专利名称：具有自适应聚焦的高速光学检查系统的制作方法
具有自适应聚焦的高速光学检查系统
背景技术：
自动电子装配机通常用于印刷电路板的制造，该印刷电路板用于各种电子装置。这种自动电子装配机通常用于处理与印刷电路板类似的其它装置。例如，光电池(太阳能电池)的制造通常使用类似的机床，用于印刷导电线路。不管正在被处理的基板，处理本身通常需要十分迅速地操作。快速或高速制造确保完成基板的成本最小化。然而，制造基板的速度必须与由处理导致的可接受程度的废 品或缺陷而平衡。例如，印刷电路板可以是极端复杂的并且任一个电路板都可以具有大量小部件和零件，并且因此具有大量电连接。此外，当印刷电路板基板进行不同的装配步骤时，印刷电路板基板会出现明显量的翘曲。由于这种印刷电路板可能十分昂贵和/或用于昂贵的设备，所以重要的是印刷电路板被精确制造并具有高质量、高可靠性和最少量的废品。不幸地，由于现有的制造方法，相当水平的废品和次品仍然出现。在印刷电路板上的典型缺陷包括电路板上错误的部件位置，这可以表示部件没有正确地电连接在所述电路板中。当错误的部件设置在电路板上的给定位置处时出现另一典型故障。另外，部件可能是简单地缺少，或其可以被设置有错误的电极性。此外，可以阻止其它错误，或另外限制一个或多个部件和电路板之间的电连接。此外，如果不具有足够的焊膏沉积，则会导致接触不良。另外，如果焊膏太多，这种状态可能会导致短路等。考虑到所有这些工业要求，出现了对自动光学检查系统的需要。这些系统可以在部件放置在印刷电路板上后和波焊之前活涵流后立即容纳诸如印刷电路板的基板。通常，该系统包括输送装置，该输送装置适于使测试下的基板移动通过光学视场，该光学视场获取一个或多个图像并分析所述图像，以自动绘制关于基板上的部件和/或基板本身的结论。明尼苏达州Golden Valley的CyberOptics公司的注册商标为Flex Ultra HR作为这种装置的一个实例被出售。然而，如上所述，本行业继续寻求越来越快的处理，并因此期望更快的自动光学检查。此外，给定系统需要检查的不同目标的广泛系列将有益于提供不仅比先前系统更快还能够更好地提供与更各种部件、基板、或检查标准相关的有价值的检查数据的自动光学检查系统。
发明内容
提供了一种用于检查基板的光学检查系统。所述系统包括照相机的阵列，所述照相机的阵列被构造成当基板和阵列相对于彼此进行相对运动时获取多组图像。至少一个聚焦致动器可操作地连接到照相机阵列中的每一个照相机，以使每一个照相机的影响聚焦的至少一部分移动。基板距离计算器被构造成从所述阵列接收至少一部分图像并计算照相机阵列与所述基板之间的距离。控制器连接到照相机阵列并连接到距离计算器。控制器被构造成将控制信号提供给至少一个聚焦致动器中的每一个聚焦致动器，以在相对运动期间使阵列中的每一个照相机都自适应地聚焦。
图I是具有根据本发明实施例的照相机阵列和小型集成照明装置的自动高速光学检查系统的横截面图；图2是根据本发明的实施例的具有重叠视场的多个照相机的图解正视图；图3是根据本发明的实施例的检查系统的系统框图；图4是传输输送装置、印刷电路板、和获取有第一照明场类型的照相机阵列视场的俯视图；图5是传输输送装置、印刷电路板、和获取有第二照明场类型的照相机阵列视场的俯视图；图6A-6D图示了根据本发明实施例的在不同位置处和在交替的第一和第二照明 场类型下获取的工件和照相机阵列视场；图7是用于限定照明方向的坐标系；图8是为照相机阵列视场的照明的已知线性线光源的透视图；图9是图8示出的照明装置的照明方向的极坐标图；图10是根据本发明实施例的示例的中空光管照明装置的立体图；图11是图10示出的照明装置的输入照明方向的极坐标图；图12是图10示出的照明装置的输出照明方向的极坐标图；图13是根据本发明实施例的光管壁的反射表面的立体图；图14A-B是图13示出的反射表面的横截面图；图15A是根据本发明的实施例的光管照明装置和照相机阵列的立体图；图15B是根据本发明的实施例的光管照明装置和照相机阵列的剖面立体图；图16是根据本发明的实施例的照相机阵列和具有多个光源的光管照明装置的剖面立体图；图17A是根据本发明的实施例的照明装置和照相机阵列的透视剖视图；图17B是根据本发明实施例使用的Λ形反射镜的横截面图；图18是根据本发明的实施例的照明装置和照相机阵列的剖面立体图；图19是图18示出的照明装置和照相机阵列的第二剖面立体图；图20是图18和19示出的的照明装置的照明方向的极坐标图；图21是根据本发明实施例的检查传感器的横截面透视图；图22是图21示出的照明装置的照明方向的极坐标图；图23是根据本发明实施例的光学检查传感器的一部分的方块图；图24是根据本发明实施例的用于使照相机阵列自适应地聚焦的方法的流程图；图25是根据本发明的实施例的照相机阵列和条纹投影仪的剖面立体图；图26是根据本发明实施例的用于使照相机阵列自适应地聚焦的方法的流程图；图27是根据本发明实施例的光学检查传感器的俯视图，该光学检查传感器相对于固定工件平移；图28Α是根据本发明实施例的光学检查传感器的俯视图，该光学检查传感器获取工件的一部分的图像；以及图28Β是根据本发明实施例的图28Α的光学检查传感器和工件的俯视图，该光学检查传感器和工件被定位以获取工件的剩余部分的图像。
具体实施例方式本发明的实施例将通常相对于附图被说明。附图标记的数字用于表示附图的不同部件。为清楚起见，以下列出不同附图标记的明细。2-照相机4-照相机阵列9-自动聚焦致动器10-印刷电路板
11-小工件14-皮带16-范围计算器17-构造照明投影仪18-电动机20-编码器22-可编程序逻辑控制器24-面板传感器26-工件传输输送装置27-夹持输送装置28-输送装置夹具30-照相机视场32-照相机阵列视场33-照相机阵列视场34-照相机阵列视场35-照相机阵列视场39-照相机阵列视场41-照明装置42-照明装置43-照明装置44-照明装置45-照明装置46-LED48-线性光源50-孔52-漫射板54-反射镜57-混合室58-顶部孔板60-光源62-准直光射线束64-光管
65-光管照明装置66-光管侧壁67-反射镜68-光管出口孔69-光管入口孔
70-反射表面71_检查应用程序72-输送装置界面76-系统计算机80-主电子板82-图像存储器83-频闪组件84-频闪板86-频闪监视器87-闪光灯88-闪光灯92-检查系统93-光学检查传感器94-光学检查传感器
99-光学检查传感器150-流程图步骤152-流程图步骤154-流程图步骤156-流程图步骤158-流程图步骤160-流程图步骤162-流程图判定步骤164-流程图步骤166-流程图步骤168-流程图步骤170-流程图步骤174-流程图步骤176-流程图步骤178-流程图步骤180-流程图步骤182-流程图判定184-轨道185-皮带186-支撑件
187-支撑件188-滑动机构189-台190-电动机191-电动机 本发明的实施例通常提供一种在不需要昂贵且复杂的运动控制硬件的情况下高速获取多个照明图像的检查系统和方法。通过不同照明类型获取的图像的处理可以相当可观地提高所述检查结果。此外，当工件翘曲时，自适应聚焦有助于高分辨率成像。图I显示根据本发明的一个实施例的用于产生工件的适于自动检查的高对比度、高速数字图像的系统的横截面图。照相机阵列4由优选地以规定间隔设置的照相机2A到2H组成。当工件相对于照相机2A到2H进行相对运动时，每一个照相机2A到2H使诸如印刷电路板10上的工件或基板上的矩形区域同时成像和数字化。照明装置45提供一系列脉冲、短持续时间照明场(被称为频闪照明)。每一个照明场的短持续时间使印刷电路板10的图像有效地“冻结”以抑制运动模糊。印刷电路板10上的每一个位置的两组或更多组图像由照相机阵列4利用对于每一次曝光来说不同照明场类型产生。基于需要被检查的印刷电路板10上的具体的部件，可以通过利用不同照明场类型产生的反射图像的连接处理相当可观地提高检查结果。照明装置45的更多细节在图21和22的论述中被提供。工件传送输送装置26使印刷电路板10沿X方向以不停止模式平移，从而通过照相机阵列4提供印刷电路板10的高速成像。输送装置26包括由电动机18驱动的皮带14。任选的编码器20测量电动机18的轴的位置，因此可以计算印刷电路板10行进的近似距离。测量和编码印刷电路板10行进的距离的其它方法包括基于时间、基于声音或基于视觉的编码方法。通过使用频闪照明并且使印刷电路板10不停止，能够消除通过照相机阵列4成像之前的加速、减速和稳定的耗时传送步骤。认为与成像之前完全停止的技术相比，利用本发明实施例可以使尺寸为210毫米X310毫米的印刷电路板10整体成像所需的时间从11秒减少到4秒。图2显示分别通过照相机2A到2H成像的印刷电路板10上的视场30A到30H中的每一个的Y尺寸位置。为了使印刷电路板10上的所有位置完全成像，相邻的视场之间具有细微的重叠。在检查过程期间，离散视场30A到30H的图像在重叠区域中被数字合并、或拼接成一个连续图像。示例照相机阵列4在图I和2中被示出为一维离散照相机的阵列。如图所示，照相机2A-2H被构造成以非远心方式成像。这具有以下优势视场30A到30H可以被重叠。然而，非远心成像系统的放大率或有效分辨率将改变，这是因为印刷电路10及其部件靠近或远离照相机2A-2H定位。电路板10翘曲、厚度变化及其它照相机准直误差的影响可以由图像拼接来补偿。在另一实施例中，照相机阵列可以被设置成二维阵列。例如，离散照相机可以被设置成相邻视场重叠的两列四个照相机的照相机阵列。照相机阵列的其它布置可以基于检查系统的成本、速度、和性能目标而是有利的，包括视场不重叠的阵列。例如，可以使用具有远心成像系统的照相机的交错阵列。图3是检查系统92的方块图。检查应用程序71优选地在系统计算机76上运行。到检查程序71中的输入包括印刷电路板10的类型、描述印刷电路板10上的部件的位置和类型的CAD信息、待检查的印刷电路板10上的部件、照明和照相机校准数据、传送输送装置26方向等。检查程序71通过输送装置接口 72利用印刷电路板10的传送方向、速度、和宽度配置可编程序逻辑控制器22。检查程序71还通过串行总线接口利用在照相机阵列4的每一个随后图像获取之间计数的编码器20的数量配置主电子板80。可选地，基于时间的图像获取顺序可以基于印刷电路板10的已知速度而被运行。检查程序71还将适当的配置参数编程或以其它方式设置到在检查之前的照相机2A-2H以及具有单独闪光灯输出水平的频闪板84中。面板传感器24在面板传感器24被装载到检查系统92中时感测印刷电路板10的边缘，并且该信号被发送到主板80以开始图像获取顺序。主板80产生使每一个图像通过照相机阵列4开始曝光的适当信号并指令频闪板84以在适当的时间启动适当的闪光灯87和88。频闪监视器86感测通过闪光灯87和88发出的光的一部分，并且主电子板80可以使用该数据以补偿用于细微闪光灯输出变化的图像数据。图像存储器82被提供并优选地包含足以存储至少一个印刷电路板10产生的所有图像的容量。例如，在一个实施例中，在照相机阵列中的每一个照相机都具有大约5百万像素的分辨率，并且存储器82具有大约2. O千兆字节的容量。来自照相机2A-2H的图像数据可以被高速传送到图像存储缓冲器82中，以允许每一个照相机快速准备随后的曝光。这允许印刷电路板10以不间断方式被传送通过检查系统92并利用至少两种不同照明场类型产生印刷电路板10上的每一个位置的图像。一旦第一图像被传送到存储器82，图像数据就可以开始通过诸如串行总线(PCIe)的高速电接口从图像存储器82被读出到PC存储器中。类似地，一旦图像数据在PC存储器中可用，检查程序71就可以开始计算检查结果。以下相对于图4-6更详细地说明图像获取过程。图4显示传送输送装置26和印刷电路板10的俯视图。照相机2A-2H分别使重叠的视场30A-30H成像，以产生照相机阵列4的有效视场32。通过第一频闪照明场类型获取视场32。印刷电路板10通过输送装置26以不间断方式沿X方向被传送。在图像获取过程中，虽然更大的速度变化和加速度可以被适应，但是印刷电路板10优选地以具有小于5%的变化的速度行进。在一个优选实施例中，每一个视场30A-30H具有大约5百万像素,其中具有17微米的象素分辨率，并且在X方向上具有33毫米的长度而在Y方向上具有44毫米的长度。视场30A-30H中的每一个在Y方向上与相邻的视场重叠大约4毫米，使得每一个照相机2A-2H的中心到中心的间距在Y方向上是40毫米。在该实施例中，照相机阵列视场32具有在Y方向相对X方向上的大约10 I的大纵横比。图5显示从印刷电路板在图4中的位置沿正X方向移动的位置处的印刷电路板10。例如，印刷电路板10可以从其图4中的位置大约前进14毫米。有效视场33由重叠的视场30A-30H组成，并且通过第二照明场类型获取。图6A-6D显示通过交替第一和第二照明场类型获取的照相机阵列视场32_35的时间顺序。可以理解印刷电路板10沿X方向以不间断方式行进。图6A显示在整个印刷电路板10的图像获取期间在一个X位置处的印刷电路板10。视场32通过如相对于图4所论述的第一频闪照明场类型获取。图6B显示沿X方向进一步移动的印刷电路 板10和通过如相对于图5所论述的第二频闪照明场类型获取的视场33。图6C显示沿X方向进一步移动的印刷电路板10和通过第一照明场类型获取的视场34，而图6D显示沿X方向进一步移动的印刷电路板10和通过 第二照明场类型获取的视场35。在视场32和34之间沿X尺寸上具有小重叠，以便具有足够的重叠图像信息，从而将通过第一照明场类型获取的图像配准并数字合并或拼接在一起。此外，在视场33和35之间沿X尺寸具有小重叠，以便具有足够的重叠图像信息，从而使通过第二照明场类型获取的图像配准和数字合并。在沿X方向具有33毫米长度的视场30A-30H的实施例中，已经发现在通过相同的照明场类型获取的视场之间沿X方向重叠大约5毫米是有效的。此外，优选的是在通过不同照明类型获取的视场之间沿X方向具有大约14毫米的移动。在印刷电路板10上的每一个部件的图像都可以利用超过两个照明场类型通过增加收集的视场的数量并确保充分的图像重叠以便将通过相同的照明场类型产生的图像配准和数字合并或拼接在一起而获取。最后，对每一个照明类型产生的拼接图像可以相对于彼此配准。在优选实施例中，工件传送输送装置26具有比检查要求更低的定位精度，以便减少系统成本。例如，编码器20可以具有100微米的分辨率，而输送装置26可以具有O. 5毫米或以上的定位精度。视场沿X方向的图像拼接补偿电路板10的位置误差。期望的是每一个照明场都在空间上是均匀的并且从恒定角度照明。此外，期望的是照明系统紧凑并具有高效率。以下参照图7-9论述为线性光源和环形灯的两个现有技术的照明系统的限制。线性光源具有高效率，但是在投射光的方位角方面具有不良的均匀性。环形光源在投射光的方位角方面具有良好的均匀性，但是不紧凑并且当使用大纵横比的照相机阵列时具有低效率。图7限定用于照明的坐标系。方向Z与印刷电路板10正交，而方向X和Y限定印刷电路板10或其它工件上的水平位置。角度β限定照明的仰角。角度Y冗余地限定相对于法线的照明光线角度。角度α是光线的方位角。来自几乎所有方位角和仰角的照明被称作阴天照明。主要来自接近水平的低仰角β的照明被称作暗视场照明。主要来自高仰角β的接近垂直的照明被称作亮视场照明。良好的、通用的照明系统将产生具有穿过整个视场的均匀光照(空间均匀性)的光场，并将以固定角度照明穿过整个视场(角度均匀性)。图8显示为照相机阵列视场32照明的已知线性光源48。线性光源48可以使用LED 46阵列以将光有效地聚集在窄矩形视场32上。使用线性光源48的缺点是虽然目标从面对光源的两个方向接收对称的照明，但是不能从面对FOV的长轴的方向接收光。图9是显示两个线性光源48的照明方向的双轴极坐标图。极坐标图显示照相机阵列视场32从最靠近光源48的方向(在O度和180度方位角)接收强照明，而从90度和270度的方位角不接收照明。当方位角在O度与90度之间变化时，光源仰角下降并且光源弦对弧具有较小角度，所以较少的光被接收。照相机阵列视场32接收随方位角在强度和仰角方面变化的光。线性光源48有效地照明视场32，但是在方位角方面具有不好的均匀性。相反，已知的环形灯在方位角方面具有良好的均匀性，但是必须被制成较大，以便为具有大纵横比的照相机视场32提供可接受的空间均匀性。虽然环形灯可用于提供方位角方面的可接受的均匀性，但是环形灯将需要为非常大以为在Y方向大约300毫米的照相机视场32提供可接受的空间均匀性。对于典型的检查应用，认为环形灯的直径需要超过I米以提供足够的空间均匀性。这种巨大环形灯在以下几个方面都无法满足市场要求大尺寸耗费装配线上的宝贵空间，大光源建造昂贵，照射角没有固定穿过工作场，和非常低效-当仅细长矩形的电路板实际上被成像时，光输出将在I米圆相当大地部分上分散。称为光管的光学装置可用于产生照明用的非常均匀的光场。例如，美国专利1，577，388说明用于对底片指示器进行背向照明的光管。然而，传统的光管需要在物理上足够长以提供均匀照明。光管原理的简短描述相对于图10-12被提供。然后相对于图13-17进行说明本发明的实施例，该实施例明显地减少光管的需要均 匀照明的长度。在一个实施例中，光管的内部壁被构造有反射材料，该反射材料使光仅沿一个方向散射。在本发明的另一个实施例中，光管被构造具有输入和输出端口，该输入和输出端口允许照相机阵列的简单集成，以获取被均匀且有效照明的工件的图像。图10显不由光源60和光管64组成的照明装置65。中空盒光管64在如说明使用时将产生均匀的暗视场照明图案。照相机2通过光管端部处的孔67和69沿光管64的长度观察工件11。例如作为抛物面反射器中的弧的光源60被设置使得抛物面反射器利用内部反射表面使光投射到光管64的入口孔67中，使得光以适当的仰角下降。可选地，可以使用透镜LED或其它光源，只要光源仰角的范围匹配工件11处的仰角的适当范围。光源可以是频闪或连续的。来自光源60的光线扇前进穿过所述管并向下直到光线扇撞击侧壁中的一个。光线扇被分开并沿管的拐角处的方位传播，并且仰角保持不变。这种扩展的光线扇然后展开，从而撞击许多不同的侧壁部分，在该部分中扩展的光线扇进一步传播并沿方位角随机分布并且仰角没有大变化。当多个反射之后，所有方位角存在于出口孔68和工件11处。因此，目标上的全部点被来自除了存在于初始光源的这些仰角之外的全部方位角的光照明。此外，工件11处的照明场在空间上是均匀的。要注意的是和用于调节空间均匀照明的环形灯需要的尺寸相反，光管64的横向范围仅比视场稍微大。图11显示光源处的来自小范围仰角和方位角的接近准直光线束的照明方向的极坐标图。图12是工件11处的光线的极坐标图，并且包含光源的角分布用于对比。所有方位角存在于工件11处并且光源的仰角保持不变。当发光照明装置65的仰角与存在于光源60中的发光照明装置的仰角相同时，相对容易地将这些角度谐调到专门应用。如果较低的照明仰角是期望的，则光源可以被指向接近水平。由于光不能从光管下缘下方的角度到达所述目标，所以照射角的下限由光管下缘的间隙(standoff)设定。由于多个反射需要使照明方位角随机化或均匀，所以照明仰角的上限由光管66的长度设定。当仰角增加时，在到达工件11之前对于给定长度光管64具有较少的弹回。多边光管均化器仅在其拐角处形成新的方位角，因此需要多个反射以得到均匀的输出。如果光管侧壁的所有部分可以沿方位方向传播光图案或使光图案随机化，则将需要少数反射并且光管沿Z方向的长度可以被减少，从而使得照明装置沿Y方向更短和/或更宽。图13和14图示了具有光管侧壁的本发明实施例，光管侧壁使光仅沿一个轴线漫射或散射。在该实施例中，优选的是在保持仰角的同时光束的方位角被传播到每一个反射上。这通过将弯曲或小平面的反射表面70添加到光管侧壁66的内表面而获取，如图13所示。图14A和14B中示出侧壁66的横截面图。图14A使出了准直光线束62垂直于反射表面70上的圆柱形弯曲部的轴线传播。在图14B中，用于光线束62的反射角沿反射表面70上的圆柱形弯曲部的轴线被保持。由于反射体70的每个点处的表面法线没有Z分量，因此光源的仰角被保持。反射表面70的弯曲或小平面表面在每个经过光管壁66的全部表面的反射上产生新方位角的范围，并且因此光源的方位角被迅速地随机化。本发明的实施例可以利用光管侧壁66的内表面的折射、衍射和反射表面的任何组合而被实施。
一方面，反射表面70在圆柱部分是弯曲的。这将入射的光均匀地沿为近似一维朗伯表面的一个轴线传播，但是不沿其它轴线传播光。该形状还便于形成在片状金属中。另一方面，反射表面70具有正弦波形状。然而，由于正弦波形状在最高点和最低点更弯曲，而在侧部较少弯曲，所以光束62的角分布在最高点和最低点处比侧部更强。图15A和15B显示应用于照相机阵列4的光管照明装置41的内表面的弯曲反射面。光管照明装置包括侧壁66和光源87。一维漫反射面70与由平坦反射内表面构成的光管相比使方位角更快速地随机化。这允许使用更紧凑的光管，从而允许照相机阵列4更靠近工件。图15B显示光线如何在少量反射之后使方位角随机化。如果使用多个光源，则与照明装置41相比，光管照明装置42 (在图16中示出)可以沿Z方向被缩短。例如一排准直LED的多个光源减少获取空间均匀光源所需的反射的总数，并因此减少所需的光管长度。照明装置42被示出具有光源87A-87E，该光源还可以是频闪弧光灯源。在图17A-17B示出的本发明的另一方面中，照明装置43包括反射镜67，反射镜67将来自光源87的输入光束的多个部分以适当的光源仰角反射。与多光源实施例相同，这也在较短光管中产生空间均匀的光场。反射镜67设置在照相机之间，以避免妨碍目标的观察，并且在不同高度使得每一个反射镜截取来自光源67的光的一部分。反射镜67被形成以使光以适当仰角并朝向光管侧壁66反射，在该光管侧壁处，弯曲反射表面70使光源方位方向迅速随机化。反射镜67的横截面图在图17B中被示出。例如，反射镜67可以是形成为一系列倒V形的平面镜。在本发明的另一实施例中，图18和19图示了与照相机阵列4集成的照明装置44。光通过光源88射入到光混合室57中，光混合室57由反射镜54和55、顶部孔板58、和漫射板52限定。54、55和58的内表面是反射的，而漫射板52优选地由半透明、光漫射材料构成。孔56设置在顶板58上，并且孔50设置在漫射板52上，使得照相机2具有对工件的无障碍视界。为了更清楚地观察漫射板52和孔50，与图18相比，反射镜55在图19中被移除。通过光源88投射的光被反射镜54和55以及孔板58反射。当光在混合室57中反射时，漫射板52还反射该光的一部分，并且被射回到混合室57中。当在混合室57内进行多个光反射之后，漫射板52被均匀地照明。透射通过漫射板52的光发射到照明装置44的下部分中，该下部分由诸如参照图13和14所述的反射表面的反射表面70构成。反射表面70保持由漫射板52发出的照明仰角。结果是产生工件10处的空间均匀照明场。图20是显示照明装置44的输出照明方向的极坐标图。如图20所示，由于照明在几乎所有的仰角和方位角接近相等，所以照明装置44产生被称作阴天的输出光场。然而，输出仰角的范围可以通过漫射板52的漫射性能控制。
图21显示光学检查传感器94的优选实施例。光学检查传感器94包括照相机阵列4和集成照明装置45。照明装置45有助于独立地控制阴天和暗视场照明。暗视场照明场通过为光源87通电而在印刷电路板10上被产生。阴天照明场通过为光源88通电而被投射到印刷电路板10上。图22显示阴天和暗视场照明的极坐标图和照明方向。一方面，光源87和88被频闪，以抑制由于电路板10以非间断方式传送所产生的运动模糊效应。本领域技术人员要理解的是不同目标部件的图像对比度基于多个因素而改变，所述多个因素包括部件几何形状、颜色、反射性能、入射在每一个部件上的照明角频谱。由于每一个照相机阵列视场可能包括具有不同照明要求的多种部件，所以本发明的实施例通过使每一个部件和工件10上的位置两次或多次成像而解决这种要求，其中这些图像中的每一个在不同的照明条件下被捕获并且然后被存储到数字存储器中。通常，检查性能可以通过使用来自利用不同照明场类型获取的两个或更多个图像的目标部件数据来提高。
应该理解，本发明的实施例不局限于诸如暗视场和阴天照明场的两种照明类型，并且也不局限于具体的照明装置结构。光源可以直接投射到工件10上。光源还可以具有不同的波长、或颜色，并且相对于工件10以不同角度定位。光源可以以不同方位角定位在工件10周围，以提供来自不同象限的照明。光源可以是多个高功率LED，多个高功率LED发射光脉冲，该光脉冲具有足够的能量以使工件10的运动“冻结”并抑制图像中的运动模糊。多个其它照明结构落入包含光源的本发明的范围之内，该光源产生明视场照明场或透射通过工件10的基板以对待检查的部件进行背光。小部件和印刷电路板零件的成功检查要求精细的像素间距、高质量透镜和照明，以及精确聚焦。然而，印刷电路板的翘曲可能使印刷电路板难以使用在整个电路板上设定的单聚焦并保持高分辨率成像。已经观察到高达8毫米的电路板翘曲。当印刷电路板和光学检查传感器相对于彼此以连续相对运动的方式移动时，照相机的自适应聚焦能够进行精确聚焦。需要用以使照相机自适应聚焦的两个性能。第一性能是对印刷电路板的范围的相对或绝对测量。第二性能是在电路板和光学检查传感器相对于彼此移动时在每一个图像捕获之前使照相机重调焦距到需要范围的运动系统。参照返回图2和4，照相机阵列视场32包括重叠的照相机视场32A-32H。当电路板10靠近照相机阵列4定位时，照相机视场32A-32H之间的重叠区域减少。反之，当电路板10远离照相机阵列4定位时，照相机视场32A-32H之间的重叠区域增加。如果电路板10翘曲，照相机视场32A-32H之间的重叠量或立体差异将在局部重叠区域中基于与电路板10的距离(range)而改变。与电路板或工件的距离可以通过测量照相机阵列的视场之间的立体差异而计算。立体视觉系统是已知的。由立体差异计算距尚的实例可以在Scharstein和Szeliski的“A Taxonomy and Evaluation of Dense Two-Frame Stereo CorrespondenceAlgorithms，，和 Robert T. Collins 的“A Space-Sweep Approach to True Multi-ImageMatching” 中找到。图23是光学检查传感器的一部分的方块图。主电子板80包括距离计算器16。范围计算器16接收来自照相机2A-2H的图像数据并计算每一个照相机视场30A-30H之间的重叠区域中的立体差异以计算距离。聚焦致动器9A-9H可以基于来自范围计算器16的信号调节照相机2A-2H中的检测器的位置以保持额定焦距。可选地，透镜组件、单独的透镜元件、或整个照相机2A-2H可以由聚焦致动器9A-9H驱动以保持焦距。自动聚焦致动器在现有技术中是公知的。示例性自动聚焦致动器在US 7，285，879中被公开。图24是用于使照相机2A-2H基于由照相机视场30A-30H之间的立体差异计算距离而自适应聚焦的流程图。在步骤150，在图像获取顺序之前，聚焦致动器9A-9H通过主电子板80被初始化，以使照相机2A-2H在其额定聚焦位置聚焦。在步骤152，在电路板10上的适当位置处并利用适当照明获取图像。在步骤154，每一个照相机视场的第一距离被读出并被传送到距离计算器16以及传送到图像存储器82。在一个实施例中，每一个照相机2A-2H在Y方向上具有2592像素而在X方向上具有1944行像素。在该实施例中，第一视场区域由来自每一个照相机2A-2H的第一 400视频线组成，而第二视场区域由来自每一个照相机的剩余的1544视频线组成。在步骤156中，距离计算器16由第一视场重叠区域中的立体差异计算与电路板10的距离。在步骤158中，当主电子板80基于在步骤156计算的距离将信号发送到聚焦致动器9A-9H时，照相机2A-2H聚焦。当电路板10通过输送装置26平移时，该自适应聚焦步骤适应与电路板10的局部区域的距离的变化。步骤 160在步骤154之后立即开始以读取来自每一个照相机的剩余视频线。如果用于电路板10的图像获取顺序在步骤162处完成，则控制返回到步骤150，在步骤150中，照相机返回到其额定聚焦位置。否则，控制返回到步骤152以获取下一个图像。图25是照相机阵列4和用于为距离计算器16提供距离信息的条纹投影仪17的立体图。为清楚起见，阴天和暗视场照明装置已经从图25被移除。条纹投影仪17将条纹图案以与照相机阵列4的视角不同的角度投射在电路板10上。当电路板10的距离改变时，条纹位置将偏移。可以理解，光的其它构造图案还可以被投射以允许计算与电路板的距离。图26是用于基于由条纹图案计算距离而使照相机2A-2H自适应聚焦的流程图。在步骤164，在图像获取顺序之前，聚焦致动器9A-9H通过主电子板80被初始化，以使照相机2A-2H在其额定聚焦位置处聚焦。在步骤166，照相机2A-2H中的检测器被构造成读出有限的视场。在该实施例中，其中每一个检测器在X方向上具有2592行像素而在Y方向上具有1944行像素。有限的视场区域由来自照相机2A-2H中的每一个检测器的第一 100视频线组成。在步骤168获取条纹图案的图像。在步骤176，条纹图像通过主电子板80从照相机2A-2H中读出，在步骤178，与电路板10的距离通过距离计算器16计算。当条纹图像在步骤176被读出时，照相机2A-2H中的检测器被构造成读出全部视场。在步骤174，图像在电路板10上的适当位置处并利用适当照明获取。步骤180在完成174和178之后开始。当主电子板80基于在步骤178计算的距离将信号发送到聚焦致动器9A-9H时，照相机2A-2H在步骤180聚焦，以在电路板10通过输送装置26平移时适应与电路板10的局部区域的距离的变化。如果用于电路板10的图像获取顺序在步骤182完成，则控制返回到步骤164，其中照相机在步骤164返回到其额定聚焦位置。否则，控制返回到步骤166以准备获取下一个条纹图像。图27是根据本发明另一实施例的自适应聚焦检查系统的俯视图。光学检查传感器93设置在基部192上方并相对于电路板10平移。电路板10被传送输送装置27支撑并利用板边缘夹具28刚性保持。支撑件186和187可在轨道184上移动。连接到皮带185的电动机191驱动支撑件187以使检查传感器93沿Y方向移动。检查传感器93能够产生多个照明场类型并包括对于照明场类型中的一个具有照相机阵列视场32的照相机阵列。可以计算与电路板10的距离，从而测量照相机阵列视场32的视场重叠区域的视差。可选地，光学检查传感器93可以包括诸如相对于图25所述以便计算与电路板10的距离的结构光投影仪，或者光学检查传感器93可以包括诸如通常称为激光位移传感器的距离传感器的一个或多个距离传感器。US 6，288，786公开了示例性激光位移传感器。
通过电路板10的边缘夹持电路板10消除了 X方向上的许多翘曲，使得所述距离主要沿Y方向改变，并且所述范围将对于每一个照相机在光学检查传感器93的给定Y位置相对固定。这简化了自适应聚焦要求，使得可以使用单个聚焦致动器。该聚焦致动器可以通过使所有照相机相对于彼此固定安装来一致地调节所有照相机的位置。在另一实施例中，光学检查传感器93可以沿Z方向平移以在图像获取顺序期间保持焦距。如图27所示，滑动件188刚性连接到支撑件186，而台189通过启动电动机190而使光学检查传感器93沿Z方向平移。自适应聚焦通过基于与电路板10的距离定位台189来实现。图28A是包括光学检查传感器99的实施例的俯视图，光学检查传感器99对于一个照明场类型具有照相机阵列视场39。照相机阵列视场39的宽度比电路板10的宽度窄。当光学检查传感器99沿正Y方向平移时，光学检查传感器99被自适应聚焦以获取电路板10的一部分的图像。如图28B所示，夹具28释放电路板10，并且电路板10沿X方向被表示(index)。然后电路板10被再次夹持。当光学检查传感器99沿负Y方向平移时，光学检查传感器99被自适应聚焦以获取电路板10的剩余部分的图像。虽然已经参照优选实施例说明了本发明，但是本领域的技术人员将认识到可以在不背离本发明的精神和范围的情况下在形式和细节上作出改变。
权利要求
1.一种用于检查基板的光学检验系统，所述系统包括 照相机阵列，所述照相机阵列被构造成当所述基板和所述照相机阵列相对于彼此进行相对运动时获取多组图像； 至少一个聚焦致动器，所述至少一个聚焦致动器能够操作地连接到所述照相机阵列中的每一个照相机，以使每一个照相机的影响聚焦的至少一部分移动； 基板距离计算器，所述基板距离计算器被构造成从所述照相机阵列接收至少一部分图像并计算所述照相机阵列与所述基板之间的距离；和 控制器，所述控制器连接到所述照相机阵列并连接到所述距离计算器，所述控制器被构造成将控制信号提供给所述至少一个聚焦致动器中的每一个聚焦致动器，以在所述相对运动期间使所述照相机阵列中的每一个照相机都自适应聚焦。
2.根据权利要求I所述的光学检查系统，其中，所述至少一个聚焦致动器包括多个聚焦致动器，所述多个聚焦致动器的数量与所述照相机阵列中的照相机的数量相等，使得所述照相机阵列中的每一个照相机具有自己的聚焦致动器。
3.根据权利要求2所述的光学检查系统，其中，每一个聚焦致动器被构造成使每一个聚焦致动器的相应的照相机的图像检测器移动。
4.根据权利要求2所述的光学检查系统，其中，每一个聚焦致动器被构造成使透镜元件移动。
5.根据权利要求2所述的光学检查系统，其中，每一个聚焦致动器被构造成使透镜移动。
6.根据权利要求2所述的光学检查系统，其中，每一个聚焦致动器被构造成使每一个聚焦致动器的相应照相机移动。
7.根据权利要求I所述的光学检查系统，其中，所述至少一个聚焦致动器被构造成使整个所述照相机阵列移动。
8.根据权利要求I所述的光学检查系统，其中，所述距离计算器基于通过不同但相邻的照相机获取的图像的重叠区域中的立体差异计算距离。
9.根据权利要求I所述的光学检查传感器，还包括结构光投影仪，所述结构光投影仪被设置以将结构光图案投射在所述基板上。
10.根据权利要求9所述的光学检查系统，其中，所述结构光图案被构造为一系列条纹。
11.根据权利要求10所述的光学检查系统，其中，所述距离计算器基于获取的图像中的所述条纹的位置计算距离。
12.根据权利要求I所述的光学检查系统，其中，照相机阵列相对于固定的所述基板进行运动。
13.根据权利要求I所述的光学检查系统，其中，所述基板相对于固定的所述照相机阵列进行运动。
14.一种用于检查基板的方法，所述方法包括以下步骤 设置照相机阵列，所述照相机阵列被构造成在所述基板和所述照相机阵列相对于彼此进行相对运动时获取所述基板的图像； 计算所述照相机阵列与所述基板之间的距离；调节所述照相机阵列中的至少一个照相机的焦距并在调节焦距之后利用照相机阵列获取一组图像；和 处理所述一组图像以确定相对于所述基板的检查结果。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，利用相邻但不同的图像之间的立体差异计算距离。
16.根据权利要求14所述的方法，其中，利用将结构照明图案投射在所述基板上的结构照明投影仪计算距离。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述结构照明图案被构造为一系列条纹。
18.根据权利要求14所述的方法，其中，通过读取所述照相机阵列中的每一个照相机的视场的子集计算距离。
19.根据权利要求14所述的方法，其中，调节焦距的步骤包括 基于计算的距离相对于相应的照相机驱动多个聚焦致动器。
20.根据权利要求14所述的方法，其中，调节焦距的步骤包括 使至少一个照相机的检测器移动。
21.根据权利要求14所述的方法，其中，调节焦距的步骤包括 使透镜兀件移动。
22.根据权利要求14所述的方法，其中，调节焦距的步骤包括 使透镜移动。
23.根据权利要求14所述的方法，其中，调节焦距的步骤包括 使整个照相机移动。
24.根据权利要求14所述的方法，其中，调节焦距的步骤包括 使整个照相机阵列移动。
25.根据权利要求14所述的方法，其中，调节焦距的步骤包括 使光学检查传感器移动。
26.根据权利要求14所述的方法，其中，所述相对运动包括使所述照相机阵列相对于固定的所述基板移动。
27.根据权利要求26所述的方法，其中，所述图像是所述基板的一部分的图像。
28.根据权利要求27所述的方法，其中，所述基板移动到新的固定位置，并且在所述照相机阵列相对于在新位置的固定的所述基板移动时获取另外的图像。
全文摘要
本发明提供了一种用于检查基板(10)的光学检查系统(41，42，43，44，45)。所述系统(41，42，43，44，45)包括照相机(2A-2H)的阵列(4)，所述照相机(2A-2H)的阵列(4)被构造成在所述基板(10)和所述阵列(4)相对于彼此进行相对运动时获取多组图像。至少一个聚焦致动器(9A-9H)可操作地连接到照相机(2A-2H)的阵列(4)的每一个照相机(2A-2H)，以使影响聚焦的每一个照相机(2A-2H)的至少一部分移动。基板范围计算器(16)被构造成从所述阵列(4)接收至少一部分图像并计算照相机(2A-2H)的阵列(4)和所述基板(10)之间的范围。控制器(80)连接到照相机(2A-2H)的阵列(4)并连接到范围计算器(16)。控制器(80)被构造成将控制信号提供到至少一个聚焦致动器(9A-9H)中的每一个，以使阵列(4)的每一个照相机(A-2H)在相对运动过程中自适应聚焦。
文档编号G01N21/956GK102639989SQ201080050021
公开日2012年8月15日 申请日期2010年11月4日 优先权日2009年11月6日
发明者卡尔·E·豪根, 史蒂文·K·凯斯(死亡), 埃里克·P·路德, 蒂莫西·A·什昆尼斯 申请人:赛博光学公司