TW201326954A - 時序多光點自動聚焦裝置及方法 - Google Patents

Abstract

一種時序多光點自動聚焦裝置，包括一光源、一透鏡、一時序分光模組、一聚焦元件以及一處理模組。光源用以產生一入射光束。透鏡用以準直入射光束為一準直光束，入射光束相對於透鏡為一非對稱光束。時序分光模組用以將準直光束分為具時序性之多道子光束。聚焦元件用以聚焦這些子光束至一被測物。處理模組用以感測被測物對應這些子光束之多道反射光束的能量分佈，並據以計算這些反射光束的能量重心位置。

Description

時序多光點自動聚焦裝置及方法

本發明是有關於一種時序多光點自動聚焦裝置及方法。

在自動光學檢測(automatic optical inspection，AOI)系統中，由於被測物的表面會高低起伏，因此顯微鏡頭需要不斷修正位置以得到清晰影像，或移動被測物的高度以使得被測物位於顯微鏡頭的景深範圍內，上述過程稱為自動聚焦(AF)。隨著自動光學檢測技術的成熟，自動聚焦技術被大量應用，如面板缺陷修補或積體電路檢測等。然而，當被測物由多種材質複合而成時，傳統的主動式光學自動聚焦技術會因為各種材質的反射率不同，在應用於邊界環境量測時光形會呈現不規則形狀，故無法判斷離焦情形而影響聚焦能力，進而降低檢測的精確度與整體製程速度。

本揭露是有關於一種時序多光點自動聚焦裝置及方法，利用時序分光機制計算反射光束的重心，以得到被測物的位置。

根據本揭露之第一方面，提出一種時序多光點自動聚焦裝置，包括一光源、一透鏡、一時序分光模組、一聚焦元件以及一處理模組。光源用以產生一入射光束。柱狀鏡用以準直入射光束為一準直光束，入射光束相對於透鏡為一非對稱光束。時序分光模組用以將準直光束分為具時序性之多道子光束。聚焦元件用以聚焦這些子光束至一被測物。處理模組用以感測被測物對應這些子光束之多道反射光束的能量分佈，並據以計算這些反射光束的能量重心位置。

根據本揭露之第二方面，提出一種時序多光點自動聚焦方法，包括下列步驟。利用一光源以產生一入射光束。利用一透鏡以準直入射光束為一準直光束，入射光束相對於透鏡為一非對稱光束。利用一時序分光模組以將準直光束分為具時序性之多道子光束。利用一聚焦元件以聚焦這些子光束至一被測物。利用一處理模組以感測被測物對應這些子光束之多道反射光束的能量分佈，並據以計算這些反射光束的能量重心位置。

為了對本揭露之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉一實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：

本揭露所提出之時序多光點自動聚焦裝置及方法，提供一光源投射於被測物，並利用時序分光機制計算反射光束的重心，以推算得到被測物的位置。

本揭露提出一種時序多光點自動聚焦裝置，包括一光源、一透鏡、一時序分光模組、一聚焦元件以及一處理模組。光源用以產生一入射光束。柱狀鏡用以準直入射光束為一準直光束，入射光束相對於透鏡為一非對稱光束。時序分光模組用以將準直光束分為具時序性之多道子光束。聚焦元件用以聚焦這些子光束至一被測物。處理模組用以感測被測物對應這些子光束之多道反射光束的能量分佈，並據以計算這些反射光束的能量重心位置。

請參照第1圖，其繪示依照一實施範例之時序多光點自動聚焦裝置之結構示意圖。時序多光點自動聚焦裝置100包括一光源110、一光遮罩器120(非必要元件)、一透鏡130、一時序分光模組140、一聚焦元件150以及一處理模組160。光源110產生一入射光束10。光遮罩器120例如於X-方向遮擋入射光束10，使得入射光束10整形為為發散之一半圓光束20，如此一來，半圓光束20相對於透鏡130的中心(亦即系統光路軸心)而言為一非對稱光束。透鏡130例如為一柱狀透鏡，在此實施範例中，透鏡130將半圓光束20準直為一單軸準直光束30，使得光束在X-方向收斂為準直光，而在Y-方向則維持發散，故單軸準直光束30呈現狹長的一線形光束。

時序分光模組140將單軸準直光束30分為具時序性之多道子光束40。在本實施範例中茲舉時序分光模組140包括一分光元件142以及一分光鏡144為例做說明，然並不限制。分光元件142產生具時序性之多道子光束40。分光鏡144投射具時序性之這些子光束40於聚焦元件150上。聚焦元件150聚焦這些子光束40至一被測物170。處理模組160用以感測被測物170對應這些子光束40之多道反射光束50的能量分佈，並據以計算這些反射光束50的能量重心位置。

在上述之時序多光點自動聚焦裝置100中，由於半圓光束20在X-方向經過柱狀鏡130後被校正為單軸準直光束30，因此經過聚焦元件150之後會聚焦在被測物170上；另外，半圓光束20在Y-方向並未受到柱狀鏡130影響而維持本身的發散特性，因此經過聚焦元件150之後而投射在被測物170上會維持一定長度。因此，子光束40在被測物170上會形成狹長的一線形光斑。

處理模組160包括一聚焦鏡162、一光感測器164以及一處理單元166，然並不限於此。聚焦鏡162聚焦這些反射光束50。光感測器164配置於聚焦鏡162的焦點上，用以感測這些反射光束50的能量分佈。光感測器164例如為一一維感測器或一二維感測器。處理單元166用以依據這些反射光束50的能量分佈計算這些反射光束50的能量重心位置以判斷被測物170與聚焦元件150之離焦距離與離焦方向。

請參照第2圖，其繪示依照一實施例之被測物在不同位置下對應的反射光束之能量分佈之示意圖。當被測物170置於聚焦元件150的焦點時，反射光束50投射於光感測器164上之能量分布會呈現線形分佈。當被測物體170與聚焦元件150的距離縮短時，反射光束50投射於光感測器164上之能量分布則向左拉寬，因此能量重心位置會偏向於光感測器164之左方。當被測物體170與聚焦元件150的距離增加時，反射光束50投射於光感測器164上之能量分布則向右拉寬，因此能量重心位置會偏向於光感測器164之右方。因此，處理單元166可依據能量重心位置判斷被測物170與聚焦元件150之離焦距離與離焦方向。

請參照第3圖，其繪示依照一實施例之分光元件之一例之結構示意圖。分光元件142為具有多個開孔之一擋板，每一個開孔與擋板之旋轉中心的距離不同。因此，當分光元件142旋轉時，各個開孔會依序逐次掃過單軸準直光束30。開孔為單軸準直光束30可通過的部份，故當單軸準直光束30通過旋轉的分光元件142後會分光成時序不同的多個子光束40。

假定分光元件142具有N個平均分佈之開孔，並以旋轉週期T之速度進行旋轉。此時各個開孔通過單軸準直光束30之間隔時間為T/N。光感測器108於一第T1時間、一第(T1+T)時間、一第(T1+2T)時間、…會感測到在同一區域的能量重心位置。在本實施範例可進一步地去調整分光元件142的旋轉週期，使得各個區域的能量重心位置可被清楚區分而不會混淆。

如此一來，藉由時序分光之機制，光感測器180可使用成本較低的一維感測陣列取代傳統的二維感測陣列依時間順序分別計算出各區域的能量重心位置，可大幅提高能量重心位置的運算速度並降低成本。更進一步，處理單元166可依據多個能量重心位置取平均值，或是設定條件值過濾掉不適區域的能量重心位置，以進行運算得到離焦距離與離焦方向，故可提高聚焦精確度。

請參照第4圖，其繪示依照一實施例之分光元件之另一例之結構示意圖。分光元件142為具有一螺旋狀開孔202之擋板，螺旋狀開孔202之各部份與擋板之旋轉中心的距離不同，從上方沿順時針方向逐漸縮減。假定分光元件142以旋轉週期T之速度進行旋轉。光感測器108於一第T1時間、一第(T1+T)時間、一第(T1+2T)時間、…會感測到在同一區域的能量重心位置。

請參照第5圖，其繪示依照另一實施範例之時序多光點自動聚焦裝置之結構示意圖。時序多光點自動聚焦裝置200的結構類似於時序多光點自動聚焦裝置100，唯不同處在於透鏡130例如為一聚焦透鏡，在此實施範例中，透鏡130將半圓光束20準直為一雙軸準直光束35，半圓光束20相對於透鏡130的中心(亦即系統光路軸心)而言為一非對稱光束；此外，另一不同處為時序分光模組140包括一一維度掃描振鏡146。一維度掃描振鏡146在一軸上旋轉，使得將雙軸準直光束35依時間順序被輸出為這些子光束40。一維度掃描振鏡146實質上具一旋轉自由度使雙軸準直光束35於Y軸方向偏轉而在不同時間點被視為不同的子光束40。子光束40經由聚焦元件150而聚焦在被測物170上，並依時間順序而產生多個光點。

此外，在時序多光點自動聚焦裝置100及200的結構可更進一步省略光遮罩器120，只要打到透鏡130的光束為偏離系統光路軸心的光束即可。請參照第6圖及第7圖，第6圖繪示依照再一實施範例之時序多光點自動聚焦裝置之結構示意圖，第7圖繪示依照又一實施範例之時序多光點自動聚焦裝置之結構示意圖。時序多光點自動聚焦裝置600的結構類似於時序多光點自動聚焦裝置100，唯不同處在於光源110讓入射光束10的軸心偏離系統光路而直接打在透鏡130的上半部；時序多光點自動聚焦裝置700的結構類似於時序多光點自動聚焦裝置200，唯不同處在於光源110讓入射光束10的軸心偏離系統光路而直接打在透鏡130的上半部。此外，入射光束10不限定只打在透鏡130的上半部，亦可以大部分的入射光束10打在透鏡130的上半部，而剩下部分的入射光束10打在透鏡130的下半部。只要打到透鏡130的光束為偏離系統光路軸心的光束即可，如此一來，光感測器164即可以感測到光能量重心位置的偏移。

本揭露更提出一種時序多光點自動聚焦方法，包括下列步驟。利用一光源以產生一入射光束。利用一透鏡以準直入射光束為一準直光束，入射光束相對於透鏡為一非對稱光束。利用一時序分光模組以將準直光束分為具時序性之多道子光束。利用一聚焦元件以聚焦這些子光束至一被測物。利用一處理模組以感測被測物對應這些子光束之多道反射光束的能量分佈，並據以計算這些反射光束的能量重心位置。

上述時序多光點自動聚焦方法的運作原理已詳述於上述之時序多光點自動聚焦裝置100、200、600及700及相關內容中，故於此不再重述。

本揭露上述實施例所揭露之時序多光點自動聚焦裝置及方法，利用時序分光機制，將一入射光束分為時序不同的多道子光束投射至被測物上，並利用一光感測器依時序先後計算出各區域的光能量重心位置，以得到被測物的離焦方向與離焦距離。如此一來，可克服傳統單道光束易受邊界層影響之問題，並提高聚焦精確度，且光感測器元件僅需一維感測陣列，可提高光斑影像分析之運算速度，並進而減少聚焦時間。

綜上所述，雖然本發明已以多個實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

10．．．入射光束

20．．．半圓光束

30．．．單軸準直光束

35．．．雙軸準直光束

40．．．子光束

50．．．反射光束

100、200、600、700．．．時序多光點自動聚焦裝置

110．．．光源

120．．．光遮罩器

130．．．透鏡

140．．．時序分光模組

142．．．分光元件

144．．．分光鏡

146．．．一維度掃描振鏡

150．．．聚焦元件

160．．．處理模組

162．．．聚焦鏡

164．．．光感測器

166．．．處理單元

170．．．被測物

202．．．螺旋狀開孔

第1圖繪示依照一實施範例之時序多光點自動聚焦裝置之結構示意圖。

第2圖繪示依照一實施例之被測物在不同位置下對應的反射光束之能量分佈之示意圖。

第3圖繪示依照一實施例之分光元件之一例之結構示意圖。

第4圖繪示依照一實施例之分光元件之另一例之結構示意圖。

第5圖繪示依照另一實施範例之時序多光點自動聚焦裝置之結構示意圖。

第6圖繪示依照再一實施範例之時序多光點自動聚焦裝置之結構示意圖。

第7圖繪示依照又一實施範例之時序多光點自動聚焦裝置之結構示意圖。

10．．．入射光束

20．．．半圓光束

30．．．單軸準直光束

40．．．子光束

50．．．反射光束

100．．．時序多光點自動聚焦裝置

110．．．光源

120．．．光遮罩器

130．．．透鏡

140．．．時序分光模組

142．．．分光元件

144．．．分光鏡

150．．．聚焦元件

160．．．處理模組

162．．．聚焦鏡

164．．．光感測器

166．．．處理單元

170．．．被測物

Claims (19)

1. 一種時序多光點自動聚焦裝置，包括：一光源，用以產生一入射光束；一透鏡，用以準直該入射光束為一準直光束，該入射光束相對於該透鏡為一非對稱光束；一時序分光模組，用以將該準直光束分為具時序性之複數道子光束；一聚焦元件，用以聚焦該些子光束至一被測物；以及一處理模組，用以感測該被測物對應該些子光束之複數道反射光束的能量分佈，並據以計算該些反射光束的能量重心位置。
2. 如申請專利範圍第1項所述之時序多光點自動聚焦裝置，更包括：一光遮罩器，用以遮擋該入射光束為一半圓光束，使得該透鏡準直該半圓光束為該準直光束。
3. 如申請專利範圍第1項所述之時序多光點自動聚焦裝置，其中該透鏡為一柱狀透鏡，該準直光束為一單軸準直光束，且該時序分光模組包括：一分光元件，用以產生具時序性之該些子光束；以及一分光鏡，用以投射具時序性之該些子光束於該聚焦元件上。
4. 如申請專利範圍第3項所述之時序多光點自動聚焦裝置，其中該分光元件為具有複數個開孔之一擋板，每一個開孔與該擋板之旋轉中心的距離不同。
5. 如申請專利範圍第4項所述之時序多光點自動聚焦裝置，其中當該擋板之旋轉週期為T，則於一第T1時間、一第(T1+T)時間、一第(T1+2T)時間、…，該處理模組感測到在同一區域的能量重心位置。
6. 如申請專利範圍第3項所述之時序多光點自動聚焦裝置，其中該分光元件為具有一螺旋狀開孔之一擋板，該螺旋狀開孔之各部份與該擋板之旋轉中心的距離不同。
7. 如申請專利範圍第6項所述之時序多光點自動聚焦裝置，其中當該擋板之旋轉週期為T，則於一第T1時間、一第(T1+T)時間、一第(T1+2T)時間、…，該處理模組感測到在同一區域的能量重心位置。
8. 如申請專利範圍第1項所述之時序多光點自動聚焦裝置，其中該透鏡為一聚焦透鏡，該準直光束為一雙軸準直光束，且該時序分光模組包括一一維度掃描振鏡，該一維度掃描振鏡在一軸上旋轉，使得將該單軸準直光束依時間順序被輸出為該些子光束。
9. 如申請專利範圍第1項所述之時序多光點自動聚焦裝置，其中該處理模組包括：一聚焦鏡，用以聚焦該些反射光束；一光感測器，配置於該聚焦鏡的焦點上，用以感測該些反射光束的能量分佈；以及一處理單元，用以依據該些反射光束的能量分佈計算該些反射光束的能量重心位置以判斷該被測物與該聚焦元件之離焦距離與離焦方向。
10. 如申請專利範圍第9項所述之時序多光點自動聚焦裝置，其中該光感測器為一一維感測器或一二維感測器。
11. 如申請專利範圍第1項所述之時序多光點自動聚焦裝置，其中該處理單元依據該些能量重心位置取平均值，或是設定一條件值過濾掉該些能量重心位置，以進行運算得到該離焦距離與該離焦方向。
12. 一種時序多光點自動聚焦方法，包括：利用一光源以產生一入射光束；利用一透鏡以準直該入射光束為一準直光束，該入射光束相對於該透鏡為一非對稱光束；利用一時序分光模組以將該準直光束分為具時序性之複數道子光束；利用一聚焦元件以聚焦該些子光束至一被測物；以及利用一處理模組以感測該被測物對應該些子光束之複數道反射光束的能量分佈，並據以計算該些反射光束的能量重心位置。
13. 如申請專利範圍第12項所述之時序多光點自動聚焦方法，更包括：利用一光遮罩器以遮擋該入射光束為一半圓光束，使得該透鏡準直該半圓光束為該準直光束。
14. 如申請專利範圍第12項所述之時序多光點自動聚焦方法，其中該透鏡為一柱狀透鏡，該準直光束為一單軸準直光束，且該時序分光模組包括一分光元件及一分光鏡，該時序多光點自動聚焦方法更包括：利用該分光元件以產生具時序性之該些子光束；以及利用該分光鏡以投射具時序性之該些子光束於該聚焦元件上。
15. 如申請專利範圍第14項所述之時序多光點自動聚焦方法，其中該分光元件為具有複數個開孔之一擋板，每一個開孔與該擋板之旋轉中心的距離不同，該時序多光點自動聚焦方法更包括：以一旋轉週期T旋轉該擋板，使得該處理模組於一第T1時間、一第(T1+T)時間、一第(T1+2T)時間、…感測在同一區域的能量重心位置。
16. 如申請專利範圍第14項所述之時序多光點自動聚焦方法，其中該分光元件為具有一螺旋狀開孔之一擋板，該螺旋狀開孔之各部份與該擋板之旋轉中心的距離不同，該時序多光點自動聚焦方法更包括：以一旋轉週期T旋轉該擋板，使得該處理模組於一第T1時間、一第(T1+T)時間、一第(T1+2T)時間、…感測在同一區域的能量重心位置。
17. 如申請專利範圍第12項所述之時序多光點自動聚焦方法，其中該透鏡為一聚焦透鏡，該準直光束為一雙軸準直光束，且該時序分光模組包括一一維度掃描振鏡，該時序多光點自動聚焦方法更包括：利用該一維度掃描振鏡在一軸上旋轉，使得將該單軸準直光束依時間順序被輸出為該些子光束。
18. 如申請專利範圍第12項所述之時序多光點自動聚焦方法，其中該處理模組包括一聚焦鏡、配置於該聚焦鏡的焦點上之一光感測器以及一處理單元，該時序多光點自動聚焦方法更包括：利用該聚焦鏡以聚焦該些反射光束；利用該光感測器以感測該些反射光束的能量分佈；以及利用該處理單元以依據該些反射光束的能量分佈計算該些反射光束的能量重心位置以判斷該被測物與該聚焦元件之離焦距離與離焦方向。
19. 如申請專利範圍第18項所述之時序多光點自動聚焦方法，更包括：利用該處理單元依據該些能量重心位置取平均值，或是設定一條件值過濾掉該些能量重心位置，以進行運算得到該離焦距離與該離焦方向。