专利名称：检查基本平坦平面的发光器的制作方法
技术领域：
本发明涉及照射基本平坦的表面以对表面进行外观检查，更具体的是涉及照射印刷电路板以用机器对它进行外观检查。
背景技术：
现代印刷电路板通常是由多个层层叠而成的，每层的平面包括复杂图案的导电区，例如，由1-2密耳厚的铜片形成的导电区，导电区由不导电的基板区隔开。在电路板中间层中的任何一个故障都使整个电路板不能正常工作。因此，在制作过程中并且在叠层之前，需要对印刷电路板层每层上的外观、完整性和特征形状进行检查。
复杂印刷电路板层的检查一般是由机器进行光学检查。印刷电路板放在机器上，成像系统的聚光光学系统对电路板局部观察，接着进行扫描。当电路板通过聚光光学系统的视场时，它被适当的发光系统照射。
在现有技术的系统中，通常使用单个CCD阵列和发光器。这种传统阵列和发光器的长度通常不足以在一次通过中获得印刷电路板整个宽度上的图像。结果，除了沿基本扫描方向相对移动电路板和聚光光学系统外，为了得到整个电路板的图像，机器还必须另外地沿第二垂直方向移动电路板和聚光光学系统。结果得到复杂的图像，它由长的薄的连续条带组成，宽度约为0.5密耳，这是印刷电路板表面的不同部位顺序通过CCD阵列时顺序获得的。每个条带近似于CCD阵列的视场。
接着分析获得的图像并制备一张电路板的特征图。然后，利用计算机把得到的图与存储的预定特征的图或设计原则对比，看二者是否一致。
当印刷电路板不同部分暴露在光源下时，可以通过它们的反射行为来区分它们。例如，印刷电路板上的导电材料一般更多是镜面反射，而基板材料相对白光是漫射器，一般更多是漫射。因此，借助光谱反射性质的不同，有可能通过使用适当的颜色过滤镜以增强叠层和导体之间的对比度。
因为对从印刷电路板上获得的图像处理取决于对不同特征反射性质的分析，所以此过程对照射电路板所用的光高度敏感。例如，电路板是由多种材料制成，每种都有不同的反射性质。另外，电路板的表面有起伏不定的外形，这可以从导体的横截面形状以及表面微观结构看出来。结果，电路板的检查特征的反射强度或亮度不但取决于材料本身的反射性质，还依赖于其表面形貌。
在自动光学检查应用中，为了提供有效照射，有必要减轻形貌变化对电路板表面的影响。这样，通过使用有在较宽的立体发光角内射出光线的结构的光源，可以沿较细的线把光高度会聚。
可以认为，以下专利代表了用于印刷电路板自动检查的高强度聚光照射的技术状态授权给Karasaki等人的美国专利4,421,410，授权给Chadwick等人的美国专利4,877,326，授权给Koso的美国专利4,801,810，授权给Katzir等人的美国专利5,058,982，授权给Katzir等人的美国专利5,153,668。这些专利在此都作为参考文献。
在一些现有的发光器中使用了宽立体角会聚照射，电路板被检查的条带用来自三个线性发光源的光照射，这些发光源安装时基本平行于条带。采用长度与第一光源相同的圆柱透镜或椭圆柱镜子的一部分，来自第一发光源的光沿基本垂直于电路板的方向会聚到条带上。采用相似的透镜或镜子，来自第二发光源的光沿一个与电路板垂直方向成第一倾斜角的方向会聚到条带上。来自第三发光源的光类似地也会聚到条带上，方向与垂直方向成第二倾斜角。第二倾斜角与第一倾斜角大小相同，方向相反。在现有技术的一些发光器中，三个发光源的结构可产生会聚光的邻接立体角。
应该注意的是，为了区分这里使用的术语，轴上发光定义为平行工件平面的反射表面沿聚光光学系统轴线方向产生镜面反射的发光。轴外发光定义为被不平行于印刷电路板平面的表面反射入聚光光学系统的发光。在现有发光器中，轴上发光从基本垂直于被照射电路板区域的方向照射电路板，而轴外发光器每个分别从轴上发光的两侧照射电路板。
现有技术的宽立体角会聚发光器包括很多光学元件，为了得到宽立体邻接角的照射，必须精确定位这些光学元件。各种光源的安装也必须精确调整。并且，在受到振动和大的热交换的环境下这些安装和定位必须稳固和精确维持。另外，轴上发光和两个轴外发光区域之间的间隙或边界一般由把轴上和轴外发光会聚到电路板上的透镜和镜子的边缘确定。因此这些间隙和边界是明显的，并且一般是突出的。这使得难于确保轴上和轴外发光平滑混合，以在大角度照射范围内基本均匀照射在被照射条带的区域上。
作为上述这些困难的结果，现有技术聚光发光器的机器和光学元件要求非常小的公差，并且比较昂贵。同时这些困难限制了有效照射区域的长度在15cm的范围内，这个长度经常是小于被测电路板的宽度。
美国专利4,801,810示出了一个发光器，用于产生会聚光，但其设计完全不同。在此专利中，使用了包括大约半个椭圆柱的椭圆反射器照射印刷电路板的表面。椭圆的轴线与电路板的表面成一倾斜角，而此表面位于椭圆的一个焦点上，一个单独的发光源位于另一个焦点上。成像系统把电路板上的照射线成像，此照射线的角度与光源直接照射的角度大小相等(但方向相反)。此系统在电路板上产生不均匀的轴外照射线，并且不能单独调节轴上和轴外发光，因为仅使用了单一光源从所有方向照射电路板。
本发明概述下面概述本发明的发光器和对印刷电路板或它的组成层的检查。这些电路板的层上包括在不导电基板上的金属图案。但是，很明显地，本发明能应用于很多其它类型有图案表面的自动检查，例如，艺术作品、正负底片(光掩模)、复合电路(具有适当比例)等等。为了强调本发明的广泛应用，这里用术语“工件”代表这些广泛的用途。当提及印刷电路板本身或其组成层时，使用术语“印刷电路板”。
本发明一些优选实施例的一个特征是，从同一个看起来连续的光源对工件提供轴上和轴外照射，其中轴上和轴外发光的发光强度能分别调节。
从另外的角度看，本发明的这个方面提供了会聚的轴上和轴外发光的无缝的宽角度光源。其中，轴上和轴外发光的发光强度能分别调节。
现有技术的系统或者提供这种可调节的发光或者是无缝的发光。如上所述，这种无缝发光是所希望的，以避免印刷电路板图像的人为因素。轴上和轴外发光的单独调节是所希望的，以调节两个单独的发光，使发光均匀，或者用于解释被成像物体的不同反射性和粗糙度。例如，当观察光掩模时，其中黑线形成在清晰的基板上，而基板的成像是无光泽表面。当轴上发光是零以避免从这些“黑”线的镜面反射时达到最佳对比度。此时，线的反射虽然弱，但是是镜面反射。另外，印刷电路板图像的信噪比可通过相对轴上发光的强度减小轴外发光的强度得到优化。当轴外发光增强时，这会导致电路板非导电部分反射的增加和杂色的减少。
本发明一些优选实施例的一个方面是使得轴上发光的中心与工件表面成一个倾斜角度。另外，轴外发光的角度大小在轴上发光的两侧优选基本相等。
本发明一些优选实施例的另一个方面是提供轴上发光的中心与工件表面成一个倾斜角度。另外，此方面提供可单独调节的轴上和轴外发光。
据发明者所知，现有技术中提供轴上发光中心与印刷电路板表面成一个倾斜角度的系统，既没有可单独调节性，也没有在轴上发光两侧相等的轴外发光角度大小。
轴外发光相等角度大小导致较少的杂色，而倾斜发光使轴上和轴外发光之间没有间隙。但，这些性质组合在一个单独的发光系统中是现有技术中所不具备的。
进一步讲，现有技术中的非垂直轴上发光的系统可以基本上在被照射表面上方从所有方向上进行照射(除了成像系统的方向)。本发明者已经确定，应该限定轴外发光的范围，至少在观察印刷电路板时，因为当随着发光角增大，杂色减少时，从工件非金属部分来的信号比从金属部分来的信号增加得快，导致信噪比降低。
本发明一些优选实施例的一个方面是提供一种发光器，它产生宽立体角连续会聚照射，与很多现有宽角度会聚发光器相比，它包含较少的光学元件和/或不复杂的零件结构。
本发明一些优选实施例的另一个方面是，在一个发光器中，存在平滑无缝的轴外发光及轴上和轴外发光的无缝混合，即使当轴上和轴外光源强度不同时，也能产生宽立体角的连续照射。
本发明一些优选实施例的另一个方面是提供一种发光器，它产生的宽立体角会聚发光在工件表面上照射的条带比现有技术的宽立体角会聚发光照射的条带长。这使得，在一些检测中，简化系统所用零件的结构及其排列成为可能。
按照本发明一些优选实施例的另一个方面，提供了一种确定最佳虚发光源位置和大小的方法，当实际发光源中使用了漫射器时，此虚光源用作发光源。
本发明一些优选实施例的另一个方面是，提供了一种自动光学检查系统，其中，用按照本发明原则构造的发光器照射被检查的工件。
本发明一些优选实施例的另一个方面是，提供了一种检查工件的方法，此方法的步骤包括用按照本发明原则的发光器提供的发光照射工件。
本发明一些优选实施例的另一个方面是，在按照本发明原则的发光器中使用了适当的反射器，并提供了制造它的方法。
按照本发明优选实施例的一种发光器包括一个单独的线性光源，以下称为“轴上光源”，以提供轴上发光；还包括另一个不同的单独的线性光源，以下称为“轴外光源”，以提供轴外发光。
在本发明一个优选实施例中，第一轴外发光源基本放在反射器的一个焦点上，形成圆柱椭圆表面的一小部分。工件放在反射器的另一个焦点上，工件的取向与轴外发光成一角度，这样，如果工件是镜面反射器，那么从工件上反射的光的方向就不会再朝向镜子反射回来。因此，工件的表面不垂直于轴外发光的中心。
在本发明的一优选实施例中，在轴外光源和反射器间放置了一块窄长方形平面条形镜子，这样到达工件的轴外发光被分成两个不相接的部分，每部分的发光角基本相等并被一个角状楔形的间隙分开。安装成像聚光系统使得其轴线恰好截取轴外发光的最边缘。
在本发明的一个优选的实施例中，轴上光源基本放在椭圆的虚焦点上。此虚焦点是由平面条形镜反射的。来自此光源的光由镜子反射并与相对聚光系统的轴上发光一起照射到工件上。这两个光源在工件上产生无缝照射，因为来自轴外光源的光从不能覆盖条带的角度照射，而轴上光源仅从中心角度照射，填充了轴外发光部分之间的间隙。此系统是无缝的自我对准，能提供轴外和轴上发光，看起来就象从单一光源发出的，但却能实现分别调节轴上和轴外发光。
在本发明优选的实施例中，在每个轴外光源和轴上光源前面装有漫射器。这样每个光源都产生不同的更宽的有效发光源。本发明一些实施例的一个方面是提供确定得到的发光源的有效宽度和有效位置的方法。
本发明的一些优选实施例还有另一个方面是，提供对工件反射光的多谱探测。在本发明一个优选的实施例中，分别探测红、绿、兰，并通过加权(weighting)所测得的三个被测颜色的强度产生一个复合的“灰度等级”反射值。优选地，加权被确定以在印刷电路板(或对于其它工件，其中不同的元件具有不同的颜色)的金属和基板之间给出最佳对比度，并且加权是两种材料颜色的函数，是发光颜色和可能的发光范围的函数。应该理解的是，可以使用其它加权的方法，如过滤被反射的光，但是，这些方法不精确，并且一般不如加权信号有效。在本发明一个优选实施例中，对光预处理，如通过过滤，以便通过探测器提供对不同光谱区段基本独立的探测。
这样，按照本发明优选实施例，提供了一种在工件外观检查中用于照射工件的发光器装置，该发光器包括照射工件一部分的发光源，其轴上发光具有第一强度，轴外发光具有第二强度；和观察光学系统，观察所述工件一部分，并在一个角度方向范围内接收从工件反射的光，所述的角度方向范围限定所述的轴上发光，其中，所述轴上和轴外发光具有可以分别调节的强度并且看起来是从一个邻近的光源发出的。
按照本发明优选实施例，还提供了发光器装置，用于在工件外观检查中照射工件，此发光器包括照射工件一部分的发光源，其轴上发光以第一角度方向为中心并具有第一强度，轴外发光具有第二强度；和观察光学系统，观察所述工件一部分并在一个角度方向范围内接收从工件反射的光，其以第二角度方向为中心，所述的角度方向范围限定所述的轴上发光；其中，所述轴上和轴外发光的强度可以分别调节并且第一角度方向与第二角度方向不同。
优选地，轴外和轴上发光在第二角度范围内一起照射工件，所述第二角度范围以所述第一角度方向为中心。
优选地，发光照射工件的角度范围基本小于180°的总范围，更优选地小于100°。
按照本发明优选实施例，发光源包括产生轴上发光的第一发光源和产生轴外发光的第二发光源。优选地，第一光源和第二光源产生的发光照射工件而在轴上和轴外照射之间没有任何间隙。优选地，装置还包括一面镜子，它反射第一光源以照射工件。优选地，镜子具有一个宽度，并且第二光源位于镜子后面，这样镜子在此挡住了第二光源照射工件的发光，并且所述轴外发光包括从第二光源来的发光，它从镜子宽度的外侧通过。优选地，镜子安装在透明的基板上，基板的宽度大于镜子的宽度。
在本发明一个优选实施例中，第一光源和第二光源距离镜子的光学距离基本相等。
本发明一个优选实施例包括聚光镜，它接收第一和第二光源的发光并把光会聚在工件上。优选地，聚光镜包括椭圆形镜子部分。优选地，第一和第二光源光学上基本位于椭圆形镜子的焦点上。
在本发明优选实施例中，聚光镜包括一个基部，它具有镜子的一般形状，金属箔附着在基部上。优选地，通过对金属箔施以负压使金属箔附着在基部上。
在本发明优选实施例中，工件基本位于椭圆形镜子的第二焦点上。
在本发明优选实施例中，第一和第二光源是线光源。优选地，线光源包括辐射线光源和漫射器，来自所述线光源照射工件的光通过漫射器。
按照本发明优选实施例，还提供了工件外观检查的装置，包括按照前述任一权利要求所述的发光装置；和接收来自观察光学系统的光并产生相应图像信号的光学传感器。
优选地，该装置包括相对发光装置移动工件的部件，这样光学传感器产生的图像信号代表了工件的连续部分。
优选地，轴上发光在约4°-8°的角度大小范围内照射工件，更优选的是约6°。
在本发明优选实施例中，轴上和轴外发光在约30°-60°的角度大小范围内照射工件，更优选的是约39°-45°。
在本发明优选实施例中，工件包括印刷电路板。
按照本发明优选实施例，还提供了镜子，它包括具有镜子一般形状的基部；和形成镜子表面的金属箔，它是通过负压附着在基部上。
优选地，金属箔的厚度约为0.25-0.45mm，更优选的是约0.25-0.35mm，最优选的是约0.35mm。
按照本发明优选实施例，还提供了在外观检查中照射工件的发光系统，它包括线状辐射源，包括线光源；漫射器，位于线光源的一侧；和具有至少一个焦点的反射器，它位于漫射器离开线光源的另一侧，其中，位于线光源和漫射器之间的线状辐射源的有效位置位于反射器的焦点上。
按照本发明优选实施例，还提供了在工件外观检查中照射工件的发光系统，它包括在一个连续发光角度内朝工件发光的光源；阻挡住连续角度一部分内的光的阻挡元件，这样以阻挡角分隔的两部分发光从光源照射到工件。
优选地，装置包括聚光器，它接收未阻挡部分的光并把发光会聚到工件上。优选地，光源放在聚光器的焦点上。优选地，来自光源的光在聚光器的焦点被会聚。优选地，聚光器是镜子。
在本发明一个优选实施例中，聚光器是椭圆形镜子并且光源位于椭圆形镜子的一个焦点上，来自光源的光在椭圆形镜子的第二焦点会聚。
优选地，阻挡元件的位置是可调的，这样两个发光部分的角度大小是可调的。
优选地，阻挡元件在连续角度的阻挡部分内对工件提供照射。
在本发明优选实施例中，阻挡元件包括平面的条形镜子，它的镜面朝向远离光源的方向。优选地，装置包括一个另外发光源，向镜子提供照射，并从镜子上沿与光源发光方向基本相同的方向被反射。优选地，当从条形镜子的镜面侧观察时，光源位于相同的有效位置。
在本发明优选实例中，光源或另外光源中的至少一个的强度、极化强度和波长中的一个或多个能单独调节。
按照本发明优选实施例，还提供了自动光学检查系统，用于检查基本平坦的工件，包括如上所述的发光装置；给发光器照射的工件成像的成像器；和分析图像并确定工件中缺陷存在的图像分析器。
参考下面结合附图对优选实施例的描述，将能更清楚地理解本发明。在多个图中出现的相同的结构、元件或零件在所有图中出现它们的地方都用相同标号标记。在多个图中出现的相似的结构、元件或零件在所有图中出现它们的地方都用相似的一系列标号标记。
附图简述
图1是按照本发明优选实施例的发光器的简化剖视图；图2是按照本发明优选实施例的发光器的示意剖视图3是按照本发明优选实施例的漫射源的示意剖视图；图4表示按照本发明优选实施例的用于确定虚光源的跟踪光线，该光源与图3中的光源对应；图5示意地表示了按照本发明优选实施例的一种发光和构造一个长线性发光源的方法；图6是表示包括本发明发光系统的印刷电路板检测机的框图。
优选实施例简述图1表示了按照本发明的一个优选实施例的发光器10的简化透视图。发光器10包括一个柱面反射器或镜子12，镜子12有基本呈椭圆形的形状和有限的宽度，在其一个焦点上放置有轴外的基本均匀的线性发光源14，待光学检测的工件或其它基板16放在它的另一个焦点上。在轴外光源14和镜子12之间设置一个前表面条形镜子18，其反光面背向轴外光源14。条形镜子18的宽度可以使，从轴外光源14来的光被镜子12会聚并如图所示从两个宽度为β的扇形区到达基板16，两个扇形区被角度为γ的一个楔形区分开。需要注意的是，虽然图中条形镜子18安装在一个与其宽度相同的基板20上，但基板2 0的宽度可以大于装在其上的镜子宽度(如图2所示)。应理解的是，镜子12的位置和排列是可调的，以便调节每个扇形区的相对角度β。
窄基板20，如图所示，可以完全由金属制成。这种结构比使用宽的玻璃支撑体对轴外发光有更小的像差。在选用这两种结构时应至少部分地考虑条形镜的长度和系统稳定性的需要。在本发明一个优选实施例中，(β+γ/2)的大小约为15°-30°，最优选的是约19.5°-22.5°。在本发明一个优选实施例中，γ的大小约为4°-8°，最优选的是约6°。
按照本发明的一个优选实施例，一个第二、轴上线性发光源22，与轴外光源14相似，大体位于椭圆反射器的焦点经条形镜18反射的反射位。这样，来自轴上光源22的发光，经条形镜18反射，以与镜子18挡住来自光源14的发光相同的角度，即角度γ，照在椭圆反射器的另一个焦点上。
为了更清楚地理解图1中本发光系统一个优选实施例如何产生基本无缝的发光，假设仅打开轴外光源14。来自轴外光源14的光线照射到条形镜18的背面，并从条形镜的前面留下一条阴影射出。条形镜挡住这些光线，这样它们不能通过镜子18会聚到工件16上。那些没有照射到条形镜上的来自轴外光源14的光线从条形镜18的左右两边通过。
假设轴上光源22打开。来自邻近条形镜18前面的轴上光源22的光线照射到条形镜18的前面，并从那里反射到反射器12上。来自轴上光源22没有照射到条形镜上的光线到了条形镜的背面。
由于轴上光源和轴外光源在光学上基本处于同一点，来自轴上发光源的光线反射到条形镜的前面后，看起来是与来自轴外发光源的光线来自同一点。如果两个光源照射的角度相同，这些来自轴上光源的反射光线代替被条形镜挡住的间隙中的那些来自轴外光源的光线。条形镜“无缝”地把来自轴外发光源和轴上发光源的光线结合在一起，使所有在条形镜前面的光线看起来是从一个单独发光源发出的。系统的这种排列看起来不仅简单直观，而且比多数现有技术的系统苛刻要求性更小。并且，光学器件可以不象现有技术那样精确。最后，减少了器件数目，并且器件可更简单地(和廉价地)被制造和组装。
在本发明一个优选的实施例中，光源14和22是通过照射一个光纤束然后把光纤分成一个线光源得到的。这提供了均匀的线性发光源。
虽然通过改变条形镜18的位置可以调节左右轴外发光的扇形区角度，但已发现，优选的是左右轴外发光的扇形区角度基本相同。需注意的是，当每个左右轴外发光的扇形区角度相同时，镜子12被左右轴外发光区每个照射的部分不同。
还需注意的是，轴上和轴外光源的发光强度分别可以单独调整。这样可以在整个发光角度(2β+γ)内得到均匀的发光，或者使轴上或轴外发光中的一者的强度高于另一者。替代或另外地，轴外和/或轴上光源的极化强度或波长可以改变。
在本发明一个优选实施例中，镜子12由铝箔制成，铝箔的名义厚度优选地在约0.25mm到0.35mm之间，更优选地是约0.35mm±5μm。选取这些值可以使镜子得到合理精确度和稳定性。在本发明一个优选实施例中，镜子12通过真空固定安装在一个机加工零件13上(镜子的反射面朝向机加工零件外)，这样所需的光学光洁度表面由铝箔提供，其形状由机加工零件提供。
聚光光学系统24用于把工件上的受照线成像在多个探测器上(如CCD元件)，优选地是一个或多个线探测器25、26和27(如图1中的点所示，由于是从它们的端部观察的)。聚光光学系统24的轴线与工件之间成一定角度，以使它截取从工件上反射的轴上发光的中部光线，如果工件是一个镜面反射器。聚光光学系统的孔径可以使从这样的镜面上反射的轴上光充满聚光光学系统。在本发明一个优选实施例中，提供了一系列的轴向上分开的透镜或透镜系统形成一个光学阵列(图6)，这在下面将详细描述。每个透镜系统把工件上照射部分的多个优选重叠部分中的一个成像在CCD线25-27。
每个CCD线探测器包括这种探测元件的一个单独的轴线或几个元件宽的一个条带。这种条带优选成像工件上约0.5mm宽的一个条带区。在一个线探测器中的这种宽度和CCD元件的间距根据系统所需的检测分辨率可以调整。应该理解的是，在工件移动方向上的有效光学长度和CCD元件的间距取决于来自探测器的信号采样速率和工件通过发光器的速度。
在本发明一个优选实施例中，多光谱探测从工件上反射的光，每个线25-27对光谱的不同部分，优选的是不重叠部分敏感。在本发明一个优选实施例中，红、绿和兰被分开探测，并且通过加权三种被探测颜色的检测强度产生一个复合的“灰度等级”反射值。优选地，加权被确定以给出金属和裸露基板间的一个最佳对比度，并且是两种材料颜色、发光颜色和可能的发光范围的函数。应该理解的是，可以使用其它加权的方法，如用过滤器(未示出)过滤反射光。但是，这些方法与加权信号相比，精确度差并且效率低。在本发明一个优选实施例中，对光线预处理，如通过过滤，使不同的光谱区段由探测器进行基本独立的探测。当探测元件对重叠光谱区段敏感时，这是所希望的。
在本发明优选实施例中，对图1所示的基本系统进行了一个或多个改进和/或变化。这些改进将参考图2和图3进行描述。但是，应该理解的是，本发明优选的实施例可以有一个或多个，或没有图2和图3中的装饰。
按照本发明一个优选实施例，每个线性光源14和22(图1)包括，现在示于发光器110(图2)中，宽带发光源114和122。为简化示图，图2中仅有轴上光源122被示为延伸光源。从图2中很容易看出，轴上光源122照射工件116的区域具有给定的宽度而不是图1中所示线照射。
一般地，图示的发光系统有像差。由于轴外发光的接收角大于轴上发光的接收角，并且由于其聚光效应它依赖于镜子112的较大部分，因此在场的边缘强度更易变化。所以，在本发明一个优选实施例中，光源114比光源122宽。优选地，仅是工件被光源122均匀照射的部分才用于工件的分析。
图2也示出了安装条形镜118的基板120的有限厚度和宽度的影响。基板120的净效果将引起在光源114处的轻微折射，并且轴上和轴外发光的像差不同。这导致一个小的但常常是无可非议的，并且有时是所希望的，轴外和轴上发光连接的光滑性。优选的，把光源114稍微加宽以防止由于像差引起的发光均匀度的损失。
如同在被照射的条带区123的每一点所看到的轴上发光和轴外发光的相对辐射强度控制发光的均匀度。当控制轴上发光源发出的光线的辐射强度(单位面积和单位立体角的光通量)基本等于轴外发光源发出的光线的辐射强度时，被照射的条带区域123中的每一点被基本相等的发光强度照射，因为光线入射角在角度±(β+γ/2)之间。在这些条件下，在入射角为±(β+γ/2)之间的范围内，按照本发明一个优选实施例的发光器提供了基本均匀的照射。对于PCB的检测，全半角±(β+γ/2)优选地限制在小于30°，更优选的是约22.5°，以便得到最佳的对比度和信噪比。
在一个按照本发明优选实施例的发光器中，条形镜子118是一个窄的反射层或在长方形基板120的平表面上的沉积层，如一块玻璃板。条形镜子118和轴外光源114优选地相对于基板120定位，并且优选地，基板120应足够宽，以使所有来自轴外发光源的会聚在工件的一个条带上的光线通过玻璃基板120。
用于图2中所示的本发明优选实施例的优选发光源的结构表示在图3中。用于轴上和轴外发光的线性光源114和122优选地包括光学纤维136的端部，它们从至少一个纤维束138处展成扇形，这样末端是共平面的并且位于一个长窄长方形的稠密的线性阵列中。此纤维束的端部光学地连接到一个灯或多个灯150(图5)。来自灯的光线经过整个光纤达到线性阵列中光纤的端部，光线从此端部射出。
图5示意性地表示了按照本发明一个优选实施例的光源114的结构。按照本发明一个优选的实施例，要照射的是一个长的条形工件，优选的长度是660mm。为了提供这样长条形的照射并保证沿整个长条光强度均匀，使用多个光源，如高强度灯150(Osram公司的250W HLX反射型石英卤素灯比较适合)。每个灯150照射一束光纤38。如图5所示，优选地使用了四个灯150和四个光纤束138A-138D作为轴外光源114。在束138A-138D的一端光纤形成三组光纤端136A-136C。每组136A-136C包括四层156A-156D，每层由束138A-138D其中一束的光纤形成。这样，每组136A-136C包括四层光纤端面，每层由不同的光源照射。到达每组的所有光是相等的，并且这种相等不依赖于光源之间的平衡。
在本发明一个优选实施例中，四层的每组136A-136C首尾相接形成一个均匀的线性光源，四个光纤维层厚(约0.56mm)、长660mm。此光源在此已经并继续记为光纤维端部136。
在本发明的一个示例性实施例中，每个纤维束包含17025根纤维，每根纤维的直径为80微米。德国Schott公司的光学纤维束比较适合。
光源122的制作方式与光源144的相似，除了仅使用了两个纤维束和相应的灯之外。这样三组光纤维端部136中的每组仅有两层(每层来自于其中一束)，并且光源的厚度仅0.28mm。
在按照图3所示本发明光源的优选实施例中，从光纤维端部136射出的光射到一个漫射器140上，漫射器与光纤维阵列端部136平行，并与由光纤维端部阵列射出的基本呈楔形的光束中的中央光线基本垂直。
入射到漫射器上的光在漫射器上产生一个限制在一个宽度内的照射带，并且一旦通过漫射器，光看起来是从一个在漫射器后面的放大的虚线性光源发出的。
实际上，本发明者使用如图4所示的光线示踪技术已经发现，表观上的发光源既不是漫射器表面140，也不是光纤维端部136。光实际上看起来而是从位于实际光源后面的虚光源142发出的。但是，本发明者惊奇地发现，有效光源的位置和宽度与光纤维端部136和虚光源142的不同，它是由一个长的四边形条带144限定，条带144在这里称为“虚有效光源”。此光源位于虚线性光源142和漫射器140之间。虚光源的尺寸和位置主要由漫射器上的照射带的宽度151和孔152限定，孔152对于轴外光源在椭圆柱面镜子上，对于轴上光源在条形镜子上。它也受漫射器的漫射角δ影响。当工件实际由虚光源外的光照射时，此光提供的是非均匀照射，这是由于不是所有的光全部通过系统的孔产生的晕映造成的。
虚有效光源因此是对工件产生基本上是无晕映的照射的光源，并且为了照射工件，提供的是所希望的光照。优选地，反射器112的一个焦点光学上与虚光源144重合(校正了基板120对轴外光源的影响后)，结果会聚在工件上条带的照射强度沿条带宽度的均匀性得到改善。从远离反射器焦点区域发出的光和特别是来自虚有效光源以外的光不能聚焦在工件表面上。
按照本技术构造的发光器的光学元件像差一般地将扭曲和模糊有效光源的像。此效应进一步限制工件上均匀照射的区域，即接收在角度±(β+γ/2)内来自发光孔所有部分的光的区域。像差的效应将局部地遮盖发光孔的部分。一般地，轴外发光比轴上发光更容易扭曲，因为较大的光学孔和入射角常用于聚焦轴外发光而不是轴上发光。例如，在现有技术的发光器中，两个相互分离光学系统一般是用于轴外发光，而仅是一个光学系统用于聚焦轴上发光。
为了调节像差并补偿它们的影响，按照本发明一个优选的实施例，轴上和轴外光源的宽度是不同的，以使待检测工件上由轴上和轴外发光照射的条带比没有像差时所需的宽。每个相应光源所需的宽度由示踪光线确定，示踪光线来自工件上所需区域并通过所有透镜返回光源平面，同时解释了产生误差的原因。所需光源宽度应包围所有这些返回的示踪光线。在“加宽”的轴上和轴外条带内相对均匀被照射的条带被定位和用于检测工件。光纤维端36的位置和离开漫射器的距离选择成提供一个有效光源，其范围应在工件表面提供所需的由轴上和轴外发光照射的宽度。
如上所述，轴外发光比轴上发光更容易扭曲。按照本发明优选的实施例，轴外发光源的宽度优选的大于轴上光源的宽度，以使轴外发光比高质量的轴上发光照射工件上更宽的条带。扫描轴上发光和轴外发光重叠的区域，以定位最佳的、相对直的、没有扭曲的被轴上和轴外发光照射的条带。这个最佳的条带(一般比轴上发光照射的条带窄)是用于检测工件的成像系统的聚光光学系统被聚焦在其上的条带，也是在探测器上成像的条带。
在没有工件时，使用显微镜进行扫描，显微镜成像的光是由在轴上和轴外发光源被会聚以照射工件上一个条带的区域中的两发光源射出的。控制显微镜通过轴上和轴外发光被会聚区域的长度，并且当显微镜移动时精确监视它的位置。分析来自轴上和轴外光源并被显微镜成像的光，以确定最佳被照射条带的尺寸和位置，成像系统的聚光光学系统聚焦在此条带上。
从上述讨论可以看出，与多数现有技术的发光器相比，按照本发明优选实施例的发光器包括数目减少的光学元件，和/或容易制作的元件和/或容易组成发光器的元件。按照本发明优选的实施例，发光器使用两个光源和一个聚焦系统产生分别可以调节的轴上发光和基本对称的轴外发光用于被照射条带内的所有点。现有技术的发光器产生分别可以调节的轴上和轴外发光一般至少使用三个光源，每个光源都有自己的聚焦系统。结果，按照本发明优选实施例的发光器相比较是简单的，并且元件的机加工误差也不像现有技术发光器对元件机加工误差要求的那样严格。
这些优点的直接利益不仅仅是大大降低了制造成本。按照本发明优选实施例的发光器能在工件上照射的条带远长于那些现有技术的发光器有效照射的条带。这使得按照现有技术需要至少两次通过检查系统被检查的大工件，按照本发明优选实施例一次通过检查系统即可彻底检查。本发明的发明者发现，按照本发明优选实施例的发光器，对于长度大于60cm的工件上的条带能提供有效照射。
图6以框图表示了检查印刷电路板(PCBs)的系统，该系统优选地包含了按照本发明优选实施例的发光器。
如图6所示，检查系统200包括一个光学阵列260，它包括多个发光器10，每个有其各自的聚光光学系统24(图1)。
输送器262用于输送被检查的工件，例如PCBs264，按箭头266所示的输送方向通过光学阵列260。美国专利申请09/010，582和EP专利申请97300521.8描述了作为优选实施例的适合的输送器，以上专利在此作为参考文献。当PCBs264经过光学阵列260时被扫描的PCB 264条带的一系列光学图像构成输入信息被传送到计算机268。
在本发明一个优选实施例中，光学阵列260包括三个发光器单元10，每个单元包括各自的聚光光学系统24(图1)。每个CCD线25-27包括探测器的不连续线。各个聚光光学系统把工件表面的线性片段成像在线探测器25-27的一部分上。优选地，各个视场的聚光光学系统稍微重叠，以使这些部分能互相参考，或更优选地，合成一个完整的工件图像。结合后的聚光光学系统视场，优选地，大体上伸展到整个输送器260的宽度。
并且，应注意，在本发明的一个优选实施例中，三个CCD线25、26和27每个分别代表红、绿、兰色谱，并且是偏移的，以使它们的成像稍微偏离在工件照射部分上的线。这样当工件在发光源下面移动时，由探测器线接收的图像将通过探测器线的分隔而偏移。按照本发明优选实施例，这些多颜色图像以及聚光光学系统的相对偏移通过计算机处理被重新排列，它同时考虑了线25、26和27的间距以及PCB264的速度。
图像的重建和随后的处理由计算机268完成。光学校正电路270用于重建被检查PCB的图像，并补偿所得图像中的光学像差。在一个通常周期性地进行的过程中，使用已知结构的测试图形在系统200上进行检查。对扫描测试图形的结果进行处理以确定光学像差，优选地包括从光学阵列260得到的图像的相应空间排列、图像重叠、累计时间的不同等等。离线计算必要的校正，结果贮存在一个绘图功能发生器272中。在线检查期间，贮存在绘图功能发生器272中的光学校正数据提供给光学校正电路270，并用于影响从光学阵列260得到图像的光学校正和重建被检查PCB的光学校正图像。
光学校正电路270把一个校正传感器阵列输出提供给图像预处理电路274。图像预处理电路274优选地提供分段输出信号，把由校正传感器阵列输出代表的图像上的所有区域分成类别。例如，对于PCBs，校正传感器阵列输出所代表的图像上的每个位置由分段输出信号识别，作为叠层或导体。另外，基于某些彩色光谱中预定的灰度值，图像预处理电路274可提供单独的分段信息，例如由此零外地区分怀疑为氧化铜或非氧化铜的区域。
图像预处理电路274的分段输出信号供给图像处理电路276。图像处理电路276产生图像处理输出，识别PCB上图像的各种特征和它们各自的位置。对于印刷电路板，这些特征通常是焊点、导体连接和导电通道、通路等等，以及它们的宽度、短路和不连续性的信号。优选地，图像处理电路是基于形态的系统，但有多种选择，如点位图、网表、设计原则，或基于其它适合的输入的轮廓，或以上的组合。
图像处理电路276的图像处理输出供给特征列表寄存电路278，它把图像处理电路276的输出坐标系统变换成一个参考坐标系统。使用本领域公知的动态寄存的方法，根据特征参考源280提供的信息，例如，美国专利5495535中所描述的，这种寄存变换可被动态调谐。
特征列表寄存电路278的输出和特征参考源280的输出供给特征比较电路282。此电路将现在寄存的图像处理电路的输出图与贮存在特征参考源280中的参考信息进行比较，并输出缺陷信号。这种缺陷，在印刷电路板的检查中，通常包括缺少所需的特征，存在不需要的特征，连接件的短路或不连续，不正确的形状特征、氧化及类似的缺陷。特征比较电路282的输出送到缺陷输出发生器电路284，准备一份PCB上发现的缺陷的报告，然后可用于帮助手工检查PCB上的缺陷区。适当地，对缺陷的PCBs可以修理或丢弃。
虽然检查系统200的某些特征已经描述成用硬件实现，但应该明白的是，这样的特征也可以用软件、固件或软件和固件的组合实现。并且，这些功能可以用软件、固件和上述硬件组合来实现。
虽然参考某些优选的实施例对本发明作了描述，对于本领域熟知的人员来说，在不偏离以上原则的精神和范围的情况下，各种修改是显而易见的和容易做到的。特别是，本发明的某些实施例可能没有以上所描述实施例的所有特征，并且本发明一些实施例可能综合了上述本发明不同实施例的特征。因此，应该明白的是，本发明可以在不偏离下面详述的权利要求范围内以其它形式出现。
权利要求
1.一种在对工件外观检查中用于照射工件的发光器装置，该发光器包括一个照射工件一部分的发光源，其轴上发光以第一角度方向为中心并具有第一强度，其轴外发光具有第二强度；和一个观察光学系统，观察所述工件的部分并在一个角度方向范围内接收从工件反射的光，其以第二角度方向为中心，所述的角度方向范围限定所述的轴上发光；其特征在于，所述的第一强度和第二强度可以分别调节，并且第一角度方向与第二角度方向不同。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，轴外和轴上发光在第二角度范围内一起照射工件，所述第二角度范围基本以所述第一角度方向为中心。
3.一种在对工件外观检查中用于照射工件的发光器装置，该发光器包括一个照射工件一部分的发光源，其轴上发光具有第一强度，轴外发光具有第二强度；和一个观察光学系统，观察所述工件的部分并在一个角度方向范围内接收从工件反射的光，所述的角度方向范围限定所述的轴上发光；其特征在于，所述轴上和轴外发光具有可以分别调节的强度并且所述轴上和轴外发光看起来是从一个连续光源发出的。
4.如前述任一权利要求所述的装置，其特征在于，发光照射工件的角度范围基本小于180°的总范围。
5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，发光照射工件的角度范围基本小于100°的总范围。
6.如前述任一权利要求所述的装置，其特征在于，发光源包括产生轴上发光的第一发光源和产生轴外发光的第二发光源。
7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，第一光源和第二光源产生的发光照射工件而在轴上和轴外发光之间没有任何间隙。
8.如权利要求6或7所述的装置，其特征在于，还包括一面镜子，它反射第一光源以照射工件。
9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，镜子具有一个宽度，并且第二光源位于镜子后面，这样镜子在此挡住第二光源照射工件的发光，并且所述轴外发光包括从第二光源来的发光，它从镜子宽度的外侧通过。
10.如权利要求8或9所述的装置，其特征在于，镜子安装在透明的基板上，基板的宽度大于镜子的宽度。
11.如权利要求6-10任一所述的装置，其特征在于，第一光源和第二光源距离镜子的光学距离基本相等。
12.如权利要求6-11任一所述的装置，其特征在于，还包括聚光镜，它接收第一和第二光源的发光并把光会聚在工件上。
13.如权利要求12所述的装置，其特征在于，聚光镜包括椭圆形镜子部分。
14.如权利要求12所述的装置，其特征在于，第一和第二光源光学上基本位于椭圆形镜子的焦点上。
15.如权利要求12-14任一所述的装置，其特征在于，聚光镜包括一个具有镜子一般形状的基部，和粘附在基部上的金属箔。
16.如权利要求15所述的装置，其特征在于，通过对金属箔施以负压将金属箔粘附在基部上。
17.如权利要求14-16任一所述的装置，其特征在于，工件基本位于椭圆形镜子的第二焦点上。
18.如权利要求6-17任一所述的装置，其特征在于，第一和第二光源是线光源。
19.如权利要求18所述的装置，其特征在于，线光源包括一个发射线光源和一个漫射器，来自所述光源照射工件的光通过漫射器。
20.一种对工件外观检查的装置，包括按照前述任一权利要求所述的发光装置；和接收来自观察光学系统的光并产生相应图像信号的光学传感器。
21.如权利要求20所述的装置，其特征在于，发光装置包括相对发光装置移动工件的部件，这样光学传感器产生的图像信号代表了连续的各工件部分。
22.如前述任一权利要求所述的装置，其特征在于，轴上发光在约4°-8°的角度大小的方向范围内照射工件。
23.如权利要求22所述的装置，其特征在于，轴上发光的角度大小约为6°
24.如前述任一权利要求所述的装置，其特征在于，轴上和轴外发光在约30°-60°的角度大小的方向范围内照射工件。
25.如权利要求24所述的装置，其特征在于，轴上和轴外发光的角度大小约为39°-45°。
26.如权利要求20-25任一所述的装置，其特征在于，工件包括印刷电路板。
27.一种镜子，包括具有镜子一般形状的基部；和形成镜子表面的金属箔，它是通过负压粘附在基部上。
28.如权利要求27所述的镜子，其特征在于，金属箔的厚度约为0.25-0.45mm。
29.如权利要求28所述的镜子，其特征在于，金属箔的厚度约为0.25-0.35mm。
30.如权利要求28或29所述的镜子，其特征在于，金属箔的厚度约为0.35mm。
31.一种照射工件的发光系统，包括线状辐射源，包括线光源；漫射器，它位于线光源的一侧；和具有至少一个焦点的反射器，它位于漫射器离开线光源的另一侧，其中，位于线光源和漫射器之间的线状辐射源的有效位置位于反射器的焦点上。
32.一种在工件外观检查中照射工件的发光装置，包括在一个连续发光角度内朝工件发光的光源；阻挡连续角度一部分上的光的阻挡元件，这样由阻挡角度分隔的两部分发光从光源照射到工件上。
33.如权利要求32所述的装置，还包括聚光器，它接收未阻挡部分的光并把发光会聚到工件上。
34.如权利要求33所述的装置，其特征在于，光源设置放在聚光器的焦点上。
35.如权利要求33或34所述的装置，其特征在于，来自光源的光被会聚在聚光器的一个焦点上。
36.如权利要求32-35任一所述的装置，其特征在于，聚光器是一个镜子。
37.如权利要求35所述的装置，其特征在于，聚光器是椭圆形镜子并且光源位于椭圆形镜子的一个焦点上，来自光源的光在椭圆形镜子的第二焦点被会聚。
38.如权利要求32-37任一所述的装置，其特征在于，阻挡元件的位置是可调的，这样两个发光部分的角度大小是可调的。
39.如权利要求32-38任一所述的装置，其特征在于，阻挡元件在连续角度的阻挡部分内对工件提供照射。
40.如权利要求32-39任一所述的装置，其特征在于，阻挡元件包括平面的条形镜子，它的镜面朝向远离光源的方向。
41.如权利要求40所述的装置，还包括一个另外发光源，向镜子提供照射，并从镜子沿与光源发光方向基本相同的方向被反射。
42.如权利要求41所述的装置，其特征在于，当从条形镜子的镜面侧观察时，另外光源和光源位于相同的有效位置。
43.如权利要求41或42所述的装置，其特征在于，光源和另外光源中的至少一个光源的至少强度是可单独调节的。
44.如权利要求41-43所述的装置，其特征在于，光源和另外光源中的至少一个光源的至少极化强度是可单独调节的。
45.如权利要求41-44所述的装置，其特征在于，光源和另外光源中的至少一个光源的至少波长是可单独调节的。
46.一种用于检查基本平坦的工件的自动光学检查系统，包括如权利要求32-45任一所述的发光装置；给发光器照射的工件成像的成像器；和分析图像并确定工件中缺陷存在的图像分析器。
全文摘要
一种在对工件外观检查中用于照射工件的发光器装置,该发光器包括:一个照射工件一部分的发光源,其轴上发光以第一角度方向为中心并具有第一强度,其轴外发光具有第二强度;和一个观察光学系统,观察所述工件的部分并在一个角度方向范围内接收从工件反射的光,其以第二角度方向为中心,所述的角度方向范围限定所述的轴上发光;其中,所述的第一强度和第二强度可以分别调节,并且第一角度方向与第二角度方向不同。
文档编号G01N21/956GK1314997SQ98814188
公开日2001年9月26日 申请日期1998年6月16日 优先权日1998年6月16日
发明者伊加尔·卡齐尔, 埃亚·泰克曼, 伊迪·吉诺萨沙卜泰·内格瑞, 亚伯拉罕·格罗斯, 奥迪德·阿尔农 申请人:奥宝科技有限公司