CN1226612C - 用于自动光学检验系统的照明装置 - Google Patents

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Abstract

一种具有改进照明系统的光学检验系统。用以说明本发明的改进照明系统具有一个由印刷电路板制成的底座。在印刷电路板上还形成有用于固定以发光二极管为例的照明元件的基片。这些电路板具有锯齿形边缘，二极管安装在锯齿上。此结构使得发光元件可以聚焦在焦点上。同样在该例示性照明系统中，发光元件具有不同的光束宽度，从而可以减小照明光强随仰角的变化。

Description

用于自动光学检验系统的照明装置
技术领域
本发明一般地说涉及一种自动光学检验系统，更具体地说涉及用于这种检验系统的照明装置。
背景技术
自动光学检验用在制造印刷电路板的过程中以及其他领域。计算机控制系统将一摄像机在印刷电路板或其他待检验物体上传送并摄取该板各个区域的图像。接着用计算机扫描这些图像以验证在正确制造的电路板中预期存在的特征存在于该区域并且具有预期的形状。替代地，系统可以验证在不应存在特征的区域不存在特征。如果该特征得以验证，则电路板通过检验。如果没有得到验证，则电路板被标为有缺陷或者继续进行人工检验或其他测试。
在检验印刷电路板中的物体时，所关注的特征是诸如电子部件边缘、金属迹线或焊点等物。许多这些特征可以在图像中捕获，尽管光束必须相对于形成图像的摄像机以一定的角度照射在物体上。例如，如果物体具有闪光表面，其方向使光束反射离开摄像机，则摄像机不能获取从该物体反射的光束。如果摄像机不能获取从该物体反射的光束，则物体所处的区域在摄像机形成的图像中将呈现黑色。
因此，为产生可用于自动检验的图像，必须相对于摄像机对检验区域的照明加以控制。一些自动检验系统采用从待检验区域的四周提供光束的环形光源。然而，这些类型的光源具有数个缺点。首先，环形光源一般使得摄像机只能沿着垂直于印刷电路板的方向从穿过环面的顶端聚焦在检验区域上。通常，待检验电路板的特征在沿此方向摄取的图像中不易于显现。
通常，需要多种“照明模式”来摄取相同待检验区域的多个图像。在各照明模式中，从不同的角度或不同的角度组合来照明待检验区域。
环形光源是已知的。有些这种光源具有发光二极管阵列。当发光二极管按扇区工作时，可以从不同的方向照明检验区域。当发光二极管根据其到环面中心的距离按组工作时，可以从不同的仰角照明检验区域。从不同仰角的照明可用于突出显示印刷电路板上不同种类的特征。环形照明系统的缺点在于用以从低仰角照明检验区域的发光元件比用以从高仰角照明检验区域的发光元件距离检验区域更远。此外，环面圆周处的发光元件的照明区域更加远离光束中心。因此，当需要从低仰角照明时，对检验区域的照明光强较低。这种照明光强的变化对于检验系统是不利的。
美国专利US 5,245,421显示了一种用于检验印刷电路板的照明装置，其具有表面固定部件，更适于提供多种照明模式。该专利的图1再现为本文图1。图1表示检验装置10的一部分。装置10含有检验头12。
检验头12安装在X-Y工作台13上，使得它可以在待检验印刷电路板的表面上方移动。装置的其余部分没有画出，但是它含有用于将印刷电路板移入和移出X-Y工作台13下检验区域的机械结构以及其他传统的检验部件比如计算机控制器。
检验头12含有用于获取电路板图像的摄像机。在所示的实施例中，画出了四个摄像机14、15、16和17。摄像机14、15、16和17安装在具有开口底部31的中空圆柱体30中。照明组件安装在圆柱体31内，在图1中可以看见其中的23和24。然而，该专利描述了在圆柱体30内有四个照明组件。照明组件可以单独工作或组合工作，以提供在开口底部31的多种照明模式。在使用时，开口底部31置于靠近待检验电路板的位置并且以待检验区域为中心。该区域通过照明组件的选择性启动从不同角度加以照明，并用摄像机对电路板上的部件成象。
美国专利US 5,060,065更详细地描述了圆柱体30内的照明装置。该专利描述了照明组件由围绕圆柱体30内穹顶表面分布的发光二极管阵列制成。在专利US 5,060,065中所示的照明装置的商用实施例中，相同的二极管安装在弯曲的印刷电路板上，焊接成一个环形。以此方式，各发光二极管基本上距开口底部31附近的检验区域相同的距离。另外，各发光二极管的光束中心聚焦在检验区域上。这种结构提供了高得多的照明均匀性。另外，承载发光二极管的印刷电路板之间的间距使得多个摄像机可以通过穹顶聚焦在检验区域上。
然而，为充分地照明印刷电路板上的部件，开口底部31必须很靠近被检验印刷电路板的表面—大致1.75mm(0.7英寸)以下。该限制阻碍了所述系统用于制造具有较高部件比如互感器或大数值电容器的印刷电路板。我们已经发明了使光源可以与印刷电路板的表面上较高部件一起工作的方法。如下面详细所述，我们还发明了简化照明结构的制造方法。
发明内容
考虑到前述背景，本发明的目的在于提供一种用于自动光学检验系统的改进照明结构。
根据本发明的一个方面，提供一种光学检验系统，具有一照明系统和一检验区域，包括：a)一支承结构，它由多片印刷电路板组成，且每一印刷电路板均具有导电迹线；b)多个照明元件，位于平面阵列中，各照明元件均被接通到其中一片印刷电路板的导电迹线，各照明元件与检验区域具有间距，各照明元件倾斜朝向检验区域，其中所述多个照明元件被分成远离所述平面阵列中心的第一部分和靠近所述平面阵列中心的第二部分，所述多个照明元件的第一部分所具有的间距大于所述多个照明元件的第二部分的间距，通过多种电子信号控制所述多个照明元件产生不同的发光模式，从而使得检验区域的照明光强均匀。
根据本发明的另一个方面，提供一种光学检验系统，其类型为具有多个聚焦在一检验区域上的摄像机，和一个用于照明该检验区域的照明系统，包括：a)一个具有平面表面的底座，其上配置有导电迹线，且中间具有一个开口，该开口位于检验区域上方；b)多个照明元件，设置成一个平行于所述平面的放射状阵列，照明元件发射光束射在所述检验区域上，所述放射状照明元件阵列中具有一个中间开口区域及至少四个紧邻中间开口区域的开口；c)多个摄像机，朝向所述检验区域，都通过中间开口区域及紧邻的四个开口区域聚焦与所述检验区域同一点，并且可以获取不同角度的图像；d)各照明元件均被分别接通到印刷电路板的导电迹线上，其中所述多个照明元件被分成远离所述平面阵列中心的第一部分和靠近所述平面阵列中心的第二部分，所述多个照明元件的第一部分所具有的间距大于所述多个照明元件的第二部分的间距，通过多种电子信号控制所述多个照明元件产生不同的发光模式，从而使得检验区域的照明光强均匀。
前述和其他目的通过具有大致平面的底座和多个由该底座支承的发光元件的照明结构来实现。在优选的实施例中，发光元件为二极管，按组固定在从底座突出的基片上。在本优选实施例中，底座和基片都是印刷电路板，并且通过插塞型连接器互相连接。
在优选实施例中，基片沿着从一公共点射出的直线安装，发光元件安装成将其光束聚焦在该公共点下方的检验区域处。优选实施例的另一特征是远离公共点安装的发光元件比靠近公共点安装的发光元件具有较窄的束角。采用具有不同束角的发光元件可以减小由各发光源所照明区域尺寸的变化，并且还可以减小由处于距检验区域不同距离处发光元件所导致的检验区域中光束光强的变化。
附图说明
通过参照下面的详细说明和附图可以更好地理解本发明。附图中：
图1为现有技术照明系统的示意图；
图2为根据本发明的照明系统的表面的示意图；
图3为图2照明系统的相反表面的示意图；
图4为沿图2中线4-4截取的通过照明系统的剖视图；以及
图5为用于形成图2照明系统的印刷电路板的示意图。
具体实施方式
图2表示本发明的照明系统210。在使用中，照明系统210将用于替代图1中的圆柱体30。在一个优选的实施例中，照明系统210用在用于印刷电路板的自动光学检验系统中。照明系统210用于提供在电路板制造过程中各阶段对该电路板的照明。可以用它来提供对具有较高部件的印刷电路板检验的照明，从而照明系统210与待检验电路板表面之间的间距必须为1.7mm以上。
这种系统可用于印刷电路板的制造。在电路板的制造过程中通常在数个步骤对其进行检验。检验有时用于改变单个电路板的加工流程。例如，如果检验揭示电路板上遗漏部件，则该电路板将改变路线以重新加工。采用本发明系统来改变加工流程的精确方式对本发明不重要。
照明系统210具有一个底座，在所示实施例中为印刷电路板212。电路板212可以是传统的印刷电路板，其中具有导电迹线。这些迹线承载用于控制各照明元件310的信号(图3)。电子连接器216可以是传统的插头和插座型连接器，安装在电路板212上的适宜位置。在所示的实施例中，电路板212为大致方形的，并且连接器216安装在电路板的角部。
电路板212中还具有一个开口214。开口214提供位置使摄像机(未画出)通过照明系统210聚焦至所测试印刷电路板上的检验区域。在所示的实施例中，有五个这种位置。有四个摄像机位置218a、218b、218c和218d(图2)位于开口214周围不同的角度。在开口214的中心有第五个摄像机位置218e(图2)。这些摄像机位置使得摄像机可以从多个角度形成检验区域的图像。
有多个照明基片固定在电路板212上。在所示的实施例中，照明基片由多个印刷电路板220a和220b提供。下面结合图5详细说明电路板220a和220b的制造。
电路板220a和220b都延伸进入开口214。电路板220a和220b都没有延伸到开口214的中心。通过使电路板不延伸到开口214的中心，形成摄像机位置218e。另外，电路板220a比电路板220b短，仅延伸到开口214中途。以此方式，存在数个通过开口214的无阻碍通道，从而形成摄像机位置218a…218d。
电路板220a和220b在图3中可以看得更为清楚。图3表示在照明系统工作过程中照明系统朝向被检验印刷电路板的一侧。电路板220a和220b各具有多个与之固定的照明元件。在优选实施例中，该照明元件为光电二极管。由于电路板220b比电路板220a长，显示有更多的照明元件固定其上。
在所示的实施例中，电路板220a和220b分别沿着从开口214中心发出的直线固定在电路板212上。照明元件310固定在电路板220a和220b上，其方式使得其也沿着从开口214中心发出的直线。
这种结构在开口214中心与印刷电路板待检验区域对准时是有用的。以此方式，将照明元件310设置在围绕待检验区域半径不同的圆周上。与在现有技术中一样，可以按扇区同时启动照明元件310。启动一个扇区的照明元件可以使检验区域从一侧照明。替代地或附加地，只有距检验区域特定半径的照明元件才使检验区域从不同的仰角得以照明。
如图3中所示，电路板220a和220b都安装成从电路板212突出。在优选的实施例中，各电路板220a和220b从电路板212以大致直角突出。该结构使得各电路板220a和220b的一个边缘与电路板212相对，而使各电路板220a和220b的第二边缘大致朝向被检验印刷电路板。电路板220a和220b的这些边缘提供了用于将各电路板220a和220b与电路板212连接的电连接器(图4中412a和412b)的适宜的固定位置。这些边缘还提供了用于固定发光元件310的适宜位置。
电路板220a和220b中的迹线在连接器与照明元件之间延伸。以此方式，可以将电信号传输至各照明元件。特别地，电信号可以从系统控制器(未画出)通过连接器216、通过电路板212上的迹线、通过连接器412a和412b、通过电路板220a和220b上的迹线传输至照明元件310。以易于制造的方式设置用于隔离照明元件310的许多隔离线路。特别地，将部件和连接器焊接在印刷电路板上以制得子组件，然后将其插在一起以形成最终组件。
转至图4，其中画出了沿图2中线4-4截取的照明系统210的剖视图。在该视图中，可以看见两个电路板220b。连接器412a和412b画成照明元件310。从图4中可以看出，照明元件310都安装成将其光束射向检验区域，在该实施例中位于开口214的中心之下。对于优选实施例中所用的发光二极管，为了以此方式导引光束，必须以不同的角度安装各发光二极管。
在优选实施例中，通过首先沿着电路板220a和220b的边缘形成平台(在图5图示中，部分标号为510a…510c)以不同角度来安装各发光二极管。如图5中所示，在平台(例如标号为510a…510c的平台)上形成导电垫片，发光二极管引线可以用任何适宜的装置焊接或固定其上。平台使印刷电路板220a和220b的边缘具有锯齿形外观。选择平台的取向以使照明元件指向照明区域。此图形可以称作菲涅尔图形。
在优选实施例中，各电路板220b上的发光元件是不同的。安装在靠近检验区域414位置的发光二极管416比安装在远离检验区域414位置的发光二极管418具有更宽的束角。以此方式，可以使检验区域414的光强均匀化。虽然理论上各电路板220b上的各照明元件可以具有不同的束角，但是对易于获得的束角存在实际的限制。在一个实施例中，仅采用两种不同类型的发光二极管，一种具有的束角最接近所选择特定位置所需的束角。
下面转至图5，其中画出了制造电路板220b的示意图。电路板220a用类似的方式制造。从一块玻璃纤维原料530或其他适于制作印刷电路板的材料制成数个电路板220b。如传统技术一样，在原料530的两个表面上形成所需图案的迹线，包括用于固定照明元件的垫片512。
接着在原料530中研磨出通道520a和522a，从而形成电路板220b的所需边缘。如图所示，通道520a具有形成平台比如510a…510c的形状。同时切割出刻划线524a和524b，但是不切割成完全贯穿原料530。在完成所有处理步骤之后，可以沿着刻划线524a和524b切断环氧树脂原料，得到多个印刷电路板220b。
已经描述了一个实施例，从而可以作出多种替代性实施例或变型。例如，已经描述了采用不同束角的照明元件来减小不同仰角照明光强的变化。也可以采用其他方式来使光强均匀化。由于可以单独控制各组照明元件，所以来自有些组的光强可以通过向该组提供更高的输入功率加以提高。或者，在光束闪烁的地方，可以控制有些组保持开启更长时间。
另外，已经描述了采用发光二极管用作照明元件的优选实施例。也可以采用其他光源。例如，可以采用光纤将光束从所需的位置沿所需的方向进行分布。
另外，已经描述了底座和基片元件作为子组件加以制作然后连接在一起形成照明系统。虽然此种结构由于其制作过程得以简化因而是有利的，但并不是必需的。也可以例如使照明元件固定在其他类型的支承结构上。例如，支承结构可以是一整体部件。替代地，沿数个射线设置的照明元件可以固定至同一部件上，从而得到的子组件具有比图中所示更多的照明元件。
另外，在优选实施例中已经描述了采用印刷电路板。也可以采用具有迹线的传统环氧树脂玻璃纤维板，尽管这不是唯一适宜的元件。可以采用其他基片来制作印刷电路板，比如玻璃或陶瓷。另外，可以采用光刻以外的方式来制作导电迹线。可以采用淀积技术。也可以将单个导线固定在基片上以得到类似的结构。此外，为实现本发明的优点不必使迹线与“印刷电路板”的基片一体制作。
另外，所示二极管照明元件位于印刷电路板220的边缘上。应当理解，使照明光束投射到电路板220边缘之外的任何安装结构都是可行的。因此，可以采用其他将照明元件沿边缘安装的方式。
另外，已经描述了二极管被焊接在印刷电路板的边缘上。也可以采用其他方法来固定二极管。例如，二极管可以安装在插座中。
因此，本发明只应由所附权利要求的精神和范围来限定。

Claims (21)

1.一种光学检验系统，具有一照明系统和一检验区域，包括：
a)一支承结构，它由多片印刷电路板组成，且每一印刷电路板均具有导电迹线；
b)多个照明元件，位于平面阵列中，各照明元件均被接通到其中一片印刷电路板的导电迹线，各照明元件与检验区域具有间距，各照明元件倾斜朝向检验区域，其中所述多个照明元件被分成远离所述平面阵列中心的第一部分和靠近所述平面阵列中心的第二部分，所述多个照明元件的第一部分所具有的间距大于所述多个照明元件的第二部分的间距，通过多种电子信号控制所述多个照明元件产生不同的发光模式，从而使得检验区域的照明光强均匀。
2.如权利要求1所述的光学检验系统，其中所述发光模式为使所述第一部分所发射出的光束宽度比所述第二部分所发射出的光束宽度窄。
3.如权利要求1所述的光学检验系统，其中所述发光模式为分别控制各照明元件的光束强度。
4.如权利要求2所述的光学检验系统，其中所述多个照明元件包括可发射不同光束宽度的发光二极管。
5.如权利要求2所述的光学检验系统，其中所述支承结构包括一片具有导电迹线的平面底座印刷电路板，多片相同的、具有导电迹线的、可安装照明元件的印刷电路板，这些相同的印刷电路板均被接通到所述平面底座印刷电路板上。
6.如权利要求2所述的光学检验系统，其中所述支承结构包括一个底座，和多个相同的、安装在底座上并从底座突出的印刷电路板，所述多个印刷电路板垂直地安装在底座上，且各具有多个切割成锯齿状的边缘，并且其中发光元件沿所述边缘安装。
7.如权利要求1所述的光学检验系统，其中所述支承结构包括一个具有平面表面的底座，所述支承结构通过多个分离的连接器将多片分开的印刷电路板连接起来并电连接到平面底座上。
8.如权利要求7所述的光学检验系统，其中所述印刷电路板与底座平面形成不同倾斜角度。
9.如权利要求6所述的光学检验系统，其中所述锯齿状边缘由多个平台构成，其中每个平台相对于底座的角度根据至检验区域的距离而不同，但均使其朝向所述的检验区域。
10.如权利要求1所述的光学检验系统，其中包括：
a)一个具有平面表面的底座，其中具有一个开口；
b)多个印刷电路板元件，具有延伸进入所述开口的第一部分印刷电路板元件和延伸进入所述开口与第一部分不一样远的第二部分印刷电路板元件，从而形成至少一个没有被印刷电路板元件遮挡的开口区域；
c)至少一个摄像机，通过所述没有被印刷电路板元件遮挡的开口区域聚焦在检验区域。
11.如权利要求1所述的光学检验系统，其中所述支承结构包括多个基片，各沿着从所述阵列中心以放射状延伸的直线设置。
12.如权利要求11所述的光学检验系统，其中每个所述基片具有一个不同角度的锯齿状边缘，多个照明元件沿着锯齿状边缘的每个底边安装。
13.如权利要求12所述的光学检验系统，其中所述基片包括印刷电路板，并且照明元件包括固定在该印刷电路板上的发光二极管。
14.如权利要求13所述的光学检验系统，其中各所述照明元件按照不同角度的锯齿状安装而倾斜朝向所述的检验区域。
15.如权利要求1所述的光学检验系统，其中所述照明元件与检验区域之间的间距超过1.8mm。
16.一种光学检验系统，其类型为具有多个聚焦在一检验区域上的摄像机，和一个用于照明该检验区域的照明系统，包括：
a)一个具有平面表面的底座，其上配置有导电迹线，且中间具有一个开口，该开口位于检验区域上方；
b)多个照明元件，设置成一个平行于所述平面的放射状阵列，照明元件发射光束射在所述检验区域上，所述放射状照明元件阵列中具有一个中间开口区域及至少四个紧邻中间开口区域的开口；
c)多个摄像机，朝向所述检验区域，都通过中间开口区域及紧邻的四个开口区域聚焦于所述检验区域同一点，并且可以获取不同角度的影像；
d)各照明元件均被分别接通到印刷电路板的导电迹线上，其中所述多个照明元件被分成远离所述平面阵列中心的第一部分和靠近所述平面阵列中心的第二部分，所述多个照明元件的第一部分所具有的间距大于所述多个照明元件的第二部分的间距，通过多种电子信号控制所述多个照明元件产生不同的发光模式，从而使得检验区域的照明光强均匀。
17.如权利要求16所述的光学检验系统，其中所述发光模式为使所述第一部分所发射出的光束宽度比所述第二部分所发射出的光束宽度窄。
18.如权利要求16所述的光学检验系统，其中所述发光模式为分别控制各照明元件的光束强度。
19.如权利要求16所述的光学检验系统，还包括多个基片，各基片沿着从所述底座中心点发出的射线呈放射状设置，其中多个照明元件的一部分沿着所述射线以子阵列固定在各个基片上。
20.如权利要求19所述的光学检验系统，其中所述照明元件包括发光二极管，所述基片为垂直安装于所述底座的平面表面的电路板，各个基片具有朝向检验区域同一点的锯齿状边缘，发光二极管安装在锯齿状边缘上。
21.如权利要求19所述的光学检验系统，其中各照明元件产生具有束角的光束，所述多个照明元件的第一部分具有比更靠近所述检验区域中心点的多个照明元件的第二部分窄的束角。
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