CN108120676A - 使用针孔阵列的物体共焦成像装置和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于检查物体的共焦成像装置包括：光源，用于投射光以照亮所述物体；以及成像设备，用于沿着所述物体和所述成像设备之间的光路接收从所述物体反射的光。针孔阵列包括多个针孔，并且沿所述光路设置，使得从所述物体反射的光可以通过所述针孔阵列。一种机构，用于在垂直于所述光路的直线方向上沿着单个轴线移动所述针孔阵列，以将对应于所述物体的基本连续区域的图像传送到所述成像设备上。

Description

使用针孔阵列的物体共焦成像装置和方法
技术领域
本发明涉及一种检查装置，特别涉及一种对物体表面进行成像的共焦检查装置。
背景技术
在电子封装应用中，一般需要对物体或工件进行检查以检测最终产品的质量。共焦成像技术能够为这种检查提供高分辨率的二维图像。此外，在众多电子封装检查应用中，例如，引线接合工艺控制中的球厚度测量中，也需要三维轮廓的高精度检查。
在一种共焦成像方法中，所取得重要进步是使用一块包括一个或多个针孔的板，所述板有助于消除进入光学成像系统的离焦光线。然而，为了获得质量更好的成像数据，这种针孔板会限制共焦系统捕获的光量。通常，为了获得更致密的区域图像，需要进行横向扫描以获得更好的图像数据。为了提高扫描速度，可以将包括多个针孔的旋转盘广泛应用于区域成像共焦系统中。
如图1所示，这种旋转盘可以包括尼普科夫(Nipkow)盘100。通常，尼普科夫(Nipkow)盘100包括用于照亮将要观察的物体116的光源102和围绕旋转轴108旋转的微透镜盘106和针孔盘110。微透镜盘106包含微透镜104，并且置于具有针孔112的针孔盘110之前。每个针孔112具有一个相关联的微透镜104。每个微透镜104用于捕获宽带光并将其聚焦到各个针孔112中，从而显著增加射向每个针孔112的光量，并且减少旋转针孔盘110阻挡的光量。
来自光源102的光通过微透镜盘106和针孔盘110之间的分束器122，然后被物镜114聚焦到物体116上。分束器122朝向聚焦透镜118反射物体116的图像，聚焦透镜将物体116的图像聚焦到传感器或照相机120上。尼普科夫(Nipkow)盘100是区域扫描共焦系统最常用的配置。当区域扫描共焦系统的针孔盘110以恒定的角速度旋转时，所述系统能不断地捕获图像。
针孔盘110可以由合适的任何材料制成，例如金属、塑料或纸板，并且具有直径相同的针孔112图案，这些针孔彼此之间的间隔距离相等。针孔112可以是圆形或正方形。这些针孔112设置如下：基本上，形成了从针孔盘110的外径点到针孔盘110的中心的单匝螺旋。当针孔盘110旋转时，针孔112的轨迹形成圆环形图案，这些图案的内径和外径取决于针孔盘110上每个针孔112的位置，并且所述图案的厚度和每个针孔112的直径相等。圆环形图案可以部分重叠，可以不重叠，这取决于针孔盘110结构的精确度。物镜114将其前面的物体116的图像直接投射到针孔盘110上。
螺旋中的每个针孔112的轨迹形成图像的一部分，并且所述图像作为明暗区域的图案被照相机120拍摄下来。当旋转针孔盘110，并且通过针孔盘110上相对较小的扇形区域(例如，针孔盘的四分之一或八分之一区域)观察物体116时，看起来，物体116是被逐行扫描的，首先扫描其长度或高度，甚至也可沿其对角线扫描，这取决于观察时所选择的扇形区域的大小。当针孔盘110的旋转速度够快时，物体116看起来是完整的，并且有可能捕获物体的整个区域。重显图像的尺寸由针孔盘110的尺寸确定，针孔盘尺寸越大，产生的图像的尺寸也越大。
根据尼普科夫(Nipkow)盘100的设计，针孔盘110需要旋转。所述设计的优点在于：当针孔盘110以恒定的角速度旋转时，这种检查系统能够连续捕获图像。然而，由于针孔图案需要围绕针孔盘110的旋转轴108移动或旋转，因此，需要一个相对于被成像区域，直径非常大的针孔盘110。此外，因为针孔112遍布整个针孔盘110，其与旋转轴108的距离各不同，并且，每个针孔112的速度是其角速度和其距旋转轴108的半径的倍数，所以，针孔的移动速度不同。通过这种方式，基于曝光时间与针孔112的速度成反比，针孔可以有效地将不同的曝光时间呈现在成像传感器或照相机120上。只有当角开口非常小时，才能实现良好的均匀性(如果有的话)，然而，这会限制旋转针孔盘110的尺寸。
因此，对于检查系统，特别是包括具有不同分辨率、不同视场和不同景深的光学部件的检查系统而言，这种采用旋转盘的方法不能满足需求。这样的检查系统可应用于诸如引线接合球焊检查中。在检查中，需要使用高分辨率的光学器件检查球焊接头，并且使用只包括较低分辨率的大景深光学器件检查附接到球焊接头上的接合线。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种相对紧凑的检查装置，以避免了上述现有技术的至少部分缺点。
根据本发明的第一方面，提供了一种用于检查物体的共焦成像装置。所述装置包括：光源，用于投射光以照亮所述物体；成像设备，用于沿着所述物体和所述成像设备之间的光路接收从所述物体反射的光；针孔阵列，包括沿所述光路设置的多个针孔，使得从所述物体反射的光能够通过所述针孔阵列；以及机构，用于在垂直于所述光路的直线方向上沿着单个轴线移动针孔阵列，以将对应于所述物体的基本连续区域的图像传送到成像设备上。
根据本发明的第二方面，提供了一种使用共焦成像装置检查物体的方法。所述方法包括如下步骤：将光源的光投射到物体上来照亮物体；通过所述成像设备沿着所述物体和成像设备之间的光路接收从所述物体反射的光，其中，从所述物体反射的光通过针孔阵列，所述针孔阵列包括沿所述光路设置的多个针孔；以及在垂直于所述光路的直线方向上沿着单个轴线移动针孔阵列，以将对应于所述物体的基本连续区域的图像传送到所述成像设备上，用于检查所述物体。
参考示出本发明特定优选实施例的附图将有助于在下文详细描述本发明。附图和相关描述的特征不应被理解为用于取代权利要求所限定的本发明的一般特征的普遍性。描述本发明的共焦检查装置的示例的参考附图说明如下。
附图说明
图1展示了现有技术中扫描物体表面的尼普科夫(Nipkow)盘的等距视图。
图2展示了根据本发明的优选实施例的共焦检查装置的等距视图。
图3展示了图2所示的共焦检查装置的针孔阵列的平面图。
图4是与针孔阵列的使用相关的示例性图像捕获顺序的示图。
图5A和5B分别表示通过本发明的优选实施例提供的共焦检查装置所获得的静态针孔阵列图像和共焦图像。
具体实施方式
图2展示了根据本发明的优选实施例的利用共焦成像原理的共焦检查装置10的等距视图。所述共焦检查装置10包括用于投射光以照亮物体36的光源12。所述光源12可以产生光线，所述光线先通过聚光透镜14，然后通过菲涅耳(Fresnel)透镜16。最后，光线由第一反射镜18反射到偏振分束器20。
通过针孔阵列22(包括具有多个针孔24的针孔板)和管透镜26，偏振分束器20沿着光路将光线射到第二反射镜28上。第二反射镜28通过分色元件30、四分之一波长波片32和物镜34反射光线，所述物镜将光线聚焦到待检查的物体36上。所述共焦检查装置10与传统的分色共焦系统的不同之处在于：针孔板上设有针孔阵列图案而不是单个针孔。偏振分束器20和四分之一波长波片32用于抑制各种透镜表面上的内部杂散光线。
从物体36反射回来的光线沿着光路通过物镜34、四分之一波长波片32、分色元件30、第二反射镜28、管透镜26和针孔阵列22到达偏振分束器20。对应地，在照亮物体36之前和从物体36反射回来之后，光源12投射的光都会通过针孔阵列22。通过这种方式，接收的光线可以通过偏振分束器20到达成像透镜38上，并且所得到的图像通过诸如CCD照相机40的成像设备被成像。
图3展示了图2所示的共焦检查装置10的针孔阵列22的平面图。通过使用针孔阵列22，借由针孔阵列22沿着单个轴线的运动，可以有效利用整个针孔阵列24区域来获得共焦图像。因此，可以使系统成品的结构尺寸较小。
在针孔阵列22的设置中，每个针孔24的直径为D，并且以规则的矩阵图案排列或布置所述针孔。每个针孔24与x方向的针孔之间的宽度间隔为X，与y方向的针孔之间的高度间隔为Y。换言之，透光率T为：T＝πD2/(4XY) (1)。
如图3所示，当矩阵图案相对于针孔阵列22移动的直线方向倾斜特定角度θ时，应当移动针孔24，使针孔阵列22的单轴运动可以完全填充图像的视场。θ的计算如下：1、两个相邻针孔A和B在x方向上产生的两条扫描线之间的距离为X·sinθ；2、两个相邻针孔A和C在y方向产生的两条扫描线之间的距离为Y·cosθ。
为了均匀分布扫描线，Y·cosθ应该是被乘数X·sinθ的整数倍，即Y·cosθ＝N·X·sinθ，由此可得：θ＝tan-1(Y/(N·X)) (2)。
通过N值的选择，针孔扫描线可以完全填充所需求的整个视场。N·X的值也必须大于Y·cosθ。例如，当两条相邻的扫描线重叠部分长度为宽度的一半时，则：N·X≈2Y·cosθ。
当θ值较小时，cosθ≈1，因此：N＝[2Y/D] (3)。
可以观察到，重叠的量的多少会影响垂直于扫描线42的方向上图像亮度的均匀性。然而，因为图案亮度是不变的，所以，这种均匀性的变化可以通过校准来补偿。
可以看出，为了使所选区域的扫描完整，针孔24的移动距离Td应该是：Td＝K·(N·X·cosθ+Y·sinθ)–D (4)，其中，K为正整数。
例如，具有圆形针孔24(每个圆形针孔的直径为10微米)的针孔矩阵的目标透光率约为1/40。应该注意到，因为针孔24彼此之间可能相互影响，并且产生伪影，所以透光率的值不应太大。通常，相邻针孔24在x方向上的间隔距离(X)应当等于在垂直于x方向的y方向上的相邻针孔24之间的间隔距离(Y)，使针孔24沿x方向和y方向的任何运动的痕迹(cross-talk)都是相同的(isotopic)。因此，从式(1)可得到：X＝Y＝(40×π×102/4)1/2＝56(微米)；并且，从式(3)可得到：N＝[2×56/10]＝11。
根据式(2)，针孔阵列22相对于直线运动轴的倾斜角应为：θ＝tan-1(Y/(N·X))＝tan-1(1/11)＝5.19°。
在式(4)中，当K＝1，针孔阵列22的扫描距离为：Td>(11·56·cos(5.19°)+56·sin(5.19°)–10)＝608.5(微米)。
如上所述，根据角度θ的选择，仅利用针孔阵列22在直线方向上的运动，就可以将物体的整个基本连续区域传送到CCD照相机40上。此外，通过角度θ的选择，针孔阵列22在直线方向上的运动可以完全填充物体36的基本连续区域的图像视场。
优选地，当针孔阵列22的设置如图所示时，实施双向周期性运动。这意味着设有针孔24的针孔板在相对于光路的直线方向上以基本恒定的速度交替地向前和向后移动，以实现每个扫描操作。
图4是与针孔阵列22的使用相关的示例性图像捕获顺序的示图。通常，图像捕获顺序包括三个阶段。
在第一阶段，针孔阵列22沿扫描方向42加速到指定速度。在点44处，开始CCD照相机40的第一次图像曝光，在曝光期间，沿着前进的方向46，针孔阵列22的速度保持恒定。
在第二阶段，当针孔阵列22以恒定速度移动时，继续照相机曝光操作直到针孔阵列22到达预定的移动位置。在点48处，结束照相机的第一次图像曝光，并且CCD照相机40的数据被传送到处理器以进行处理。
在第三阶段，针孔阵列22减速直到其完全停止。需要一定的时间来逆转针孔阵列22的移动方向。在此时间间隔内，可进行其它的诸如切换视场或改变用于垂直扫描50的照相机的高度水平的同步运动。
随后，在向后方向上，针孔阵列22加速到指定的恒定速度，并且，在点52处，开始CCD照相机40的第二次图像曝光。当针孔阵列22以恒定速度在向后方向上54移动时，继续相机曝光直到针孔阵列22到达预定的移动位置。在点56处，结束照相机的第二次图像曝光。并且，针孔阵列22一直减速直到其完全停止。
上述步骤将一直循环继续，直到捕获了所需要的物体36的图像。
图5A和图5B分别表示通过本发明的优选实施例提供的共焦检查装置所获得的静态针孔阵列图像和共焦图像。在图5A中，图像60展示了针孔24的倾斜矩阵。如图5B所示，在图像捕获的过程中，当针孔阵列22沿着扫描方向42移动之后，捕获的图像62表示包括整个待检查区域的视场。
应当理解，根据本发明的优选实施例的共焦检查装置10提供了利用单轴运动系统的针孔扫描配置，所示系统可以显著减小针孔阵列22的尺寸，并可以减小共焦检查装置10的总尺寸。并且，可以有效地利用针孔阵列22的面积。特别地，与现有技术中使用的旋转运动系统相比，直线运动系统的结构尺寸可以更加紧凑。因此，可以减小共焦光学系统的总尺寸。此外，针孔图案还可以包括诸如规则网格图案的简单分布的图案。
另外，所示的共焦检查装置10具有这样的针孔图案：通过所述针孔图案，可以在待检查的整个视场上获得良好的亮度均匀性。
虽然，以上已对本发明进行了具体描述，但是，本发明易于发生的变化、修改和/或添加。应当理解，所述变化、修改和/或添加落入上述描述的精神和保护范围之内。

Claims (19)

1.一种用于检查物体的共焦成像装置，所述装置包括：
光源，用于投射光以照亮所述物体；
成像设备，用于沿着所述物体和所述成像设备之间的光路接收从所述物体反射的光；
针孔阵列，包括沿所述光路设置的多个针孔，使得从所述物体反射的光能够通过所述针孔阵列；以及
机构，其用于在垂直于所述光路的直线方向上沿着单个轴线移动所述针孔阵列以将对应于所述物体的基本连续区域的图像传送到所述成像设备上。
2.根据权利要求1所述的共焦成像装置，其中，根据所述针孔阵列的设置，在照亮所述物体之前，所述光源投射的光能通过所述针孔阵列。
3.根据权利要求1所述的共焦成像装置，其中，所述针孔阵列包括针孔板，多个针孔以矩阵排列的方式分布在所述针孔板上。
4.根据权利要求3所述的共焦成像装置，其中，相对于所述针孔阵列移动的直线方向，矩阵排列的针孔以一定的角度倾斜。
5.根据权利要求4所述的共焦成像装置，其中，通过所述角度的选择，仅利用所述针孔阵列在所述直线方向上的运动，就能够将所述物体的整个基本连续区域传送到所述成像设备上。
6.根据权利要求4所述的共焦成像装置，其中，通过所述角度的选择，所述针孔阵列在所述直线方向上的运动能够完全填充所述物体的所述基本连续区域的图像的视场。
7.根据权利要求3所述的共焦成像装置，其中，以矩阵方式排列的第一方向(X)上的相邻针孔之间的间隔距离等于与所述第一方向垂直的第二方向(Y)上的相邻针孔之间的间隔距离。
8.根据权利要求1所述的共焦成像装置，其中，所述针孔阵列在相对于所述光路的所述直线方向上以基本恒定的速度交替地向前运动和向后运动，以实现每个检查操作。
9.根据权利要求8所述的共焦成像装置，其中，在所述针孔阵列以基本恒定的速度移动并且到达预定的移动距离期间，进行所述成像设备的图像曝光。
10.根据权利要求1所述的共焦成像装置，还包括：沿所述针孔阵列和所述物体之间的所述光路设置的分色元件和四分之一波长波片。
11.根据权利要求1所述的共焦成像装置，其中，所述成像设备包括CCD照相机。
12.一种使用共焦成像装置检查物体的方法，所述方法包括以下步骤：
将光源的光投射到物体上来照亮物体；
通过成像设备沿着所述物体和所述成像设备之间的光路接收从所述物体反射的光，其中，从所述物体反射的光通过针孔阵列，所述针孔阵列包括沿所述光路设置的多个针孔；以及
在垂直于所述光路的直线方向上沿着单个轴线移动所述针孔阵列，以将对应于所述物体的基本连续区域的图像传送到所述成像设备上，用于检查所述物体。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，通过所述针孔阵列的设置，在照亮所述物体之前，所述光源投射的光通过所述针孔阵列。
14.根据权利要求12所述的方法，其中，所述针孔阵列包括针孔板，多个针孔以矩阵排列的方式分布在所述针孔板上。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，相对于所述针孔阵列移动的所述直线方向，矩阵排列的针孔以一定的角度倾斜。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，通过所述角度的选择，仅利用所述针孔阵列在所述直线方向上的运动，就能够将物体的整个基本连续区域传送到成像设备上。
17.根据权利要求12所述的方法，还包括下述步骤：在第一检查操作期间，在相对于所述光路的所述直线方向上以恒定的速度向前移动所述针孔阵列；以及，随后在第二检查操作期间，在相对于所述光路的所述直线方向上以恒定的速度向后移动所述针孔阵列。
18.根据权利要求17所述的方法，还包括下述步骤：在所述针孔阵列以基本恒定的速度移动并且到达预定的移动距离期间，进行所述成像设备的图像曝光。
19.根据权利要求12所述的方法，其中，所述成像设备包括CCD照相机。
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