CN1191967A - 用于表面检查的装置和方法 - Google Patents

Abstract

提供了一种光元件(25),从而移动了入射到基板(7)上的扫描光(32)的光轴,这样,两个光检测器(9)的光检测面的照亮位置彼此相同或几乎相同。从两个光检测器发出的各表面信息信号相应地彼此相同或信号间的差最小,从而使表面检查的测量精度得以提高。

Description

用于表面检查的装置和方法

本发明涉及用于通过扫描来检查物体表面状态的装置和方法。具体讲，本发明涉及通过将扫描光照射到带有所安装的器件的基板、液晶面板、半导体晶片、电子元件等的表面上而检查其表面状态的装置和方法，更为具体地讲，本发明涉及检查所安装元件的位移、元件的丢失、焊接故障、在焊接之前元件的浮动和元件的形变等。

对于检查其上装有元件的基板的表面状态来说，近来经常采用如图8所示构成的激光扫描的表面检查装置。从半导体激光二极管1发出的激光经描准透镜2返回到投射光束3上。投射光束3射到在圆周方向绕中轴10转动的多边形部分的多边镜4上。多边镜4的每个外表面为平行于中轴10轴向的镜面4a。激光束在镜面4a被反射并成为反射光5。投射光束3从与中轴10的轴向正交的方向进入镜面4a。由于多边镜4在镜面4a收到反射光束3时在绕中轴10的窄方向转动，反射光5则被沿图3的箭头I所表示的一个方向折射。折射后的反射光5进入包括多个轴向配置的透镜的fθ透镜系统6中，并被系统6折射和汇聚，并在将被检查的基板7的表面7a上形成一个图象。随着多边镜4的转动，聚焦在表面7a上的扫描光就扫描表面7a。在为图8侧视图的图9中，基板7的表面7a上的散射反射光8由透镜11送到经扫描光的光轴而180°分开，即相对于光轴彼此对称配置的两个光检测器9的各光检测表面上。光电检测器9将汇聚在其光电检测表面的散射反射光8进行光电转换，并将与光电检测表面上的散射反射光的位置相对应的电信号送到算术装置13上。算术装置13根据已知的三角测量方法和从光电检测器9上所提供的电信号计算出在表面7a上将被测出的物体12的高度。

如图9所示，光电检测器9在两个方向上取向。因此，当一束散射反射光8被装在基板7上的将被测量的不同物体12遮住时，只能有一束光无法到达光电检测器之一上。而其它的光8仍可到达其它的光电检测器9上。这样，就可用其它的光电检测器9来检测其它的散射反射光。

在如上所构成的传统的表面检查装置20中，当基板7等的表面可被光电检查时，由于光电检测器是装在两个方向上的，光电检测器9之一的光电检测表面上的照亮的位置与其它光电检测器9的照亮位置不同，这样，从各光电检测器9输出的每个信号之间会有差别从而引起测量误差。具体讲，如果反射光8如上所述被遮住且光电检测器9被切换到使用另一光电检测器的情况下，则测量误差将变大。

本发明意于解决上述已有技术中的固有的缺点，其目的在于提供一种用于表面检查的装置和方法，从而使表面检查的测量精度提高。

根据本发明第一方面的表面检查装置，它包括：用于发出激光的激光元件；具有多边形外周的折射扫描镜，其外周的每个外表面都是镜面，折射扫描镜在外周方向绕其中轴转动，以在绕中轴转动期间反射从激光元件发射出的激光，该激光以与中轴的轴向正交的方向进入镜面；两个光电检测器，每个光电检测器当由折射扫描镜反射的激光的反射光扫描物体的表面时，用于检测将被检查的物体表面的散射反射光，该两个光电检测器相对于扫描光的光轴对称安置，其中物体的表面是根据在光电检测器的光电检测表面上的照亮的位置而检测的；和在折射反射镜与物体之间的光元件，该光元件用于移动通过折射扫描镜反射的反射光的光轴，从而使在各光电检测器的光电检测面的照亮位置彼此相同，进而使表面检查误差最小。

根据本发明的第二个方面的表面检查方法包括步骤：将激光发射到具有多边形外周的折射扫描镜上，外周的每个外周面为镜面，折射扫描镜在外周方向绕其中轴转动，以在绕中轴转动期间反射所发射出的激光，该激光以与中轴的轴向正交的方向进入镜面；由为在镜面反射的反射光的扫描光扫描将被检查的物体的表面；由两组相对于扫描光的光轴对称安置的光电检测器检测在物体表面反射的散射反射光，从而检查物体的表面；以及当扫描光被投射出去时，将扫描光的光轴移动到物体的表面，这样各光电检测器的光电检测面上的照亮位置彼此相同或接近相同，从而使表面检查误差最小。

根据本发明第一方面的表面检查装置和根据本发明第二方面的表面检查方法，提供一种光元件，它可以移动通过折射镜反射的反射光的光轴。由此通过移动反射光的光轴使从两个光电检测器输出的表面信息信号彼此相同或信号差最小。这样表面检查的测量精度就被提高。

图1为侧视图，示出根据本发明一个实施例的表面检查装置的构造；

图2为图1的表面检测装置的平面图；

图3为图1中多边镜的转动方向和基板上的光扫描方向的示意图；

图4为图1的光元件的透视图；

图5为图4的光元件的剖面图；

图6为图1的另一实施例的光元件的示意图；

图7为用来将图1的光元件的反射体压紧到台架上的不同状态的定位件的透视图；

图8为示意图，示出传统表面检查装置的构造；以及

图9为图8的表面检查装置的侧视图。

下面参照附图描述本发明优选实施例中的表面检查装置和表面检查方法。应当注意，在附图中，相同的元件用相同或相似的标号加以标示。表面检查方法是通过使用表面检查装置来实现的。多边镜4起到了折射扫描镜的功能。虽然在本实施例中，是以其上装了电子元件的基板作为被检查的物体的，但本发明并不局限于此物体。

如图1和2所示，根据本发明的表面检查装置50类似于传统的表面检查装置20，它包括半导体激光二极管1、瞄准透镜2、多边镜4、fθ透镜系统6、两个光电检测器9和透镜11。构成该装置的这些部件与表面检查装置20的那些部件相同，因而不再赘述。表面检查装置50与表面检查装置20不同之处在于在fθ透镜系统6与基板7之间有一个光元件25，以将从fθ透镜系统6投射的作为扫描光32的反射光31反射到基板7的表面7a上。通过改变元件25的反射表面的倾角，光元件25移动扫描光32的光轴，从而使从两个光电检测器9上输出的表面信息信号彼此相同或差别最小。光元件25如图4和图5所示构成。

具体讲，光元件25包括具有反射表面251的反射体252，和用于改变反射面251倾角的反射角改变件253。反射体252是由宽约10-20mm长约50-60mm的条形玻璃构成。反射面251为镜面。反射体252在其纵向两端被定位件256压紧并在台架254中形成一个V形的凹口255。每个定位件256具有一个压紧件256a、固定件256b以及将压紧件256a的端部与固定件256b的端部紧密联合起来的联结件256c。由薄金属板形成的压紧件256a和固定件256b以一个台阶在同一方向彼此平行地伸展。压紧件256a、固定件256b和联结件256c整体地形成主体的定位件256。在此定位件256中，每个固定件256b被安装螺钉257固定在凹口255中，使反射体252保持在压紧件256a与凹口255之间。此时，反射体252的纵向与压紧件256a到固定件256b的对准方向相一致。定位件256在安装螺钉257的支点上以反射体252的纵向弹性地将其两端压紧到台架254上。反射体252于是被撑在台架254上。由于这种结构，反射体252可以摆动，这样可以通过如下面将描述的角度改变件253的反射，使反射面251的倾角可变，凹口255形成得使反射体252可以摆动。

如何将定位件256固定到反射体252并不局限于前文的方式。例如，如图7所示，定位件258可被安装到台架254上，这样，压紧件258a可以以与反射体252的纵向正交的方向直接固定固定件258b。但在图7的例子中，由于反射体252的纵向与压紧件258a对固定件258b的对准方向相一致，当环境温度升高后，玻璃反射体252与金属定位件258的热胀系数的差将导致反射体252与定位件258之间膨胀量的不同。结果，反射面251的倾角可能被改变。另外，当如图4所示压紧件256a与固定件256b以反射体252的纵向相同的方向对准后，前面提到的缺点被消除，因此该实施例为图7的优选实施例。

反射角改变件253是用螺钉固定在在台架254上形成并开在凹口255中的过孔259中的。角度改变件253将在凹口255中的反射体252的反射面251相对的后面以锐角向前顶和向后缩退。当角度改变件253将后面252a向前顶和向后缩退时，在凹口255中的反射体252可以微小角度以支点257为中心摆动，从而改变反射面251的倾角。根据本发明，为了便于调节反射面251的角度，仅提供一个反射角度改变件253以抵住反射体252纵向的中部，反射体252可在整个反射面251上均匀地摆动。

如图1和2所示，上述构造的光元件25是装在fθ透镜系统6的向外凸出的一侧的。如图4和5所示，在光元件25中，从fθ系统6投射的反射光31在反射面251被反射并投射到基板7的表面7a上作为扫描光32。光元件25的位置并不局限于该实施例的情况，它可安置在多边镜4和fθ透镜系统6之间。但是，光元件25安置在半导体激光二极管1和多边镜4之间并非最好，因为基板7的表面7a上的扫描光32的扫描线将被弯曲。

下面描述如上所述安置的光元件25的工作。当反射体252由角度改变件253从图1的实线所表示的设定位置26倾斜到图1所示的摆动后的位置，从而改变反射面251的倾角，在设定位置26扫描光32的光轴被移动且该光成为一个扫描光32a。另一方面，当反射面251的倾角变到摆动后的位置26b时，扫描光32以一个光轴改变后的扫描光32b返回。由于扫描光32的光轴被移动，在基板7的表面7a上反射光8的光轴也被移动，结果，对每个光电检测器9的光电检测面91照亮的部分将沿箭头33的方向移动。当由对应于设定位置26的扫描光32的散射反射光8射到每个光检测器9的光检测面91时，如果在两个光电检测面91之间的照亮位置不同，换句话讲，从光电检测器9上输出不同的信息信号，则反射体252的反射面251的角度会由角度改变件253改变，这样对各光电检测器9的各光电检测面的照亮位置将彼此相同或大致相同。扫描光32的光轴于是被移动，这样，每个散射反射光8的光轴就被移动。经此操作，在两个光电检测器9的光电检测面91上的照亮位置则相同或大致相同，这使来自两个光电检测器9的信息信号彼此相同或差别最小。

下面将描述实施例中的表面检查装置50的工作。由于装置50的工作与传统的表面检查装置20的工作基本相同，因此，基本操作的描述将省略掉。

在装置50被暂时组装起来后，一个具有均匀表面的平陶瓷板作为临时的基板7而放在基板的设定位置上，且激光束被实验性地投射到陶瓷板上。最好，装置50被设置得使由实验性投射到平陶瓷板所获的高度信息为一个对应于检查范围中心附近的信息。该实验性投射是通过确认从光电检测器9输出的表面信息信号是否彼此相同或信号的差是否最小来进行的。除了信息信号相同或差别最小的情况之外，反射角改变件253都会凸出或退后，从而改变反射体252的反射面251的倾角并移动扫描光32的光轴，以致最终的每个散射反射光8的光轴。因此，在光电检测器9的光电检测面91的照亮位置彼此相同或接近相同，且来自光电检测器9的信息信号相同或信息的差最小。表面检测装置50的组装在此阶段就完成了。在除去陶瓷基板之后，装置50就如下面所描述的执行表面的检查工作。

来自半导体激光二极管1的激光经过瞄准透镜2成为投射光束3，它射到多边镜4的镜面4a并返回成为反射光5。由于多边镜4绕中轴10转动，反射光5以一个方向被折射并进入fθ透镜系统6。如图3所示，fθ透镜系统6将汇聚透镜的作用施加到反射光5上。虽然，为了方便起见，fθ透镜系统6在图3中仅示出了一个透镜，实际上，fθ透镜系统是如图2所示由多个同轴安置的透镜组成的。来自fθ透镜系统6的投射的反射光31被反射成为如前所述反射面251的倾角可调的光元件25的反射光32，并总与基板7的表面7a呈直角并扫描该表面7a。当要被测出的物体12出现在基板7的表面7a上时，对于入射扫描光32来说不会出现盲点。

在基板7的表面7a产生的散射反射光8经光电检测透镜11进入光电检测器9的光电检测面91。每个光电检测透镜11具有一个覆盖各光电检测器9的扫描宽度的视场角并将各散射反射光8聚焦，这样，照亮的位置根据在基板7上将被测到的物体12的高度按箭头33的方向移动到光电检测器9的每个光电检测面91上。根据对各光电检测面91的投射情况，各光电检测器9输出与扫描光同步的、与按箭头33的方向照亮位置的移动量成正比的时间序列表面信息信号。该信息信号被加到算术装置13上，从而检查在基板7上将被测的物体12的三维形状。

为了选择在算术装置13上光电检测器9的信号，为所加的表面信息信号的各光电检测光的和设定阈值电平，且根据所加的表面信息信号的光电检测光的和是否小于阈值电平而确定哪个信号将被选定。如果两个光电检测器9的每个光电检测光的和为阈值电平或大于该电平的电平，则用两个表面信息信号的平均值。如果两个光电检测光的和分别小于阈值电平，则检查操作就被判定为有错。

在本实施例的表面检查装置50中，提供一种其扫描光32的光轴可微小调节的光元件25，这样，从两个光检测器9输出的表面信息信号彼此相同或其差别很小。因此，表面检查的检查精度得以提高。

可以构思一种通过将转轴10本身倾斜而使多边镜4本身倾斜以替代本实施例的光元件25的使用，从而移动扫描光32的光轴。但在此方法中，投射光束3并不以正交于转轴10的轴向进入多边镜4的镜面4a，且在基板7的表面7a上由扫描光32扫描的线并不如理想中的准直而是弯曲的。

除在实施例中所采用的反射体252，如图6所示的楔形棱镜35也可被用作移动扫描光32的光轴的光元件。应当注意将棱镜35插入平行光束的光通量的情况。如果棱镜35并没有插入到平行光束中，则会产生像差，它会使由扫描光32对将被测的物体12的扫描光斑的形状变坏。

当检查基板7的整个表面时，此检查是通过交替地移动基板7和扫描光来进行的。在此情况下，基板是由诸如线性电机或电机与球形螺钉的组合体的基板移动装置以与光的扫描方向成直角而移动的。不用说，检查装置可在基板7保持静止的同时而移动。

根据上述实施例，将被检查的物体为基板7。本实施例的表面检查装置和方法可被用于不仅检查基板的表面状态而且是元件安装之前的电路板、电子元件、液晶板或需要三维测量的物体等。

于1997年2月18日提交的日本专利申请9-33506的全部文件，包括说明书、权利要求和附图，在此被引作参考。

Claims (6)

1.一种表面检查装置，它包括：

用于发出激光的激光元件(1)；

具有多边形外周的折射扫描镜(4)，其外周的每个外表面都是镜面，折射扫描镜在外周方向绕其中轴转动，以在绕中轴转动期间反射从激光元件发射出的激光，该激光以与中轴的轴向正交的方向进入镜面；

两个光电检测器(9)，每个光电检测器当由折射扫描镜反射的激光的反射光扫描物体的表面时，用于检测将被检查的物体表面的散射反射光，该两个光电检测器相对于扫描光的光轴对称安置，其中物体的表面是根据在光电检测器的光电检测表面上的照亮位置而检测的；和

在折射反射镜与物体之间的光元件(25，35)，该光元件(25，35)用于移动通过折射扫描镜反射的反射光的光轴，从而使在各光电检测器的光电检测面的照亮位置彼此相同，进而使表面检查误差最小。

2.如权利要求1的表面检查装置，其特征在于光于件(25)具有一个反射面(251)，用于反射由折射扫描镜反射的反射光，该光元件(25)还具有一个反射角度改变件(253)，用于改变在反射面上的反射光的反射角，从而移动反射光的光轴。

3.如权利要求1的表面检查装置，其特征在于光元件(25)是一个条形片状体，其两端部都被定位件(256)压紧并保持在台架(254)上，薄板定位件在具一端有一个用于压紧光元件的压紧部分(256a)并在其另一端有一个固定到台架上的固定部分(256b)，该薄板定位件在光元件的轴向延伸。

4.如权利要求2的表面检查装置，其特征在于光元件(25)是一个条形片状体，其两端部都被定位件(256)压紧并保持在台架(254)上，薄板定位件在其一端有一个用于压紧光元件的压紧部分(256a)并在其另一端有一个固定到台架上的固定部分(256b)，该薄板定位件在光元件的轴向延伸。

5.如权利要求1的表面检查装置，其特征在于光元件(35)是一个楔形截面的棱镜。

6.一种表面检查方法，它包括：

将激光发射到具有多边形外周的折射扫描镜(4)上，外周的每个外周面为镜面，折射扫描镜在外周方向绕其中轴转动，以在绕中轴转动期间反射所发射出的激光，该激光以与中轴的轴向正交的方向进入镜面；

由为在镜面反射的反射光的扫描光扫描将被检查的物体的表面；

由两组相对于扫描光的光轴对称安置的光检测器检测在物体表面反射的散射反射光，从而检查物体的表面；以及

当扫描光被投射出去时，将扫描光的光轴移动到物体的表面，这样各光检测器的光检测面上的照亮位置彼此相同或接近相同，从而使表面检查误差最小。

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