TWI662637B - 使用針孔陣列的物體共焦成像裝置和方法 - Google Patents

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Abstract

本發明提供了一種用於檢查物體的共焦成像裝置包括：光源，用於投射光以照亮所述物體；以及成像設備，用於沿著所述物體和所述成像設備之間的光路接收從所述物體反射的光。針孔陣列包括多個針孔，並且沿所述光路設置，使得從所述物體反射的光可以通過所述針孔陣列。一種機構，用於在垂直於所述光路的直線方向上沿著單個軸線移動所述針孔陣列，以將對應於所述物體的基本連續區域的圖像傳送到所述成像設備上。

Description

使用針孔陣列的物體共焦成像裝置和方法
本發明涉及一種檢查裝置，特別涉及一種對物體表面進行成像的共焦檢查裝置。
在電子封裝應用中，一般需要對物體或工件進行檢查以檢測最終產品的品質。共焦成像技術能夠為這種檢查提供高解析度的二維圖像。此外，在眾多電子封裝檢查應用中，例如，引線接合工藝控制中的球厚度測量中，也需要三維輪廓的高精度檢查。
在一種共焦成像方法中，所取得重要進步是使用一塊包括一個或多個針孔的板，所述板有助於消除進入光學成像系統的離焦光線。然而，為了獲得品質更好的成像數據，這種針孔板會限制共焦系統捕獲的光量。通常，為了獲得更緻密的區域圖像，需要進行橫向掃描以獲得更好的圖像資料。為了提高掃描速度，可以將包括多個針孔的旋轉盤廣泛應用於區域成像共焦系統中。
如圖1所示，這種旋轉盤可以包括尼普科夫(Nipkow)盤100。通常，尼普科夫(Nipkow)盤100包括用於照亮將要觀察的物體116 的光源102和圍繞旋轉軸108旋轉的微透鏡盤106和針孔盤110。微透鏡盤106包含微透鏡104，並且置於具有針孔112的針孔盤110之前。每個針孔112具有一個相關聯的微透鏡104。每個微透鏡104用於捕獲寬帶光並將其聚焦到各個針孔112中，從而顯著增加射向每個針孔112的光量，並且減少旋轉針孔盤110阻擋的光量。
來自光源102的光通過微透鏡盤106和針孔盤110之間的分束器122，然後被物鏡114聚焦到物體116上。分束器122朝向聚焦透鏡118反射物體116的圖像，聚焦透鏡將物體116的圖像聚焦到感測器或照相機120上。尼普科夫(Nipkow)盤100是區域掃描共焦系統最常用的配置。當區域掃描共焦系統的針孔盤110以恆定的角速度旋轉時，所述系統能不斷地捕獲圖像。
針孔盤110可以由合適的任何材料製成，例如金屬、塑膠或紙板，並且具有直徑相同的針孔112圖案，這些針孔彼此之間的間隔距離相等。針孔112可以是圓形或正方形。這些針孔112設置如下：基本上，形成了從針孔盤110的外徑點到針孔盤110的中心的單匝螺旋。當針孔盤110旋轉時，針孔112的軌跡形成圓環形圖案，這些圖案的內徑和外徑取決於針孔盤110上每個針孔112的位置，並且所述圖案的厚度和每個針孔112的直徑相等。圓環形圖案可以部分重疊，可以不重疊，這取決於針孔盤110結構的精確度。物鏡114將其前面的物體116的圖像直接投射到針孔盤110上。
螺旋中的每個針孔112的軌跡形成圖像的一部分，並且所述圖像作為明暗區域的圖案被照相機120拍攝下來。當旋轉針孔盤110， 並且通過針孔盤110上相對較小的扇形區域(例如，針孔盤的四分之一或八分之一區域)觀察物體116時，看起來，物體116是被逐行掃描的，首先掃描其長度或高度，甚至也可沿其對角線掃描，這取決於觀察時所選擇的扇形區域的大小。當針孔盤110的旋轉速度夠快時，物體116看起來是完整的，並且有可能捕獲物體的整個區域。重顯圖像的尺寸由針孔盤110的尺寸確定，針孔盤尺寸越大，產生的圖像的尺寸也越大。
根據尼普科夫(Nipkow)盤100的設計，針孔盤110需要旋轉。所述設計的優點在於：當針孔盤110以恆定的角速度旋轉時，這種檢查系統能夠連續捕獲圖像。然而，由於針孔圖案需要圍繞針孔盤110的旋轉軸108移動或旋轉，因此，需要一個相對於被成像區域，直徑非常大的針孔盤110。此外，因為針孔112遍佈整個針孔盤110，其與旋轉軸108的距離各不同，並且，每個針孔112的速度是其角速度和其距旋轉軸108的半徑的倍數，所以，針孔的移動速度不同。通過這種方式，基於曝光時間與針孔112的速度成反比，針孔可以有效地將不同的曝光時間呈現在成像感測器或照相機120上。只有當角開口非常小時，才能實現良好的均勻性(如果有的話)，然而，這會限制旋轉針孔盤110的尺寸。
因此，對於檢查系統，特別是包括具有不同解析度、不同視場和不同景深的光學部件的檢查系統而言，這種採用旋轉盤的方法不能滿足需求。這樣的檢查系統可應用於諸如引線接合球焊檢查中。在檢查中，需要使用高解析度的光學器件檢查球焊接頭，並且使用只包括較低解析度的大景深光學器件檢查附接到球焊接頭上的接合線。
因此，本發明的目的是提供一種相對緊湊的檢查裝置，以避免了上述現有技術的至少部分缺點。
根據本發明的第一方面，提供了一種用於檢查物體的共焦成像裝置。所述裝置包括：光源，用於投射光以照亮所述物體；成像設備，用於沿著所述物體和所述成像設備之間的光路接收從所述物體反射的光；針孔陣列，包括沿所述光路設置的多個針孔，使得從所述物體反射的光能夠通過所述針孔陣列；以及機構，用於在垂直於所述光路的直線方向上沿著單個軸線移動針孔陣列，以將對應於所述物體的基本連續區域的圖像傳送到成像設備上。
根據本發明的第二方面，提供了一種使用共焦成像裝置檢查物體的方法。所述方法包括如下步驟：將光源的光投射到物體上來照亮物體；通過所述成像設備沿著所述物體和成像設備之間的光路接收從所述物體反射的光，其中，從所述物體反射的光通過針孔陣列，所述針孔陣列包括沿所述光路設置的多個針孔；以及在垂直於所述光路的直線方向上沿著單個軸線移動針孔陣列，以將對應於所述物體的基本連續區域的圖像傳送到所述成像設備上，用於檢查所述物體。
參考示出本發明特定優選實施例的附圖將有助於在下文詳細描述本發明。附圖和相關描述的特徵不應被理解為用於取代權利要求所限定的本發明的一般特徵的普遍性。描述本發明的共焦檢查裝置的示例的參考附圖說明如下。
10‧‧‧共焦檢查裝置
100‧‧‧尼普科夫(Nipkow)盤
102‧‧‧光源
104‧‧‧微透鏡
106‧‧‧微透鏡盤
108‧‧‧旋轉軸
110‧‧‧針孔盤
112‧‧‧針孔
114‧‧‧物鏡
116‧‧‧物體
118‧‧‧聚焦透鏡
12‧‧‧光源
120‧‧‧照相機
122‧‧‧分束器
14‧‧‧聚光透鏡
16‧‧‧透鏡
18‧‧‧第一反射鏡
20‧‧‧偏振分束器
22‧‧‧針孔陣列
24‧‧‧針孔陣列
26‧‧‧管透鏡
28‧‧‧第二反射鏡
30‧‧‧分色元件
32‧‧‧四分之一波長波片
34‧‧‧物鏡
36‧‧‧物體
38‧‧‧成像透鏡
40‧‧‧CCD照相機
42‧‧‧掃描方向
44‧‧‧點
46‧‧‧方向
48‧‧‧點
50‧‧‧垂直掃描
52‧‧‧點
54‧‧‧向後方向上
56‧‧‧點
60‧‧‧圖像
62‧‧‧圖像
A‧‧‧針孔
B‧‧‧針孔
C‧‧‧針孔
x‧‧‧方向
X‧‧‧間隔距離
y‧‧‧方向
Y‧‧‧間隔距離
θ‧‧‧角度
圖1展示了現有技術中掃描物體表面的尼普科夫(Nipkow)盤的等距視圖；圖2展示了根據本發明的優選實施例的共焦檢查裝置的等距視圖；圖3展示了圖2所示的共焦檢查裝置的針孔陣列的平面圖；圖4是與針孔陣列的使用相關的示例性圖像捕獲順序的示圖；圖5A和5B分別表示通過本發明的優選實施例提供的共焦檢查裝置所獲得的靜態針孔陣列圖像和共焦圖像。
圖2展示了根據本發明的優選實施例的利用共焦成像原理的共焦檢查裝置10的等距視圖。所述共焦檢查裝置10包括用於投射光以照亮物體36的光源12。所述光源12可以產生光線，所述光線先通過聚光透鏡14，然後通過菲涅耳(Fresnel)透鏡16。最後，光線由第一反射鏡18反射到偏振分束器20。
通過針孔陣列22(包括具有多個針孔24的針孔板)和管透鏡26，偏振分束器20沿著光路將光線射到第二反射鏡28上。第二反射鏡28通過分色元件30、四分之一波長波片32和物鏡34反射光線，所述物鏡將光線聚焦到待檢查的物體36上。所述共焦檢查裝置10與傳統的分色共焦系統的不同之處在於：針孔板上設有針孔陣列圖案而不是單個針孔。偏振分束器20和四分之一波長波片32用於抑制各種透鏡表面上的內 部雜散光線。
從物體36反射回來的光線沿著光路通過物鏡34、四分之一波長波片32、分色元件30、第二反射鏡28、管透鏡26和針孔陣列22到達偏振分束器20。對應地，在照亮物體36之前和從物體36反射回來之後，光源12投射的光都會通過針孔陣列22。通過這種方式，接收的光線可以通過偏振分束器20到達成像透鏡38上，並且所得到的圖像通過諸如CCD照相機40的成像設備被成像。
圖3展示了圖2所示的共焦檢查裝置10的針孔陣列22的平面圖。通過使用針孔陣列22，借由針孔陣列22沿著單個軸線的運動，可以有效利用整個針孔陣列24區域來獲得共焦圖像。因此，可以使系統成品的結構尺寸較小。
在針孔陣列22的設置中，每個針孔24的直徑為D，並且以規則的矩陣圖案排列或佈置所述針孔。每個針孔24與x方向的針孔之間的寬度間隔為X，與y方向的針孔之間的高度間隔為Y。換言之，透光率T為：T=πD2/(4XY) (1)。
如圖3所示，當矩陣圖案相對於針孔陣列22移動的直線方向傾斜特定角度θ時，應當移動針孔24，使針孔陣列22的單軸運動可以完全填充圖像的視場。θ的計算如下：1、兩個相鄰針孔A和B在x方向上產生的兩條掃描線之間的距離為X．sin θ；2、兩個相鄰針孔A和C在y方向產生的兩條掃描線之間的距離為Y．cos θ。
為了均勻分佈掃描線，Y．cos θ應該是被乘數X．sin θ的整數倍，即Y．cosθ=N．X．sinθ，由此可得：θ=tan-1(Y/(N‧X)) (2)。
通過N值的選擇，針孔掃描線可以完全填充所需求的整個視場。N．X的值也必須大於Y．cos θ。例如，當兩條相鄰的掃描線重疊部分長度為寬度的一半時，則：N．X2Y．cosθ。
當θ值較小時，cosθ1，因此：N=[2Y/D] (3)。
可以觀察到，重疊的量的多少會影響垂直於掃描線42的方向上圖像亮度的均勻性。然而，因為圖案亮度是不變的，所以，這種均勻性的變化可以通過校準來補償。
可以看出，為了使所選區域的掃描完整，針孔24的移動距離Td應該是：Td=K．(N．X．cosθ+Y．sinθ)-D (4)，其中，K為正整數。
例如，具有圓形針孔24(每個圓形針孔的直徑為10微米)的針孔矩陣的目標透光率約為1/40。應該注意到，因為針孔24彼此之間可能相互影響，並且產生偽影，所以透光率的值不應太大。通常，相鄰針孔24在x方向上的間隔距離(X)應當等於在垂直於x方向的y方向上的相鄰針孔24之間的間隔距離(Y)，使針孔24沿x方向和y方向的任何運動的痕跡(cross-talk)都是相同的(isotopic)。因此，從式(1)可得到：X=Y=(40×π×102/4)½=56(微米)；並且，從式(3)可得到：N=[2×56/10]=11。
根據式(2)，針孔陣列22相對於直線運動軸的傾斜角應為：θ=tan-1(Y/(N．X))=tan-1(1/11)=5.19°。
在式(4)中，當K=1，針孔陣列22的掃描距離為：Td>(11．56．cos(5.19°)+56．sin(5.19°)-10)=608.5(微米)。
如上所述，根據角度θ的選擇，僅利用針孔陣列22在直線 方向上的運動，就可以將物體的整個基本連續區域傳輸到CCD照相機40上。此外，通過角度θ的選擇，針孔陣列22在直線方向上的運動可以完全填充物體36的基本連續區域的圖像視場。
優選地，當針孔陣列22的設置如圖所示時，實施雙向週期性運動。這意味著設有針孔24的針孔板在相對於光路的直線方向上以基本恆定的速度交替地向前和向後移動，以實現每個掃描操作。
圖4是與針孔陣列22的使用相關的示例性圖像捕獲順序的示圖。通常，圖像捕獲順序包括三個階段。
在第一階段，針孔陣列22沿掃描方向42加速到指定速度。在點44處，開始CCD照相機40的第一次圖像曝光，在曝光期間，沿著前進的方向46，針孔陣列22的速度保持恆定。
在第二階段，當針孔陣列22以恆定速度移動時，繼續照相機曝光操作直到針孔陣列22到達預定的移動位置。在點48處，結束照相機的第一次圖像曝光，並且CCD照相機40的資料被傳送到處理器以進行處理。
在第三階段，針孔陣列22減速直到其完全停止。需要一定的時間來逆轉針孔陣列22的移動方向。在此時間間隔內，可進行其它的諸如切換視場或改變用於垂直掃描50的照相機的高度水準的同步運動。
隨後，在向後方向上，針孔陣列22加速到指定的恆定速度，並且，在點52處，開始CCD照相機40的第二次圖像曝光。當針孔陣列22以恆定速度在向後方向上54移動時，繼續相機曝光直到針孔陣列22 到達預定的移動位置。在點56處，結束照相機的第二次圖像曝光。並且，針孔陣列22一直減速直到其完全停止。
上述步驟將一直循環繼續，直到捕獲了所需要的物體36的圖像。
圖5A和圖5B分別表示通過本發明的優選實施例提供的共焦檢查裝置所獲得的靜態針孔陣列圖像和共焦圖像。在圖5A中，圖像60展示了針孔24的傾斜矩陣。如圖5B所示，在圖像捕獲的過程中，當針孔陣列22沿著掃描方向42移動之後，捕獲的圖像62表示包括整個待檢查區域的視場。
應當理解，根據本發明的優選實施例的共焦檢查裝置10提供了利用單軸運動系統的針孔掃描配置，所示系統可以顯著減小針孔陣列22的尺寸，並可以減小共焦檢查裝置10的總尺寸。並且，可以有效地利用針孔陣列22的面積。特別地，與現有技術中使用的旋轉運動系統相比，直線運動系統的結構尺寸可以更加緊湊。因此，可以減小共焦光學系統的總尺寸。此外，針孔圖案還可以包括諸如規則網格圖案的簡單分佈的圖案。
另外，所示的共焦檢查裝置10具有這樣的針孔圖案：通過所述針孔圖案，可以在待檢查的整個視場上獲得良好的亮度均勻性。
雖然，以上已對本發明進行了具體描述，但是，本發明易於發生的變化、修改和/或添加。應當理解，所述變化、修改和/或添加落入上述描述的精神和保護範圍之內。

Claims (17)

  1. 一種用於檢查物體的共焦成像裝置，所述裝置包括：光源，用於投射光以照亮所述物體；成像設備，用於沿著所述物體和所述成像設備之間的光路接收從所述物體反射的光；針孔陣列，包括沿所述光路設置的多個針孔，使得從所述物體反射的光能夠通過所述針孔陣列；以及機構，其用於在垂直於所述光路的直線方向上沿著單個軸線移動所述針孔陣列以將對應於所述物體的基本連續區域的圖像傳送到所述成像設備上；其中，所述針孔陣列具有以矩陣排列方式分佈之多個針孔，該些針孔位於垂直於所述光路的平面上，並且相對於所述針孔陣列移動的直線方向，矩陣排列的針孔以一定的角度傾斜。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的共焦成像裝置，其中，根據所述針孔陣列的設置，在照亮所述物體之前，所述光源投射的光能通過所述針孔陣列。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的共焦成像裝置，其中，所述針孔陣列包括針孔板。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的共焦成像裝置，其中，通過所述角度的選擇，僅利用所述針孔陣列在所述直線方向上的運動，就能夠將所述物體的整個基本連續區域傳輸到所述成像設備上。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的共焦成像裝置，其中，通過所述角度的選擇，所述針孔陣列在所述直線方向上的運動能夠完全填充所述物體的所述基本連續區域的圖像的視場。
  6. 如申請專利範圍第3項所述的共焦成像裝置，其中，以矩陣方式排列的第一方向(X)上的相鄰針孔之間的間隔距離等於與所述第一方向垂直的第二方向(Y)上的相鄰針孔之間的間隔距離。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的共焦成像裝置，其中，所述針孔陣列在相對於所述光路的所述直線方向上以基本恆定的速度交替地向前運動和向後運動，以實現每個檢查操作。
  8. 如申請專利範圍第7項所述的共焦成像裝置，其中，在所述針孔陣列以基本恆定的速度移動並且到達預定的移動距離期間，進行所述成像設備的圖像曝光。
  9. 如申請專利範圍第1項所述的共焦成像裝置，還包括：沿所述針孔陣列和所述物體之間的所述光路設置的分色元件和四分之一波長波片。
  10. 如申請專利範圍第1項所述的共焦成像裝置，其中，所述成像設備包括CCD照相機。
  11. 一種使用共焦成像裝置檢查物體的方法，所述方法包括以下步驟：將光源的光投射到物體上來照亮物體；通過成像設備沿著所述物體和所述成像設備之間的光路接收從所述物體反射的光，其中，從所述物體反射的光通過針孔陣列，所述針孔陣列包括沿所述光路設置的多個針孔；以及在垂直於所述光路的直線方向上沿著單個軸線移動所述針孔陣列，以將對應於所述物體的基本連續區域的圖像傳送到所述成像設備上，用於檢查所述物體；其中，所述針孔陣列具有以矩陣排列方式分佈之多個針孔，該些針孔位於垂直於所述光路的平面上，並且相對於所述針孔陣列移動的直線方向，矩陣排列的針孔以一定的角度傾斜。
  12. 如申請專利範圍第11項所述的方法，其中，通過所述針孔陣列的設置，在照亮所述物體之前，所述光源投射的光通過所述針孔陣列。
  13. 如申請專利範圍第11項所述的方法，其中，所述針孔陣列包括針孔板。
  14. 如申請專利範圍第11項所述的方法，其中，通過所述角度的選擇，僅利用所述針孔陣列在所述直線方向上的運動，就能夠將物體的整個基本連續區域傳輸到成像設備上。
  15. 如申請專利範圍第11項所述的方法，還包括下述步驟：在第一檢查操作期間，在相對於所述光路的所述直線方向上以恆定的速度向前移動所述針孔陣列；以及，隨後在第二檢查操作期間，在相對於所述光路的所述直線方向上以恆定的速度向後移動所述針孔陣列。
  16. 如申請專利範圍第15項所述的方法，還包括下述步驟：在所述針孔陣列以基本恆定的速度移動並且到達預定的移動距離期間，進行所述成像設備的圖像曝光。
  17. 如申請專利範圍第11項所述的方法，其中，所述成像設備包括CCD照相機。
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