KR20040007669A - 광학 센서 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 인쇄회로판 상에 위치한 마킹을 이용하여 인쇄회로판의 위치를 정밀하게 검출하기 위한 광학 센서 장치에 관한 것이다. 상기 광학 센서 장치는 광 검출기, 이미징 렌즈 시스템, 빔 스플리터 및 세 개의 상이한 조명 유닛을 포함하며, 상기 조명 유닛은 상이한 스펙트럼 색과 상이한 조명 각도를 이용하여 검출될 기판을 조명한다. 기판과 상기 기판 상에 배치된 마킹의 다수의 상이한 재료를 위한 조명 파라미터의 자동적인 최적화가 개별 조명 유닛을 제어하는 제어 유닛을 이용하여 개별 센서 장치에서 조명 스펙트럼과 조명 각도의 다양한 조합을 통합함으로써 수행된다.

Description

광학 센서 장치{OPTICAL SENSOR DEVICE}

자동 픽 앤 플레이스 장치(pick and place machine)와 같이 알려진 장치의 특정 표면 장착 소자-SMD- 부품과 같은 부품을 갖는 인쇄회로판 또는 세라믹 기판의 자동 조립에 있어서, 조립전에 장착될 기판의 위치는 위치 검출 장치를 이용하여 검출된다. 부품이라는 용어는 예컨대 스크린 플레이트와 같은 전자, 전기기계 또는 기계적인 부품으로 조립될 수 있는 임의의 대상물을 포함하는 것으로 이하에서 사용된다. 일반적으로 위치는 예컨대 CCD 카메라와 같은 카메라 및 조명 장치를 포함하는 비젼 시스템을 이용하여 검출된다. 비젼 시스템은 위치 검출뿐만 아니라 품질 관리에도 사용된다. 이에 의해 예컨대 컨베이어 벨트 상에 있는 가공되지 않은(intact) 기판인 결함 기판이 식별되고 자동화 픽 앤 플레이스 처리로부터 제거될 수 있다.

기판에 제공된 중앙 마킹은 기판의 위치를 검출하는데 사용된다. 기판에 제공된 거부 마킹은 결함 기판을 식별하는데 사용되어, 이러한 결함 기판이 품질 관리동안 식별될 수 있고 픽앤플레이스 처리로부터 제거될 수 있게 한다. 예컨대 세라믹, 플라스틱, 경질 종이, 플라스틱 코팅판 및/또는 에폭시/유리 섬유 복합물과 같은 상이한 재료는 조립될 수 있는 기판으로서 사용된다. 그러나 플라스틱 필름이 기판으로서 사용될 수 있으며 이는 가요성 물질이기 때문에 휘어지거나 접혀질 수도 있다. 또한 기판 제조자는 예컨대 투명하거나 투명하지 않은 금속 또는 금속 산화물 및/또는 플라스틱 또는 에나멜 커버와 같은 마킹을 위한 상이한 재료를 사용한다. 또한 기판 내에 형성된 홀이 종종 마킹으로서 사용된다.

조립 가능한 기판을 특정하는 제조자는 일반적으로 전기적인 특성만을 관련시키지만 광학 특성은 관련시키지 않고 제조한다. 기판과 마킹에 사용된 상이한 재료의 광학 특성은 일반적으로 매우 중요하다. 이것은 제공된 마킹과 기판 배경 사이의 조명에 의해 생성된 대조가 크게 변동한다는 것을 의미한다. 따라서 기판에 대한 조명은 기판에 제공된 마킹이 기판 배경과 비교하여 가능한 가장 크게 대조되어 보일 수 있도록 선택되어야 한다.

이를 위해, 하나 또는 다수의 광 소스, 무광택 파티션 및 미러를 포함하는 조명 시스템이 US 5 469 294호에 개시되어 있다. 조명 시스템은 반도체 웨이퍼와 같은 기판 상에 마킹을 조명하는데 사용되어, 마킹이 기판에 평행한 방향으로 또는 소정의 각도로 향하는 카메라에 의해 검출될 수 있다. 광 소스는 LED 및 광역 스펙트럼 방출 램프를 포함한다. 암시야 조명(조명이 카메라의 광학축과 평행하다)과 명시야 조명(조명이 카메라의 광학축에 수직이다)이 어두운 배경 상의 밝은 마킹과 밝은 배경 상의 어두운 마킹을 더 잘 식별하기 위해 제공된다. 광 제어 유닛은 광 세기를 수동 또는 자동으로 제어할 수 있다.

각각이 서로 상이한 스펙트럼 범위에서 발광하는 다수의 조명 유닛을 포함하는 조명 장치가 WO 99/20093호에 개시되어 있다. 조명 유닛의 세기는 개별적으로 변할 수 있다. 이것은 가변적인 스펙트럼 분포를 갖는 조명을 얻을 수 있게 하며, 상이한 재료가 중앙 마킹과 인쇄회로판 모두에 사용될 때 적절한 대조를 보장한다.

종래의 조명 장치는 조명 스펙트럼과 조명 각도를 특정하게 조합하는 특징을 갖는다. 각각의 개별적인 경우에 사용된 조명은 특정 기판에 대한 다수의 가능한 조명 스펙트럼과 조명 각도가 특정하게 선택되고, 따라서 선택은 기판의 재료, 코팅된 재료 및 기판에 제공된 마킹의 재료와 고유특성에 기초하여 이루어진다. 그러므로, 조작자는 조립될 기판이 바뀔 때 조명을 바꾸거나 및/또는 수동으로 재구성하여, 기판과 기판에 제공된 마킹에 대한 재료의 새로운 조합이 기판 배경과 마킹 사이에서 가능한 가장 크게 대조되도록 해야 한다.

본 발명은 예컨대 인쇄회로판 또는 기판과 같은 대상물이 상기 대상물에 제공된 마킹을 이용하여 검출될 수 있고 상기 대상물의 공간적인 위치가 정밀하게 결정될 수 있는 광학 센서 장치에 관한 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 바람직한 실시예에 대한 광학 센서 장치를 도시한다.

따라서 본 발명의 목적은 기판 재료와 기판에 제공된 마킹 재료의 다수의 상이한 조합에 대한 적절한 조합이 기판을 신뢰성있게 광학적으로 검출할 수 있도록 보장하고 이로 인해 기판 및/또는 마킹 재료가 바뀔 때 센서 장치의 수동 조절이 필요치 않은 광학 센서 장치를 제조하는 것이다.

상기 목적은 본 발명에 따라 광 검출기, 상기 광 검출기 상으로 검출된 대상물의 측정 필드를 매핑하는 이미징 렌즈 시스템 및 상기 광 검출기와 상기 측정 필드 사이의 광학축 상에서 광학축에 대해 소정의 각도로 배치된 빔 스플리터를 포함하고, 상기 광 검출기가 상기 이미징 렌즈 시스템의 광학축 상에 배치된, 광학 센서 장치에 의해 얻어진다. 또한 상기 광학 센서 장치는 상기 측정 필드를 비스듬한 각도로 조명하는 제 1 조명 유닛, 상기 빔 스플리터에서 반사된 후에 상기 광학축에 평행하게 상기 측정 필드를 조명하는 제 2 조명 유닛 및 상기 광학축에 대략 평행하게 상기 측정 필드를 조명하는 제 3 조명 유닛을 포함하며, 상기 세 개의 조명 유닛 중 적어도 하나의 유닛은 서로 상이한 스펙트럼 범위에서 방출하는 적어도 두 개의 광 엘리먼트를 포함한다.

본 발명의 두 개의 바람직한 실시예에 따라서, 세 개의 조명 유닛중 적어도 두 개의 조명 유닛은, 특히 제 2 조명 유닛과 제 3 조명 유닛은 서로 상이한 스펙트럼 범위에서 방출하는 적어도 두 개의 광 엘리먼트를 포함한다. 따라서 본 발명에 따른 광학 센서 장치는 광학 센서 장치가 동작하기 전에 수행되어야 할 조명 스펙트럼과 조명 각도의 초기 조절은 별 문제로 하고 광학 센서 장치의 기계적인 재구성 또는 다른 조절이 추가로 필요하지 않다는 장점을 가진다.

본 발명의 추가의 실시예에 따라서, 광 검출기로서 CCD 카메라 또는 CMOS 카메라가 사용된다. 이것은 상업적으로 이용가능한 CCD 또는 CMOS 칩이 광 검출기로서 유용하게 사용될 수 있어, 본 발명에 따른 센서 장치가 낮은 비용으로 제조될 수 있다는 것을 의미한다.

본 발명의 추가의 실시예에 따라서, 확산기는 제 1 조명 유닛과 제 2 조명 유닛 사이, 또는 제 2 조명 유닛과 빔 스플리터 사이, 및/또는 제 3 조명 유닛과 측정 필드 사이에 배치된다. 본 발명에 따른 확산기의 사용은 원치않는 반사의 광세기가 감소되고 광 검출기에 의해 검출된 대조가 증가할 수 있다는 장점을 갖는다.

본 발명의 추가의 바람직한 실시예에 따라서, 제 1 조명 유닛은 청색 스펙트럼 범위에서 방출하는 광 소스를 포함한다. 본 발명에 따라 측정 필드를 청색 광으로 비스듬하게 조명하는 것은 예컨대 세라믹 기판과 같은 밝은 배경 상의 금속 반사 마크가 광 검출기에 의해 높은 레벨로 대조되면서 검출될 수 있다는 장점을 갖는다.

본 발명의 두 개의 추가 실시예에 따라서, 제 2 조명 유닛 및/또는 제 3 조명 유닛은 백색 광을 방출하는 광 소스 및 적외선 스펙트럼 범위에서 방출하는 광 소스를 포함한다. 이들 실시예는 특히 주석-도금된 마킹이 백색 조명에 의해 예리한 각도의 조사에서 신뢰가능하게 검출될 수 있다는 장점을 갖는다. 주석-도금된 마킹은 매우 자주 사용되기 때문에, 측정될 기판을 바람직하게 방산된 광으로서 예리한 각도에서 가격하는(strike) 백색 광은 광학 센서 장치에서 가장 자주 사용되는 표준 조명을 나타낸다. 만약 해당 기판에 제공된 마킹이 예컨대 땜납 레지스트에 의해 코팅되었다면, 측정될 기판을 예리한 각도에서 가격하는 적외선 조명이 매우 적절하다. 또한 측정될 기판을 예리한 각도에서 가격하는 적외선 광이 방산된 광으로서 기판을 가격한다면, 코팅된 마킹의 검출이 개선된다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따라서, 광 소스중 적어도 하나는 LED가 사용된다. 다른 광 소스와 비교하여 LED는 한편으로는 매우 경제적이고 다른 한편으로는 긴 수명과 낮은 레벨의 전기 에너지 소모를 갖는다는 장점을 갖는다.

본 발명의 추가의 실시예에서, 센서 장치는 또한 광 소스가 연결된 제어 장치를 포함하는데, 이러한 제어 장치에 의해 개별 광 소스는 서로 독립적으로 활성화될 수 있다. 이것은 개별 광 소스에 의해 방출된 복사선의 시간에 대한 세기와 패턴 모두가 개별적으로 검출될 수 있고 따라서 최적의 조명이 기판 재료와 기판에 제공된 마킹 재료의 상이한 조합에 대해 얻어질 수 있다는 장점을 갖는다.

본 발명의 추가의 개선예에 따라서, 제어 장치는 상이한 타입의 조명에 대해 상이한 광 소스 활성화 동작을 결정하는 다수의 파라미터를 저장하기 위한 파라미터 저장 장치를 포함한다. 이것은 적절한 조명을 위한 파라미터가 기판 재료와 마킹에 사용된 재료의 다수의 상이한 조합에 대해 저장될 수 있고 기판 재료와 마킹 재료의 재료 조합이 바뀌는 경우에 적절한 조명이 새로운 재료 조합에 대해 빠르고 신뢰성있게 설정될 수 있다는 것을 의미한다.

요약하면, 단일 센서 장치 내에서 조명 스펙트럼과 조명 각도의 상이한 조합을 통합하고(integrate) 개별 조명 유닛을 활성화시키는 제어 유닛을 이용하여 기판과 기판에 제공된 마킹의 다수의 상이한 재료에 대한 조명 파라미터가 자동적으로 최적화될 수 있도록 결정될 수 있다.

본 발명의 추가의 장점과 특징은 현재의 통상적인 바람직한 실시예의 하기 설명으로부터 나타날 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 광학 센서 장치(100)를 도시한다. 센서 장치(100)는 광 검출기(101), 이미징 렌즈 시스템(102), 빔 스플리터(103), 제 1 조명 유닛(110), 제 2 조명 유닛(120) 및 제 3 조명 유닛(130)을 포함한다. 광학 센서 장치(100)는 본 발명에 따라서 인쇄회로판(140)의 표면(141)을 검출하는데 사용된다. 인쇄회로판(140)의 위치를 결정하는데 사용되는 마킹(도시 안됨)은 인쇄회로판(140)의 표면(141) 상에 있다. 일반적으로 인쇄회로판(140)은 인쇄회로판(140)의 하부(142)가 컨베이어 벨트(도시 안됨) 상에 놓여 있다. 인쇄회로판(140), 빔 스플리터(103), 이미징 렌즈 시스템(102) 및 광 검출기(101)는 이미징 렌즈 시스템(102)의 광학축(도시 안됨) 상에 배치되어 있다. 또한 중앙 격벽(105)은 여기서 개시된 본 발명의 일 실시예에 따라 CCD 칩 또는 CMOS 카메라인 광 검출기(101)와 이미징 렌즈 시스템(102) 사이에 배치되어 있다. 측정될 인쇄회로판(140)은 이미징 렌즈 시스템(102)의 대상물 측부 상에 위치한다. 따라서 광 검출기(101)는 이미징 렌즈 시스템(102)의 이미지 측부 상에 위치한다. 인쇄회로판(140)의 표면(141)과 이미징 렌즈 시스템(102)의 사이 및 이미징 렌즈 시스템(102)과 광 검출기(101) 사이의 거리는 인쇄회로판(140)의 표면(141)중 일부 영역을 검출하는 측정 필드(도시 안됨)가 이미징 렌즈 시스템(102)에 의해 광 검출기(101) 상으로 매핑되도록 선택된다.

세 개의 조명 유닛(110,120,130)의 기능은 측정 필드(도시 안됨) 내에 위치하는 인쇄회로판(140)의 표면(141) 상에 있는 구조물이 광 검출기(101)에 의해 가능한 가장 크게 대조되어 검출될 수 있는 방식으로 이미징 렌즈 시스템(102)을 이용하여 광 검출기(101)에 의해 검출된 측정 필드를 조명하는 것이다. 가능한 가장 크게 대조되는 검출을 얻기 위하여, 측정 필드는 상이한 조명 각도를 사용하여 조명된다.

측정 필드는 두 개의 LED(111,111')를 포함하는 제 1 조명 유닛(110)을 이용하여 이미징 렌즈 시스템(102)의 광학축에 대해 비스듬한 각도로 조명된다. 여기 개시된 본 발명의 실시예에 따라서, 두 개의 LED(111,111')는 청색 스펙트럼 범위에서 광을 방출한다. 청색 광을 사용한 비스듬한 조명은 예컨대 세라믹 기판과 같은 밝은 배경 상의 금속 반사 마킹이 센서 장치(100)에 의해 신뢰가능하게 검출될 수 있다는 것을 의미한다. 백색 광을 방출하는 LED(121)와 적외선 광을 방출하는 LED(122)를 포함하는 제 2 조명 유닛(120)은 이미징 렌즈 시스템(102)의 광학축에 대략 평행하게 센서 장치(100)의 측정 필드를 조명하는데 사용된다. 이미징 렌즈 시스템(102)의 광학축에 대략 평행하게 측정 필드를 조명하는 것은 두 개의 LED(121,122)에 의해 방출된 광이 적어도 부분적으로 빔 스플리터(103)에서 반사되고 그 결과 측정 필드가 이미징 렌즈 시스템(102)의 광학축에 대략 평행하게 조명되는 방식으로 이루어진다. 두 개의 LED(121,122)와 빔 스플리터(103) 사이에 배치된 확산기(107)는 이미징 렌즈 시스템(102)을 경유하여 광 검출기(101)에 의해 검출된 측정 필드가 균일한 방식으로, 즉 측정 필드의 표면에 대해 일정한 광 세기를 가지면서 조명되는 것을 보장한다. 또한 인쇄회로판(140)의 표면(141) 상의 측정 필드는 이미징 렌즈 시스템(102)의 광학축에 대략 평행하게 제 3 조명 유닛(130)에 의해 조명된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 제 3 조명 유닛(130)은 모두 여섯 개의 LED(131,132,133,131',132',133')를 포함한다. 여기에 개시된 본 발명의 바람직한 실시예에 따라서, LED(131,132,131',132')는 백색 광을 방출하고 LED(133,133')는 적외선 광을 방출한다. 일단 가능한 측정 필드의 가장 균일한 조명을 다시 얻기 위하여, 확산기(106)는 LED(131,132,133)과 측정 필드 사이 및 LED(131',132',133')와 측정 필드 사이에 배치된다. 도 1에서 개략적으로 도시된 하우징(104)은 센서 장치(100)에 사용된 광학 부품, 즉 광 검출기(101), 이미징 렌즈 시스템(102), 빔 스플리터(103), 중앙 격벽(105), 확산기(106,107) 및 세 개의 조명 유닛(110,120,130)을 부착시키는데 사용된다. 제 2 조명 유닛(120) 및 제 3 조명 유닛(130)에 의한 측정 필드의 적외선 조명은 예컨대 땜납 레지스트로 커버링된 마킹과 같은 코팅된 마킹이 높은 레벨로 대조되면서 신뢰가능하게 검출될 때 매우 중요하다.

커버링된 마킹에 있어서, 일반적으로 마킹을 커버링하는 재료는 가시광보다 적외선 광에 대해 비교적 높이 투과되기 때문에, 더 양호한 대조율은 짧은 파장을 갖는 조명보다 적외선 조명에 의해 얻어진다. 마킹 커버링 재료의 투과 능력과 사용된 CCD 센서의 감도 사이의 절충에 따라서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광은 대략 880nm 의 중심 파장 주위의 스펙트럼 범위 내에서 사용된다.

제 2 조명 유닛(120)과 제 3 조명 유닛(130) 각각은 LED(121,122), LED(131,132,133) 및 LED(131',132',133') 각각이 플레이트 상에 배치되도록 설정된다. 이러한 공통된 배치에도 불구하고, 모든 LED(121,122,131,132,133,131',132',133')는 제어 장치(도시 안됨)에 의해 개별적으로 활성화될 수 있다. 이것은 추가로 대조가 인쇄회로판과 인쇄회로판 마킹의 재료에 따라 밝은 필드 섹션의 특정한 매스킹에 의해 개선될 수 있다는 것을 의미한다.

본 발명은 도 1을 참조하여 설명된 실시예에 제한되지 않는다. 예컨대, LED의 수는 세 개의 조명 유닛(110,120,130)의 각각에 대해 임의로 사용될 수 있으며, 개별 LED는 임의의 스펙트럼 범위에서 발광할 수 있다.

Claims (13)

1. 인쇄회로판에 제공된 마킹을 사용하여 상기 인쇄회로판의 위치를 정밀하게 검출하기 위한 광학 센서 장치로서:

   광 검출기;

   검출될 대상물의 측정 필드를 상기 광 검출기 상으로 매핑하는 이미징 렌즈 시스템;

   - 상기 광 검출기는 상기 이미징 렌즈 시스템의 광학축 상에 배치됨 -

   상기 광 검출기와 상기 측정 필드 사이의 광학축 상에서 상기 광학축에 대해 소정의 각도로 배치된 빔 스플리터;

   상기 측정 필드를 비스듬한 각도로 조명하는 제 1 조명 유닛;

   상기 빔 스플리터에서 반사된 후에 상기 광학축에 실질적으로 평행하게 상기 측정 필드를 조명하는 제 2 조명 유닛; 및

   상기 광학축에 대략적으로 평행하게 상기 측정 필드를 조명하는 제 3 조명 유닛을 포함하며,

   상기 세 개의 조명 유닛중 적어도 하나는 서로 상이한 스펙트럼 범위에서 발광하는 적어도 두 개의 광 엘리먼트를 포함하는 광학 센서 장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 세 개의 조명 유닛중 적어도 두 개는 서로 상이한 스펙트럼 범위에서 발광하는 적어도 두 개의 광 엘리먼트를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 센서 장치.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 조명 유닛 및 상기 제 3 조명 유닛은 서로 상이한 스펙트럼 범위에서 발광하는 적어도 두 개의 광 엘리먼트를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 센서 장치.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광 검출기는 CCD 카메라 또는 CMOS 카메라인 것을 특징으로 하는 광학 센서 장치.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 확산기는 상기 제 1 조명 유닛과 상기 측정 필드 사이에 배치된 것을 특징으로 하는 광학 센서 장치.
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 확산기가 상기 제 2 조명 유닛과 상기 빔 스플리터 사이에 배치된 것을 특징으로 하는 광학 센서 장치.
7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 확산기가 상기 제 3 조명 유닛과 상기 측정 필드 사이에 배치된 것을 특징으로 하는 광학 센서 장치.
8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 1 조명 유닛은 청색 스펙트럼 범위에서 발광하는 광 소스를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 센서 장치.
9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 2 조명 유닛은 백색 광을 방출하는 광 소스 및 적외선 스펙트럼 범위에서 발광하는 광 소스를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 센서 장치.
10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 3 조명 유닛은 백색 광을 방출하는 광 소스 및 적외선 스펙트럼 범위에서 발광하는 광 소스를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 센서 장치.
11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광 소스중 적어도 하나는 LED인 것을 특징으로 하는 광학 센서 장치.
12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광 소스가 연결되고 상기 광 소스를 서로 독립적으로 활성화시킬 수 있는 제어 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 센서 장치.
13. 제 12 항에 있어서, 상기 제어 장치는 상이한 타입의 조명을 위해 상기 광 소스에 대한 상이한 활성화 동작을 결정하는 다수의 파라미터를 저장하는 파라미터 저장 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 센서 장치.