流和高度的關(guān)系，需要一種校正方法。請(qǐng)參考圖8及圖9，圖8繪示校正方法的流程圖，圖9繪示一校正板800，例如是朗奇刻線板，以及一電聚焦可調(diào)透鏡161。校正板的表面包含了蝕刻線或鍍線精準(zhǔn)的以已知的距離作間隔，校正板利用一步塊以一已知角度做傾斜。在步驟S210，電聚焦可調(diào)透鏡161或是校正板800以一預(yù)定水平距離移動(dòng)，使得電變焦可調(diào)透鏡161對(duì)準(zhǔn)包含校正板800的一條線的感興趣區(qū)域，此條線即為目標(biāo)線。

在步驟S220，電聚焦可調(diào)透鏡161的焦點(diǎn)通過(guò)改變施加在電聚焦可調(diào)透鏡161的電流或電壓來(lái)改變。

在步驟S230，擷取校正板800的影像并計(jì)算此影像中感興趣區(qū)域的焦點(diǎn)。

在步驟S240，確認(rèn)目標(biāo)線是否在聚焦范圍內(nèi)，若目標(biāo)線不在聚焦位置，則回到步驟S220，若目標(biāo)線在聚焦位置，則進(jìn)行到步驟S250。

在步驟S250，記錄施加在電聚焦可調(diào)透鏡的電流或電壓與垂直深度的改變的關(guān)系，改變的深度可根據(jù)校正板800的已知水平距離及傾斜角度來(lái)計(jì)算。

在步驟S260，決定是否滿足停止條件。舉例來(lái)說(shuō)，停止條件可以是電聚焦可調(diào)透鏡161或校正板800的動(dòng)作到達(dá)一遠(yuǎn)端，或是施加在電聚焦可調(diào)透鏡161的電壓或電流達(dá)到一最大值或一最小值。若未滿足停止條件，將回到步驟S210，否則終止校正程序。

根據(jù)上述的實(shí)施例，本發(fā)明的裝置與方法可選擇在散焦深度模式或聚焦深度模式進(jìn)行深度測(cè)量。

以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。