照明系统、具有照明系统的检验工具及操作照明系统的方法与流程

本申请案主张2014年10月31日申请的62/073,393号美国临时申请案第的优先权，所述申请案的全文以引用的方式并入本文中。

技术领域

本发明涉及一种照明系统。

此外，本发明涉及一种具有照明系统的检验工具。

另外，本发明涉及一种操作照明系统的方法。

背景技术：

日本专利申请案JP 2013-145123A揭示一种具有同轴照明的广角反射光学系统。所述光学系统具有相机，其用于在所述相机的区域传感器上形成待检验的对象的图像。分支光学元件布置于透镜后方，此靠近待检验的对象侧。分支光学元件定位于光学系统的光轴上。针对检验对象的同轴照明提供光源。来自光源的照明光通量从某个方向进入分支光学元件，使得其与图像捕捉光学系统的光轴交叉。

日本专利申请案JP 2011-106912A揭示一种使用同轴照明捕捉具有待成像的元件的亮图像的成像照明装置。使从光源照射的照明光经由漫射板入射于半反射镜(half mirror)。光的一部分被反射且照明衬底。由衬底反射的光的部分通过半反射镜且入射于成像装置的成像元件上。拍摄形成于衬底上的图案图像。将照明光完全反射到待照明的对象的反射部件(镜)固定于其中成像对象(成像区域)的图像所通过的半反射镜的部分外部及照明光的入射侧。来自光源的照明光由半反射镜反射且照射由此反射部件反射的衬底。因此，可明亮地照明衬底(待照明的对象)。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种照明系统，其在一种物理设置中实现不同照明状况，且应实时选择所述不同照明状况。

上述目的是通过用于准直照明的照明系统实现。所述照明系统包括：

可配置区域光源，其布置于照明光束路径的光轴中，其中所述区域光源经配置使得可设定不同光束直径；

成像光束路径的光轴；及

至少一个照明透镜，其定位于所述照明光束路径中以将准直光束引导到对象的表面上的至少一视野上，其中所述照明光束路径的所述光轴的入射角的值等于所述成像光束路径的所述光轴的反射角的值。

本发明的另一目的是提供一种检验工具，其用一种物理设置中的不同照明状况实现对多个对象的检验，且应针对待检验的所述对象实时选择所述不同照明状况。

上述目的是通过检验工具解决，所述检验工具包括：

相机，其布置于成像光束路径的光轴中；

成像透镜，其定位于所述成像光束路径中以将对象的表面的至少一部分成像到所述相机的图像平面中；

照明系统，其具有可配置区域光源，其中所述可配置区域光源布置于照明光束路径的光轴中，且所述可配置区域光源经配置使得可设定不同光束直径；及

至少一个照明透镜，其定位于所述照明光束路径中以将准直光束引导到所述对象的所述表面上的视野上，其中所述照明光束路径的所述光轴的入射角的值等于所述成像光束路径的所述光轴的反射角的值。

本发明的额外目的是提供一种用一种物理设置中的不同照明状况检验对象的方法，且应针对待检验的所述对象实时选择所述不同照明状况(宽光束同轴光及全部准直角度)。

上述目的是通过一种用于检验对象的方法实现，其中所述方法包括：

a.经由照明透镜沿照明光束路径将来自可配置区域光源的界定光束张角的照明光引导到对象的表面上；

b.沿成像光束路径引导来自所述对象的所述表面的反射光；

c.用成像透镜将来自所述对象的所述表面的所述反射光成像到相机的图像平面上；

d.改变所述照明光的直径且由此改变所述光束的所述张角；及

e.重复步骤a到步骤d以分别用不同光束张角及准直角度实时产生所述对象的所述表面的视野的图像。

本发明照明系统、本发明检验工具及本发明方法的优点在于可实时选择准直角度(例如，当不同连续相机图像期望不同准直角度时)。因在一种物理设置中组合全部宽光束同轴光及全部准直角度而实现此。根据本发明，可在一种照明系统中组合广角同轴照明及准直同轴照明的功能性。代替使用点光源，使用区域光源，在其上可选择或寻址不同区域直径。

例如，如果用区域光源选择极小区域直径，那么照明相当于点光源功能性。此导致极窄光束及准直同轴照明。

如果选择区域光源的完整区域，那么此选择相当于将来自“广角同轴照明”的“漫射区域光源”放置于准直同轴照明的“点光源”的位置处。此设置的结果是极宽光束同轴照明，此相当于来自传统“广角同轴照明”的光，且例外之处在于现在所述光是通过照明透镜投影。

如果使用在区域光源的完整区域直径与极小区域直径之间的区域光源的任何区域直径，那么准直光束张角的变动是可行的。

本发明照明系统允许仅使用区域光源的外部直径的额外设置。此设置导致近暗场同轴照明。

本发明照明系统的照明透镜是菲涅耳(Fresnel)透镜。虽然根据一个实施例，本发明的照明透镜是菲涅耳透镜，但是所属领域技术人员将明白，照明透镜不限于菲涅耳透镜。

根据照明系统的实施例，光束分离器于照明光束路径中定位于至少一个照明透镜之后。所述光束分离器沿照明光束路径的经重新定向的光轴将来自区域光源的准直照明光(根据区域光源的经寻址区域选择的照明状况)引导到对象的表面上。使用光束分离器，成像光束路径的光轴的布置与照明光束路径的经重新定向的光轴同轴。

所属领域技术人员显而易见，可通过将成像光束路径及照明光束路径交换到光束分离器的相对侧而实现相同效应。此处，照明光束路径直接通过光束分离器。现在成像光束路径由光束分离器折叠(反射)。

区域光源是多个离散发光元件的二维布置。根据一个可能实施例，所述离散发光元件是发光二极管。所述多个发光元件的所述二维布置是矩阵布置，其中所述发光元件可由指派给可配置区域光源的控制及驱动装置个别地寻址。用所述控制及驱动装置，可寻址所述发光元件使得所述区域光源上的同心几何形状发射光。可配置区域光源的另一可能实施例包括：至少一个均匀发光元件；及至少一个可配置快门元件，其于照明光束路径中布置于所述至少一个均匀发光元件的下游。可配置快门元件的一种可能是覆盖所述光源的LCD屏幕。LCD像素用于阻挡光。LCD屏幕的较精细间距允许投影图案中的更大灵活性。根据另一实施例，可配置区域光源包括单一发光元件，其提供均匀区域发光。所述LCD屏幕定位在所述单一发光元件前面。所述LCD屏幕包括多个个别像素，其布置成二维布置。所述个别像素可寻址以改变每个个别像素的透射率值。

另一可能在于，可配置区域光源在载体上配置为呈同心几何形状的形式的发光元件布置。

同心几何形状(可寻址或已布置)的理想解决方案是同心圆。同心几何形状的另一可能是多个同心矩形。此布置将为最简单解决方案(例如，LED定位)，但相对于水平/垂直方向，对于矩形的对角线方向的准直角度是不同的。良好折衷可为使用同心六边形，此可例如通过发光元件的交错网格(LED网格)实现。

然而，区域光源的设计事实上可使得可投影任何图案。此将导致光束具有对应于所述图案的光束张角。应了解，区域光源的配置不限于同心几何形状。所属领域技术人员应了解，区域光源的投影图案不限于同心几何形状。根据本发明，可投影任何图案。个别发光元件可通过计算机或控制及驱动装置寻址使得实现理想图案。根据本发明的另一实施例，覆盖单一区域光源的LCD屏幕的像素是个别地寻址(经寻址LCD像素阻挡来自区域光源的光)，使得可投影任何需要的图案。

额外发明概念是将本发明可配置区域光源整合到检验工具中。相机布置于成像光束路径的光轴中。成像透镜定位于所述成像光束路径中以将对象的表面的至少一部分成像到所述相机的成像平面中。具有区域光源的照明系统布置于照明光束路径的光轴中。所述可配置区域光源经配置使得可设定照明的不同光束直径。至少一个照明透镜定位于所述照明光束路径中以将准直光束引导到所述对象的所述表面上的视野上，其中所述照明光束路径的所述光轴的入射角的值等于所述成像光束路径的所述光轴的反射角的值。如果光束分离器于所述照明光束路径中定位于所述至少一个照明透镜之后，那么此状况也成立。所述光束分离器沿平行于所述成像光束路径的所述照明光束路径的经重新定向的光轴将来自所述区域光源的准直照明光引导到所述对象的所述表面上。因此，所述成像光束路径的所述光轴与所述照明光束路径的所述经重新定向的光轴同轴。

通过用可发射具有不同直径的光束的光源取代点光源，具有可配置照明(例如，可配置光束张角)的检验工具是可行的。光束张角的配置在从准直光束直到广张角光束的范围内。可实时接通不同光直径或形状而作为独立通道。此使得可例如针对连续相机图像改变照明的准直角度。

本发明照明系统的光束分离器安装于固持器中。待检验的对象的表面面向所述固持器的第一侧面。镜安装到所述固持器的第二侧面，使得来自可配置区域光源的光经由照明透镜引导到所述光束分离器上且从所述光束分离器到所述对象的所述表面上。

在一个同轴照明设置中且因此在一个检验工具中提供不同光束张角的优点在于，用户可用同一工具实行数种不同检验例程。

应了解，前述一般描述及以下详细描述仅是示范性的及解释性的且不一定限制本发明。并入于本说明书中且构成其部分的附图说明本发明的主题。描述及图式一起用以说明本发明的原理。

附图说明

下文将参考附图进一步描述本发明及其优点，在附图中：

图1是使用大的漫射光源的现有技术广角同轴照明系统的示意图。

图2是使用点光源的现有技术准直同轴照明系统的示意图。

图3是准直同轴照明系统的发明概念的示意图。

图4是准直照明系统的发明概念的示意图。

图5是未使用照明透镜的来自区域光源的光的准直光束张角的度数的示意图。

图6是来自可配置区域光源的光的准直光束张角的度数的示意图，其中照明系统结合照明透镜提供来自区域光源的巨大点大小。

图7是来自可配置区域光源的光的准直光束张角的度数的示意图，其中照明系统结合照明透镜提供来自区域光源的中等点大小。

图8是来自可配置区域光源的光的准直光束张角的度数的示意图，其中照明系统结合照明透镜提供来自区域光源的小点大小。

图9是可配置区域光源的实施例的俯视图。

图10是图9的可配置区域光源的实施例的侧视图。

图11展示可配置区域光源的一个实施例。

图12展示可配置区域光源的另一实施例。

图13展示可配置区域光源的另一实施例。

图14展示将本发明照明系统整合到检验工具或设备中。

图15是可配置区域光源的另一实施例的俯视图，其中LCD用于形成照明图案。

图16是图15的可配置区域光源的实施例的侧视图。

具体实施方式

在图中，相似元件符号用于相似元件或具相似功能的元件。此外，为明确起见，图中仅展示论述相应图所必需的元件符号。

图1是现有技术照明系统100的示意图，其配置为使用大的漫射区域光源2的广角同轴照明系统100。广角同轴照明系统100的工作原理在于，大的漫射区域光源2经由光束分离器4将其光3投影朝向对象6的表面5。光源2布置于照明光束路径21的光轴20中。照明系统100是同轴照明系统100，此是因为在光束分离器4的下游，来自光源2的光3具有与成像光束路径81的成像光轴80相同的近似方向D。相机8布置于成像光束路径81的成像光轴80中。成像透镜7将对象6的表面5的一部分或视野成像到相机8的图像平面9上。从对象6的表面5反射的光10沿成像光束路径81的成像光轴80行进，且在通过光束分离器4之后，到达相机8的成像透镜7。

图2是现有技术照明系统100的示意图，其配置为使用点光源15的准直同轴照明系统100。为获得准直同轴照明，点光源15通过照明透镜12经由光束分离器4朝向对象6的表面5投影。点光源15布置于照明光束路径21的光轴20中。照明系统100是准直同轴照明系统100，此是因为在光束分离器4的下游，来自点光源15的光3具有与成像光束路径81的成像光轴80相同的近似方向D，且其聚焦于成像透镜7的光圈83上(如果对象6是镜面装置)。相机8布置于成像光束路径81的成像光轴80中。如果对象6是镜，那么点光源15将精确地投影且聚焦于成像透镜7的透镜光瞳(光圈)83上(参见图3)。如果成像透镜7是透视透镜那么为此情况。如果成像透镜7是远心透镜，那么点光源15将投影到无穷远。

成像透镜7将对象6的表面5的一部分或视野成像到相机8的图像平面9上。从对象6的表面5反射的光10沿成像光束路径81的成像光轴80行进，且在通过光束分离器4之后，到达相机8的成像透镜7。

图3是照明系统100的发明概念的实施例的示意图，照明系统100是准直同轴照明系统100。本发明照明系统100在一个区域光源2中组合广角同轴照明及准直同轴照明的功能性。可配置区域光源2经配置使得可选择或初始化不同区域直径2₁、2₂、…、2_N。

在极小区域直径(如同区域直径2₁)的情况中，照明系统100相当于使用点光源功能性的图2的照明系统100。选择最小区域直径2₁导致准直同轴照明的极窄光束。

如果选择或初始化可配置区域光源2的完整区域(最大区域直径2_N)，那么所述设置相当于具有图1的漫射区域光源2的设置，其中漫射区域光源2处于图2的点光源15的位置处。结果是具有极宽光束同轴照明的准直同轴照明。此照明相当于来自传统“广角同轴照明”的光。根据本发明，现在来自可配置区域光源2的光是通过照明透镜12投影到光束分离器4上且从光束分离器4到样本6的表面5上。

区域光源2布置于照明光束路径21的光轴20中。如之前提及，可配置区域光源2经配置使得不同可设定区域直径2₁、2₂…2_N导致不同光束直径。最小直径2₁与最大区域直径2_N之间的任何区域直径2₁、2₂、…、2_N允许准直光束张角22的变动。

如果可配置区域光源2经设定使得仅使用外部区域直径2₂、…、2_N(发出光)，那么可配置区域光源2的中心2C中保持暗点。此设置导致近暗场同轴照明。

照明光束路径21中的照明透镜12照明到对象6的表面5上的视野13上的准直光束。从对象6的表面5，视野13沿成像光束路径81的成像光轴80成像到成像透镜(此处未展示成像透镜及相机)的成像透镜光瞳(光圈)83上。

图4是照明系统100的发明概念的另一实施例的示意图。省略光束分离器4。可配置区域光源2经布置使得照明光束路径21的光轴20相对于对象6的表面5倾斜角度α。如上文提及，来自区域光源2的光是通过照明透镜12成像到对象6的表面5上。从对象6的表面5反射的光沿照明光束路径81的成像光轴80传播。对象6的表面5上的视野13成像到成像透镜光瞳(光圈)83上(此处未展示成像透镜及相机)。成像光束路径81的成像光轴80相对于对象6的表面5倾斜角度β。照明系统100的光学设置使得照明光束路径21的光轴20的角度α的值等于成像光束路径81的成像光轴80的角度β的值。在未使用光束分离器的情况下实现亮场照明。换句话来说：检验工具，其中照明角度α的值等于成像角度β的值。

图5是未使用照明透镜12的准直光束张角84的值度数的示意图。代替照明透镜12，将区域光源(此处也未展示)的漫射板11定位在光束分离器4之前。因为对象6的照明具有宽光束且无照明透镜12，所以获得不对称宽光束，此是传统宽同轴照明。由于宽光束张角22(参见图3)，对象6在相机8中的成像质量将对对象的表面5的倾斜不敏感。

图6到图8展示准直光束张角84与照明光的点大小(区域直径)的相依性。图6是使用具有巨大点大小(巨大区域直径)的可配置区域光源2及照明透镜12的准直光束张角84的度数的示意图。归因于由可配置区域光源设定的巨大点大小(巨大区域直径)，准直光束张角84的一部分24被截断。此使光束张角84朝向视野13的边缘不对称。从对象6的表面5反射的光对光束分离器4的倾斜不敏感。图7是使用具有中等点大小(相较于图6，减小的点大小)的可配置区域光源的准直光束张角84的度数的示意图。从照明透镜12，来自可配置区域光源的光经由光束分离器4准直到对象6的表面5上。从图7可明白，用减小的点大小，准直光束张角84变窄。另外，现在从对象6的表面5反射的光对对象6的表面5的倾斜敏感。图8是准直光束张角84的度数的示意图。与图7的示意图相比，点大小进一步减小。现在可配置区域光源2具有小点大小(小区域直径)。窄光束张角的结果是照明系统的设置对对象6的表面5的倾斜极其敏感。另外，与图6或7中所示的点大小(区域直径)相比，从对象6的表面5反射的光变得更准直。

图9是可配置区域光源2的实施例的俯视图。在此处所示的实施例中，区域光源2是由多个发光元件14配置，其以二维方式布置于载体16上。此处，发光元件14布置成行17₁、17₂、…、17_N及列18₁、18₂、…、18_N，且由此形成矩阵。根据一个可能实施例，发光元件14是发光二极管(LED)。如图3及4中所示，可配置区域光源2指派给控制及驱动装置30或可相应地寻址区域光源2的任何嵌入式系统。用控制及驱动装置30，可寻址个别发光元件14且产生可配置区域光源2的不同发光形状及/或大小。图9展示如何初始化可配置区域光源2的不同大小19₁、19₂、…、19_N的一个实施例。通过控制及驱动装置30寻址发光元件14，使得寻址区域光源2的圆的各种大小。必须注意，可配置区域光源2的圆的可寻址形式不应视为限制因素。

图10是图9的可配置区域光源2的实施例的侧视图。发光元件14布置于载体16上。另外，可配置区域光源2可具有漫射器(未展示)，以实现载体16上的经寻址发光元件14的均匀光分布(区域)。

可配置区域光源2通常可为由同心几何形状23构成的区域。理想解决方案将为使用同心圆25。图11中展示此实施例，其中可配置区域光源2是由已定位成同心圆25的形状的发光元件14形成。

图12展示可配置区域光源2的另一实施例。定位发光元件14的最简单解决方案将为使用同心矩形26。几何形状23是矩形，其具有以下缺点：相对于水平/垂直方向，对于矩形的对角线方向的准直角度是不同的。

图13展示可配置区域光源2的另一实施例。相较于图12中所示的实施例，良好折衷在于使用同心六边形27作为同心形状23。此可例如通过制造发光元件14的交错网格(此处未展示)而实现。

然而，区域光源的设计不限于图11到13中所示的同心几何形状23。事实上，可通过寻址区域光源2的发光元件14而投影任何图案。此将导致光束具有理想图案及理想光束张角。

图14展示将本发明照明系统100整合到检验设备200中的可能实施例。本发明照明系统100整合于检验设备200的现有外壳40中。本发明照明系统100在一种同轴照明设置中提供不同光束张角。来自可配置区域光源2的光10经由镜41引导到照明透镜12(照明透镜12的可能实施例是菲涅耳透镜)。镜41对于折叠照明光束路径21是必需的。此节省空间且使照明系统100能够整合到检验设备200中。

本发明照明系统100的光束分离器4安装于固持器43中。通过载体45固持待检验的对象6，使得对象6的表面5面向固持器43的第一侧面43A。镜41安装到固持器43的第二侧面43B，使得来自可配置区域光源2的照明光10经由照明透镜12引导到光束分离器4上且从光束分离器4到对象6的表面5上。

从对象6的表面5反射的光沿成像光束路径81行进到相机8。成像透镜7将对象6的表面5的视野13成像到相机8的图像平面9中。在此处所示的实施例中，在成像光束路径81中提供两个额外镜82，以因空间之故折叠成像光束路径81。用本发明检验设备200，可在一种同轴照明设置中提供不同光束张角。

图15展示可配置区域光源2的额外实施例。LCD屏幕50定位于至少一个发光元件14之后。在此处所示的实施例中，使用单一发光元件14来提供LCD 50的背部的均匀区域发光(参见如图16中所示的侧视可配置区域光源2)。LCD 50的多个像素51可个别地寻址。LCD 50包括以二维方式布置的多个像素51。因此，可通过用已知控制装置(未展示)个别地寻址像素51而形成各种照明图案。以某种方式寻址可配置区域光源2的像素51(参见图15)，使得像素群组完全阻挡来自发光元件14的光55，且其它像素51使来自发光元件14的光55通过(参见图16)。所属领域技术人员显而易见，还可调整个别像素51的透射率。

在上文描述中，给出数种具体细节以提供对本发明的实施例的透彻理解。然而，本发明的所说明实施例的上文描述并不意欲为详尽的或将本发明限制于所揭示的精确形式。所属领域技术人员将认知，本发明可在不具所述具体细节中的一或多者的情况下或用其它方法、组件等实践。在其它实例中，未详细展示或描述众所周知的结构或操作以免致使本发明的方面不清楚。如所属领域技术人员将认知，虽然本文中为说明性目的而描述本发明的特定实施例及实例，但各种等效修改在本发明的范围内可行。

根据上文详细描述，可对本发明进行此类修改。在以下权利要求书中使用的术语不应解释为将本发明限制于本说明书及权利要求书中所揭示的特定实施例。实情是，本发明的范围是由根据权利要求书说明的已建立原则解释的随附权利要求书决定。

元件符号列表

2 区域光源/可配置区域光源

2₁、2₂、…、2_N 区域直径

2C 区域光源的中心

3 光

4 光束分离器

5 表面

6 对象

7 成像透镜

8 相机

9 图像平面

10 光

11 漫射板

12 照明透镜

13 视野

14 发光元件

15 点光源

16 载体

17₁、17₂、…、17_N 行

18₁、18₂、…、18_N 列

19₁、19₂、…、19_N 大小

20 照明光轴

21 照明光束路径

22 准直光束张角(在照明透镜之前)

23 同心几何形状

24 部分

25 同心圆

26 同心矩形

27 同心六边形

30 控制及驱动装置

40 外壳

41 镜

43 固持器

43A 第一侧面

43B 第二侧面

50 LCD

51 LCD的像素

55 光

80 成像光轴

81 成像光束路径

82 镜

83 成像透镜光瞳/光圈

84 准直光束张角(在成像透镜之后)

100 照明系统

200 检验设备

D 方向

α 角度

β 角度