TWI557434B

TWI557434B - 照明系統

Info

Publication number: TWI557434B
Application number: TW100128040A
Authority: TW
Inventors: 伊果凱茲爾; 塔莉赫維茲; 大衛費西; 艾利梅蒙
Original assignee: 奧寶科技有限公司
Priority date: 2010-08-05
Filing date: 2011-08-05
Publication date: 2016-11-11
Also published as: KR20130096233A; JP5911865B2; KR101832526B1; CN103069436A; TW201300837A; CN103069436B; US20130147943A1; JP2013532838A; WO2012017431A1

Description

照明系統

本發明係關於電路之自動光學檢測(AOI)的照明，且更特定言之(但不排除地)關於用於通常用於AOI之調適線性或時間延遲積分(TDI)類型感測器的照明。

AOI系統通常利用於電路之檢測中，包含印刷電路板(PCB)、平板顯示器(FPD)、晶片載體、積體電路及類似物。照明用於預處理影像以強化需要檢測的特徵，且抑制雜訊。在照明中的發展已部分藉由減小由視覺電腦需求的計算而改良視覺系統的能力。此意謂著照明組合將理想地改良影像品質，以改良AOI系統的決策過程的效率。取決於操作模式及被檢測之產品的類型，AOI系統通常具有預定的照明組合。

光源相對於物件的視位很重要。照明角度計入檢測演算法中，提供增強的量測精確性。另外，照明角度可在某些周圍的物件可能干擾目標物件的照明之應用中尤其重要。一實例將為在一電路板上的一較高組件，其阻擋該照明或照相機系統照亮/成像目標組件。另一實例可為一焊接沉積物，其減小該物件的一些元件的視覺化。

科勒(Khler)照明係使用於傳輸或反射光顯微鏡中的試樣照明的一方法。光的均勻性在當拍攝顯微照片時避免陰影、眩光及不適當的對比係重要的。科勒照明藉由建立平行光線以通過該試樣而克服早期方法的限制。因為通過該試樣的光線係平行的，當建立該試樣的影像時其等將不聚焦，因此消除燈絲的影像。

真實科勒照明在當該光源相對於該物件在無窮遠處成像時而獲得。科勒照明表示稱為臨界照明之另一已知類型的顯微鏡照明架構之另一極端。在臨界照明中，該光源在該物件表面上成像。

在當代顯微鏡中，科勒類型照明藉由將實體光源(例如，燈絲)成像至該物鏡的背部焦平面處而獲得。因為在相當大量顯微鏡物鏡光學設計中之物鏡的出射光瞳(孔徑光闌的影像)亦位於此平面，設計良好的顯微鏡最通常係遠心成像儀。由定義，當入射光瞳由光學器件而形成於無窮遠時，成像變得遠心。嚴格來說，遠心成像僅在小於該入射光瞳之直徑的一視場上可行。此一情形在較小物件之顯微法中很常見。

儘管在光學檢測系統中遠心成像具有許多優點，由於照相機視場通常比該成像透鏡的入射光瞳寬許多，實際的PCB或FPD檢測系統很少係遠心的。在一鏡面反射物件(諸如FPD)用一窄角度源照亮的情形中，該照明逐步朝向視場邊緣而漸暈。結果，該視場的不同部分由該光源之角視場的不同部分而成像。為克服漸暈，該源角視場經常過寬地製造，因此導致對比損失、較差的光利用效率及許多雜散光。

在許多入射光顯微鏡中找到的另一有用特徵係可選擇的明場或暗場照明。由定義，明場照明對應於更通常的情形，其中照明光線在藉由一鏡面反射基板反射後均進入該成像透鏡入射光瞳。當該基板僅用由一平坦基板反射後照射於該入射光瞳之外部的光線照亮時導致暗場照明。在暗場模式中，僅邊緣及其他表面的不規則反射光進入該照相機，且因此出於檢測的目的，對於增強此等特徵係有用的。

在用於產生長形的照明形狀的一些已知的具能量效率之照明架構中，一有效光源大體上至少在一方向上聚焦，例如，使用一圓柱集中器。此等先前技術的照明器特徵可為在一方向上為「臨界」的。

本發明之一些實施例之一態樣供應一照明系統，其在一長形視場上投射準朗伯發射，諸如一線性或TDI類型之照相機的長形視場。根據本發明之一些實施例，在一長形視場上的投射用一似科勒照明的一陣列而達成。如在本文中所定義，似科勒照明指在任何方向上並不臨界的照明。

根據本發明之一些實施例之照明以一實體發光表面的意義係似科勒照明，例如，一有效光源(但並不必要在其自身上係一實體光源)成像至一成像透鏡，如相對於在一物件表面成像。在一些例示性實施例中，有效光源成像至一成像透鏡之入射光瞳，但並不位於無窮遠。結果，來自每一有效光源點的光線照射於該物件上時並非嚴格平行或準直，而相反彙聚至該成像透鏡之入射光瞳。

通常，因為在一目標物件與該成像透鏡之入射光瞳之間的距離大體上大於該入射光瞳的一直徑，例如，大於該似科勒照明之一數量級可被視為大致準直。

根據本發明之一些實施例，該似科勒照明在一長形區域上係同時均勻且不漸暈的。如本文中所定義，一長形區域係具有約10:1或更大的一縱橫比的一區域，例如，大於6:1的一縱橫比。通常，該目標物件以一安全邊際在該照相機的視場上跨越及溢出的一區域上照亮，以允許機械及系統容許度。通常，該溢出的大部分沿著較窄的尺寸而提供。視需要，該安全邊際範圍例如從大於該較窄尺寸的兩倍至大於100倍或更大。例如，在線性感測器之情況中，該視場可具有10微米的一窄尺寸，而在該物件上之照亮區域的窄尺寸可具有1毫米的一長度。在另一實例中，在一TDI或類似感測器的情況中，例如具有100線，該視場可具有約1毫米的一窄尺寸，而在該物件上照亮區域的窄尺寸可具有約2毫米至約3毫米的一長度。視需要，以一更大縱橫比，較少的溢出係可能的，例如，藉由增加離散光源之陣列中離散光源的數目。

在一些例示性實施例中，似科勒照明之陣列從耦接至透鏡的一陣列的離散光源的一陣列而構造。通常，在該陣列中的透鏡並排放置，透鏡之間沒有空間，以在該長形之視場上提供大體上空間不變的照明。如本文中所使用，空間不變的照明指具有一角視場的照明，或當從該照亮之區域內的任何點觀察時，對於一照亮之區域內的所有點相同的「天空照明」。

根據本發明之一些實施例，在該陣列中的每一似科勒照明將該「天空照明」的一離散部分投射至一目標物件，該部分具有與其光源之形狀相同的一形狀。若該等離散光源之各者具有一相同形狀及強度，當從在該照亮區域上的每一點接收一相同的照明之該目標物件處觀察時，結果係例如一連續的，空間不變角視場。

在一些例示性實施例中，該離散光源陣列用一空間光調變器(SLM)陣列替代及/或與一空間光調變器陣列耦接。該等SLM按不同應用必需的要求而提供其光源的視需要修改性質。視需要，SLM用於在成像期間替代地提供明場及/或暗場照明。

根據本發明之一些實施例，該照明系統包含一場透鏡，以成角度且朝向該成像系統的成像光瞳引導經該透鏡陣列發射的照明。

本發明之一些實施例之一態樣提供一用於照亮一線性或較高縱橫比區域的影像感測器之一長形視場的方法，該方法包括：提供具有複數個離散光源的一長形場形狀的照明；且將該照明朝向將被成像的一物件投射；其中投射於該物件上的照明沿著該物件上的長形場形狀在強度及角度分佈上係大體上空間不變的。

視需要，該方法包括將所投射的照明成像至用於成像該物件的一成像單元的一成像透鏡入射光瞳，其中該入射光瞳的一直徑小於該物件與該成像透鏡之間的一距離達至少一數量級。

視需要，該影像感測器之視場具有大於40:1的一縱橫比。

視需要，該照明在該長形之視場上係不漸暈的。

視需要，所提供之照明經調適為該長形之視場的非遠心成像。

視需要，從一SLM輸出所提供之照明。

視需要，所提供之照明係具有一環形角度分佈的暗場照明。

視需要，具有一長形場形狀的照明配備有一光源陣列，其經一透鏡陣列投射，其中在該陣列中的透鏡係連續的，透鏡之間沒有空間。

視需要，每一光源及對應的透鏡朝向具有大體上類似於該光源之形狀的一角度形狀的長形之視場投射照明的一離散部分，且其中照明之該等離散部分係連續的，該等離散部分之間大體上沒有空間，且在該長形視場上提供照明。

視需要，照明從每一光源經該光源陣列的每一對應透鏡而投射，且該透鏡陣列係似科勒照明。

視需要，該方法包括將所投射之照明經該透鏡陣列之所有透鏡而引導至一影像感測器之成像透鏡孔徑。

視需要，以一場透鏡提供該引導。

視需要，該場透鏡係一平凸透鏡。

視需要，該場透鏡係一菲涅爾透鏡。

視需要，該陣列之該等光源係窄角度的光源，該等光源之各者在25度至35度的一總角度上發射。

視需要，該透鏡陣列的一縱橫比小於10:1。

視需要，該光源陣列係LED燈陣列。

視需要，該光源陣列從一光纖束陣列投射。

視需要，該方法包括從一單一中央光源饋送所有該等光纖束。

視需要，該中央光源包含一SLM，其定義由該中央光源發射之光的一形狀。

視需要，該光源陣列係以基於SLM的一整合投射光引擎予以形成。

視需要，該SLM提供明場或暗場照明的一者。

視需要，該SLM提供具有由該SLM形成一環形照明的暗場照明。

視需要，該環形照明的一內徑定義為等於或大於用於對該長形視場成像之一成像透鏡的入射光瞳。

視需要，該SLM提供具有用該SLM形成的一圓形照明的明場照明，其中該圓形照明的一直徑等於或小於用於對該長形視場成像之一成像透鏡的入射光瞳。

本發明之一些實施例之一態樣提供用於照亮一線性或較高縱橫比區域的影像感測器的一長形角視場之一照明系統：一透鏡陣列，其中在該陣列中之透鏡係連續的，透鏡之間沒有空間；一光源陣列，每一者具有一形狀，其中在該光源陣列中的每一光源經定位以經該透鏡陣列中的一對應透鏡投射光；且其中每一光源及對應透鏡朝向該長形視場投射照明的一離散部分，該視場具有大體上類似於該光源之形狀的一角度形狀，且其中照明的該等離散部分係連續的，該等離散部分之間大體上沒有空間，且在該長形視場上提供照明。

視需要，每一光源及該光源陣列的對應透鏡及該透鏡陣列提供似科勒照明。

視需要，該長形視場具有大於40:1的一縱橫比。

視需要，該透鏡陣列的一縱橫比小於10:1。

視需要，來自該光源陣列的照明成像至用於將該物件成像的一成像單元之一成像透鏡入射光瞳上，其中該入射光瞳的一直徑小於該物件與該成像透鏡之間之一距離達至少一數量級。

視需要，該照明系統進一步包括一場透鏡，其中該場透鏡經調適以將經該透鏡陣列之所有透鏡投射的照明引導至一影像感測器的成像透鏡孔徑。

視需要，該場透鏡係一平凸透鏡。

視需要，該場透鏡係一菲涅爾透鏡。

視需要，該光源陣列以一新月形而成角度，定義該新月以將照明引導至一影像感測器的一成像透鏡孔徑。

視需要，該透鏡陣列以一新月形而成角度，定義該新月形以將照明引導至一影像感測器的一成像透鏡孔徑。

視需要，該光源陣列係LED陣列。

視需要，從一光纖束陣列輸出該光源陣列。

視需要，該陣列中的所有該等光纖束投射從一中央光源處饋送的照明。

視需要，該中央光源包含一SLM，且其中所發射的光具有由該SLM定義的一形狀。

視需要，從一SLM陣列輸出該光源陣列。

視需要，該光源陣列以基於SLM的一整合投射光引擎予以形成。

視需要，該SLM提供明場或暗場照明之一者。

視需要，該SLM提供具有用該SLM形成的一環形照明的暗場照明。

視需要，該環形照明之一內徑定義為等於或大於用於對該長形視場成像之一成像透鏡的入射光瞳。

視需要，該SLM提供具有用該SLM形成的一圓形照明的明場照明，其中該圓形照明之一直徑等於或小於用於對該長形視場成像之一成像透鏡之入射光瞳。

視需要，在該陣列中的所有該等光源係完全相同的。

視需要，在該陣列中的所有該等透鏡係完全相同的。

視需要，在該陣列中的該等透鏡係球面透鏡。

視需要，該照明系統經調適為該長形視場的非遠心成像。

本發明之一些實施例之一態樣提供用於掃描一自動光學檢測系統中的一基板之一方法，該方法包括：提供一基板；根據上文中描述的方法照亮該基板；將該基板成像；分析來自該成像的輸出，以識別該基板中的缺陷；報告該等缺陷。

視需要，該方法包括以複數個照明組態照亮該基板。

視需要，該複數個照明組態包含暗場及明場照明的至少一者。

本發明之一些實施例之一態樣提供一自動光學檢測系統，其包括：一成像單元，其包括至少一照相機及至少一照明單元，其中該至少一照明單元在上文中描述；一掃描單元，其經組態以提供用於檢測的一基板與該成像單元之間的平移；一控制器，其經組態以協調該掃描單元的平移，該至少一個照明單元的照明及該至少一照相機的影像捕獲。

視需要，該至少一個照明單元經調適以提供複數個照明組態。

除非另有定義，在本文中使用的所有技術及/或科學術語與熟習本發明所屬的技術者所共同理解的相同的意義。儘管與本文中描述之方法及材料類似或等效者可使用於本發明之實施例的實踐或測試中，但在下文中描述例示性方法及/或材料。在衝突的情況中，本專利說明書(包含定義)將主導。再者，該等材料、方法及實例僅為例證性的，且並不意欲為必要限制性的。

本發明之一些實施例在本文中僅經由實例並參考附圖描述。現特定地詳細參考圖式，強調經由實例且出於解說討論本發明之實施例之目的來展示細節。在這方面，與圖式採用的描述使得對於熟習此項技術者而言如何實踐本發明之實施例係顯而易見的。

本發明係關於電路之自動光學檢測(AOI)的照明，且更特定言之(但不排除地)關於通常用於AOI之用於調適線性或TDI類型感測器的照明。

在照明上的能量效率及可程式能力在AOI中係重要的態樣。相對於能量效率，在AOI期間，循序用線性或TDI類型之感測器逐行捕獲所檢測之基板的一影像。而該檢測之基板通常量測尺寸為在0.5米乘0.5米至3米乘3米之間，此等感測器之瞬時視場通常係40毫米至100毫米寬乘0.005微米至1000微米長，本發明之一些態樣亦可應用於更大或更小的基板。因此，將被照亮的一長形區域大體上具有在40:1與150:1之間的一縱橫比。

若該照亮之區域的形狀並不與該照相機視場的長形形狀匹配，則可能浪費用於照明的許多能量，且可嚴重降低該照明系統的能量效率。例如，若該照亮之區域的形狀係經設計以遮蓋該長形區域之一單一圓形區域，則將浪費用於照明的大多數能量。

對於AOI在照明上的一重要態樣係光的均勻性。光的均勻性通常對避免陰影、眩光係重要的，且不充分的對比可阻礙一面板適當的檢測。科勒照明已使用於顯微鏡中，例如，當藉由建立平行光線以通過試樣來捕獲顯微照片以克服此等限制時。通常，在顯微鏡中，需要照亮的視場係一圓形視場及/或具有約為1之一縱橫比的一視場。

AOI的照明上另一重要態樣係多功能性。通常，不同類型之應用需要不同類型的照明。例如，一些應用需要明場照明，而其他需要暗場照明。額外地且獨立地，不同組合的照明之波長及強度可用於不同應用。在顯微鏡照明器之孔徑平面內整合SLM(通常係透射性LCD類型)已實現投射至該檢測基板的光的角視場之可程式化選擇。

本發明的一些實施例的一態樣提供具有一長形場形狀的照明，其在二維長形場上係大體上空間不變的。根據本發明之一些實施例，該長形場形狀大體上與一關聯之成像儀之視場的形狀及尺寸匹配。通常，該長形場形狀遮蓋大於該關聯之成像儀之一視場的一區域。

根據本發明之一些實施例，該照明在該長形照亮之區域中的每一點處提供一大體上相同的角視場照明。較佳地，該照明在該照明場上大體上均勻。藉由一似科勒照明陣列提供該長形形狀的照明。

在一些例示性實施例中，每一似科勒照明從耦接至一透鏡的一離散光源構造。由此等實施例形成的照明在每一離散光源成像至該成像透鏡之入射光瞳的意義上係似科勒照明。通常，量測為約20毫米的一入射光瞳位於距該物件達約250毫米的一距離。因為該距離通常大於該光瞳的數量級，該照明可視作大體上準直。發明者已發現在此等實施例中，該照明額外地相對沒有漸暈，大體上係轉移不變的，且可例如在明場與暗場照明模式之間具有一明顯過渡。

根據本發明之一些實施例，在該似科勒照明陣列中的透鏡提供於一單一陣列中，該等透鏡之間沒有空間，且提供在一長形之視場上具有離散光源之大體上空間不變的照明。視需要，該透鏡陣列係單一單元，且藉由注射模製而製造。本案發明者已發現該似科勒照明陣列在一長形之照亮場上提供極佳光效率。

根據本發明之一些實施例，該等離散光源係發光二極體(LED)及/或LED燈。視需要，該等光源係窄角度的光源，例如，耦接至燈/反射鏡組合的光纖光導通常在25度至35度之一總角度上發射。本案發明者已發現使用窄角度的光源改善照明之角視場的可控制性。根據本發明之一些實施例，該照明系統提供在不改變與該照明系統關聯之照明光學器件的情況下容易改變的照明參數，例如，光的色彩、形狀及強度。根據本發明之一些實施例，從該光源接收之照明的角度範圍在該光系統中保持大體上恆定。

根據本發明之一些實施例，該離散光源陣列可替代及/或耦接至一SLM陣列。視需要，該等SLM係一數位微鏡裝置(DMD)、矽上液晶(LCoS)類型及/或LCD之一者。根據本發明之一些實施例，該等SLM用於按需要投射不同角視場，例如暗場照明及/或明場照明。本案發明者已發現經由一SLM陣列(與本文中所描述的特殊設計的光學架構耦接)照亮可提供完全可程式化，例如，在一長形場內的每一點處的軟體可程式化角視場及/或光譜。軟體可程式化光通常與良好場可靠性關聯，此係因為並不需要機械地移動部件及/或不同光學組件之故。

在一些例示性實施例中，每一離散光源係以基於SLM的一整合投射光引擎予以形成。視需要，對於使用基於SLM的一整合投射光引擎的實施例，使用一中繼透鏡以形成在相對於該透鏡陣列之每一透鏡的適當位置處的一實像或虛像。

根據本發明之一些實施例，該光系統額外地包含一場透鏡，其經調適以將從該透鏡陣列獲得的多重照明片段彙聚至成像透鏡孔徑，以在該長形場上達成似科勒照明效應，同時視需要使用一非遠心成像透鏡。視需要，省略該場透鏡，且取而代之，該等光源及/或SLM係成角的，且引導朝向該成像透鏡孔徑。視需要且額外地，調整該透鏡陣列之透鏡的光學特性，且彎曲該陣列以將照明引導朝向該成像透鏡孔徑。在一些例示性實施例中，一分束器用於照亮一目標區域。視需要，提供一傾斜光軸，使得並不需要一分束器。

在一些其他例示性實施例中，有效光源相對於該檢測物件成像至無窮遠。因此該等光源的影像現定義形成於該成像透鏡的背部焦平面處，此並不必要與出射光瞳重合。在此等實施例中，該光源的每一點引起入射於該物件上的一準直平面波。與一SLM組合，此等架構可用於精確控制該入射照明的角度形狀，此係因為每一SLM像素產生一定義良好的照明角度之故。此一照明模式可具有源自漸暈的一些限制，例如，較差的空間及角度均勻性。

現參考圖1，其展示根據本發明之一些實施例之用於照亮一長形視場的照明系統之光學組件的一例示性示意圖。根據本發明之一些實施例，AOI的一照明系統包含一個或多個光源10，其經一光纖束陣列20朝向一透鏡陣列30投射光。當由實體光源10照亮時，來自該等光纖束20的輸出用作有效光源。根據本發明之一些實施例，光纖束之陣列20包含光纖束21...28，且透鏡陣列30包含一對應之透鏡31...38的陣列。視需要，4至12個(例如8個)有效光源及透鏡之一陣列用於照亮一線性感測器之一長形視場555或類似物以掃描一基板，例如一面板。視需要，每一光纖束包含5至16個光纖及/或光學光導末端，例如8個光纖。視需要，光纖束具有在1毫米至3毫米之間的一直徑，例如1.4毫米的直徑。視需要，該等有效光源由該等光纖束末端前方的一針孔陣列定義，且藉由此等末端而照亮。視需要，該等光纖束20(在本文中亦稱為離散有效光源)藉由適宜光吸收隔板(未作圖式)而分離，以最小化鄰接源/透鏡對之間的串擾或光洩漏。通常，在每一束中的光纖經配置以具有一類似圓形的橫截面。通常，該等光纖以與光源10相同的一角度分佈而傳輸光。

根據本發明之一些實施例，透鏡陣列30係一相似球面透鏡31...38之陣列，透鏡31...38並排放置，透鏡31...38之間沒有空間。視需要，該等透鏡係非球面的、平面球面或至多雙非球面的。在一些例示性實施例中，該陣列中的透鏡以一線性方式配置。通常，該透鏡陣列之縱橫比係約1:10，且大體上小於該照相機之視場之縱橫比達一數量級。該透鏡陣列之非常小的縱橫比具有減輕機械組裝需求的優點，而能量浪費觸發係相對無關緊要的。根據本發明之一些實施例，透鏡陣列30可為例如藉由注射模製而製造的一單一單元。

根據本發明之一些實施例，來自每一光纖束(有效光源)的輸出(例如，從光纖束21...28經其對應透鏡例如從透鏡31...38發射)提供一似科勒照明，且從一光纖束陣列20發射通過透鏡陣列30的輸出提供一似科勒照明陣列。該陣列中的每一似科勒照明片段照亮一目標物件50(例如，面板，基板)上的一部分區域。對於位於該區域內的一觀看者，該照亮片段投射一角視場，其具有與其有效光源之照明形狀相同的一形狀。根據本發明之一些實施例，離散照亮之區域係連續的區域，離散照亮之區域之間沒有空間。根據本發明之一些實施例，所有有效光源，例如由光纖21...28之輸出末端形成的光源具有大體上完全相同的形狀。在此等實施例中，投射至該等連續物件區域的所有角視場均無縫地混合成在整個照亮區域上的一單一轉移不變角視場。此在下文中更詳細解釋。

根據本發明之一些實施例，一場透鏡40從透鏡陣列30接收光，且將光引導至一成像系統之成像透鏡110的一入射光瞳(圖2A)。在一些例示性實施例中，場透鏡40係一單一球面條狀透鏡，其引導來自透鏡陣列30之所有透鏡的光。通常，場透鏡40係一平凸透鏡。在一些例示性實施例中，場透鏡40係一菲涅爾透鏡，其提供成本及重量的減小，同時對投射之源影像品質引入某些降級。儘管場透鏡40展示為定位於透鏡陣列30與目標物件50之間，視需要，場透鏡40定位於目標物件50與該成像系統之入射光瞳之間。根據本發明之一些實施例，照明區域的一尺寸藉由調整透鏡陣列30及場透鏡40的相對位置而調整，使得該源成像至該成像系統之入射光瞳的一平面上。

現參考圖2A及圖2B，圖中展示用根據本發明之一些實施例之成像系統在兩個正交平面內照明的一光學設計的例示性示意圖。圖2A及圖2B中展示的光及成像路徑為清晰起見而展開。根據本發明之一些實施例，將該等有效光源20成像至成像透鏡110之孔徑係藉由一球面透鏡陣列30及一球面條狀場透鏡40的一組合作用而執行。視需要，透鏡30係非球面的或其他形狀的透鏡，例如平凸球面或雙非球面。根據本發明之一些實施例，照明光線150從目標物件50鏡面地反射，且在一成像透鏡110之孔徑處彙聚，以在線性感測器120上成像。在一些例示性實施例中，沒有場透鏡40，所有光源將以彼此平行的方向成像，且在一光軸222之任一側之成像透鏡110孔徑的平面處形成。在一些例示性實施例中，場透鏡40用於將所有該等光源影像彙聚至成像透鏡110之孔徑，以達成似科勒照明效應，其係藉由在一長形場上之光源10及透鏡陣列30於使用一非遠心成像透鏡時提供。

根據本發明之一些實施例，該成像透鏡將待掃描至線性感測器120之目標物件50的一部分成像。通常，該面板成像之部分完全用具有一期望角度覆蓋的長形連續區域照亮。來自目標物件50的將被掃描的部分的光經成像透鏡110之入射光瞳而引導至該線性感測器120。在當成像透鏡110上之光源的一影像等於或小於與成像透鏡110關聯之入射光瞳時提供明場照明。暗場照明係由從該物件之鏡面反射並不到達該入射光瞳的一照明。根據本發明之一些實施例，暗場照明由從一源環形成的一大體上環形照明而實現，使得當在含有成像透鏡110之孔徑的平面內成像時該環形源的內徑等於或大於該成像透鏡110之入射光瞳。藉由定義，成像透鏡110之入射光瞳係有效「窗」(或孔徑)，光經其而由該成像透鏡收集。不同形狀的照明在下文中更詳細討論。

現參考圖3，其展示一照明系統之替代光學組件的一例示性示意圖，且圖4A及圖4B展示均根據本發明之一些實施例基於替代光學組件在兩個不同平面內的一光學設計的例示性示意圖。根據本發明之一些實施例，在從目標物件50鏡面反射後，照明引導朝向一成像透鏡110及/或成像透鏡孔徑，不需要一場透鏡。根據本發明之一些實施例，一離散光源陣列200及一對應透鏡陣列300之各者以一新月形配置，其經調適以朝向成像透鏡110彙聚照明。在一些例示性實施例中，離散光源之陣列200之離散光源201...208安裝於一表面上的一外殼177中，該表面朝向透鏡陣列300略微向內彎曲。應注意，離散光源201...208表示由LED燈、光纖之實體輸出末端或其他適宜同質化光導、一實體SLM之一真實平面及/或一實體SLM的實像或虛像之一者而形成的有效光源。在一些例示性實施例中，透鏡陣列300之透鏡301...308係不相同的透鏡，且透鏡301...308之個別光學特性提供朝向該等成像光學器件的彎曲光。在一些例示性實施例中，透鏡陣列300係透鏡之一整合陣列，透鏡之間沒有空間。視需要，透鏡陣列300製造為以塑膠注射模製之一單一整合單元。根據本發明之一些實施例，發射通過透鏡陣列300之一錐形之光束260朝向成像透鏡110之入射光瞳而逐步彎曲。

現參考圖5，其展示使用根據本發明之一些實施例之一分束器之照明系統的一光學設計的一例示性示意圖。根據本發明之一些實施例，該照明系統的光軸垂直於目標物件50，且一反射鏡60連同一分束器70經定位以將來自照明源10的照明朝向目標物件50引導，且將從目標物件50反射的光經分束器70朝向一成像單元投射。視需要，該分束器係一薄膜分束器。

現參考圖6，其展示根據本發明之一些實施例之並不需要分束的照明系統的一替代光學設計的一簡化示意圖。根據本發明之一些實施例，照明之光軸製成傾斜，而非垂直於該目標物件50，使得不需要一分束器。移動該分束器大體上改良光效率。在一些例示性實施例中，移動該分束器改良效率約四倍。

根據本發明之一些實施例，光源之一有效陣列20發射光通過一透鏡陣列30，且視需要通過一場透鏡40，朝向一反射表面65，該反射表面65將原先在方向145上傳播的光線沿著方向165朝向目標物件50彎曲，使得該照明不為法線入射。視需要，反射表面65以一角度166定位，該角度166略大於45度。一旦從目標物件50之一區域處反射開，該等光束以一傾斜角度在方向190朝向一成像透鏡及成像感測器引導。

根據本發明之一些實施例，本文中描述的傾斜(沒有分束器)檢測架構與線性陣列感測器組合係尤其有用的，且包含本文中描述的垂直架構的所有有用照明特徵。額外地，本文中描述的傾斜(沒有分束器)檢測架構尤其適宜於成像高度平坦的表面或與一適宜自動聚焦機構組合。

現參考圖7A，其展示該照明系統的一光纖光學單元的一例示性示意圖，圖7B及圖7C展示該照明系統的一機械結構的例示性示意圖，且圖7D展示一例示性光纖束的一橫截面示意圖，此等均根據本發明之一些實施例。根據本發明之一些實施例，提供一個或多個光纖束陣列20，以在掃描期間照亮一個或多個照相機的一視場。根據本發明之一些實施例，每一光纖束之陣列20包含光纖束21...28。視需要，每一光纖束，例如，光纖束21包含1000至2000個光纖及/或光學光導末端，例如，8個光纖921...928(出於繪示的簡單，僅展示8個光纖)。視需要，在該束中的光纖經配置以便具有一大體上圓形橫截面的一束(圖7D)。

根據本發明之一些實施例，具有一預定義形狀及角度分佈的一單一光源210用作至該等光纖束的輸入。在一些例示性實施例中，光源210遠離一成像位置，且一光纖束29用於朝向該成像位置傳輸照明，其末端20包括本發明之多種實施例中的有效源，如上文中所解釋。根據本發明之一些實施例，在掃描一目標物件期間使用複數個照相機，例如一照相機陣列，且每一光纖束陣列20連同罩入外殼278中的光學器件一起照亮該等照相機之一者的一視場。

根據本發明之一些實施例，一外殼278包含一光纖束接收單元220，特徵為複數個通孔221...228，以接收及與光學系統對準陣列20中該等光纖束之各者。通常，外殼278包含一狹槽，其用於接收及對準透鏡陣列30，及場透鏡40。在一些例示性實施例中，外殼278額外地罩住示意性展示於圖5中的一折叠式鏡60及分束器70。如圖5中所展示，該折疊式鏡，例如一尋常平面鏡，將光從其原始水平傳播偏離且以該分束器的方向將其向上投射。視需要，此允許該分束器以相對於該光軸的一最小傾斜角度而安裝，此最小化光學干涉。在一些例示性實施例中，並不使用一折疊式鏡，且取而代之，面板直接由該分束器之反射或透射而照亮。

現參考圖8A，其展示根據本發明之一些實施例之用於照亮一長形視場的基於SLM的一照明系統的光學組件的一例示性示意圖。根據本發明之一些實施例，該有效光源陣列從一SLM 500陣列之真實平面或從一SLM陣列之實像或虛像而獲得。在一些例示性實施例中，基於SLM的一光系統之光學結構類似於所描述具有該光纖束陣列的光學設計。從陣列500之SLM 501...508之輸出發射通過一透鏡陣列30，以提供一似科勒照明陣列。再者或或者，根據本發明之一些實施例，有效光源藉由個別可選址LED之陣列而獲得。此等實例使用2010年1月28日發表之WO 2010/010556中展示的LED陣列，尤其圖16中，其之全文以引用之方式併入本文中。該透鏡陣列30中的透鏡並排放置，透鏡之間沒有空間，使得來自SLM陣列500的輸出可提供連續長形的條狀照明。視需要，如上文參考圖1所解釋，來自SLM 500的光束由適宜光吸收隔板(未作圖式)而分離，以最小化在鄰接源/透鏡對之間的串擾或光洩漏。視需要，一場透鏡40用於在從一目標表面反射開後朝向一光學成像透鏡彙聚該似科勒照明陣列。

在一些例示性實施例中，SLM陣列500安裝於一列中，每一者在透鏡陣列30中之其對應透鏡前方。視需要，該等SLM之各者安裝於一PCB上，在電腦控制下對其提供其之操作所需要的電力及信號。或者，所有SLM安裝於一PCB上。

該等SLM可具有以本技術中熟知的方式的適當照明，諸如用於DMD類型SLM的傾斜入射照明，或用LCoS裝置之一偏振分束器的法線入射偏振照明。

現參考圖8B，其係饋送至根據本發明之一些實施例之一照明系統的一光纖束中的一SLM光源之光學組件之一例示性示意圖。視需要，一光源系統250包含一SLM(例如DMD 501)，且發射具有由該SLM定義之一形狀的光，例如美國專利第6464633號中所描述，其由引用之方式併入本文中。

在一些例示性實施例中，光源系統250包含：一燈241，其用於發射照明光；一燈電源供應器240，其用於對該燈241供應電力；一拋物鏡242，其上塗佈具有紅外傳輸特性的一膜，該膜用於將從該光源燈241發射的照明光引出為平行光；及一DMD 501用於將來自該拋物鏡242通過一透鏡515的平行光反射，以將該平行光聚集至該光導28的入射末端。通常，一DMD驅動電路245控制DMD 501的操作。

現參考圖8C及圖8D，展示根據本發明之一些實施例的分別用於提供暗場照明及明場照明的SLM影像。根據本發明之一些實施例，SLM之各者可程式化以提供一預定義形狀的照明。根據本發明之一些實施例，當每一SLM投射一相同影像時，跨整個照亮區域的照明將為空間不變的，使得照亮的角視場保持不變。在一些例示性實施例中，一SLM經程式化以提供具有一SLM影像580的一環形照明，使得該環的較內徑等於或大於由該成像透鏡之入射光瞳容許的光錐。在一些例示性實施例中，該環形照明可按需求提供暗場照明。明場照明可藉由一圓形照明而提供，其具有等於或小於由該成像透鏡之入射光瞳容許的光錐的直徑。在一些例示性實施例中，一SLM影像570用於提供一明場照明。圖8A的直接SLM照明架構允許任意形狀的角視場，其可「寫」入將被投射的SLM。相反，圖8B之光纖光學器件耦接的架構由於該光纖的「圓形化」性質而可限制於圓形對稱角視場形狀。

現參考圖9A及圖9B，其展示在根據本發明之一些實施例之該照明系統之兩個鄰接透鏡之間界接的目標物件上的一區域上之一基於SLM的照明系統之一照明路徑及輸出的一例示性示意圖。出於繪示的目的，展示投射一特定空間形狀11的一光源陣列，其類似於具有兩個交替色彩(11R及11B)的一字母「F」。由於其不對稱性質，一「F」形通常用於繪示光學系統的操作。圖9B中展示的該「F」形繪示該源的形狀如何從經鄰接透鏡34及35投射的兩個鄰接光源出現的光線911B及911R成像至成像透鏡110之入射光瞳的平面上。

根據本發明之一些實施例，照明系統1000的照明架構之淨效應係在目標物件50之長形檢測之區域內的每一點處形成一「F」形明場角度分佈。如可瞭解，在恰好位於該陣列30之透鏡之一者的一中央區域下方的基板點處，該照明(例如，來自光束911R或911B之一者)將由安裝於該透鏡前方的一對應光源(11R或11B)提供，且一「F」形明場角度分佈將形成於交替色彩之一者中。

根據本發明之一些實施例，在從該陣列30之透鏡之一者的一中央區域偏移的基板上的一子區域51中，例如，在透鏡34之一中央與透鏡35之一中央之間的一區域中，將由兩個鄰接光源提供照明。根據本發明之一些實施例，儘管光從兩個不同光源接收，該照亮的角視場保持相同，且提供一完全的「F」形角視場。不同色彩展示從無縫地熔合成一單一場的透鏡之各者的不同貢獻。如圖9B中所展示，由通過區域51的光線而形成的光源11B及11R之離散「F」形影像在一成像單元之一成像透鏡孔徑內重合，且提供沿著該照亮區域的連續空間不變的照明。圖9B描繪實際模擬結果，因此明顯「雜訊」僅係由於使用於該模擬中光線的有限數目所致。

在一些例示性實施例中，此無縫空間不變角視場係放置該等光源的一結果，使得其等之各者成像至該成像透鏡孔徑。此避免通常出現於鏡面表面之較寬的視場成像中的逐步照明漸暈，因此確保該視場內的所有點被均勻地照亮。在此意義上，該系統操作為一準遠心系統，而一嚴格遠心的系統使其入射光瞳位於無窮遠處。該均勻性質進一步由於避免鄰接透鏡之間的間隙之該透鏡陣列的整體設計所致。藉由使用一SLM，可投射該檢測基板上任意點處的任意轉移不變角視場。

視需要，藉由改變該等光源之空間形狀，可達成其他任意角度照明分佈，例如，明場、暗場及其等之任何組合。

現參考圖10，其展示根據本發明之一些實施例之具有一整合投射光引擎的基於SLM的光系統的一例示性示意圖。根據本發明之一些實施例，使用基於SLM的整合投射光引擎400而有效地形成每一離散光源。可用的整合光引擎可適宜包含由中國Young Optics Inc.提供的基於DMD的光引擎，及由美國Greenlight Optics,LLC提供的基於LCoS的光引擎。

該投射光引擎400通常包含一光源總成，其包括LED或二極體雷射，通常發射主要在紅色、綠色及藍色的光。通常使得該光10照射於該SLM裝置501上，例如具有一分束稜鏡505的一DMD。在投射光系統的一些已知應用中，一投射透鏡520在顯示銀幕上形成該SLM表面的一影像，通常距該投射器裝置達從0.5米至2米的一距離。根據本發明之一些實施例，該光引擎藉由使用一中繼透鏡540而調適為用作AOI的照明系統，以在相對於(透鏡陣列30之)一透鏡31之適當位置形成為實像或虛像之一影像。根據本發明之一些實施例，透鏡31單獨或與場透鏡40組合操作，以將該SLM之影像成像至如上文所描述之該成像透鏡之一孔徑光闌上的一平面上。在一些例示性實施例中，對於需要暗場照明的應用，在該孔徑中成像的像素轉變至一關閉位置，且在該孔徑外部成像的像素轉變至一開啟位置。應注意，儘管為清晰起見僅展示一光引擎400及一透鏡31，根據本發明之實施例的一長形照明場係以投射至如上文所描述的一透鏡陣列30的一光引擎陣列400而獲得。

現參考圖11，其展示包含根據本發明之一些實施例的一照明系統的用於自動光學檢測(AOI)的一掃描系統的一例示性方塊圖。根據本發明之一些實施例，一AOI系統包含一影像擷取子系統450及一處理系統，諸如一平臺(未作圖式)。該影像擷取子系統450通常包括一影像感測器120，其具有關聯之成像光學器件112，以在掃描期間捕獲一目標物件50的影像；一照明器19，其具有關聯之照明光學器件39，以照亮該影像感測器120的一視場。視需要，照明器19包含一個或多個SLM 502以改變性質，例如不同應用所需要的按需之其光源的角度形狀。

通常，影像擷取子系統450包含一控制器460，其用於協調目標物件50及影像擷取子系統450的相對位置及運動與照明器19的照明週期及用影像感測器120的影像捕獲。根據本發明之實施例，在操作期間，一目標物件50，例如將被檢測的一面板插入至該AOI系統中，且藉由影像擷取子系統450掃描。視需要，影像係隨面板之發展而使用不同照明組態獲取。根據本發明之一些實施例，分析及報告從影像感測器120的輸出，例如以一缺陷報告的形式。

根據本發明之一些實施例，照明器19包含一個或多個(例如，一陣列)LED燈，一光纖束陣列，及/或一整合投射光引擎陣列。根據本發明之一些實施例，照明光學器件39包含提供一似科勒照明陣列的透鏡陣列。視需要，照明光學器件39額外地包含一場透鏡，其用於將反射光引導至成像光學器件112的一入射光瞳。通常，照明光學器件39額外地包含一反射鏡及/或分束器，其經定位以將來自照明器19的照明朝向目標物件50引導，且將從目標物件50反射的光朝向影像感測器120投射。

根據本發明之一些實施例，影像感測器120可為一線性或TDI類型的影像感測器，其捕獲較佳地具有40:1或更大的一縱橫比的一長形視場的影像。根據本發明之一些實施例，具有照明光學器件39的照明器19在具有大體上小於影像感測器120之視場的縱橫比之一區域上提供照明區域。根據本發明之一些實施例，所提供的照明以該角視場對於該照亮區域內的所有點係相同的意義而在該照明區域上係空間不變的。

現參考圖12A及圖12B，比較使用根據本發明之一些實施例之該照明系統在一例示性模擬中於入射光瞳上所接收的輻照度。該模擬計算落在成像透鏡之平面(例如，成像透鏡110之入射光瞳，圖2A至圖2B)上的一8個圓形光源之陣列20的疊加影像。由從在一檢測表面上量測為48毫米乘1毫米的一視場集中的光線而形成該等影像。此一視場通常係TDI類型的線性照相機。該透鏡孔徑位於距該檢測表面達約250毫米。該分析對於該等光源之部分上的朗伯(例如，LED照明)及高斯角度發射兩者而執行。如該等圖式清晰地展示，一較好定義的圓形影像在兩種情況下形成，對應於一純明場照明，其在該物件處級聯一5°全角。該朗伯發射源產生一更均勻照亮的光瞳，如由其「更平坦」水平及垂直橫截面而證實。此證實根據本發明建立的照明系統使用一非遠心成像透鏡而在一長形視場上產生沒有漸暈的準遠心之似科勒照明的能力。

術語「包括」、「包含」、「具有」及其等的變化意謂著「包含但不限於」。

術語「由...組成」意謂著「包含但不限於」。

術語「基本上由...組成」意謂著組合物、方法或結構可包含額外成分、步驟及/或部分，只要該等額外成分、步驟及/或方法本質上並不改變所主張之組合物、方法或結構的基本及新穎特性即可。

應瞭解，本發明之某些特徵(其等為清晰起見而在分離之實施例的內文中描述)亦可以組合提供於一單一實施例中。相反，本發明之多種特徵(其等為簡短起見在一單一實施例之內文中描述)亦可分離地或以任何適宜子組合或適宜地在本發明之任何其他描述的實施例中提供。描述於多種實施例之內文中的某些特徵並不看作此等實施例之基本特徵，除非該實施例沒有此等元件係不起作用的。

10．．．光源

11R．．．交替顏色

11B．．．交替顏色

19．．．照明器

20．．．光纖束陣列

21．．．光纖束

22．．．光纖束

23．．．光纖束

24．．．光纖束

25．．．光纖束

26．．．光纖束

27．．．光纖束

28．．．光纖束

29．．．光纖束

30．．．透鏡陣列

31．．．透鏡

32．．．透鏡

33．．．透鏡

34．．．透鏡

35．．．透鏡

36．．．透鏡

37．．．透鏡

38．．．透鏡

39．．．照明光學器件

40．．．場透鏡

50．．．目標物件

51．．．子區域

60．．．反射鏡

65．．．反射表面

70．．．分束器

100．．．成像透鏡

110．．．成像透鏡

112．．．成像光學器件

120．．．線性感測器

145．．．方向

150．．．照明光線

165．．．方向

166．．．角度

177．．．外殼

190．．．方向

200．．．離散光源陣列

201．．．離散光源

208．．．離散光源

210．．．光源

220．．．光纖束接收單元

221．．．通孔

222．．．通孔

227．．．通孔

228．．．通孔

240．．．燈電源供應器

241．．．燈

242．．．拋物鏡

245．．．數位微鏡裝置驅動電路

250．．．光源系統

260．．．錐形之光束

278．．．外殼

300．．．透鏡陣列

301．．．透鏡

308．．．透鏡

400．．．整合投射光引擎

450．．．影像擷取子系統

460．．．控制器

500．．．空間光調變器陣列

501．．．數位微鏡裝置

502．．．空間光調變器

505．．．分束稜鏡

508．．．空間光調變器

515．．．透鏡

520．．．投射透鏡

540．．．中繼透鏡

555．．．長形視場

570．．．空間光調變器影像

580．．．空間光調變器影像

911R．．．光束

911B．．．光束

921．．．光纖

922．．．光纖

923．．．光纖

924．．．光纖

925．．．光纖

926．．．光纖

927．．．光纖

928．．．光纖

1000．．．照明系統

圖1係根據本發明之一些實施例之用於照亮一長形視場的一照明系統之光學組件的一例示性示意圖；

圖2A及圖2B係根據本發明之一些實施例之成像系統在兩個正交平面內照明之一光學設計的例示性示意圖；

圖3係根據本發明之一些實施例之一照明系統的替代光學組件的一例示性示意圖；

圖4A及圖4B係根據本發明之一些實施例之基於該等替代光學組件的兩個不同平面內的一光學設計的例示性示意圖；

圖5係使用根據本發明之一些實施例之一分束器的照明系統的一光學設計的一例示性示意圖；

圖6係根據本發明之一些實施例之並不需要分束的照明系統的一替代光學設計的一簡化示意圖；

圖7A係根據本發明之一些實施例之該照明系統之一光纖光學單元的一例示性示意圖；

圖7B及圖7C係根據本發明之一些實施例之照明系統的一機械結構的例示性示意圖；

圖7D係根據本發明之一些實施例之一例示性光纖束的一橫截面示意圖；

圖8A係根據本發明之一些實施例之用於照亮一長形視場的基於SLM的一照明系統的光學組件的一例示性示意圖；

圖8B係饋送至根據本發明之一些實施例之一照明系統之一光纖束的一SLM光源的光學組件的一例示性示意圖；

圖8C及圖8D展示根據本發明之一些實施例之分別用於提供暗場照明及明場照明的SLM影像；

圖9A及圖9B係在根據本發明之一些實施例之照明系統之兩個鄰接透鏡之間界接的目標物件上的一區域上的基於SLM的一照明系統的一照明路徑及輸出的一例示性示意圖；

圖10係根據本發明之一些實施例之具有一整合投射光引擎的基於SLM的一光系統的一例示性示意圖；

圖11係AOI的一掃描系統的一例示性方塊圖，其包含根據本發明之一些實施例之一照明系統；及

圖12A及圖12B展示使用根據本發明之一些實施例之照明系統在一例示性模擬中於入射光瞳上所接收的輻照度。

20．．．光纖束