一种基于非相干光源多角度投射的差分光切线扫轮廓术的制作方法

1.本发明涉及三维光学检测技术领域，尤其涉及一种基于非相干光源多角度投射的差分光切线扫轮廓术，可以针对漫反射表面极微小对象进行高速高精度的三维检测。


背景技术：

2.在光学精密测量领域中针对漫反射表面极微小对象使用激光线扫描检测很有挑战，如晶圆凸块（bump）、芯片锡球（solder ball），表面贴装技术（smt）领域的锡膏、微型元件等。以晶圆bump为例，在先进封装中，晶圆上的bump将被用于 io 连接，其高度与共面性是确保可靠连接的关键。不够高的bump将不会被有效连接，而太高的bump则会阻止相邻bump的连接，甚至可能会在后续电性能测试过程中导致电测仪的损坏。因此对晶圆bump的三维检测是确保可靠连接的保障，也是晶圆级缺陷检测中最重要的事项。伴随着晶圆bump的日益微型密集化，bump间距在40微米以下的产品已经开始大规模量产，这类微型bump高度范围通常在 2-24 微米，直径在 15-25 微米，单片晶圆上的数量可高达500-1000万个之多。这些发展趋势都使得高速、精确地测量bump高度与共面性面临着越来越严苛的挑战。
3.基于激光的三角扫描法通过激光光源投射一条激光线于被测对象，并通过扫描提取因表面起伏而生成的相应的畸变轮廓的中心线并基于三角函数关系计算出高度信息。投射至被测对象表面线条粗细决定了测高精度，线条越细精度越高；长短则决定了检测速度，在能够充分利用工业相机纵向所有像素前提下，线条越长检测速度越快。但激光投射至高反射率对象表面会形成散斑，从而影响测高精度，迄今所有降低激光散斑的软硬件方法能够被应用到该细分领域的都会明显降低检测速度。
4.非相干光源替代激光光源方案可以克服激光散斑对测高精度与重复性的影响，但同等条件下无法做到像激光一样细长和明亮的投射线，其能够达到的精度和速度都非常受限。
5.三角测量的精度受到相机和光源夹角的影响，相机和光源的相对角度越大，检测的高度分辨率就越好。随着晶圆bump日益密集，过大的角度很容易产生阴影从而产生检测死角或者错误数据，但是晶圆bump顶部曲面轮廓完整的三维重建需要检测系统具有较大的检测角度范围。


技术实现要素：

6.本发明要实现针对漫反射表面极微小对象的高速高精度三维检测，如半导体封测领域晶圆bump、芯片solder ball，smt领域的锡膏、微型元件等。本发明是通过一种基于非相干光源多角度投射的差分光切线扫轮廓术，要实现该目的，具体如下。
7.s1、本发明提供了一种非相干线光源模块，利用一个高功率led点光源，可以是rgb-led，也可以是单色-led，用于双波长差分时，每颗rgb-led可选择其中一粒单色灯珠或多粒混合成所需波长，而单色-led则按所需波长对应选择即可，为了增加光的利用率，保证光源的视场角尽可能的小，需要在光源前面安装一个准直透镜，可以是凸透镜，双胶合透
镜，自由曲面透镜等单片透镜，也可以是能够达到类似效果的透镜组，光源需要放置在准直透镜的焦点上。
[0008] s2、本发明提供了一种非相干线光源模块，为了投射检测方案所需扫描线，采用狭缝投影的方式，通过点光源光线透过狭缝产生扫描线。
[0009] s3、本发明提供了一种非相干线光源模块，在狭缝后安装一个聚焦、整形光学器件，可以是如圆柱形透镜这样的单片透镜，也可以是能够达到类似效果的光学元件组合，该器件需要能够抑制通过狭缝的杂散光，在景深范围内保证投射线的聚焦效果，同时需要能够对线长的调制，线长跟随工作距离的增大而增大。 s4、本发明提供了一种非相干线光源差分模块，包含两个非相干线光源模块，这两个模块被设置为不同的波长和狭缝宽度，通过分光器来融合光束，合成后的光束通过镜头投射到对象表面，如果采用远心镜头可以提供一个较大的景深，同时保证线宽在景深范围内保持不变，相机捕获相应的图像，相机和光源的夹角需要平衡测高范围和测高精度，同时考虑较小阴影遮挡的影响，满足实际三维测量场景要求。
[0010]
s5、本发明提供了一种非相干双波长差分技术，该技术通过两个不同波长投射线宽相减，可以得到更狭长更清晰的线型，这需要对光源进行适当的调校和标定，以确保两条线的中心尽可能重叠的，相机和光源的夹角需要能够涵盖整个测高范围的图像，不会因为镜头的景深限制产生失焦，轮廓的计算采用三角测量轮廓术，公式如下:其中:
△
z代表测试的高度，
△
x代表投射线在水平方向的变化位移，β代表图像的放大倍率，θ代表光源和相机的角夹角。
[0011] s6、本发明提供了一种基于非相干双波长差分的取像模块，除了选用单个彩色工业相机，还提供了一种双黑白相机的取像模块，通过分光镜采用两个黑白工业相机同步取像可以提高精度，只需要同时配合加大 led 亮度确保不会因为分光装置而导致不得不增加工业相机取像的曝光时间就不会影响检测速度。
[0012]
两个黑白工业相机可以通过同步取像提高测高精度，也可以在不需要增加曝光时间的照明亮度下通过交替曝光取相提高检测速度。通过设置相机进行交替曝光取像，此时的整体的数据采集速度会突破单个工业相机最大帧率的限制，检测速度可以达到原来的两倍。
[0013] 本发明提供了一种基于非相干光源多角度投射的差分光切线扫轮廓术，该方法采用同轴或近似同轴的线光源模块进行投射，配合侧面多角度取像模块进行同步曝光取像，这样既可避免阴影遮挡，又可避免多次投射造成的检测速度的下降。 本发明提供了一种基于非相干光源多角度投射的差分光切线扫轮廓术，该方法采用同轴或近似同轴的取像模块进行曝光取像，配合侧面多角度线光源模块进行投射，这种方式虽然每次投射分别曝光取像，增加了数据采集的时间，但是不需要点云融合，数据处理简单，取像方便，成本较同轴方案更低。
[0014] s
10
、本发明提供了一种基于非相干光源多角度投射的差分光切线扫轮廓术，该方
法同时采用多角度投射和多角度取像，其线光源模块和取像模块被安装在多个不同角度位置，每一个取像模块可以拍摄任意一个线光源模块投射后图像，如果有m个线光源模块，n个取像模块，一共会有m*n个组合，线光源模块和取像模块呈一定的角度，夹角越大，高度分辨率越好，但是更容易收到阴影影响，像copper pillar bump（铜柱凸块）这类细长且分布密集的检测对象，会存在大量遮挡阴影，可以选用夹角小的投射-取像组合；像mirco solder bump（微小凸块）这类微小检测对象同时如果分布不是很密集的情况下，阴影影响大不，更加追求测高精度，可以使用夹角大的投射-取像组合，根据实际情况可以同时启用或者选择性的启用不同的模块，可以提高装置的泛用性。
附图说明
[0015]
图1为本发明提供的一种非相干线光源模块示意图。
[0016]
图2为本发明提供的一种基于双波长差分的投射，双侧取像装置示意图。
[0017]
图3为本发明提供的一种双波长差分光强分布图。
[0018]
图4为本发明提供的一种结合同轴或近似同轴的投射和侧面多角度取像的装置示意图。
[0019]
图5为本发明提供的一种结合同轴或近似同轴的取像和侧面多角度投射的装置示意图。
[0020]
图6为本发明提供的一种结合多角度投射和多角度取像的装置示意图。
[0021]
附图标记说明 10：高功率led点光源；11：准直透镜；12：狭缝；13：聚焦、整形光学器件；14：物面；20：双波长差分模块；200a、200b：两种波长的线光源模块；201：分光镜；202：远心镜头；21、22：两种角度的双相机取像模块；210a、210b：两种不同角度的黑白相机；211：分光镜；212：远心镜头；220a, 220b：两种不同角度的相机；221：反光镜；222：远心镜头；30：波长1的光强分布曲线；31：波长2的光强分布曲线；32：差分后的光强分布曲线；40：同轴或近似同轴线光源模块；41、42、43、44、45、46： 多角度取像模块；50：同轴或近似同轴取像模块；51、52、53、54、55、56：多角度线光源模块；60、62、64、66：多角度线光源模块；61、63、65、67：多角度取像模块；68：角度1；69：角度2。
具体实施方式
[0022]
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明，以详细说明本发明的技术方案。
[0023]
s1、本发明提供了一种非相干线光源模块，类似于附图1所示：利用一个高功率led点光源10，可以是rgb-led，也可以是单色-led，用于双波长差分时，每颗rgb-led可选择其中一粒单色灯珠或多粒混合成所需波长，而单色-led则按所需波长对应选择即可，为了增加光的利用率，保证光源的视场角尽可能的小，需要在光源前面安装一个准直透镜11，可以是凸透镜，双胶合透镜，自由曲面透镜等单片透镜，也可以是能够达到类似效果的透镜组，光源需要放置在准直透镜的焦点上。 s2、本发明提供了一种非相干线光源模块，类似于附图1所示：为了投射检测方案所需扫描线，采用狭缝12投影的方式，通过点光源光线透过狭缝产生扫描线。
[0024] s3、本发明提供了一种非相干线光源模块，类似于附图1所示：在狭缝后安装一个聚焦、整形光学器件13，可以是如圆柱形透镜这样的单片透镜，也可以是能够达到类似效果的光学元件组合，该器件需要能够抑制通过狭缝的杂散光，在景深范围内保证投射线的聚焦效果，同时需要能够对线长的调制，线长跟随工作距离的增大而增大。
[0025]
s4、本发明提供了一种非相干线光源差分模块，类似于附图2所示：包含两个非相干线光源模块200a，200b，这两个模块被设置为不同的波长和狭缝宽度，通过一个的分光器201来融合光束，合成后的光束通过镜头投射到对象表面，可以采用远心镜头202可以提供一个较大的景深，同时保证线宽在景深范围内保持不变，相机捕获相应的图像，相机和光源的夹角需要平衡测高范围和测高精度，同时考虑较小阴影遮挡的影响，满足实际三维测量场景要求。 s5、本发明提供了一种非相干双波长差分技术，类似于附图3所示：该技术通过两个不同波长投射线宽相减30,31，可以得到更狭长更清晰的线型32，这需要对光源进行适当的调校和标定，以确保两条线的中心尽可能重叠的，相机和光源的夹角需要能够涵盖整个测高范围的图像，不会因为镜头的景深限制产生失焦，轮廓的计算采用三角测量轮廓术，公式如下:其中:
△
z代表测试的高度，
△
x代表投射线在水平方向的变化位移，β代表图像的放大倍率，θ代表光源和相机的角夹角。
[0026] s6、本发明提供了一种基于非相干双波长差分的取像模块，除了选用单个彩色工业相机，还提供了一种双黑白相机的取像模块，类似于附图2所示：通过分光镜采用两个黑白工业相机210a，210b同步取像可以提高精度，只需要同时配合加大 led 亮度确保不会因为分光装置而导致不得不增加工业相机取像的曝光时间就不会影响检测速度。
[0027] s7、两个黑白工业相机可以通过同步取像提高测高精度，也可以在不需要增加曝光时间的照明亮度下通过交替曝光取相提高检测速度。通过设置相机进行交替曝光取像，此时的整体的数据采集速度会突破单个工业相机最大帧率的限制，检测速度可以达到原来的两倍。
[0028] s8、本发明提供了一种基于非相干光源多角度投射的差分光切线扫轮廓术，类似于附图4所示：该方法采用同轴或近似同轴的线光源模块进行40投射，配合侧面多角度取像模块41 ~ 46进行同步曝光取像，这样既可避免阴影遮挡，又可避免多次投射造成的检测速度的下降。 s9、本发明提供了另一个实施实例，类似于附图5所示：该方法采用同轴或近似同轴的取像模块50进行曝光取像，配合侧面多角度线光源模块51 ~ 56进行投射，这种方式虽然每次投射分别曝光取像，增加了数据采集的时间，但是不需要点云融合，数据处理简单，取像方便，成本较同轴方案更低。
[0029] s
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、本发明提供了另一个实施实例，类似于附图6所示：该方法同时采用多角度投射和多角度取像，其线光源模块和取像模块被安装在多个不同角度位置，每一个取像模块可以拍摄任意一个线光源模块投射后图像，如果有m个线光源模块，n个取像模块，一共会有m*n个组合，线光源模块和取像模块呈一定的角度，夹角越大，高度分辨率越好，但是更容易
收到阴影影响，像copper pillar bump（铜柱凸块）这类细长且分布密集的检测对象，会存在大量遮挡阴影，可以选用相对角度68比较小的投射-取像组合，如60，61；像mirco solder bump（微小凸块）这类微小检测对象同时如果分布不是很密集的情况下，阴影影响大不，更加追求测高精度，可以使用相对角度比较大的69的投射-取像组合，如60，67，根据实际情况可以同时启用或者选择性的启用不同的模块，可以提高装置的泛用性。
[0030] 综上所述，提出了一种基于非相干光源多角度投射的差分光切线扫轮廓术，该方法首先提出了一种基于非相干线光源模块及其实现光路代替原来的传统激光，可以解决激光投射至高反射率对象表面容易产生散斑从而降低测高精度问题；然后基于该模块提出了双波长差分模块及其实现光路，可以投射出更加细长和明亮的扫描线，用于提高检测速度和精度；最后集成多角度投射和多角度取像模块，可以有效避免阴影遮挡问题，能够对类似bump、solder ball等极微小对象进行精确完整的三维重建。
[0031]
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。