一种照明区域可调的照明装置和图象采集系统的制作方法

1.本发明涉及光斑整形领域，尤其涉及使用光阑进行光斑整形的领域。


背景技术：

2.在半导体前制程、后制程或其他产业的defect高度精密量测和检出应用的领域，经常需要为不同检测要求的待测物及不同规格的相机提供不同形式的照明。
3.专利cn 206539983 u提出，平凸透镜和光学配件均能够随着调焦筒的移动改变与光源之间的距离，其可根据被照物的形状来调节光斑大小和光斑形状。当需要根据不同的被照物调整相适应的光斑形状时，更换相应的光学配件。此类技术方案通过改变可变焦透镜中心与发光物体之间的距离，实现光束输出的光形变化，以应对不同照明需求，在目前的行业应用中占有相当规模的市场。但是，这种技术方案有其重大缺陷：在调整透镜的过程中，容易出现因装配偏差或频繁移动造成的光轴倾斜与光照度分布不均匀的情况，增加了缺陷检测中，取图识别判断的难度。
4.专利cn 114839785 a提出，通过改变若干个细圆柱体，即改变光阑通光孔径形状，实现光斑整形。在进行光斑形状调整时，该专利设置多个圆柱体，通过光功率测量组件的测量值反馈给机械进行调整圆柱体的位置，这个过程重复迭代，直至调整出目标光斑。这种技术方案也有其重大缺陷：虽然可以任意变换光输出的形状，但是过程较为繁琐，且圆柱体的数量与大小决定了该专利适用照明区域有限，不适用长距离均匀照明。
5.还有一些现有的技术方案，通过更换光阑实现光斑形状的切换，其缺点是，更换时拆卸安装比较麻烦，而且须停机更换，影响生产效率。
6.综上所述，在目前的量检测技术领域中，尽管对光斑整形的需求一直都很强烈，但目前为止的技术方案都有其重大缺陷，无法获得较普遍的适用及取得较好的效果。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于提出一种照明区域可调的照明装置，该装置仅通过对一个光阑的移动，就巧妙地实现了两种光斑形状的切换，适应了不同的照明需求，而且能够适用于长距离均匀照明，增加了该照明装置的用途，也为现场的机台设备节省了空间；此外，针对现在应用较多的通过改变可变焦透镜的焦距的方式而言，因为不涉及透镜的移动，就没有光轴倾斜与光照度分布不均匀的问题，改善了光斑切换过程的照明的稳定性。
8.第一方面，本发明实施例提出一种照明区域可调的照明装置，该装置包括：
9.壳体1，光源组件2和光阑3。
10.该壳体1是该装置的外壳。
11.该光源组件2安装在该壳体1的一端，用于发出符合预期发散角度的照明光束。
12.该光阑3位于该光源组件2的前方。该光阑3上开有光阑孔。
13.该壳体1的另一端开有出光孔4。该出光孔4的形状和该光阑孔的形状不同。该出光孔4大于该光阑孔。
14.该光阑3能够在该光源组件2和该出光孔4之间移动，
15.当该光阑3位于m点时，部分该照明光束不能穿过该光阑孔，但该照明光束在穿过该光阑孔后都能通过该出光孔4，该照明光束输出的光斑形状和该光阑孔的形状相同。
16.当该光阑3位于n点时，在穿过该光阑孔后部分该照明光束能通过该出光孔4，该照明光束输出的光斑形状和该出光孔4的形状相同。
17.在一些实施例中，本发明提供的一种照明区域可调的照明装置：
18.该光阑孔为矩形，该出光孔4为圆形。
19.以该光源组件2至该出光孔4的距离为l。以该出光孔4的直径为d。以该光阑孔的外接圆直径为2r。以该nm之间的距离为l。则有：2r《d《0.66*l且l《2.83*(d-2r)。
20.在一些实施例中，本发明提供的一种照明区域可调的照明装置：
21.该壳体1的内壁涂有反射涂层。
22.在一些实施例中，本发明提供的一种照明区域可调的照明装置，该照明装置还包括：
23.丝杠5，安装在该壳体1上，用于带动该光阑3在该光源组件2和该出光孔4之间移动。
24.在一些实施例中，本发明提供的一种照明区域可调的照明装置，该照明装置还包括：
25.匀光件6，安装在该光阑3前，用于该照明光束输出时的均匀化处理。
26.第二方面，本发明实施例提出一种应用了如第一方面所述的照明装置7的图象采集系统，该系统还包括：
27.相机8和载台9。
28.该相机8在该载台9的一侧，从高处对准该载台9上的待测物表面。
29.该照明装置7在另一侧和该载台9成一定的角度或正上方，从高处照向该载台9上的该待测物表面。
30.该照明装置7发出的该照明光束经在该载台9上的该待测物表面的反射，将影像投射到该侧方的该相机8上。
31.第三方面，本发明实施例提出一种应用了如第一方面所述的照明装置7的图象采集系统，该系统还包括：
32.相机8，载台9和分光镜10。
33.该相机8在该载台9的上方，正对着待测物表面。
34.该分光镜10在该相机8和该待测物表面之间。
35.该照明装置7在该载台9的侧方，和该分光镜10处于同一高度。
36.该照明装置7发出的该照明光束从水平方向进入该分光镜10，经该分光镜10的反射后沿着垂直的方向照向该待测物表面，再经该待测物表面的反射，将影像沿着垂直方向经该半反射镜投射向该相机8。
37.本发明的有益效果是：
38.1)仅通过对一个该光阑3的移动，就巧妙地实现了两种光斑形状的切换，适应了不同的照明需求。
39.2)能够适用于长距离均匀照明，如在工作距离为1000mm时也能实现良好的照明效
果。
40.3)增加了该照明装置7的用途，也为现场的机台设备节省了空间。
41.4)针对现在应用较多的通过改变可变焦透镜的焦距的方式而言，因为不涉及透镜的移动，就没有光轴倾斜与光照度分布不均匀的问题，改善了光斑切换过程的照明的稳定性。
42.5)该光斑切换方式的便捷，为该照明装置7实现光斑切换的自动化奠定了基础。
43.6)在该光阑3前增加了匀光件6，提高了该照明光束的均匀化程度。
44.7)提出了应用该照明装置7的图像采集系统，为发挥该照明装置7的效能提供了解决方案。
附图说明
45.为了更清楚地说明本技术的实施例的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图进行简单介绍。然而，本领域技术人员应当理解的是，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些示例，并不限制其范围。
46.图1a和图1b为本发明的一种照明区域可调的照明装置的一具体实施例的结构示意图。其中，图1a为装配图，图1b为爆炸图。
47.图2为本发明的一种照明区域可调的照明装置的一具体实施例的原理示意图。
48.图3为本发明的一种照明区域可调的照明装置的一具体实施例的效果示意图。
49.图4为本发明的一种应用了如第一方面所述的照明装置的图象采集系统的一具体实施例的结构示意图。
50.图5为本发明的一种应用了如第一方面所述的照明装置的图象采集系统的一具体实施例的结构示意图。
具体实施方式
51.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。本领域技术人员应当理解的是，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域技术人员可以进行任何适当的修改或变型，从而获得所有其它实施例。
52.第一方面，本发明实施例提出一种照明区域可调的照明装置，该装置包括：
53.壳体1，光源组件2和光阑3。
54.该壳体1是该装置的外壳。
55.该光源组件2安装在该壳体1的一端，用于发出符合预期发散角度的照明光束。
56.该光阑3位于该光源组件2的前方。该光阑3上开有光阑孔。
57.该壳体1的另一端开有出光孔4。该出光孔4的形状和该光阑孔的形状不同。该出光孔4大于该光阑孔。
58.该光阑3能够在该光源组件2和该出光孔4之间移动，
59.当该光阑3位于m点时，部分该照明光束不能穿过该光阑孔，但该照明光束在穿过该光阑孔后都能通过该出光孔4，该照明光束输出的光斑形状和该光阑孔的形状相同。
60.当该光阑3位于n点时，在穿过该光阑孔后部分该照明光束能通过该出光孔4，该照
明光束输出的光斑形状和该出光孔4的形状相同。
61.在本实施例中，如图1a和图1b所示，该照明装置包括该壳体1，该光源组件2和该光阑3。图1a为装配图，图1b为爆炸图。该壳体1，形状并无特别的要求，圆、方、多边等，都是可以的。该光源组件2，能够发出符合该预期发散角度的该照明光束。该光源组件2中，光源可使用led灯或点发光光纤束。在该光源的前面设置收光光学件，能够将该光源发出的发散光线进行一定程度的收敛，进行汇聚整形，使其满足该预期发散角度的要求。该收光光学件，在多数情况下可以采用非球面透镜。当然，不是所有的非球面透镜都有收光功能，需要根据现有技术的参数选择合适的面型。选用其他的方式进行收光，如在光源后设置反射器，或设置一圈反射镜，都能达到同样的效果，需要根据使用需求进行设计，以能满足本实施例中要求的该预期发散角度为准。该预期发散角度，是根据该照明装置7的现场使用需求得出的：不能过小，否则该光斑的面积太小，不能覆盖需要检测的该待测物表面，会导致检测不完整；也不能过大，否则光斑面积过大，可能导致光强不够，从而影响到检测的效果。具体的取值，因影响因素较多，难以给出统一的标准，但可以通过计算、模拟仿真，或者有限次数的现场测试获得。该光源组件2靠近该壳体1的一端安装，便于向外接通电源。该光源组件2的前方，是该光阑3。该光阑3上开有该光阑孔，该光阑孔的形状并无特别的要求，视现场所需求的该光斑的形状而定。该壳体1另一端的该出光孔4，本身对形状也是没有要求的，主要视现场所需求的该光斑的形状而定。只是，因为该照明装置的技术效果是照明区域可调，即该光斑的形状是可变的，所以，如果该出光孔4的形状和该光阑孔的形状一致，那么该照明区域可调的功能就部分失去意义了，只是对同一形状的该光斑调整了面积大小而已。该照明区域可调的效果，来自于该光阑3能够在该光源组件2和该出光孔4之间移动。这是本发明的重要创新点。现有技术中的光斑可调主要有以下方式：1)通过改变可变焦透镜中心与发光物体之间的距离实现的，但缺点是，在调整透镜的过程中，容易出现因装配偏差或频繁移动造成的光轴倾斜与光照度分布不均匀的情况，增加了缺陷检测中，取图识别判断的难度；2)有的专利设置多个圆柱体，通过光功率测量组件的测量值的反馈给机械进行调整圆柱体的位置，这个过程重复迭代，直至调整出目标光斑，该技术方案也有其重大缺陷，虽然可以任意变换光输出的形状，但是过程较为繁琐，且该圆柱体的数量与大小决定了该技术方案适用的照明区域有限，不适用长距离均匀照明；3)通过更换光阑实现光斑形状的切换，其缺点是，更换时拆卸安装比较麻烦，而且须停机更换，影响生产效率。本发明，仅通过对一个该光阑3的移动，就巧妙地实现了两种该光斑形状的切换，适应了不同的照明需求，而且能够适用于长距离均匀照明，增加了该照明装置的用途，也为现场的机台设备节省了空间；此外，针对现在应用较多的通过改变可变焦透镜的焦距的方式而言，因为不涉及透镜的移动，就没有光轴倾斜与光照度分布不均匀的问题，改善了光斑切换中照明的稳定性。
62.具体地，通过对一个该光阑3的移动实现该光斑形状的切换的原理，如图2所示。该光源组件2发出的符合该预期发散角度的该照明光束，沿着直线向前照射，该照明光束最外缘的光线均符合该预期发散角度。以该光源组件2的该光源的一侧的发光边缘点o
′
为例。当该光阑3位于该m点的位置时，沿着该直线o
′
a传播的光线为该光阑3的遮光板所阻挡，不能继续传播。从点o
′
发出的光线的角度逐渐减小，当该发散角度减小到沿着该直线o
′
b向前发射时，因为该点b刚好位于该光阑3的遮光板和该光阑孔的交界处，光线径直穿过该光阑孔，在该待测物表面形成该光斑。此时，该照明光束能否照射到该待测物表面上，受限于该光阑
孔，因此，投射到该待测物表面上的该光斑的形状和该光阑孔的形状相同。当该光阑3位于该n点的位置时，沿着该直线o
′
c传播的光线不受该光阑3的限制，直接通过了该光阑孔，但最终投射到了该外壳上，没能穿过该出光孔4。当该发散角度略小一点时，沿着该直线o
′
a的传播的光线在向前传播时，因为该点a刚好位于该出光孔4的边缘处，光线径直穿过该出光孔4，在该待测物表面形成该光斑。此时，该照明光束能否照射到该待测物表面上，受限于该出光孔4，因此，投射到该待测物表面上的该光斑的形状和该出光孔4的形状相同。简要地说，就是当该光阑3位于该m点时，该照明光束中的一部分不能穿过该光阑孔，但穿过该光阑孔的该照明光束都能通过该出光孔4，即该照明光束能否照射到该待测物表面上受限于该光阑3，因此该照明光束输出的该光斑的形状和该光阑孔的形状相同；当该光阑3位于该n点时，可能全部的该照明光束都能穿过该光阑孔，可能只有部分该照明光束穿过该光阑孔，但最终，穿过该光阑孔后的该照明光束，仍有部分被该壳体1所阻挡，只有部分能通过该出光孔4，即该照明光束能否照射到该待测物表面上最后会受限于该壳体1，因此该照明光束输出的该光斑的形状和该出光孔4的形状相同。
63.该光阑3的该移动，可以通过多种方式实现。如，丝杠5，内置滑轨，伸缩套筒等能够做直线运动的方式都能在简单地设计后应用在本实施例中。
64.此处需要补充说明的有：1)虽然图1a和图1b中的该出光孔4的形状和该壳体1的横截面的尺寸相同，但是该出光孔4可以比该横截面的尺寸更小，只要在该端面上增加挡板就可以了。2)如图2中所示，该出光孔4比该光阑孔大的程度，需要根据现场具体的需要确定，主要是需要满足前述的该光斑的形状的切换条件，即在一定的该发散角度下，满足该照明光束在该m点时受限于该光阑3、在该n点时最终受限于该出光孔4的要求，同时，还应满足现场对该光斑的大小和强度等的要求，需要综合考虑。3)本实施例的技术方案能够在超长距离下提供有效的照明。如图3所示，是在工作距离(该出光孔4的边缘到该待测物表面的距离)为1000mm时的照明效果。
65.在一些实施例中，本发明提供的一种照明区域可调的照明装置：
66.该光阑孔为矩形，该出光孔4为圆形。
67.以该光源组件2至该出光孔4的距离为l。以该出光孔4的直径为d。以该光阑孔的外接圆直径为2r。以该nm之间的距离为l。则有：2r《d《0.66*l且l《2.83*(d-2r)。
68.在本实施例中，推荐采用该光阑孔为矩形、该出光孔4为圆形的设置。这是因为：1)矩形的该光斑适合线阵相机8，圆形的该光斑适合面阵相机8，因此在缺陷检测中这两种形状的光斑最常用。2)如前所述，在该光斑的形状和该光阑孔的形状相同时，损失的该照明光束较多，而在该光斑的形状和该出光孔4的形状相同时，损失的该照明光束较少，该出光孔4应比该光阑孔大一些。相应地，矩形相对于自己的外接圆来说总是会小一点的；因此，以该出光孔4为圆形，再收缩为该光阑3需要的矩形该光阑孔，对该照明光束的利用率较高。反之，矩形本身就需要损失较多的该照明光束才能获得，获得比矩形更小的圆形所损失的该照明光束就更多了。综上所述，该光阑孔为矩形、该出光孔4为圆形的设置既能满足缺陷检测对该光斑形状的常规要求，也能更有效地利用该光源组件2提供的该照明光束。该光阑孔和该出光孔4的尺寸符合给出的公式时，就能够实现本实施例，效果如图3所示，图a为和该光阑孔的形状一致的矩形的该光斑，图b为和该出光孔4的形状一致的圆形的该光斑。
69.在一些实施例中，本发明提供的一种照明区域可调的照明装置：
70.该壳体1的内壁涂有反射涂层。
71.在本实施例中，为了更有效地利用该照明光束，该壳体1的内壁涂有该反射涂层。如前所述，在该光源组件2发出的该照明光束中，有相当部分被该光阑3或该壳体1阻挡后在该壳体1内再次反射，涂有该反射涂层后，能提高反射效率，使得这些被阻挡的光线最大程度地能够在多次反射后最终抵达该待测物表面，增强该光斑的强度，提高该照明光束的利用率。
72.在一些实施例中，本发明提供的一种照明区域可调的照明装置，该照明装置还包括：
73.丝杠5，安装在该壳体1上，用于带动该光阑3在该光源组件2和该出光孔4之间移动。
74.在本实施例中，如图1a和图1b所示，利用该丝杠5旋转带动该光阑3做直线往返运动，在该m点和该n点之间移动，实现该光斑的形状切换，调整该照明区域。使用丝杠5，也为进一步提高该照明装置7的自动化程度做了铺垫。
75.在一些实施例中，本发明提供的一种照明区域可调的照明装置，该照明装置还包括：
76.匀光件6，安装在该光阑3前，用于该照明光束输出时的均匀化处理。
77.在本实施例中，如图1b所示，通过该匀光件6对该照明光束做了均匀化处理。该匀光件6可以使用微透镜阵列(mla)、扩散片(diffuser)等在光学系统中已有的或今后出现的起到匀光作用的元件。该处的匀光件6所起的作用就是该匀光件6本身被预期的匀光作用。该匀光件6的匀光效果越好，加工难度也就越大，在选择时应在现场的需求和成本之间取得平衡。该匀光件6的位置如果在该光源组件2和该光阑孔之间，会导致该照明光束的边缘光线的增加，降低该照明光束的利用率。在该照明光束穿过该光阑孔后再对其进行均匀化处理，能够在避免该照明光束的利用率降低的同时，提高该光斑的均匀性，以获得质量较好的图象，进行图像识别处理。
78.第二方面，本发明实施例提出一种应用了如第一方面所述的照明装置7的图象采集系统，该系统还包括：
79.相机8和载台9。
80.该相机8在该载台9的一侧，从高处对准该载台9上的待测物表面。
81.该照明装置7在另一侧和该载台9成一定的角度或正上方，从高处照向该载台9上的该待测物表面。
82.该照明装置7发出的该照明光束经在该载台9上的该待测物表面的反射，将影像投射到该侧方的该相机8上。
83.在本实施例中，如图4所示，使用该照明装置7构成了该图象采集系统。该系统还包括该相机8和该载台9。该相机8应能和该照明装置7的该光斑的形状相配合工作。该相机8从侧面对准该待测物表面，获得经该待测物表面反射而投射的该影像。该照明装置7的安装位置在该待测物表面的正上方，或者向和该相机8所在位置不同的方向倾斜，从侧方照向该待测物表面。具体的安装位置，应视现场的具体情况，配合相机8一起调整，要确保该照明装置7发出的该照明光束能被该相机8接收到。该照明光束的传播路径是：从该照明装置7中照射到该待测物表面上，经反射后，将该影像投射向该相机8。图4中的虚线部分表示该待测物表
面上的该光斑的位置。
84.第三方面，本发明实施例提出一种应用了如第一方面所述的照明装置7的图象采集系统，该系统还包括：
85.相机8，载台9和分光镜10。
86.该相机8在该载台9的上方，正对着待测物表面。
87.该分光镜10在该相机8和该待测物表面之间。
88.该照明装置7在该载台9的侧方，和该分光镜10处于同一高度。
89.该照明装置7发出的该照明光束从水平方向进入该分光镜10，经该分光镜10的反射后沿着垂直的方向照向该待测物表面，再经该待测物表面的反射，将影像沿着垂直方向经该半反射镜投射向该相机8。
90.在本实施例中，如图所示，使用该照明装置7构成了该图象采集系统。该系统还包括该相机8、该载台9和该分光镜10。如前所述，该相机8应能和该照明装置7的该光斑的形状相配合工作。在该图象采集系统中，该照明装置7成为了该相机8的同轴光源。具体地，该相机8在上方正对着该待测物表面。该分光镜10在该相机8和该待测物表面之间，在竖直方向上对着该相机8和该待测物表面。该照明装置7在该载台9的侧方，和该分光镜10处于同一高度，即处于同一水平面上。该图像采集系统的工作原理为：该照明装置7发出的该照明光束从水平方向进入该分光镜10，经该分光镜10的反射后，改变方向，沿着垂直的方向照向该待测物表面，再经该待测物表面的反射，将影像沿着垂直方向经该半反射镜投射向该相机8。
91.以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。