CN101208594B - 光源的平面阵列所发射的收敛光线的获得 - Google Patents

光源的平面阵列所发射的收敛光线的获得 Download PDF

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Abstract

提出了用于获得光源(118、120)的平面阵列所发射的收敛光线(123、126)的系统和方法。在一个实施例中，提出了一种成像装置(200)，用于检查半导体或其它物体(116)。成像装置(200)包括用于成像从物体(116)反射的光线的一个或多个成像透镜(112)。成像装置(200)还包括附接到平面电路板(212)的第一光源(118)，以及附接到平面电路板(212)的第二光源(120)。成像装置(200)进一步包括用于指引来自第一光源(118)的光线从第一方向朝向物体(116)的第一菲涅耳棱镜(214)、以及用于指引来自第二光源(120)的光线从第二方向朝向物体的第二菲涅耳棱镜(216)。在一个实施例中，成像装置(300、400)还包括用于提高或降低光线的散度的一个或多个光学元件(310、312、410、412)。

Description

光源的平面阵列所发射的收敛光线的获得
技术领域
本发明涉及以收敛光线来照明物体。
背景技术
物体反射光线的方式是不同的，从在现有技术中获知的朗伯(Lambertian)(在朗伯(Lambert)之后)的完全散射(diffuse)到完全镜射(specular)(在反射镜(speculum)之后)。如果物体是实质为朗伯，其性质在于：表面以本质上和角度无关的效率来反射光线，则该物体的照明是相对简单的。在这种情况下，物体的图像的均匀性仅仰赖于入射照明的均匀性和强度。一个朗伯物体的实例是纸张，其可由一单点状的光源来充分照明。
如果物体是实质为镜射且期望的照明是亮场照明，则光源将由观察者直接看到。这可以通过以一个偏离(off)角度放置相机来实现，该偏离角度和光源的偏离角度相同，甚至镜射物体的反射角度和入射角度互补。在这种情况下，光源本身必须具有朗伯发射器的特性且必须涵盖所投射的视野。
在实质散射反射的朗伯物体与实质镜射反射的物体之间存在一极大类别的物体，其表面既不是实质为朗伯也不是实质为镜射。针对这些物体，从光源反射到观察者或传感装置的光线的量取决于入射照明的强度与入射的角度。
设计用于成像物体的照明系统需要以一个特定的方向指引光线，一般为朝向要成像的物体。实现这个的通常方式为以物体的方向指向或瞄准光源。这个瞄准可以相当复杂。例如，由Baldwin等人于2003年7月10日提出的美国专利申请案第10/616,548号的美国专利公告第2004/0141175号，提出从不同方向来瞄准如发光二极管(LED)的光源的一个实例，以实现在实质固定照明角度的物体的均匀照明而不管该物体的位置在何处。
一般使用暗场(darkfield)环灯(ringlight)从多个方向照明物体。使用现有技术产生的暗场环灯包括LED，其包括基本聚光(condensing)透镜，此透镜安装到例如四个单独的电路板段(segment)，使得LED可以自不同方向倾斜朝向该物体。每个电路板段以适合的角度安装，且定位使得它的能量朝向该物体。LED的主要光线收敛于预定的位置。虽然这种排列提供了足够的照明，但它的实现有困难。例如，制造、装配及互连四个单独的电路板组件是昂贵的。
发明内容
因此，较佳的是将暗场环灯的光源(例如：LED)装配到单一电路板，以降低零件数、零件成本、组装时间、与组装成本。同样较佳的是由于较少的互连而提高可靠度。
在一个实施例中，提出一种用来检查半导体或其它物体的成像装置。该成像装置包括用于成像从物体反射的光线的一个或多个成像透镜，以及平面电路板。该成像装置还包括附接到平面电路板的第一光源、以及附接到平面电路板的第二光源。该成像装置进一步包括用于指引来自第一光源的光从第一方向朝向该物体的第一菲涅耳(Fresnel)棱镜、及用于指引来自第二光源的光从第二方向朝向该物体的第二菲涅耳棱镜。
在一个实施例中，一种暗场环灯包括：用于发射第一光束的第一光源、用于发射实质平行于第一光束的第二光束的第二光源、及用于重新指引第一光束和第二光束的一个或多个光学元件，使得第一光束和第二光束在期望的位置收敛。
在一个实施例中，一种用于照明物体的方法，包括：发射第一光束、发射实质平行于第一光束的第二光束、以及重新指引第一光束和第二光束，使得这些光束在选定的位置收敛。
在一个实施例中，一种用于制造检查系统的光源，包括：用于重新指引二个或更多实质平行的光束朝向要成像的物体的装置、以及用于改变至少一个光束的散度的装置。
其他的方面和优点将参考附图，在下面优选实施例的详细描述中变得明显。
附图说明
图1是传统的成像装置的示意图。
图2是根据一个实施例的用于获得收敛光线的成像装置的示意图。
图3是根据一个实施例的用于降低收敛光线的散度的成像装置的示意图。
图4是根据一个实施例的用于提高收敛光线的散度的成像装置的示意图。
具体实施方式
在一个实施例中，光线由光源的平面阵列发射和指引以照明被观察的物体。典型地，虽然本发明没有如此受限，光源的平面阵列可运用于制造零件的自动的特征化和/或检查。这些制造零件包括半导体。半导体的类别可具有非普通的双向反射分布函数，藉以表示从朗伯(Lambertian)到镜射(specular)不同的照明特性。众所周知的是：准确检查例如半导体的某些制造零件所需要的时间受限于降低整体生产率的效率的任何误差。根据一个实施例的照明装置降低关于照明检查中的误差，并且因此有助于制造过程的整体效率。
参考这些附图，其中，相同的参考号指的是相同的元件。为了简明，参考号的第一位数字指出对应的元件首先使用的图号。在下面的描述中，提供了多个特定细节用于对本文揭示的实施例的全面了解。然而，本领域的技术人员将认识到：本文揭示的实施例可以实行而不需要一个或更多的特定细节，或是用其它方法、器件、或材料来实行。进一步来说，在一些情况下，为了避免混淆实施例的方面，众所周知的结构、材料、或操作没有详细显示或描述。此外，所述的特点、结构、或特征可以以任何适合的方式组合在一个或多个实施例中。
图1是传统成像装置100的示意图。成像装置100包括传感元件110、透镜排列112、以及光源114。例如，传感元件110可以包括电荷耦合器件(CCD，charge coupled device)或互补金属氧化物半导体(CMOS，complementary metaloxide semiconductor)相机。透镜排列112被配置来提供物体116的图像至传感元件110。传感元件110与透镜排列112可以包括传统或非传统的任何结构。例如，透镜排列112可以是远心的(telecentric)。
光源114被定位以从二个或更多个不同方向(示出了二个)来照明物体116。光源114可以被定位，使得物体116上的每个点以实质和标称(nominal)照明角度相同的角度来照明。提供照明为具有通过物体116的相同的入射角度，改善镜射物体的照明达到任何程度。标称照明角度是最有效地照明物体116的角度。应该了解到：标称照明角度根据所要成像的物体116的质量而改变。
标称照明角度可凭经验确定以提供较佳的照明效果；其可由物体116、光源114、与传感元件110的数学模型来确定；或是可由针对成像装置100的可利用的空间来限制为特定标称值。经验确定可涉及物体116上的尝试错误法，以确定最佳的照明角度。一种数学方法的实例是一种蒙特卡罗光线追踪(MonteCarlo ray tracing)。蒙特卡罗光线追踪使用随机变量程序包，其产生蒙特卡罗光线踪迹。能做到该数学模型的软件程序包的一个实例是由美国马萨诸塞州Littleton的Lambda研究公司以商品名称Trace Pro销售的。
光源114包括第一照明装置118和第二照明装置120。第一照明装置118和第二照明装置120可各包括例如发光二极管(LED)。这些LED可各包括聚光透镜以将光线集中在物体116上。可选的，本领域的技术人员应该认识到的是：第一照明装置118和第二照明装置120可各包含LED的一维或二维阵列，以提供物体116提高的亮度及/或均匀照明。如图1所示，光源114可构造为对着(subtend)物体116的投影范围并且环绕该物体116。为了对着物体116的投影范围，应该了解的是：光源114具有充分的发散度。应该了解的是：光源114也可被构造使得不对着投影范围。
第一照明装置118安装到第一印刷电路板(PCB)122上。第一PCB 122被定位以指引来自第一照明装置118的光线123从第一方向朝向物体116。第二照明装置120安装到第二PCB 124。第二PCB 124被定位以指引来自第二照明装置120的光线126从第二方向朝向物体116。因此，来自第一照明装置118和第二照明装置120的光线123、126收敛于物体116，以提供期望的暗场照明排列。本领域技术人员应该了解的是：光源114可以是圆形对称、二重对称、四重对称，或是为适用于物体116和可利用的空间的任何其它配置。
如上所论，使用例如第一PCB 124和第二PCB 124的分段式(segmented)PCB比使用单个PCB更昂贵。例如LED驱动器或其一部分的电路可能需要在第一PCB 124和第二PCB 124上复制。进一步来说，可能难以安装和互连第一PCB 124和第二PCB 124。美国专利公告第2004/0141175号揭示使用例如分段式PCB或形成为锥状的可弯曲的PCB，以提供自多个不同方向的收敛光线。然而，这些解决方案比单个刚性的平面PCB都可能更昂贵和/或更不可靠。
在单个平面PCB(图1未示出)放置第一照明装置118和第二照明装置120，根据一个实施例，要求的是：各自的光线123、126被重新指引以收敛于物体116。光束可以由棱镜通过一个角度在一维上偏离。然而，定位在第一照明装置118和第二照明装置120附近的传统的棱镜对于大多数的应用来说过大。因此，传统的棱镜对于在光源114与物体116之间使用的距离而言通常延伸太远而超过光源114。在一个实施例中，光源114与物体116之间的距离大约为25毫米。在其它实施例中，光源114与物体116之间的距离大约在20毫米到60毫米之间的范围内。本领域技术人员应该认识到其它范围也是可能的。然而，最小的间隙(clearance)距离应维持在物体116的前方，以给例如用于拾取和放置物体116的带有固定设备的机械手臂的操作机制留空间。
如下面详细描述，在一个实施例中，小型棱镜的重复阵列用于从光源的平面阵列重新指引光线，以在物体116上收敛光线。在一个这样的实施例中，小型棱镜的重复阵列包含称为菲涅耳棱镜的扁平化的棱镜，因为其和菲涅耳透镜相似，但只在一维上。因此，菲涅耳棱镜以极为相同的方式获得了大得多的传统棱镜的结果，菲涅耳透镜是包括环状镜面的同心阵列的传统透镜的扁平化形式。
图2是根据一个实施例的一种用来获得收敛光线的成像装置200的示意图。如上所述，成像装置200包括传感元件110和透镜排列112。然而，成像装置200包括光源210，其具有照明源的平面阵列。在图2所示的范例性实施例中，光源210包括安装在单个刚性的PCB 212上的第一照明装置118和第二照明装置120。为了图示的目的，PCB 212的一部分图示为从第一照明装置118到第二照明装置120延伸的虚线。PCB 212被配置使得不干扰该透镜排列112。例如，在一个实施例中，PCB 212包括一个孔，其允许从物体116反射的光线由透镜排列112成像。
如上所述，第一照明装置118和第二照明装置120可各包括单个LED或LED阵列。第一照明装置118和第二照明装置120安装在PCB 212上，以从对应于PCB212的平面实质垂直地初始投影光线。光源210还包括：定位以从第一方向重新指引来自第一照明装置118到物体116的光线123的第一菲涅耳棱镜214、以及定位以从第二方向重新指引来自第二照明装置120到物体116的光线126的第二菲涅耳棱镜216。如上所述，针对第一方向和第二方向的角度可选择以获得期望的暗照明效果。
在一个实施例中，第一菲涅耳棱镜214和第二菲涅耳棱镜216包含注射成型的菲涅耳棱镜。如果棱镜214、216具有许多小的镜面(facet)，则这些棱镜是薄且可弯曲的。然而，如果使用较少的镜面，每个镜面相对较大且和支撑结构相结合，使得棱镜214、216是刚性的且厚度为数毫米。在一个实施例中，菲涅耳棱镜214、216的厚度约为1.2毫米且具有近似一半厚度的镜面。这种结构足够厚而成为刚性，并且当在角落安装时可自我支撑。在其它实施例中，菲涅耳棱镜214、216的厚度为从近似0.1毫米到近似5毫米之间的范围。
在一个实施例中，菲涅耳棱镜214、216包括清彻、可弯曲的聚氯乙烯塑料薄片，其被修改以产生棱镜的效果。这些薄片包含一连串小的棱镜，以它们实质平行的顶点线对准在薄塑料平台上。技术人员从本文揭示的内容应该认识到：第一菲涅耳棱镜214和第二菲涅耳棱镜216可以包含单个菲涅耳棱镜且/或可形成于单个塑料薄片上，如在图2中由虚线218表示的。
菲涅耳棱镜214、216偏转光线123、126以获得相同的期望收敛，即使第一照明装置118和第二照明装置120不是平面而是倾斜朝向物体116。使用菲涅耳棱镜214、216，则通过安装在平面PCB 212上的第一照明装置118和第二照明装置120，而获得改善的或最佳的照明性能。因此，相对于使用多个PCB，电子器件的数目、组装时间、和成本降低了。另外，由于多个PCB之间的互连较少而提高了可靠度。
在一个实施例中，第一照明装置118和第二照明装置120各具有一散度，其被选择以实质对向物体116。然而，散度的变化、在光源114和物体116之间的工作距离的变化、及/或物体16的尺寸的变化可导致照明质量的降低。例如，过多的散度可能导致光线浪费，而过少的散度可能导致暗的周边。因此，在一个实施例中，除了弯曲或重新指引来自第一照明装置118和第二照明装置120的光线之外，调整光线的散度以适当地照明物体116。
例如，图3是根据一个实施例的一种用于降低收敛光线的散度的成像装置300的示意图。成像装置300包括第一光学元件310，其配置用来重新指引和降低来自第一照明装置118所发射的光线的散度。成像装置300还包括第二光学元件312，其配置用来重新指引和降低来自第二照明装置120所发射的光线的散度。本领域技术人员从本文揭示的内容应该认识到：第一光学元件310和第二光学元件312可以包含单个单元而不是二个单独的元件。
在一个实施例中，第一光学元件310和第二光学元件312包含正菲涅耳透镜和菲涅耳棱镜的组合，该菲涅耳棱镜具有一组变化角度的镜面。因此，该第一光学元件310和第二光学元件312分别偏转来自第一照明装置118和第二照明装置120的光线朝向物体314。
在这个例子中，物体314比图1和图2所示的物体116更短。因此，第一光学元件310和第二光学元件312分别降低来自第一照明装置118和第二照明装置120所发射的光线的散度，使得没有浪费过多的光线。例如，用于降低散度的其它实施例包括：定位正透镜或正菲涅耳透镜在图2所示的菲涅耳棱镜214、216的前面。本领域技术人员从本文揭示的内容应该认识到用于降低散度的其它的实施例。
图4是根据一个实施例的用于增加收敛光线的散度的成像装置400的示意图。成像装置400包括第一负透镜410，其相对于第一菲涅耳棱镜214而定位以增加来自第一照明装置118所发射的光线的散度。成像装置400还包括第二负透镜412，其相对于第二菲涅耳棱镜216而定位以增加来自第二照明装置120所发射的光线的散度。本领域技术人员从本文揭示的内容应该认识到：第一负透镜410和第二负透镜412可包含单个透镜而不是二个单独的透镜。
在图4示出的例子中，物体414比图1和图2所示的物体116更长。因此，在第一菲涅耳棱镜214和第二菲涅耳棱镜216指引光束朝向物体414之后，第一负透镜410和第二负透镜412分别增加散度到光束，使得光线覆盖整个物体414。为了增加散度到发射的光束，根据另一个实施例，第一负透镜410和第二负透镜412由一或多个漫射体代替。在另一个实施例中，使用和菲涅耳棱镜组合的负菲涅耳透镜在发射的光束上增加散度。在另一个实施例中，漫射体和菲涅耳棱镜组合。例如，支撑菲涅耳棱镜214的塑料薄片可以具有适于光线漫射的表面，其在菲涅耳棱镜的镜面的另一侧形成。本领域技术人员从本文揭示的内容应该认识到用于增加散度到光束的其它实施例。
对本领域相关技术人员来说，在上面描述的实施例中进行很多修改而不偏离本发明的根本原理是显而易见的。因此，本发明的范围应仅由附带的权利要求决定。

Claims (14)

1.一种用于检查半导体的成像装置，所述成像装置包括：
一个或多个成像透镜，用于成像从物体反射的光线；
平面电路板；
第一光源，附接到所述平面电路板；
第二光源，附接到所述平面电路板；
第一菲涅耳棱镜，用于指引来自第一光源的光线从第一方向朝向所述物体；及
第二菲涅耳棱镜，用于指引来自第二光源的光线从第二方向朝向所述物体。
2.如权利要求1所述的成像装置，进一步包括：传感元件，用于接收来自一个或多个成像透镜的物体的图像。
3.如权利要求1所述的成像装置，进一步包括：光学元件，用于提高由第一菲涅耳棱镜和第二菲涅耳棱镜的至少一个所指引的光线的散度。
4.如权利要求3所述的成像装置，其中，该光学元件是从包括漫射体和负透镜所组成的组中选择的任何一个元件。
5.如权利要求1所述的成像装置，进一步包括：光学元件，用于降低由第一菲涅耳棱镜和第二菲涅耳棱镜的至少一个所指引的光线的散度。
6.如权利要求1所述的成像装置，其中，第一光源和第二光源的至少一个包括发光二极管。
7.如权利要求1所述的成像装置，其中，第一光源和第二光源的至少一个包括发光二极管阵列。
8.一种暗场环灯，包括：
第一光源，用于发射第一光束，该第一光束与一平面实质上垂直；
第二光源，用于发射第二光束，该第二光束与该平面实质上垂直；以及
一个或多个光学元件，用于从第一方向重新指引来自第一光源的第一光束至物体上以及用于从第二方向重新指引来自第二光源的第二光束至物体上，使得第一光束和第二光束收敛在物体上之期望的位置。
9.如权利要求8所述的暗场环灯，其中，该第一光源和第二光源的至少一个包括一个或多个发光二极管。
10.如权利要求8所述的暗场环灯，其中，该一个或多个光学元件包括菲涅耳棱镜。
11.如权利要求8所述的暗场环灯，还包含：电路板，第一光源和第二光源机械地耦接到该电路板的平面上。
12.一种照明物体的方法，该方法包括：
发射第一光束，该第一光束与一平面实质上垂直；
发射第二光束，该第二光束与该平面实质上垂直；以及
从第一方向重新指引来自第一光源的第一光束至物体上；以及
从第二方向重新指引来自第二光源的第二光束至物体上，使得光束收敛于物体上之选定的位置。
13.如权利要求12所述的方法，还包括：提高第一光束和第二光束的至少一个的散度。
14.如权利要求12所述的方法，还包括：降低第一光束和第二光束的至少一个的散度。
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