TW201937225A - 用於光學成像系統中之自動聚焦之範圍區別器 - Google Patents

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Abstract

一種用於自動聚焦的範圍區別器，所述範圍區別器包括：圖像產生器，提供在各種物理深度處的場景的圖像；深度區別器，將圖像的在低於預定閥值的深度處的部分區分開，而無論所述部分的形狀如何，並提供深度區別圖像；以及焦距確定器，基於所述深度區別圖像來確定焦距。

Description

用於光學成像系統中之自動聚焦之範圍區別器
優先權聲明
參照在2018年2月25日提出申請且名稱為“光學成像系統中用於自動聚焦的範圍區別器（RANGE DIFFERENTIATORS FOR AUTO-FOCUSING IN OPTICAL IMAGING SYSTEMS）”的美國臨時專利申請第62/634,870號，所述專利申請的公開內容以引用方式併入本文，且因此主張其優先權。
本發明涉及光學成像系統，且更具體來說涉及光學成像系統中用於自動聚焦的系統及方法。
用於光學成像系統中的各種類型的自動聚焦系統在所屬技術領域中是已知的。
本發明提供與深度範圍區別有關的系統及方法以在光學成像系統中用於自動聚焦。
因此根據本發明提供一種用於自動聚焦的範圍區別器（range differentiator），所述範圍區別器包括：圖像產生器，提供在各種物理深度處的場景的圖像；深度區別器，將所述圖像在低於預定閥值的深度處的部分區分開，而無論所述部分的形狀如何，並提供深度區別圖像；以及焦距確定器（focus distance ascertainer），基於所述深度區別圖像來確定焦距。
根據本發明的優選實施例，所述圖像產生器包括用於在獲取所述圖像期間對所述場景進行照明的特徵特定照明器（feature specific illuminator）。另外，所述深度區別器可操作在由所述特徵特定照明器的照明下，基於所述圖像在低於所述預定閥值的深度處的部分與所述圖像的在所述預定閥值或高於所述預定閥值的深度處的部分之間的光學性質差異，而將所述圖像在低於所述預定閥值的深度處的部分與所述圖像在所述預定閥值或高於所述預定閥值的深度處的部分區分開。
根據本發明的優選實施例，所述特定特徵照明器包括紫外線照明源，且所述深度區別器可操作以基於所述圖像的所述部分之間的螢光差異而將所述圖像的所述部分區分開。作為另外一種選擇，所述特徵特定照明器包括暗場照明源及亮場照明源，且所述深度區別器可操作以基於所述圖像的所述部分之間的反射率差異而將所述圖像的所述部分區分開。
優選地，所述焦距確定器可操作以基於以下中的一個來確定所述焦距：所述圖像在低於所述預定閥值的深度處的所述部分、以及所述圖像在所述預定閥值或高於所述預定閥值的深度處的所述部分。
根據本發明的優選實施例，所述範圍區別器還包括圖像聚焦分析器（image focus analyzer），所述圖像聚焦分析器可操作以基於所述圖像為所述預定閥值或高於所述預定閥值的深度處的部分來提供聚焦評分（focus score），且所述焦距確定器可操作以基於所述聚焦評分來確定所述焦距。另外，所述圖像聚焦分析器包括照明器，所述照明器用於通過照明對所述場景進行照明，以用於增強所述圖像在所述預定閥值或高於所述預定閥值的深度處的所述部分的成像紋理（imaged texture）。另外，所述照明器包括暗場照明器。作為另外一種選擇，為與所述部分的形狀無關地指派所述聚焦評分。根據本發明的優選實施例，為與所述圖像的在所述預定閥值或高於所述預定閥值的深度處的所述部分對應的每個圖元（pixel），單獨地指派所述聚焦評分。
優選地，所述圖像在所述預定閥值或高於所述預定閥值的深度處的所述部分是機器可識別的。
根據本發明的優選實施例，所述圖像產生器包括照相機，且所述深度區別圖像包括所述場景的二維圖像。或作為另外一種選擇，所述圖像產生器包括全光照相機（plenoptic camera），且所述深度區別圖像包括所述場景的三維圖像。根據本發明的優選實施例，所述特徵特定照明器包括暗場照明器。
根據本發明的優選實施例，所述圖像產生器包括將重複圖案投射到所述場景上的投影儀，且所述深度區別器包括相位分析器，所述相位分析器可操作以分析所述重複圖案的相移並基於所述相移匯出所述物理深度的圖，所述圖形成所述深度區別圖像。另外，所述焦距確定器可操作以基於所述物理深度中的至少一個來確定所述焦距。
根據本發明的優選實施例，所述重複圖案包括正弦重複圖案及二元重複圖案中的至少一種。另外，所述重複圖案具有足夠低的空間頻率，使得所述相位分析器可操作以使所述相移與所述物理深度唯一地相關。或作為另外一種選擇，所述物理深度的所述圖是二維圖及三維圖中的一個。
根據本發明的另一優選實施例，還提供一種用於自動聚焦的範圍區別器，所述範圍區別器包括：圖像產生器，提供在各種物理深度處的場景的圖像；深度區別器，將所述圖像在低於預定閥值的深度處的部分區分開；圖像聚焦分析器，可操作以基於所述圖像在所述預定閥值或高於所述預定閥值的深度處的部分來提供聚焦評分；以及焦距確定器，基於所述聚焦評分來確定焦距。
根據本發明的優選實施例，所述圖像產生器包括用於在獲取所述圖像期間對所述場景進行照明的特徵特定照明器。另外，所述特徵特定照明器包括紫外線照明源，且所述深度區別器基於所述圖像的部分之間的螢光差異將所述圖像的所述部分區分開。作為另外一種選擇，所述特徵特定照明器包括組合的暗場及亮場照明器，且所述深度區別器基於所述圖像的部分之間的反射率差異將所述圖像的所述部分區分開。
根據本發明的優選實施例，所述圖像聚焦分析器包括照明器，所述照明器用於對所述場景進行照明，以用於增強所述圖像在所述預定閥值或高於所述預定閥值的深度處的所述部分的成像紋理。另外，所述照明器包括暗場照明器。或作為另外一種選擇，所述照明器與所述特徵特定照明器共用至少一個共用照明元件。
根據本發明的優選實施例，為與所述部分的形狀無關地指派所述聚焦評分。或作為另外一種選擇，為與所述圖像在所述預定閥值或高於所述預定閥值的深度處的所述部分對應的每個圖元，單獨地指派所述聚焦評分。
優選地，所述圖像在所述預定閥值或高於所述預定閥值的深度處的所述部分是機器可識別的。
根據本發明的再一優選實施例，還提供一種用於自動聚焦的範圍區別器，所述範圍區別器包括：目標識別器，包括使用者介面，所述使用者介面使使用者能夠識別圖像中的物體的機器可識別特徵；特徵檢測器，可操作以識別圖像中的所述機器可識別特徵的至少一次出現而無論所述特徵的形狀如何；以及焦距確定器，確定到所述機器可識別特徵的焦距。
優選地，所述範圍區別器還包括用於在獲取所述圖像期間對所述物體進行照明的特徵特定照明器。
根據本發明的優選實施例，所述特徵特定照明器包括紫外線照明源，且所述特徵識別器基於其螢光來識別所述機器可識別特徵。作為另外一種選擇，所述特徵特定照明器包括組合的暗場及亮場照明器，且所述特徵識別器基於其反射率來識別所述機器可識別特徵。
根據本發明的優選實施例，範圍確定器包括照明器，所述照明器用於對所述物體進行照明，以增強所述圖像中的所述物體的所述特徵的成像紋理。另外，所述照明器包括暗場照明器。
優選地，所述照明器與所述特徵特定照明器共用至少一個共用照明元件。
根據本發明的優選實施例，所述物體的所述特徵包括導電特徵。另外，所述物體的所述特徵包括位於所述導電特徵中的凹痕。
根據發明的又一優選實施例，再進一步提供一種用於自動聚焦的範圍區別器，所述範圍區別器包括：第一圖像產生器，包括第一成像模態並提供在各種物理深度處的場景的第一圖像；深度區別器，將所述第一圖像的在低於預定閥值的深度處的部分區分開，並提供深度區別圖像；以及焦距確定器，基於所述深度區別圖像來確定焦距；以及第二圖像產生器，包括第二成像模態，並提供在所述焦距處自動聚焦的所述場景的第二圖像。
根據本發明的優選實施例，所述第一成像模態包括組合的亮場及暗場照明，且所述第二成像模態包括暗場照明。另外，所述第二圖像產生器包括全光照相機。
根據本發明的優選實施例，所述第一成像模態包括暗場照明，且所述第二成像模態包括組合的亮場及暗場照明。另外，所述第一圖像產生器包括全光照相機。
根據本發明的又一優選實施例，再進一步提供一種用於自動聚焦的範圍區別器，所述範圍區別器包括：投影儀，將重複圖案投射到包括各種物理深度的特徵的物體上；感測器，獲取上面投射有所述重複圖案的所述物體的圖像；相位分析器，分析所述重複圖案的相移，並基於所述相移匯出所述特徵的所述物理深度的圖；以及聚焦分析器，確定到所述特徵中的至少一個的焦距。
根據本發明的優選實施例，所述重複圖案包括正弦重複圖案及二元重複圖案中的至少一種。另外或作為另外一種選擇，所述重複圖案具有足夠低的空間頻率，使得所述相位分析器可操作以使所述相移與所述物理深度唯一地相關。
優選地，所述物理深度的所述圖是二維圖或三維圖中的一個。
現在參照圖1，圖1是根據本發明優選實施例而構造並可操作的包括自動聚焦功能的光學成像系統的簡化圖；並且參照圖2，圖2是圖1所示類型的系統的元件的簡化方塊圖。
如在圖1及圖2中所見，提供光學成像系統100，光學成像系統100優選地包括安裝在底架104上的光學成像頭102。底架104優選地包括適於在其上放置待成像的物體108的工作臺106。光學成像系統100優選地可操作以提供物體108的圖像，例如用於對物體108進行檢查或處理。
物體108優選地是包括在多於一個物理深度處的物理特徵的非平面物體。此處，舉例來說，物體108被示出實施為包括非導電襯底109的印刷電路板（printed circuit board；PCB），非導電襯底109上形成有金屬跡線110，金屬跡線110可嵌入襯底109的表面中或可相對於襯底109的表面突出。然而，應理解，光學成像頭102可用於獲取具有在多於一個物理高度或深度處的物理特徵的任何合適的目標或場景的圖像，包括但不限於印刷電路板、晶圓晶片、組裝的印刷電路板、平板顯示器及太陽能晶片。
在一些情況下，可能期望產生物體108中所包括的感興趣的特徵的聚焦圖像，所述感興趣的特徵相對於物體108的其他特徵位於不同的物理高度或深度處。例如，在物體108的情況下，可能期望產生其中金屬跡線110進行對焦以用於對金屬跡線110進行檢查的圖像。本發明的優選實施例的特別的特徵是光學成像系統100包括範圍區別器120，範圍區別器120提供深度區別圖像且因此能夠對感興趣的特徵（例如金屬跡線110）自動聚焦，而無論感興趣的特徵與其他特徵（例如襯底109）之間的物理深度差異如何。此外，這種自動聚焦可通過範圍區別器120來實現，而無論感興趣的特徵的形狀如何。
如在圖2中最清楚所見，範圍區別器120優選地包括圖像產生器，所述圖像產生器可操作以提供在各種物理深度處的場景的圖像，此處例如實施為包括用於物體108進行照明的照明模組122。由照明模組122提供的照明優選地通過可移動透鏡部分124朝向物體108引導，所述可移動透鏡部分124優選地安裝在由控制器128控制的平移平臺126上。從物體108發出的光優選地通過可移動透鏡部分124朝向照相機感測器130引導，所述照相機感測器130優選地耦合到處理器132。
範圍區別器120優選在兩種模式中操作。在範圍區別器120的第一操作模式中，物體108優選地由照相機感測器130在以下照明條件下成像，其中感興趣的特徵與物體108的物理深度不同於感興趣的特徵的其他特徵清楚地區分開。這種成像優選地在照相機感測器130對物體108進行初始粗略聚焦之後實施，以使得由此獲取的圖像進行足夠好的對焦以用於後續處理。
將感興趣的特徵與物體108的物理深度不同於感興趣的特徵的其他特徵清楚地區分開的照明可被稱為特徵特定照明，且可由包括在照明模組122中的特徵特定照明器140提供。此處，例如，特徵特定照明器140被示出實施為紫外線（UV）光源，其優選地提供波長小於或等於大約420 nm的非常短的波長照明。
在由特徵特定照明器140提供的紫外線照明下，非導電襯底109發螢光，而金屬跡線110不發螢光。在圖3A中示出在紫外線特徵特定照明條件下得到的襯底109及襯底109上的金屬跡線110的例示性圖像。如在圖3A中所見，非導電襯底109由於其螢光而具有亮的外觀，而金屬跡線110具有暗的外觀。因此，在圖3A所示圖像中，非導電襯底109與金屬跡線110清楚地區分開。此外，由於襯底109的螢光，可位於襯底109的表面之下的物體108的附加特徵被掩蔽且因此不出現在圖3A所示圖像中，從而簡化後續影像處理。
在產生初始特徵特定圖像（例如圖3A所示圖像）之後，優選地產生帶標籤圖像或分割圖像，所述分割圖像是基於初始特徵特定圖像。在圖3B中示出基於圖3A所示特徵特定圖像的例示性分割圖像。在圖3B所示分割圖像中，與暗的金屬跡線110對應的圖元用灰色標出，以將這些圖元識別成對應於感興趣的區域，且與亮的襯底區域109對應的圖元用白色標出，以將這些圖元識別成對應於不感興趣的區域，在後續影像處理步驟中忽略所述不感興趣的區域。與不明身份的區域對應的圖元用黑色標出，例如在區域112中，以將這些圖元識別成對應於可疑興趣區域，在後續影像處理步驟中也將忽略所述區域。優選地，可應用圖3A中的圖元亮度水準的預定閥值，以將與金屬跡線110對應的暗的圖元和與背景襯底109對應的亮的圖元區分開。
應理解，圖3B所示分割圖像因此有效地形成深度區別掩模（mask）圖像，其中圖3A所示特徵特定圖像的在給定深度處或低於給定深度處的部分（此處，例如包括襯底109）與圖3A所示特徵特定圖像的高於給定深度的部分（此處，例如包括金屬跡線110）區分開。應理解，圖3A所示特徵特定圖像的在不同物理深度處的部分之間的區別是基於所述部分之間的光學性質差異，且更具體地說所述部分之間的在紫外線照明下的螢光差異，並且所述區別是獨立的且與特徵的物理形狀無關。
產生圖3B所示分割掩模圖像可通過包括在系統100中的計算功能（此處，僅舉例來說實施為處理器132）自動地實施，所述處理器132可包括在電腦144中。應理解，處理器132因此優選地用作深度區別器，其可操作以將初始特徵特定圖像（例如，圖3A所示圖像）的在低於預定閥值的深度處的部分區分開，而無論所述部分的形狀如何，並提供深度區別圖像（例如圖3B所示深度區別圖像）。
還應理解，特徵特定紫外線照明器140與感測器130及處理器132相組合構成圖像產生器的特別優選的實施例，以提供包括襯底109及金屬跡線110的物體108的圖像。然而，應當理解，範圍區別器120的圖像產生功能不限於本文闡述的特定照相機及照明元件，而是可包括用於產生在各種物理深度處的場景的圖像的任何合適的元件，其中具有不同物理深度的特徵可基於其光學性質且與其形狀無關地進行區別。
電腦144可包括使用者介面，所述使用者介面使使用者能夠識別特徵特定圖像中的感興趣的特徵，例如圖3A所示金屬跡線110。應理解，感興趣的特徵可由使用者識別，且優選地是機器可識別特徵，特徵特定圖像中的所述機器可識別的特徵的存在可由電腦144基於其外觀來檢測，而無論所述特徵的形狀如何。應理解，電腦144因此既可用作目標識別器以使使用者能夠識別機器可識別特徵，且也可用作特徵檢測器以優選地自動識別機器可識別特徵。
在範圍區別器120的第二操作模式中，在產生分割圖像（例如圖3B所示圖像）之後，物體108優選地由照相機感測器130在最適於增強感興趣特徵的成像紋理的照明條件下成像，所述感興趣的特徵在此處被實施為金屬跡線110。這種照明可被稱為特徵聚焦照明，且優選地由包括在照明模組122中的特徵聚焦照明器150提供。此處，僅舉例來說，特徵聚焦照明器150被示出實施為亮場照明器。
應理解，儘管特徵特定照明器140及特徵聚焦照明器150在此處被示出實施成包括在照明模組122中的兩個單獨的照明器，然而作為另外一種選擇，特徵特定照明器140及特徵聚焦照明器150可由具有至少部分重疊功能的至少部分共用照明元件提供，以用於提供特徵特定照明及特徵聚焦照明兩個，如下文參照圖6舉例說明。
在由特徵聚焦照明器150提供的照明下對物體108進行成像期間，透鏡124相對於物體108的垂直位置優選地遞增轉變，以使得對應地調整透鏡124相對於物體108的聚焦高度。透鏡124的調整可由控制器128控制，所述控制器128優選地可操作以相對於物體108遞增地移動平臺126且從而遞增地移動透鏡124。或作為另外一種選擇，透鏡124相對於物體108的聚焦高度可通過整體地調整到工作臺106及/或光學頭102的高度來調整。
對於透鏡124的每個位置，物體108的圖像優選地由感測器130獲取。因此，優選地在物體108上方的透鏡124的一系列聚焦高度處產生一系列圖像。優選地實施為處理器132的圖像聚焦分析器優選地可操作以對所述一系列圖像執行圖像聚焦分析，從而基於每個圖像的在為預定深度或高於預定深度的深度處的部分提供聚焦評分並基於聚焦評分來確定焦距。應理解，處理器132因此優選地用作焦距確定器，所述焦距確定器基於深度區別圖像（例如，圖3B所示圖像）來確定焦距。
針對在由特徵聚焦照明器150提供的照明條件下獲取的每個圖像，優選地計算聚焦評分，聚焦評分僅基於在分割的深度區別圖像（例如圖3B所示圖像）中識別的與感興趣的區域對應的那些圖元。在襯底109上的金屬跡線110的情況下，例如，在深度區別圖像（例如圖3B所示圖像）中識別的與感興趣的區域對應的每個圖元基於局部紋理而被指派聚焦量度（focus measure）。例如，這種聚焦量度可以是圖元附近的梯度量值（gradient magnitude），或者可以是所屬領域中已知的任何其他聚焦量度。
在深度區別圖像（例如圖3B所示圖像）中識別的與不感興趣的區域（例如襯底109）對應的圖元優選地被指派為零的聚焦量度。在由特徵聚焦照明器150提供的照明條件下獲取的每個圖像的總聚焦評分優選地由圖像中的與例如金屬跡線110等感興趣的區域對應的所有各別圖元的聚焦度量的和給出。由於與不感興趣的區域（例如襯底109）對應的圖元的聚焦量度被設定為零，因此與不感興趣的區域對應的圖元不會對圖像的總聚焦評分做出貢獻，且在聚焦評分計算中被有效地忽略。
應理解在上述實施例中，每個圖像的聚焦評分因此在與金屬跡線110的深度對應的情況下，優選地僅基於圖像的在等於或高於預定深度的深度處的那些部分，且在與襯底109對應的這種情況下，不考慮圖像的低於預定深度的那些部分。作為另外一種選擇，聚焦評分可僅基於深度區別圖像的在低於預定深度的深度處的那些部分來計算，例如在感興趣的特徵嵌入襯底（substrate）內的情況下。
對於每個圖像獲得的聚焦評分可被繪製成透鏡124的聚焦高度的函數，如圖4所示。感興趣的特徵進行最優對焦的透鏡位置可被識別成與具有最高聚焦評分的圖像對應的透鏡位置。在圖4所示資料的情況下，看到為80的最高聚焦評分對應於大約6487 µm的聚焦高度。在圖3C中看到具有最高聚焦評分的代表性圖像，其中金屬跡線110進行最好地對焦。如考慮到圖3C所示聚焦圖像所理解，金屬跡線110的紋理是高度可見的，而襯底109似乎是平滑的，這是因為在不考慮襯底109的情況下已在對金屬跡線110進行聚焦的最優聚焦高度處獲取了圖3C所示圖像，所述襯底109在與金屬跡線110不同的物理高度處。
應理解，與具有最高聚焦評分的圖像的聚焦高度對應的最優聚焦高度優選地被認為是比各連續圖像之間的高度臺階大的準確度。這可通過任何適合找出函數的最大值的方法來實現，例如（僅舉例來說）將區域中接近最大值的資料擬合到抛物線函數（parabolic function）。
還應理解，優選地由特徵特定照明器140提供的特徵特定照明不限於紫外線照明，且可以是不同物理深度的目標特徵表現出對應不同的光學回應且因此可在其圖像中區分開的任何類型的照明。舉例來說，紫外線特徵特定照明器140可被替換為替代照明器，如在圖5及圖6所示實施例中所見。
現在轉到圖5及圖6，光學成像系統500可被設置成在其相關方面大致類似于光學成像系統100，除了範圍區別器120的照明器122的紫外線特徵特定照明器140被替換為組合的亮場及暗場照明器或者寬角照明器540，如在圖6中所見。特徵特定照明器540可以是在2015年7月17日提出申請的中國專利申請201510423283.5中大體闡述的類型或者所屬領域中已知的其他照明器。
此處，僅舉例來說，物體108被示出實施為包括層壓區域509的印刷電路板508，層壓區域509具有形成在其上並相對於其突出的銅跡線510。例如，在印刷電路板508的情況下，可能期望產生其中銅跡線510進行對焦以用於對其進行檢查的圖像。
在由特徵特定照明器540提供的組合的亮場及暗場照明或寬角照明下，層壓區域509的反射率顯著低於銅跡線510。在圖7A中示出在由特徵特定照明器540提供的特徵特定反射照明條件下得到的層壓區域509及銅跡線510的例示性圖像。如在圖7A中所見，層壓區域509由於其反射率較低而具有暗的外觀，而銅跡線510具有亮的外觀。因此，在圖7A所示圖像中，層壓區域509可與銅跡線510清楚地區分開。此外，由於層壓板509的不透明外觀，可位於層壓板509之下的物體508的附加特徵被遮蔽，且因而不會出現在圖7A所示圖像中，從而簡化後續影像處理。
在圖7B中示出基於圖7A所示初始特徵特定圖像的深度區分圖像或分割圖像。在圖7B所示分割圖像中，與亮的銅跡線510對應的圖元用白色標出，以將這些圖元識別為對應於感興趣的區域，且與暗的層壓區域509對應的圖元用黑色標出，以將這些圖元識別為對應於不感興趣的區域，在後續影像處理步驟中，將忽略所述不感興趣的區域。優選地，可應用圖元亮度水準的預定閥值，以便將與銅跡線510對應的白色圖元和與層壓板509對應的黑色圖元區分開。
應理解，圖7B所示分割圖像因此有效地形成深度區別圖像，其中圖7A所示特徵特定圖像的在低於給定閥值的深度處的部分（此處，例如包括層壓板509）與圖7A所示特徵特定圖像的在為給定閥值或高於給定閥值的深度處的部分（此處，例如包括銅跡線510）被區分開。應理解，圖7A所示特徵特定圖像的在不同物理深度處的部分之間的區別是基於所述部分之間的光學性質差異，且更具體來說所述部分之間的在組合的亮場及暗場或寬角照明下的反射率差異，並且獨立於特徵的物理形狀。
圖7B所示分割掩模圖像的產生可由包括在系統500中的計算功能（此處，僅舉例來說被實施為處理器132）自動地實施，所述處理器132可包括在電腦144中。應理解，處理器132因此優選地用作系統500內的深度區別器，所述深度區別器可操作以將初始特徵特定圖像（例如圖7A所示圖像）的在低於預定閥值的深度處的部分區分開而無論所述部分的形狀如何，並基於其來提供深度區別圖像（例如圖7B所示深度區別圖像）。
以上參照圖3B到圖4大體闡述了在由特徵聚焦照明裝置150提供的照明條件下獲取一系列圖像，且基於僅被指派給與在分割的深度區別圖像（例如圖7B所示圖像中）中識別的銅跡線510對應的圖元的聚焦評分的比較，隨後優選地自動選擇其中銅跡線510在最優焦距處被最好對焦的圖像。大致以上文參照圖4闡述的方式，系統500內的處理器132優選地另外用作焦距確定器，所述焦距確定器基於深度區別圖像（例如圖7B所示圖像）來確定焦距。
在圖7C中看到被指派最高聚焦評分從而金屬跡線510進行最優對焦的物體508的圖像。應理解，聚焦評分此處此優選地僅基於深度區別圖像（例如圖7B所示圖像）的在為預定深度閥值或高於預定深度閥值的深度處的那些部分（此處對應於突出的銅跡線510）來計算。作為另外一種選擇，聚焦評分可僅基於深度區別圖像的在低於預定深度閥值的深度處的那些部分來計算，例如在感興趣的特徵嵌入襯底內的情況下。
應理解，由圖1到2以及圖5到圖6所示系統產生的自動聚焦圖像（圖3C及圖7C所示圖像）對應於在以下焦距處獲得的圖像，所述焦距使得被成像的物體的感興趣的特定特徵進行最好對焦，而無論感興趣的特定特徵與可形成被成像的物體的一部分的其他特徵之間的物理高度或深度的差異如何。
然而，作為另外一種選擇，本發明的系統可為可操作的以自動地產生物體或場景的範圍圖像（range image），以便獲得待成像的物體或場景的感興趣的特定特徵的深度輪廓（depth profile），所述感興趣的特徵優選地具有與形成待成像的物體或場景的一部分的其他特徵的深度或高度不同的物理深度或高度。
現在將關於物體1108的範圍圖像的產生來闡述圖5及圖6所示類型的系統的操作。物體1108可包括上面形成有銅區域1110的非導電襯底1109，所述物體1108的圖像示於圖8A到圖8C中。圖5及圖6所示系統優選地可操作以自動地產生銅區域1110的範圍圖像，所述銅區域1110可相對於襯底1109突出或凹進。這種範圍圖像可用於例如檢測銅區域1110內是否存在凹痕以及測量所述凹痕的深度。應理解，儘管下文參照圖5及圖6所示系統闡述範圍圖像的產生，然而作為另外一種選擇，上文所述系統中的任一種可被配置成在作出將對所屬領域中的技術人員顯而易見的適當修改的條件下提供感興趣的特徵的範圍圖像。
在系統500中的範圍區別器120的第一操作模式中，物體1108優選地由照相機感測器130在以下照明條件下成像，其中感興趣的特徵與物體1108的物理深度不同於感興趣的特徵的物理深度的其他特徵清楚地區分開。在圖8A中示出在特徵特定照明條件下獲得的襯底1109及襯底1109上的銅區域1110的示例性圖像。如在圖8A中所見，非導電襯底1109由於其反射率低而具有暗的外觀，而銅區域1110具有更亮的外觀。因此，在圖8A所示圖像中，非導電襯底1109可與銅區域1110清楚地區分開。此外，由於襯底1109的不透明外觀，可位於襯底1109之下的物體1108的附加特徵被遮蔽，且因而不會出現在圖8A所示圖像中，從而簡化後續影像處理。
在產生初始特徵特定圖像（例如圖8A所示圖像）之後，優選地產生深度區別圖像或分割圖像，所述分割圖像是基於初始特徵特定圖像。在圖8B中示出基於圖8A所示特徵特定圖像的例示性分割圖像。在圖8B所示分割圖像中，與亮的銅區域1110對應的圖元用白色標出，以將這些圖元識別為對應於感興趣的區域，且與暗的襯底區域1109對應的圖元用黑色標出，以將這些圖元識別為對應於不感興趣的區域，在後續影像處理步驟中將忽略所述不感興趣的區域。優選地，可應用圖元亮度水準的預定閥值以將與銅區域1110對應的亮的圖元和與背景襯底1109對應的暗的圖元區分開。
應理解，圖8B所示分割圖像因此有效地形成深度區別圖像，其中圖8A所示特徵特定圖像的在低於給定閥值的深度處的部分（此處，例如包括襯底1109）可與圖8A所示特徵特定圖像的在為給定閥值或高於給定閥值的深度處的部分（此處，例如包括銅區域1110）區分開。
應理解，圖8A所示特徵特定圖像的在不同物理深度處的部分之間的區別是基於所述部分之間的光學性質差異，且更具體來說所述部分之間的在適當照明下的反射率差異，並且獨立於特徵的物理形狀。
圖8B所示分割掩模圖像的產生可由處理器132自動地實施，所述處理器132可包括在電腦144中。應理解，處理器132因此優選地用作深度區別器，所述深度區別器可操作以將初始特徵特定圖像（例如圖8A所示圖像）的在低於預定閥值的深度處的部分區分開，而無論所述部分的形狀如何，並基於其提供深度區別圖像（例如在圖8B中所見的深度區別圖像）。
還應理解，因此特徵特定照明器540與感測器130及處理器132相組合構成圖像產生器的優選實施例，以提供包括襯底1109及銅區域1110的物體1108的圖像。
電腦144可包括使用者介面，所述使用者介面使使用者能夠識別特徵特定圖像中的感興趣的特徵，例如圖8A中的銅區域1110。應理解，感興趣的特徵可以是使用者可識別的並且優選地是機器可識別特徵，特徵特定圖像中的所述機器可識別特徵的存在可基於其外觀來檢測，而無論所述特徵的形狀如何。應理解，電腦144因此既可用作目標識別器，以使用戶能夠識別機器可識別特徵，並且也可用作特徵檢測器以優選地自動識別機器可識別特徵。
在範圍區別器120的第二操作模式中，在產生分割的深度區別圖像（例如圖8B所示圖像）之後，物體1108優選地由照相機感測器130在最適合產生感興趣特徵的深度輪廓的照明條件下成像，所述感興趣的特徵在此處被實施為銅區域1110。
在由特徵聚焦照明器150提供的照明下對物體1108成像期間，透鏡124相對於物體1108的垂直位置優選地遞增轉變，使得透鏡124相對於物體1108的聚焦高度對應地進行調整。透鏡124的調整可由控制器128控制，所述控制器128優選地可操作以相對於物體1108遞增地移動平臺126並因此遞增地移動透鏡124。或作為另外一種選擇，透鏡124相對於物體1108的聚焦高度可通過整體地調整工作臺106及/或光學頭102的高度來調整。
對於透鏡124的每個位置，物體1108的圖像優選地由感測器130獲取。因此優選地在物體108上方的透鏡124的一系列聚焦高度處產生一系列圖像。優選地實施為處理器132的圖像聚焦分析器優選地可操作以對所述一系列圖像執行圖像聚焦分析，以便基於每個圖像的部分提供聚焦評分並基於聚焦評分來確定焦距。應理解，處理器132因此優選地用作焦距確定器，所述焦距確定器基於區別圖像（例如圖8B所示圖像）來確定焦距。
應理解，在突出的銅跡線1110的情況下，聚焦評分可僅基於深度區別圖像（例如圖8B所示圖像）的在為預定深度閥值或高於預定深度閥值的深度處的那些部分來計算。作為另外一種選擇，例如在銅跡線1110嵌入襯底1109內的情況下，聚焦評分可僅基於深度區別圖像的在低於預定深度閥值的深度處的那些部分來計算。
在這種情況下，優選地在由特徵聚焦照明器150提供的照明條件下獲取的每個圖像中逐個圖元地計算聚焦評分，所述聚焦評分僅針對在分割的深度區別圖像（例如圖8B所示圖像）中識別的與感興趣的區域對應的那些圖元來計算。應理解，為了產生範圍圖像，優選地針對每個圖元計算聚焦評分，以便確定與所述圖元中的最大所測量特徵紋理對應的最優聚焦高度。注意到，與上文參照系統100闡述的聚焦評分計算相反，在本實施例中優選地不計算基於每個圖像中的感興趣區域中的所有圖元的聚焦評分之和的總聚焦評分。
在襯底1109上的銅區域1110的情況下，例如，在深度區別圖像（例如圖8B所示圖像）中識別的與銅區域1110對應的每個圖元基於適當的局部紋理量度（例如梯度量值或所屬領域已知的任何其他合適的聚焦量度）被指派聚焦評分。深度區別圖像（例如圖8B所示圖像）中被識別為與所示實施例中的襯底1109對應的不感興趣的區域的圖元被指派為零的聚焦評分。應理解，對於每個圖像的低於預定亮度閥值的那些部分，不計算聚焦評分，所述部分在這種情況下對應於襯底1109。
針對每個圖元獲得的聚焦評分可被繪製為透鏡124的聚焦高度的函數，如圖9所示。如在圖9中所見，第一跡線1202表示在與在圖8A中所見的第一凹痕1204對應的圖元的情況下，聚焦評分隨聚焦高度的變化，其中看到為100的最高聚焦評分對應於大約6486 μm的絕對焦距高度。如在圖9中進一步所見，第二跡線1206表示在與第二凹痕1208對應的另一圖元的情況下，聚焦評分隨聚焦高度的變化。在這種情況下，第二凹痕1208不像由第一跡線1202表示的第一凹痕1204那樣深。如通過第一跡線1202與第二跡線1206的比較所理解，由於第二凹痕1208與第一凹痕1204之間的深度差異，在第二凹痕1208的情況下出現最大聚焦評分的高度相對於第一凹痕1204的高度發生轉變。
基於例如圖9所示的等函數，可形成高度圖像，其中每個圖元被指派與所述圖元被發現具有其最高聚焦評分的聚焦高度相等的值。這種高度圖像示於圖8C中，其中灰度色標（gray color scale）對應於以微米為單位的圖元高度。如在圖8C中所見，區域1110中的灰色圖元表示較高區域，且區域1204及1208中的白色圖元表示較低區域。區域1109中的黑色圖元對應於不計算聚焦評分的圖元，因為基於分割的深度區別圖像（例如圖8B所示圖像），這些圖元被識別為屬於不感興趣的區域。
應理解，可進一步對圖8C所示高度或範圍圖像進行分析，以便找到相對於大部分銅區域1110的凹痕1204及1208的深度。
應理解，在上述途徑中，實現自動聚焦所基於的聚焦度量僅應用於感興趣的特徵，且優選地局限在感興趣的特徵的邊界內。這與傳統的自動聚焦方法形成對比，在傳統的自動聚焦方法中，聚焦度量通常在照相機的整個視場上匯出，且因此嚴重受各種特徵的形狀及大小的影響，而不是如在本發明中的情況那樣僅受到深度的影響。
現在參照圖10，圖10為根據本發明再一優選實施例而構造並可操作的包括深度區別功能的光學處理系統的簡化示意圖。
如在圖10中所見，提供光學成像系統1300，光學成像系統1300優選地包括安裝在底架1304上的光學成像頭1302。底架1304優選地包括適於在其上放置待成像的物體1308的工作臺1306。光學成像系統1300優選地可操作以提供物體1308的深度輪廓圖像，例如用於對物體1308進行檢查或處理。
物體1308優選地是包括在多於一個物理深度處的物理特徵的非平面物體。此處，例如，物體1308被示出實施為包括非導電襯底1309的印刷電路板，非導電襯底1309上形成有金屬跡線1310，所述金屬跡線1310可嵌入襯底1309的表面中或可相對於襯底1309的表面突出。然而，應理解，光學成像頭1302可用於獲取具有在多於一個物理高度或深度處的物理特徵的任何合適目標或場景的圖像，包括但不限於印刷電路板、晶圓晶片、組裝的印刷電路板、平板顯示器及太陽能晶片。
為了進行檢查，通常期望產生物體1308的二維圖像，其中基於金屬跡線1310與襯底1309之間的光學性質差異，金屬跡線1310與襯底1309清楚地區分開。
在一些情況下，還可能期望產生包括在物體1308中的感興趣特徵的三維深度輪廓，所述感興趣的特徵相對於物體1308的其他特徵處於不同的物理高度或深度處。例如，在襯底1309的情況下，可能期望產生金屬跡線1310的深度輪廓圖像以對金屬跡線1310進行檢查。
本發明優選實施例的特別的特徵是光學成像系統1300包括組合的二維（2D）空間及三維（3D）範圍區別器1320，組合的二維（2D）空間及三維（3D）範圍區別器1320提供感興趣的特徵（例如金屬跡線1310）的空間分割圖像及深度區別圖像兩個，而無論感興趣的特徵與例如襯底1309等其他特徵之間的物理深度的差異如何。特別優選地，範圍區別器1320包括三維全光照相機1321以用於產生感興趣的特徵的深度輪廓圖像。
範圍區別器1320優選地包括圖像產生器，所述圖像產生器可操作以提供在各種物理深度處的場景的圖像，此處例如實施為包括用於對物體1308進行照明的照明模組1322。由照明模組1322提供的照明優選地通過透鏡部分1324朝向物體1308引導。從物體1308發出的光優選地經由分束器1332朝向二維成像照相機1330以及朝向全光照相機1321引導。
照明器模組1322優選地在兩種模式、即二維模式及三維模式中操作。在二維操作模式中，物體1308優選地由二維成像照相機1330在以下照明條件下成像，其中感興趣的特徵與物體1308的物理深度範圍不同於感興趣的特徵的其他特徵清楚地區分開。這種照明可被稱為特徵特定照明，並且僅舉例來說，可由包括在照明模組1322中的亮場照明器1340及暗場照明器1342提供。照明模組1322的亮場照明器1340與照明模組1322的暗場照明器1342相組合可被認為構成圖像產生器的第一部分，以提供組合的亮場及暗場照明模態。
在由亮場照明器1342及暗場照明器1342提供的亮場照明與暗場照明的組合下，與由金屬跡線1310所表現的反射率相比，非導電襯底1309表現出降低的反射率。在圖11A中示出在特徵特定暗場照明條件及亮場照明條件下得到的襯底1309及襯底1309上的金屬跡線1310的例示性圖像。如在圖11A中所見，非導電襯底1309由於其反射率較低而具有相對於金屬跡線1310的暗的外觀，而金屬跡線1310具有相對於襯底1309的較亮的外觀。因此，在圖11A所示圖像中，非導電襯底1309可與金屬跡線1310清楚地區分開。此外，由於襯底1309的不透明性，可位於襯底1309之下的印刷電路板1308的附加層被遮擋，且因而不會出現在圖11A所示圖像中，從而簡化後續影像處理。
在產生初始特徵特定圖像（例如圖11A所示圖像）之後，優選地產生深度區別圖像或分割圖像，所述分割圖像是基於初始特徵特定圖像。在圖11B中示出基於圖11A所示特徵特定圖像的例示性分割圖像。在圖11B所示分割圖像中，與亮的金屬跡線1310對應的圖元用白色標出，以將這些圖元與對應於用黑色標出的較暗的襯底區域1309的圖元區分開。優選地，可應用圖元亮度水準的預定閥值，以便將與金屬跡線1310對應的亮的圖元和與背景襯底1309對應的較暗的圖元區分開。
應理解，圖11B所示分割圖像因此有效地形成深度區別圖像，其中圖11A所示特徵特定圖像的在低於預定閥值的深度處的那些部分（此處，例如對應於襯底1309）與圖11A所示特徵特定圖像的在高於預定閥值的深度處的那些部分（此處，例如對應於金屬跡線1310）區分開。應理解，圖11A所示特徵特定圖像的在不同物理深度處的各部分之間的區別是基於所述部分之間的光學性質差異，且更具體來說所述部分之間的在暗場照明及亮場照明下的反射率差異，並且獨立於與特徵的物理形狀。
圖11B所示分割掩模圖像的產生可通過包括在形成系統1300的一部分的處理器（圖中未示出）中的計算功能來自動地實施。應理解，處理器因此優選地用作深度區別器，所述深度區別器可操作以將在第一成像模態的照明下獲得的初始特徵特定圖像（例如圖11A所示圖像）的在低於預定閥值的深度處的部分區分開，而無論所述部分的形狀如何，並提供深度區別圖像（例如圖11B所示深度區別圖像）。
應理解，感興趣的特徵可由使用者在圖11A及圖11B所示特徵特定圖像中識別，且優選地是機器可識別特徵，特徵特定圖像中的所述機器可識別特徵的存在可基於其外觀來檢測，而無論所述特徵的形狀如何。
在系統1300的三維操作模式中，在產生分割圖像（例如圖11B所示圖像）之後，物體1308優選地由全光照相機1321在最適合於增強感興趣特徵（此處被實施為金屬跡線1310）的成像紋理的照明條件下成像。這種照明可被稱為特徵聚焦照明，且此處優選地由暗場照明器1342提供。暗場照明器1342可被認為構成圖像產生器的第二部分，以對物體1308提供暗場照明模態。
在圖11C中示出例示僅在暗場照明下得到的金屬跡線1310的外觀的例示性圖像，其中金屬跡線1310的升高的紋理是可見的。
應理解，儘管暗場照明器1342在本文中被闡述為有利於特徵特定照明及特徵聚焦照明兩種，然而作為另外一種選擇，特徵特定照明及特徵聚焦照明可由不具有重疊功能的不同的照明元件提供。
此外，應理解，範圍區別器1320的圖像產生功能不限於本文所述的特定照相機及照明元件，而是可包括用於產生在各種物理深度處的場景的圖像的任何合適的元件，其中具有不同物理深度的特徵可基於其光學性質且與其形狀無關地加以區別。
在例示性實施例中，全光照相機1321優選地基於二維分割圖像（例如圖11B所示圖像）提供被識別為疑似缺陷的那些部分的深度輪廓圖像。應理解，通過深度輪廓圖像可更好地確定圖11B所示類型的二維分割圖像中可識別的某些疑似缺陷的性質，因為疑似缺陷的真實性質及臨界性通常僅在識別其三維輪廓時揭示。除了在襯底1309與金屬跡線1310之間產生亮度差異之外，高效的二維分割通常還需要抑制金屬跡線的紋理。這通過亮場照明與暗場照明二者的適當組合及仔細平衡來實現。相反，由全光照相機1321描繪的三維輪廓強烈依賴於表面紋理，例如在匯出相鄰微圖像之間的立體差異時。單獨地使用暗場照明會使金屬跡線1310及襯底1309二者的表面紋理的對比最大化，從而使得由全光照相機1321呈現出準確的深度。
在圖11D中示出例示性圖像，所述圖像例示由全光照相機1321在由暗場照明器1342提供的暗場照明下獲取的金屬跡線1310的深度輪廓。應理解，儘管獲取圖11D所示深度輪廓的視場大於圖11A、圖11B及圖11C所示初始圖像及分割圖像的視場，然而作為另外一種選擇，金屬跡線1310的深度剖析可被局限於金屬跡線1310的較小部分（例如在疑似缺陷的區域中），以便確定缺陷的性質並據此對缺陷進行分類。在這種情況下，處理器可用作焦距確定器，所述焦距確定器基於深度區別圖像（例如圖11B所示圖像）來確定用於對疑似缺陷所在的區域進行深度剖析的每個點處的焦距。
在組合的二維空間及三維深度範圍區別器1320的另一優選操作模式中，全光照相機1321可用於在由此獲取二維圖像之前自動地聚焦二維照相機1330。
在這種自動聚焦模式中，被檢查的物體1308優選地初始在特徵聚焦照明條件（例如優選地由暗場照明器1342提供的暗場照明條件）下對全光照相機1321進行粗略聚焦。這種初步粗略聚焦可基於系統優化及工程設計參數，且可能涉及系統1300的預先校準，如所屬領域中的技術人員眾所周知的。圖12A示出由全光照相機1321獲取的襯底1410的例示性粗略聚焦圖像。在所示實施例中，襯底1410是矽晶片，其包含突然的高度臺階1420，高度臺階1420上具有鐳射內接凹坑（laser inscribed pit）1430。在圖12B中示出由二維照相機1330接收的對應的離焦二維圖像。
由全光照相機1321獲取的粗略聚焦圖像然後可通過包括在系統1300的處理器中的計算功能來處理，以便匯出襯底1410的即時視場的深度輪廓。在圖12C中示出基於圖12A所示粗略聚焦圖像的例示性深度區別輪廓圖像。應理解，與圖11A到圖11D所示實例相反，在範圍區別器1320的這種操作模式中，由亮場照明器1340提供的亮場照明模態優選地構成第一成像照明模態，在所述照明下，優選地獲取深度可區別圖像。
基於圖12C所示深度輪廓圖像，可選擇二維照像機1330應進行最優聚焦的特徵深度。舉例來說，在襯底1410的情況下，二維照相機1330的最優焦深可以是與圖12C所示圖像中的矽晶片中的臺階的上側面1440的高度對應的深度。如所屬領域中的技術人員所理解的，全光照相機1321的焦深通常跨越二維照相機1330的景深（depth of field），且可介於在2倍到4倍大的範圍內，以使得基於圖12A所示全光圖像進行的深度輪廓分析的準確度至少與可基於透鏡1324的焦深而實現的準確度一樣好。
然後，二維照相機1330可在基於圖12C所示深度輪廓圖像以及對應地在特徵特定亮場照明條件下獲取的襯底1410的聚焦二維圖像識別的最優焦深處自動地聚焦在矽臺階的上側面1440上。注意，在這種情況下，聚焦特定照明與特徵特定照明相同。這是因為矽晶片及鐳射二種形成在其表面上的凹坑的光學反射性質。在圖12D中示出在特徵特定亮場照明條件下獲取的例示性自動聚焦二維圖像。
應理解，在自動聚焦二維成像之後，如果需要，則可以執行物體1308的附加三維全光成像，例如用於將二維自動聚焦圖像中存在的疑似缺陷的性質進行更好地分類，如上文參照圖11C及圖11D所述。
現在參照圖13，圖13為根據本發明再一優選實施例而構造並可操作的包括自動聚焦功能的光學處理系統的簡化圖，並且參照圖14A到圖14C，圖14A到圖14C為由圖13所示類型的系統產生的圖像的簡化實例。
如在圖13中所見，提供一種光學成像系統1500，光學成像系統1500包括可操作以將圖案投射到物體1508上的投影儀模組1502。成像系統1500還優選地包括照相機感測器模組1510，照相機感測器模組1510可操作以在由投影儀模組1502將圖案投射在其上時獲取物體1508的圖像。優選地，投影儀模組1502及照相機模組1510相對於縱向軸線1512成角度，縱向軸線1512是相對於物體1508界定的。投影儀模組1502與照相機模組1510組合可被認為形成圖像產生器，所述圖像產生器可操作以產生物體1508的圖像。
物體1508優選地是包括在多於一個物理深度處的物理特徵的非平面物體，包括但不限於印刷電路板、晶圓晶片、組裝的印刷電路板、平板顯示器及太陽能晶片。作為另外一種選擇，物體1508可實施為包含在一系列物理深度處的特徵的任何物體或場景。
在一些情況下，可能期望產生包括在物體1508中的感興趣特徵的聚焦圖像，所述感興趣的特徵相對於物體1508的其他特徵處於不同的物理高度或深度處。這可在系統1500中通過將規則重複的圖案（例如正弦或二元雲紋條紋圖案（moiré fringe pattern））投射到物體1508的表面上並分析投射的條紋的相移而自動地實現，如下文所詳述。
參照由此產生的圖像可最好地理解系統1500的操作，所述圖像的實例呈現在圖14A到圖14C中。
現在轉到圖14A，圖中例示優選地由投影儀模組1502投射到物體1508的表面上的條紋圖案1600的圖像。如在圖14A中所見，條紋圖案1600依據條紋圖案所落的物體1508上的特徵的表面拓撲而經歷可變的相移。包括在形成系統1500的一部分的處理器1516中的計算功能可為可操作的以優選地即時計算條紋圖案1600的相移，以便至少匯出條紋圖案所投射的物理特徵的高度。處理器1516可用作深度區別器，以用於區別由照相機模組1510在各種物理高度處獲取的圖像的部分，而無論其形狀如何。舉例來說，通過包括在處理器1516中的計算功能實施的條紋相移分析可包括加窗傅立葉轉換（windowed Fourier transform）。另外，處理器1516還可控制由投影儀模組1502投射的條紋圖案的產生。
物理特徵的高度優選地相對於併入系統1500中的參考目標的高度來計算。參考目標的高度可相對於系統1500的附加成像功能（圖中未示出）進行校準，系統1500相對於物體1508維持對焦，或者參考目標的高度可相對於照相機感測器1510進行校準。
在圖14B及圖14C中分別例示基於圖14A所示投射的條紋圖的物體1508的二維高度圖及三維高度圖。如在圖14B及圖14C中所見，投射的條紋圖案的相移可用作根據負責產生對應的圖案相移的物理特徵的相對高度來分割物體1508的基礎。因此可對給定高度的特徵進行選擇以在其上進行最優聚焦，而在隨後的圖像聚焦中有效地忽略在除所選高度之外的高度處的特徵。應理解，圖14B及圖14C所示高度圖因此構成分割或深度區別圖像，基於所述分割或深度區別圖像，可確定被選擇以在上面進行最優聚焦的特徵的深度。僅基於高度選擇，因此可對給定高度水準處的特徵執行照相機1510的自動聚焦，而無論這些特徵的形狀如何。可通過處理器1516基於圖14B及圖14C所示深度區別圖像來確定最優焦距。
應理解，由投影儀模組1502投射的條紋圖案的最優空間頻率優選地考慮到並平衡若干相反的要求來設定。優選地將條紋圖案的空間頻率選擇成足夠低以允許以良好的對比度對條紋圖案進行投射及成像。另外，優選地將條紋圖案的空間頻率選擇成足夠高以允許實現足夠高解析度的高度區別。此外，優選地將條紋圖案內的條紋間間距選擇成足夠大以囊括物體1508的全部預期深度而不使相位模糊。優選地，條紋圖案具有足夠低的空間頻率，以使得條紋圖案的相移可與引起這種轉變的物理深度唯一地相關，而不使相位模糊。
優選地平衡至少這些各種因素，以便為特定成像應用匯出條紋圖案的最優空間頻率。
系統1500可特別適合用於閉環跟蹤自動聚焦模式，其中優選地連續掃描物體1508。在連續掃描模式中，投影儀模組1502優選地被選通以便在脈衝模式中操作，優選地與照相機模組1510的操作同步。作為另外一種選擇，投影儀模組1502可優選地結合全域快門照相機模組1510連續地操作。
在使用系統1500進行連續閉環自動聚焦操作時，優選地優化系統1500的各種指令引數。通過將條紋圖案1600投射在物體1508上以及隨後對其相移進行分析而對物體1508的高度進行取樣的時間速率優選地被選擇成足夠高的以適合於物體1508的掃描速度以及其高度變化率。照相機模組1510的操作畫面播放速率優選地根據高度取樣率來設定。
另外，優選地優化由照相機模組1510進行的條紋圖像獲取與獲得分析高度圖之間經過的時間（所述時間延遲可被稱為系統時延）。系統時延可主要取決於系統1500的系統控制器的計算性能。系統時延優選地被設定為足夠短，以避免在條紋圖像獲取之後自動聚焦功能的操作過度滯後。否則所述過度滯後會導致成像功能的聚焦誤差。
在本發明的某些實施例中，可對照相機模組1510的圖元解析度進行設定以優化系統1500的性能。照相機1510的成像圖元越少，照相機畫面播放速率操作越高且處理時間越短。或作為另外一種選擇，不是計算由照相機模組1510獲取的整個圖像上的相移，而是可僅在由照相機模組1510輸出的圖像幀內的稀疏選擇區域內計算相移，由此可加速處理時間。可通過考慮物體1508的物理特性或其他特性來選擇計算相移的那些區域的數量、大小、寬高比及間距。
所屬領域中的技術人員應理解，本發明不受上文特別要求保護的內容限制。相反，本發明的範圍包括上文所述的特徵的各種組合及子組合以及所屬領域中的技術人員在參照圖式閱讀前述說明時將想到的且不位於先前技術中的修改及變型。
100‧‧‧光學成像系統
102‧‧‧光學成像頭
104‧‧‧底架
106‧‧‧工作臺
108‧‧‧物體
109‧‧‧非導電襯底
110‧‧‧金屬跡線
112‧‧‧區域
120‧‧‧範圍區別器
122‧‧‧照明模組
124‧‧‧可移動透鏡部分
126‧‧‧平移平臺
128‧‧‧控制器
130‧‧‧照相機感測器
132‧‧‧處理器
140‧‧‧特徵特定照明器
144‧‧‧電腦
150‧‧‧特徵聚焦照明器
500‧‧‧光學成像系統
508‧‧‧印刷電路板
509‧‧‧層壓區域
510‧‧‧銅跡線
540‧‧‧寬角照明器
1108‧‧‧物體
1109‧‧‧非導電襯底
1110‧‧‧銅區域
1202‧‧‧第一跡線
1204‧‧‧第一凹痕
1206‧‧‧第二跡線
1208‧‧‧第二凹痕
1300‧‧‧光學成像系統
1302‧‧‧光學成像頭
1304‧‧‧底架
1306‧‧‧工作臺
1308‧‧‧物體
1309‧‧‧非導電襯底
1310‧‧‧金屬跡線
1320‧‧‧範圍區別器
1321‧‧‧全光照相機
1322‧‧‧照明模組
1324‧‧‧透鏡
1330‧‧‧二維照相機
1332‧‧‧照明模組
1340‧‧‧亮場照明器
1342‧‧‧暗場照明器
1410‧‧‧襯底
1420‧‧‧高度臺階
1430‧‧‧鐳射內接凹坑
1440‧‧‧上側面
1500‧‧‧光學成像系統
1502‧‧‧投影儀模組
1508‧‧‧物體
1510‧‧‧照相機感測器模組
1512‧‧‧縱向軸線
1516‧‧‧處理器
1600‧‧‧條紋圖案
結合圖式根據以下詳細說明，將更充分地理解及領會本發明，在圖式中：
圖1為根據本發明優選實施例而構造並可操作的包括自動聚焦功能的光學成像系統的簡化示意圖；
圖2為圖1所示類型的系統的元件的簡化方塊圖；
圖3A、圖3B及圖3C為由圖1及圖2所示類型的系統產生的簡化圖像，其分別表示在特徵特定照明條件下獲取的物體的初始圖像、基於初始圖像且用於自動聚焦的物體的分割圖像以及基於分割圖像的物體的自動聚焦圖像；
圖4為用於產生圖3C所示類型的自動聚焦圖像的變數的趨勢的簡化曲線圖；
圖5為根據本發明另一個優選實施例而構造並可操作的包括自動聚焦功能的光學成像系統的簡化示意圖；
圖6為圖5所示類型的系統的元件的簡化方塊圖；
圖7A、圖7B及圖7C為由圖5及圖6所示類型的系統產生的簡化圖像，其分別表示在特徵特定照明條件下獲取的物體的初始圖像、基於初始圖像且用於自動聚焦的物體的分割圖像以及基於分割圖像的物體的自動聚焦圖像；
圖8A、圖8B及圖8C為由圖1到圖2以及圖5到圖6中的任一個所示系統產生的簡化圖像，其分別表示在特徵特定照明條件下獲取的其他特徵的初始圖像、基於初始圖像且用於自動聚焦的深度區別圖像以及基於深度區別圖像的自動聚焦圖像；
圖9為用於產生圖8C所示類型的自動聚焦圖像的變數的趨勢的簡化曲線圖；
圖10為根據本發明再一優選實施例而構造並可操作的包括自動聚焦功能的光學處理系統的簡化示意圖；
圖11A、圖11B、圖11C及圖11D為由圖10所示類型的系統產生的簡化圖像，其分別表示在特徵特定照明條件下獲取的物體的初始圖像、基於初始圖像且用於自動聚焦的深度區別圖像、基於深度區別圖像的二維自動聚焦圖像以及三維圖像；
圖12A、圖12B、圖12C及圖12D為另外或作為另外一種選擇由圖10所示類型的系統產生的簡化圖像，其分別表示在特徵聚焦照明條件下獲取的物體的初始三維圖像、對應的二維圖像、基於初始圖像的深度區別三維圖像以及基於深度區別三維圖像的二維自動聚焦圖像；
圖13為根據本發明再一優選實施例而構造並可操作的包括自動聚焦功能的光學處理系統的簡化示意圖；以及
圖14A、圖14B及圖14C為由圖13所示類型的系統產生的簡化圖像，其分別表示在第一照明條件下獲取的物體的初始圖像以及基於初始圖像且用於自動聚焦的二維高度繪圖圖像及三維高度繪圖圖像。

Claims (48)

  1. 一種用於自動聚焦的範圍區別器，所述範圍區別器包括： 一圖像產生器，提供在各種物理深度處的場景的圖像； 一深度區別器，將所述圖像在低於預定閥值的深度處的部分區分開，而無論所述部分的形狀如何，並提供深度區別圖像；以及 一焦距確定器，基於所述深度區別圖像來確定焦距。
  2. 如請求項1所述的範圍區別器，其中，所述圖像產生器包括用於在獲取所述圖像期間對所述場景進行照明的一特徵特定照明器。
  3. 如請求項2所述的範圍區別器，其中，所述深度區別器能夠操作在所述特徵特定照明器的照明下，基於所述圖像在低於所述預定閥值的深度處的所述部分與所述圖像在所述預定閥值或在高於所述預定閥值的深度處的部分之間的光學性質差異，而將所述圖像在低於所述預定閥值的深度處的所述部分與所述圖像在所述預定閥值或高於所述預定閥值的深度處的所述部分區分開。
  4. 如請求項2或3所述的範圍區別器，其中，所述特徵特定照明器包括一紫外線照明源，且所述深度區別器能夠操作以基於所述圖像的所述部分之間的螢光差異而將所述圖像的所述部分區分開。
  5. 如請求項2或3所述的範圍區別器，其中，所述特徵特定照明器包括暗場照明源及亮場照明源，且所述深度區別器能夠操作以基於所述圖像的所述部分之間的反射率差異而將所述圖像的所述部分區分開。
  6. 如請求項3所述的範圍區別器，其中，所述焦距確定器能夠操作以基於以下中的一個來確定所述焦距： 所述圖像在低於所述預定閥值的深度處的所述部分、以及 所述圖像在所述預定閥值或高於所述預定閥值的深度處的所述部分。
  7. 如請求項2或3所述的範圍區別器，其中，還包括一圖像聚焦分析器，所述圖像聚焦分析器能夠操作以基於所述圖像在所述預定閥值或高於所述預定閥值的深度處的部分來提供聚焦評分，所述焦距確定器能夠操作以基於所述聚焦評分來確定所述焦距。
  8. 如請求項7所述的範圍區別器，其中，所述圖像聚焦分析器包括一照明器，所述照明器用於通過照明對所述場景進行照明，以用於增強所述圖像在所述預定閥值或高於所述預定閥值的深度處的所述部分的成像紋理。
  9. 如請求項8所述的範圍區別器，其中，所述照明器包括一暗場照明器。
  10. 如請求項7所述的範圍區別器，其中，為與所述部分的形狀無關地指派所述聚焦評分。
  11. 如請求項7所述的範圍區別器，其中，為與所述圖像在所述預定閥值或高於所述預定閥值的深度處的所述部分對應的每個圖元，單獨地指派所述聚焦評分。
  12. 如請求項7所述的範圍區別器，其中，所述圖像在所述預定閥值或高於所述預定閥值的深度處的所述部分是機器可識別的。
  13. 如請求項5所述的範圍區別器，其中，所述圖像產生器包括一照相機，且所述深度區別圖像包括所述場景的二維圖像。
  14. 如請求項2或3所述的範圍區別器，其中，所述圖像產生器包括一全光照相機，且所述深度區別圖像包括所述場景的三維圖像。
  15. 如請求項14所述的範圍區別器，其中，所述特徵特定照明器包括一暗場照明器。
  16. 如請求項1所述的範圍區別器，其中，所述圖像產生器包括將重複圖案投射到所述場景上的一投影儀，且所述深度區別器包括一相位分析器，所述相位分析器能夠操作以分析所述重複圖案的相移並基於所述相移匯出所述物理深度的圖，所述圖形成所述深度區別圖像。
  17. 如請求項16所述的範圍區別器，其中，所述焦距確定器能夠操作以基於所述物理深度中的至少一個來確定所述焦距。
  18. 如請求項16或17所述的範圍區別器，其中，所述重複圖案包括正弦重複圖案及二元重複圖案中的至少一種。
  19. 如請求項18所述的範圍區別器，其中，所述重複圖案具有足夠低的空間頻率，使得所述相位分析器能夠操作以使所述相移與所述物理深度唯一地相關。
  20. 如請求項18所述的範圍區別器，其中，所述物理深度的所述圖是二維圖及三維圖中的一個。
  21. 一種用於自動聚焦的範圍區別器，所述範圍區別器包括： 一圖像產生器，提供在各種物理深度處的場景的圖像； 一深度區別器，將所述圖像的在低於預定閥值的深度處的部分區分開； 一圖像聚焦分析器，能夠操作以基於所述圖像在所述預定閥值或高於所述預定閥值的深度處的部分提供聚焦評分；以及 一焦距確定器，基於所述聚焦評分來確定焦距。
  22. 如請求項21所述的範圍區別器，其中，所述圖像產生器包括一用於在獲取所述圖像期間對所述場景進行照明的特徵特定照明器。
  23. 如請求項22所述的範圍區別器，其中，所述特徵特定照明器包括一紫外線照明源，且所述深度區別器基於所述圖像的部分之間的螢光差異將所述圖像的所述部分區分開。
  24. 如請求項22所述的範圍區別器，其中，所述特徵特定照明器包括一組合的暗場及亮場照明器，且所述深度區別器基於所述圖像的部分之間的反射率差異將所述圖像的所述部分區分開。
  25. 如請求項21到24中任一項所述的範圍區別器，其中，所述圖像聚焦分析器包括一照明器，所述照明器用於對所述場景進行照明，以用於增強所述圖像在所述預定閥值或高於所述預定閥值的深度處的所述部分的成像紋理。
  26. 如請求項25所述的範圍區別器，其中，所述照明器包括一暗場照明器。
  27. 如請求項25所述的範圍區別器，其中，所述照明器與所述特徵特定照明器共用至少一個共用照明元件。
  28. 如請求項21到24中任一項所述的範圍區別器，其中，為與所述部分的形狀無關地指派所述聚焦評分。
  29. 如請求項21到24中任一項所述的範圍區別器，其中，為與所述圖像在所述預定閥值或高於所述預定閥值的深度處的所述部分對應的每個圖元，單獨地指派所述聚焦評分。
  30. 如請求項21到24中任一項所述的範圍區別器，其中，所述圖像在所述預定閥值或高於所述預定閥值的深度處的所述部分是機器可識別的。
  31. 一種用於自動聚焦的範圍區別器，所述範圍區別器包括： 一目標識別器，包括一使用者介面，所述使用者介面使使用者能夠識別圖像中的物體的機器可識別特徵； 一特徵檢測器，能夠操作以識別圖像中的所述機器可識別特徵的至少一次出現而無論所述特徵的形狀如何；以及 一焦距確定器，確定到所述機器可識別特徵的焦距。
  32. 如請求項31所述的範圍區別器，其中，還包括用於在獲取所述圖像期間對所述物體進行照明的一特徵特定照明器。
  33. 如請求項32所述的範圍區別器，其中，所述特徵特定照明器包括一紫外線照明源，且所述特徵識別器基於其螢光來識別所述機器可識別特徵。
  34. 如請求項32所述的範圍區別器，其中，所述特徵特定照明器包括一組合的暗場及亮場照明器，且所述特徵識別器基於其反射率來識別所述機器可識別特徵。
  35. 如請求項32到34中任一項所述的範圍區別器，其中，範圍確定器包括一照明器，所述照明器用於對所述物體進行照明，以增強所述圖像中的所述物體的所述特徵的成像紋理。
  36. 如請求項35所述的範圍區別器，其中，所述照明器包括一暗場照明器。
  37. 如請求項35所述的範圍區別器，其中，所述照明器與所述特徵特定照明器共用至少一個共用照明元件。
  38. 如請求項31到34中任一項所述的範圍區別器，其中，所述物體的所述特徵包括一導電特徵。
  39. 如請求項38所述的範圍區別器，其中，所述物體的所述特徵包括位於所述導電特徵中的一凹痕。
  40. 一種用於自動聚焦的範圍區別器，所述範圍區別器包括： 一第一圖像產生器，包括一第一成像模態並提供在各種物理深度處的場景的第一圖像； 一深度區別器，將所述第一圖像在低於預定閥值的深度處的部分區分開，並提供深度區別圖像； 一焦距確定器，基於所述深度區別圖像確定焦距；以及 一第二圖像產生器，包括一第二成像模態，並提供在所述焦距處自動聚焦的所述場景的第二圖像。
  41. 如請求項40所述的範圍區別器，其中，所述第一成像模態包括組合的亮場及暗場照明，且所述第二成像模態包括暗場照明。
  42. 如請求項41所述的範圍區別器，其中，所述第二圖像產生器包括一全光照相機。
  43. 如請求項40所述的範圍區別器，其中，所述第一成像模態包括暗場照明，且所述第二成像模態包括組合的亮場及暗場照明。
  44. 如請求項43所述的範圍區別器，其中，所述第一圖像產生器包括一全光照相機。
  45. 一種用於自動聚焦的範圍區別器，其中，所述範圍區別器包括： 一投影儀，將重複圖案投射到包括各種物理深度的特徵的一物體上； 一感測器，獲取上面投射有所述重複圖案的所述物體的圖像； 一相位分析器，分析所述重複圖案的相移，且基於所述相移匯出所述特徵的所述物理深度的圖；以及 一聚焦分析器，確定到所述特徵中的至少一個的焦距。
  46. 如請求項45所述的範圍區別器，其中，所述重複圖案包括正弦重複圖案及二元重複圖案中的至少一種。
  47. 如請求項45或46所述的範圍區別器，其中，所述重複圖案具有足夠低的空間頻率，使得所述相位分析器能夠操作以使所述相移與所述物理深度唯一地相關。
  48. 如請求項45到47中任一項所述的範圍區別器，其中，所述物理深度的所述圖是二維圖或三維圖中的一個。
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