CN102047168B - 使用分色滤光镜的照射角度控制 - Google Patents

Abstract

一种控制照射到目标上的照射角度的方法，包括：将来自具有预选波长的至少两个光源的光照射到该目标上，其中，来自所述光源的光相对于主照射轴以各自的最大照射角度照射该目标上的每一点，该主照射轴从该至少两个光源的大致中心延伸至该目标；选择分色滤光镜，该分色滤光镜根据该滤光镜上的入射角度，透射来自该至少两个光源的光；将该分色滤光镜定位于该至少两个光源与该目标之间，以将光的传递限制于所述预选波长的光；并且其中该分色滤光镜被选择为限制照射该目标上的每一点的最大照射角度。

Description

使用分色滤光镜的照射角度控制

技术领域

本发明总体涉及利用分色滤光镜对物体的照射角度的控制。

背景技术

许多应用需要以特定照射角度照射目标上的点，以达到检查表面所期望的对比度，例如用以分析印刷电路板(PCB)上的电路的表面。典型地，在诸如印刷电路板、互连器件、集成电路以及平板显示器等电路的制造过程中，利用自动光学检验操作识别电路中或基板上的缺陷。典型地，通过利用一个或多个线光源(line light source)逐线地照射PCB的表面并扫描该线以进行分析，而获得对该PCB的检查。可通过各种方法生成线光源，例如通过形成来自点光源(例如卤素灯(halogen light))的一行玻璃纤维，或通过形成一行发光二极管(LED)光源。可沿着线光源与PCB之间的线放置透镜，以将光聚焦在垂直于该线的平面中，进而在沿着该线的每一点上获得最佳照射角度。

沿着纵轴，从形成线光源的多个光源照射PCB上该线的每一点。点的总照射角度取决于构成该线光源的点光源的扩散角度(dispersion angle)，例如，卤素灯光源倾向于产生向外扩散的光，这些光从光源的焦点沿着纵轴形成约±25°的角。LED光源一般产生在所有方向上都形成约70°角的向外扩散的光。

为最佳地分析PCB上的一点，期望对称地照射该点，以便无需进行补偿照明的不对称性的计算。然而，在所有方向上控制构成线光源的点的照射角度对于透镜制造者而言构成几何结构上的挑战。由于形成线光源的点的尺寸和数量，这样的解决方案可能无法实现或非常昂贵。因此，用以控制光的发散角度的其它方法是被期望的。

发明内容

本发明实施例的一个方面涉及一种通过在光源与被照射目标之间放置分色滤光镜而控制来自两个或更多个点的光束朝向所述目标上的线或区域的照射角度的系统及方法。该分色滤光镜根据光源的波长及入射角度选择性地传递光。选择以特定的入射角传递期望波长的分色滤光镜，能够控制所产生的照射在所述目标上的照射光束。

在本发明的示例实施例中，利用一行或多行光源照射目标上的线或区域。可择地，利用透镜在垂直于该行光源的方向上将光聚焦，由此控制该方向上的照射角度。在本发明的某些实施例中，每行照明整个角度覆盖范围的一段。在平行于该行光源的方向上，分色滤光镜以在该滤光镜上的特定入射角范围传递特定波长的光，因而亦可限制平行方向上的照射角度。在本发明的某些实施例中，目标上的照射角度在所有方向上相同。替代地，可利用透镜将垂直方向的光聚焦至比利用分色滤光镜的平行方向更窄的照射角度。可选地，如果该透镜将光聚焦成具有比分色滤光镜所提供的角度更宽的角度的光束，则该滤光镜亦在垂直方向上限制照射角度。

在本发明的某些实施例中，平行于该行光源放置分色滤光镜，从而对称地处理所有光源。替代地，相对于该行光源以一角度放置分色滤光镜，从而这些光源中的某些将比其余光源传递更多的光，例如以使来自某些光束的照射相对于该行光源成钝角。

在本发明的某些实施例中，从光源向目标照射的光束穿过多于一个分色滤光镜，以增强对照射角度的控制。可选地，分色滤光镜可以是多带通滤光镜(multi-band pass filter)，其在光以该滤光镜所支持的指定角度范围到达该滤光镜的情况下，支持多于一个波长范围被所述滤光镜透射。

因此，根据本发明的示例性实施例，提供了一种控制照射到目标上的照射角度的方法，包括：

将来自预选波长的至少两个光源的光照射于该目标上；其中，来自所述光源的光相对于主照射轴以各自最大的照射角度照射该目标上的每一点，该主照射轴从所述至少两个光源的大致中心延伸至所述目标；

选择分色滤光镜，该分色滤光镜根据入射到所述滤光镜上的入射角度，透射来自所述至少两个光源的光；

将该分色滤光镜位于该至少两个光源与该目标之间，以将光的传递限制于预选定波长的光；其中，该分色滤光镜被选择来限制照射该目标上的每一点的最大照射角度。可选地，与该主照射轴垂直地定位该分色滤光镜。或者，该分色滤光镜相对于该主照射轴不形成直角。

在本发明的示例性实施例中，该分色滤光镜的角度是用户可控的。可选地，沿着该主照射轴顺序地定位多个分色滤光镜。在本发明的示例性实施例中，所述多个分色滤光镜被互成角度地定位。可选地，该分色滤光镜是多通滤光镜。在本发明的示例性实施例中，该方法还包含在该至少两个光源与该目标之间放置透镜，以沿着第一方向将来自该至少两个光源的光聚焦到该目标上；并且其中由于该分色滤光镜的定位，沿着垂直于该第一方向的第二方向照射该目标的光具有与该第一方向基本相同的照射角度。

在本发明的示例性实施例中，以相互平行的多行光源的形式提供该至少两个光源，并且其中，通过透镜将来自每行光源的光束沿着第一方向聚焦到该目标上，从而由于该分色滤光镜的定位，沿着该第一方向照射该目标的组合光束具有与沿着垂直于该第一方向的第二方向相同的照射角度。可选地，该至少两个光源中的每个选择性地提供多个波长的光，并且对于每个波长，所控制的照射角度不同。

根据本发明的示例性实施例，还提供一种用于控制照射到目标上的照射角度的系统，包括：

至少两个光源，用以照射该目标；

分色滤光镜，根据入射到该滤光镜上的入射角度，透射来自该至少两个光源的光；其中该分色滤光镜位于该至少两个光源与该目标之间；

其中该至少两个光源的光具有预选的波长；

其中来自所述光源的光相对于主照射轴以各自的最大照射角度照射该目标上的每一点，该主照射轴从该至少两个光源的大致中心延伸至该目标；

其中该滤光镜系被选择来限制照射该目标上的每一点的最大照射角度。

在本发明的示例性实施例中，该系统还包括位于该至少两个光源与该目标之间的透镜，以沿着第一方向将来自该至少两个光源的光聚焦到该目标上；并且其中，由于在该目标与该至少两个光源之间定位该分色滤光镜，沿着垂直于该第一方向的第二方向照射该目标的光具有与该第一方向基本相同的照射角度。

根据本发明的示例性实施例，还提供一种用于照射目标的照明装置，包括：

一行或多行光源，其中每个光源提供一个或多个波长的光；

透镜，其平行于每行光源，以聚焦来自所述行的光源的光，以使照射该目标的组合光束相对于主照射轴具有特定角度，该主照射轴从该至少两个光源的中心延伸至该目标；

分色滤光镜，其位于该目标与该透镜之间，用以透射以特定范围的角度入射在该滤光镜上的特定光波长，从而对于至少一个波长，沿着垂直于该行光源的方向在该目标上产生的照射角度与沿着平行于该行光源的方向的照射角度对称。

可选地，该系统包含多个分色滤光镜。在本发明的示例性实施例中，对于单个波长，沿着垂直于该行光源的方向在该目标上产生的照射角度与沿着平行于该行光源的方向的照射角度对称。可选地，对于一个以上波长，沿着垂直于该行光源的方向在该目标上产生的照射角度与沿平行于该行光源的方向的照射角度对称。

附图说明

根据以下结合附图的详细说明，将更全面地理解和了解本发明。一般，在所有附图中利用相同或相似的标号标记出现在多个附图中的相同结构、元件或部件，其中：

图1是根据本发明的示例性实施例的、用于光学地分析电路的装置的剖面图的示意图；

图2A和2B是根据本发明的示例性实施例，分别在使用和不使用分色滤光镜的情况下沿纵轴照射目标上的点的侧视图的示意图；

图3A-3C是根据本发明的示例性实施例的、作为入射角的函数的分色滤光镜的透射谱的示意图；

图4是根据本发明的示例性实施例的、穿过分色滤光镜的透射率与入射角度的示意性关系曲线图；

图5是根据本发明的示例性实施例，使用两个倾斜的分色滤光镜与一个反射镜传递来自光源的特定光线并阻挡其它光线以控制照射目标的角度的示意图；

图6A是根据本发明的示例性实施例的线光源的示意图，其中该线上的每点由来自具有不同波长的两个光点构成；以及

图6B是根据本发明的示例性实施例，利用具有不同波长的两个光点时，透射率与入射角度的示意性关系曲线图。

具体实施方式

图1是根据本发明的示例性实施例的、用于光学地分析电路(例如，被制造在印刷电路板(PCB)或其它表面上)的装置100的剖面图的示意图。可选地，装置100包括基座120，以安装用于控制照射到目标180上并对来自目标180的反射进行采样的光学元件。在本发明的示例性实施例中，三个线光源130被安装在基座120上以照射目标180。可选地，目标180是由作为朗伯表面(Lambertian surface)的材料制成，并根据电路设计而选择性地镀有金属导体。通常，该朗伯表面与该金属导体具有不同的反射水平，从而可通过采样从目标180反射的光来验证电路的制造，例如通过检测制造误差。

在本发明的示例性实施例中，通过光源130从目标180的反射而形成光信号125。光信号125被反射向半透明镜150，半透明镜150将光信号125经由镜160及/或经由任何其它光路朝向传感器170传递。例如，传感器170可以是电荷耦合器件(CCD)、互补金属氧化物半导体(CMOS)、光电倍增器或任何其它适当的传感器。在本发明的示例性实施例中，传感器170采样光信号125并将样本作为数字化的信息提供给计算机，以通过将其与电路设计相比较来分析目标180。替代地或额外地，可采用本领域公知的其它方法执行电路的自动光学检验(AOI)。

在本发明的某些实施例中，使用三个光源130照射目标的线185，例如，第一光源130可被定位为从线185的一侧照射，第二光源130可被定位为从线185的相对侧照射，第三光源130则可被定位为从线185的正上方照射。在本发明的某些实施例中，可使用更多数量的光源(例如4个、5个或更多个)或者更少数量的光源(例如1个或2个)。可选地，透镜135位于朝向线185的光路中，以聚焦来自光源130的光，从而入射到线185上的组合光在平行于X坐标的平面上以预定角度190(例如30°、55°或100°)照射该线，如图1所示。在本发明的某些实施例中，每一光源130都照射整个角度190的范围。替代地，每一光源130照射角度190的一部分。在本发明的示例性实施例中，将分色滤光镜145放置于光路中，例如在透镜135之后，以控制在Y方向上照射线185的每一点的角度，如下文所述。在本发明的某些实施例中，光学元件的位置可以不同，例如，分色滤光镜145可以位于透镜135之前。可选地，某些光路可更为复杂，某些则可更为简单，例如，图1中的中央光源不与其它两个光源沿同一圆弧放置，而是位于远处并通过镜140、曲面镜115、半透明镜150传递，以使反射光经半透明镜150沿相同方向返回。

应注意，用于实施本发明的光源并不限于本说明书中一般使用的点光源或线光源。可选地，也可使用其它类型的光源(例如，多线式光源(multilinesource)、面光源(area source)或其它形式)，并且这里所述的细节同等地适用于这些情形。

另外，应注意，本发明并不限于特定类型的电子电路或以特定类型的表面作为在其上制作电子电路的目标，例如，电子电路可被实施为印刷电路板、互连器件、集成电路、平板显示器及任何其它形式的电子电路或表面。同样，本发明并不限于电子电路，而是同等地适用于其它类型的目标。

图2A是在不使用分色滤光镜的情况下沿纵轴(Y)照射目标上的点225的侧视图200的示意图，图2B是根据本发明的示例性实施例，在使用分色滤光镜145的情况下沿纵轴(Y)照射目标上的点225的侧视图250的示意图。在本发明的示例性实施例中，在X方向上，所有光都被透镜135收集到一起朝向平行于Y轴185的线，并被引导来形成窄的高强度照射线，该照射线由期望的照射角度限定。可选地，在Y方向上，若光点205的扩散覆盖点225，则每一光点205都照射点225。在本发明的示例性实施例中，光源130由光点205_a-205_t(例如LED、光纤)的线构成。可选地，每一点皆产生一光束，该光束相对于光源130的法线向外扩展一角度215(例如70°)，该角度取决于光源的特性。在本发明的示例性实施例中，光朝向点225穿过透镜135。可选地，基座120的侧面被镀膜以形成高反射镜210(例如反射率为96％)，从而该光源线可被点225视为几乎是无限的，并且每一点225皆由线光源130的许多光点205照射。在图2A中，光点205_a-205_t照射特定点225，所述光点中的每个以不同的角度235(例如235′及235″)直接地或经由镜210间接地照射点225，所述角度235最高至达到等于角度215的最大角度245。图2A具体显示来自光点205_a-205_t中的某些的照射线，然而应理解，所有光点皆起作用，此处仅显示某些光点是为了清楚起见。在图2B中，分色滤光镜145位于透镜135之后，以限制沿纵(Y)轴的有效照射角度，从而点225上所产生的照射角度对于期望的应用而言为最佳，例如，将对点225的照射限制到最大为角度255而非无滤光镜145时的角度245(角度255≤角度245)。在本发明的示例性实施例中，强度在角度255以内的降幅不均匀，并且可具有缓慢的斜率，使得在角度235处比在角度255处以更高的强度照射点225。

发自光点205的光线以相对于滤光镜的法线的角度235入射到分色滤光镜145上。图3A-3C是根据本发明的示例性实施例，在不同入射角度235下分色滤光镜145的透射光谱的示意图。如图3A-3C所示，对于特定波长(λ，以纳米(nm)为单位：)，在某些角度下，该分色滤光镜透射该光的大部分(例如，多于60％或70％)，并且在某些角度下，光被反射，仅有小部分被透射(例如，少于20％或30％)。特定波长在角度θ处的透射率等于不同波长在法向入射时的透射率。这些波长(在空气中)之间的比率表示为：

$\frac{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{\θ}}}{{\mathrm{\λ}}_0}=\sqrt{1-\frac{{\sin }^2\mathrm{\θ}}{{\left(N^{*}\right)}^2}}$

其中：θ＝入射角度；

      λ_θ＝入射角度下的波长；

      λ₀＝法向入射时具有相同透射率的波长；

       N^*＝滤光镜的有效折射率。

在本发明的示例性实施例中，光点205产生具有特定波长或特定波长范围的光。可选地，分色滤光镜145被选择来匹配由光点205所照射的光波，从而所产生的照射点225的角度相对于形成由光点205所产生的光束的原始角度被减小。如图3A-3C所示，当光点205产生波长约为630纳米的红色光束时，以0°的角度入射在分色滤光镜145上的光线(例如图3A)将几乎完全(例如96％)透射过滤光镜。对于以30°的角度入射在分色滤光镜145上的光线，将仅有约80％(例如图3B)被透射。以60°的角度入射在分色滤光镜145上的光线(例如图3C)将基本被反射而不被透射。因此，通过选择或生产分色滤光镜来匹配光点205所产生的光的波长，可控制点225上的入射角，以从点225的所有侧获得对称的照射。

在本发明的某些实施例中，使用双带或多带分色滤光镜(例如SEMROCK FF01-468/624-25)，以便光点205可提供多于一个波长，并利用分色滤光镜145控制其照射角度。可选地，每一光点205可包括照射不同波长的光的多个LED，或者每一光点205可提供不同波长的光(例如，利用朗伯LED或光纤)。在本发明的某些实施例中，可使用一个波长或多个波长的光照射目标180。可选地，可选择分色滤光镜145使每一波长以不同的最大角度照射线185上的点225。

图4是根据本发明的示例性实施例的、穿过分色滤光镜的透射率与入射角度的示意性关系曲线图400。线410显示由例如朗伯LED产生的透射光束。可选地，该光束被引导向双带带通滤光镜(例如SEMROCKFF01-468/624-25)。该滤光镜的归一化透射率由线420及430显示。作为该滤光镜所透射的波长，线420表示中心波长为460纳米(蓝光)的光束，线430表示中心波长为630纳米(红光)的光束。在0°与约20°之间，该两个波长的大部分被透射。然而，当相对于法线的入射角度增大时，透射率减小，并且在角度大于40°-50°时，几乎没有光被透射。

在本发明的示例性实施例中，通过选择单一分色滤光镜以及所用的光波长，决定照射点225的角度。替代地或者额外地，两个或更多个分色滤光镜145可以各种角度相对于彼此串连地或并连地放置，以进一步控制照射点225的光束的照射角度及强度，例如用于传递具有大入射角度的光或不对称地照射某个点。图5是使用两个倾斜的分色滤光镜510与一反射镜520传递来自光源505的特定光线并阻挡其它光线以控制对目标530的照射角度的示意图500。在本发明的示例性实施例中，将改变、进一步限制或扩大照射角度，例如用于以20°-50°而非0°-30°的角度提供对目标的最大照射。可选地，分色滤光镜510可以是可移动的，例如由马达控制以允许用户控制照射在目标上的光。

图6A是根据本发明的示例性实施例的线光源600的示意图，其中该线上的每一点由具有不同波长的两个光点610、620构成。可选地，来自光源600的光透射通过对每一波长不同响应的多带分色滤光镜625，使得每个角度范围提供不同波长的光。可选地，通过控制每一光源的强度，可控制朝向目标630的照射角度。

图6B是根据本发明的示例性实施例的、利用具有不同波长的两个光点(610，620)时的透射率与入射角度的示意性关系曲线图650。可选地，线660显示朗伯光源的透射率。线670显示波长为590纳米的LED的透射率，线680显示波长为620纳米的LED的透射率。根据曲线图650所示的情形，将由620纳米的LED提供相对于法线以最大至约25°的角度照射目标630的光的大部分强度。将由590纳米的LED提供以高于25°直至约60°的角度照射目标630的光的大部分强度。在本发明的示例性实施例中，使用多个波长可增强对表面的分析，这些表面对不同波长做出不同的响应。

应理解，上述方法及装置可以多种方式加以改变，包括省略或添加步骤、改变步骤顺序和所用的器件类型。应理解，可按不同方式组合不同的特征。具体而言，并非上文在具体实施例中所示的所有特征皆为本发明的每一实施例中所必需的。上述特征的进一步组合亦被视为属于本发明某些实施例的范围内。

提供各部分的标题是为了帮助阅览，而不应认为其必然会限制该部分的内容。

本领域的技术人员应理解，本发明并非仅限于上文所具体显示及描述的。而是，本发明的范围仅受所附权利要求限定。

Claims (16)

1.一种控制照射到目标上的照射角度的方法，包括：

将来自具有预选波长的至少两个光源的光照射到所述目标上；其中来自所述光源的光相对于主照射轴以各自的最大照射角度照射所述目标上的每一点，所述主照射轴从所述至少两个光源的大致中心延伸到所述目标；

选择分色滤光镜，所述分色滤光镜根据该滤光镜上的入射角度，透射来自所述至少两个光源的光；

将所述分色滤光镜定位在所述至少两个光源与所述目标之间，以将光的传递限制于所述预选波长的光；其中所述分色滤光镜被选择来限制照射所述目标上的每一点的最大照射角度。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述分色滤光镜与所述主照射轴垂直定位。

3.如权利要求1所述的方法，其中所述分色滤光镜相对于所述主照射轴不形成直角。

4.如权利要求3所述的方法，其中所述分色滤光镜的角度为用户可控。

5.如权利要求1所述的方法，其中沿着所述主照射轴顺序地定位多个分色滤光镜。

6.如权利要求5所述的方法，其中彼此成一角地定位所述分色滤光镜。

7.如权利要求1所述的方法，其中所述分色滤光镜是多通滤光镜。

8.如权利要求1所述的方法，还包括在所述至少两个光源与所述目标之间放置透镜，以沿着第一方向将来自所述至少两个光源的光聚焦到所述目标上；其中，由于所述分色滤光镜的定位，沿着垂直于所述第一方向的第二方向照射所述目标的光具有与所述第一方向基本相同的照射角度。

9.如权利要求1所述的方法，其中以相互平行的多行光源提供所述至少两个光源，并且，其中来自每行光源的光束用透镜沿着第一方向聚焦到所述目标上，从而，由于所述分色滤光镜的定位，沿着所述第一方向照射所述目标的组合光束具有与沿着垂直于所述第一方向的第二方向相同的照射角度。

10.如权利要求1所述的方法，其中所述至少两个光源中的每个选择性地提供具有多个波长的光，并且，对于每个波长，被控制的照射角度不同。

11.一种用于控制照射到目标上的照射角度的系统，包括：

至少两个光源，用于照射所述目标；

分色滤光镜，根据该滤光镜上的入射角度，透射来自所述至少两个光源的光；其中所述分色滤光镜位于所述至少两个光源与所述目标之间；

其中，所述至少两个光源的光具有预选的波长；

其中，来自所述光源的光相对于主照射轴以各自的最大照射角度照射所述目标上的每一点，所述主照射轴从所述至少两个光源的大致中心延伸到所述目标；

其中，所述滤光镜被选择来限制照射所述目标上的每一点的最大照射角度。

12.如权利要求11所述的系统，还包括透镜，所述透镜位于所述至少两个光源与所述目标之间，以沿着第一方向将来自所述至少两个光源的光聚焦到所述目标上；其中，由于在所述目标与所述至少两个光源之间定位所述分色滤光镜，沿着垂直于所述第一方向的第二方向照射所述目标的光具有与所述第一方向基本相同的照射角度。

13.一种用于照射目标的照明装置，包括：

多个光源，所述多个光源布置成一行或多行，其中每个光源提供一个或多个波长的光；

透镜，其平行于光源的每一行，以聚焦来自所述行的光源的光，使得照射所述目标的组合光束相对于主照射轴具有特定角度，所述主照射轴从所述多个光源中的至少两个光源的大致中央延伸到所述目标；

分色滤光镜，其位于所述目标与所述透镜之间，用以透射以特定范围的角度入射到该滤光镜上的特定光波长，从而，对于至少一个波长，沿着垂直于所述光源的行的方向在所述目标上产生的照射角度与沿着平行于所述光源的行的方向的照射角度对称，所述分色滤光镜被选择来限制照射所述目标上的每一点的最大照射角度。

14.如权利要求13所述的装置，还包括多个分色滤光镜。

15.如权利要求13所述的装置，其中，对于单个波长，沿着垂直于所述光源的行的方向在所述目标上产生的照射角度与沿着平行于所述光源的行的方向的照射角度对称。

16.如权利要求13所述的装置，其中，对于一个以上的波长，沿着垂直于所述光源的行的方向在所述目标上产生的照射角度与沿着平行于所述光源的行的方向的照射角度对称。