CN101675330B

CN101675330B - 用于线扫描相机的led照明

Info

Publication number: CN101675330B
Application number: CN2008800120398A
Authority: CN
Inventors: D·沙皮罗夫
Original assignee: Camtek Ltd
Current assignee: Camtek Ltd
Priority date: 2007-02-20
Filing date: 2008-02-12
Publication date: 2013-01-02
Anticipated expiration: 2028-02-12
Also published as: TWI400441B; WO2008102339A1; IL189491A; IL189491A0; CN101675330A; TW200842399A

Abstract

一种照明系统，包括：(i)发射准-准直光的第一矩形发光二极管阵列；和(ii)包括至少一个全内反射透镜部分和至少一个折射透镜部分的第一聚集光学器件。由第一聚集光学器件将来自第一矩形发光二极管阵列的准-准直光定向成指向物体，以在所述物体上形成线状光。

Description

用于线扫描相机的LED照明

相关申请

本申请要求2007年2月20日的美国临时专利申请第60/890627号的优先权。

技术领域

本发明涉及用于自动光学检查和检验的系统和方法，特别涉及用于产生线状光的系统和方法。

背景技术

可通过检查系统检查诸如(但不限于)印刷电路板(PCB)、晶片及HDI的物体，所述检查系统借助于光斑点、借助于线状光或所谓的区域照明照亮该物体的一部分。

检测反射的、散射的及光学透射穿过物体的光。

在检查(或评估)处理期间，可通过区域照明、斑点照明或线照明照亮该物体。斑点或线状光可扫描该物体，并且使得检查系统可获得该物体的图像。

为了不在检查或评估处理中引入误差，特别是当使用基于检查的比较时，线状光应该是均匀的。特别是，照明光学器件应该符合如下(不是无足轻重的)要求：(i)在线状光上光强度的空间均匀性；(ii)在线状光上光强度的角度均匀性；(iii)广角范围照明(也称作高数值孔径照明)；(iv)控制角度覆盖区的能力(可依赖于应用)、光谱控制(可依赖于应用)；(v)高效率；(vi)鲁棒性；及(vii)低成本。

可通过使用成像照明光学器件提供线状光，所述成像照明光学器件可以包括反射光学器件(会聚镜)或折射(会聚透镜)光学器件。

参照图1a，成像照明光学器件(指示为“成像光学器件”)14将线光源12转换成物体(未表示)上的线状光(指示为“聚焦线”)16。成像光学器件可以是折射性的(透镜)或反射性的(会聚镜)。利用折射光学器件的成像效率较低，在数值孔径方面也受到限制，且不能产生没有多空隙的均匀角度图案。这由图1b的光强度的两维图20示出，所述两维图20包括三个间隔开的覆盖区域26、24及22。反射光学器件(椭圆或更复杂形式的镜子)没有以上提到的缺点。这由光强度的两维图30示出，所述两维图30包括图1c的单个连续覆盖区域32。

对于照明设计的成像途径的共同问题是：(1)对于光源局部不均匀性的强烈依赖性；(2)小的光学-机械容差。这些缺陷可以通过插入另外的混合或扩散元件而部分地被克服，然而这显著地降低整体设计效率。

非成像途径涉及在混合或不混合的情况下将线光源投射到大的区域上。图2a-2c示出各种系统构造。图2a示出彼此平行的两个线光源42和44。每个线光源都在大的角度范围(分别为52和54)上发光，其方式导致这些角度范围之间的部分重叠60。这种构造是简单的，但它受到性能设计的很大限制。图2示出由集成空腔跟随的单个线光源72，所述集成空腔包括上部凸出部分74和下部凹下部分76。光从这些部分反射，并且入射到照射区域78上。这种构造的特征在于优良混合、低效率，及缺乏角度控制。图2c示出彼此平行的两个线光源82和84。它们由扩散器86跟随，所述扩散器86由物体跟随，在该物体上形成矩形照明图案88。这种构造的特征在于良好混合、低效率，及缺乏角度控制。

存在一种正在增长的需要，要求提供如下的高效的系统和方法，所述系统和方法用于提供线状光，特别是用于控制这种线状光的特性。

发明内容

一种照明系统，包括：(i)第一矩形发光二极管阵列，它发射准-准直光；和(ii)第一聚集光学器件，它包括至少一个全内反射透镜部分和至少一个折射透镜部分。来自第一矩形发光二极管阵列的准-准直光由第一聚集光学器件指向物体，以在物体上形成线状光。

一种用于提供线状光的方法，该方法包括：由第一矩形发光二极管阵列发射准-准直光；和由第一聚集光学器件聚集该准-准直光，以在物体上形成线状光，该第一聚集光学器件包括至少一个全内反射透镜部分和至少一个折射透镜部分。

附图说明

图1a-1c示出现有技术的成像照明光学器件和两维角度强度图；

图2a-2c示出现有技术的非成像照明光学器件；

图3a示出根据本发明实施例的照明光学器件；

图3b示出图3a的照明光学器件的两维角度强度图；

图4a和4b示出根据本发明的各种实施例的照明光学器件；

图5a示出以矩形方式布置LED的矩形LED阵列、和强度图；

图5b示出根据本发明实施例的以六边形方式布置LED的矩形LED阵列、和维强度图；

图5c示出根据本发明实施例的间隙、工作距离及LED节距之间的关系；

图6示出根据本发明各种实施例的照明光学器件、控制器及强度调制曲线；

图7a示出根据本发明各种实施例的照明光学器件；

图7b-7d示出根据本发明各种实施例的聚集透镜；

图8示出根据本发明各种实施例的图7的照明光学器件的两维强度图；

图9示出根据本发明各种实施例的照明光学器件；

图10示出根据本发明实施例的照明光学器件；

图11示出根据本发明实施例的照明光学器件和收集光学器件；

图12是根据本发明实施例的方法的流程图。

具体实施方式

图3a示出根据本发明实施例的照明光学器件102(也称作照明系统)。照明光学器件102包括非成像光学器件。它包括由聚集光学器件(反射性的或折射性的)跟随的矩形(片状)光源阵列100，所述聚集光学器件将由矩形(片状)光源阵列100发射的光聚集在窄线状光120内。图3b示出由照明光学器件102得到的连续覆盖区-两维光强度图130包括单个连续的覆盖区域132。

图4a示出根据本发明实施例的照明光学器件166。多个准直光源150-156沿曲面以这样的方式布置(可与凸出片相连接或集成)，以使从这些准直光源发射的所有光束(140-146)都指向相同的区域，以提供线状光160。这种构造不包括聚集光学器件。尽管它表面上看是简单的，但是这种途径要求非常复杂的技术来实现可接受水平的光均匀性。

图4b示出根据本发明实施例的照明光学器件199。

多个准-准直光源170-178以平面方式布置，以形成扁平延伸的准-准直光源。此扁平延伸的准-准直光源由圆柱形扁平TIR(全内反射)透镜202跟随，所述透镜202起聚集光学器件的作用。由圆柱形扁平TIR透镜202产生的角度覆盖区是宽的，并且没有像差(其为常规折射光学器件的特征)。合适的是，TIR透镜202的中央部分是折射性的。如光束190-198所示，由准-准直光源170-178产生的光束180-188穿过TIR透镜202以指向线状光200。

合适的是，延伸的准-准直光源可包括多个单独光源的阵列。这些光源应该发射窄光束，并且就辐射图案和强度而论大体彼此相等。

根据本发明的实施例，发光二极管(LED)阵列被用作准-准直光源，并且应该满足如下要求中的至少一些：(每个LED的)视角应该不超过十度；应该按密集六边形封装(蜂巢)布置LED阵列(如在图5b中所示)；由LED发射的光应该具有约1000流明/100mm的高光能；LED应该是多色LED(例如可发射红光、琥珀色光、蓝色/青色光，等)；可电子地控制由LED阵列发射的光的颜色；应该通过LED位置电子地控制照明角度覆盖区；LED阵列应该具有高效冷却机构。要注意，LED阵列不需要符合所有这些要求，并且各种值(例如，强度值、视角)不是强制性的。

合适的是，LED阵列包括具有窄发射角的LED以提供准-准直光源。LED发射角对于照明光学器件的聚集效率具有直接影响，因为较窄的光源可被聚集在较窄的光带内，并且具有较高的效率。如下表格示出一些模拟结果：

合适的是，按密集六边形封装布置LED阵列的LED。

图5a示出以矩形方式布置LED 210-218的矩形LED阵列、和由该阵列形成的强度图219。图5b示出根据本发明实施例的以六边形方式布置(也称作LED的六边形封装)LED 220-237的矩形LED阵列、和由这样的阵列形成的强度图239。图5c示出根据本发明实施例的在“不可见”间隙265、工作距离D 252及LED节距250之间的关系。从不在线状光270的角度覆盖区中引起间隙的意义上讲，间隙是不可见的。

图5b的LED阵列(关于图5b的LED阵列)在相关的线状光内提供较大的空间和角度光均匀性。

如图5c所示，最小可接受的LED阵列节距是聚集几何结构(工作距离、各个LED尺寸)与聚集光学器件的数值孔径的函数。较长的工作距离(在图5c中的252)、较低的NA及较大的LED尺寸可容许较大的节距(250)。例如，17毫米的工作距离、5毫米的led直径及1毫米的节距可在相邻光束263和264(从相邻的LED 243和244发射的)之间形成约一度的间隙(265)，但在线状光270中将注意不到此间隙。

根据本发明的实施例，阵列的每个LED包括多个发光组件，并且各个发光组件可发射不同颜色的光。由各个LED发射的光可通过确定要致动哪个发光组件而被电子地控制。当使用这样的LED时，每组LED(每组可包括一个或多个LED)的颜色可被电子地控制。注意，一组LED可包括行、列、LED的两维子阵列、其组合的行的一部分、列的一部分。控制阵列的LED组的方式可在控制机构的复杂性与LED阵列的可控制性之间折中。这样，对每个单独的LED都进行控制的特征在于最大的可控制性，但是会要求非常复杂的控制机构和复杂的布线。

根据本发明的又一个实施例，每个LED(或甚至每组LED)可以是单色的(并且发射从紫外光到红外光的光)。

根据本发明的进一步的实施例，可通过使用滤色镜以及特别是可配置的滤色镜控制颜色光。

注意，多色LED阵列可发射红蓝绿光、白光或其它颜色组合。合适的是，LED阵列应该能够发射红光、和/或琥珀光、和/或蓝光。

合适的是，对于颜色强度进行独立的电子控制使得能够调节照明光谱，以适合特定的应用要求。

图6示出根据本发明实施例的LED阵列300、控制器310及强度调制曲线330。

LED阵列300包括(M+1)行和N列。它包括LED 300(0，1)～300(M，N)。

控制器310可控制LED阵列300的每组LED的各种特性。如上所示，控制器310可控制每组LED。控制可包括确定下述项中的至少一项或其组合：(i)LED角度覆盖区(角度覆盖区表示向外延伸并且与图8的纸面正交的视角)，LED可被设置成沿多个视角之一发光(例如，大、中、窄)；(ii)强度(从多个(两个或更多个)强度水平选择一种强度，强度调制曲线330提供LED阵列300的不同像素的不同强度水平的非限制性例子-它在LED阵列300的中心行处具有波峰，并且在LED阵列300的边缘处具有最小值，此强度调制曲线可补偿由照明和成像光学器件引起的强度不均匀性)；(iii)颜色。

在非限制性例子中，控制器310可控制每列的强度、和每行的角度覆盖区。角度覆盖区可沿扫描方向变化。控制器310也可控制整个阵列的颜色和减低亮度。

图7a示出根据本发明实施例的照明光学器件500。

照明光学器件500包括混合透镜550和矩形LED阵列570。图7a还示出光束541、542、543、551及552。

矩形LED阵列570平行于混合透镜550，并且两者都垂直于线状光560。线状光560与图7a的页面正交。

矩形LED阵列570向混合透镜550发射准-准直光。为了解释简单，只示出了朝混合透镜550发射的少量光束。来自矩形LED阵列570的准-准直光由混合透镜550定向成指向物体，以在物体上形成线状光560。

混合透镜550起聚集光学器件的作用。混合透镜550的中央部分(中央部分小面)是折射透镜(诸如(但不限于)菲涅耳(Fresnel)透镜)。混合透镜550的一个或多个周缘部分(提供TIR和折射机构的外部小面)是由TIR透镜510和530所示出的全内反射透镜。注意，混合透镜550延伸到图7a的纸面外。

如光束551所示，与线状光560大体正交的光束和相对于线状光的法线580限定小角度的光束传播通过折射透镜520，光束551被折射以提供光束552。光束552与法线580形成小角度559。如光束541所示，相对于法线580限定大的角度的光束传播通过全内反射透镜部分，光束541被反射以形成光束542，然后光束542被折射以提供光束543。光束543与法线580形成小角度549。

平面多面体TIR部分510和530使得能够实现极高N.A.(广角覆盖区)内的紧凑和高效的光聚集。

图8示出根据本发明的各种实施例的图7a(9)的照明光学器件500的两维角度强度图666。获得了相对连续的覆盖区。

混合透镜550使得便利于实现广角覆盖区内的角度均匀性。

注意，如图7b、7c、7d、9、10及11所示，混合透镜550可由多个透镜代替，这些透镜可彼此间隔开。

图7b-7d示出根据本发明的各种实施例的聚集透镜。

图7b示出折射透镜520′和两个FIR透镜510′和530′。

图7c示出中央透镜522以及两个FIR透镜512和532，所述中央透镜522包括折射部分522(2)，所述折射部分522(2)由FIR部分522(1)和522(3)围绕，所述两个FIR透镜512和532各自对应于图7a的FIR透镜510和530的一部分。

图7d示出中央透镜524和两个其它透镜514和534，所述中央透镜524包括与图7a的折射透镜520的一部分相对应的折射部分，所述两个其它透镜514和534各自包括折射部分514(1)和534(1)与FIR部分514(2)和534(2)。

注意，这些不同透镜可彼此平行，并且另外地或可选择地可彼此接近，但不是必须如此。如图9、10及11所示，通过使用分光镜或其它类型的定向光学器件，能够以不平行方式定位这些透镜。

图9示出根据本发明实施例的照明光学器件600。

照明光学器件600包括：第一矩形发光二极管阵列690、第一聚集透镜680、分光镜670、第二矩形发光二极管阵列650、第二聚集透镜630、第三矩形发光二极管阵列660及第三聚集透镜640。

由第一LED二极管阵列690发射的光通过第一聚集透镜680以由分光镜670定向成(如光束602所示)指向物体610，以在传播通过在第二和第三聚集透镜630和640之间限定的空间635的同时形成线状光620。如光束601所示，由第二矩形LED阵列650发射的光穿过第二聚集透镜630以被定向成指向线状光620。如光束603所示，由第三矩形LED阵列660发射的光穿过第三聚集透镜640以被定向成指向物体610。第一聚集透镜680是折射透镜(或至少包括这样的折射透镜的一部分)。第二聚集透镜630和第三聚集透镜640是TIR透镜(或至少包括这样的TIR透镜的一部分)。

矩形LED阵列中的每一个(650、660及690)可以是图8中所示的LED阵列，它可发射准-准直光，能以各种方式(颜色、强度、光图案、或其组合)被控制。

照明布局被设计成在离轴聚集光束(从矩形LED阵列690发射的)和同轴(从矩形LED阵列650或660发射的)聚集光束之间提供重叠。

图10示出根据本发明实施例的照明光学器件888。

图10的照明光学器件888与图9的照明光学器件600的不同之处在于，包括接近聚集透镜800、780及740的线性扩散器790、770及760。

注意，分光镜(图9的670或图10的750可具有梯度分光涂层(在外表面区域上的100％透射，以及在内表面区域上的分光涂层)。

图11示出根据本发明实施例的照明光学器件900。

照明光学器件900包括分光镜930、聚集光学器件920及矩形LED阵列910。来自矩形LED阵列910的准-准直光穿过聚集光学器件920和分光镜930，以在物体960上形成线状光950。从物体960反射的光向分光镜930传播，并且由分光镜定向到图像传感器940。

图12示出根据本发明实施例的方法900。

方法900包括由第一矩形发光二极管阵列发射准-准直光的步骤910。

步骤910之后跟着由第一聚集光学器件聚集准-准直光以在物体上形成线状光的步骤920，所述第一聚集光学器件包括至少一个全内反射透镜部分和至少一个折射透镜部分。

步骤920合适地包括：允许与线状光大体正交的光束、以及相对于线状光的法线限定小角度的光束传播通过折射透镜部分；并且允许相对于线状光的法线限定大角度的光束传播通过全内反射透镜部分。

步骤920合适地包括由包括混合透镜的聚集光学器件聚集光。混合透镜的中央部分包括折射透镜，并且其中混合透镜的周缘部分包括全内反射透镜。

步骤920之前可以有使准-准直光穿过扩散元件的步骤915，所述扩散元件位于第一矩形发光二极管阵列与第一聚集光学器件之间。

根据本发明的实施例，方法900包括如下步骤：由第二矩形发光二极管阵列发射准-准直光的步骤930；由第二聚集光学器件聚集来自第二矩形发光二极管阵列的准-准直光以在物体上形成线状光的步骤940；由第三矩形发光二极管阵列发射准-准直光的步骤950；由第三聚集光学器件聚集来自第三矩形发光二极管阵列的准-准直光以在物体上形成线状光的步骤960；以及由分光镜将来自第一聚集透镜的准-准直光在传播通过在第二和第三聚集透镜之间限定的空间的同时指向物体的步骤970。第一聚集透镜包括折射透镜部分。第二聚集透镜和第三聚集透镜中的每一个包括全内反射部分。

方法900可合适地包括扩散来自每个矩形发光二极管阵列的准-准直光。

方法900合适地包括应用控制方案的步骤905。步骤905可包括如下项中的至少一项或其组合：(i)控制第一矩形发光二极管阵列的每组发光二极管的强度；(ii)控制第一矩形发光二极管阵列的每组发光二极管的颜色；(iii)控制第一矩形发光二极管阵列的每组发光二极管的辐射图案。

合适的是，步骤910包括由第一矩形发光二极管阵列发射准-准直光，所述第一矩形发光二极管阵列包括以蜂巢方式布置的多个二极管。

实践本发明时可运用常规工具、方法及组件。相应地，在这里没有详细地叙述这样的工具、组件及方法的细节。在之前的描述中，叙述了多个特定细节，以提供对本发明的彻底理解。然而，应该认识到，无需借助详细叙述的细节也可以实践本发明。

在本公开中仅示出和描述了本发明的示例性实施例和其多样性的仅仅少量的例子。应当理解，本发明能够用于各种其它组合和环境，并且能够在这里所表达的发明构思的范围内变更或修改。

Claims

1.一种照明系统，包括：

发射准-准直光的第一矩形发光二极管阵列；和

包括至少一个全内反射透镜部分和至少一个折射透镜部分的第一聚集光学器件；

其中，来自第一矩形发光二极管阵列的准-准直光由第一聚集光学器件定向成指向物体，以在所述物体上形成线状光，

其中，与所述线状光大体正交的光束以及相对于所述线状光的法线限定小角度的光束传播通过折射透镜部分，并且其中，相对于所述线状光的法线限定大角度的光束传播通过全内反射透镜部分。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，第一聚集光学器件是混合透镜；其中，所述混合透镜的中央部分包括折射透镜，并且其中，所述混合透镜的周缘部分包括全内反射透镜。

3.根据权利要求1所述的系统，包括位于第一矩形发光二极管阵列与第一聚集光学器件之间的线性扩散元件。

4.根据权利要求1所述的系统，还包括：分光镜；第二矩形发光二极管阵列；和第三矩形发光二极管阵列；其中，第一聚集光学器件包括第一聚集透镜、第二聚集透镜和第三聚集透镜；

其中，由第一矩形发光二极管阵列发射的光穿过第一聚集透镜，以在传播通过在第二聚集透镜和第三聚集透镜之间限定的空间的同时由所述分光镜定向成指向所述物体；

其中，由第二矩形发光二极管阵列发射的光穿过第二聚集透镜，以定向成指向所述物体；

其中，由第三矩形发光二极管阵列发射的光穿过第三聚集透镜，以定向成指向所述物体；及

其中，第一聚集透镜包括折射透镜部分；其中第二聚集透镜和第三聚集透镜中的每一个包括全内反射透镜部分。

5.根据权利要求4所述的系统，包括多个扩散元件；其中，每个扩散元件位于一个矩形发光二极管阵列与相应的聚集透镜之间。

6.根据权利要求1所述的系统，还包括控制器，用于控制第一矩形发光二极管阵列的每组发光二极管的强度。

7.根据权利要求1所述的系统，还包括控制器，用于控制第一矩形发光二极管阵列的每组发光二极管的颜色。

8.根据权利要求1所述的系统，还包括控制器，用于控制第一矩形发光二极管阵列的每组发光二极管的辐射图案。

9.根据权利要求1所述的系统，其中，第一矩形发光二极管阵列包括以蜂巢方式布置的多个二极管。

10.一种用于提供线状光的方法，所述方法包括：

由第一矩形发光二极管阵列发射准-准直光；以及

由第一聚集光学器件聚集所述准-准直光，以在物体上形成线状光，其中第一聚集光学器件包括至少一个全内反射透镜部分和至少一个折射透镜部分。

11.根据权利要求10所述的方法，包括：允许与所述线状光大体正交的光束以及相对于所述线状光的法线限定小角度的光束传播通过折射透镜部分，并且允许相对于所述线状光的法线限定大角度的光束传播通过全内反射透镜部分。

12.根据权利要求10所述的方法，其中，第一聚集光学器件是混合透镜；其中，所述混合透镜的中央部分包括折射透镜，并且其中，所述混合透镜的周缘部分包括全内反射透镜。

13.根据权利要求10所述的方法，包括使准-准直光穿过位于第一矩形发光二极管阵列与第一聚集光学器件之间的扩散元件。

14.根据权利要求10所述的方法，其中第一聚集光学器件包括第一聚集透镜、第二聚集透镜和第三聚集透镜，所述方法还包括：由第二矩形发光二极管阵列发射准-准直光；由第二聚集透镜聚集来自第二矩形发光二极管阵列的准-准直光，以在所述物体上形成线状光；由第三矩形发光二极管阵列发射准-准直光；由第三聚集透镜聚集来自第三矩形发光二极管阵列的准-准直光，以在所述物体上形成线状光；其中，通过分光镜将来自第一聚集透镜的准-准直光在传播通过在第二聚集透镜和第三聚集透镜之间限定的空间的同时定向成指向所述物体；其中，第一聚集透镜包括折射透镜部分；其中第二聚集透镜和第三聚集透镜中的每一个包括全内反射透镜部分。

15.根据权利要求14所述的方法，包括：扩散来自每个矩形发光二极管阵列的准-准直光。

16.根据权利要求10所述的方法，还包括：控制第一矩形发光二极管阵列的每组发光二极管的强度。

17.根据权利要求10所述的方法，还包括：控制第一矩形发光二极管阵列的每组发光二极管的颜色。

18.根据权利要求10所述的方法，还包括：控制第一矩形发光二极管阵列的每组发光二极管的辐射图案。

19.根据权利要求10所述的方法，其中，第一矩形发光二极管阵列包括以蜂巢方式布置的多个二极管。