专利名称：照明系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及电子电路的自动光学检测(Automated Optical Inspection, AOI)的照明，且更具体地但不唯一地涉及适用于通常用于AOI的线性或时间延迟积分(Time Delayand Integration, TDI)型传感器的照明。
背景技术：
在包括印刷电路板(PCB)、平板显示器(FPD)、芯片载体、集成电路等的电子电路的检测中通常使用AOI系统。所使用的照明预处理图像以便强化需要检测且抑制噪声的特征。照明的改进已经部分地通过减少视觉计算机所需的计算来提高视觉系统的性能。这意味着理想的照明组合将提高图像质量以便提高AOI系统的决定做出处理的效率。根据操作模式和所检测的产品的类型，AOI系统通常具有预定的照明组合。光源相对于物体的可视位置很重要。将照明的角度计算为检测算法，会提高测量的精度。而且，照明的角度在周围物体可能干扰目标物体的照明的某些应用中可能尤其重要。一个示例是电路板上的高组件会妨碍照明或者阻挡相机系统照明/成像目标组件。另一个示例可以是焊料沉积物会降低物体的某一元件的可视化。科勒照明是一种在发射或反射光显微镜学中使用的样本照明的方法。光的均勻性对于在显微照相时避免阴影、强光和对比度不足来说很重要。科勒照明通过产生平行光线以便穿过样本而克服了先前方法的局限。由于穿过样本的光线是平行的，因此它们在形成样本的图像从而去除灯的灯丝的图像时不能对焦。当光源针对物体被成像在无限远时会得到真实的科勒照明。科勒照明代表另一种已知类型的显微镜照明结构(称作临界照明)的极端。在临界照明中，光源被成像在物体表面上。在当代的显微镜 中，通过将物理光源(例如灯的灯丝)成像到物镜的后聚焦面会得到科勒型照明。由于绝大多数显微镜物镜光学设计中的物镜出瞳(孔径光阑的图像)也位于这个平面，因此设计良好的显微镜通常是远心成像器。明确地说，当入瞳通过光学器件而被形成在无限远时，成像变成远心的。严格来讲，远心成像仅在小于入瞳的直径的视场上是可能的。这样的情形在小物体的显微镜方法中是非常普通的。尽管在光学检测系统中远心成像存在许多优点，但是实际的PCB或FPD检测系统很少是远心的，因为相机视场通常比成像透镜的入瞳宽得多。在利用狭角度光源照射诸如FPD之类的镜面反射物体的情况下，所述照明朝着视场边缘是逐步渐晕的。结果，通过光源象角的不同部分来成像视场的不同部分。为了克服渐晕，通常将光源象角制成过宽，从而会导致对比度降低、光利用效率较低及杂光较多。在许多入射光显微镜中发现的另一个有用特征是可选择的亮视场照明或暗视场照明。明确来讲，亮视场照明对应于更普遍的情形，即其中照明光线在通过镜面反射基板的反射之后都进入成像透镜入瞳。当基板仅被在通过平面基板反射之后撞击入瞳外面的光线照明时会产生暗视场照明。在暗视场模式中，仅边缘和其它表面不规则性将光反射到相机，因此对于提高用于检测目的的那些特征来说是有用的。在一些已知的用于产生延长照明形状的能量有效照明结构中，例如使用柱状集中器(concentrator)将有效光源基本上聚焦在至少一个方向上。这样的现有照明器在一个方向上可被表征为“临界”。
发明内容
本发明的某些实施例的一方面是提供一种在诸如线性或TDI型相机的延长视场上投射准Iambertian发射的照明系统。根据本发明的某些实施例，延长视场上的投射是利用类似科勒照明(Kfthte-lite iltaniiBttei)的阵列来实现的。如此处定义的，类似科勒照明是指在任何方向上非临界的照明。在物理发光表面(例如有效光源(但其自身不必是物理光源))被成像到成像透镜而不是被成像在物体表面的层面上，根据本发明某些实施例的照明是类似科勒的。在某些示例性实施例中，有效光源被成像到成像透镜的入瞳，其并不位于无限远。结果，来自每个有效光源点的光线并未严格地平行或者校准，因为它们撞击到物体，而是相反会聚到成像透镜的入瞳。通常，由于目标物体与成像透镜的入瞳之间的距离基本上大于入瞳的直径，例如，比类似科勒照明大的数量级可被认为基本上被校准。根据本发明的某些实施例，类似科勒照明在延长区域上既均匀又非渐晕。如此处定义的，延长区域是宽高比大约为10:1或更大的区域，例如，宽高比大于6:1。通常，在横跨且以考虑机械和系统公差的安全容限填满相机视场的区域上照明目标物体。通常，大部分的填满是沿着缩小维度(narrower dimension)来提供的。可选地,该安全容限范围是例如从比该缩小维度大两倍到比该缩小维度大100倍或更多。例如，在线性传感器的情况下，视场可以具有10微米的狭窄维度，而物体上被照明区域的狭窄维度可以具有I毫米的长度。在另一示例中，在例如具有100条线的TDI或类似传感器的情况下，视场可以具有近似I毫米的狭窄维度，而物体上被照明区域的狭窄维度可以具有大约2到3毫米的长度。可选地，更少的填满利用更大的宽高比，例如通过在分立的光源阵列中增加分立的光源的数量，也是可能的。在某些示例性实施例中，类似科勒照明的阵列由耦接到透镜阵列的分立光源阵列构成。通常，阵列中的透镜之间无空间地被并排布置，以便在延长视场上提供基本上空间不变的照明。如此处所使用的，空间不变的照明是指具有象角的照明或者“照明的天空(skyof illumination)”，如从被照明区域内的任一点所观察的，该照明的天空对于被照明区域内的所有点都是相同的。根据本发明的某些实施例，阵列中的每个类似科勒照明将“照明的天空”的分立部分投射到目标物体，所述部分具有与它的光源的形状相同的形状。如果每个分立光源以相同形状和强度进行发射，则结果是如从目标物体观察到的、连续的例如空间不变的象角，其中被照明区域上的每一点接收相同照明。在某些示例性实施中，分立光源的阵列被空间光调制器(SLM)的阵列替代和/或与空间光调制器(SLM)的阵列耦接。按照如对于不同应用所需的要求，SLM对它的光源规定随意修改的属性。可选地，SLM用于在成像期间交替地提供亮视场照明和/或暗视场照明。
根据本发明的某些实施例，照明系统包括物镜，用于将通过透镜阵列发射的照明形成一角度且引导到成像系统的成像瞳孔。本发明的某些实施例的一方面提供了一种用于照明线性或高宽高比区域图像传感器的延长视场的方法，所述方法包括利用多个分立的光源提供延长场形状的照明；和向待成像的物体投射所述照明；其中在物体上投射的所述照明沿着在物体上的延长场形状在强度和辐角分布上基本空间地不变。可选地，所述方法包括将所投射的照明成像到用于对物体成像的成像单元的成像透镜入瞳，其中所述入瞳的直径是比物体与成像透镜之间的距离小的至少一个数量级。可选地，所述图像传感器的视场具有大于40:1的宽高比。可选地，所述照明在所述延长视场上非渐晕。可选地，所提供的照明被适配成非远心成像所述延长视场。可选地，所提供的照明是从SLM输出的。可选地，所提供的照明是利用环形辐角分布的暗视场照明。可选地，延长场形状的照明是利用通过透镜阵列投射的光源阵列来提供的，其中阵列中的透镜之间没有空间地相邻。可选地，每个光源和相应透镜向具有基本类似于光源形状的角形状的延长视场投射分立的照明部分，并且其中，所述分立的照明部分之间基本上没有空间地相邻并且在所述延长视场上提供照明。可选地，通过光源阵列和透镜阵列的每个相应透镜从每个光源投射的照明是类似科勒照明。可选地，所述方法包括将通过透镜阵列的全部透镜投射的照明弓丨导到图像传感器的成像透镜光圈。可选地，所述引导是利用物镜提供的。可选地，所述物镜是平凸透镜。可选地，所述物镜是菲涅耳透镜。可选地，所述阵列的光源是每个在总角度为25度到35度上发射的狭角度光源。可选地，所述透镜阵列的宽高比小于10:1。可选地，所述光源阵列是LED灯阵列。可选地，所述光源阵列是从光纤束阵列投射的。可选地，所述方法包括从单个中央光源馈送全部光纤束。可选地，所述中央光源包括定义由所述中央光源发射的光的形状的SLM。可选地，所述光源阵列是利用基于SLM的集成投影光学引擎形成的。可选地，所述SLM提供亮视场照明或暗视场照明之一。可选地，所述SLM提供具有由SLM形成的环形照明的暗视场照明。可选地，所述环形照明的内径被定义为等于或大于用于对延长视场成像的成像透镜的入瞳。可选地，所述SLM提供具有由SLM形成的圆形照明的亮视场照明，其中所述圆形照明的直径等于或小于用于对延长视场成像的成像透镜的入瞳。本发明的某些实施例的一方面提供了一种用于照明线性或高宽高比区域图像传感器的延长视场的照明系统，包括透镜阵列，其中所述阵列中的透镜之间没有空间地相邻；光源阵列，每个光源具有一种形状，其中所述光源阵列中的每个光源被布置成通过所述透镜阵列中的相应透镜投射光；和其中每个光源和相应透镜向具有基本类似于光源形状的角形状的延长视场投射分立的照明部分，并且其中，所述分立的照明部分之间基本上没有空间地相邻并且在所述延长视场上提供照明。可选地，光源阵列和透镜阵列的每个光源和相应透镜提供类似科勒照明。可选地，所述阵列的光源是每个在总角度为25度到35度上发射的狭角度光源。可选地，所述延长视场具有大于40:1的宽高比。可选地，所述透镜阵列的宽高比小于10:1。可选地，来自所述光源阵列的照明被成像到用于对物体成像的成像单元的成像透镜入瞳，其中所述入瞳的直径是比物体与成像透镜之间的距离小的至少一个数量级。可选地，所述照明系统还包括物镜，其中所述物镜被适配成将通过所述透镜阵列的全部透镜投射的照明引导到图像传感器的成像透镜光圈。可选地，所述物镜是平凸透镜。可选地，所述物镜是菲涅尔透镜。可选地，所述光源阵列成月牙形状角度，所述月牙形状被定义为将照明引导到图像传感器的成像透镜光圈。可选地，所述透镜阵列成月牙形状角度，所述月牙形状被定义为将照明引导到图像传感器的成像透镜光圈。可选地，所述光源阵列是LED阵列。可选地，所述光源阵列是从光纤束阵列输出的。可选地，所述阵列中的全部光纤束投射从中央光源馈送的照明。所述中央光源包括SLM，且其中所发射的光具有由SLM定义的形状。可选地，所述光源阵列是从SLM阵列输出的。可选地，所述光源阵列由基于SLM的集成投影光学引擎形成。可选地，所述SLM提供亮视场照明或暗视场照明之一。可选地，所述SLM提供具有由SLM形成的环形照明的暗视场照明。可选地，所述环形照明的内径被定义为等于或大于用于对延长视场成像的成像透镜的入瞳。可选地，所述SLM提供具有由SLM形成的圆形照明的亮视场照明，其中所述圆形照明的直径等于或小于用于对延长视场成像的成像透镜的入瞳。可选地，阵列中的全部光源是相同的。可选地，阵列中的全部透镜是相同的。可选地，阵列中的透镜是球面透镜。可选地，所述照明系统被适配成非远心成像延长视场。本发明的某些实施例的一方面提供了 一种用于在自动光学检测系统中扫描基板的方法，所述方法包括提供基板；按照此处上面所述的方法照明所述基板；对所述基板成像；分析来自所述成像的输出以便识别所述基板中的缺陷；报告所述缺陷。可选地，所述方法包括利用多个照明配置照明所述基板。
可选地，所述多个照明配置包括暗视场照明和亮视场照明中的至少一个。本发明的某些实施例的一方面提供了一种自动光学检测系统，包括成像单元，包括至少一个相机和至少一个照明单元，其中所述至少一个照明单元如此处上面所述；扫描单元，被配置成提供用于检测的基板与成像单元之间的转换；控制器，被配置成协调扫描单元的转换、至少一个照明单元的照明以及至少一个相机的图像捕获。可选地，所述至少一个照明单元被适配成提供多个照明配置。可选地，所述多个照明配置包括暗视场照明和亮视场照明中的至少一个。除非相反定义，此处使用的所有技术和/或科学术语具有与本发明所属的技术人员之一通常理解的含义相同的含义。尽管在本发明的实施例的实践或测试中可以使用类似于或等价于此处描述的那些方法和材料，但是下面描述示例性方法和/或材料。在冲突的情况下，包括定义的专利说明书将对其进行控制。另外，所述材料、方法和示例仅仅是图解性的，且不意欲是必要的限制。
此处参考附图仅通过举例描述了本发明的某些实施例。现在详细地特别参考附图，强调的是，所示出的细节是举例说明并且用于本发明实施例的图示性讨论目的。在这点上，对附图进行的描述对于本领域技术人员来说显而易见的是可以如何实践本发明的实施例。附图中图1是示出根据本发明某些实施例的用于照明延长视场的照明系统的光学组件的示例性示意图；图2A和图2B是根据本发明某些实施例的在两个正交平面上利用成像系统照明的光学设计的示例性示意图；图3是根据本发明某些实施例的照明系统的替换光学组件的示例性示意图；图4A和图4B是根据本发明某些实施例的基于替换光学组件在两个不同平面上的光学设计的示例性示意图；图5是根据本发明某些实施例的针对使用分束器的照明系统的光学设计的示例性示意图；图6是根据本发明某些实施例的针对不需要分束器的照明系统的替换光学设计的简化示意图；图7A是根据本发明某些实施例的照明系统的光纤单元的示例性示意图；图7B和图7C是根据本发明某些实施例的照明系统的机械结构的示例性示意图；图7D是根据本发明某些实施例的示例性光纤束的横截面示意图；图8A是根据本发明某些实施例的用于照明延长视场的基于SLM的照明系统的光学组件的示例性示意图；图SB是根据本发明某些实施例的馈入照明系统的光纤束的SLM光源的光学组件的示例性示意图；图SC和图8D示出了根据本发明某些实施例的用于分别提供暗视场照明和亮视场照明的SLM图像；
图9A和图9B是根据本发明某些实施例的照明系统的两个相邻透镜之间毗接的目标物体的区域上的基于SLM照明系统的发光路径和输出的示例性示意图；图10是根据本发明某些实施例的具有集成投影光学引擎的基于SLM照明系统的示例性示意图；图11是根据本发明某些实施例的包括照明系统的AOI的扫描系统的示例性方框图；和图12A和图12B示出了根据本发明某些实施例的使用照明系统在示例性模拟中在入瞳接收的发光。
具体实施例方式本发明涉及用于电子电路的自动光学检测(AOI)的照明，且更具体地，但不唯一地涉及适用于通常用于AOI的线性或TDI型传感器的照明。照明的能量效率以及可编程性在AOI中是重要的方面。关于能量效率，在AOI期间，利用线性或TDI型传感器逐行地顺序捕获被检测基板的图像。然而被检测基板通常在逐O. 5米到逐3米之间测量，那些传感器的瞬时视场通常是40毫米到100毫米宽以及O. 005微米到1000微米长，本发明的某些方面也可以应用于更大或更小的基板。因此，待照明的延长区域通常具有在40比I与150比I之间的宽高比。如果照明区域的形状不匹配相机视场的延长形状，则可能浪费用来照明的大多数能量并且可能严重地降低照明系统的能量效率。例如，如果被照明区域的形状是设计用来覆盖延长区域的单个圆形区域，则将浪费用来照明的大多数能量。针对AOI的照明的一个重要方面是光的均匀性。光的均匀性对避免可能妨碍面板的正常检测的阴影、强光和不充分对比度通常很重要。在显微镜方法上，例如，当捕获显微照片以便通过形成穿过样本的平行光线来克服那些限制时，已经使用了科勒照明。通常，在显微镜学上，需要照明的视场是圆形视场和/或宽高比大约为I的视场。针对AOI的照明的另一个重要方面是多功能性。通常，不同类型的应用需要不同类型的照明。例如，一些应用需要亮视场照明，而其它应用需要暗视场照明。另外且独立地，对于不同的应用可以使用不同组合的波长和照明的强度。在显微镜照明器的光圈平面合并通常为透射IXD型的SLM已使得能够可编程地选择投射到被检测基板的光的象角(angularfield)。本发明的某些实施例的一方面提供了具有延长场形状的照明，该延长场形状在二维延长场上是基本上空间不变的。根据本发明的某些实施例，该延长场形状基本上匹配相关成像器的视场的形状和大小。典型地，该延长场形状覆盖大于相关成像器的视场的区域。根据本发明的某些实施例，所述照明在延长照明区域中的每一点提供了基本相同的照明象角。优选地，所述照明在照亮视场上基本均匀。所述延长形状照明是通过类似科勒照明的阵列提供的。在某些示例性实施例中，每个类似科勒照明是由耦接到透镜的分立光源构造的。由这些实施例形成的照明在每个分立光源被成像到成像透镜的入瞳的层面上是类似科勒的。典型地，大约20毫米的入瞳测量位于离物体大约250毫米远的距离处。由于所述距离通常是大于瞳孔的数量级，因此所述照明可被认为是被基本校准。发明人已经发现，在这样的实施例中照明是额外相对无渐晕的，基本上移位不变的，且例如可以具有在亮视场和暗视场照明模式之间的不同转换。 根据本发明的某些实施例，类似科勒照明的阵列中的透镜以在透镜之间没有空间的单元阵列来提供，并且在延长视场上利用分立的光源来提供基本上空间不变的照明。可选地，透镜阵列是单个单元且通过喷射模塑法(injection molding)来制造。本发明人已经发现类似科勒照明的阵列在延长照明视场上提供了优良的光效率。根据本发明的某些实施例，分立的光源是发光二极管(LED)和/或LED灯。可选地，该光源是狭角度光源，例如耦接到灯的光纤光导/通常在总角度为25到35度上发射的反射器组合。本发明人已经发现使用狭角度光源提高了照明的象角的可控制性。根据本发明的某些实施例，照明系统规定了容易变动的发光参数，例如光的颜色、形状和强度，而不变动与照明系统相关联的照明光学器件。根据本发明的某些实施例，从光源接收的照明的角度范围在照明系统中保持基本不变。根据本发明的某些实施例，分立光源的阵列可被替换和/或耦接到SLM的阵列。可选地，SLM是数字微镜装置(DMD)、硅上液晶(LCoS)型和/或IXD之一。根据本发明的某些实施例，SLM被用来按需投射不同的象角，例如暗视场照明和/或亮视场照明。本发明人已经发现，经由与如此处描述的专门设计的光学架构耦接的SLM的阵列的照明在延长场内的每一点处能够提供完全可编程的例如软件可编程的象角和/或光谱。软件可编程光通常与良好的场可靠性相关联，因为不需要机械移动的部件和/或不同的光学组件。在某些示例性实施例中，每个分立的光源由基于SLM的集成投影光学引擎形成。可选地，对于使用基于SLM的集成投影光学引擎的实施例，使用中继镜在相对于透镜阵列的每个透镜的适当位置处形成或者真实或者虚拟的图像。根据本发明的某些实施例，照明系统另外包括物镜，该物镜被适配成在使用非远心成像透镜的同时，将从透镜阵列获得的多照明段(illumination segment)会聚到成像透镜光圈以便可选地在延长场上 实现类似科勒照明效果。可选地，省略该物镜，且相反，光源和/或SLM成角度且导向成像透镜光圈。可选且额外地，调节透镜阵列的透镜的光学特性，且弯曲阵列以便将照明导向成像透镜光圈。在某些示例性实施例中，使用分束器来照明目标区域。可选地，提供倾斜的光轴，从而不需要分束器。在某些其它示例性实施例中，有效光源相对于被检测物体被成像到无限远。因此明确地讲，光源的图像现在形成在成像透镜的后聚焦面，它不必与出瞳一致。在这样的实施例中光源的每一点弓I起在物体上入射的校准平面波。结合SLM，这样的结构可能有助于精确地控制入射照明的角形状，因为每个SLM像素生成定义好的照明角度。这样的照明模式可能具有由于渐晕引起的某些限制，例如较差的空间和角度均匀性。现在对图1进行参考，图1示出了根据本发明某些实施例的用于照明延长视场的照明系统的光学组件的示例性示意图。根据本发明的某些实施例，用于AOI的照明系统包括一个或多个光源10，其通过光纤束阵列20将光投射到透镜阵列30。来自光纤束20的输出当被物理光源10照射时用作有效光源。根据本发明的某些实施例，光纤束阵列20包括光纤束21…28，透镜阵列30包括透镜31…38的相应阵列。可选地，4_12的阵列，例如8个有效光源和透镜被用来照射用于扫描例如面板的基板的线性传感器等的延长视场555。可选地，每个光纤束包括5-16条光纤和/或光学光导末端，例如8条光纤。可选地，光纤束具有1-3毫米之间的直径，例如1. 4毫米直径。可选地，有效光源通过光纤束末端前面的针孔阵列来定义并且被这些末端照射。可选地，光纤束20 (此处也称作分立的有效光源)被适当的光吸收遮板(未示出)隔离以便最小化相邻源/透镜对之间的色度亮度干扰或光泄露。典型地，每一束中的光纤被布置成具有类似圆形的横截面。典型地，光纤传送具有相同辐角分布的光作为光源10。根据本发明的某些实施例，透镜阵列30是类似球形透镜31…38的阵列，所述透镜31…38之间并排地无空间地布置。可选地，所述透镜是非球面的、平球面的或者直到双非球面的。在某些示例性实施例中，阵列中的透镜以线性方式排列。典型地，透镜阵列的宽高比大约为1:10，且通常是小于相机视场的宽高比的数量级。透镜阵列的极小宽高比的优点是简化机械组装需求，同时能量浪费损失相对小。根据本发明的某些实施例，透镜阵列30可以是例如通过喷射模塑法制造的单个单元。根据本发明的某些实施例，通过它的相应透镜例如从透镜31…38发射的来自例如来自光纤束21…28的每个光纤束(有效光源)的输出提供类似科勒照明，通过透镜阵列30发射的来自光纤束阵列20的输出提供类似科勒照明阵列。阵列中的每个类似科勒照明分段照射目标物体50 (例如面板、基板)上的部分区域。对于位于那个区域内的观察者，照明分段利用与它的有效光源的照明形状相同的形状来投射象角。根据本发明的某些实施例，分立的被照明区域是其间没有空间的连续区域。根据本发明的某些实施例，所有有效光源，例如由光纤21…28的输出末端形成的那些光源具有基本上相同的形状。在所述实施例中，投射到连续物体区域的所有象角在整个被照明区域上都无缝地结合为单个移位不变的象角。下面将对此进行更详细的说明。根据本发明的某些实施例，物镜40接收来自透镜阵列30的光，并且将它们引导到成像系统的成像透镜110 (图2A)的入瞳。在某些示例性实施例中，物镜40是单个类似球体带的透镜，其引导来自透 镜阵列30的全部透镜的光。典型地，物镜40是平凸透镜。在某些示例性实施例中，物镜40是菲涅尔透镜，其成本及重量减小同时某种程度上降低所投射的源图像的质量。尽管物镜40所示为位于透镜阵列30与目标物体50之间，但是可选地，物镜40可位于目标物体50与成像系统的入瞳之间。根据本发明的某些实施例，通过调节透镜阵列30与物镜40的相对位置来调节照明区域的大小，从而源被成像到成像系统的入瞳的平面上。现在参考图2A和图2B，图2A和图2B示出了根据本发明某些实施例的在两个正交平面上利用成像系统照明的光学设计的示例性示意图。为了清晰，展开了图2A和图2B中所示的光及成像路径。根据本发明的某些实施例，通过球面透镜30与类似球体带的物镜40的阵列的组合动作来进行将有效光源20成像到成像透镜110的光圈。可选地，透镜30是非球面的或者其它形状的透镜，例如平球状的或双非球面的。根据本发明的某些实施例，照明射线150从目标物体50镜面反射并且在用于在线性传感器120上成像的成像透镜110的光圈处会聚。在某些示例性实施例中，没有物镜40，全部光源将在彼此平行方向上被成像且形成于在光轴222的任一侧处的成像透镜110光圈平面处。在某些示例性实施中，在使用非远心成像透镜的同时，物镜40用于将所有光源图像汇聚到成像透镜110的光圈，以便在延长视场上实现由光源10和透镜阵列30提供的类似科勒照明效果。根据本发明的某些实施例，成像透镜将待扫描的目标物体50的一部分成像到线性传感器120。典型地，利用具有期望角度覆盖的延长连续区域整体地照明被成像的面板的部分。通过成像透镜110的入瞳将来自要扫描的目标物体50的部分的光引导到线性传感器120。当光源在成像透镜110上的图像等于或小于与成像透镜110相关联的入瞳时提供亮视场照明。暗视场照明是通过来自物体的镜面反射未达到入瞳的照明。根据本发明的某些实施例，通过由一圈光源形成的普通环形照明来影响暗视场照明，从而如在包括成像透镜Iio的光圈的平面中成像的该环形光源的内径等于或大于成像透镜110的入瞳。明确地讲，成像透镜110的入瞳是有效“窗口”(或者光圈)，通过该有效“窗口”光由成像透镜收集。下面将更详细地讨论不同形状的照明现在参考图3，图3示出了照明系统的替换光学组件的示例性示意图，且图4A和图4B示出了根据本发明某些实施例的基于全部替换光学组件在两个不同平面上的光学设计的示例性示意图。根据本发明的某些实施例，在从目标物体50镜面反射之后，不需要物镜，照明被导向成像透镜110和/或成像透镜光圈。根据本发明的某些实施例，分立光源200的阵列以及透镜300的响应阵列中的每一个以月牙形排列，以便适配成朝着成像透镜110会聚照明。在某些示例性实施例中，分立光源200的阵列的分立光源201···208在外壳177中被安装在朝着透镜阵列300稍微向内弯曲的表面上。注意，分立光源201···208代表由LED灯、光纤的物理输出末端或者其它合适的均化光导、物理SLM的真实平面和/或物理SLM的真实或虚拟图像之一形成的有效光源。在某些示例性实施例中，透镜阵列300的透镜301···308是不相同的透镜，且它们各自的光学特性为朝着成像光学器件弯曲光作准备。在某些示例性实施例中，透镜阵列300是其间没有空间的完整透镜阵列。可选地，利用喷射模塑法将透镜阵列300制造为单个集成单元。根据本发明的某些实施例，通过透镜阵列300发射的锥形射线260朝着成像透镜110的入瞳逐渐弯曲。现在参考图5，图5示出了根据本发明某些实施例的针对使用分束器的照明系统的光学设计的示例性示意图。根据本发明的某些实施例，照明系统的光轴垂直于目标物体50，且反射器60与分束器70 —起被布置用来将来自照明源10的照明导向目标物体50并且通过分束器70将从目标物体50反射的光投射到成像单元。可选地，分束器是薄膜分束器。现在参考图6，图6示出了根据本发明某些实施例的针对不需要分束器的照明系统的替换光学设计的简化示意图。根据本发明的某些实施例，照明的光轴被制成倾斜的而不是垂直于目标物体50，因此不需要分束器。去除分束器极大地提高了光效率。在某些示例性实施例中，去除分束器提高效率大约四倍。根据本发明的某些实施例，有效光源20的阵列通过透镜阵列30以及可选地通过物镜40朝着反射表面65发射光,该反射表面65沿着方向165朝着目标物体50弯曲最初在方向145上传播的射线，因此照明不是普通的入射。可选地，反射表面65位于角度166，有点大于45度。一旦从目标物体50的区域反射出，光束在方向190上以倾斜角度导向成像透镜和成像传感器。根据本发明的某些实施例，如此处描述的倾斜的(无分束器)检测结构结合线性阵列传感器尤为有用，并且该结构包括此处描述的垂直结构的全部有用照明特征。另外，此处描述的倾斜的(无分束器)检测结构尤其可用于成像高度平坦的表面或者结合适当的自动对焦机构尤为有用。
现在参考图7A，图7A示出了根据本发明某些实施例的照明系统的光纤单元的示例性示意图，图7B和图7C示出了根据本发明某些实施例的照明系统的机械结构的示例性示意图，图7D示出了根据本发明某些实施例的示例性光纤束的横截面示意图。根据本发明的某些实施例，光纤束20的一个或多个阵列被提供用来在扫描期间照射一个或多个相机的视场。根据本发明的某些实施例，光纤束20的每个阵列包括光纤束21…28。可选地,每个光纤束、例如光纤束21包括1000-2000条光纤和/或光学光导末端，例如8条光纤921···928 (在图示中为了简洁仅示出了 8条光纤)。可选地，束中的光纤被布置成具有基本上圆形的横截面的束(图7D)。根据本发明的某些实施例，具有预定形状和辐角分布的单个光源210被用作到光纤束的输入。在某些示例性实施例中，光源210远离成像地点，并且光纤束29被用来向成像地点输送照明，其末端20包括在如此上所解释的本发明的各个实施例中的有效源。根据本发明的某些实施例，在目标物体的扫描期间使用多个相机，例如相机阵列，并且每个光纤束阵列20与外壳278中容纳的光学器件一起照射相机之一的视场。根据本发明 的某些实施例，外壳278包括光纤束接收单元220，其充当用于接收阵列20中的每条光纤束以及对准阵列20中的每条光纤束和光学系统的多个贯穿孔221···228。典型地，外壳278包括用于接收并对准透镜阵列30的缝隙以及物镜40。在某些示例性实施例中，外壳278另外容纳折叠式反射镜60和分束器70，如图5中示意性示出。如图5中所示，折叠式反射镜(例如普通的平面镜)将光偏离其初始水平传播方向并且在分束器的方向上向上抛。可选地，这允许分束器被安装在相对于光轴最小的倾斜角度，最小化光学干扰。在某些示例性实施例中，不使用折叠式反射镜，相反或者通过反射或者通过分束器传输直接照射面板。现在参考图8A，图8A示出了根据本发明某些实施例的用于照明延长视场的基于SLM的照明系统的光学组件的示例性示意图。根据本发明的某些实施例，从SLM500的阵列的真实平面或者从SLM的真实或虚拟图像的阵列获得有效光源的阵列。在某些示例性实施例中，基于SLM的照明系统的光学结构类似于利用光纤束阵列描述的光学设计。通过透镜阵列30发射来自阵列500的5Ι 501···508的输出，以便提供类似科勒照明的阵列。另外或可替换地，根据本发明的某些实施例，通过各个可寻址的LED阵列获得有效光源。在2010年I月28日公开的W02010/010556中尤其是图16中示出了这种使用LED阵列的示例，此处通过参考整体并入W02010/010556。在它们之间没有空间地并排放置透镜阵列30中的透镜，因此来自SLM阵列500的输出可以提供连续的延长的照明带。可选地，如参考图1上面说明的，通过适当的光吸收遮板(未示出)分离来自SLM500的光束，以便最小化相邻源/透镜对之间的色度亮度干扰或光泄露。可选地，在从目标表面反射之后，使用物镜40向光学成像透镜会聚类似科勒照明的阵列。在某些示例性实施例中，SLM阵列500被安装在一行上，每一个在透镜阵列30中的对应透镜的前面。可选地，每个SLM被安装在PCB上，假设它具有电能以及在计算机控制下它的操作所需的信号。可替换地，所有SLM被安装在一个PCB上。以领域中公知的方式为SLM装备适当的照明，例如用于DMD类型SLM的斜入射照明或者利用用于LCoS设备的偏振分束器的正常入射的偏振照明。现在参考图SB，图SB示出了根据本发明某些实施例的馈入照明系统的光纤束的SLM光源的光学组件的示例性示意图。可选地，光源系统250包括SLM(例如DMD501)，并且发射具有由(例如如美国专利No. 6464633中描述的，其通过引用并入于此)SLM定义的形状的光。在某些不例性实施例中，光源系统250包括用于发射照明光的灯241、用于对灯241供电的灯电源240、抛物柱面反射镜242以及DMD501，在所述抛物柱面反射镜242上涂覆一层具有红外透射特性的薄膜，该红外透射特性将从光源灯241发射的照明光输出为平行光，该DMD501用于反射来自抛物柱面反射镜242的通过透镜515的平行光，以将平行光聚集到光导28的入射端。典型地，DMD驱动电路245控制DMD501的操作。现在参考图SC和图8D，图SC和图8D示出了根据本发明某些实施例的用于分别提供暗视场照明和亮视场照明的SLM图像。根据本发明的某些实施例，每个SLM可被编程用来提供预定形状的照明。根据本发明的某些实施例，当每个SLM投射相同图像时，横穿整个照明区域的照明将空间地不变，因此照明象角保持相同。在某些示例性实施例中，SLM被编程用来对SLM图像580提供环形照明，从而该环的暗内径等于或大于成像透镜的入瞳允许的光锥。在某些示例性实施例中，环形照明可以按需提供暗视场照明。亮视场照明可以通过直径为等于或小于成像透镜的入瞳允许的光锥的直径的圆形照明来提供。在一些示例性实施例中，SLM图像570被用来提供亮视场照明。图8A的直接SLM照明结构允许任何任意形状的象角，其可被“写”入将要投射的SLM。相反地，由于光纤的“流通(circularizing)”属性，可以将图8B的耦接光纤的结构限制为圆形对称的象角形状。现在参考图9A和9B，图9A和图9B示出了根据本发明某些实施例的照明系统的两个相邻透镜之间毗接的目标物体的区域上的基于SLM照明系统的发光路径和输出的示例性示意图。为了图示目的，示出了以两种交替颜色(11R和11B)投射类似字母“F”的特殊空间形状11的光源阵列。“F”形状由于其非对称属性，通常用于图示光学系统的操作。图9B中所示的“F”形状图示了光源的形状如何从射线911B和911R被成像到成像透镜110的入瞳的平面，光线91IB和91 IR来源于通过相邻透镜34和35投射的两个相邻光源。根据本发明的一些实施例中，照明系统1000的照明结构的净效果是在目标物体50上的延长检测区域内的每一点处形成“F”形状的亮视场辐角分布。如可以理解的，位于阵列30的透镜之一的中央区域正下方的基板点处，通过安装在透镜前面的一个相应光源(或者IlR或者11B)来提供例如来自射线束91 IR或91IB之一的照明，并且将以交替颜色之一形成“F”形状的亮视场辐角分布。根据本发明的某些实施例，在自阵列30的透镜之一的中央区域偏移的基板上的子区域51中，例如在透镜34的中央与透镜35的中央之间的区域中，将通过两个相邻光源来提供照明。根据本发明的某些实施例，尽管光是从两个不同光源接收的，照明象角保持相同，并且提供了满“F”形状的象角。不同的颜色显示来自被无缝地合并为单个场的透镜中的每一个的不同影响。如图9B中所示，由穿过区域51的光线形成的光源IlB和IlR的分立“F”形状图像在成像单元的成像透镜光圈内一致，并且沿着照明区域提供连续的空间不变的照明。图9B描绘了真实的模拟结果，因此明显的“噪声”仅由于模拟中使用的有线数量的光线。在某些示例性实施例中，该无缝空间地不变的象角是布置光源从而它们每个被成像到成像透镜光圈的结果。这避免了在定向反射面的宽视场成像中典型存在的逐步照明渐晕现象。在这种意义上，系统操作为准远心系统，而严格的远心系统的入瞳位于无限远。那种均匀属性更大程度是由于透镜阵列的避免相邻透镜之间的缝隙的内部设计。使用SLM，可以在被检测基板上在任一点处投射任意移位的不变象场。可选地，通过改变光源的空间形状，可以实现其它任意角度照明分布，例如亮视场、暗视场以及它们的任意组合。现在参考图10，图10示出了根据本发明某些实施例的具有集成投影光学引擎的基于SLM照明系统的示例性示意图。根据本发明的某些实施例，每个分立的光源是使用基于SLM的集成投影光学引擎400有效形成的。可用的集成光学引擎可以适当地包括由中国的Young光学器件公司提供的基于DMD的光学引擎以及由美国的Greenlight光学器件有限责任公司提供的基于LCoS的光学引擎。投影光学引擎400通常包括光源组件，该光源组件具有LED或二极管激光器，通常发射红原色、绿原色和蓝原色的光。典型地，利用分束棱镜505将光10引入以撞击SLM器件501，例如DMD。在投影光系统的一些已知应用中，投影透镜520在通常距离投影装置范围从O. 5米到2米的长度的显示屏幕上形成SLM表面的图像。根据本发明的某些实施例，光引擎被适配用作AOI的照明系统，其使用中继透镜540在相对于(透镜阵列30的)透镜31的适当位置处形成或者真实或虚拟的图像。根据本发明的某些实施例，透镜31或者单独地或者与物镜40组合地操作以便将SLM的图像成像到如此处上面所述的成像透镜的孔径光阑上的平面。在某些示例性实施例中，对于要求暗视场照明的应用，在光圈内成像的像素被变成关位置，且在光圈外成像的像素被变成开位置。注意，尽管为了简洁目的示出了仅一个光学引擎400和一个透镜31，但是利用如此上所述的投射到透镜阵列30的光学引擎400的阵列能够获得根据本发明实施例的延长照明视场。现在参考图11，图11示出了根据本发明某些实施例的包括照明系统的用于自动光学检测(AOI)的扫描系统的示例性方框图。根据本发明的某些实施例，AOI系统包括图像获取子系统450和处理系统，例如平台(未示出)。图像获取子系统450通常包括图像传感器120、相关联的成像光学器件112、照明器19和相关联的照明光学器件39，该成像光学器件112用于在扫描期间捕获目标物体50的图像，该相关联的照明光学器件39用于对图像传感器120的视场照明。可选地，照明器19包括一个或多个SLM502，用于按照针对不同应用的要求来修改例如其光源的辐角形状的属性。通常，图像获取子系统450包括控制器460，用于协调目标物体50与图像获取子系统450的相对定位和运动以及照明器19的照明期间和利用图像传感器120的图像捕获。根据本发明的实施例，在操作期间，目标物体50、例如待检测的模板被插入到AOI系统，并且通过图像获取子系统450扫描。可选地，随着面板前进，使用不同的照明配置来获取图像。根据本发明的一些实施例，来自图像传感器120的输出被分析并且例如以缺陷报告的形式被报告。根据本发明的某些实施例，照明器19包括一个或多个(例如阵列)LED灯、光纤束阵列和/或集成投影光学引擎阵列。根据本发明的某些实施例，照明光学器件39包括提供类似科勒照明阵列的透镜阵列。可选地，照明光学器件39另外包括用于将反射光导引到成像光学器件112的入瞳的物镜。典型地，照明光学器件39另外包括反射器和/或分束器，它们被布置成将来自照明器19的照明导引到目标物体50并且将从目标物体50发射的光投射到图像传感器120。根据本发明的某些实施例，图像传感器120可以是线性或TDI型图像传感器，其捕获优选地具有宽高比为40:1或更多的延长视场的图像。根据本发明的某些实施例，照明器19以及照明光学器件39提供在具有比图像传感器120的视场基本上更小的宽高比的区域上的照明。根据本发明的某些实施例，在象角对于被照明区域内的所有点相同的层面上，所提供的照明在照明的区域上空间地不变。现在参考图12A和图12B，比较使用根据本发明某些实施例的照明系统在示例性模拟中的在入瞳接收的辐射照度。所述模拟计算落在成像透镜(例如成像透镜110的入瞳(图2A-2B))的平面上的8个圆形光源20的阵列的叠加图像。通过从在被检测表明上以I毫米计测量48毫米的视场收集的光线来形成图像。这样的视场通常是TDI型线性相机。透镜光圈位于离被检测表面大约250毫米。针对Lambertian (例如LED照明)和在部分光源上的高斯角发射进行所述分析。如图中清楚地所示，在对应于对着物体5度满角度的纯亮视场照明的两种情况下形成了定义良好的圆形图像。Lambertian发射源产生更均匀的照明瞳孔，如由它的“更平坦”水平和垂直横截面表明的。这证明了根据本发明的内置的照明系统使用非远心成像透镜在延长视场上生成无渐晕的准远心类似科勒照明的性能。术语“包括”、“具有”及它们的动词变化是指“包括但不限于”。术语“由…组成”是指“包括且限于”。术语“主要由…组成”是指合成物、方法或结构可以包括另外的成分、步骤和/或部件，但是只要另外的成分、步骤和/或部件没有本质上改变所要求保护的合成物、方法或结构的基本和新颖的特性。会理解，为了简洁在独立实施例的上下文中描述的本发明的某些特征也可以在单个实施例中组合地提供。相反，为了简短在单个实施例的上下文中描述的本发明的各种特征也可以单独地或者以任 何合适的子组合提供或者如以发明的任何其他所述实施例适当地提供。各个实施例的上下文中描述的某些特征将不被理解为那些实施例的重要特征，除非实施例没有那些元素就不起作用。
权利要求
1.一种用于照明线性或高宽高比区域图像传感器的延长视场的方法，所述方法包括 利用多个分立的光源提供延长场形状的照明；和 向待成像的物体投射所述照明；其中在物体上投射的所述照明沿着在物体上的延长场形状在强度和辐角分布上基本空间地不变。
2.如权利要求1所述的方法，包括将所投射的照明成像到用于对物体成像的成像单元的成像透镜入瞳，其中所述入瞳的直径是比物体与成像透镜之间的距离小的至少一个数量级。
3.如权利要求2所述的方法，其中所述图像传感器的视场具有大于40:1的宽高比。
4.如权利要求1-3中任一项所述的方法，其中所述照明在所述延长视场上非渐晕。
5.如权利要求1-4中任一项所述的方法，其中所提供的照明被适配成非远心成像所述延长视场。
6.如权利要求1-5中任一项所述的方法，其中所提供的照明是从空间光调制器(SLM)输出的。
7.如权利要求6所述的方法，其中所提供的照明是利用环形辐角分布的暗视场照明。
8.如权利要求1-7中任一项所述的方法，其中延长场形状的照明是利用通过透镜阵列投射的光源阵列来提供的，其中阵列中的透镜之间没有空间地相邻。
9.如权利要求8所述的方法，其中每个光源和相应透镜向具有基本类似于光源形状的角形状的延长视场投射分立的照明部分，并且其中，所述分立的照明部分之间基本上没有空间地相邻并且在所述延长视场上提供照明。
10.如权利要求8或权利要求9所述的方法，其中通过光源阵列和透镜阵列的每个相应透镜从每个光源投射的照明是类似科勒照明。
11.如权利要求8-10中任一项所述的方法，包括将通过透镜阵列的全部透镜投射的照明引导到图像传感器的成像透镜光圈。
12.如权利要求11所述的方法，其中所述引导是利用物镜提供的。
13.如权利要求12所述的方法，其中所述物镜是平凸透镜。
14.如权利要求12所述的方法，其中所述物镜是菲涅耳透镜。
15.如权利要求8-14中任一项所述的方法，其中所述阵列的光源是每个在总角度为25度到35度上发射的狭角度光源。
16.如权利要求8-15中任一项所述的方法，其中所述透镜阵列的宽高比小于10:1。
17.如权利要求8-16中任一项所述的方法，其中所述光源阵列是LED灯阵列。
18.如权利要求8-16中任一项所述的方法，其中所述光源阵列是从光纤束阵列投射的。
19.如权利要求18所述的方法，包括从单个中央光源馈送全部光纤束。
20.如权利要求19所述的方法，其中所述中央光源包括定义由所述中央光源发射的光的形状的SLM。
21.如权利要求8-10中任一项所述的方法，其中所述光源阵列是利用基于SLM的集成投影光学引擎形成的。
22.如权利要求20或权利要求21所述的方法，其中所述SLM提供亮视场照明或暗视场照明之一。
23.如权利要求22所述的方法，其中所述SLM提供具有由SLM形成的环形照明的暗视场照明。
24.如权利要求23所述的方法，其中所述环形照明的内径被定义为等于或大于用于对延长视场成像的成像透镜的入瞳。
25.如权利要求20-24中任一项所述的方法，其中所述SLM提供具有由SLM形成的圆形照明的亮视场照明，其中所述圆形照明的直径等于或小于用于对延长视场成像的成像透镜的入瞳。
26.一种用于照明线性或高宽高比区域图像传感器的延长视场的照明系统，包括 透镜阵列，其中所述阵列中的透镜之间没有空间地相邻； 光源阵列，每个光源具有一种形状，其中所述光源阵列中的每个光源被布置成通过所述透镜阵列中的相应透镜投射光；和 其中每个光源和相应透镜向具有基本类似于光源形状的角形状的延长视场投射分立的照明部分，并且其中，所述分立的照明部分之间基本上没有空间地相邻并且在所述延长视场上提供照明。
27.如权利要求26所述的照明系统，其中光源阵列和透镜阵列的每个光源和相应透镜提供类似科勒照明。
28.如权利要求26或权利要求27所述的照明系统，其中所述阵列的光源是每个在总角度为25度到35度上发射的狭角度光源。
29.如权利要求26-28中任一项所述的照明系统,其中所述延长视场具有大于40:1的宽高比。
30.如权利要求29所述的方法，其中所述透镜阵列的宽高比小于10:1。
31.如权利要求26-30中任一项所述的照明系统，其中来自所述光源阵列的照明被成像到用于对物体成像的成像单元的成像透镜入瞳，其中所述入瞳的直径是比物体与成像透镜之间的距离小的至少一个数量级。
32.如权利要求26-31中任一项所述的照明系统，还包括物镜，其中所述物镜被适配成将通过所述透镜阵列的全部透镜投射的照明引导到图像传感器的成像透镜光圈。
33.如权利要求32所述的照明系统，其中所述物镜是平凸透镜。
34.如权利要求32所述的照明系统，其中所述物镜是菲涅尔透镜。
35.如权利要求26-28中任一项所述的照明系统，其中所述光源阵列成月牙形状角度，所述月牙形状被定义为将照明引导到图像传感器的成像透镜光圈。
36.如权利要求35所述的照明系统，其中所述透镜阵列成月牙形状角度，所述月牙形状被定义为将照明引导到图像传感器的成像透镜光圈。
37.如权利要求26-35中任一项所述的照明系统，其中所述光源阵列是LED阵列。
38.如权利要求26-36中任一项所述的照明系统，其中所述光源阵列是从光纤束阵列输出的。
39.如权利要求38所述的照明系统，其中所述阵列中的光纤束投射从中央光源馈送的照明。
40.如权利要求39所述的照明系统，其中所述中央光源包括SLM，且其中所发射的光具有由SLM定义的形状。
41.如权利要求26-36中任一项所述的照明系统，其中所述光源阵列是从SLM阵列输出的。
42.如权利要求26-36中任一项所述的照明系统，其中所述光源阵列由基于SLM的集成投影光学引擎形成。
43.如权利要求40-42中任一项所述的照明系统，其中所述SLM提供亮视场照明或暗视场照明之一。
44.如权利要求43所述的照明系统，其中所述SLM提供具有由SLM形成的环形照明的暗视场照明。
45.如权利要求44所述的照明系统，其中所述环形照明的内径被定义为等于或大于用于对延长视场成像的成像透镜的入瞳。
46.如权利要求43-45中任一项所述的照明系统，其中所述SLM提供具有由SLM形成的圆形照明的亮视场照明，其中所述圆形照明的直径等于或小于用于对延长视场成像的成像透镜的入瞳。
47.如权利要求26-46中任一项所述的照明系统，其中阵列中的全部光源是相同的。
48.如权利要求26-47中任一项所述的照明系统，其中阵列中的全部透镜是相同的。
49.如权利要求26-48中任一项所述的照明系统，其中阵列中的透镜是球面透镜。
50.如权利要求26-49中任一项所述的照明系统，被适配成非远心成像延长视场。
51.一种用于在自动光学检测系统中扫描基板的方法，所述方法包括 提供基板； 按照权利要求1-25中任一项所述的方法照明所述基板； 对所述基板成像； 分析来自所述成像的输出以便识别所述基板中的缺陷； 报告所述缺陷。
52.如权利要求51所述的方法，包括利用多个照明配置照明所述基板。
53.如权利要求52所述的方法，其中所述多个照明配置包括暗视场照明和亮视场照明中的至少一个。
54.—种自动光学检测系统,包括 成像单元，包括至少一个相机和至少一个照明单元，其中所述至少一个照明单元如权利要求26-50中的任一项； 扫描单元，被配置成提供用于检测的基板与成像单元之间的转换； 控制器，被配置成协调扫描单元的转换、至少一个照明单元的照明以及至少一个相机的图像捕获。
55.如权利要求54所述的系统，其中所述至少一个照明单元被适配成提供多个照明配置。
56.如权利要求55所述的系统，其中所述多个照明配置包括暗视场照明和亮视场照明中的至少一个。
全文摘要
一种照明线性或高宽高比区域图像传感器的延长视场的系统和方法，包括利用多个分立的光源提供延长场形状的照明；和向待成像的物体投射所述照明；其中在物体上投射的照明沿着物体的延长场形状在强度和辐角分布上基本空间地不变。
文档编号G06K9/03GK103069436SQ201180038571
公开日2013年4月24日 申请日期2011年8月2日 优先权日2010年8月5日
发明者Y.卡兹尔, T.赫维特斯, D.菲什, E.梅默恩 申请人:奥博泰克有限公司