JP2008518219A - 照明装置および対象物を検出するための光測定システム - Google Patents

Abstract

本発明によって得られるのは、照明面（２５０）に配置された複数の発光素子（１２０ａ，１２０ｂ）を有する照明装置（１００）であり、ここでこれらの発光素子は、照明面（２５０）に対して平行に配向された照明ライン（１４０，２４０）を照明するように取り付けられている。これらの発光素子（１２０ａ，１２０ｂ）は、つぎのように２つのグループに配置される。すなわち、発光素子からなる各グループ（１２０ａないしは１２０ｂ）が光ライン（１３０ａないしは１３０ｂ）に沿って配置され、また２つの光ライン（１３０ａ，１３０ｂ）が、平行にずれされて互い間隔が開けられて照明ライン（１４０，２４０）に平行になるように調整されて配置されるのである。さらに２つの光ライン（１３０ａ，１３０ｂ）は照明ライン（１４０，２４０）に対して対称に配置されているため、２つの光ライン（１３０ａ，１３０ｂ）から送出された光ビームは、異なる入射面において照明ライン（１４０，２４０）に当たる。発光素子（１２０ａ，１２０ｂ）は有利には、送出した光ビームを照明ライン（１４０，２４０）に集束する光学系（１２１）を有しているため、少なくとも近似的に一定であると同時に高い光強度が照明ライン（１４０，２４０）内で可能となる。本発明によってさらに得られるのは、本発明の照明装置（１００）およびラインセンサ（２６１）を有する、対象物を検出するための光学的測定システムである。

Description

本発明は、検出すべき対象物に照明ラインを形成するために、照明面に配置された複数の発光素子を有する照明装置に関する。本発明はさらに、上記の照明装置によって対象物を検出する光学式測定システムに関し、殊に取り付けヘッドの保持装置によって取り上げられた素子を検出する光学式測定システムに関する。

例えばプリント基板または電子装置分野に使用されるその他の取り付け可能な基板を含めた素子支持体の自動取り付けはふつう、いわゆる取り付け自動装置によって行われる。ここでは素子は、取り付けヘッドによって素子供給装置から取り付け位置に搬送され、上記のような素子支持体の予定された素子取り付け箇所に載置される。電子素子はますます小型化しているため、精確な取り付け処理を左右するのは殊に、取り付けヘッドを基準にして、載置すべき素子の位置を精確に測定することである。ふつう素子が機械的な欠陥についても検査される位置測定では、素子の最適な照明は、精確な測定結果のための重要な要因であり、また精確な測定結果そのものは、低い誤り率で精確な取り付けを行うために必須の前提条件である。誤った取り付けは、例えば、載置される素子の端子が、プリント基板の予定された端子面に精確に載っていない場合に発生する。

ふつうは２次元ＣＣＤセンサ（Charged Coupled Device Sensor）を有するカメラによって素子を検出する場合、検出すべき素子の４つのすべての側に対して対称に配置されるライトラインを使用して照明を行う。これらのライトラインはそれぞれ、並んで配置された複数の光源を有する。このようにして素子の比較的均一な照明を得ているのである。

素子を素子供給装置から取り付け位置に搬送するいわゆるピックアンドプレース式の取り付けヘッドを使用する際には、測定のため、取り上げた素子を有する取り付けヘッドをカメラの上で位置決めし、また素子測定に必要な時間の間、この箇所に止まらなければならないという欠点がある。これによって取り付けヘッドの運動が素子測定によって中断されるため、取り付け性能、すなわち、所定時間内に素子供給装置から取り出され、光学的に測定されて相応の取り付け位置に載置される素子の数が相応に少なくなってしまうのである。

取り付け性能が低下するという欠点は、多数の画像ラインを順次に撮影することによって素子を検出するラインカメラを使用することによって回避することができる。ここではラインカメラを基準にして、使用するラインセンサの長手方向に対して垂直な運動方向に沿って素子を移動する。これにより、取り付けヘッドは素子測定のために停止する必要がないため、取り付けヘッドのふつうの移動パスを基準にしてラインセンサを相応に配向すれば、素子の取り上げからこの素子の載置までの時間を相応に短縮することができる。

しかしながらラインカメラの使用には、ふつう正方形をしている従来形の照明装置が適切でないという欠点がある。それはこのような照明装置によってふつうは正方形の面が照明されるため、形成した光の量のうちの高いパーセンテージが利用されないからである。ラインカメラを用いてスピーディに素子を測定するためには画像ライン毎の照明時間を短くしなければならないので、ラインカメラは、十分な照明のために、検出すべき素子が存在する照明ライン内に高い光強度を必要とする。

本発明の課題は、ラインカメラによって高速かつ高い信頼性で対象物が測定できるようにする照明装置を提供することである。本発明の別の課題は、対象物、例えば電子素子を高速かつ高い信頼性で検出する光学式測定システムを提供することである。

上記の第１の課題は、独立請求項１の特徴部分に記載された特徴的構成を有する照明装置、例えば、取り付けヘッドの保持装置によって取り上げられた素子を照明する照明装置によって解決される。本発明によれば、上記の照明装置は、複数の発光素子を有しており、ここでこれらの発光素子は、照明面に配置されており、かつこの照明面に対して平行に配向された照明ラインを照明するように取り付けられている。これらの発光素子は、２つのグループに配置されている。ここで第１発光素子からなる第１グループは、第１光ラインを構成し、第２発光素子からなる第２グループは第２光ラインを構成する。平行にずらされて互い間隔が開けられかつ照明ラインに平行になるように調整されたこれらの２つの光ラインはさらに、照明ラインに対して対称に配置されて、照明ラインに当たる第１発光素子の光ビームが第１入射面にあり、かつ照明ラインに当たる第２発光素子の光ビームが、第１入射面に対して角度がつけられて配向されている第２入射面にあるようにする。

本発明の基礎をなしている知識は、照明ラインの効果的な照明が、２つの光ラインによって得られることであり、ここでこれらの光ラインは、照明ラインに対して平行になるように調整されており、かつこれらの光ラインによって照明ラインがそれぞれ斜めの角度で照明される。本発明において発光素子という用語は、光を送出するために構成された任意の種類の素子のことであると理解されたい。例えば発光素子として発光ダイオードが有利であり、これはコスト的に有利なだけでなく、寿命も長く消費電流も小さい。

請求項２に記載の照明装置の利点は、照明ラインに当たる光強度を最適に適合できることである。これにより、照明ライン内での照明の分布を、例えば測定すべき素子が替わる毎にそれぞれ最適に適合させることができる。これに加えて、例えば個々の発光素子の老朽化によって発生する不均一な照明分布は、比較的弱い発光素子を相応に比較的強く駆動制御することによって変更することができるため、長期にわたって均一な照明分布が保証される。簡単に実現できるのにもかかわらず効果的である駆動制御は、複数の発光素子をそれぞれ共通に駆動制御可能な照明装置によって実現される。

請求項３によれば、上記の発光素子は光導波器の端部によって実現されるため、この発光素子は、測定すべき対象物の極めて近くに近づけることができる。これによって上記の照明装置は、高効率の光強度を形成することも、コンパクトな構造内に実現することも共に可能である。光導波器への照明光の供給は有利には、複数の発光ダイオードを有するアセンブリと、相応する個数の光導波器とを組み合わせることによって行われる。

請求項４に記載の照明装置の利点は、照明ラインの外部領域にわずかな光強度しか配向されないかまたは光強度はまったく配向されないため、形成された照明光は照明ラインを照明するのに最適に利用されることである。さらに、相応に適合させた光学系を使用することにより、照明ライン内に少なくとも近似的に一定な光強度の分布が実現できるという利点が得られる。

請求項５に記載のようにロッドレンズを使用することの利点は、複数のロッドレンズを有する相応のレンズ系をコンパクトに構成することができ、またロッドレンズ装置の取り扱いおよび調整が簡単になることである。光導波器の使用に関連してロッドレンズが有利であるのは、２つ以上の光導波器をただ１つのロッドに光結合でき、これによってこのロッドレンズが２つ以上の光導波器に対する共通の光学系をなし、ひいては照明装置の構造をさらにコンパクトにできることである。

請求項６に記載されたテレセントリック光学系を使用することの利点は、結果的に得られる照明強度が、使用するラインカメラの極めて広い焦点深度範囲内で十分に一定であり、これによって殊に信頼性の高い対象物の測定を可能する照明が得られることである。光出射面を相応に形成することによって、上記のテレセントリック光学系を光導波器またはロッドレンズに組み込むことができる。テレセントリック光学系を使用する際の別の利点は、照明ライン内に極めて均一な光分布が得られることである。

請求項７によれば、前記の第１入射面および第２入射面が挟む角度は、１１０°〜１６０°、有利には１２５°〜１４５°またさらに有利には１３５°である。この照明装置により、検出すべき対象物が緩い角度で照明されるため、ラインカメラが照明ラインのすぐ上に配置される場合に暗視野照明が実現される。この暗視野照明により、有利にも反射が十分になくなって、測定すべき対象物を検出することができる。

請求項８に記載された照明装置により、各入射面内で種々異なる照明方向から均一に照明することができる。これによって、殊に平坦な素子の端子ボール、いわゆるボールグリッドアレイを高い精度で測定できる。それは、これらの端子ボールの輪郭が、種々異なる複数の方向から照明されるからである。

請求項９によれば、異なる下位グループに割り当てられた発光素子（１２０ａないしは１２０ｂ）の光ビームの、照明ライン（１４０）を含む対物面（２６５）への投影は、６５°〜１１５°、有利には８０°〜１００°さらに有利には９０°の角度を挟む。この照明装置の利点は、照明ラインを平行に配置することによって発生する照明の照明分布における非対称性が、大きく弱められ、殊に９０°の角度では完全に取り除かれることである。

請求項１０に記載された照明装置では、発光素子を照明ラインの極めて近くに近づけることできるため、極めて高い照明強度を達成することができる。

本発明の第２の課題は、独立請求項１１の特徴部分に記載された特徴的構成を有する、対象物、例えば、取り付けヘッドの保持装置によって取り上げた素子を検出する光学式測定システムによって解決される。本発明の光学式測定システムは、請求項１から１０までのいずれか１項に記載の照明装置の他にラインセンサを有しており、このラインセンサを使用して、照明ラインによって明るくされた対象物の部分を検出することができる。この光学式測定システムは、ラインセンサに最適化された照明により、検出すべき対象物を高速に順次に撮影することができ、この際に対象物とラインセンサとの間でラインセンサの長手方向に対して垂直な方向に相対運動することによって順次に複数の画像ラインを撮影することができる。撮影した画像ラインは、評価ユニットにおいて対象物の全体画像にまとめられ、またこの画像を有利な画像処理によって公知のように処理することができる。

本発明の別の利点および特徴は、以下に示した現時点での有利な実施形態について例示的な説明から得られる。

図面において
図１には照明装置の平面図が略示されており、ここでは照明に使用される発光素子は、光導波器端面によって実現されており、
図２には、図１に示した照明装置の側面図が略示されており、
図３には、２つの光導波器に光結合されたロッドレンズによる２つの発光素子のコンパクトな実現が略示されている。

ここで注意したいのは、図面において互いに相応するコンポーネントの参照符号は、最初の数字だけが異なることである。

図１からわかるように照明装置１００には複数の発光ダイオード１１０が含まれており、これらはそれぞれ光導波器１１５に光結合されている。これらの発光ダイオード１１０は２つのグループ、すなわち第１グループ１１１ａと第２グループ１１１ｂとに分けられている。光導波器１１５の端面が１つずつの発光素子である。これらの発光素子は、発光ダイオード１１０の分け方に相応して同様に２つのグループに、すなわち第１発光素子のグループ１２０ａと第２発光素子のグループ１２０ｂとに分けられる。光導波器１１５の光送出端面はカーブが付けられており、これによってこれらの端面は、集束性を有する１つずつの光学系１２１になる。これらの光学系１２１は、テレセントリックな幾何学形状を有することができるため、極めて大きな焦点深度で集束が可能である。第１発光素子１２０ａである光導波器端面は、直線に沿って配置されており、これによって第１光ライン１３０ａを構成する。相応することが第２発光素子１２０ｂにも当てはまり、これらの発光素子は、第１光ライン１３０ａに対して平行に延びる第２光ライン１３０ｂを構成する。２つの光ライン１３０ａないしは１３０ｂの発光素子１２０ａないしは１２０ｂは照明光を放射し、ここでこの照明光により、図１に示していない対象物の表面が照明ライン１４０内で照明される。２つの光ライン１３０ａないしは１３０ｂから送出された光ビームはそれぞれ１入射面に延在しており、ここでこの入射面は、照明ライン１４０の長手軸によって、また第１光セル１３０ａによってないしは第２光セル１３０ｂによって決定される。これにより、図１に示していない対象物面の照明が緩い角度で実現される。この浅い照明は、図２に示された光学式測定システム１０１の側面図からわかり、この測定システムは照明装置１００を有する。

図２からわかるように、２つの光ラインに沿って配置される発光素子２２０ａないしは２２０ｂは照明面２５０にあり、ここでこの照明面２５０は、ラインカメラ２６０の対物面２６５の上にある。ラインカメラ２６０は、ラインセンサ２６１および結像光学系２６２を有する。対象物２６７の表面を検出するために、この対象物２６７を位置決めして、この対象物２６７の表面が、対物面２６５にあるようにする。対象物２６７の照明は、照明ライン２４０内で行われる。発光ダイオード２１０によって形成される照明光は、光導波２１５を介して照明ライン２４０の近くにガイドされる。ここでこの光導波器２１５の端面は、第１発光素子２２０ａないしは第２発光素子２２０ｂになる。発光素子２２０ａないしは２２０ｂから送出される照明光は、光導波器端面を相応に加工してこの光導波器端面が付加的に集束的な光学系２２１でもあるようにすることによって曲げられる。これらの光学系によって、照明ライン２４０に照明光が集束されるため、発光ダイオード２１０によって形成されたほぼすべての光強度が照明ライン２４０に当たる。

対象物表面を測定するため、対象物２６７は、図示の両向き矢印に沿って移動され、この際にラインカメラ２６０によって、ほとんど１次元の多数の画像が順次に撮影される。これらの画像は、公知のように対象物２６７の表面の全体画像に組み合わせることができる。

第１には第１発光素子２２０ａないしは第２発光素子２２０ｂと、照明ライン２４０との間の水平方向の間隔に依存し、また第２には照明面２５０と対物面２６５との間の垂直方向の間隔に依存する緩い照明角度で対象物２６７の表面を照明することの利点は、光導波器端面によって実現される発光素子２２０ａないしは２２０ｂを、対象物２６７の測定すべき表面の近くに近づけられることである。

これによって、照明ライン２４０内に殊に高い光強度を形成することができる。このような高い光強度の利点は、ライン画像を撮影するための照明時間を短く維持でき、ひいては対象物面の全体的な測定に要する時間を短く維持できることである。

上記のような緩い角度での照明の別の利点は、精確な対象物測定に有利な暗視野照明が実現されることである。

ここで注意したいのは、２つ以上の入射面を設けることも可能なため、必要に応じて相異なる斜めの照明が実現できることである。例えば、カメラ２６０の光軸に対してそれぞれ対称に配置された３組の光ラインを設けることができ、これらの光ラインの入射面は、６０°，１２０°および１６０°の１つずつの角度を挟む。また可動に配置される光ラインを使用することができるため、２つの入射面によって挟まれる角度は広い角度範囲内で変化することができる。

さらに図１からわかるように、発光ダイオード１１１ａないしは１１１ｂの２つのグループはそれぞれ２つの下位グループ、すなわち１１１ａａおよび１１１ａｂないしは１１１ｂａおよび１１１ｂｂに分けられる。１入射面内では、異なる下位グループに所属する所定の発光ダイオード１１０に光導波器１１５を介して割り当てられた発光素子により、各入射面内で異なる２つの方向から行われる照明が得られる。このことの利点は、例えば、いわゆるボールグリッドアレイと称される端子ボールを高い精度で測定できることである。それは、これらの端子ボールの輪郭が、相異なる複数の方向から照明されるからである。別の利点は、照明の非対称性が低減され、また殊に相異なる２つの入射方向間の角度が約９０°である場合、ほぼ完全になくなってしまうことである。

ここで指摘したいのは、発光ダイオード１１０を２つよりも多くの下位グループにも分けられることである。ここでこれらのグループにより、相応に配置されかつ配向された発光素子を介して、１入射面内で２つよりも多くの入射方向から、照明ラインに当たる照明光が放射される。

図３には、２つの光導波器３１５および３１５ｂに光結合されているロッドレンズ３７０を用いた２つの発光素子の有利な実施形態が示されている。光導波器３１５ａおよび３１５ｂにより、照明光は、ロッドレンズ３７０の出射面３７１の近くまで導かれる。２つの光導波器３１５ａおよび３１５ｂの端部から出射する光ビーム３７５ａないしは３７５ｂは、光境界面である出射面３７１において、スネルの屈折法則に相応して屈折するため、光ビーム３７５ａないしは３７５ｂにより、照明ライン１４０は別々の照明方向から照明される。光ビーム３７５ａと３７５ｂとによって挟まれる角度は、出射面３７１の曲率によって、ロッドレンズ３７０の材料の屈折率によって、および平行に配置された光導波器３１５ａと３１５ｂのロッドレンズ３７０内での間隔によって決定される。１つのロッドレンズ３７０を用いて２つの発光素子を実現することの利点は、これらの発光素子を照明ライン１４０の極めて近くに配置することができ、ひいてはコンパクトな光学的構造内で高い照明強度を実現できることである。ここで出射面３７１は、２つの発光素子に対する共通の光学系として使用される。

相異なる２つの下位グループに割り当てられた光導波器とロッドレンズとを結合することの利点は、入射面毎にロッドレンズからなる１グループしか必要ないことである。ロッドレンズからなるこのようなグループは、ワンピースで形成することができる。これによって、照明装置を殊にコンパクトな構造内に実現し、また発光素子を照明ラインの近くに近づけることができる。ワンピースで形成したマルチロッドレンズを使用することはつぎのような場合にも有利である。すなわち、コンパクトな構造内にそれぞれ２つよりも多くの発光ダイオードからなる下位グループを設けて、１入射面内で１方向よりも多くの方向から照明ラインを照明する場合にも有利である。

照明に使用される発光素子が光導波器端面によって実現されている本発明の照明装置の概略平面図である。 図１に示した照明装置の概略側面図である。 ２つの光導波器に光結合されたロッドレンズによる２つの発光素子のコンパクトな実現を示す概略図である。

符号の説明

１００ 照明装置、 １１０ 発光ダイオード、 １１１ａ 発光ダイオードの第１グループ、 １１１ｂ 発光ダイオードの第２グループ、 １１１ａａ 第１下位グループ、 １１１ａｂ 第２下位グループ、 １１１ｂａ 第１下位グループ、 １１１ｂｂ 第２下位グループ、 １１５ 光導波器、 １２０ａ 第１発光素子／光導波器端面、 １２０ｂ 第２発光素子／光導波器端面、 １２１ （光導波器と一体化されている）光学系、 １３０ａ 第１光ライン、 １３０ｂ 第２光ライン、 １４０ 照明ライン、 ２０１ 光学式測定システム、 ２１０ 発光ダイオード、 ２１５ 光導波器、 ２２０ａ 第１発光素子／光導波器端面、 ２２０ｂ 第２発光素子／光導波器端面、 ２２１ （光導波器と一体化されている）光学系、 ２４０ 照明ライン、 ２５０ 照明面、 ２６０ ラインカメラ、 ２６１ ラインセンサ、 ２６２ 結像光学系、 ２６５ 対物面、 ２６７ 対象物、 ３１５ａ 光導波器、 ３１５ｂ 光導波器、 ３７０ ロッドレンズ、 ３７１ 出射面、 ３７５ａ 光ビーム、 ３７５ｂ 光ビーム

Claims (11)

1. 例えば取り付けヘッドの保持装置によって取り上げられた素子を照明するための照明装置において、
   該照明装置は、照明面（２５０）に配置される複数の発光素子（１２０ａ，１２０ｂ，２２０ａ，２２０ｂ）を有しており、
   該発光素子は、照明面（２５０）に平行に配向された照明ライン（１４０，２４０）を照明するように取り付けられており、
   該発光素子（（１２０ａ，１２０ｂ，２２０ａ，２２０ｂ）は２つのグループに配置されており、
   − 第１発光素子（１２０ａ，２２０ａ）からなる第１グループは第１光ライン（１３０ａ）に沿って、また第２発光素子（１２０ｂ，２２０ｂ）からなる第２グループは第２光ライン（１３０ｂ）に沿って配置されており、
   − 前記の２つの光ライン（１３０ａ，１３０ｂ）は、平行にずらされて互いに間隔が開けられかつ前記照明ライン（１４０，２４０）に平行になるように調整されており、
   − 前記の２つの光ライン（１３０ａ，１３０ｂ）は照明ライン（１４０，２４０）に対して対称に配置されており、これによって照明ライン（１４０，２４０）に当たる第１発光素子（１２０ａ，２２０ａ）の光ビームは第１入射面に、また照明ライン（１４０，２４０）に当たる第２発光素子（１２０ｂ，２２０ｂ）の光ビームは第２入射面にあるようにしたことを特徴とする
   照明装置。
2. 前記の発光素子（１２０ａ，１２０ｂ，２２０ａ，２２０ｂ）のうちの少なくともいくつかは個別に駆動制御可能である、
   請求項１に記載の照明装置。
3. １つずつの発光素子（１２０ａ，１２０ｂ，２２０ａ，２２０ｂ）は、光導波器（１１５，２１５）の端面である、
   請求項１または２に記載の照明装置。
4. 前記の発光素子（１２０ａ，１２０ｂ，２２０ａ，２２０ｂ）は、送出する光ビームを照明ライン（１４０，２４０）に集束する１つずつの光学系（１２１，２２１）を有する、
   請求項１から３までのいずれか１項に記載の照明装置。
5. 前記光学系（１２１，２２１）はロッドレンズ（３７０）である、
   請求項４に記載の照明装置。
6. 前記光学系（１２１，２２１）は、テレセントリック光学系である、
   請求項４または５に記載の照明装置。
7. 前記の第１入射面および第２入射面が挟む角度は、１１０°〜１６０°、有利には１２５°〜１４５°またさらに有利には１３５°である、
   請求項１から６までのいずれか１項に記載の照明装置。
8. 発光素子（１２０ａないしは１２０ｂ）からなる各グループは、発光素子からなる少なくとも１つの第１下位グループおよび第２グループを有しており、
   異なる下位グループに割り当てられた発光素子により、異なる方向から照明ライン（１４０）が照明される、
   請求項１から７までのいずれか１項に記載の照明装置。
9. 異なる下位グループに割り当てられた発光素子（１２０ａないしは１２０ｂ）の光ビームの、照明ライン（１４０）を含む対物面（２６５）への投影は、６５°〜１１５°、有利には８０°〜１００°さらに有利には９０°の角度を挟む、
   請求項８に記載の照明装置。
10. 前記の第１下位グループの発光素子および第２下位グループの発光素子はそれぞれただ１つのロッドレンズ（３７０）によって実現されており、
    該ロッドレンズは、光導波器（３１５ａおよび３１５ｂ）に光結合されており、これによって別の光導波器（３１５ａおよび３１５ｂ）を介してロッドレンズ（３７０）に入力結合される照明光により、照明ライン（４０）が異なる照明方向から照明される、
    請求項８または９に記載の照明装置。
11. 例えば取り付けヘッドの保持装置によって取り上げられた素子である対象物を検出する光学式測定システムにおいて、
    該システムは、
    − 請求項１から１０までのいずれか１項に記載の照明装置（１００）と、
    − ラインセンサ（２６１）とを有しており、
    前記の照明装置（１００）を基準にして該ラインセンサを配置して、前記の照明ライン（１４０，２４０）に位置する対象物（２６７）の１部分が検出可能であるようにしたことを特徴とする、
    光学式測定システム。

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