專利名稱：用于表面檢查的裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于通過掃描來檢查物體表面狀態(tài)的裝置和方法。具體講，本發(fā)明涉及通過將掃描光照射到帶有所安裝的器件的基板、液晶面板、半導體晶片、電子元件等的表面上而檢查其表面狀態(tài)的裝置和方法，更為具體地講，本發(fā)明涉及檢查所安裝元件的位移、元件的丟失、焊接故障、在焊接之前元件的浮動和元件的形變等。
對于檢查其上裝有元件的基板的表面狀態(tài)來說，近來經(jīng)常采用如圖8所示構(gòu)成的激光掃描的表面檢查裝置。從半導體激光二極管1發(fā)出的激光經(jīng)描準透鏡2返回到投射光束3上。投射光束3射到在圓周方向繞中軸10轉(zhuǎn)動的多邊形部分的多邊鏡4上。多邊鏡4的每個外表面為平行于中軸10軸向的鏡面4a。激光束在鏡面4a被反射并成為反射光5。投射光束3從與中軸10的軸向正交的方向進入鏡面4a。由于多邊鏡4在鏡面4a收到反射光束3時在繞中軸10的窄方向轉(zhuǎn)動，反射光5則被沿圖3的箭頭I所表示的一個方向折射。折射后的反射光5進入包括多個軸向配置的透鏡的fθ透鏡系統(tǒng)6中，并被系統(tǒng)6折射和匯聚，并在將被檢查的基板7的表面7a上形成一個圖象。隨著多邊鏡4的轉(zhuǎn)動，聚焦在表面7a上的掃描光就掃描表面7a。在為圖8側(cè)視圖的圖9中，基板7的表面7a上的散射反射光8由透鏡11送到經(jīng)掃描光的光軸而180°分開，即相對于光軸彼此對稱配置的兩個光檢測器9的各光檢測表面上。光電檢測器9將匯聚在其光電檢測表面的散射反射光8進行光電轉(zhuǎn)換，并將與光電檢測表面上的散射反射光的位置相對應(yīng)的電信號送到算術(shù)裝置13上。算術(shù)裝置13根據(jù)已知的三角測量方法和從光電檢測器9上所提供的電信號計算出在表面7a上將被測出的物體12的高度。
如圖9所示，光電檢測器9在兩個方向上取向。因此，當一束散射反射光8被裝在基板7上的將被測量的不同物體12遮住時，只能有一束光無法到達光電檢測器之一上。而其它的光8仍可到達其它的光電檢測器9上。這樣，就可用其它的光電檢測器9來檢測其它的散射反射光。
在如上所構(gòu)成的傳統(tǒng)的表面檢查裝置20中，當基板7等的表面可被光電檢查時，由于光電檢測器是裝在兩個方向上的，光電檢測器9之一的光電檢測表面上的照亮的位置與其它光電檢測器9的照亮位置不同，這樣，從各光電檢測器9輸出的每個信號之間會有差別從而引起測量誤差。具體講，如果反射光8如上所述被遮住且光電檢測器9被切換到使用另一光電檢測器的情況下，則測量誤差將變大。
本發(fā)明意于解決上述已有技術(shù)中的固有的缺點，其目的在于提供一種用于表面檢查的裝置和方法，從而使表面檢查的測量精度提高。
根據(jù)本發(fā)明第一方面的表面檢查裝置，它包括用于發(fā)出激光的激光元件；具有多邊形外周的折射掃描鏡，其外周的每個外表面都是鏡面，折射掃描鏡在外周方向繞其中軸轉(zhuǎn)動，以在繞中軸轉(zhuǎn)動期間反射從激光元件發(fā)射出的激光，該激光以與中軸的軸向正交的方向進入鏡面；兩個光電檢測器，每個光電檢測器當由折射掃描鏡反射的激光的反射光掃描物體的表面時，用于檢測將被檢查的物體表面的散射反射光，該兩個光電檢測器相對于掃描光的光軸對稱安置，其中物體的表面是根據(jù)在光電檢測器的光電檢測表面上的照亮的位置而檢測的；和在折射反射鏡與物體之間的光元件，該光元件用于移動通過折射掃描鏡反射的反射光的光軸，從而使在各光電檢測器的光電檢測面的照亮位置彼此相同，進而使表面檢查誤差最小。
根據(jù)本發(fā)明的第二個方面的表面檢查方法包括步驟將激光發(fā)射到具有多邊形外周的折射掃描鏡上，外周的每個外周面為鏡面，折射掃描鏡在外周方向繞其中軸轉(zhuǎn)動，以在繞中軸轉(zhuǎn)動期間反射所發(fā)射出的激光，該激光以與中軸的軸向正交的方向進入鏡面；由為在鏡面反射的反射光的掃描光掃描將被檢查的物體的表面；由兩組相對于掃描光的光軸對稱安置的光電檢測器檢測在物體表面反射的散射反射光，從而檢查物體的表面；以及當掃描光被投射出去時，將掃描光的光軸移動到物體的表面，這樣各光電檢測器的光電檢測面上的照亮位置彼此相同或接近相同，從而使表面檢查誤差最小。
根據(jù)本發(fā)明第一方面的表面檢查裝置和根據(jù)本發(fā)明第二方面的表面檢查方法，提供一種光元件，它可以移動通過折射鏡反射的反射光的光軸。由此通過移動反射光的光軸使從兩個光電檢測器輸出的表面信息信號彼此相同或信號差最小。這樣表面檢查的測量精度就被提高。


圖1為側(cè)視圖，示出根據(jù)本發(fā)明一個實施例的表面檢查裝置的構(gòu)造；圖2為圖1的表面檢測裝置的平面圖；圖3為圖1中多邊鏡的轉(zhuǎn)動方向和基板上的光掃描方向的示意圖；圖4為圖1的光元件的透視圖；圖5為圖4的光元件的剖面圖；圖6為圖1的另一實施例的光元件的示意圖；圖7為用來將圖1的光元件的反射體壓緊到臺架上的不同狀態(tài)的定位件的透視圖；圖8為示意圖，示出傳統(tǒng)表面檢查裝置的構(gòu)造；以及圖9為圖8的表面檢查裝置的側(cè)視圖。
下面參照附圖描述本發(fā)明優(yōu)選實施例中的表面檢查裝置和表面檢查方法。應(yīng)當注意，在附圖中，相同的元件用相同或相似的標號加以標示。表面檢查方法是通過使用表面檢查裝置來實現(xiàn)的。多邊鏡4起到了折射掃描鏡的功能。雖然在本實施例中，是以其上裝了電子元件的基板作為被檢查的物體的，但本發(fā)明并不局限于此物體。
如圖1和2所示，根據(jù)本發(fā)明的表面檢查裝置50類似于傳統(tǒng)的表面檢查裝置20，它包括半導體激光二極管1、瞄準透鏡2、多邊鏡4、fθ透鏡系統(tǒng)6、兩個光電檢測器9和透鏡11。構(gòu)成該裝置的這些部件與表面檢查裝置20的那些部件相同，因而不再贅述。表面檢查裝置50與表面檢查裝置20不同之處在于在fθ透鏡系統(tǒng)6與基板7之間有一個光元件25，以將從fθ透鏡系統(tǒng)6投射的作為掃描光32的反射光31反射到基板7的表面7a上。通過改變元件25的反射表面的傾角，光元件25移動掃描光32的光軸，從而使從兩個光電檢測器9上輸出的表面信息信號彼此相同或差別最小。光元件25如圖4和圖5所示構(gòu)成。
具體講，光元件25包括具有反射表面251的反射體252，和用于改變反射面251傾角的反射角改變件253。反射體252是由寬約10-20mm長約50-60mm的條形玻璃構(gòu)成。反射面251為鏡面。反射體252在其縱向兩端被定位件256壓緊并在臺架254中形成一個V形的凹口255。每個定位件256具有一個壓緊件256a、固定件256b以及將壓緊件256a的端部與固定件256b的端部緊密聯(lián)合起來的聯(lián)結(jié)件256c。由薄金屬板形成的壓緊件256a和固定件256b以一個臺階在同一方向彼此平行地伸展。壓緊件256a、固定件256b和聯(lián)結(jié)件256c整體地形成主體的定位件256。在此定位件256中，每個固定件256b被安裝螺釘257固定在凹口255中，使反射體252保持在壓緊件256a與凹口255之間。此時，反射體252的縱向與壓緊件256a到固定件256b的對準方向相一致。定位件256在安裝螺釘257的支點上以反射體252的縱向彈性地將其兩端壓緊到臺架254上。反射體252于是被撐在臺架254上。由于這種結(jié)構(gòu)，反射體252可以擺動，這樣可以通過如下面將描述的角度改變件253的反射，使反射面251的傾角可變，凹口255形成得使反射體252可以擺動。
如何將定位件256固定到反射體252并不局限于前文的方式。例如，如圖7所示，定位件258可被安裝到臺架254上，這樣，壓緊件258a可以以與反射體252的縱向正交的方向直接固定固定件258b。但在圖7的例子中，由于反射體252的縱向與壓緊件258a對固定件258b的對準方向相一致，當環(huán)境溫度升高后，玻璃反射體252與金屬定位件258的熱脹系數(shù)的差將導致反射體252與定位件258之間膨脹量的不同。結(jié)果，反射面251的傾角可能被改變。另外，當如圖4所示壓緊件256a與固定件256b以反射體252的縱向相同的方向?qū)屎螅懊嫣岬降娜秉c被消除，因此該實施例為圖7的優(yōu)選實施例。
反射角改變件253是用螺釘固定在在臺架254上形成并開在凹口255中的過孔259中的。角度改變件253將在凹口255中的反射體252的反射面251相對的后面以銳角向前頂和向后縮退。當角度改變件253將后面252a向前頂和向后縮退時，在凹口255中的反射體252可以微小角度以支點257為中心擺動，從而改變反射面251的傾角。根據(jù)本發(fā)明，為了便于調(diào)節(jié)反射面251的角度，僅提供一個反射角度改變件253以抵住反射體252縱向的中部，反射體252可在整個反射面251上均勻地擺動。
如圖1和2所示，上述構(gòu)造的光元件25是裝在fθ透鏡系統(tǒng)6的向外凸出的一側(cè)的。如圖4和5所示，在光元件25中，從fθ系統(tǒng)6投射的反射光31在反射面251被反射并投射到基板7的表面7a上作為掃描光32。光元件25的位置并不局限于該實施例的情況，它可安置在多邊鏡4和fθ透鏡系統(tǒng)6之間。但是，光元件25安置在半導體激光二極管1和多邊鏡4之間并非最好，因為基板7的表面7a上的掃描光32的掃描線將被彎曲。
下面描述如上所述安置的光元件25的工作。當反射體252由角度改變件253從圖1的實線所表示的設(shè)定位置26傾斜到圖1所示的擺動后的位置，從而改變反射面251的傾角，在設(shè)定位置26掃描光32的光軸被移動且該光成為一個掃描光32a。另一方面，當反射面251的傾角變到擺動后的位置26b時，掃描光32以一個光軸改變后的掃描光32b返回。由于掃描光32的光軸被移動，在基板7的表面7a上反射光8的光軸也被移動，結(jié)果，對每個光電檢測器9的光電檢測面91照亮的部分將沿箭頭33的方向移動。當由對應(yīng)于設(shè)定位置26的掃描光32的散射反射光8射到每個光檢測器9的光檢測面91時，如果在兩個光電檢測面91之間的照亮位置不同，換句話講，從光電檢測器9上輸出不同的信息信號，則反射體252的反射面251的角度會由角度改變件253改變，這樣對各光電檢測器9的各光電檢測面的照亮位置將彼此相同或大致相同。掃描光32的光軸于是被移動，這樣，每個散射反射光8的光軸就被移動。經(jīng)此操作，在兩個光電檢測器9的光電檢測面91上的照亮位置則相同或大致相同，這使來自兩個光電檢測器9的信息信號彼此相同或差別最小。
下面將描述實施例中的表面檢查裝置50的工作。由于裝置50的工作與傳統(tǒng)的表面檢查裝置20的工作基本相同，因此，基本操作的描述將省略掉。
在裝置50被暫時組裝起來后，一個具有均勻表面的平陶瓷板作為臨時的基板7而放在基板的設(shè)定位置上，且激光束被實驗性地投射到陶瓷板上。最好，裝置50被設(shè)置得使由實驗性投射到平陶瓷板所獲的高度信息為一個對應(yīng)于檢查范圍中心附近的信息。該實驗性投射是通過確認從光電檢測器9輸出的表面信息信號是否彼此相同或信號的差是否最小來進行的。除了信息信號相同或差別最小的情況之外，反射角改變件253都會凸出或退后，從而改變反射體252的反射面251的傾角并移動掃描光32的光軸，以致最終的每個散射反射光8的光軸。因此，在光電檢測器9的光電檢測面91的照亮位置彼此相同或接近相同，且來自光電檢測器9的信息信號相同或信息的差最小。表面檢測裝置50的組裝在此階段就完成了。在除去陶瓷基板之后，裝置50就如下面所描述的執(zhí)行表面的檢查工作。
來自半導體激光二極管1的激光經(jīng)過瞄準透鏡2成為投射光束3，它射到多邊鏡4的鏡面4a并返回成為反射光5。由于多邊鏡4繞中軸10轉(zhuǎn)動，反射光5以一個方向被折射并進入fθ透鏡系統(tǒng)6。如圖3所示，fθ透鏡系統(tǒng)6將匯聚透鏡的作用施加到反射光5上。雖然，為了方便起見，fθ透鏡系統(tǒng)6在圖3中僅示出了一個透鏡，實際上，fθ透鏡系統(tǒng)是如圖2所示由多個同軸安置的透鏡組成的。來自fθ透鏡系統(tǒng)6的投射的反射光31被反射成為如前所述反射面251的傾角可調(diào)的光元件25的反射光32，并總與基板7的表面7a呈直角并掃描該表面7a。當要被測出的物體12出現(xiàn)在基板7的表面7a上時，對于入射掃描光32來說不會出現(xiàn)盲點。
在基板7的表面7a產(chǎn)生的散射反射光8經(jīng)光電檢測透鏡11進入光電檢測器9的光電檢測面91。每個光電檢測透鏡11具有一個覆蓋各光電檢測器9的掃描寬度的視場角并將各散射反射光8聚焦，這樣，照亮的位置根據(jù)在基板7上將被測到的物體12的高度按箭頭33的方向移動到光電檢測器9的每個光電檢測面91上。根據(jù)對各光電檢測面91的投射情況，各光電檢測器9輸出與掃描光同步的、與按箭頭33的方向照亮位置的移動量成正比的時間序列表面信息信號。該信息信號被加到算術(shù)裝置13上，從而檢查在基板7上將被測的物體12的三維形狀。
為了選擇在算術(shù)裝置13上光電檢測器9的信號，為所加的表面信息信號的各光電檢測光的和設(shè)定閾值電平，且根據(jù)所加的表面信息信號的光電檢測光的和是否小于閾值電平而確定哪個信號將被選定。如果兩個光電檢測器9的每個光電檢測光的和為閾值電平或大于該電平的電平，則用兩個表面信息信號的平均值。如果兩個光電檢測光的和分別小于閾值電平，則檢查操作就被判定為有錯。
在本實施例的表面檢查裝置50中，提供一種其掃描光32的光軸可微小調(diào)節(jié)的光元件25，這樣，從兩個光檢測器9輸出的表面信息信號彼此相同或其差別很小。因此，表面檢查的檢查精度得以提高。
可以構(gòu)思一種通過將轉(zhuǎn)軸10本身傾斜而使多邊鏡4本身傾斜以替代本實施例的光元件25的使用，從而移動掃描光32的光軸。但在此方法中，投射光束3并不以正交于轉(zhuǎn)軸10的軸向進入多邊鏡4的鏡面4a，且在基板7的表面7a上由掃描光32掃描的線并不如理想中的準直而是彎曲的。
除在實施例中所采用的反射體252，如圖6所示的楔形棱鏡35也可被用作移動掃描光32的光軸的光元件。應(yīng)當注意將棱鏡35插入平行光束的光通量的情況。如果棱鏡35并沒有插入到平行光束中，則會產(chǎn)生像差，它會使由掃描光32對將被測的物體12的掃描光斑的形狀變壞。
當檢查基板7的整個表面時，此檢查是通過交替地移動基板7和掃描光來進行的。在此情況下，基板是由諸如線性電機或電機與球形螺釘?shù)慕M合體的基板移動裝置以與光的掃描方向成直角而移動的。不用說，檢查裝置可在基板7保持靜止的同時而移動。
根據(jù)上述實施例，將被檢查的物體為基板7。本實施例的表面檢查裝置和方法可被用于不僅檢查基板的表面狀態(tài)而且是元件安裝之前的電路板、電子元件、液晶板或需要三維測量的物體等。
于1997年2月18日提交的日本專利申請9-33506的全部文件，包括說明書、權(quán)利要求和附圖，在此被引作參考。
權(quán)利要求
1.一種表面檢查裝置，它包括用于發(fā)出激光的激光元件(1)；具有多邊形外周的折射掃描鏡(4)，其外周的每個外表面都是鏡面，折射掃描鏡在外周方向繞其中軸轉(zhuǎn)動，以在繞中軸轉(zhuǎn)動期間反射從激光元件發(fā)射出的激光，該激光以與中軸的軸向正交的方向進入鏡面；兩個光電檢測器(9)，每個光電檢測器當由折射掃描鏡反射的激光的反射光掃描物體的表面時，用于檢測將被檢查的物體表面的散射反射光，該兩個光電檢測器相對于掃描光的光軸對稱安置，其中物體的表面是根據(jù)在光電檢測器的光電檢測表面上的照亮位置而檢測的；和在折射反射鏡與物體之間的光元件(25，35)，該光元件(25，35)用于移動通過折射掃描鏡反射的反射光的光軸，從而使在各光電檢測器的光電檢測面的照亮位置彼此相同，進而使表面檢查誤差最小。
2.如權(quán)利要求1的表面檢查裝置，其特征在于光于件(25)具有一個反射面(251)，用于反射由折射掃描鏡反射的反射光，該光元件(25)還具有一個反射角度改變件(253)，用于改變在反射面上的反射光的反射角，從而移動反射光的光軸。
3.如權(quán)利要求1的表面檢查裝置，其特征在于光元件(25)是一個條形片狀體，其兩端部都被定位件(256)壓緊并保持在臺架(254)上，薄板定位件在具一端有一個用于壓緊光元件的壓緊部分(256a)并在其另一端有一個固定到臺架上的固定部分(256b)，該薄板定位件在光元件的軸向延伸。
4.如權(quán)利要求2的表面檢查裝置，其特征在于光元件(25)是一個條形片狀體，其兩端部都被定位件(256)壓緊并保持在臺架(254)上，薄板定位件在其一端有一個用于壓緊光元件的壓緊部分(256a)并在其另一端有一個固定到臺架上的固定部分(256b)，該薄板定位件在光元件的軸向延伸。
5.如權(quán)利要求1的表面檢查裝置，其特征在于光元件(35)是一個楔形截面的棱鏡。
6.一種表面檢查方法，它包括將激光發(fā)射到具有多邊形外周的折射掃描鏡(4)上，外周的每個外周面為鏡面，折射掃描鏡在外周方向繞其中軸轉(zhuǎn)動，以在繞中軸轉(zhuǎn)動期間反射所發(fā)射出的激光，該激光以與中軸的軸向正交的方向進入鏡面；由為在鏡面反射的反射光的掃描光掃描將被檢查的物體的表面；由兩組相對于掃描光的光軸對稱安置的光檢測器檢測在物體表面反射的散射反射光，從而檢查物體的表面；以及當掃描光被投射出去時，將掃描光的光軸移動到物體的表面，這樣各光檢測器的光檢測面上的照亮位置彼此相同或接近相同，從而使表面檢查誤差最小。
全文摘要
提供了一種光元件(25),從而移動了入射到基板(7)上的掃描光(32)的光軸,這樣,兩個光檢測器(9)的光檢測面的照亮位置彼此相同或幾乎相同。從兩個光檢測器發(fā)出的各表面信息信號相應(yīng)地彼此相同或信號間的差最小,從而使表面檢查的測量精度得以提高。
文檔編號H05K13/08GK1191967SQ9810530
公開日1998年9月2日 申請日期1998年2月18日 優(yōu)先權(quán)日1997年2月18日
發(fā)明者中城正裕, 龍?zhí)锝?申請人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會社