專利名稱：高效的遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大體上涉及光學(xué)檢驗(yàn)系統(tǒng)，更具體地，涉及具有與遠(yuǎn)心(telecentric)成 像光學(xué)器件及遠(yuǎn)心物件照明相結(jié)合的區(qū)域成像傳感器(或線傳感器)的光學(xué)檢驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè) 計(jì)。
背景技術(shù)：
在多種電子器件(諸如平板顯示器(FPD)及印刷電路板(PCB))的生產(chǎn)工藝 (process)期間，必須在各種工藝步驟之后徹底檢驗(yàn)每個(gè)器件，以識(shí)別和可能校正產(chǎn)品瑕疵 (defect)并且避免若不能修理器件而引起額外的成本。為了檢驗(yàn)這類器件，可使用圖1示 出的機(jī)器視覺(jué)檢驗(yàn)系統(tǒng)YlOO。如圖1所示，一種典型的用于光學(xué)地檢驗(yàn)物件Y102的機(jī)器視覺(jué)檢驗(yàn)系統(tǒng)YlOO使 用照明模塊(HioduIe)YlOl以照明該物件Y102。使用成像光學(xué)器件Y103在相機(jī)Y104的 位置生成已照明的該物件Y102的影像。該相機(jī)Y104將物件的光學(xué)影像轉(zhuǎn)換為數(shù)位表示 (digital r印resentation)，其由數(shù)據(jù)處理模塊Y105自動(dòng)地處理該數(shù)位表示，以例如識(shí)別 物件中的多種生產(chǎn)瑕疵。與這類檢驗(yàn)系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的兩個(gè)主要設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)是1.塑形(shaping)照明光以符合顧及了(considering)光與物件之間的相互作用 的成像要求，該成像要求影響影像結(jié)構(gòu)；和2.如何使得照明高效，以有效地利用必要和可用的光功率。本領(lǐng)域技術(shù)人員會(huì)了解，在許多情況下，在待檢驗(yàn)物件上的照明光的入射角對(duì)于 如何透過(guò)檢驗(yàn)系統(tǒng)的成像光學(xué)器件而形成物件的影像是非常重要的。例如，當(dāng)檢驗(yàn)一反光 (reflective)物件時(shí)(諸如平板顯示器(FPD)，其含有涂布有薄膜圖案化層的玻璃)，由 受檢驗(yàn)物件反射的照明光的主要部分是鏡面的(specular)(光的鏡面反射(mirror like reflection))。通過(guò)鏡面反射光生成物件的影像被稱作明場(chǎng)(BF，Bright Field)成像。也可實(shí)施以散射光(其排除來(lái)自影像的非散射光束)成像的暗場(chǎng)(DF，Dark Field)成像以用于檢驗(yàn)?zāi)康?。暗?chǎng)照明/成像用于檢驗(yàn)?zāi)康氖欠浅８咝У?，但是，因?yàn)榘祱?chǎng) 照明及成像產(chǎn)生不同影像類型，所以該暗場(chǎng)照明及成像需仔細(xì)地具體說(shuō)明。參考圖2，在非遠(yuǎn)心成像光學(xué)器件Y202的情況下，明場(chǎng)照明光束(YlO)需被塑形 以匹配在整個(gè)場(chǎng)上的收集角(collection angle)光束(Yll)，如圖2所示。參見(jiàn)圖3，當(dāng)使 用這類光學(xué)配置(configuration)生成物件的明場(chǎng)影像時(shí)，過(guò)量填充(overfilling)似角 (angle like) (Y12)的照明導(dǎo)致光損耗并且從而導(dǎo)致檢驗(yàn)系統(tǒng)的較低效能。因此，為了確保 由成像傳感器收集充足的光以產(chǎn)生可接受品質(zhì)的影像，所述系統(tǒng)例如圖2和3所示的一個(gè) 系統(tǒng)需要更高功率的照明光源，這給系統(tǒng)的價(jià)格增加了額外的成本。而且，影像品質(zhì)參數(shù)，例如解析度和對(duì)比度，也會(huì)受影響。當(dāng)成像不是遠(yuǎn)心，并且照明器件是分離于成像光學(xué)器件的模塊時(shí)，在明場(chǎng)照明光 束與成像光學(xué)器件之間產(chǎn)生良好的匹配常常是困難的。圖4和5示出實(shí)現(xiàn)匹配明場(chǎng)照明與 成像的兩種傳統(tǒng)的方法。如圖4所示，一個(gè)此類選擇(option)是，將成像模塊(Y13)的光學(xué)軸與投影照明 光束(Y14)相對(duì)于彼此傾斜。此選擇的一個(gè)缺點(diǎn)在于，導(dǎo)致光束在視野(YK)或(Y16)的 邊緣散焦，并且當(dāng)該光束大于一條細(xì)線時(shí)，該光束在整個(gè)視野上很難保持最佳焦點(diǎn)。如圖5所示，第二選擇是，使用一分束器(Y17)來(lái)直接將照明光照射于物件上。但 是，此方法的缺點(diǎn)在于，其具有低光功率效率，并且利用了少于大約25%的輸入光功率。圖6示出用于暗場(chǎng)成像的光學(xué)系統(tǒng)的一示例性實(shí)施方案。應(yīng)當(dāng)注意，使用暗場(chǎng)成 像所生成的待檢驗(yàn)物件的影像是非常有用和有益于檢驗(yàn)的目的。一種用于在物件Y201上提供暗場(chǎng)照明的方法是，將暗場(chǎng)照明光源(Y18)放置 在成像系統(tǒng)的光收集角區(qū)域(Y19)的充分向外處。但是，在非遠(yuǎn)心系統(tǒng)中，視野中的點(diǎn) (Y20)以不同于視野中的點(diǎn)(Y21)的入射角接收暗場(chǎng)照明光。這導(dǎo)致物件上的照明光入 射角依賴于視野內(nèi)的該點(diǎn)的位置。這繼而導(dǎo)致跨越(across)視野所得的暗場(chǎng)影像的表觀 (appearance)的改變。因此，暗場(chǎng)成像要求照明光入射角遍及場(chǎng)各處保持一致，而圖6中 所示的系統(tǒng)未能提供此項(xiàng)要求。照明一致性在周期性(periodical)結(jié)構(gòu)檢驗(yàn)的應(yīng)用中尤 其嚴(yán)格，其中一小區(qū)(cell)的影像需要與另一小區(qū)的影像相比較。若所述小區(qū)不同地被照 明，則上述各自影像的比較可能出現(xiàn)問(wèn)題。因此，需要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)心照明及遠(yuǎn)心獲取待檢驗(yàn)物件的影像的系統(tǒng)和方法，以提供更 一致的照明、改進(jìn)的性能及更好的影像品質(zhì)參數(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的方法論針對(duì)大體上消除與光學(xué)檢驗(yàn)系統(tǒng)的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)相關(guān)聯(lián)的一個(gè)或多 個(gè)以上的及各種其它的問(wèn)題。根據(jù)本發(fā)明的方法論的一方面，提供一種用于光學(xué)地檢驗(yàn)一物件的系統(tǒng)。本發(fā)明 的系統(tǒng)將結(jié)合(incorporate)具有照明光學(xué)軸并且包含光源的遠(yuǎn)心照明系統(tǒng)，該光源包含 配置成用明場(chǎng)照明光來(lái)照明該物件的明場(chǎng)照明光部分。本發(fā)明的系統(tǒng)還結(jié)合遠(yuǎn)心光學(xué)成像 系統(tǒng)，該遠(yuǎn)心光學(xué)成像系統(tǒng)包括成像傳感器，并且配置為生成該物件的明場(chǎng)影像。在本發(fā)明 的系統(tǒng)中，遠(yuǎn)心光學(xué)成像系統(tǒng)還包括具有第一光學(xué)軸的第一成像模塊和具有第二光學(xué)軸的 第二成像模塊。上述的照明光學(xué)軸、第一光學(xué)軸和第二光學(xué)軸相對(duì)于彼此偏移(offset)。根據(jù)本發(fā)明的方法論的另一方面，提供一種用于光學(xué)地檢驗(yàn)一物件的系統(tǒng)。本發(fā) 明的系統(tǒng)結(jié)合包括光源的遠(yuǎn)心照明系統(tǒng)，該光源包含配置成用明場(chǎng)照明光照明該物件的明 場(chǎng)照明光部分及配置成用暗場(chǎng)照明光照明該物件的暗場(chǎng)照明光部分，該暗場(chǎng)照明光部分及 明場(chǎng)照明光部分布置在相同的平面中。本發(fā)明的系統(tǒng)還結(jié)合光學(xué)成像系統(tǒng)，該光學(xué)成像系 統(tǒng)包括成像傳感器且其配置成使用由該物件反射的鏡面光生成該物件的明場(chǎng)影像及使用 非鏡面光生成該物件的暗場(chǎng)影像。根據(jù)本發(fā)明的方法論的又一方面，提供一種用于使用一系統(tǒng)進(jìn)行光學(xué)地檢驗(yàn)一物 件的方法，該系統(tǒng)結(jié)合包括光源的遠(yuǎn)心照明系統(tǒng)，該光源包括配置成用明場(chǎng)照明光照明該物件的明場(chǎng)照明光部分和包含多個(gè)片段(segment)的暗場(chǎng)照明光部分，該多個(gè)片段的每一 個(gè)片段配置成用在一有效視野上具有一致角度分布的暗場(chǎng)照明光照明該物件，并且該暗場(chǎng) 照明光部分和明場(chǎng)照明光部分布置在相同的平面中。本系統(tǒng)還結(jié)合光學(xué)成像系統(tǒng)，該光學(xué) 成像系統(tǒng)包括成像傳感器并且其配置成使用非鏡面光生成該物件的暗場(chǎng)影像。本發(fā)明的方 法涉及基于該物件的特征來(lái)選定多個(gè)片段中的一個(gè)片段；及當(dāng)該物件僅由多個(gè)片段中的 所選定的一個(gè)片段而單獨(dú)地照明以實(shí)現(xiàn)暗場(chǎng)照明光的預(yù)定的入射方向時(shí)，生成該物件的單 獨(dú)的暗場(chǎng)影像。 本發(fā)明相關(guān)的額外方面會(huì)在下文的描述中部分提出，及從描述中會(huì)部分明白本發(fā) 明相關(guān)的額外方面，或可由實(shí)踐本發(fā)明相關(guān)的額外方面來(lái)學(xué)習(xí)。可借助元件和各種元件的 組合及在下文具體描述與隨附的權(quán)利要求中特別指出的方面，而實(shí)現(xiàn)和達(dá)成本發(fā)明的方應(yīng)了解，上述及下文描述兩者都是僅示例性和解釋性的，并且不意圖以任何方式 限制所主張的(claimed)發(fā)明或申請(qǐng)。


并入本說(shuō)明書(shū)并且組成本說(shuō)明書(shū)的一部分的附圖，示例本發(fā)明的實(shí)施例，并且附 圖與描述一起用于解釋和示出本發(fā)明的技術(shù)的原理。具體地圖1示出示例性機(jī)器視覺(jué)檢驗(yàn)系統(tǒng)的示意性方塊圖。圖2示出用于明場(chǎng)成像的示例性照明角。圖3示出用于明場(chǎng)成像的示例性照明角。圖4示出使用傾斜光學(xué)軸用于物件的明場(chǎng)照明的方法。圖5示出使用分束器的明場(chǎng)照明配置的示例性實(shí)施例。圖6示出暗場(chǎng)照明配置。圖7示出本發(fā)明的遠(yuǎn)心照明及成像系統(tǒng)的一示例性實(shí)施例。圖8示出本發(fā)明的遠(yuǎn)心照明模塊的一示例性實(shí)施例。圖9示出在本發(fā)明的遠(yuǎn)心照明模塊的照明模式(pattern)中的明場(chǎng)角區(qū)(angular zone)ο圖10示出在本發(fā)明的照明模塊的照明模式中的暗場(chǎng)有效源點(diǎn)和示例性光線。圖11示出在本發(fā)明的照明模塊中的明場(chǎng)及暗場(chǎng)照明光源的一示例性配置。圖12示出使用本發(fā)明照明模塊的光源的示例性FPD模式的暗場(chǎng)照明。圖13示出本發(fā)明的明場(chǎng)照明模塊的一示例性實(shí)施例。圖14示出LED的一示例性照明模式。圖15示出本發(fā)明的照明模塊及對(duì)應(yīng)的發(fā)射角的一示例性實(shí)施例。圖16示出照明模塊的另一示例性實(shí)施例，該照明模塊配置成通過(guò)單獨(dú)受控的LED 來(lái)實(shí)現(xiàn)該物件的選擇性(selective)暗場(chǎng)照明。
具體實(shí)施例方式在下文具體描述中，參考附圖，其中同樣的數(shù)字指定相同功能的元件。上述附圖以 圖示方式示出，而并非以限制、具體實(shí)施例及與本發(fā)明的原理一致的實(shí)施方案的方式示出。充分詳細(xì)地描述這些實(shí)施方案以使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠?qū)嵺`本發(fā)明，且應(yīng)了解，在不背離 本發(fā)明的范圍及精神下可利用其它實(shí)施方案及可完成各種元件的結(jié)構(gòu)改變和/或替換。因 此，下文具體描述并不以限制意義解釋(construe)。另外，如本文描述的多種實(shí)施例可使用 普通(generic)光學(xué)部件和/或特別開(kāi)發(fā)的光學(xué)部件而實(shí)施。架構(gòu)根據(jù)本發(fā)明的方法論的一方面，提供一種用于機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的新穎架構(gòu)，其參考 圖7示出。在本發(fā)明的技術(shù)的一實(shí)施例中，圖7所示的系統(tǒng)使用區(qū)域成像傳感器TOO，該區(qū) 域成像傳感器Y30可為電荷藕合器件(CCD)傳感器或互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CM0Q傳感 器。上述的成像傳感器可光學(xué)地耦合遠(yuǎn)心成像光學(xué)器件，遠(yuǎn)心成像光學(xué)器件與遠(yuǎn)心照明模 塊復(fù)合(compound)。在圖7所示的本發(fā)明的一實(shí)施例中，遠(yuǎn)心成像光學(xué)器件實(shí)施為可結(jié)合透鏡和/或 反射鏡的兩個(gè)單獨(dú)的子模塊。應(yīng)注意，與本文描述之原理一致，也可將其它光學(xué)器件結(jié)合 進(jìn)上述的兩個(gè)子模塊中。在本發(fā)明的實(shí)施例中，提供了下成像模塊(LIM，Lower Imaging Module)和上成像模塊(UIM，UpperImaging Module)。LIM及UIM兩者可被無(wú)窮遠(yuǎn)地校正 (infinity corrected)。具體地，LIM生成物件的影像，該影像位于物件平面Y31無(wú)窮遠(yuǎn)處。 UIM將上述位于無(wú)窮遠(yuǎn)處的影像重新成像至成像傳感器TOO的平面。非無(wú)窮遠(yuǎn)校正的實(shí)施 例也有利地是可能的，如本文以下所述。在圖7所示的本發(fā)明的實(shí)施例中，光學(xué)系統(tǒng)的孔徑光闌(ASOP)實(shí)體上是UIM的 一部分。但是，本領(lǐng)域技術(shù)人員會(huì)了解，其它實(shí)施例是可能的。在本發(fā)明的一實(shí)施例中，為 了在物件平面Y31處實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)心的條件，ASOP應(yīng)優(yōu)選位于LIM的背焦(back focal)平面處 (FIlim)。在本發(fā)明的一實(shí)施例中，光學(xué)系統(tǒng)配置成在影像平面處也是遠(yuǎn)心的。另一方面，并 不擁有這一特征的其它實(shí)施方案也是可能的。照明在本發(fā)明的一實(shí)施例中，系統(tǒng)的光源(LDM)，其將照明光傳遞至物件上，實(shí)施為具 有碟形的一區(qū)域。優(yōu)選地，將照明光傳遞至物件上的系統(tǒng)的明場(chǎng)光源的形狀具有匹配于 ASOP的形狀的形狀。例如，若ASOP被傳統(tǒng)地塑形為圓形，則有效光源優(yōu)選地也是圓的或準(zhǔn) 圓的。準(zhǔn)圓形可為正方形、六邊形或其它類似的正多邊形。但是應(yīng)注意，本發(fā)明并不限于任 何碟形的光源，并且其它的光源形狀也可用于照明該物件。應(yīng)注意，布置成如圖7所示的光源LDM并不需要是一實(shí)體光源，而是可為使用適當(dāng) 光學(xué)部件(該光學(xué)部件的一些會(huì)在下文參考其它附圖而詳細(xì)描述)而生成的光源的一影像 (本文稱為邏輯光源)。LDM發(fā)射在一定角度內(nèi)的照明光，所述角度由圖7中的圖例(legencO^^a及 指定。相對(duì)于LDM的軸線Y35測(cè)量這些角度，所述軸線Y35垂直于該LDM表面。在本發(fā)明 的一實(shí)施例中，LDM位于LIM的背焦平面中。由LDM所產(chǎn)生的照明光在影響受檢驗(yàn)的物件 之前行進(jìn)穿過(guò)LIM。LDM的這種定位確保了由LDM所提供的照明在物件平面處是遠(yuǎn)心的。圖7所示的系統(tǒng)的特征為一特殊特征，即UIM的光學(xué)軸Y33是相對(duì)于LIM的光學(xué) 軸Y34水平地偏移一量Yl。照明燈LDM的光學(xué)軸TO5也是相應(yīng)地相對(duì)于LIM的光學(xué)軸Y34 往相反方向水平地偏移一量Y2。在本發(fā)明的一實(shí)施例中，Yl值大體上相等于Y2值。在本發(fā)明的一實(shí)施例中，Yl與Y2的值近似地相等于LDM的線性尺度(linear dimension)。圖7所示的光學(xué)配置的示例性實(shí)施例的一個(gè)重要特征是，有效的光源LDM，穿過(guò) LIM和起反射鏡作用的物件平面，而成像至ASOP平面。圖7所示的新穎的光學(xué)系統(tǒng)的實(shí)施例具有以下期望的特征。第一，在物件平面 31中由LDM所提供的照明是遠(yuǎn)心的，即在有效視野上具有幾乎一致的角分布(angular distribution).第二，跨物件平面中之視野的照明光的空間分布由光源LDM所發(fā)射的光的 角分布決定。優(yōu)選地，在本發(fā)明的實(shí)施例中，LDM包括如本文以下所描述的LED光源，通常 該LED光源特征為準(zhǔn)朗伯角行為(quasi-Lambertian angular behavior)。此類配置會(huì)導(dǎo) 致跨視野之照明最高程度地一致。但是，本發(fā)明并不限于僅LED光源，LDM的其它實(shí)施案例 是可能的。本領(lǐng)域技術(shù)人員會(huì)了解，在光學(xué)檢驗(yàn)系統(tǒng)中可容忍一定程度上的光學(xué)漸暈 (vignetting)(相比于影像中央，影像在周邊處的亮度或飽和度的減小)。具體地，已知對(duì) 于某些檢驗(yàn)的應(yīng)用，大約20%的照明不一致是可接受的。本領(lǐng)域技術(shù)人員也會(huì)了解，圖7所示的本發(fā)明的概念的實(shí)施例的特征在于下列優(yōu) 點(diǎn)。即，因?yàn)長(zhǎng)DM是由在ASOP平面處的本發(fā)明的光學(xué)系統(tǒng)，通過(guò)選擇LDM形狀及尺寸使得其 匹配于ASOP的幾何形狀而成像，所以到達(dá)系統(tǒng)的視野內(nèi)的任一點(diǎn)的光束TO8，例如TO6，被 鏡面物件以一適當(dāng)角度反射回來(lái)(見(jiàn)反射光Y37)以按ASOP所需填充(而不過(guò)量地填充) AS0P。由于該成像系統(tǒng)也優(yōu)選是遠(yuǎn)心的，所以此關(guān)系存在于整個(gè)視野上的所有點(diǎn)。投影光束角Y38與收集光束角Y37之間的上述(幾乎)理想的匹配，對(duì)于為了檢 驗(yàn)的目的而實(shí)現(xiàn)最佳成像品質(zhì)經(jīng)常是期望的。而且，因?yàn)橛蒐DM所發(fā)射的光的主要部分 到達(dá)AS0P，且最后到達(dá)傳感器TOO，所以圖7所示的本發(fā)明的系統(tǒng)的實(shí)施例在集光率保持 (etendu conservation)方面有禾拋是高效的。在實(shí)踐中，光源LDM、LIM及ASOP的相對(duì)定位(positioning)可某種程度上偏離于 上述優(yōu)選的關(guān)系，例如，以減少結(jié)構(gòu)上的約束。本領(lǐng)域技術(shù)人員會(huì)了解，對(duì)于大多光學(xué)檢驗(yàn) 的應(yīng)用，至多大約9度的遠(yuǎn)心偏離是可接受的。另外，不同于圖5所示的傳統(tǒng)的系統(tǒng)，由于在未使用分束器(beamsplitter)情況 下實(shí)現(xiàn)有效明場(chǎng)照明條件的這一事實(shí)，所以參考圖7示出的本系統(tǒng)的實(shí)施例在輻射輝度 (亮度)保持(radiance (brightness) conservation)方面是非常高效的。由此，本發(fā)明的 配置避免了與使用分束器相關(guān)聯(lián)的光損耗。還應(yīng)注意，在圖7所示的本發(fā)明的一實(shí)施例中，ASOP和LDM位于光學(xué)傳感器中的 彼此非常接近處。因此，在圖8所示的本發(fā)明的另一實(shí)施例中，采用折迭式鏡W0，以容許更 多空間用于容納及安裝光源LDM及與該光源LDM相關(guān)聯(lián)的光學(xué)器件。選擇性投影角在上述參考圖7所述的遠(yuǎn)心成像及照明系統(tǒng)中，在LDM平面中的每一點(diǎn)以大體上 類似于在場(chǎng)中的所有點(diǎn)的一特殊入射角照明物件平面處的整個(gè)視野。現(xiàn)在參考圖9中的示 意圖，在任何特殊邏輯發(fā)光元件(例如在LDM平面W3中的Wl)與物件平面中的照明光 Y42的入射角之間，存在直接的共軛(conjugate)關(guān)系，其中所述入射角在視野Y48上是大 體上一致恒定的。上述的共軛關(guān)系不僅適于明場(chǎng)角區(qū)(由圖9及圖10中的圖例指定)，而且也適于位于明場(chǎng)區(qū)外的暗場(chǎng)角區(qū)。圖10示出，由邏輯LDM光源點(diǎn)Y44發(fā)射的示例性暗場(chǎng)照明光束 Y45.為了參考的目的，邊緣明場(chǎng)源點(diǎn)和光線是用虛線迭印(superimpose)。應(yīng)注意，在本發(fā) 明的實(shí)施例中，暗場(chǎng)照明光源設(shè)置在與明場(chǎng)照明光源相同的平面中(傅立葉平面)。本領(lǐng)域 技術(shù)人員會(huì)了解，這種配置實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)心暗場(chǎng)照明。為了選擇性地控制在物件上的照明光的入射角，在本發(fā)明的一實(shí)施例中，光源LDM 結(jié)合單獨(dú)受控的照明片段，例如圖11所示的暗場(chǎng)產(chǎn)生(DarkField generating)片段Q1、 Q2、Q3等。在圖11所示的實(shí)施例中，暗場(chǎng)產(chǎn)生片段呈環(huán)狀布置在碟形的明場(chǎng)產(chǎn)生片段P的 周圍。圖11所示的光源配置，使本發(fā)明的系統(tǒng)的一實(shí)施例能夠選擇性地將光以選擇性地受 控的角度投影于物件上，所述角度在物件視野上大體上一致。這可用于生成物件的選擇性 受控的暗場(chǎng)照明。對(duì)于某些檢驗(yàn)任務(wù)，例如在平板顯示器(FPD)的制造中，選擇性暗場(chǎng)對(duì)于產(chǎn)生合 適的影像品質(zhì)是重要的?，F(xiàn)在參考圖12，平板顯示器(FPD)的板通常含有周期結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu) 由水平線Y61、垂直線Y62及對(duì)角線Y63組成。圖12還示出位于LDM平面中的兩個(gè)暗場(chǎng)光源 片段Y65及Y69，該兩個(gè)暗場(chǎng)光源片段Y65及Y69在LDM平面中以不同方位角(azimuthal) 位置適當(dāng)?shù)仄拼怪狈较?。相?duì)于對(duì)角線Y63的方向，光源片段Y65在方位角平面中大體上垂直地偏移，然而 光源片段Y69是在大體上平行于對(duì)角線Y63的方向上偏移。由光源片段Y65所發(fā)射的光線 Y64入射于圖案線Y63上。通常，光線Y64的能量的大部分與Y66 —樣是來(lái)自FPD平面的表 面的鏡面反射。但是，此外光線Y64的能量的部分通過(guò)線Y63的邊緣衍射。光線Y67在垂 直于FPD平面Y60的方向上以一特定的衍射級(jí)發(fā)射。本領(lǐng)域技術(shù)人員會(huì)明白，在垂直于FPD 表面Y60方向上的光線Y64與另一光線(例如由平行偏移光源片段Y69發(fā)射的Y68)相比 會(huì)由線Y63的邊緣更加強(qiáng)烈地衍射。根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例的遠(yuǎn)心成像系統(tǒng)，例如參考圖7所示，有利地在一良好界 定的數(shù)值孔徑(NA，Numerical Aperture)處收集暗場(chǎng)衍射光，所述數(shù)值孔徑在大體上平行 的主要光線周圍，所述光線幾乎垂直于FPD平面在視野內(nèi)的所有點(diǎn)。在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施 例實(shí)施的暗場(chǎng)照明系統(tǒng)中，如圖10中所示意描繪的，由源自一給定光源位置的大體上平行 的光束照明在視野內(nèi)的所有物件點(diǎn)。當(dāng)這種暗場(chǎng)照明光源的僅一部分(例如光源片段Y65) 開(kāi)啟時(shí)，在由圖7所示的傳感器Y30所產(chǎn)生的影像中，大體上對(duì)角地對(duì)準(zhǔn)的特征邊緣(例如 圖12中的線Y63)相對(duì)于邊緣沿其它方向?qū)?zhǔn)的其它特征顯得更明亮。上述示例證實(shí)本發(fā)明的實(shí)施例具有特別有用的特征，即由選擇性地控制暗場(chǎng)照明 的方向(在物件上的入射角)來(lái)突顯特殊物件的特征的能力。在平板顯示器(FPD)的檢驗(yàn) 中經(jīng)常需要這種能力。照明單元圖13示出用于實(shí)施具有光輸出的光源模塊MlO的一潛在光學(xué)方案，該光輸出具有 需要的LDM照明特征。在本發(fā)明的一實(shí)施例中，使用LED實(shí)施光源模塊MlO。但是，本領(lǐng)域 技術(shù)人員會(huì)了解，可使用其它光源類型實(shí)施光源模塊M10，所述其它光源類型可包含但不限 制于弧光燈或石英鹵素(QH，quatzhalogen)光源。因此，本發(fā)明并不限于所公開(kāi)的光源類型。圖14示出以較寬角Y50發(fā)射光的LED晶粒(LED die)Y510如圖15所示，在本發(fā)明的一實(shí)施例中，LED晶粒Y51可位于微透鏡(Ienslet) Y53的焦平面處。現(xiàn)在，微透鏡TO3 的孔徑本身可被認(rèn)作為第二有效光源，其具有相對(duì)于LED晶粒TOl的更大直徑及相對(duì)應(yīng)的 較窄的發(fā)射角TO2。本領(lǐng)域技術(shù)人員會(huì)明白，通過(guò)適當(dāng)?shù)剡x定光源尺寸和微透鏡光學(xué)參數(shù)， 可能在保持原始集光率及亮度的同時(shí)，塑形輸出光用于所需的空間特性和角特性。圖15的 配置是LDM的明場(chǎng)片段的一示例性實(shí)施例。在本發(fā)明的實(shí)施例中，對(duì)于一些在需要使用照明光源LDM的較小片段選擇性地照 明物件時(shí)的應(yīng)用(例如對(duì)于選擇性暗場(chǎng)成像)，通過(guò)在LDM平面中安裝單獨(dú)的LED (例如LED Y54)來(lái)實(shí)施LDM，如圖16所示。這些LED呈環(huán)狀置于圖16中的明場(chǎng)片段Pl的周圍。在本發(fā)明的一替代實(shí)施例中，通過(guò)在指定的LDM平面處放置或光學(xué)地成像分段 (segmented)空間光調(diào)制器(SLM，spatial light modulator)(例如液晶顯示器(LCD)或 數(shù)位微鏡器件(DMD))來(lái)實(shí)施LDM。本領(lǐng)域技術(shù)人員會(huì)了解，此實(shí)施例提供，關(guān)于通過(guò)使用電 腦控制系統(tǒng)而選擇性地控制SLM的片段的每一片段來(lái)界定有效光源的形狀的額外靈活性。 此外，在此實(shí)施例中，可在電腦控制下隨意地改變有效光源的形狀以符合應(yīng)用。放大率(Magnification)在某些光學(xué)檢驗(yàn)任務(wù)中，需要具有光學(xué)成像系統(tǒng)的可變放大率。實(shí)現(xiàn)光學(xué)成像系 統(tǒng)的可變放大率的一種可能的方法是，改變整個(gè)模塊相對(duì)于物件的位置，并根據(jù)新界定的 影像平面來(lái)移動(dòng)傳感器，所述模塊包括作為一個(gè)整體的貝11、1^通、430 、照明。在本發(fā)明的概念的一實(shí)施例中，通過(guò)將圖7中指定為UIM及LIM的光學(xué)部件之任 一者或兩者適當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)成具有可變焦距，同時(shí)保持在LIM的背焦平面處的孔徑ASOP的位 置，來(lái)實(shí)現(xiàn)可變放大率。替代地或者另外地，UIM或LIM中任一者可設(shè)計(jì)成具有可變主平面 itlS. (variable principal plane location)。最后，應(yīng)理解，本文所述的方法和技術(shù)本質(zhì)上并不涉及任何特定的裝置，并且所述 方法和技術(shù)可通過(guò)部件的任何適當(dāng)?shù)慕M合來(lái)實(shí)施。此外，可根據(jù)本文所述的教導(dǎo)使用各種 類型的一般用途器件。也可證明有利的是，建構(gòu)專用的(specialized)裝置以執(zhí)行本文描 述的方法步驟。已按照特定的實(shí)施例描述本發(fā)明，此目的在于所有方面是示意性的而非限 制性的。本領(lǐng)域技術(shù)人員會(huì)了解，硬件、軟件和固件(firmware)的許多不同組合將適合于 實(shí)踐本發(fā)明。而且，本領(lǐng)域技術(shù)人員會(huì)從考慮本說(shuō)明書(shū)及實(shí)踐本文揭示的發(fā)明而明白本發(fā)明的 其它實(shí)施例?？蓡为?dú)地(singly)或在本發(fā)明的遠(yuǎn)心光學(xué)檢驗(yàn)系統(tǒng)中以任一組合來(lái)使用所 述的實(shí)施例的各種方面和/或組件。意圖是，本說(shuō)明書(shū)及實(shí)例僅被視為是示例性的，而本發(fā) 明的真實(shí)范圍和精神由隨附的權(quán)利要求及其等同物表明。
權(quán)利要求
1.一種用于光學(xué)地檢驗(yàn)物件的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括a.遠(yuǎn)心照明系統(tǒng)，具有照明光學(xué)軸并且包括光源，所述光源包括配置成用明場(chǎng)照明光 來(lái)照明所述物件的明場(chǎng)照明光部分；和b.遠(yuǎn)心光學(xué)成像系統(tǒng)，包括成像傳感器，并且配置為生成所述物件的明場(chǎng)影像，其中， 所述遠(yuǎn)心光學(xué)成像系統(tǒng)還包括具有第一光學(xué)軸的第一成像模塊和具有第二光學(xué)軸的第二 光學(xué)成像模塊，并且所述照明光學(xué)軸、所述第一光學(xué)軸和所述第二光學(xué)軸相對(duì)于彼此偏移。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述成像傳感器包括區(qū)域成像傳感器。
3.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述明場(chǎng)照明光部分包括至少一個(gè)LED。
4.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述光源還包括暗場(chǎng)照明光部分，所述暗場(chǎng)照明光 部分設(shè)置在與所述明場(chǎng)照明光部分相同的光源平面中，并且部分配置成用暗場(chǎng)照明光來(lái)照 明所述物件，并且，所述遠(yuǎn)心光學(xué)成像系統(tǒng)還配置為生成所述物件的暗場(chǎng)影像。
5.如權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其中，所述暗場(chǎng)照明光部分包括多個(gè)暗場(chǎng)照明光片段，所 述多個(gè)暗場(chǎng)照明光片段的每一個(gè)片段配置成用在有效視野上具有一致角分布的所述暗場(chǎng) 照明光來(lái)照明所述物件；其中，單獨(dú)地控制所述多個(gè)暗場(chǎng)照明光片段的所述每一個(gè)片段以 實(shí)現(xiàn)所述暗場(chǎng)照明光的預(yù)定的入射方向。
6.如權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其中，所述暗場(chǎng)照明光片段中的每一個(gè)片段包括LED。
7.如權(quán)利要求3或6所述的系統(tǒng)，其中，所述遠(yuǎn)心照明系統(tǒng)還包括與所述LED光學(xué)地耦 合的微透鏡。
8.如權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其中，所述明場(chǎng)照明光部分具有圓形的形狀，并且所述多 個(gè)暗場(chǎng)照明光片段是呈圓環(huán)形布置在所述明場(chǎng)照明光部分的周圍。
9.如權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其中，對(duì)于所述多個(gè)暗場(chǎng)照明光片段的每一個(gè)選定的片 段，所述遠(yuǎn)心光學(xué)成像系統(tǒng)配置成，當(dāng)僅由所述多個(gè)暗場(chǎng)照明光片段的所述每一個(gè)選定的 片段來(lái)單獨(dú)地照明所述物件時(shí)，生成所述物件的單獨(dú)暗場(chǎng)影像；并且其中，基于所述物件的 特征來(lái)選定所述多個(gè)暗場(chǎng)照明光片段的所述一個(gè)片段。
10.如權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其中，所述光源包括分段空間光調(diào)制器，所述分段空間 光調(diào)制器具有形成所述暗場(chǎng)照明光部分的多個(gè)第一片段和形成所述明場(chǎng)照明光部分的多 個(gè)第二片段，所述多個(gè)第一片段和所述多個(gè)第二片段是放置或成像在所述光源平面中。
11.如權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中，所述分段空間光調(diào)制器包括液晶顯示器。
12.如權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中，所述分段空間光調(diào)制器包括微鏡器件。
13.如權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，還包括用于選擇性地控制所述多個(gè)第一片段之每一個(gè) 片段及所述多個(gè)第二片段的每一個(gè)片段，以實(shí)現(xiàn)所述明場(chǎng)照明光部分或所述暗場(chǎng)照明光部 分的預(yù)定形狀。
14.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述第一成像模塊放置在所述物件與所述第二成 像模塊之間，并且所述第二成像模塊包括孔徑光闌，所述孔徑光闌位于所述第一成像模塊 的背焦平面中。
15.如權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，其中，所述明場(chǎng)照明光部分的尺寸及形狀分別對(duì)應(yīng)于 所述孔徑光闌的尺寸及形狀。
16.如權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，其中，所述光源的影像位于所述第一成像模塊的背焦 平面中，并且所述明場(chǎng)照明光在照明所述物件之前行進(jìn)穿過(guò)所述第一成像模塊。
17.如權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，其中，所述第二成像模塊的所述第二光學(xué)軸相對(duì)于所 述第一成像模塊的所述第一光學(xué)軸偏移一個(gè)第一偏移值，并且所述光源的影像相對(duì)于所述 第一成像模塊的所述第一光學(xué)軸往相反方向偏移一個(gè)第二偏移值。
18.如權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其中，所述第一偏移值大體上等于所述第二偏移值。
19.如權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，還包括反射鏡，其中使用所述反射鏡使所述光源的所 述影像偏離。
20.如權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，其中，所述第一成像模塊及所述第二成像模塊兩者都 是經(jīng)無(wú)窮遠(yuǎn)校正的。
21.如權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，其中，所述光源由所述第一成像模塊成像至所述孔徑 光闌。
22.如權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，其中，所述第二成像模塊的特征為可變焦距，并且所述 遠(yuǎn)心光學(xué)成像系統(tǒng)提供所述物件的可變放大率。
23.一種用于光學(xué)地檢驗(yàn)一物件的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括a.遠(yuǎn)心照明系統(tǒng)，包括光源，所述光源包括配置成用明場(chǎng)照明光來(lái)照明所述物件的明 場(chǎng)照明光部分及配置成用暗場(chǎng)照明光來(lái)照明所述物件的暗場(chǎng)照明光部分，所述暗場(chǎng)照明光 部分與所述明場(chǎng)照明光部分設(shè)置在相同光源平面中；和b.光學(xué)成像系統(tǒng)，包括成像傳感器，且配置為生成所述物件的明場(chǎng)影像及所述物件的 暗場(chǎng)影像。
24.如權(quán)利要求23所述的系統(tǒng)，其中，所述暗場(chǎng)照明光部分包括多個(gè)暗場(chǎng)照明光片段， 所述多個(gè)暗場(chǎng)照明光片段的每一個(gè)片段配置成用在有效視野上具有一致角分布的所述暗 場(chǎng)照明光來(lái)照明所述物件；其中，單獨(dú)地控制所述多個(gè)暗場(chǎng)照明光片段的每一個(gè)片段以實(shí) 現(xiàn)所述暗場(chǎng)照明光的預(yù)定的入射方向。
25.如權(quán)利要求23所述的系統(tǒng)，其中，所述光學(xué)成像系統(tǒng)是遠(yuǎn)心光學(xué)成像系統(tǒng)，所述遠(yuǎn) 心光學(xué)成像系統(tǒng)包括具有第一光學(xué)軸的第一成像模塊及具有第二光學(xué)軸的第二光學(xué)成像 模塊，并且所述照明光學(xué)軸、所述第一光學(xué)軸及所述第二光學(xué)軸相對(duì)于彼此偏移。
26.一種用于使用一系統(tǒng)光學(xué)地檢驗(yàn)物件的方法，所述系統(tǒng)包括遠(yuǎn)心照明系統(tǒng)，包括光源，所述光源包括配置成用明場(chǎng)照明光來(lái)照明所述物件的明場(chǎng) 照明光部分及包括多個(gè)片段的暗場(chǎng)照明光部分，所述多個(gè)片段的每一個(gè)片段配置成用在有 效視野上具有一致角分布的暗場(chǎng)照明光來(lái)照明所述物件，并且所述暗場(chǎng)照明光部分與所述 明場(chǎng)照明光部分設(shè)置在相同光源平面中；和光學(xué)成像系統(tǒng)，包括成像傳感器并且配置為生成所述物件的暗場(chǎng)影像，所述方法包括a.基于所述物件的特征來(lái)選定所述多個(gè)片段中的一個(gè)片段；和b.當(dāng)僅由所述多個(gè)片段中的所選定的一個(gè)片段單獨(dú)地照明所述物件時(shí)，生成所述物件 的單獨(dú)暗場(chǎng)影像以實(shí)現(xiàn)所述暗場(chǎng)照明光的預(yù)定的入射方向。
27.如權(quán)利要求沈所述的系統(tǒng)，其中，所述光學(xué)成像系統(tǒng)是遠(yuǎn)心光學(xué)成像系統(tǒng)，所述遠(yuǎn) 心光學(xué)成像系統(tǒng)包括具有第一光學(xué)軸的第一成像模塊及具有第二光學(xué)軸的第二光學(xué)成像 模塊，并且所述照明光學(xué)軸、所述第一光學(xué)軸及所述第二光學(xué)軸相對(duì)于彼此偏移。
全文摘要
本發(fā)明描述一種用于使用區(qū)域傳感器(或線傳感器)的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的新穎架構(gòu)，所述機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)具有與遠(yuǎn)心照明模塊復(fù)合的遠(yuǎn)心成像光學(xué)器件。該照明模塊可包含明場(chǎng)(bright field)照明源和/或暗場(chǎng)(dark field)照明源。所述遠(yuǎn)心成像光學(xué)器件包含具有孔徑光闌的上成像模塊及設(shè)置置所述上成像模塊與物件之間的下成像模塊，使得所述光源及所述孔徑光闌位于所述下成像模塊的背焦平面中。所述下成像模塊將所述照明源成像至所述上成像模塊的孔徑光闌的平面。所述上成像模塊的光學(xué)軸相對(duì)于所述下成像模塊偏移。所述遠(yuǎn)心照明模塊的光學(xué)軸相對(duì)于所述下成像模塊的軸往相反方向偏移。
文檔編號(hào)G01N21/00GK102105777SQ200980128832
公開(kāi)日2011年6月22日 申請(qǐng)日期2009年7月21日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月22日
發(fā)明者伊格爾·卡齊爾, 戴維·菲什 申請(qǐng)人:奧博泰克有限公司