CN101053292A - 用于检测目标的照明阵列和光学测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种照明阵列(100)，其具有多个布置在一照明平面(250)内的发光元件(120a，120b)，所述发光元件用于对一与所述照明平面(250)平行相向的照明行(140，240)进行照明。所述发光元件(120a，120b)分两组布置，从而使得每个由发光元件(120a或120b)组成的组均沿一发光行(130a或130b)布置，所述的两个发光行(130a，130b)彼此间存在一平行偏移间距，且与所述照明行(140，240)平行。所述的两个发光行(130a，130b)此外还以所述照明行(140，240)为对称轴呈对称布置，使得所述的两个发光行(130a，130b)所发出的光束以不同的入射平面射到所述照明行(140，240)上。所述发光元件(120a，120b)优选具有一可将发出的光束会聚在所述照明行(140，240)上的透镜系统(121)，从而可在所述照明行(140，240)内实现至少近乎于恒定的高光强。此外，本发明还提供一种用于检测目标、且具有一本发明的照明阵列(100)与一线感应器(261)的光学测量系统。

Description

用于检测目标的照明阵列和光学测量系统

技术领域

本发明涉及一种照明阵列，所述照明阵列具有多个布置在一照明平面内、用于在一待检测目标上产生一照明行的发光元件。此外，本发明还涉及一种用于检测目标、且具有一上述照明阵列的光学测量系统，所述光学测量系统特别用于检测被一贴装头(placement head)的抓持装置(holding device)拣取的组件。

背景技术

对组件载体的自动装配通常在所谓的自动装配机上进行，所述组件载体特别包括印制电路板或电子领域内所使用的其他类型的可装配基底。其中，借助一贴装头将组件从一组件供给装置上传送至一装配位置，并将其安放在组件载体上一规定的组件安装位置上。由于电子组件越来越趋向于小型化，影响装配过程精确度的其中一个因素就是对待安装的组件与贴装头之间的相对位置的精确测量。进行这种通常还检查组件的机械缺陷的位置测量时，对组件的最佳照明是决定能否取得准确测量结果的一个重要因素，而准确的测量结果又是实现低出错率的精确装配的一个必要条件。装配出错的主要原因在于，安装在印制电路板上的组件的连接部分未精确定位在印制电路板上的连接面上。

在借助通常具有一二维CCD( Charged  Coupled  Device Sensor)感应器的摄像机对组件进行检测时，用对称布置在待检测组件四侧的发光行来进行照明。这种发光行分别包括多个并排布置的光源。通过这种方法可实现对组件的相对均匀的照明。

使用所谓的贴装(pick & place)式贴装头(即将组件从一组件供给装置传送至装配位置的贴装头)时所产生的缺点是，测量时必须将已拣取组件的贴装头定位在摄像机的上方，并且在进行组件测量所需的时间间隔内必须使贴装头停留在这个位置上。在此情况下，贴装头的移动由于受到组件测量的影响而发生中断，从而导致装配效率相应降低，装配效率指的是在一定时间内从组件供给装置上拣取、对其进行光学测量并将其安放在一相应的装配位置上的组件的数量。

通过使用线阵相机(line camera)可避免装配效率降低这一缺点，线阵相机通过对大量图像行进行循序记录而实现对组件的检测。其中，组件沿一移动方向进行相对于线阵相机的移动，所述移动方向垂直于所用线感应器(line sensor)的纵向。在此情况下，贴装头就无需因组件测量而中断移动，从而可在对线感应器进行相对于贴装头常规移动路线的相应定向时相应缩短从拣取组件到安放组件之间的时间间隔。

但使用线阵相机也有其不利之处，也就是不适宜采用通常情况下为正方形的传统照明阵列，因为这种照明阵列所照亮的通常是一正方形区域，因而会使很大一部分产生的光量得不到利用。由于借助线阵相机顺利实现组件测量的一个必要条件是用于每条图像行的曝光时间必须要短，因此，在一待检测组件所处的照明行内必须存在高光强才能保证足够的照明。

发明内容

本发明的目的是提供一种照明阵列，借助于所述照明阵列可通过一线阵相机来实现快速而精确的目标测量。本发明的另一目的是提供一种用于对目标进行快速而精确的检测的光学测量系统，所述目标特别为电子组件。

第一个目的通过一种具有独立权利要求1所述特征、特别用于对一被一贴装头的抓持装置拣取的组件进行照明的照明阵列而达成。根据本发明，所述照明阵列包括多个发光元件，这些发光元件布置在一照明平面内，并用于对一与所述照明平面平行相向的照明行进行照明。所述发光元件分两组布置。其中，由第一发光元件组成的第一组构成一第一发光行，由第二发光元件组成的第二组构成一第二发光行。这两个发光行彼此间存在平行偏移间距并与照明行平行排列，此外，其还以照明行为对称轴呈对称布置，使得第一发光元件射在照明行上的光束位于一第一入射平面内，第二发光元件射在照明行上的光束位于一第二入射平面内，且所述第二入射平面与所述第一入射平面成角度地相向。

本发明基于这样一种认识，即，通过两个与一照明行平行排列且分别以一斜角对这个照明行进行照明的发光行可实现对这个照明行的有效照明。根据本发明，“发光元件”这一概念指的是任何一种可发光的元件。价格低廉且具有长寿命和低耗电量的发光二极管特别适合用作发光元件。

根据权利要求2所述的照明阵列的优点在于，可对射在照明行上的光强进行最佳调整。借此可例如针对待测量的不同组件对照明行内的照度分布进行最佳调整。此外，还可通过对较弱发光元件进行相应较强的激励来改变特别由于个别发光元件老化而引起的照度分布不均匀的情况，从而确保可在一较长的时间内实现均匀的照度分布。通过可对多个发光元件进行联合控制的这样一种照明阵列可实现一种易于实现的有效激励。

根据权利要求3，通过光波导的端面实现所述发光元件，从而可使发光元件特别靠近待测量的目标。借此既可使照明阵列产生一高效的照度，又可以一紧凑的结构实现照明阵列。优选通过一具有多个发光二极管的组件与相应数量的光波导的组合来将照明光送入光波导内。

根据权利要求4所述的照明阵列的优点在于，根本没有或只有一小部分光强射在照明行之外的区域上，从而可将产生的照明光最佳地用在对照明行的照明上。此外，使用一相应调节的透镜系统的优点在于，可在照明行内实现至少近乎于恒定的光强分布。

根据权利要求5所述的使用一棒形透镜(rod lens)的优点在于，可以紧凑的结构实现一具有多个棒形透镜的相应的透镜系统，且所述棒形透镜布置易于操作和调节。在结合使用光波导的情况下，棒形透镜的优点在于，可使两个或多个光波导与一单个棒形透镜光耦合，使得这个棒形透镜成为两个或多个光波导的一共用透镜系统，从而达到使照明阵列结构更紧凑的目的。

根据权利要求6所述的使用一远心透镜系统(telecentric lens)的优点在于，可在一所用线阵相机的一特大的景深范围内实现基本恒定的照明强度，从而实现有助于对目标进行特别可靠的测量的照明。通过为光的出射面采用一相应的成形方案，可将所述远心透镜系统整合在光波导或棒形透镜中。使用远心透镜系统的另一优点是，可在照明行内实现一特别均匀的光分布。

借助根据权利要求7所述的照明阵列可以一平坦的角度对一待检测目标进行照明，从而可在线阵相机直接布置在照明行上方的情况下实现暗视场照明，通过这种暗视场照明可以有利的方式实现对待测量目标基本无反射的检测。

借助根据权利要求8所述的照明阵列可在各入射平面内实现以不同照明方向进行的均匀照明。借此可以较高的精确度特别对二维组件(即所谓的球栅阵列)的连接球体进行测量，这是因为借助所述照明阵列可从多个不同方向对连接球体的轮廓进行照明。

根据权利要求9所述的照明阵列的优点在于，可大幅削弱由于照明行平行布置而引起的照明不均匀性对照度分布的影响，特别在90°角时，可彻底消除这种不均匀性。

借助根据权利要求10所述的照明阵列可使发光元件特别靠近照明行，从而实现较大的照明强度。

本发明的第二个目的通过一种用于检测目标、具有独立权利要求11所述特征的光学测量系统而达成，所述光学测量系统特别用于检测被一贴装头的抓持装置拣取的组件。除根据权利要求1至10中任一项权利要求所述的照明阵列外，本发明的光学测量系统还包括一线感应器，借助所述线感应器可对一目标被所述照明行照亮的部分进行检测。由于针对一线感应器进行了照明优化，借助所述光学测量系统可对待检测目标进行快速的循序摄像，其中，通过目标与线阵相机之间垂直于线感应器纵向的相对运动连续记录多个图像行。记录下来的图像行在一评价单元内被组合成所述目标的一全像，可借助一适用的图像处理设备以已知方式对这些图像行进行进一步处理。

附图说明

下面借助附图所示的优选实施例对本发明的其他优点和特征进行说明，其中：

图1为一照明阵列的一俯视图，其中，用于照明的发光元件通过光波导端面而实现；

图2为图1所示的照明阵列的一侧视图；以及

图3为借助一棒形透镜实现两个发光元件的紧凑型方案，其中，所述棒形透镜与两个光波导光耦合。

在此需要说明的是，相同组件在各附图中的区别只在于其参考符号中的第一个数字。

具体实施方式

如图1所示，一照明阵列100包括多个发光二极管110，这些发光二极管分别与一光波导115光耦合。发光二极管110分成两组，一第一组111a与一第二组111b。光波导115的端面分别构成一发光元件。所述发光元件对应发光二极管110的分组情况同样分成分别由第一发光元件120a和第二发光元件120b组成的两个组。光波导115的发光端面所采取的弯曲方式使得各端面分别构成一聚焦透镜系统121。透镜系统121可具有一远心几何结构，从而可实现景深特大的聚焦。构成第一发光元件120a的光波导端面沿一直线布置，从而构成一第一发光行130a。第二发光元件120b的布置方案与此相同，其构成一平行于第一发光行130a的第二发光行130b。两个发光行130a和130b的发光元件120a和120b各发射一照明光，所述照明光在一照明行140内照亮一图1中未显示的目标的表面。由两个发光行130a和130b发出的光束分别在一入射平面内行进，所述入射平面由照明行140的纵轴和第一发光行130a或第二发光行130b确定。通过这种方法可达到以一平坦的角度(flat angle)对一图1未显示的目标表面进行照明的目的。图2所示的一光学测量系统101的侧视图清楚显示了这种平坦照明(fiat illumination)，所述光学测量系统包括照明阵列100。

如图2所示，沿两个发光行布置的发光元件220a和220b位于一照明平面250内，所述照明平面位于一线阵相机260的一目标平面265的上方。线阵相机260具有一线感应器261与一成像透镜系统262。为对一目标267的一表面进行检测，目标267所采取的定位方式使得目标267的表面位于目标平面265内。对目标267的照明在一照明行240内进行。发光二极管210所产生的照明光被光波导215传导至照明行240的附近，其中，光波导215的端面构成第一发光元件220a和第二发光元件220b。由于光波导端面的适当处理，发光元件220a和220b所发出的照明光发生弯曲，使得光波导端面此外还构成一聚焦透镜系统221。这个透镜系统使照明光会聚在照明行240上，从而使得发光二极管210所产生的光强几乎全都射在照明行240上。

为达到对目标表面进行测量的目的，目标267沿附图所示的双向箭头移动，并由线阵相机260连续摄制多个准一维图像，这些图像可以已知方式被组合成目标267的表面的一全像。

以一平坦的照明角度对目标267的表面进行照明的优点在于，可使通过光波导端面而实现的发光元件220a和220b靠近待测目标267的表面，其中，所述照明角度一方面取决于第一发光元件220a和第二发光元件220b与照明行240之间的水平间距，另一方面取决于照明平面250和目标平面265之间的垂直间距。借此可使照明行240内产生特别高的光强，其优点是可缩短摄制一行图像所需的曝光时间，并进而缩短测量目标表面所需的总时间。平坦照明的另一优点是可实现有助于达到对目标进行精确测量目的的暗视场照明。

在此需要指出的是，也可设置两个以上的入射平面，从而可在需要时实现不同倾斜程度的照明。因此，例如可设置三对分别以摄像机260的光轴为对称轴对称布置的发光行，其入射平面之间的夹角分别为60°、120°和160°。同样也可使用采取可移动布置方式的发光行，从而使得两个入射平面之间的夹角可在一较大的角度范围内变化。

此外，从图1中还可看出，由发光二极管111a和111b组成的两个发光二极管组分别又分成两个分组111aa和111ab以及111ba和111bb。通过光波导115而从属于不同分组的特定发光二极管110的发光元件可在一个入射平面内实现从两个不同方向进行的照明。其优点在于，例如可以较高的精确度对所谓的球栅阵列的连接球体进行测量，这是因为借助上述方案可从多个不同方向对连接球体的轮廓进行照明。上述方案的另一优点是可减小照明的不均匀性，特别在两个不同入射方向之间的夹角约为90°时，可近乎彻底地消除这种不均匀性。

需要指出的是，也可将发光二极管110分成两个以上的分组，这些分组所发出的照明光可通过相应布置和排列的发光元件在一个入射平面内从两个以上的入射方向射到照明行上。

图3显示的是借助一棒形透镜370实现两个发光元件的优选方案，所述棒形透镜与两个光波导315a和315b光耦合。光波导315a和315b将照明光传导至棒形透镜370的一出射面371的附近。从两个光波导315a和315b的末端射出的光束375a和375b在构成一光学界面的出射面371处发生符合斯涅尔(Snell)折射定律的折射，从而得以从不同的照明方向对照明行140进行照明。光束375a和375b之间的夹角取决于出射面371的曲率、棒形透镜370的材料的折射率和在棒形透镜370内平行布置的光波导315a和315b的间距。借助一棒形透镜370来实现两个发光元件的优点在于，可将所述发光元件布置在离发光行140特别近的位置上，从而可在一紧凑的光学结构内实现高照明强度。其中，出射面371起到的是两个发光元件的共用透镜系统的作用。

使一棒形透镜与从属于两个不同分组的光波导耦合的优点在于，每个入射平面只需使用一组棒形透镜。一个棒形透镜组可建构为一整体。借此可以一特别紧凑的结构形式实现所述照明阵列，并使发光元件靠近照明行。当为在一个入射平面内从一个以上的方向对照明行进行照明而在一紧凑结构内设置两个以上的发光二极管分组时，使用建构为一整体的多个棒形透镜也是有利的。

参考符号表

100  照明阵列

110  发光二极管

111a 第一发光二极管组

111b 第二发光二极管组

111aa第一分组

111ab第二分组

111ba第一分组

111bb第二分组

115  光波导

120a 第一发光元件/光波导端面

120b 第二发光元件/光波导端面

121  透镜系统(整合在光波导内)

130a 第一发光行

130b 第二发光行

140  照明行

201  光学测量系统

210  发光二极管

215  光波导

220a 第一发光元件/光波导端面

220b 第二发光元件/光波导端面

221  透镜系统(整合在光波导内)

240  照明行

250  照明平面

260  线阵相机

261  线感应器

262  成像透镜系统

265  目标平面

267  目标

315a 光波导

315b 光波导

370  棒形透镜

371  出射面

375a 光束

375b 光束

Claims (11)

1.一种照明阵列，所述照明阵列特别用于对一被一贴装头的一抓持装置拣取的组件进行照明，具有多个布置在一照明平面(250)内的发光元件(120a，120b，220a，220b)，所述发光元件用于对一与所述照明平面(250)平行相向的照明行(140，240)进行照明，其中，所述发光元件(120a，120b，220a，220b)分两组布置，从而使得

由第一发光元件(120a，220a)组成的一第一组沿一第一发光行(130a)布置，由第二发光元件(120b，220b)组成的一第二组沿一第二发光行(130b)布置，

所述的两个发光行(130a，130b)彼此间存在一平行偏移间距，且与所述照明行(140，240)平行，以及

所述的两个发光行(130a，130b)以所述照明行(140，240)为对称轴呈对称布置，使得所述第一发光元件(120a，220a)射在所述照明行(140，240)上的光束位于一第一入射平面内，所述第二发光元件(120b，220b)射在所述照明行(140，240)上的光束位于一第二入射平面内。

2.根据权利要求1所述的照明阵列，其中所述发光元件(120a，120b，220a，220b)中的至少几个可被个别控制。

3.根据权利要求1至2中任一项权利要求所述的照明阵列，其中，发光元件(120a，120b，220a，220b)为一光波导(115，215)的一端面。

4.根据权利要求1至3中任一项权利要求所述的照明阵列，其中，所述发光元件(120a，120b，220a，220b)分别具有一可将发出的光束会聚在所述照明行(140，240)上的透镜系统(121，221)。

5.根据权利要求4所述的照明阵列，其中，所述透镜系统(121，221)为一棒形透镜(370)。

6.根据权利要求4至5中任一项权利要求所述的照明阵列，其中，所述透镜系统(121，221)为一远心透镜系统。

7.根据权利要求1至6中任一项权利要求所述的照明阵列，其中，所述第一入射平面与所述第二入射平面之间的夹角为110°至160°，优选为125°至145°，更优选为135°。

8.根据权利要求1至7中任一项权利要求所述的照明阵列，其中，每个由发光元件(120a或120b)组成的组具有至少一个第一发光元件分组和至少一个第二发光元件分组，其中，从属于不同分组的发光元件从不同方向对所述照明行(140)进行照明。

9.根据权利要求8所述的照明阵列，其中，从属于不同分组的发光元件(120a或120b)的光束在一包含所述照明行(140)的目标平面(265)上的投影之间的夹角为65°至115°，优选为80°至100°，更优选为90°。

10.根据权利要求8至9中任一项权利要求所述的照明阵列，其中，借助一单个棒形透镜(370)实现第一分组的一发光元件与第二分组的一发光元件，所述棒形透镜与两个光波导(315a和315b)光耦合，使得通过不同光波导(315a和315b)输入耦合进所述棒形透镜(370)的照明光从不同的照明方向对所述照明行(140)进行照明。

11.一种用于检测目标的光学测量系统，所述光学测量系统特别用于对一被一贴装头的一抓持装置拣取的组件进行检测，且具有

根据权利要求1至10中任一项权利要求所述的一照明阵列(100)，和

一线感应器(261)，所述线感应器相对于所述照明阵列(100)所采取的布置方式使得一目标(267)位于所述照明行(140，240)内的部分可被检测到。

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