CN100438745C - 光学传感器设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种对基片进行光探测的光传感器设备，特别是通过印刷电路板上所使用的标记对印刷电路板的位置进行精确地探测。所述光传感器设备包括一个光探测器、一个成像镜组、一个分光器以及三个不同的照射部件。这些照射部件利用不同的光谱颜色和不同的照射角度照射将要探测的基片。在一个传感器设备中将不同的照射光谱和照射角度进行集成，就可以通过一个用来控制每个照射部件的控制部件对大量用作于基片及在基片上所使用的标记的不同的材料的照射参数自动进行最优化处理。

Description

光学传感器设备

本发明涉及一种光传感器设备，该设备通过目标物体的标记可以对目标物体比如印刷电路板或基片进行探测并且精确的确定它们的空间位置。

在实现所谓的自动安装印刷电路板或带元件的陶瓷基片时，特别是带SMD(表面安装设备)元件时，需要在安装前利用探测位置的装置确定要安装的基片的位置。这些元件包括以下一切可以安装的物体，特别是电子的，电子机械的或者机械的元件比如屏蔽板。一般情况下借助视觉系统就可以进行位置探测，包括相机，比如CCD相机，和照射装置。除了探测位置，视觉系统还可以用来进行质量控制。比如当传送带上同时有质量好的和质量次的基片时，质量次的就会被识别出来并且排除在自动安装过程之外。

利用在基片上涂覆的中心标记探测基片位置。在基片上所使用的废品标记通常用作有缺陷基片的标识，以便这些有缺陷的基片在质量检测时就会被识别出来，将不会进入接下来的安装工序。可安装的基片可以采用不同的材料，比如陶瓷、塑料、层压纸、喷塑板和/或环氧树脂-/玻璃纤维复合物。基片还可以使用塑料箔，这是一种柔性材料，可以弯曲甚至可以折叠。基片制造商也可以采用不同的材料，比如有光泽的或无光泽的金属或者金属氧化物或者塑料一或者漆层用作标记。此外还经常在基片上钻孔作为标记。

可安装基片的制造商一般仅详细描述他们生产的基片的电性能，而不涉及光学特性。用于基片和标记的各种材料的光学特性一般变化很强烈。这样通过照射产生的在所使用的标记和基片背景之间的对比度遵从特别大的波动。因此选择基片的照射时，应该使所使用标记与所述的基片背景相比反差尽可能的大。

US5469294公开的照射系统用于此目的。它有一个或多个光源，不透光的隔板和反射镜。该照射系统能够将基片上的比如在半导体晶片上的标记照亮，此外使得相机与基片平行或成一定的角度来探测该标记。光源包括发光二极管(LED)和发出宽光谱的白炽灯。还设置有暗场照明(照明在与相机的光轴平行的角度发生)和明场照明(照明在与相机光轴垂直的角度发生)用来更好的识别在黑暗的背景下明亮的标记和明亮的背景下黑暗的标记。光控制部件可以对光的强度进行手动或自动控制。

WO 99/20093公开了一种照射设备，有多个照射部件。每个部件在彼此不同的光谱范围内发光。他们可以在自己的强度内独立地变化。通过对中心标记和印刷电路板使用不同的材料来保证足够大的对比度，这样就可以实现具有不同光谱分布的照射。

至今所知道的照射设备的特点都是照射光谱和照射角度的特殊的组合。在个别情况下使用的照射是从大量可能的照射光谱和照射角度的组合中选择出特别适合一定的基片的情况，在这种情况下的主要取决于基片的材料、材料可能有的材料涂层以及基片上所使用的标记的类型。所以操作员在更换要安装的基片时必须更换照射并且/或者手动调节，这样照射在新的基片和标记的材料组合下可以实现基片背景和标记之间尽可能大的对比度。

因此本发明的任务是提出一种光传感器设备，在大量的不同基片材料和在基片上所使用的标记的材料的组合情况下，为确保基片的可靠的光学探测提供适合的照射，在这种情况下更换基片-和/或标记-材料，不需要对传感器设备进行手动调节。

根据本发明的任务可以通过一个光传感器设备实现，该设备配备一个光探测器，一个成像镜组——该镜组使将要探测的目标物体的测量场在光探测器上成像，这时光探测器安装在成像镜组的光轴上，还有一个分光器——安装在光探测器和与光轴成一定角度的测量场的之间的光轴上。该光传感器设备更进一步包括一个第一照射部件，以倾斜的角度照射测量场；一个第二照射部件——根据分光器反射光，以基本平行光轴的角度照射测量场；一个第三照射部件——以基本大概平行于光轴的角度照射测量场。在这种情况下，三个照射元件中至少有一个拥有两个以上的彼此在不同光谱范围中发光的发光元件。

根据本发明的两个优选实施例，三个照射部件中至少有两个，特别是第二个和第三个，拥有至少两个彼此在不同光谱范围中放射的发光元件。根据本发明的光传感器设备的优点是，除了在开始调节照射光谱和照射角度外——这在运行光传感器设备前是必须的——就不需要另外的机械性的调节或者其它的光传感器设备的校准。

根据本发明的更进一步的实施例，光探测器是一个CCD相机或一个CMOS相机。这样可以有利的方式使用商业上通用的CCD或CMOS芯片作为光探测器，使得实现根据本发明的光传感器设备更经济。

根据本发明的更进一步的实施例，在第一照射部件和测量场之间，在第二照射部件和分光器之间，和/或在第三照射部件和测量场之间安装漫散射器(Diffusor)。根据本发明使用漫散射器的好处是，可以降低不需要反射光的强度，这样就可以提高光探测器探测时的对比度。

根据本发明的更进一步的优选实施例，第一照射部件有一个在蓝色光谱范围内发光的光源。根据本发明，用蓝色光从倾斜角度照射测量场的优点是，特别是那些位于明亮背景下，比如在陶瓷基片上，具有金属反射性的标记可以利用光探测器的高对比度探测到。

根据本发明的更进一步的两个特别的优选实施例，第二和/或第三照射部件配备有一个发出白光的光源和一个在红外线光谱范围内发光的光源。该实施例的优点是，通过从陡峭角度射入的白色照射光可以对镀锡的标记进行可靠的探测。因为镀锡的标记使用特别频繁，所以白色的照射是光传感器设备最经常使用的标准照射，它常优先被作为漫散射光从陡峭角度照射要测量的基片。当安装在相应的基片上的标记被焊料覆盖时，这时红外线照射就特别合适，它从陡峭角度照射要测量的基片。如果将陡峭照射到要测量的基片上的红外线光作为漫散射光照到基片上，那么对覆盖的标记的探测效果可以得到提高。

根据发明另外的一个实施例，至少有一个光源是发光二极管。它相对于其它光源的优点是，一方面成本非常低，另一方面使用寿命长，并且耗电量低。

在本发明的更进一步的实施例中，传感器设备还附带了一个控制部件，该部件连接了一些光源，利用它可以对单个光源进行彼此独立地控制。其好处是，不仅光的强度而且单个光源发光的时间过程可以单个进行确定，这样在基片的材料和标记材料的不同组合情况下可以实现照射的最优化。

根据本发明更进一步的实施例，控制部件有一个用来存储大量参数的参数存储器，它可以在不同的照射方式下，确定不同的光源控制。这样对于大量的基片和标记材料的不同组合，存储合适的照射参数，在改变要探测的基片和标记材料的组合时，可以快速可靠底调整适用于新的材料组合的照射。

总之可以确定，通过将照射光谱和照射角度的不同组合在单个传感器设备中进行集成，并且通过控制单个照射部件的控制部件，可以自动优化大量的不同基片和在基片上所设置的标记的材料的照射参数。

在以下优选实施例中将介绍本发明的其它优点和特点。

图1示出了—个根据本发明优选实施例的光传感器设备。

在图1中示出了根据本发明的—个实施例的—个光传感器设备100。传感器设备100包括光探测器101，成像镜组102，分光器103，第一照射部件110，第二照射部件120和第三照射部件130。根据本发明的光传感器设备100用于探测印刷电路板140的表面141。根据在印刷电路板140的表面141上的标记(未示出)，可以确定印刷电路板140的位置。印刷电路板140和它的底部142一般在传送带上(未示出)。印刷电路板140，分光器103，成像镜组102和光探测器101安装在成像镜组102的光轴上(未示出)。根据本发明的实施例中，在光探测器101，一个CCD芯片或一个CMOS相机，和成像镜组102之间还安装了一个中心光阑105。要测量的印刷电路板140在成像镜组102的目标物体侧。与此相应地，光探测器101在成像镜组102的像一侧。印刷电路板140的表面141和成像镜组102之间的距离，以及成像镜组102和光探测器101之间的距离是可以进行选择，使得测量场(未示出)可以探测印刷电路板140的表面141的子区域，由此测量场可以通过成像镜组102在光探测器101上成像。

三个照射部件110，120和130的作用是，通过成像镜组102将光探测器要探测的测量场照亮，这样光探测器101就可以通过尽可能大的对比度对在印刷电路板140的表面141上现有的结构进行探测，它在测量场(未示出)的内部。为了实现尽可能大的高对比度的探测，将从不同照射角度照射测量场。

利用具有两个发光二极管111、111′的第一照射部件110，与成像镜组102的光轴以倾斜的角度照射测量场。根据本发明所述的实施例，这两个发光二极管111和111′都在蓝色光谱范围内发光。通过这种蓝色光的倾斜照射，传感器设备100可以对在明亮背景下特别是产生金属反射的标记进行可靠的探测，比如在陶瓷的基片上。利用有发出白光的发光二极管121和—个发出红外线光的发光二极管122的第二照射部件120以几乎与成像镜组102的光轴平行的角度照射传感器设备100的测量场。可通过以下方式实现从几乎平行于成像镜组102光轴的角度的照射测量场，即从两个发光二极管121和122发出的光，照射在分光器103上的光至少部分地被反射，这样就可以以几乎与成像镜组102光轴平行的角度照射测量场。安装在两个发光二极管121或122与分光器103之间的一个漫散射器107，是用来均匀照射在成像镜组102上方被光探测器101探测的测量场，也就是说在测量场的表面上分布有均匀的照射光强度。此外，第三照射部件130还会以与成像镜组102光轴几乎平行的角度照射印刷电路扳140表面141上的测量场。如图1中所示，第三照射部件130总共有6个发光二极管131、132、133、131′、132′、133′。相应地根据所述的优选实施例，发光二极管131、132、131′、132′’发出白色的光，发光二极管133、133′’发出红外线光。为了再次实现对测量场尽可能均匀照射，在发光二极管131、132、133、和测量场之间，以及发光二极管131′、132′、133′之间安装了漫散射器106。如图1中所示，壳体104是用于固定传感器设备所使用的光学元件，也就是用于固定光探测器101，成像镜组102，分光器103，中心光阑105和漫散射器106、107以及固定三个照射元件110、120和130。如果希望用合适的对比度对被覆盖的标记，比如用焊料覆盖的标记，进行可靠的探测，通过第二个照射部件120和第三个照射部件130对测量场进行红外线照射就非常重要了。

对于被覆盖的标记，红外线照射比短波长的照射可以实现更好的对比度，因为一般覆盖标记的材料对于红外线比可见光具有相对较高的透射率。综合考虑标记覆盖材料的透射能力和所使用的CCD传感器的灵敏度，根据本发明的优选实施例，所使用的光在光谱范围内的中心波长约为880nm。

第二照射部件120和第三照射部件330分别是这样实现的，发光二极管121、122，发光二极管131、132、133和发光二极管131′、132′、133′分别安装在一个印刷电路板上。虽然它们是一起安装的，但是所有的发光二极管121、122、131、132、133、131′、132′、133′分别由一个未示出的控制部件来单独控制。这样根据印刷电路板和印刷电路板标记的材料就可以选择出更合适目标明场部分的对比度。

必须指出，本发明完全不局限于图1所示的实施例。所以对于三个照射部件110、120和130，原则上每个都可以使用任意个数的发光二极管，这样每个发光二极管在任意的光谱范围中可以发光。

Claims (13)

1、光传感器设备，特别是利用印刷电路板上涂覆的标记对印刷电路板的位置进行精确的探测设备，包括

●光探测器，

●成像镜组，将要探测目标物体的测量场在光探测器上成像，此时光探测器安装在成像镜组的光轴上，

●分光器，安装在光探测器和测量场之间的光轴上，测量场与光轴成一定的角度，

●第一照射部件，它倾斜地以一个角度对测量场进行照射，

●第二照射部件，按照分光器的反射光，以与光轴大致平行的角度照射测量场，和

●第三照射部件，它倾斜地以一个与第一照射部件照射测量场的角度相比更加陡峭的角度照射测量场，

在这种情况下，三个照射部件中至少有一个照射部件包含两个或两个以上的在彼此不同的光谱范围内发光的发光元件。

2、根据权利要求1所述的光传感器设备，其特征在于，三个照射部件中至少有两个照射部件包含两个或两个以上的在彼此不同的光谱范围内发光的发光元件

3、根据权利要求1所述的光传感器设备，其特征在于，第二和第三照射部件至少包含两个在彼此不同的光谱范围内发光的发光元件。

4、根据权利要求1至3中之一所述的光传感器设备，其特征在于，光探测器是一个CCD相机或一个CMOS相机。

5、根据权利要求1至3中之一所述的光传感器设备，其特征在于，在第一照射部件和测量场之间安装一个漫散射器。

6、根据权利要求1至3中之一所述的光传感器设备，其特征在于，在第二照射部件和分光器之间安装一个漫散射器。

7、根据权利要求1至3中之一所述的光传感器设备，其特征在于，在第三照射部件和测量场之间安装一个漫散射器。

8、根据权利要求1至3中之一所述的光传感器设备，其特征在于，第一照射部件包含一个在蓝色光谱范围内发光的光源。

9、根据权利要求1至3中之一所述的光传感器设备，其特征在于，第二照射部件包含一个发白光的光源和一个在红外线光谱范围中发光的光源。

10、根据权利要求1至3中之一所述的光传感器设备，其特征在于，第三照射部件包含一个发白光的光源和一个在红外线光谱范围中发光的光源。

11、根据权利要求1至3中之一所述的光传感器设备，其特征在于，至少有一个光源是发光二极管。

12、根据权利要求1至3中之一所述的光传感器设备，其特征在于，还包括一个与多个光源连接的控制部件，通过该控制部件可以对这些光源进行相互独立的控制。

13、根据权利要求12所述的光传感器设备，其特征在于，控制部件包括一个参数储存器，用来储存多个参数，这些参数针对不同的照射方式确定不同的光源控制。

Images