TWI798723B

TWI798723B - 深度測量設備及方法

Info

Publication number: TWI798723B
Application number: TW110122337A
Authority: TW
Inventors: 律多安國; 楊景瀚
Original assignee: 財團法人工業技術研究院
Priority date: 2021-05-13
Filing date: 2021-06-18
Publication date: 2023-04-11
Also published as: US20220364848A1; TW202244462A; CN115342747A

Abstract

提供一種深度測量設備，其包括照明模組、分光鏡、物鏡、影像擷取模組、控制器和處理器。照明模組被配置以產生照明光束。分光鏡和物鏡設置在照明光束的光路上，且物鏡被配置以將照明光束聚焦到形成在物體內的孔中。影像擷取模組被配置以不同高度擷取孔的影像。控制器耦合至照明模組和影像擷取模組。處理器耦合到控制器和影像擷取模組，且被配置以對由影像擷取模組擷取的影像執行聚焦距離評估，以獲得物體的兩個表面之間的高度差。還提供了一種深度測量方法。

Description

深度測量設備及方法

本發明涉及深度測量設備及方法。

電子設備、計算機設備和通訊設備的持續發展已經提升半導體封裝技術以及元件的小型化，因而得以在更小的印刷電路板（PCB）佔位面積中集成更多的特徵和功能。這促使了諸如高密度互連（High Density Interconnect, HDI）印刷電路板之類的技術的發展，在這些技術中，多層導電材料利用所謂金屬化的通孔而相互連接。根據設計上的需求，通孔的直徑可能落在50 µm至500 µm的範圍內，其深度則落在20 µm至6 mm的範圍內。因此，通孔的縱橫比（AR），亦稱為高寬比（HWR），落在2：1到40：1之間。除了金屬化的通孔外，還存在通孔（through vias）、背鑽通孔（back drilled vias）以及將在本發明中被簡單地稱為盲孔（blind hole）和貫孔（through hole）的其他類型通孔。需要在高精度下得知這些孔的深度，可能還需要測量孔的直徑或探測孔的底部。但是，當孔的縱橫比增加且直徑減小時，孔的底部區域無法使用傳統的照明方法進行適當的照明，上述的傳統照明方法之一就是使用標準聚焦技術（standard focusing techniques）生成的高斯光束。實際上，使用標準聚焦技術生成的高斯光束的景深（Depth of Focus, DOF）可能不夠大，無法到達孔的底部。嘗試使用機器視覺檢驗系統（machine visions inspection system）中常見的高輻照度擴展光源則會導致孔底表面的對比度較低。此外，由於孔的頂面比底面接收更多的光，感測器的動態範圍可能不足以提供正確的孔底影像。由於無法獲得孔底表面的清晰影像，也無法利用對焦/失焦方法的變焦或測距來獲得孔的深度，因而無法探測孔的底表面，也無法測量孔的底部的直徑。這使得高密度互連印刷電路板的製造商難以確保高品質的產品。因此，亟需一種方法來測量具有高縱橫比的孔以及窄直徑的孔的深度，並提供通孔的底表面的影像。

本發明的深度測量設備包括照明模組、分光鏡、影像擷取模組、控制器和處理器。照明模組包括光源、準直組件和光束整形光學組件，並且被配置以產生照明光束。分光鏡設置在照明光束的光路上。物鏡設置在照明光束的光路上，並且被配置以將照明光束聚焦到形成在物體內的孔中。影像擷取模組包括物鏡、套筒透鏡、可調式透鏡組件和影像感測器，且被配置以在不同高度擷取孔的影像。控制器耦合至照明模組和影像擷取模組，其中，控制器被配置以控制照明模組和影像擷取模組。處理器耦合到控制器和影像擷取模組，並且被配置以對由影像擷取模組擷取的影像執行聚焦距離評估，以便獲得物體的兩個表面之間的高度差。

本發明的深度測量方法使用上述深度測量設備。本發明的深度測量方法包括：在物體內形成的孔的第一表面附近的初始位置處設置第一工作距離；從第一工作距離開始以第一聚焦範圍在孔上執行第一局部掃描；執行第一聚焦距離評估以獲得起始於初始位置的第一距離偏移；獲得從孔的第一表面到初始位置的高度；利用相對的移動，在距離初始位置一預期高度的位置處設置第二工作距離；自距離第二工作距離一間距的起始距離開始，以第二聚焦範圍對孔執行第二局部掃描；執行第二聚焦距離評估以獲得起始於起始距離的第二距離偏移；獲得從孔的第二表面到初始位置的高度；計算孔的第二表面到初始位置的高度以及孔的第一表面到初始位置的高度之間的高度差，以便獲得孔的實際深度。

下面詳細描述所附圖式的幾個實施例，以進一步詳細地描述本發明。

本發明的深度測量設備被配置以測量在物體中形成的孔的深度。具體地，本發明的深度測量設備被配置以藉由產生能夠照亮孔的底部的照明光束，並藉由執行聚焦距離評估來測量具有高縱橫比（高寬比）的孔的深度。

圖1繪示了根據本發明的一實施例的深度測量設備的方塊圖。深度測量設備1包括光學系統10、控制器12、處理器14和平移台16。控制器12耦合到光學系統10和平移台16，以控制光學系統10的操作和平移台16的運動。其中光學系統10包括耦合至控制器12的照明模組100和影像擷取模組200，且影像擷取模組200位於平移台16上方。處理器14耦合至控制器12和影像擷取模組200，其中處理器14對影像擷取模組200進行校正，對影像擷取模組200擷取的影像執行影像處理操作並進行聚焦距離評估。關於校正、影像處理操作以及聚焦距離評估的細節將在後面描述。

圖2是圖1的平移台上的光學系統的示意圖。本實施例的照明模組100包括光源110、準直組件120和光束整形光學組件130。光源110可以是同調、非同調或部分同調的光源，且可以是包括至少一個發光元件的光源。例如，光源110包括至少一個雷射二極體、一個超發光二極體、一個發光二極體（LED）或其組合。光源110被配置以產生光束L。光束L可以例如是高斯光束。準直組件120設置在從光源110發射的光束L的傳遞路徑上，並且位於光源110和光束整形光學組件130之間。非點光源和非同調光源（例如LED）可能不會產生適當準直的光束，因此來自此類光源的光可以在藉由準直組件120進行準直之前先穿過如小孔的小光圈（例如針孔）。

在本實施例中，如圖2所示，準直組件120包括至少一個光學透鏡以準直來自光源110的光束L，並且將準直的光束傳送到光束整形光學組件130。來自光源110的光束L在穿過準直組件120之後被傳送到光束整形光學組件130。光束整形光學組件130被設置在光束L的傳遞路徑上，並且被配置以對光束L進行轉換和整形，從而使其在通過物鏡300之後成為非繞射光束（non-diffracting beam）。此光束具有高的縱橫比以及窄的直徑（例如50μm、200μm或500μm）和相應的長景深（例如分別為200μm、1 mm或5 mm）。響應這些特性的某些特定光束稱為貝塞爾光束（Bessel beams），但是其他合適類型的光束是向量光束（vector beams）。光束整形光學組件130還被配置以自光束L產生照明光束LB，照明光束LB的最大直徑小於或等於要測量的孔在其任一深度處的最小直徑。在本發明的以下實施例中，照明光束LB是貝塞爾光束，但是本發明不限於此。

參照圖2，照明光束LB例如被用於照射形成在物體OBJ中的盲孔，從而測量孔的深度。物體OBJ可以例如是多層印刷電路板（PCB）或晶片，且物體OBJ可以包括一個以上的孔。

除了照明模組100和影像擷取模組200外，光學系統10還包括物鏡300，並且還可以包括分光鏡400。在圖2所示的配置中，物鏡300設置在照明光束LB的傳遞路徑上，並且設置在照明模組100與物體OBJ之間，並且在一個實施例中，物鏡300設置在光束整形光學組件130與物體OBJ之間。物鏡300可以是包括多個光學元件的無限共軛物鏡（infinite conjugate objective lens）。在圖2的配置中，分光鏡400設置在照明光束LB的傳遞路徑上，設置在照明模組100與物體OBJ之間且設置在影像擷取模組200與物體OBJ之間。分光鏡400可以是偏振分光鏡，並且可以在物鏡和偏振分光鏡之間設置四分之一波片，以允許對物體進行偏振分析或有助於消除不想要的反射。在本實施例中，分光鏡400被配置以朝向物鏡300部分地反射來自照明模組100的光束，並且允許來自物鏡300的光束通過以被傳遞至影像擷取模組200。光學系統10內的照明模組100、影像擷取模組200、物鏡300和分光鏡400之間的位置關係並不限於圖2所示的配置。

在本實施例中，影像擷取模組200包括套筒透鏡210、可調式透鏡組件220和影像感測器230。如圖2所示，套筒透鏡210設置在物鏡300與可調式透鏡組件220之間，並且在一個實施例中，設置在分光鏡400與可調式透鏡組件220之間。套筒透鏡210可以包括一個以上的光學元件。可調式透鏡組件220設置在套筒透鏡210和影像感測器230之間，且套筒透鏡210、可調式透鏡組件220和影像感測器230依序地設置在從物鏡300透射的光束的傳遞路徑上。

在本實施例中，物體OBJ例如被設置在平移台16上（未繪示），並且被定位為距影像擷取模組200適當的工作距離。平移台16被配置以將要測量的孔定位在照明光束LB下，並且能夠改變物體OBJ和物鏡300之間的距離。平移台16可以是能夠在X、Y和Z方向上進行平移運動的機械平移台，但本發明不限於此。

圖3A和3B繪示了在高密度集成（High Density Integration, HDI）印刷電路板（Printed Circuit Board, PCB）中常見的通孔中的兩種可能的配置。圖3A繪示了以根據本發明的一實施例的照明光束照射的高縱橫比貫孔的示意圖。孔的第一部分具有自物體20a的頂表面21a到物體20a的中間層22a的深度Zha，孔的第一部分具有直徑Dha，而孔的第二部分具有較小的直徑dh。照明光束LB具有直徑D1b以及大於等於Zha的景深（DOF）。圖3B繪示了以根據本發明的一實施例的照明光束照射高縱橫比盲孔的示意圖。盲孔具有從物體20b的頂表面21b到孔的底表面23的深度Zhb和直徑Dhb。照明光束LB具有直徑D1b和大於等於Zhb的景深。藉由深度測量設備1檢測或測量的孔的結構並不限於圖3A和圖3B所示的實施例的孔。

圖4繪示了圖3A或圖3B的高縱橫比孔與入射該孔的照明光束之間的尺寸關係的示意圖。參照圖4以及圖3A或圖3B中的任一者，由照明模組100產生的照明光束LB的特徵在於，其直徑Dlb小於要測量的孔的直徑Dha或Dhb，從而照明光束LB可以不照射物體20a的頂表面21a或物體20b的頂表面21b。例如在一個實施例中，照明光束LB的最大直徑Dlb _max小於或等於孔在任何深度處的最小直徑（即，孔的最小直徑Dh _min）。在下面的部分中將詳細描述如何產生具有上述特徵的照明光束LB，以照明高縱橫比孔的底部。

圖5A至圖5C、圖6A以及圖7繪示了可以在本發明的一實施例中使用的照明模組的示意圖。為了在不改變本發明的範圍的情況下便於解釋，在圖5A至圖5C、圖6A以及圖7中繪示了與照明光束LB的產生有關的元件（即，光學系統10的照明路徑上的元件），並且未繪示分光鏡400。無疑地，分光鏡400僅有助於照明光束的光吸收或光偏振，而不會改變照明光束的直徑和景深。

現在將參照圖5A描述根據本發明的一實施例（例如，照明模組的第一實施例）的照明模組100A的配置。光源110、準直組件120、光束整形光學組件130以及物鏡300依序地設置在光學系統10的照明路徑上。在本實施例中，準直組件120包括準直透鏡121，且光束整形光學組件130可以包括第一錐透鏡（axicon）131、中繼透鏡132和第二錐透鏡133，其中，中繼透鏡132可以是平凸透鏡或雙凸透鏡，且設置在第一錐透鏡131和第二錐透鏡133之間。本實施例中的第一錐透鏡131和第二錐透鏡133例如是具有0.5度至5度的物理角度的錐透鏡。在一個實施例中，中繼透鏡132可以由電耦合到控制器12的電控可調聚焦透鏡代替。此外，第一錐透鏡131和中繼透鏡132之間的相對距離記為z1，中繼透鏡132和第二錐透鏡133之間的相對距離記為z2，第二錐透鏡133與物鏡300的後焦面之間的相對距離記為z3，物鏡300的焦距定義為z4。要注意的是，照明光束LB的直徑Dlb取決於相對距離z1、z2及z3、物鏡300的焦距z4以及由光源110產生的輸入光束L的直徑，其中改變第一錐透鏡131、中繼透鏡132以及第二錐透鏡133之間的相對距離z1、z2可以改變照明光束LB的形狀。改變第二錐透鏡133和物鏡300的後焦面之間的相對距離z3可以進一步改變穿透物鏡300的照明光束LB的工作距離。換句話說，透過改變上述任何一個或多個參數（即，z1、z2、z3、z4以及輸入光束L的直徑），可以調節照明光束LB以適用於要檢測的孔的直徑和深度。

現在將參照圖5B描述根據本發明的一實施例（例如，照明模組的第二實施例）的照明模組100B的配置。圖5B中的照明模組100B的配置類似於圖5A的照明模組100A的配置，它們之間的主要區別在於：除了準直透鏡121外，照明模組100B的準直組件120B還包括發散透鏡122和會聚透鏡123。發散透鏡122和會聚透鏡123例如可以組成伽利略擴束器（Galilean beam expander）。在圖5B所示的實施例中，第一錐透鏡131、中繼透鏡132、第二錐透鏡133以及物鏡300的後焦面之間的相對距離z1、z2、z3可以與圖5A所示的實施例中的相同，伽利略擴束器的主要作用是調節光束L的直徑。可以用不同類型的擴束器，例如開普勒擴束器（Keplerian beam expander）或變焦擴束器，以及縮束器（beam reducer）來替代上面描述和圖示的伽利略擴束器，而不改變本實施例的精神。

現在將參照圖5C描述根據本發明的一實施例（例如，照明模組的第三實施例）的照明模組100C的配置。圖5C的照明模組100C類似於圖5B的照明模組100B的配置，它們之間的主要區別在於照明模組100C的準直組件120C包括了基於可調透鏡的擴束器，該擴束器由一對偏置透鏡（offset lens）124、127以及一對電控可調焦透鏡125、126所組成，取代圖5B所示的由發散透鏡122和會聚透鏡123組成的伽利略擴束器。電控可調焦透鏡125、126中的一個或兩個（接下來稱為可調透鏡）由控制器12控制。類似於圖5B所示的實施例，主要是為了調整光束L的直徑而加入基於可調透鏡的擴束器，而第一錐透鏡131、中繼透鏡132、第二錐透鏡133和物鏡300的後焦面之間的相對距離z1、z2、z3可以保持與圖5A所示的實施例相同。相較於圖5B所示的擴束器，基於可調透鏡的擴束器可以進一步允許動態控制光束的直徑或自動控制光束的直徑。

現在將參照圖6A描述根據本發明的一實施例（例如，照明模組的第四實施例）的照明模組100D的配置。圖6A的照明模組100D類似於圖5A的照明模組100A的配置，它們之間的主要區別在於照明模組100D的光束整形光學組件130D包括第一光圈濾光器134和第二光圈濾光器135，而不是圖5A中的第一錐透鏡131和第二錐透鏡133。上述光圈濾光器的特徵可以在於阻擋區直徑和針孔直徑。阻擋區直徑的範圍可以從50 μm到500 μm，針孔直徑的範圍可以從50 μm到1000 μm。其他的規格也可以適用於本發明的目的。第一光圈濾光器134和第二光圈濾光器135可以具有相同或不同的環形狹縫構造。圖6B繪示了根據本發明的一實施例的圖6A的光圈濾光器的環形狹縫的示意性平面圖。參照圖6B，第一光圈濾光器134和第二光圈濾光器135可以分別是環形濾光器，但是本發明不限於此。在圖6A所示的實施例中，第一光圈濾光器134、中繼透鏡132、第二光圈濾光器135以及物鏡300的後焦面之間的相對距離z1、z2、z3可以與圖5A所示的實施例中的第一錐透鏡131、中繼透鏡132、第二錐透鏡133以及物鏡300的後焦面之間的相對距離z1、z2、z3相同。

現在將參照圖7描述根據本發明的第五實施例的照明模組100E的配置。圖7中的照明模組100E的配置與圖5A的照明模組100A以及與圖6A的照明模組100D的配置類似，它們之間的主要區別在於照明模組100E的光束整形光學組件130E是空間光調製器（Spatial Light Modulator, SLM）。空間光調製器利用相位全像片來再現藉由圖5A至5C中的光束整形光學組件130的錐透鏡和圖6A中的光束整形光學組件130D的光圈濾光器所獲得的繞射現象。然而，採用空間光調製器的光束整形光學組件130E以及採用光圈濾光器的光束整形光學組件130D所獲得的光產出（light throughput）可能小於採用錐透鏡的光束整形光學組件130所獲得的光產出。

圖8繪示了根據本發明的一實施例的物鏡的工作距離與照明光束的直徑之間的關係曲線圖。在圖8中，透過模擬，給出了基於圖5A所示的光學設計中物鏡300的工作距離與照明光束LB的直徑Dlb之間的關係曲線，其中兩個錐透鏡131、133具有物理角度為0.5度，且透鏡132具有焦距120 mm。對於給定的物鏡工作距離，這個曲線允許了光束整形光學組件的設計、選擇、尺寸調整以及參數調整，以適用於特定的孔特性。例如，如圖8所示，當物鏡300的工作距離（W.D.）為17 mm時，適合用來進行深度測量的照明光束LB的直徑Dlb將被決定為180 μm，這適合於具有直徑為400 µm的孔。

圖9是能夠在本發明的一實施例中使用的影像擷取模組的示意圖。為了便於解釋，繪示了與影像的產生有關的元件（即，光學系統10的成像路徑上的元件），其中，並未繪示分光鏡400，因為分光鏡400不參與影像的形成並且僅涉及光吸收或光偏振。物鏡300、套筒透鏡210、可調式透鏡組件220以及影像感測器230依序地設置在光學系統10的成像路徑上。在實施例中，可調式透鏡組件220可以包括電控可調焦透鏡226和兩個中繼透鏡222、224，其中電控可調焦透鏡226（以下稱為可調透鏡226）位於兩個中繼透鏡222、224之間，套筒透鏡210置於物鏡300和中繼透鏡222之間，中繼透鏡224設置在可調透鏡226的聚焦位置和影像感測器230的成像面之間。這樣的設置將可調透鏡定位在物鏡的後焦面的共軛平面處，從而使得影像擷取模組的放大倍率變異最小。這種設置本質上構成了遠心光學系統。藉由改變電性參數（例如電壓或電流）的值來控制可調透鏡226的焦距。例如，可調透鏡226包括液體透鏡或液晶透鏡，並且影像感測器230包括電荷耦合裝置（Charge Coupled Device, CCD）或互補金屬氧化物半導體（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor, CMOS），但是本發明不限於此。

重新參照圖1，在本發明的深度測量設備1中，控制器12可以例如是能夠控制照明模組100、影像擷取模組200以及平移台16的硬體控制器或控制系統。控制器12可被配置以控制光源110的強度、可調透鏡226的焦距以及平移台16的位置。處理器14被配置以獲得由影像擷取模組200的影像感測器230擷取的影像，並在所擷取的影像上執行影像處理，且處理器14還被配置以對影像擷取模組200進行校正。處理器14還可以包括記憶體，以儲存影像處理的結果、校正結果、數據資訊、控制參數以及與本發明的操作必要或相關的數據。記憶體可以集成在處理器14中，或者可以是單獨的儲存裝置且電性連接到處理器14，但本發明不限於此。在一個實施例中，處理器14可以內置在影像擷取模組200中或內置在行動裝置、閘道器（gateway）或雲端系統中，但是本發明不限於此。

圖10繪示了根據本發明的一實施例施加到電控可調焦透鏡的電性參數與圖9的影像擷取模組的聚焦距離之間的關係曲線圖。該關係是透過藉由處理器14、控制器12以及平移台16所執行的影像擷取模組200的校正而獲得的，於下文詳細描述該關係。利用上述的校正，當給定的電性參數被施加到可調透鏡226以便確定例如圖3A所示物體OBJ（20a）的頂表面21a和中間層22a之間的高度差，或是例如圖3B所示物體OBJ（20b）的頂表面21b與孔的底表面23之間的高度差時，處理器14評估由影像擷取模組200擷取的影像中的聚焦像素（in-focused pixels），來獲得孔的深度Zh（Zha或Zhb）。在影像擷取模組200上執行的校正可以包括改變校正靶與物鏡300之間的距離。例如，隆奇標定校正靶（Ronchi ruling calibration target）可以位於物鏡300下方的平移台16上，並且透過沿著影像擷取模組200的光軸的Z軸方向上改變靶的位置，可以改變校正靶與物鏡300之間的距離。例如，首先定位平移台16，使得當最小的電性參數被施加到可調透鏡226時，影像擷取模組200具有最長的聚焦距離，並藉由處理器14評估其聚焦。例如透過評估所擷取影像中的像素的清晰度。接下來，平移台16沿Z軸方向平移，以降低校正靶與物鏡300之間的距離，處理器14評估所擷取影像的聚焦狀況，並增加施加到可調透鏡226上的電性參數，直到所擷取的影像聚焦為止。對可調透鏡226的電性參數的範圍重複執行相同的步驟，以獲得諸如圖10所示的校正曲線。可調透鏡226的電性參數與聚焦距離之間的關係可以取決於可調透鏡226的溫度；因此，可以在給定溫度下建立聚焦變化曲線，並且可以在相同溫度下進行深度測量。因此，可以例行地並且在不同的檢測溫度條件下執行影像擷取模組200的校正，並且可以將校正的結果以查找表（LUT）或預定的聚焦變化曲線儲存在處理器14的記憶體中，其中聚焦變化曲線在不同的檢查溫度條件下與已知的聚焦距離以及已知的施加到可調透鏡226的電性參數相關。查找表或預定的聚焦變化曲線可以用於對影像擷取模組200所擷取的影像執行聚焦距離評估，以便確定物體OBJ（20a）的頂表面21a和中間層22a之間，或是物體OBJ（20b）的頂表面21b與孔的底表面23之間的高度（或深度）差，從而獲得孔的深度Zh（Zha或Zhb）。

重新參考圖1和圖2，在本實施例中，深度測量設備1適於透過利用由照明模組100產生的照明光束LB來照明形成在物體OBJ中的孔來測量其深度Zh，並評估由影像擷取模組200所擷取的影像中的聚焦像素，以確定孔的最高和最低表面之間的高度差，其中孔的最高表面在物體OBJ的頂表面21（21a或21b）處，孔最低的表面在物體OBJ的中間層22a或者是孔的底表面23，高度（或深度）差表示孔的深度Zh（Zha或Zhb）；應該注意的是，使用本發明也可以獲得物體的任何表面之間的高度差。

圖11繪示了根據本發明的一實施例的深度測量方法的流程圖。圖12繪示了根據深度測量方法的一實施方式的用於測量高縱橫比孔的深度的步驟的示意圖。為了便於說明，圖11和圖12中所示的實施例以盲孔（如圖3B所示）為例，但是要測量的孔的類型不限於此。本發明的深度測量方法也可以應用於貫孔（如圖3A所示）或存在高度差的任何結構。

在本實施例中，具有待測量的孔的物體OBJ被設置在平移台16上，並且在影像擷取模組200下方，其中，物體OBJ被定位成使得孔的開口面向物鏡300且孔的頂面21靠近影像擷取模組200的最小焦距處，使得照明模組100產生的照明光束LB可以照亮孔的底部。

參照圖11和圖12，在步驟101中，將影像擷取模組200的第一工作距離設置在初始位置Z _orig，初始位置Z _orig在孔的第一表面（例如，頂表面21）的附近或上方，並且近似影像擷取模組200的最小焦距。在圖11的步驟102中，影像擷取模組200以從距離Z' _start1開始至距離Z' _stop1的第一聚焦範圍ΔZ ₁對孔執行第一局部掃描，以擷取第一組影像，其中距離Z' _start1定義為從初始位置Z _orig到物鏡300的距離，並且是第一工作距離。

在圖11的步驟103中，針對由影像擷取模組200擷取的第一組影像執行聚焦距離評估，以獲得起始於初始位置Z _orig（對應距離Z' _start1）的距離偏移（distance shift）Z' _top，其中，距離偏移Z' _top被定義為距離Z' _start1以及第一聚焦範圍ΔZ ₁內的聚焦峰位置之間的距離差異，且聚焦峰位置的確認是基於擷取了包含有最多聚焦像素的影像所對應的聚焦距離。具體地，在本實施例中，每一個第一組影像中的聚焦像素被取得，第一組影像分別被擷取時的電性參數確認，並且可以根據與第一組影像相對應的電性參數變異推知第一組影像中的不同影像中的聚焦像素之間的聚焦距離變異。在本實施例中，可以透過執行子像素邊緣檢測（subpixel edge detection）、模糊檢測（blur detection）、雙邊濾波（bilateral filtering）或其他邊緣檢測技術來獲得每一個第一組影像的聚焦像素，但是本發明不限於此。而且，在本實施例中，可以透過參考查找表來決定與影像擷取模組200所擷取的第一組影像對應的聚焦距離，或者可以根據前述的影像擷取模組200校正所獲得的聚焦變化曲線計算得到聚焦距離。

在替代的實施例中，也可以透過採用自動對焦技術來執行聚焦距離評估，以找到在影像擷取模組200的第一聚焦範圍ΔZ _l內包含有最多聚焦像素的影像，並且，在得到距離偏移Z' _top後，可以立即停止第一局部掃描。

接下來，在圖11的步驟104中，可以獲得從孔的第一表面（例如，頂表面21）到初始位置Z _orig的高度Z _top。具體地，可以透過確定從距離Z' _start1起的距離偏移Z' _top來獲得從孔的第一表面（例如，頂表面21）到初始位置Z _orig的高度Z _top。

進一步的，在圖11的步驟105中，根據孔的預期深度d _expect以及從孔的第一表面（例如，頂表面21）到初始位置Z _orig的高度Z _top來設置影像擷取模組200的第二工作距離，其中第二工作距離被設置在距離初始位置Z _orig具有預期高度Z _expect的位置，並且可以透過以下公式計算預期高度Z _expect：Z _expect= Z _top+ d _expect。

如圖12所示，影像擷取模組200的工作距離從對應於初始位置Z _orig的第一工作距離變更為對應於距離初始位置Z _orig一預期高度Z _expect的第二工作距離。在本實施例中，影像擷取模組200的工作距離的改變是透過改變施加到可調透鏡上的電性參數從而改變其焦距來實現的。在其他實施例中，可以利用平移台16來改變物體與物鏡之間的物理距離，以改變工作距離，或是利用改變物體與物鏡之間的物理距離並改變可調透鏡的焦距的組合來改變工作距離。

接下來，在圖11的步驟106中，影像擷取模組200以從距離Z' _start2開始至距離Z' _stop2的第二聚焦範圍ΔZ ₂對孔執行第二局部掃描，以擷取第二組影像，其中距離Z' _start2以及Z' _stop2分別被設置為與第二工作距離相距±ΔZ ₂/ 2的間隔距離，使得第二工作距離為第二聚焦範圍ΔZ ₂的中點。

在圖11的步驟107中，同樣針對由影像擷取模組200擷取的第二組影像執行聚焦距離評估，以獲得起始於距離Z' _start2的距離偏移Z' _bottom，其中距離偏移Z' _bottom被定義為距離Z' _start2以及第二聚焦範圍ΔZ ₂內的聚焦峰位置之間的距離差值。在本實施例中，聚焦距離評估是在藉由第二局部掃描擷取了所有的第二組影像之後執行的。然而，在替代的實施例中，可以透過採用自動對焦技術來執行聚焦距離評估，以找到在影像擷取模組200的第二聚焦範圍ΔZ ₂內包含有最多聚焦像素的影像。並且，在得到距離偏移Z' _bottom後，可以立即停止第二局部掃描。

接下來，在圖11的步驟108中，從孔的第二表面（例如，底表面23）到初始位置Z _orig的高度Z _bottom可以基於以下公式獲得：Z _bottom＝ Z _expect-（ΔZ ₂/ 2）+ Z' _bottom。具體地，可以基於起始於初始位置Z _orig的預期高度Z _expect、第二聚焦範圍ΔZ ₂、以及起始於距離Z' _start2的距離偏移Z' _bottom來計算從孔的第二表面（例如，底表面23）到初始位置Z _orig的高度Z _bottom。

最後，在圖11的步驟109中，計算高度Z _bottom和高度Z _top之間的高度差，以便獲得形成在物體OBJ中的孔的實際深度Zh。

應當注意，在以上步驟104、105、108和109中提到的示例中提供了距離值、聚焦範圍值和高度值，僅出於解釋目的，並且不能將其視為實際測量參數的邊界或限制。可以根據實際需要設置或選擇影像擷取模組200的第一工作距離和第二工作距離以及用於擷取影像的第一聚焦範圍和第二聚焦範圍，且本發明不限制第一工作距離和第二工作距離以及第一聚焦範圍和第二聚焦範圍。另外，根據實際需要，第一聚焦範圍和第二聚焦範圍可以相同或不同。

綜上所述，在本發明的實施例中，產生了一種照明光束，該照明光束能夠照亮形成在物體中的高縱橫比孔的底部而不會照亮物體的頂面。在分別設置在高縱橫比孔的頂面和底面（或物體的頂面和預期的界面位置）附近的兩個聚焦距離範圍內擷取高縱橫比孔的影像，以便得到高縱橫比孔的頂表面（例如，最高表面）和底表面（例如，最低表面）之間的高度差。因此，本發明的深度測量設備和深度測量方法能夠獲得高縱橫比孔的實際深度，而不會引起反向的反射訊號或反射寄生訊號。而且，可以採用本發明的深度測量設備和深度測量方法來獲得任何凹或凸結構的深度測量。

對於本領域技術人員將顯而易見的是，在不脫離本發明的範圍或精神的情況下，可以對所公開的實施例的結構進行各種修改和變型。鑑於前述內容，旨在涵蓋落入所附申請專利範圍及其等同物的範圍內的修改和變型。

1:深度測量設備 10:光學系統 12:控制器 14:處理器 16:平移台 21、21a、21b:頂表面 22a:中間層 23:底表面 100、100A、100B、100C、100D、100E:照明模組 101、102、103、104、105、106、107、108、109:步驟 110:光源 120、120B:準直組件 121:準直透鏡 122:發散透鏡 123:會聚透鏡 124、127:偏置透鏡 125、126、226:電控可調焦透鏡 130、130D、130E:光束整形光學組件 131、133:錐透鏡 132、222、224:中繼透鏡 134、135:光圈濾光器 200:影像擷取模組 210:套筒透鏡 220:可調式透鏡組件 230:影像感測器 300:物鏡 400:分光鏡 Dha、dh、D1b、Dhb、Dlb _max、Dh _max、Dh _min:直徑 d _expect:預期深度 L:光束 LB:照明光束 OBJ、20a、20b:物體 W.D.:工作距離 Zha、Zha、Zhb:深度 z1、z2、z3、Z' _start1、Z' _stop1、Z' _start2、Z' _stop2:距離 z4:焦距 Z _orig:初始位置 ΔZ ₁、ΔZ ₂:聚焦範圍 Z' _top、Z' _bottom:距離偏移 Z _top、Z _bottom:高度 Z _expect:預期高度

所附圖式被併入本說明書中並構成本說明書的一部分，以提供進一步的理解。圖式繪示了實施例，並結合說明書的描述以解釋本發明的原理。圖1繪示了根據本發明的一實施例的深度測量設備的方塊圖。圖2是圖1的平移台上的光學系統的示意圖。圖3A繪示了以根據本發明的一實施例的照明光束照射高縱橫比的通孔。圖3B繪示了以根據本發明的一實施例的照明光束照射高縱橫比的盲孔。圖4繪示了圖3A或圖3B的高縱橫比孔與入射該孔的照明光束之間的尺寸關係的示意圖。圖5A至圖5C、圖6A以及圖7繪示了可以在本發明的一實施例中使用的照明模組的示意圖。圖6B繪示了根據本發明的一實施例的圖6A的光圈濾光器的環形狹縫的示意性平面圖。圖8繪示了根據本發明的一實施例的物鏡的工作距離與照明光束的直徑之間的關係曲線圖。圖9是能夠在本發明的一實施例中使用的影像擷取模組的示意圖。圖10繪示了根據本發明的一實施例所施加的電性參數與圖9的影像擷取模組的聚焦距離之間的關係曲線圖。圖11繪示了根據本發明的一實施例的深度測量方法的流程圖。圖12繪示了根據深度測量方法的一實施方式的用於測量高縱橫比孔的深度的步驟的示意圖。

10:光學系統

16:平移台

100:照明模組

110:光源

120:準直組件

130:光束整形光學組件

200:影像擷取模組

210:套筒透鏡

220:可調式透鏡組件

230:影像感測器

300:物鏡

400:分光鏡

L:光束

LB:照明光束

OBJ:物體

Claims

一種深度測量設備，包括：照明模組，包括光源、準直組件以及光束整形光學組件，該照明模組被配置以產生照明光束；分光鏡，設置在該照明光束的光路上；物鏡，設置在該照明光束的該光路上，以將該照明光束轉換為非繞射光束，並以該非繞射光束照亮形成在物體內的孔；影像擷取模組，包括該物鏡、套筒透鏡、可調式透鏡組件以及影像感測器，該影像擷取模組被配置以在不同高度擷取該孔的影像；控制器，耦合至該照明模組以及該影像擷取模組，其中該控制器被配置以控制該照明模組以及該影像擷取模組；以及處理器，耦合至該控制器以及該影像擷取模組，該處理器被配置以對由影像擷取模組擷取的影像執行聚焦距離評估，以獲得該物體的兩個表面之間的高度差。
如請求項1所述的深度測量設備，其中該光源是同調光源或部分同調光源。
如請求項1所述的深度測量設備，其中該準直組件包括至少一準直透鏡，以準直由該光源產生的光束。
如請求項3所述的深度測量設備，其中該準直組件還包括擴束器，且該擴束器包括至少一可調透鏡。
如請求項1所述的深度測量設備，其中該光束整形光學組件包括一對錐透鏡以及設置在該對錐透鏡之間的中繼透鏡、或是該光束整形光學組件包括一對光圈濾光器以及設置在該對光圈濾光器之間的中繼透鏡、或是該光束整形光學組件包括空間光調製器。
如請求項5所述的深度測量設備，其中該對錐透鏡包括第一錐透鏡以及第二錐透鏡，且該第一錐透鏡、該中繼透鏡、該第二錐透鏡以及該物鏡的後焦面之間的相對距離是可調的，以至少改變該照明光束的景深以及直徑。
如請求項1所述的深度測量設備，其中該照明光束的最大直徑小於或等於在該孔的長度或深度上的該孔的最小直徑。
如請求項1所述的深度測量設備，其中該物鏡、該套筒透鏡、該可調式透鏡組件以及該影像感測器設置在被該物體反射並透射該物鏡的光束的光路上，以構成遠心光學系統。
如請求項8所述的深度測量設備，其中該可調式透鏡組件包括電控可調焦透鏡和兩個中繼透鏡，該電控可調焦透鏡設置在該兩個中繼透鏡之間，並且透過改變施加到該電控可調焦透鏡的電性參數的值來控制該電控可調焦透鏡的焦距。
如請求項1所述的深度測量設備，其中該分光鏡是偏振分光鏡，並且還包括四分之一波片。
如請求項1所述的深度測量設備，還包括耦合至該控制器的平移台，並且該物體適於在深度測量期間被設置在該平移台上。
如請求項1所述的深度測量設備，其中該處理器還被配置以執行該影像擷取模組的校正。
如請求項12所述的深度測量設備，其中該處理器還包括記憶體，該記憶體用於儲存由該處理器產生的處理結果和/或校正結果。
一種深度測量方法，利用如請求項1所述的深度測量設備，該深度測量方法包括：在初始位置處設置第一工作距離，該初始位置在該物體內形成的該孔的第一表面附近；以從該第一工作距離開始的第一聚焦範圍對該孔執行第一局部掃描；執行第一聚焦距離評估以獲得與起始於該初始位置的第一距離偏移；獲得從該孔的該第一表面到該初始位置的高度；利用相對的移動，在距離該初始位置一預期高度的位置處設置第二工作距離；自距離該第二工作距離一間距的起始距離開始，以第二聚焦範圍對該孔執行第二局部掃描；執行第二聚焦距離評估，以獲得起始於該起始距離的第二距離偏移；獲得從該孔的第二表面到該初始位置的高度；以及計算該孔的該第二表面到該初始位置的該高度以及該孔的該第一表面到該初始位置的該高度之間的高度差，以便獲得該孔的實際深度。
如請求項14所述的深度測量方法，其中該第一工作距離近似於該影像擷取模組的最小聚焦距離，且該起始距離小於該第二工作距離。
如請求項14所述的深度測量方法，其中，用於設置該第二工作距離的該位置係根據該孔的預期深度以及從該孔的該第一表面到該初始位置的該高度來決定，且利用該相對的移動，在距離該初始位置該預期高度的該位置處設置該第二工作距離的該步驟包括：藉由在該物體以及該物鏡之間在Z軸方向上進行相對的移動，將該影像擷取模組的工作距離從對應該初始位置的該第一工作距離移至對應距離該初始位置該預期高度的該第二工作距離。
如請求項14所述的深度測量方法，其中，基於該第一工作距離以及該第一聚焦範圍內的聚焦峰位置之間的距離差值來獲得起始於該初始位置的該第一距離偏移，並且基於該起始距離以及該第二聚焦範圍內的聚焦峰位置之間的距離差值來獲得起始於該起始距離的該第二距離偏移。
如請求項17所述的深度測量方法，其中，藉由獲得由該影像擷取模組擷取的多個影像中的每個影像中的多個聚焦像素，將具有該些聚焦像素的該些影像與分別用來擷取該些影像的電性參數相關聯，並藉由參考儲存在該處理器的記憶體中的預先建立的查找表或預定的聚焦變化曲線，來確定所擷取的該些影像中的不同影像中的該些聚焦像素之間的聚焦距離變化，來進行該第一聚焦距離評估以及該第二聚焦距離評估。
如請求項14所述的深度測量方法，其中從該孔的該第二表面到該初始位置的該高度係利用起始於該初始位置的該預期高度、該間距以及起始於該起始距離的該第二距離偏移來獲得。