專利名稱：用于同時進行二維和形貌檢查的方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明一般涉及用于同時檢測物體表面的不同特征的系統(tǒng)和方法，更具體地說，涉及可用于檢查表面缺陷的同時檢測表面的二維和形貌信息的系統(tǒng)的方法。
背景技術：
眾所周知，在制造的各種階段，使用自動的光學檢查系統(tǒng)來檢查諸如印刷電路板(PCB)一類的電路的缺陷。制造電路的一個重要階段是在安裝諸如微型芯片和其他半導體器件一類的電子器件之前，在PCB上沉積釬料膏(solder paste)。事實上，電子器件的很大一部分缺陷可歸因于與釬料膏沉積有關的問題引起的缺陷。早期發(fā)現(xiàn)這些問題，可使電子器件的制造者節(jié)省相當多的成本。
通常認為有各種因素可決定釬料膏沉積的質(zhì)量。這些因素包括釬料焊盤上每一個釬料膏沉積物的位置精度，釬料膏沉積物的平均厚度，和每一個釬料膏沉積物的體積差。
因此，用于自動的光學檢查釬料膏沉積物的一個有效系統(tǒng)應能夠精確地確定有關上面沉積著釬料膏的印刷電路板表面的二維以及形貌信息(各個位置的高度信息)。為了避免在將電子元件裝配在組裝電子電路裝置上的過程中形成瓶頸，必須高速地檢測和處理這個信息。
發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明實施例的一個寬泛的方面，一個系統(tǒng)利用單個傳感器陣列同時檢測表面的不同類型的信息。
本發(fā)明希望提供用于同時采集表面的二維和形貌信息，特別是對于檢查釬料膏沉積物缺陷有用的信息的一個改進的系統(tǒng)。
本發(fā)明希望提供用于同時檢測被成像到單個傳感器陣列上的、位于不重疊的位置處的表面的二維和形貌信息的裝置。
本發(fā)明還希望提供用于同時檢測表面的二維信息和形貌信息的裝置，該形貌信息利用從與該表面垂直的方向提供的照明來檢測。
本發(fā)明還希望提供用于在第一位置上以適于檢測表面的二維信息的照明來照明表面，而在第二位置上以適于檢測形貌信息的照明來照明該表面的裝置。用于檢測二維信息的照明包括以多個角度提供的集中照明。用于檢測形貌信息的照明是沿著大體上垂直于該表面的方向提供的。
本發(fā)明還希望提供用于用相干光照明表面的裝置，該裝置用于由一相干光源產(chǎn)生一擴展光源，然后將來自該擴展光源的光集中到所述表面上。
本發(fā)明還希望提供用于檢測表面的信息的裝置，該表面被從激光器發(fā)射的、已經(jīng)在角度上被展開并隨后聚焦到該表面上的光所照明。擴展和隨后的聚焦減小了激光照明的相干性。該表面通過具有多個像素的一掃描傳感器陣列被成像，使該表面上的每一個位置依次地由至少兩個像素成像。將從所述至少兩個像素得出的檢測值被合并，以提高均勻性。
因此，根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，提供了一種用于檢測表面的信息的裝置，其包括采集表面的二維信息的第一組多個光學元件；采集所述表面的形貌信息的第二組多個光學元件；所述第一組多個和所述第二組多個光學元件同時將所述的二維信息和所述的形貌信息提供單個傳感器陣列的至少部分不重疊的部分。
各子實施例包括以下特征中的一個或多個所述第一組多個光學元件從所述表面的第一部分采集所述的二維信息；而所述第二組多個光學元件從所述的表面的第二部分采集所述的形貌信息。
所述表面的所述第一部分和所述表面的所述第二部分至少是部分不重疊的。
所述表面的所述第一部分包括所述表面的一第一長形區(qū)域，而所述表面的所述第二部分包括所述表面的一第二長形區(qū)域。
一移位裝置在采集所述二維信息的過程中，在所述表面和所述第一組多個光學元件之間提供相對位移。
在其處采集二維信息的所述表面的第一部分包括所述表面的一第一長形區(qū)域，而在其處采取形貌信息的所述表面的第二部分包括與所述第一長形區(qū)域至少部分地不重疊的所述表面的一第二長形區(qū)域。
在采集所述形貌信息的過程中，所述移位裝置還用于在所述表面和所述第二組多個光學元件之間提供相對位移。
所述第一組多個光學元件包括與所述第二組多個光學元件共享的一個成像透鏡。所述成像透鏡接收所采集的二維信息和所采集的形貌信息。
所述成像透鏡用于在所述傳感器上生成所述表面的第一部分的圖像，以采集與所述第一部分對應的二維信息；以及生成所述表面的第二部分上的照明光線的圖像，以采集與所述第二部分對應的形貌信息。
一第一組多個照明光學元件以適于采集所述表面的二維信息的照明去照明所述表面的所述第一部分；并且一第二組多個照明光學元件以適于采集所述表面的形貌信息的照明去照明所述表面的所述第二部分。
所述第一組多個照明光學元件包括至少一個光發(fā)射器，該至少一個光發(fā)射器從相對于第一軸線的一第一會聚角度范圍內(nèi)提供至少部分照明；并從相對于所述第一個軸線的一第二會聚角度范圍內(nèi)提供另外的照明。
所述至少一個光發(fā)射器包括多個激光二極管。
所述照明光學元件包括一散射器，其沿著大體上垂直于所述第一軸線的一第二軸線，擴展來自所述至少一個光發(fā)射器的光。
所述散射器包括一雙凸透鏡陣列。
所述第二組多個照明光學元件包括至少一個光發(fā)射器，其從大體上垂直于所述表面的方向照明所述表面上的一線形區(qū)域。
所述至少一個光發(fā)射器包括至少一個發(fā)射結構光的激光發(fā)射器。
所述第一組多個光學元件從大體上垂直于所述表面的方向?qū)λ霰砻娴牡谝徊糠秩【啊?br>
所述第二組多個光學元件從與所述表面成角度的方向?qū)λ霰砻娴牡诙糠秩【啊?br>
所述第二組多個光學元件從與所述表面成角度的方向?qū)λ霰砻娴牡诙糠秩【啊?br>
所述第一部分由在相對于所述表面的多個角度上提供的照明來進行照明。
所述第二部分由從大體上垂直于所述表面的方向提供的照明進行照明。
所述第一部分和所述單個傳感器陣列之間的光路距離等于所述第二部分和所述單個傳感器陣列之間的光路的距離。
根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，提供了一種用于檢測表面的信息的裝置，其包括采集表面的二維信息的第一組多個光學元件；在采集所述二維信息的過程中采集所述表面的形貌信息的第二組多個光學元件；所述第二組多個光學元件包括一照明器，該照明器從大體上垂直于所述表面的方向照明所述表面的一第一部分。
各子實施例包括以下特征中的一個或多個所述第一組多個光學元件從大體上垂直于所述表面的方向采集所述二維信息。
所述第二組多個光學元件從大體上不垂直于所述表面的方向采集所述的形貌信息。
所述第二組多個光學元件從大體上不垂直于所述表面的方向采集所述的形貌信息。
所述第一組多個光學元件和一合束器界定出從大體上垂直于所述表面的方向?qū)λ霰砻娴牡谝徊糠秩【暗牡谝还饴?；和所述第二組多個光學元件和所述合束器界定出從大體上不垂直的角度對所述表面的第二部分取景的第二光路。
至少一個傳感器檢測所述表面的信息；并且一移位裝置當所述傳感器檢測所述信息時，使所述表面和所述傳感器相對彼此移位。
所述第一部分和所述第二部分基本不重疊。
所述至少一個傳感器包括用于在所述傳感器陣列的第一位置上檢測與所述第一部分對應的二維信息以及在所述傳感器陣列的第二位置上檢測與所述第二部分對應的形貌信息的單個傳感器陣列。所述第一位置基本不與所述第二位置重疊。
根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，提供了一種用于照明一表面以同時檢測該表面的二維和形貌信息的裝置，其包括第一照明源，其以適于檢測所述表面的二維信息的第一照明去照明所述表面的第一部分；所述第一部分沿著一第一軸線呈長形，所述第一照明從相對于與所述第一軸線相交的第二軸線的至少兩個不同的角度范圍內(nèi)照射在所述表面上；和第二照明源，其以適于檢測所述表面的形貌信息的第二照明去照明所述表面的第二部分，所述第二部分沿著所述第一軸線呈長形，所述第二照明從相對于所述第二軸線與所述表面垂直的方向照射在所述表面上。
各子實施例包括以下特征中的一個或多個
所述第一部分和所述第二部分不重疊。
所述第一部分的沿著所述第二軸線的寬度尺寸比所述第二部分的沿著所述第二軸線的寬度尺寸寬。
所述至少兩個不同的角度范圍內(nèi)的第一角度范圍與所述至少兩個不同的角度范圍內(nèi)的第二角度范圍不重疊。
根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，提供了一種利用相干光照明一表面的裝置，其包括發(fā)射相干光的發(fā)射器；對所述發(fā)射器發(fā)射的光進行準直的準直透鏡；接收所述準直光并將所述準直光散布在沿著一第一軸線的多個位置中的每一個位置處的第一散射器；和接收來自所述散射器的光并將所述光集中在一表面上的柱面透鏡。
根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，提供了一種用于檢測表面信息的裝置，其包括至少一個發(fā)射相干光的燈；一散射器，其接收所述相干光，并輸出表現(xiàn)為從所述散射器上的多個位置發(fā)射出的光，每一個位置處的光在多個方向上輸出；一透鏡，其接收來自所述散射器的光，并使所述光集中在一表面上；和包括多個傳感器元件的一傳感器陣列，所述陣列布置成使得所述表面上的一個位置依次由至少兩個傳感器元件檢測。
本發(fā)明的各子實施例包括以下特征中的一個或多個所述燈包括激光器。
所述激光器包括二極管激光器。
所述散射器包括一雙凸透鏡陣列，該雙凸透鏡陣列使所述相干光沿著一第一軸線但不沿著與所述第一個軸線垂直的第二軸線擴展。
所述透鏡包括一柱面透鏡，其使來自所述散射器的光沿著所述第一軸線聚焦。
所述柱面透鏡包括菲涅耳透鏡。
所述傳感器陣列包括CMOS傳感器陣列。
所述CMOS傳感器陣列包括在存儲器積分工作模式下工作的傳感器陣列。
從下面結合附圖進行的詳細說明中，將可以更充分地理解本發(fā)明。其中圖1A為根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的檢測一個表面的二維和形貌信息的系統(tǒng)的一個簡化的圖示；圖1B為圖1A所示系統(tǒng)的簡化的側視圖和射線跟蹤(ray trace)；圖2A～2D為同時檢測一個表面的隔開位置上的二維和形貌信息的裝置的簡化結構的側視圖；圖3為同時檢測一個表面的隔開位置上的二維和形貌信息的另一個裝置的簡化結構的側視圖；圖4為在圖1A所示系統(tǒng)中可使用的一個照明系統(tǒng)的簡化的圖示；圖5A為圖4所示照明系統(tǒng)的簡化的側視圖和射線跟蹤；圖5B為圖4所示照明系統(tǒng)的簡化的正視圖和射線跟蹤；圖6A和6B為根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的同時將二維和形貌信息在同一傳感器上成像的一個光學系統(tǒng)的相應的俯視和側視射線跟蹤。
具體實施例方式
參見圖1A和圖1B，圖1A是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例用于檢測表面12的多個特征的系統(tǒng)10的簡化圖示，圖1B為圖1A所示系統(tǒng)的簡化的側視圖和射線跟蹤。系統(tǒng)10可用于檢測表面12的二維和形貌特征，并且一般包括設置用于采集表面的二維信息的第一組多個光學元件和設置用于采集該表面的形貌信息的第二組多個光學元件。該第一組多個光學元件和第二組多個光學元件可設置成同時將二維信息和形貌信息提供給一個傳感器陣列14。該傳感器陣列檢測輸入信息，并輸出包括表面12的二維和形貌記錄的電子文件15。該計算機文件15由一個用以分析該文件的缺陷分析儀18接收，以確定表面12上的缺陷的位置。
從圖1A可看出，一些光學元件只用于檢測二維特征，一些光學元件只用于檢測形貌特征，而一些光學元件可用于檢測二維和形貌特征兩者。但是，這個結構是示例性給出的，光學元件的其他的適當?shù)慕M合也可以使用。例如，可以設置光學元件，使光學元件專門用于檢測二維或形貌信息，或者使可以使用系統(tǒng)中的所有光學元件用于檢測二維和形貌信息。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，系統(tǒng)10用于檢查正在制造的電路(例如印刷電路板)上的釬料膏沉積物16。在將諸如集成電路一類的電子零件裝配在印刷電路板上以前，沉積釬料膏。一般將傳感器陣列14的輸出(例如電子文件15)提供給一臺缺陷檢測計算機18，該計算機分析該輸出并指示在該釬料膏沉積物中的缺陷。在一個檢查釬料膏沉積物的應用中，缺陷包括但不限于釬料膏沉積位置不正確，釬料膏沉積物的高度尺寸不合適，和釬料膏沉積物的釬料膏體積不夠。
從圖1A可看出，系統(tǒng)10在傳感器14處同時采集表面12的第一部分20的二維圖像以及表面12的第二部分22的獨立的形貌信息，例如高度輪廓。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，設置一個移位裝置(沒有示出)，以便在采集表面12的二維和/或形貌信息的過程中，使表面12和系統(tǒng)10互相彼此相對移動，例如如箭頭24所示那樣。因此可以發(fā)現(xiàn)，雖然相應的第一部分20和第二部分22只涵蓋表面12的一部分，但通過互相相對移動系統(tǒng)10和表面12，可以采集整個表面的二維和形貌信息。信息可以在一行或多行(例如，蛇形線圖形)處采集。
本發(fā)明的一個實施例的特點是，利用單個傳感器陣列14檢測二維信息和形貌信息二者。二維信息是在位于傳感器陣列14的第一位置26上的一排或多排像素上，利用一排或多排傳感器檢測的。形貌信息是利用傳感器陣列14的第二位置28上的幾排像素，通過三角測量(triangulation)檢測的。在位置28處的每一排像素表示在給定的橫向位置上的表面高度。
從圖1A可看出，在表面12上界定出第一長形區(qū)域的第一部分20，和在表面12上界定出第二長形區(qū)域的第二部分22，在表面12上互相彼此隔開一定距離，并且至少部分地不重疊。同樣，在傳感器陣列14上，第二位置28與第一位置26隔開一定距離，并且在傳感器陣列14上的該兩個位置26和28至少部分地不重疊。傳感器陣列為高速CMOS式傳感器，例如為可從美國愛達荷州的Micron Technologies有限公司的成像分部購買到的MV10型或MV4O型CMOS光電傳感器陣列。在本發(fā)明的一個實施例中，信息從CMOS傳感器中的選定的像素讀出。這樣，根據(jù)系統(tǒng)設計可以不需要使用傳感器陣列中的全部像素。實際上只讀取檢測二維和形貌信息所需的像素，因此可加速信息的檢測。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，傳感器陣列14在存儲器積分工作模式下檢測二維信息。在存儲器積分工作模式中，在掃描過程中依次采集多個部分地重疊的圖像，并且進行數(shù)字化。依次將數(shù)字圖像加載到存儲器上，并將從部分重疊的圖像中的對應位置得到的數(shù)字像素值加在一起，生成一個復合圖像。在2002年6月21日提出的共同未決的美國專利申請10/176003中更詳細地說明了工作于存儲器積分工作模式下的CMOS傳感器。該申請的題為“用于掃描系統(tǒng)的光學傳感陣列”，其全部內(nèi)容通過引用被結合于此。本領域已知的其它檢測二維信息的適當?shù)姆椒ㄒ部梢允褂谩?br>
形貌信息使用三角測量方法獲得，優(yōu)選，利用沿大致垂直于表面12的軸線設置的照明。
通過將檢測二維信息和形貌信息的表面12上的相應部分20和22分開，可以在每一個部分上優(yōu)化檢測二維和形貌信息的照明。通過使用單個傳感器陣列14檢測表面12的二維和形貌信息，結合經(jīng)正確校正和對準的光學系統(tǒng)，可使二維信息和形貌信息保持高度精確的定位，從而使該二維和形貌信息之間能夠高度準確地相關。另外，使用單個傳感器同時檢測二維和形貌信息，與采集二維和形貌信息二者的其他系統(tǒng)比較，可以降低成本。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，兩個信息通道，一個用于二維信息，一個用于形貌信息，被“多路傳輸”到同一傳感器陣列上。在圖1A和1B所示的實施例中，多路傳輸通過在空間上將相應的二維和形貌信息通道分開來實現(xiàn)。如圖1A和1B所示，沿著分開的光路40和42提供照明，以照明表面12在空間上分開的部分20和22。反射鏡30和合束棱鏡(beam combiningprism)32同時將二維和形貌信息分別從部分20和22傳送至成像透鏡44，最后傳送至傳感器陣列14。應注意，根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，盡管檢測二維信息的部分20和檢測二維信息的部分22空間上分開，但部分20和傳感器陣列14之間的光路長度與部分22和傳感器陣列14之間光路長度相等。
或者，如下面將要進一步說明的那樣，相應的二維和形貌信息通道的分開可以利用各種可替換的方法實現(xiàn)，包括但不限于利用不同波長、利用偏振光或利用時間復用來實現(xiàn)。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，表面12一般如同成像透鏡44那樣水平設置。表面12的兩個長形部分——一個部分用于二維成像，其用20標識，一個部分用于通過三角測量得出高度輪廓，其用22標識——均被照明。
如圖1A和1B所示，沿著光路40提供的照明以特別適合于檢測二維信息的方式照明部分20。光路40包括輸出光束52的至少一個高亮度的燈50，適用一個或多個二極管或激光二極管。光束52通過一個準直透鏡53，以準直光束52，并照射在斜方形棱鏡(rhombus prism)54的頂點上。光束52分成兩個在空間上分開的波瓣(lobe)56和58。每一個波瓣56和58通過一個柱面透鏡60，該柱面透鏡使每一個波瓣56和58以一定角度會聚在表面12上，從而在波瓣之間形成一個楔形間隙62。
利用形成至少一個第一外側光束72的至少一個第一外側燈70和形成至少一個第二外側光束76的至少一個第二外側燈74，沿著光路40形成另外的照明。燈70和74為高亮度的燈，適用二極管或激光二極管。光束72通過示意性表示為透鏡80的一個或多個透鏡和光束引導棱鏡82，以便從波瓣58外側的一個角度范圍照明部分20。同樣，光束76通過示意性地表示為透鏡84的一個或多個透鏡和光束引導棱鏡86，以便從波瓣56外側的一個角度范圍照明部分20。
從圖1A和1B可看出，部分20由來自相對于與表面12垂直的軸線的第一角度范圍內(nèi)的照明和來自比第一角度范圍的角度更呈鈍角的第二角度范圍內(nèi)的另外的照明所照明。優(yōu)選，角度配置基本上關于豎直軸線對稱。
從圖1A和1B可看出，反射鏡30設置在波瓣56和58之間的間隙62中，以對由波瓣56和58以及光束72和76照明的部分20取景。反射鏡30可以包括任何適當?shù)姆瓷浔砻妫珏冦y玻璃或角度合適的棱鏡的鍍銀或不鍍銀面。來自部分20的光被反射鏡30接收，并且在由大體平行的平面的前表面64和后表面66界定的位置上通過合束棱鏡32。這樣，成像透鏡44可對部分20取景，并在位置26處在傳感器陣列14上形成其圖像。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，部分22沿光路42被照明。在部分22處，沿著與表面12垂直的軸線提供一細長形的照明光束。光路42包括輸出沿其全長光強基本均勻的結構光束92的至少一個高亮度的燈90，適用一個或多個二極管或激光二極管。光束92通過一個潛望鏡94，該潛望鏡94用于平移光束92，以沿著與表面12大體垂直的軸線照明表面12上正確的部分。適用的照明器包括Stocker Yale有限公司銷售的LaserisTM結構光發(fā)生器。
從圖1B可具體看出，合束棱鏡32的輸入面96設成一定角度，以接收當用光束92照明時從部分22接收的成角度的光輸入98。該成角度的光輸入98在合束棱鏡32內(nèi)，被后表面66通過全內(nèi)反射的反射，并被頂面100反射，隨后通過后表面66以照射在成像透鏡44上。這樣，透鏡44又可以看見部分22，并且在位置28處在傳感器陣列14上形成表面12上的光束92的圖像。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，后表面66開始通過全內(nèi)反射來反射成角度的光輸入98。然而，頂面100的角度不足以發(fā)生全內(nèi)反射。因此，將銀或其他適當?shù)姆瓷渫繉討迷陧斆?00上。在由頂面100反射后，光輸入通過后表面66。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，系統(tǒng)10中合束棱鏡32和光學元件的相對位置構造并設計成在傳感器和部分20和22之間形成一個光路，使部分20的二維圖像和部分22的形貌高度輪廓同時聚焦在傳感器陣列14的位置26和28上。
現(xiàn)參見圖2A～2D，它們是同時檢測隔開的位置上的表面的二維和形貌信息的裝置的簡化結構的側視圖。這些結構構成用于從一個表面的空間分開的部分采集二維信息和形貌信息的多路傳輸信息的裝置的其他的結構。圖2A～2D只示出對多路傳輸信息的同時檢測。沒有示出有關的照明裝置。在圖2A～2C所示的每一個裝置中，設有反射鏡，用來反射在相應的二維和形貌檢測通道的每一個通道中的檢測的信息。在圖2D中，設有一棱鏡，用來引導相應的二維和形貌檢測通道中的每一個中的檢測信息。檢測信息被引導至同一透鏡110，該透鏡將檢測信息送至位于像平面上的同一傳感器。
現(xiàn)參見圖3，它是用于在隔開的位置上同時檢測表面的二維和形貌信息的另一裝置120的簡化結構的側視圖。在圖3中只示出了主要的射線，并且只示出了檢測形貌信息的通道的照明源。
利用一個適當?shù)暮鲜?beam combiner)122合并來自相應的二維和形貌信息通道的信息。這種合束器可以為例如，部分反射的反射鏡、光柵、分色濾光器或具有能使檢測的二維信息通過該合束器的孔的全反射的反射鏡。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，該合束器為一個分色濾光器。利用不同波長的光可將相應的二維和形貌信息通道分開。用這種方法，如圖3所示，可以在空間上分開要檢測二維和形貌信息的表面212的相應部分。然而，當從顏色上分開時，空間分開不太關鍵，并且可以不要空間分開即可以進行二維和形貌信息的同時檢測。
現(xiàn)參照圖4、圖5A和圖5B，圖4是圖1A所示系統(tǒng)中使用的一個照明系統(tǒng)400的簡化的圖示，圖5A為圖4所示照明系統(tǒng)的簡化的側視圖，圖5B為圖4所示照明系統(tǒng)的簡化的正視圖。系統(tǒng)400沿著二條光路進行照明。第一光路410對應于圖1A和1B中的光路40，它以適于檢測表面的二維信息的照明來照明表面12的一部分。第二光路412對應于圖1A和1B中的光路42，它以適于檢測表面12的形貌信息的照明來照明表面12的一部分。
系統(tǒng)400利用激光二極管進行高亮度的照明。系統(tǒng)400的一個特點為，各個光學元件構造并布置成向照明區(qū)域傳送大體上均一并且角分布均勻的集中照明。該照明區(qū)域中的每一個位置一般接收來自作為虛擬擴展光源的激光光源的多個位置的光。這樣，各點位置接收來自多個位置的激光。如圖4～5B所示，根據(jù)本發(fā)明的一個實施例設置光學元件的一個結果為，盡管使用高亮度的激光器輸出的高度相干的光，但是顯著減少了通常伴隨高度相干的聚焦照明的光斑問題。另外，在照明部分420中的每一個位置420(圖5A和5B)，接收來自多個照明角度，這對二維成像有利。
如圖4所示，提供適于檢測二維信息的照明的光路410包括兩個中心設置的激光二極管450，每一個二極管輸出光束452；沿著二極管450的第一側設置并輸出光束472的4個激光二極管470；和沿著二極管450的第二側設置，并輸出光束476的另外4個激光二極管474(圖5A)。
每一個光束452通過準直透鏡453。每一個光束472通過準直透鏡473，并且每一個光束476通過準直透鏡477。準直透鏡453、473和477為一球面透鏡，其由一個光透射支承件479固定在位。準直透鏡的每一個與之相關聯(lián)的光束452，472和476進行準直。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，散射器480，例如由多個柱面部分482構成的一雙凸透鏡陣列(lenticular array)，設置在準直透鏡453的下游，以接收光束452，472和476。在圖4～5B所示的實施例中，雙凸透鏡陣列布置成使得每一個柱面部分482的軸線沿著掃描方向?qū)?，從而只在橫跨掃描方向(cross scan direction)而不在掃描方向上，使每一個光束452、472和476呈扇形，如圖5A和5B所示那樣。
由相應的激光二極管450輸出的每個光束452照射在斜方形棱鏡454的頂點上。這樣，光束452被斜方形棱鏡分為兩個空間分開的波瓣456和458。
如圖5A和5B所示，全部都在橫跨掃描方向上散開的波瓣456和458以及光束472與476中的每一個通過透鏡490，該透鏡490構造成在橫跨掃描方向，而不是掃描方向使光束聚焦。如圖5A和5B所示，透鏡490可以為任何適合的柱面透鏡，例如具有合適的柱形橫截面的菲涅耳透鏡。
在菲涅耳透鏡490的下游，波瓣456和458通過柱面透鏡460，該透鏡460沿著橫跨掃描方向上的一軸線延伸，用于在掃描方向聚焦波瓣，以照射在表面412的位置420上。在柱面透鏡的下游，波瓣456和458各通過一個對應的散射器494和496(例如全息散射器)，令波瓣456和458在掃描方向而不是橫跨掃描方向上擴展，使得波瓣作為有限厚度的射線照射在位置420上，所述射線厚度可根據(jù)位置420所希望的寬度和設計參數(shù)來選擇。如圖5A所示，每一個波瓣會聚以照明部分420。從而在波瓣454和456之間形成在掃描方向為楔形的間隙462。
至于光束472，在菲涅耳透鏡490的下游，光束472通過例如全息散射器的第一散射器442，進一步在橫跨掃描方向使該光束擴展和變得均勻，并且光束472通過柱面透鏡444，其在掃描方向使光束472聚焦。光束472被棱鏡482偏轉，并接著在掃描方向上被例如全息散射器的掃描方向散射器484散射，該散射器附接至棱鏡482的出射面以在掃描方向擴展該光束。擴展的光束472從波瓣456外側的一個角度照射在位置420上。
至于光束476，在菲涅耳透鏡490的下游，光束476通過例如全息散射器的第二散射器542，進一步在橫跨掃描方向使該光束擴展和變得均勻，并且光束476通過柱面透鏡544，其在掃描方向使光束476聚焦。光束476被棱鏡586偏轉，并接著在掃描方向上被例如全息散射器的掃描方向散射器584散射，該散射器位于棱鏡482下游，用于在掃描方向擴展該光束。擴展的光束476從波瓣456外側的一個角度照射在位置420上。
注意，圖4和5A所示的實施例中的光束472和476的相應的光路幾何上并不對稱，然而它們優(yōu)選在光學上對稱。為了照明部分420以檢測表面412的形貌信息，透鏡544和棱鏡582的相應位置已相對于透鏡444和棱鏡482移動。
從以上可看出，在掃描方向上，部分420被來自至少4個總體方向、由每一個波瓣456和458以及光束472和476發(fā)出的光照明。在由波瓣456和458以及光束472和476形成的每一個總體方向內(nèi)，每一個位置420還接收以掃描方向上的多個角度提供的照明。這樣，在掃描方向上，由波瓣456和458提供照明角度較尖銳的光，而由光束472和476提供照明角度較鈍的另外的光。
在橫跨掃描方向上，透鏡和散射器使激光設置成為從多個方向提供集中光的虛擬擴展光源。本發(fā)明的一個實施例的特點為，避免了與表面412垂直的照明。在掃描方向上，通過控制波瓣456和458照射在該表面上的幾何角度，可避免與該表面垂直的照明。在橫跨掃描方向上，照明的角度和避免垂直角度的照明是通過激光二極管的相應位置和散射器的的適當光學設計進行控制的。
參照圖4和5A，部分422被沿著與圖1A和1B中的光路42對應的光路412照明。在部分422處，沿著與表面412大體上垂直的軸線提供一細長形照明光束。光路412包括至少一個高亮度燈590，適用一個或多個激光二極管。該燈590輸出沿著其全長光強大體上均勻的結構光束592。光束592通過柱面透鏡593和潛望鏡594，所述潛望鏡用于平移光束592，以沿著大體上垂直表面412的軸線照明表面412的正確的部分。合適的照明器包括由Stocker Yale有限公司銷售的LaserisTM結構光發(fā)生器。
現(xiàn)參見圖6A和6B，它們是在單個傳感器陣列上同時檢測二維和形貌信息的成像透鏡60的射線跟蹤。圖6A為透鏡600的俯視圖，圖6B為透鏡600的側視圖。
要檢測的表面用標號612表示。在表面612的部分620上檢測二維信息，并將其成像在傳感器614的位置626處。形貌信息在表面612的部分622上檢測，并在位置628處成像。如圖6A和6B所示，檢測到的二維信息和檢測到的形貌信息二者都通過與圖1A和1B所示的合束器32對應的合束器632。雖然部分620和622彼此隔開，并通過同一成像透鏡600在同一傳感器陣列上的分開的位置上成像，但是這些光學元件被構造成可以保持相等的光路長度。
成像透鏡600包括第一透鏡陣列630，其包括球面透鏡元件；和第二透鏡陣列640，其包括柱面透鏡元件。因此，第一透鏡陣列包括第一球面透鏡652、位于第一球面透鏡下游的第二球面透鏡654、孔656、位于該孔656下游的第三球面透鏡658、以及位于第三球面透鏡658下游的第四球面透鏡660。第二透鏡陣列包括第一柱面透鏡670和第二柱面透鏡672，從而在相應的掃描和橫跨掃描方向上提供不同的放大倍數(shù)。
本領域技術人員可以理解，本發(fā)明并不僅限于上述所示和說明的。應該說，本發(fā)明包括本領域技術人員在閱讀以上非現(xiàn)有技術中的描述之后所能想到的修改和變形。
本申請要求2003年1月9日提出的美國臨時專利申請60/438783的優(yōu)先權，其全部內(nèi)容通過引用被結合于此。
權利要求
1.一種用于檢測表面的信息的裝置，其包括采集表面的二維信息的第一組多個光學元件；采集所述表面的形貌信息的第二組多個光學元件；所述第一組多個光學元件和所述第二組多個光學元件同時將所述的二維信息和所述的形貌信息提供給單個傳感器陣列的至少部分不重疊的部分。
2.如權利要求1所述的裝置，其中，所述第一組多個光學元件從所述表面的一第一部分采集所述的二維信息；而所述第二組多個光學元件從所述的表面的一第二部分采集所述的形貌信息。
3.如權利要求2所述的裝置，其中，所述表面的所述第一部分和所述表面的所述第二部分至少是部分不重疊的。
4.如權利要求3所述的裝置，其中，所述表面的所述第一部分包括所述表面的一第一長形的區(qū)域，而所述表面的所述第二部分包括所述表面的一第二長形區(qū)域。
5.如權利要求1所述的裝置，其中，還包括在采集所述二維信息的過程中，用于在所述表面和所述第一組多個光學元件之間提供相對位移的一移位裝置。
6.如權利要求5所述的裝置，其中，在其處采集二維信息的所述表面的第一部分包括所述表面的一第一長形區(qū)域，而在其處采取形貌信息的所述表面的第二部分包括與所述第一長形區(qū)域至少部分地不重疊的所述表面的一第二長形區(qū)域。
7.如權利要求5所述的裝置，其中，在采集所述形貌信息的過程中，所述移位裝置還用于在所述表面和所述第二組多個光學元件之間提供相對位移。
8.如權利要求1所述的裝置，其中，所述第一組多個光學元件包括與所述第二組多個光學元件共享的一個成像透鏡，所述成像透鏡接收所采集的二維信息和所采集的形貌信息。
9.如權利要求8所述的裝置，其中，所述成像透鏡用于在所述傳感器上生成所述表面的第一部分的圖像，以采集與所述第一部分對應的二維信息；以及生成所述表面的第二部分上的照明光線的圖像，以采集與所述第二部分對應的形貌信息。
10.如權利要求2所述的裝置，其中，還包括以適于采集所述表面的二維信息的照明去照明所述表面的所述第一部分的第一組多個照明光學元件；和以適于采集所述表面的形貌信息的照明去照明所述表面的所述第二部分的第二組多個照明光學元件。
11.如權利要求10所述的裝置，其中，所述第一組多個照明光學元件包括至少一個光發(fā)射器，該至少一個光發(fā)射器從相對于第一軸線的一第一會聚角度范圍內(nèi)提供至少部分照明；并從相對于所述第一個軸線的一第二會聚角度范圍內(nèi)提供另外的照明。
12.如權利要求11所述的裝置，其中，所述至少一個光發(fā)射器包括多個激光二極管。
13.如權利要求12所述的裝置，其中，所述照明光學元件包括一散射器，其沿著大體上垂直于所述第一軸線的一第二軸線，擴展來自所述至少一個光發(fā)射器的光。
14.如權利要求13所述的裝置，其中，所述散射器包括一雙凸透鏡陣列。
15.如權利要求10所述的裝置，其中，所述第二組多個照明光學元件包括至少一個光發(fā)射器，其從大體上垂直于所述表面的方向照明所述表面上的一線形區(qū)域。
16.如權利要求15所述的裝置，其中，所述至少一個光發(fā)射器包括至少一個發(fā)射結構光的激光發(fā)射器。
17.如權利要求1所述的裝置，其中，所述第一組多個光學元件從大體上垂直于所述表面的方向?qū)λ霰砻娴牡谝徊糠秩【啊?br>
18.如權利要求17所述的裝置，其中，所述第二組多個光學元件從與所述表面成角度的方向?qū)λ霰砻娴牡诙糠秩【啊?br>
19.如權利要求1所述的裝置，其中，所述第二組多個光學元件從與所述表面成角度的方向?qū)λ霰砻娴牡诙糠秩【啊?br>
20.如權利要求18所述的裝置，其中，所述第一部分由在相對于所述表面的多個角度上提供的照明來進行照明。
21.如權利要求18所述的裝置，其中，所述第二部分由從大體上垂直于所述表面的方向提供的照明進行照明。
22.如權利要求2所述的裝置，其中，所述第一部分和所述單個傳感器陣列之間的光路距離等于所述第二部分和所述單個傳感器陣列之間的光路的距離。
23.一種用于檢測表面的信息的裝置，其包括采集表面的二維信息的第一組多個光學元件；在采集所述二維信息的過程中采集所述表面的形貌信息的第二組多個光學元件；所述第二組多個光學元件包括一照明器，該照明器從大體上垂直于所述表面的方向照明所述表面的一第一部分。
24.如權利要求23所述的裝置，其中，所述第一組多個光學元件從大體上垂直于所述表面的方向采集所述二維信息。
25.如權利要求24所述的裝置，其中，所述第二組多個光學元件從大體上不垂直于所述表面的方向采集所述的形貌信息。
26.如權利要求23所述的裝置，其中，所述第二組多個光學元件從大體上不垂直于所述表面的方向采集所述的形貌信息。
27.如權利要求23所述的裝置，其中，還包括一個合束器，其中所述第一組多個光學元件和所述合束器界定出從大體上垂直于所述表面的方向?qū)λ霰砻娴牡谝徊糠秩【暗牡谝还饴?；和所述第二組多個光學元件和所述合束器界定出從大體上不垂直的角度對所述表面的第二部分取景的第二光路。
28.如權利要求27所述的裝置，其中，還包括至少一個檢測所述表面的信息的傳感器；和當所述傳感器檢測所述信息時，用于使所述表面和所述傳感器相對彼此移位的移位裝置。
29.如權利要求28所述的裝置，其中，所述第一部分和所述第二部分基本不重疊。
30.如權利要求28所述的裝置，其中，所述至少一個傳感器包括用于在所述傳感器陣列的第一位置上檢測與所述第一部分對應的二維信息以及在所述傳感器陣列的第二位置上檢測與所述第二部分對應的形貌信息的單個傳感器陣列。
31.如權利要求30所述的裝置，其中，所述第一位置基本不與所述第二位置重疊。
32.一種用于照明一表面以同時檢測該表面的二維和形貌信息的裝置，其包括第一照明源，其以適于檢測所述表面的二維信息的第一照明去照明所述表面的第一部分；所述第一部分沿著一第一軸線呈長形，所述第一照明從相對于與所述第一軸線相交的第二軸線的至少兩個不同的角度范圍內(nèi)照射在所述表面上；和第二照明源，其以適于檢測所述表面的形貌信息的第二照明去照明所述表面的第二部分，所述第二部分沿著所述第一軸線呈長形，所述第二照明從相對于所述第二軸線與所述表面垂直的方向照射在所述表面上。
33.如權利要求32所述的裝置，其中，所述第一部分和所述第二部分不重疊。
34.如權利要求32所述的裝置，其中，所述第一部分的沿著所述第二軸線的寬度尺寸比所述第二部分的沿著所述第二軸線的寬度尺寸寬。
35.如權利要求32所述的裝置，其中，所述至少兩個不同的角度范圍內(nèi)的第一角度范圍與所述至少兩個不同的角度范圍內(nèi)的第二角度范圍不重疊。
36.一種利用相干光照明一表面的裝置，其包括發(fā)射相干光的發(fā)射器；對所述發(fā)射器發(fā)射的光進行準直的準直透鏡；接收所述準直光并將所述準直光散布在沿著一第一軸線的多個位置中的每一個位置處的第一散射器；和接收來自所述散射器的光并將所述光集中在一表面上的柱面透鏡。
37.一種用于檢測表面信息的裝置，其包括至少一個發(fā)射相干光的燈；一散射器，其接收所述相干光，并輸出表現(xiàn)為從所述散射器上的多個位置發(fā)射出的光，每一個位置處的光在多個方向上輸出；一透鏡，其接收來自所述散射器的光，并使所述光集中在一表面上；和包括多個傳感器元件的一傳感器陣列，所述陣列布置成使得所述表面上的一個位置依次由至少兩個傳感器元件檢測。
38.如權利要求37所述的裝置，其中，所述燈包括激光器。
39.如權利要求38所述的裝置，其中，所述激光器包括二極管激光器。
40.如權利要求37所述的裝置，其中，所述散射器包括一雙凸透鏡陣列，該雙凸透鏡陣列使所述相干光沿著一第一軸線但不沿著與所述第一個軸線垂直的第二軸線擴展。
41.如權利要求40所述的裝置，其中，所述透鏡包括一柱面透鏡，其使來自所述散射器的光沿著所述第一軸線聚焦。
42.如權利要求41所述的裝置，其中，所述柱面透鏡包括菲涅耳透鏡。
43.如權利要求37所述的裝置，其中，所述傳感器陣列包括CMOS傳感器陣列。
44.如權利要求43所述的裝置，其中，所述CMOS傳感器陣列包括在存儲器積分工作模式下工作的傳感器陣列。
全文摘要
一種用于檢測表面的信息的裝置包括采集表面的二維信息的第一組多個光學元件；采集所述表面的形貌信息的第二組多個光學元件；其中，所述第一組多個和所述第二組多個光學元件同時將所述的二維信息和所述的形貌信息提供給單個傳感器陣列的至少部分不重疊的部分。
文檔編號G01B11/24GK1788194SQ200480005453
公開日2006年6月14日 申請日期2004年1月9日 優(yōu)先權日2003年1月9日
發(fā)明者格雷戈里·托克, 安德雷·布倫費爾德, 艾利亞·盧茨克 申請人:奧博泰克有限公司