高速自动聚焦系统技术方案

一种用于使用高数值孔径(NA)光学器件，使用智能图像分析来断定最佳聚焦，来优化部件的检查高速光学检查的方法和设备，该方法和设备利用非常有限的景深透镜来实现优越的信噪比、分辨率、和检查速度性能。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】高速自动聚焦系统
本专利技术大体涉及电子部件的光学检查，并且更具体地涉及用于在这样的光学检查中使用的自动聚焦系统。
技术介绍
诸如晶片、电路板、平板显示器、多芯片模块、和高密度电子封装的电子部件的光学检查需要使用高分辨率光学器件来检测部件中的小缺陷。此外，在整个检查期间，必须保持高分辨率光学器件部分处于聚焦状态以查看缺陷。图1为在扫描方向1-2和相对于扫描方向而言的正交方向两者上具有表面高度Z的变化的部件1-1的示例。最近引进的具有嵌入管芯的电路板为这样的部件的示例，并且因为被成像的表面经受由放置在基板层上和在基板层之间的嵌入管芯或电路引起的高度变化和所识别的基板本身将变卷曲的特性，所以该电路板被识别为难以被成像。图1有助于理解当需要现有技术设备来对各种部件中的缺陷成像时存在的问题。在现有技术中，未示出的相机在部件的表面上面在扫描方向1-2上扫描。由于扫描对诸如图1中所示的横向于扫描方向1-2的区域成像，所以由相机拍摄的图像必定处于聚焦状态。图1中所示的部件具有由箭头1-3所示的必定在相机光学器件的景深内的高度变化范围。利用现有技术成像设备，为相机选择的特定焦点能够任意地在部件的顶部1-5或在底部1-6或在任意中间位置处。据此，成像光学器件的光学器件设计设定了需要的景深，该景深优选地为如由描绘将覆盖高度变化的范围的深度的箭头1-7和1-8所示的部件的顶部1-5和底部1-6之间的距离的两倍。然而，如已知的和稍后更详细地描述的，光学器件系统的景深还确定图像的分辨率。这样的分辨率常常限制图像质量，这将妨碍对部件中的小缺陷的检测。为了对部件检查缺陷，频繁地使用相机来以如由图2中的连续的条A至E所图示的蛇形图案扫描部件。相机的视场的宽度由矩形2-1表示。已经描述本领域中的各种技术来在这样的检查期间维持聚焦。授予Bishop的美国专利No.7,015,445“MethodforOptimizingInspectionSpeedinLow,andFluorescentLightApplicationswithoutSacrificingSignaltoNoiseRatio,Resolution,orFocusQuality”描述了在扫描部件时使用三角测量传感器来维持成像光学器件和该部件之间的恒定距离。图3示出具有倾角θ的波状部件3-1、成像光学器件3-2和成像相机3-3。在扫描部件时，使成像光学器件3-2和成像相机3-3作为一个单元升高和降低，以将部件的表面保持在成像光学器件的光学景深3-4内。从概念上讲，能够移动部件、光学器件、或光学器件与相机的组合体以维持聚焦。图4示出使用具有光源4-1、照射束4-2和位置传感器4-3的三角测量传感器。三角测量传感器在相机前面扫描，如由箭头4-4所指示。光束4-5撞击位置传感器的位置指示离部件4-6的距离。在该图4中，成像相机光学器件具有景深(DOF)4-7。该距离测量在反馈回路中被用来将成像光学器件或部件相对于彼此机械地移动以维持聚焦。图5示出到位置传感器5-1上的束的位置如何作为到部件的距离的函数来移动。在由表面5-3、5-4、和5-5表示的不同的距离处的三个表面分别被投射到在位置5-3'、5-4'和5-5'处的传感器5-1上。这些距离测量值在反馈回路中使光学头或部件作为所测量的高度的函数移动以维持聚焦。对于这些聚焦方法，存在两个限制。首先，如果图4中的照射束4-2在材料边界处撞击部件，则距离测量值可能是不正确的。参照图6并且具体地参照图6A，当来自三角测量传感器的光束6-1撞击高反射材料6-2时，整个照射斑6-3位于材料6-2上。该斑的图像在传感器6-5上产生对称的有形束6-4。如果在传感器下方的材料现在改变，则在将部件扫描到由图6B中的6-6表示的具有较低反射率的材料时，由6-7表示的较低度空间对称斑被投射到传感器6-5上。只要投射斑6-7和6-4为空间对称的，代表到部件的距离的斑的质心就将是相同的，并且将计算正确的聚焦距离。然而，如果照射斑6-3如在图6C中落在材料边界上，则它在高反射材料6-2和较低反射材料6-3之间展开。在这种情况下，投射到传感器上的斑将不对称，并且因为斑的质心不再代表到部件的正确距离，当正确的距离应为6-7时，到部件的距离将被不正确地计算为6-8。其次，在图7中，具有成像光学器件7-2的成像相机7-1沿着Z轴7-3在聚焦方向上移动以维持离部件7-4的表面的恒定距离，而在部件在Y方向上被扫描时，聚焦距离被动态地调节。整个成像相机的聚焦距离基于沿着扫描方向上的窄线的一系列单点测量值。不取垂直于扫描方向的测量值。这暗示跨相机的宽度，或图2所示的每个已扫描的条A-E的宽度，表面上的所有特征必定位于由图3中的箭头3-4指示的成像光学器件的光学景深内。如将明显的，不在景深内的任意特征将处于焦点未聚焦状态。在部件被扫描时，聚焦测量单元可以经过部件上的高或低特征。可以基于到高特征的距离来计算一些聚焦距离，而可以基于离低特征的距离来计算其它聚焦距离。这暗示在当计算聚焦测量值的时候，成像光学器件的光学景深必须足够大以确保适当的聚焦，无论在聚焦测量单元下方是高特征还是低特征。仅基于沿着扫描方向上的线的测量值来计算聚焦将具有这种局限性，无论获取了多少测量值，计算该计算有多快，具体的测量方法或测量装置的类型。优选的器件是单点三角测量传感器；取决于要由检查设备提供的性能标准，可以以单点共焦传感器、单点电容性传感器等替代。为了使当前聚焦跟踪技术正常运转，由图8中的箭头8-1指示的成像光学器件的焦深必须足够大以保证可以被用来计算聚焦距离的所有可能的特征高度的聚焦。重要的是注意图8表示垂直于机械扫描方向的X轴中的部件的表面。图8还表示投射到如由图2中的块2-1表示的线性CCD扫描相机的长轴上的图像。不幸地，严格要求此种大景深限制了检查系统的空间分辨率和缺陷检测能力。更具体地，光学焦深(DOF)由以下方程式给出：并且，分辨率由以下方程式给出：其中：λ＝成像到相机上的光的波长，并且NA＝成像光学器件的数值孔径。如已知的和由前述关系证明的，大焦深(DOF)要求小数值孔径(NA)，而高分辨率要求大数值孔径。随着(NA)变得越来越小，到达成像相机的光的水平也减小，并且这影响最终图像中的对比度。这些标准对部件的检查施加限制，这会妨碍具有大焦深和高分辨率两者的成像光学器件的构造。如将明显的，如果正被检查的部件必须停留在聚焦状态，则当前检查系统牺牲成像光学器件的分辨率，这由此固有地限制检测小缺陷的能力。表1为一系列可从ZeissCorporation商购的透镜。该表列出各个透镜的焦深、数值孔径、分辨能力、光收集系数、光收集锥角、工作距离放大率和部件编号。注意，具有0.035的NA的1.25X透镜具有229微米的焦深，而具有0.50的NA的20X透镜具有1.1微米的焦深。不幸地，除非在检查相机的视场中的所有特征的高度变化小于1.1微米，否则不能使用20X0.5NA透镜来检查部件。因此，许多检查系统被迫使用低NA光学器件来维持聚焦并且不能检查需要高放大率和高分辨率的非常小的特征。
技术实现思路
因此，本专利技术的目的是提供用于提供使得部件上的特征在部件检查期间基于它们的高度被识别并且之后被聚焦成为本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于通过利用具有成像光学器件的成像相机来拍摄部件的不同的像场的多个图像来检查所述部件的方法，所述成像光学器件具有固定的分辨率和景深，其中，所述部件的表面的特征在于在给定像场内的高度变化，并且其中，所述图像光学器件景深具有的值使得聚焦在所述给定像场中的任意点上都无法保证整个对应的图像将处于聚焦状态，所述方法包括以下步骤：A)在给定像场的多个位置处对所述部件表面的高度进行采样，其中，所述采样间隔足够小以确定在所述像场内的所述表面的高度变化的范围，B)基于给定像场的采样高度来为每个图像确定所述成像光学器件或成像相机的聚焦位置，使得在所述像场中的所有感兴趣的表面将在所述成像光学器件的景深内，以及C)将所述成像光学器件移动至所述给定像场的聚焦位置，以此所述图像跨所述像场将处于聚焦状态。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2011.10.17 US 61/547,916;2012.10.15 US 13/651,5831.一种用于通过利用具有成像光学器件的成像相机来拍摄部件的不同的像场的多个检查图像来检查所述部件的方法，所述成像光学器件具有固定的分辨率和景深，其中，所述部件的表面的特征在于在给定像场内的高度变化，并且其中，所述图像光学器件景深具有的值使得聚焦在所述给定像场中的任意点上都无法保证整个对应的图像将处于聚焦状态，所述方法包括以下步骤：A)在扫描操作期间以及在所述成像相机以不与第一频率干涉的第二频率响应于照射的操作期间，基于使用聚焦相机在所述第一频率接收的对于给定像场的照射，获得部件表面的高度变化图像数据，其中在所述扫描操作中，沿着扫描轴，从相对于所述成像光学器件的第一位置到相对于成像对象的第二位置，所述部件被扫描，B)在给定像场的多个位置处对所述部件表面的高度变化图像数据进行采样，其中，在所述给定像场的指定区域内执行所述采样，以确定在所述给定像场内的所述表面的高度变化的范围，C)基于高度变化的范围来为每个检查图像确定所述成像光学器件的聚焦位置，使得在所述给定像场中的高度变化的范围内的表面将在所述成像光学器件的景深内，以及D)将所述成像光学器件移动至所述给定像场的聚焦位置，以此由所述成像相机获得的检查图像跨所述给定像场将处于聚焦状态，并且所述聚焦相机获得所述扫描操作期间的下一图像场的所述部件的高度变化图像数据。2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述成像相机在扫描方向上扫描所述部件的表面，并且所述检查图像的大小被调节，以此所述检查图像中的高度变化范围将在所述成像光学器件的景深内。3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述成像相机沿着最大宽度的相邻的平行条扫描所述部件，并且所述采样包括使用大小减小操作，所述大小减小操作改变将由所述成像相机获得的图像的宽度，以此所述条中的高度变化范围将在所述成像光学器件的景深内。4.根据权利要求1-3的任意一项所述的方法，其中，所述成像相机包括线性电荷耦合器件。5.根据权利要求1-3的任意一项所述的方法，其中，所述成像相机包括延时和集成电荷耦合器件。6.根据权利要求1-3的任意一项所述的方法，其中，所述第一频率在红外带中。7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述第二频率在可见光带中。8.根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗伯特·毕晓普，蒂莫西·平克尼，
申请(专利权)人：斯特拉联合有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国;US