深度测量设备及方法技术

一种深度测量设备，其包括照明模块、分光镜、物镜、影像撷取模块、控制器和处理器。照明模块被配置为产生照明光束。分光镜和物镜设置在照明光束的光路上，且物镜被配置为将照明光束聚焦到形成在物体内的孔中。影像撷取模块被配置为在不同高度提取孔的影像。控制器耦合至照明模块和影像撷取模块。处理器耦合到控制器和影像撷取模块，且被配置为对由影像撷取模块提取的影像执行聚焦距离评估，以获得物体的两个表面之间的高度差。还提供了一种深度测量方法。法。法。

【技术实现步骤摘要】
深度测量设备及方法


[0001]本专利技术涉及深度测量设备及方法。

技术介绍

[0002]电子设备、计算器设备和通讯设备的持续发展已经提升半导体封装技术以及元件的小型化，因而得以在更小的印刷电路板(PCB)占位面积中集成更多的特征和功能。这促使了诸如高密度互连(High Density Interconnect,HDI)印刷电路板之类的技术的发展，在这些技术中，多层导电材料利用所谓金属化的通孔而相互连接。根据设计上的需求，通孔的直径可能落在50μm至500μm的范围内，其深度则落在20μm至6mm的范围内。因此，通孔的纵横比(AR)，亦称为高宽比(HWR)，落在2：1到40：1之间。除了金属化的通孔外，还存在通孔(through vias)、背钻通孔(back drilled vias)以及将在本专利技术中被简单地称为盲孔(blind hole)和贯孔(through hole)的其他类型通孔。需要在高精度下得知这些孔的深度，可能还需要测量孔的直径或探测孔的底部。但是，当孔的纵横比增加且直径减小时，孔的底部区域无法使用传统的照明方法进行适当的照明，上述的传统照明方法之一就是使用标准聚焦技术(standard focusing techniques)生成的高斯光束。实际上，使用标准聚焦技术生成的高斯光束的景深(Depth of Focus,DOF)可能不够大，无法到达孔的底部。尝试使用机器视觉检验系统(machine visions inspection system)中常见的高辐照度扩展光源则会导致孔底表面的对比度较低。此外，由于孔的顶面比底面接收更多的光，传感器的动态范围可能不足以提供正确的孔底影像。由于无法获得孔底表面的清晰影像，也无法利用对焦/失焦方法的变焦或测距来获得孔的深度，因而无法探测孔的底表面，也无法测量孔的底部的直径。这使得高密度互连印刷电路板的制造商难以确保高质量的产品。因此，亟需一种方法来测量具有高纵横比的孔以及窄直径的孔的深度，并提供通孔的底表面的影像。

技术实现思路

[0003]本专利技术的深度测量设备包括照明模块、分光镜、影像撷取模块、控制器和处理器。照明模块包括光源、准直组件和光束整形光学组件，并且被配置为产生照明光束。分光镜设置在照明光束的光路上。物镜设置在照明光束的光路上，并且被配置为将照明光束聚焦到形成在物体内的孔中。影像撷取模块包括物镜、套筒透镜、可调式透镜组件和影像传感器，且被配置为在不同高度提取孔的影像。控制器耦合至照明模块和影像撷取模块，其中，控制器被配置为控制照明模块和影像撷取模块。处理器耦合到控制器和影像撷取模块，并且被配置为对由影像撷取模块提取的影像执行聚焦距离评估，以便获得物体的两个表面之间的高度差。
[0004]本专利技术的深度测量方法使用上述深度测量设备。本专利技术的深度测量方法包括：在物体内形成的孔的第一表面附近的初始位置处设置第一工作距离；从第一工作距离开始以第一聚焦范围在孔上执行第一局部扫描；执行第一聚焦距离评估以便获得起始于初始位置的第一距离偏移；获得从孔的第一表面到初始位置的高度；利用相对的移动，在距离初始位
置一预期高度的位置处设置第二工作距离；自距离第二工作距离一间距的起始距离开始，以第二聚焦范围对孔执行第二局部扫描；执行第二聚焦距离评估以便获得起始于起始距离的第二距离偏移；获得从孔的第二表面到初始位置的高度；计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间的高度差，以便获得孔的实际深度。
[0005]下面详细描述附图的几个实施例，以进一步详细地描述本专利技术。
附图说明
[0006]图1示意性示出了根据本专利技术的一实施例的深度测量设备的方框图。
[0007]图2是图1的平移台上的光学系统的示意图。
[0008]图3A示意性示出了以根据本专利技术的一实施例的照明光束照射高纵横比的通孔。
[0009]图3B示意性示出了以根据本专利技术的一实施例的照明光束照射高纵横比的盲孔。
[0010]图4示意性示出了图3A或图3B的高纵横比孔与入射孔的照明光束之间的尺寸关系的示意图。
[0011]图5A至图5C、图6A以及图7示意性示出了可以在本专利技术的一实施例中使用的照明模块的示意图。
[0012]图6B示意性示出了根据本专利技术的一实施例的图6A的光圈滤光器的环形狭缝的示意性平面图。
[0013]图8示意性示出了根据本专利技术的一实施例的物镜的工作距离与照明光束的直径之间的关系曲线图。
[0014]图9是能够在本专利技术的一实施例中使用的影像撷取模块的示意图。
[0015]图10示意性示出了根据本专利技术的一实施例所施加的电性参数与图9的影像撷取模块的聚焦距离之间的关系曲线图。
[0016]图11示意性示出了根据本专利技术的一实施例的深度测量方法的流程图。
[0017]图12示意性示出了根据深度测量方法的一实施方式的用于测量高纵横比孔的深度的步骤的示意图。
[0018]附图标号说明：
[0019]1：深度测量设备；
[0020]10：光学系统；
[0021]12：控制器；
[0022]14：处理器；
[0023]16：平移台；
[0024]21、21a、21b：顶表面；
[0025]22a：中间层；
[0026]23：底表面；
[0027]100、100A、100B、100C、100D、100E：照明模块；
[0028]101、102、103、104、105、106、107、108、109：步骤；
[0029]110：光源；
[0030]120、120B：准直组件；
[0031]121：准直透镜；
[0032]122：发散透镜；
[0033]123：会聚透镜；
[0034]124、127：偏置透镜；
[0035]125、126、226：电控可调焦透镜；
[0036]130、130D、130E：光束整形光学组件；
[0037]131、133：锥透镜；
[0038]132、222、224：中继透镜；
[0039]134、135：光圈滤光器；
[0040]200：影像撷取模块；
[0041]210：套筒透镜；
[0042]220：可调式透镜组件；
[0043]230：影像传感器；
[0044]300：物镜；
[0045]400：分光镜；
[0046]Dha、dh、D1b、Dhb、Dlb
max
、Dh
max
、Dh
min
：直径；
[0047]d
expect
：预期深度；
[0048]L：光束；
[0049]LB：照明光束；
[0050]OBJ、20a、20b：物体；
[0051]W.D.：工作距离；
[0052]Zha、Zha、Zhb：深度；...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种深度测量设备，其特征在于，包括：照明模块，包括光源、准直组件以及光束整形光学组件，所述照明模块被配置为产生照明光束；分光镜，设置在所述照明光束的光路上；物镜，设置在所述照明光束的所述光路上，以便将所述照明光束转换为非衍射光束，并以便所述非衍射光束照亮形成在物体内的孔；影像撷取模块，包括所述物镜、套筒透镜、可调式透镜组件以及影像传感器，所述影像撷取模块被配置为在不同高度提取所述孔的影像；控制器，耦合至所述照明模块以及所述影像撷取模块，其中所述控制器被配置为控制所述照明模块以及所述影像撷取模块；以及处理器，耦合至所述控制器以及所述影像撷取模块，所述处理器被配置为对由影像撷取模块提取的影像执行聚焦距离评估，以获得所述物体的两个表面之间的高度差。2.根据权利要求1所述的深度测量设备，其特征在于，所述光源是同调光源或部分同调光源。3.根据权利要求1所述的深度测量设备，其特征在于，所述准直组件包括至少一准直透镜，以便准直由所述光源产生的光束。4.根据权利要求3所述的深度测量设备，其特征在于，所述准直组件还包括扩束器，且所述扩束器包括至少一可调透镜。5.根据权利要求1所述的深度测量设备，其特征在于，所述光束整形光学组件包括一对锥透镜以及设置在所述对锥透镜之间的中继透镜、或是所述光束整形光学组件包括一对光圈滤光器以及设置在所述对光圈滤光器之间的中继透镜、或是所述光束整形光学组件包括空间光调制器。6.根据权利要求5所述的深度测量设备，其特征在于，所述对锥透镜包括第一锥透镜以及第二锥透镜，且所述第一锥透镜、所述中继透镜、所述第二锥透镜以及所述物镜的后焦面之间的相对距离是可调的，以便至少改变所述照明光束的景深以及直径。7.根据权利要求1所述的深度测量设备，其特征在于，所述照明光束的最大直径小于或等于在所述孔的长度或深度上的所述孔的最小直径。8.根据权利要求1所述的深度测量设备，其特征在于，所述物镜、所述套筒透镜、所述可调式透镜组件以及所述影像传感器设置在被所述物体反射并透射所述物镜的光束的光路上，以便构成远心光学系统。9.根据权利要求8所述的深度测量设备，其特征在于，所述可调式透镜组件包括电控可调焦透镜和两个中继透镜，所述电控可调焦透镜设置在所述两个中继透镜之间，并且通过改变施加到所述电控可调焦透镜的电性参数的值来控制所述电控可调焦透镜的焦距。10.根据权利要求1所述的深度测量设备，其特征在于，所述分光镜是偏振分光镜，并且还包括四分之一波片。11.根据权利要求1所述的深度测量设备，其特征在于，还包括耦合至所述控制器的平移台，并且所述物体适于在深度测量期间被设置在所述平移台上。12.根据权利要求1所述的深度测量设备，其特征在于，所述处理器还被配置为执行所述影像撷取模块的校正。
13.根据权利要求12所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：安国律多，杨景瀚，
申请(专利权)人：财团法人工业技术研究院，
类型：发明
国别省市：