JP5809628B2 - カメラアレイ及びコンパクトな組み込み照明装置を備えた高速光学検査システム - Google Patents

Description

背景
様々な電子装置において使用されるプリント回路板の製造においては、多くの場合、自動化電子部品アセンブリ機が使用される。そのような自動電子部品アセンブリ機は、多くの場合、プリント回路板に類似する他の装置を加工するためにも使用される。たとえば、太陽電池（ソーラーセル）の製造は、多くの場合、導電トレースをプリントするために類似した機械を使用する。加工される基板にかかわらず、加工そのものは一般にかなり迅速に稼働することを求められる。急速又は高速製造は、完成された基板のコストが最小化されることを保証する。しかし、基板が製造される速度は、加工によって生じるスクラップ又は欠陥の許容可能レベルとで釣り合わなければならない。たとえばプリント回路板はきわめて複雑で小さなものであることがあり、一つの回路板が膨大な数の部品及び、ひいては膨大な数の電気接続を有することもある。プリント回路板は今や大量生産されている。そのようなプリント回路板は、非常に高価である、及び／又は高価な機器において使用されることがあるため、高い品質、高い信頼性及び最小限のスクラップで正確に製造されることが重要である。残念ながら、利用可能な製造方法のせいで、それでもいくらかのレベルのスクラップ及び不合格品が生じる。プリント回路板における一般的な欠陥としては、回路板上の部品の配置の不正確さがあり、それは、部品が回路板中で正しく電気接続されていないことを意味することがある。もう一つの一般的な欠陥は、誤った部品が回路板上の所与の位置に配置された場合に起こる。さらには、部品は、単に存在しない場合もあるし、誤った電気極性で配置される場合もある。さらには、他の誤りが、一つ以上の部品と回路板との間の電気接続を妨げる、又は他のやり方で阻止することもある。なおさらには、はんだペースト付着が不十分であるならば、それが劣悪な接続を招くおそれもある。さらには、はんだペーストが多すぎるならば、そのような状態が短絡などを招くおそれもある。

これら産業上の要求すべてを考慮すると、自動化光学検査システムの必要性が生じた。これらのシステムは、プリント回路板のような基板を、部品がプリント回路板上に配置された直後かつウェーブはんだ付けの前又はリフロー後のいずれかで受けることができる。一般に、システムは、試験中の基板を移動させて、一つ以上の画像を取得し、それらの画像を解析して、基板上の部品及び／又は基板そのものに関する結論を自動的に導き出す光学視野に通すように適合されているコンベヤを含む。そのような装置の一例が、米ミネソタ州Golden ValleyのCyberOptics Corporationから商品名Flex Ultra（商標）HRとして市販されている。しかし、上記のように、業界は、ますます高速の処理を追求し続けており、したがって、より高速の光学検査が望まれる。そのうえ、システムが検査することを求められるかもしれない多種多様な物品を考慮すると、従来のシステムよりも高速であるだけでなく、多種多様な部品、基板又は検査基準に対して貴重な検査データをより良く提供することができる自動化光学検査システムを提供することが有益であろう。

検査されるフィーチャ（feature）を含むワークピース（workpiece）を検査するための光学検査システムが提供される。システムは、ワークピースをノンストップで輸送するように構成されたワークピース輸送機構を含む。照明装置が、第一のストロボ照明野タイプ及び第二のストロボ照明野タイプを提供するように構成されている。照明装置は、フィーチャに近い第一端及び第一端とは反対側にあり、第一端から離間した第二端を有するライトパイプを含む。ライトパイプはまた、少なくとも一つの反射性側壁を有する。第一端は出口アパーチャを有し、第二端は少なくとも一つの第二端アパーチャを有して、それらを通してフィーチャの視認を提供する。カメラアレイが、フィーチャをデジタル式に画像化するように構成されている。カメラアレイは、第一の照明野を用いてフィーチャの第一の複数の画像を生成し、第二の照明野を用いてフィーチャの第二の複数の画像を生成するように構成されている。処理装置が、照明装置及びカメラアレイに操作可能に結合され、第一及び第二の複数の画像の少なくともいくつかを記憶し、他の装置に提供するように構成されている。

本発明の実施態様の、カメラアレイ及びコンパクトな組み込み照明装置を備えた自動化高速光学検査システムの立断面図である。 本発明の実施態様の、重複する視野を有する複数のカメラの立面図である。 本発明の実施態様の検査システムのシステムブロック図である。 輸送コンベヤ、プリント回路板及び第一の照明野タイプを用いて取得されたカメラアレイ視野の平面図である。 輸送コンベヤ、プリント回路板及び第二の照明野タイプを用いて取得されたカメラアレイ視野の平面図である。 ６Ａ〜６Ｄは、本発明の実施態様にしたがって、第一及び第二の照明野タイプが交互にある状態で様々な位置において取得されたワークピース及びカメラアレイ視野を示す。 照明方向を画定するための座標系である。 カメラアレイ視野を照明する公知の線光源の斜視図である。 図８に示す照明装置の照明方向の極座標プロットである。 本発明の実施態様の例示的な中空ライトパイプ照明装置の斜視図である。 図１０に示す照明装置の入力照明方向の極座標プロットである。 図１０に示す照明装置の出力照明方向の極座標プロットである。 本発明の実施態様のライトパイプ壁の反射面の斜視図である。 １４Ａ〜Ｂは、図１３に示す反射面の断面図である。 本発明の実施態様のライトパイプ照明装置及びカメラアレイの斜視図である。 本発明の実施態様のライトパイプ照明装置及びカメラアレイの切り欠き斜視図である。 本発明の実施態様のカメラアレイ及び多数の光源を備えた照明装置の切り欠き斜視図である。 本発明の実施態様の照明装置及びカメラアレイの切り欠き斜視図である。 本発明の実施態様にしたがって使用されるシェブロン形ミラーの断面図である。 本発明の実施態様の照明装置及びカメラアレイの切り欠き斜視図である。 図１８に示す照明装置及びカメラアレイの第二の切り欠き斜視図である。 図１８及び１９に示す照明装置の照明方向の極座標プロットである。 本発明の実施態様の検査センサの断面斜視図である。 図２１に示す照明装置の照明方向の極座標プロットである。

例示的実施態様の詳細な説明
図面を参照しながら本発明の実施態様を一般に説明する。図面の様々な特徴を指すために多くの参照番号が使用されている。わかりやすくするため、参照番号の一覧を以下に記す。
参照番号：
２ カメラ
４ カメラアレイ
１０ プリント回路板
１１ 小さなワークピース
１４ ベルト
１８ モータ
２０ エンコーダ
２２ プログラマブルロジックコントローラ
２４ パネルセンサ
２６ ワークピース輸送コンベヤ
３０ カメラ視野
３２ カメラアレイ視野
３３ カメラアレイ視野
３４ カメラアレイ視野
３５ カメラアレイ視野
４１ 照明装置
４２ 照明装置
４３ 照明装置
４４ 照明装置
４５ 照明装置
４６ ＬＥＤ
４８ 線光源
５０ アパーチャ
５２ 拡散板
５４ ミラー
５６ アパーチャ
５７ 混合チャンバ
５８ 上アパーチャ板
６０ 光源
６２ 平行光線束
６４ ライトパイプ
６５ ライトパイプ照明装置
６６ ライトパイプ側壁
６７ ミラー
６８ ライトパイプ出口アパーチャ
６９ ライトパイプ入口アパーチャ
７０ 反射面（側壁内面）
７１ 検査アプリケーションプログラム
７２ コンベヤインタフェース
７６ システムコンピュータ
８０ 主エレクトロニクスボード
８２ 画像メモリ
８３ ストロボアセンブリ
８４ ストロボボード
８６ ストロボモニタ
８７ フラッシュランプ（暗視野光源）
８８ フラッシュランプ（曇天光源）
９２ 検査システム
９４ 光学検査センサ
本発明の実施態様は一般に、高価で精巧な動作制御ハードウェアの必要なしに多重照明画像の高速取得を行う検査システム及び方法を提供する。異なる照明タイプを用いて取得された画像の処理が検査結果をかなり高めることができる。

図１は、本発明の実施態様の、自動化検査に適した、ワークピースの高コントラスト高速デジタル画像を生成するためのシステムの立断面図を示す。カメラアレイ４は、好ましくは等間隔に配設されたカメラ２Ａ〜２Ｈからなる。各カメラ２Ａ〜２Ｈは、ワークピースがカメラ２Ａ〜２Ｈに対して相対運動を起こすとき、同時にワークピース又は基板、たとえばプリント回路板１０上の長方形区域を画像化し、デジタル化する。照明装置４５が、ストロボ照明と呼ばれる、一連のパルス化短期間照明野を提供する。各照明野の短い期間がプリント回路板１０の画像を効果的に「フリーズ」させて動きのぶれを抑える。カメラアレイ４により、露光ごとに異なる照明野タイプを用いて、プリント回路板１０上の位置ごとに二つ以上の画像セットが生成される。検査しなければならないプリント回路板１０上の特定のフィーチャに依存して、異なる照明野タイプを用いて生成された反射画像の連結処理によって検査結果をかなり高めることもできる。照明装置４５のさらなる詳細は、図２１及び２２の詳述において提供する。

ワークピース輸送コンベヤ２６がプリント回路板１０をＸ方向にノンストップモードで並進移動させて、カメラアレイ４によるプリント回路板１０の高速画像化を提供する。コンベヤ２６は、モータ１８によって駆動されるベルト１４を含む。場合によって用いられるエンコーダ２０がモータのシャフト位置を計測し、ひいては、プリント回路板１０が移動した概算距離を計算することができる。プリント回路板１０が移動した距離を計測し、コード化する他の方法としては、時間ベース、聴覚ベース又は視覚ベースのコード化法がある。ストロボ照明を使用し、プリント回路板１０を停止させないことにより、カメラアレイ４による画像化の前に加速し、減速し、安定化させる時間浪費的な輸送ステップが除かれる。本発明の実施態様を使用すると、画像化の前に完全に停止させる場合に比べ、２１０mm×３１０mmの寸法のプリント回路板１０を完全に画像化するのに要する時間を１１秒から４秒に減らすことができると考えられる。

図２は、カメラ２Ａ〜２Ｈによってそれぞれ画像化されるプリント回路板１０上の各視野３０Ａ〜３０ＨのＹ次元位置を示す。プリント回路板１０上のすべての位置を完全に画像化するために、隣り合う視野の間にわずかな重複がある。検査工程中、別々の視野３０Ａ〜３０Ｈの画像は重複領域において一つの連続的な画像へとデジタル式に併合、すなわち縫合される。別々のカメラの一次元アレイとして配設された例示的なカメラアレイ４が図１及び２に示されている。図示するように、カメラ２Ａ〜２Ｈは、非テレセントリック的に画像化するように構成されている。これは、視野３０Ａ〜３０Ｈを重複させることができる利点を有する。しかし、非テレセントリック画像化システムの倍率、すなわち有効解像度は、プリント回路１０及びそのフィーチャがよりカメラ２Ａ〜２Ｈに近く又はよりカメラ２Ａ〜２Ｈから遠く配置されるとともに変化する。回路板１０の反り、厚さ変化及び他のカメラ整列誤差は、画像縫合によって補正することができる。もう一つの実施態様において、カメラアレイを二次元アレイに配設することもできる。たとえば、別々のカメラを、隣り合う視野どうしが重複する１列４台で２列のカメラアレイに配設することもできる。検査システムの費用、速度及び性能目標に依存して、視野どうしが重複しないアレイをも含め、カメラアレイの他の配設が有利であることもある。たとえば、テレセントリック画像化システムを備えた互い違いに位置するカメラアレイを使用することもできる。

図３は検査システム９２のブロック図である。検査アプリケーションプログラム７１は、好ましくは、システムコンピュータ７６上で稼働する。検査プログラム７１への入力としては、プリント回路板１０のタイプ、プリント回路板１０上の部品の位置及びタイプを表すＣＡＤ情報、検査されるプリント回路板１０上のフィーチャ、照明及びカメラ校正データ、輸送コンベヤ２６方向などがある。検査プログラム７１は、コンベヤインタフェース７２を介してプリント回路板１０の輸送方向、速度及び幅によってプログラマブルロジックコントローラ２２を構成する。検査プログラム７１はまた、PCI Expressインタフェースを介して、カメラアレイ４の後続の各画像取得の間のエンコーダ２０のカウント数によって主エレクトロニクスボード８０を構成する。あるいはまた、プリント回路板１０の既知の速度に基づいて時間ベースの画像取得シーケンスを実行することもできる。検査プログラム７１はまた、個々のフラッシュランプ出力レベルを有するストロボボード８４だけでなく、検査の前に適切な設定パラメータをカメラ２Ａ〜２Ｈの中にプログラム又は他のやり方でセットする。

パネルセンサ２４は、検査システム９２に装填されるときのプリント回路板１０の縁を感知し、この信号が主ボード８０に送られて画像取得シーケンスを開始させる。主ボード８０は、適切な信号を生成してカメラアレイ４による各画像露光を開始させ、ストロボボード８４に命令して適切なフラッシュランプ８７及び８８に正しいタイミングでエネルギーを付与する。ストロボモニタ８６が、フラッシュランプ８７及び８８によって放出された光の一部分を感知し、このデータは、わずかなフラッシュランプ出力変動に関して画像データを補正するために主エレクトロニクスボード８０によって使用されることもできる。画像メモリ８２が提供され、好ましくは、少なくとも一つのプリント回路板１０に関して生成されたすべての画像を記憶するのに十分な容量を含む。たとえば、一つの実施態様において、カメラアレイ中の各カメラは約５メガピクセルの解像度を有し、メモリ８２は約２．０ギガバイトの容量を有する。カメラ２Ａ〜２Ｈからの画像データは、各カメラが速やかに後続の露光に備えることができるよう、画像メモリバッファ８２に高速で転送することができる。これが、プリント回路板１０を検査システム９２に通してノンストップで輸送し、少なくとも二つの異なる照明野タイプを用いてプリント回路板１０上の各位置の画像を生成することを可能にする。画像データは、最初の画像がメモリ８２に転送されるとただちに、PCI Express（ＰＣＩｅ）のような高速電気インタフェースを介して画像メモリ８２から読み出されてＰＣメモリに読み込まれ始めることができる。同様に、検査プログラム７１は、画像データがＰＣメモリ中で利用可能になるとただちに検査結果を計算し始めることができる。

以下、図４〜６を参照して画像取得工程をさらに詳細に説明する。

図４は、輸送コンベヤ２６及びプリント回路板１０の平面図を示す。カメラ２Ａ〜２Ｈが重複する視野３０Ａ〜３０Ｈをそれぞれ画像化して、カメラアレイ４の有効視野３２を生成する。視野３２は、第一のストロボ照明野タイプを用いて取得される。プリント回路板１０はコンベヤ２６によってＸ方向にノンストップで輸送される。プリント回路板１０は、好ましくは、画像取得工程中に５％未満しか変動しない速度で移動するが、より大きな速度変動及び加速を受け入れることもできる。

一つの好ましい実施態様において、各視野３０Ａ〜３０Ｈは約５００万の画素を有し、画素解像度は１７ミクロンであり、範囲はＸ方向に３３mm、Ｙ方向に４４mmである。各視野３０Ａ〜３０Ｈは、隣り合う視野とでＹ方向に約４mm分だけ重複して、各カメラ２Ａ〜２Ｈの中心間距離はＹ方向に４０mmである。もう一つの実施態様において、カメラアレイ４は四つのカメラ２Ａ〜２Ｄのみからなる。この実施態様において、カメラアレイ視野３２は、約１０：１の、Ｘ方向に比べてＹ方向に大きなアスペクト比を有する。

図５は、図４に示すその位置からプラスのＸ方向に移動した位置にあるプリント回路板１０を示す。たとえば、プリント回路板１０は、図４におけるその位置から約１４mm前進していることができる。有効視野３３は、重複する視野３０Ａ〜３０Ｈで構成され、第二の照明野タイプを用いて取得される。

図６Ａ〜６Ｄは、第一及び第二の照明野タイプを交互に用いて取得されたカメラアレイ視野３２〜３５の時間シーケンスを示す。プリント回路板１０はＸ方向にノンストップで移動していることが理解されよう。図６Ａは、プリント回路板１０全体に関して画像取得中の一つのＸ位置におけるプリント回路板１０を示す。視野３２は、図４を参照して詳述したように第一のストロボ照明野タイプを用いて取得される。図６Ｂは、Ｘ方向にさらに移動したプリント回路板１０及び図５を参照して詳述したように第二のストロボ照明野タイプを用いて取得された視野３３を示す。図６Ｃは、Ｘ方向にさらに移動したプリント回路板１０及び第一の照明野タイプを用いて取得された視野３４を示し、図６Ｄは、Ｘ方向にさらに移動したプリント回路板１０及び第二の照明野タイプを用いて取得された視野３５を示す。

第一の照明野タイプを用いて取得された画像どうしを位置合わせし、デジタル式に併合、すなわち縫合するのに十分な重複画像情報を有するために、視野３２と視野３４との間にはＸ次元に小さな重複がある。また、第二の照明野タイプを用いて取得された画像どうしを位置合わせし、デジタル式に併合するのに十分な重複画像情報を有するために、視野３３と視野３５との間にはＸ次元に小さな重複がある。Ｘ方向に３３mmの範囲を有する視野３０Ａ〜３０Ｈとの実施態様においては、同じ照明野タイプを用いて取得された視野どうしの間でＸ方向に約５mmの重複が効果的であることがわかった。さらに、異なる照明タイプを用いて取得された視野どうしの間ではＸ方向に約１４mmの変位が好ましい。

収集される視野の数を増し、同じ照明野タイプを用いて生成された画像どうしを位置合わせし、デジタル式に併合、すなわち縫合するのに十分な画像重複を保証することにより、プリント回路板１０上の各フィーチャの画像を二つ以上の照明野タイプを用いて取得することもできる。最後に、照明タイプごとに生成された縫合画像を互いに対して位置合わせすることができる。好ましい実施態様において、システム費用を減らすため、ワークピース輸送コンベヤ２６は、検査要求基準よりも低い位置精度を有する。たとえば、エンコーダ２０は１００ミクロンの解像度を有することができ、コンベヤ２６は０．５mm以上の位置精度を有することができる。Ｘ方向における視野の画像縫合がプリント回路板１０の位置誤差を補正する。

各照明野が空間的に均一であり、一貫した角度から照明することが望ましい。また、照明システムがコンパクトであり、高い効率を有することが望ましい。図７〜９を参照して、二つの従来技術照明システムである線光源及びリング光源の問題点を論じる。線光源は、高い効率を有するが、投射光の方位角における均一性に劣る。リング光源は、投射光の方位角において良好な均一性を有するが、コンパクトではなく、大きなアスペクト比のカメラアレイとで使用される場合、効率が劣る。

図７は照明の座標系を画定する。方向Ｚはプリント回路板１０に対して垂直であり、方向Ｘ及びＹは、プリント回路板１０又は他のワークピース上の水平位置を画定する。角度βは照明の仰角を画定する。角度γは、法線に対する照明光線角度を重複して画定する。角度αは光線の方位角である。ほぼすべての方位角及び仰角からの照明は曇天照明と呼ばれる。主に水平に近い低い仰角βからの照明は暗視野照明と呼ばれる。主に垂直に近い高い仰角βからの照明は明視野照明と呼ばれる。良好な汎用照明システムは、視野全体にかけて均一な放射照度を有する光照射野を作り出し（空間均一性）、視野全体にかけて一貫した角度から照明する（角度均一性）。

図８は、カメラアレイ視野３２を照明する公知の線光源４８を示す。線光源４８は、ＬＥＤアレイ４６を使用して、光を狭い長方形の視野３２に効率的に集中させることができる。線光源４８を使用する欠点は、標的が、光源に面する二つの方向から対称な照明を受けるが、視野の長軸に面する方向からは光を受けないということである。

図９は、二つの線光源の照明方向を示す二軸極座標プロットである。極座標プロットは、光源４８にもっとも近い方向（０°及び１８０°の方位角）から強い照明がカメラアレイ視野３２によって受けられ、９０°及び２７０°の方位角からは照明が受けられないことを示す。方位角が０°と９０°の間で変化するとき、光源仰角は低下し、光源はより小さな角度に対面し、より少ない光しか受けられなくなる。カメラアレイ視野３２は、方位角とともに強さ及び仰角が変化する光を受ける。線光源４８は視野３２を効率的に照明するが、方位角における均一性が劣る。対照的に、公知のリング光は、方位角において良好な均一性を有するが、大きなアスペクト比のカメラ視野３２にとって許容可能な空間均一性を提供するために大きく作られなければならない。

リング光は、方位角において許容可能な均一性を提供するために使用することができるが、Ｙ方向に約３００mmのカメラ視野３２の場合、リング光は、許容可能な空間均一性を提供するためには非常に大きくならなければならない。一般的な検査用途の場合、十分な空間均一性を提供するためには、リング光は直径１メータを超える必要があると考えられる。この大きすぎるリングは、いくつかの点で市場ニーズを満たすことができない。大きなサイズがアセンブリライン上の貴重な空間を消費し、大きな光源は、構築するのに費用を要し、照明角が作業の場全体で一貫せず、非常に非効率的である。光出力が１メータ円の有意な部分で散乱する一方、実際には板の細い長方形しか画像化されない。

ライトパイプと呼ばれる光学装置を使用すると、照明のための非常に均一な光照射野を生成することができる。たとえば、米国特許第１，５７７，３８８号は、フィルムゲートを背面照明するために使用されるライトパイプを記載している。しかし、従来のライトパイプは、均一な照明を提供するためには物理的に長くなる必要がある。

図１０〜１２を参照してライトパイプ原理の簡単な説明を提供する。その後、図１３〜１７を参照して、均一な照明に求められるライトパイプの長さを有意に減らす本発明の実施態様を説明する。一つの実施態様において、ライトパイプの内壁は、光を一方向だけに散乱させる反射材で構築されている。本発明のもう一つの実施態様において、ライトパイプは、均一かつ効率的に照明されたワークピースの画像を取得するためにカメラアレイの簡単な組み込みを可能にする入力及び出力ポートで構成されている。

図１０は、光源６０及びライトパイプ６４からなる照明装置６５を示す。中空の箱形ライトパイプ６４が、記載されるように使用されると、均一な暗視野照明パターンを生成する。カメラ２が、ライトパイプの両端のアパーチャ６７及び６９を通してライトパイプ６４の長手方向にワークピース１１を見おろす。光源６０、たとえば放物線状反射板中のアーク灯が、光が所望の仰角で下降するような内反射面を有するライトパイプ６４の入口アパーチャ６７の中に光を投射するように配設されている。あるいはまた、光源仰角の範囲がワークピース１１における所望の仰角範囲に一致する限り、レンズ付きＬＥＤ又は他の光源を使用することもできる。光源は、ストロボ照明型又は連続型のいずれであってもよい。光源６０からの扇形の光線はパイプを横切って下方に進み、最後に側壁の一つに衝突する。扇形の光線はパイプの角で方位角方向に分割され、拡がるが、仰角は保存される。その後、この拡大した扇形の光線は拡がり、多くの異なる側壁部分に衝突して、そこで方位角方向にさらに拡がり、ランダム化されるが、仰角においてはほとんど変化しない。数多くの反射ののち、出口アパーチャ６８及びワークピース１１においてはすべての方位角が存在する。したがって、標的上のすべての地点が、すべての方位角からの光によって照明されるが、元の光源に存在した仰角からの光によってしか照明されない。加えて、ワークピース１１における照明野は空間的に均一である。空間的に均一な照明の条件の場合にリング光に必要なサイズとは対照的に、ライトパイプ６４の横方向の大きさが視野よりもわずかに大きいだけであることに注目すること。

図１１は、小さな範囲の仰角及び方位角からのほぼ平行な光線束である光源における照明方向の極座標プロットを示す。

図１２は、ワークピース１１における光線の極座標プロットであり、光源の角度的拡がりが比較のために含まれている。ワークピース１１においてはすべての方位角が存在するが、光源の仰角は保存されている。

照明装置６５を出る光の仰角は光源６０に存在するものと同じであるため、この角度を特定の用途に合わせて調節することは相対的に容易である。より低い照明仰角が望まれるならば、光源をより水平線に近く照準すればよい。光は、ライトパイプの下縁よりも低い角度からは標的に到達することができないため、照明角の下限はライトパイプ下縁の離間距離によって決まる。照明方位角をランダム化、すなわち均一化するためには何回かの反射が必要であるため、照明仰角の上限はライトパイプ６６の長さによって決まる。所与の長さのライトパイプ６４の場合、仰角が増すにつれ、ワークピース１１に到達するまでの跳ね返りの回数は減る。

多角形ライトパイプホモジナイザはその角でしか新たな方位角を形成せず、したがって、均一な出力を得るためには多数回の反射が必要である。ライトパイプ側壁のすべての部分が光パターンを方位角方向に拡げる、又はランダム化することができるならば、より少ない回数の反射しか要らず、Ｚ方向のライトパイプの長さを減らして、照明装置をより短く及び／又はＹ方向により幅広にすることができるであろう。

図１３及び１４は、光を一軸のみに拡散又は散乱させるライトパイプ側壁を有する本発明の実施態様を示す。この実施態様においては、仰角を維持しながらも光束の方位角が反射のたびに拡がることが好ましい。これは、図１３に示すような湾曲した、又はファセットされた反射面７０を、ライトパイプ側壁６６の内面に加えることによって達成される。側壁６６の断面図が図１４Ａ及び１４Ｂに示されている。図１４Ａは、平行な光線束６２が反射面７０上の円柱形湾曲の軸に対して垂直に拡がる様子を示す。図１４Ｂにおいて、光線束６２の反射の角度は反射面７０上の円柱形湾曲の軸に沿って維持されている。したがって、反射面７０の各地点の表面法線がＺ成分を有しないため、光源の仰角は維持される。反射面７０の湾曲した、又はファセットされた表面は、ライトパイプ壁６６の全面にわたって反射のたびに一定範囲の新たな方位角を作り出し、したがって、光源の方位角は速やかにランダム化される。本発明の実施態様は、屈折面、回折面及び反射面の組み合わせをライトパイプ側壁６６の内面に使用して実現することができる。

一つの態様において、反射面７０は円柱のセグメントにおいて湾曲している。これが、一次元ランベルト面を近似しながら入射光を一つの軸には均等に拡げるが、他方の軸には拡げない。この形状はまた、シートメタルにおいて形成しやすい。もう一つの態様において、反射面７０は正弦波形状を有する。しかし、正弦波形状は、山と谷がより多くの湾曲を有し、斜辺においては湾曲が小さいため、光束６２の角度の拡がりは、斜辺よりも山と谷において強くなる。

図１５Ａ及び１５Ｂは、カメラアレイ４のためのライトパイプ照明装置４１の内面に適用された湾曲した反射面を示す。ライトパイプ照明装置は側壁６６及び光源８７を含む。一次元拡散反射面７０が、平面的な反射性内面で構成されたライトパイプよりも速やかに方位角をランダム化する。これが、よりコンパクトなライトパイプを使用することを可能にし、それが、カメラアレイ４をよりワークピースに近づけることを可能にする。図１５Ｂは、数回の反射ののち光線が方位角においてランダム化される様子を示す。

多数の光源が使用されるならば、ライトパイプ照明装置４２は、照明装置４１に比べてＺ方向に短縮することができる。多数の光源、たとえば平行なＬＥＤの列は、空間的に均一な光源を達成するために必要な合計反射回数を減らし、ひいては、必要なライトパイプ長さを減らす。照明装置４２は、同じくストロボ式アーク灯光源であることができる光源８７Ａ〜８７Ｅによって照明される。

図１７Ａ〜１７Ｂに示す本発明のもう一つの態様において、照明装置４３は、光源８７からの入力ビームの部分を所望の光源仰角に反射させるミラー６７を含む。多光源の実施態様と同様に、これもまた、比較的短いライトパイプの中で空間的に均一な光照射野を生じさせる。ミラー６７は、標的の視認を妨げないようにカメラとカメラとの間に配置され、また、各ミラーが光源６７からの光の一部分を遮るように異なる高さで配置されている。ミラー６７は、光を所望の仰角でライトパイプ側壁６６に向けて反射させるように成形されており、ライトパイプ側壁において、湾曲した反射面７０が光源方位角方向を速やかにランダム化する。ミラー６７の断面図が図１７Ｂに示されている。ミラー６７は、たとえば、一連の山形模様に形成されている平坦なミラーであることができる。

本発明のもう一つの実施態様において、図１８及び１９は、カメラアレイ４とで一体化された照明装置４４を示す。光は、光源８８により、ミラー５４及び５５、上アパーチャ板５８及び拡散板５２によって画定された光混合チャンバ５７の中に注射される。５４、５５及び５８の内面は反射性であるが、拡散板５２は、好ましくは、半透明の光拡散材料で構成されている。上板５８にはアパーチャ５６が設けられ、拡散板５２にはアパーチャ５０が設けられて、カメラ２が遮られずにワークピースを見ることができるようにしている。拡散板５２及びアパーチャ５０をより見やすくするために、図１８と比べて、図１９においてはミラー５５が除かれている。

光源８８によって投射された光はミラー５４及び５５ならびにアパーチャ板５８によって反射される。光が混合チャンバ５７中で反射するとき、拡散板５２もまた、この光の一部分を反射させ、混合チャンバ５７の中に戻す。混合チャンバ５７内での複数回の反射ののち、拡散板５２は均一に照明される。拡散板５２を通って伝達された光は、図１３及び１４を参照して詳述したような、反射面７０で構成されている照明装置４４の下寄り区分の中に放出される。反射面７０は、拡散板５２によって放出された照明仰角を維持する。結果は、ワークピース１０における空間的に均一な照明野である。図２０は、照明装置４４の出力照明方向を示す極座標プロットである。照明装置４４は、照明がほぼすべての仰角及び方位角からほぼ等しいために曇天と呼ばれる、図２０に示すような出力光照射野を作り出す。しかし、出力仰角の範囲は、拡散板５２の拡散性によって制御することができる。

図２１は、光学検査センサ９４の好ましい実施態様を示す。光学検査センサ９４は、カメラアレイ４及び組み込まれた照明装置４５を含む。照明装置４５は、独立制御される曇天照明及び暗視野照明を容易にする。光源８７にエネルギーを付与することによって暗視野照明場がプリント回路板１０上に生成される。光源８８にエネルギーを付与することによって曇天照明場がプリント回路板１０上に生成される。図２２は曇天照明及び暗視野照明の極座標プロット及び照明方向を示す。一つの態様において、光源８７及び８８は、プリント回路板１０のノンストップ輸送による動きのぶれ効果を抑えるためにストロボ照明する。

様々な物体フィーチャの画像コントラストが、フィーチャジオメトリ、色、反射性及び各フィーチャに入射する照明の角スペクトルを含むいくつかの要因に依存して異なるということが当業者によって理解されよう。各カメラアレイの視野は、異なる照明要件を有する多種多様なフィーチャを含むことがあるため、本発明の実施態様は、ワークピース１０上の各フィーチャ及び位置を二回以上画像化することによってこの難題に取り組み、これらの画像それぞれは、異なる照明条件下で捕獲されたのち、デジタルメモリに記憶される。一般に、異なる照明場タイプを用いて取得された二つ以上の画像からの物体のフィーチャデータを使用することにより、検査性能を改善することができる。

本発明の実施態様は、暗視野照明場及び曇天照明場のような二つの照明タイプに限定されず、特定の照明装置構成にも限定されないということが理解されよう。光源は、ワークピース１０に対して直接投射することもできる。光源はまた、様々な波長、すなわち色を有することができ、ワークピース１０に対して様々な角度に配置されることができる。光源をワークピース１０の周囲に様々な方位角で配置して、様々な四半分から照明を提供することもできる。光源は、ワークピース１０の動きを「フリーズ」させ、画像における動きのぶれを抑えるのに十分なエネルギーの光パルスを放出する多数の高出力ＬＥＤであることもできる。明視野照明場を生成する、又はワークピース１０の基板を透過して、検査されるフィーチャを背面照明する光源を含む数多くの他の照明構成が本発明の範囲内である。

好ましい実施態様を参照して本発明を説明したが、当業者は、本発明の真意及び範囲を逸脱することなく、形態及び詳細において変更を加えることができることを理解するであろう。

Claims (25)

1. 検査されるフィーチャを含むワークピースを検査するための光学検査システムであって、
   ワークピースをノンストップで輸送するように構成されたワークピース輸送機構、
   第一のストロボ照明野タイプ及び第二のストロボ照明野タイプを提供するように構成された照明装置であって、フィーチャに近い第一端及び前記第一端とは反対側にあり、前記第一端から離間した第二端を有し、少なくとも一つの反射性側壁を有するライトパイプを含み、前記第一端が出口アパーチャを有し、前記第二端が少なくとも一つの第二端アパーチャを有して、それらを通して前記フィーチャの視認を提供する照明装置、
   前記フィーチャをデジタル式に画像化するように構成され、第一のストロボ照明野タイプを用いて前記フィーチャの第一の複数の画像を生成し、第二のストロボ照明野タイプを用いて前記フィーチャの第二の複数の画像を生成するように構成されているカメラアレイ、及び
   前記照明装置及び前記カメラアレイに操作可能に結合され、前記第一及び第二の複数の画像の少なくともいくつかを記憶し、他の装置に提供するように構成されている処理装置を含み、
   前記反射性側壁は、前記ライトパイプを通過する光線の仰角を維持する一方で、方位角方向に拡散させる
   光学検査システム。
2. 前記カメラアレイの第一の複数のカメラが非テレセントリック光学素子を含み、前記第一の複数のカメラが、ワークピース移動方向に対して垂直な軸に沿って互いに整列している、請求項１記載の光学検査システム。
3. 前記カメラアレイの第二の複数のカメラが非テレセントリック光学素子を含み、前記第二の複数のカメラが、ワークピース移動方向に対して垂直な軸に沿って互いに整列しているが、ワークピース移動方向において前記第一の複数のカメラから離間している、請求項２記載の光学検査システム。
4. 前記カメラアレイが、
   ワークピース移動方向に対して垂直な軸に沿って互いに整列しており、互いに重複しない視野を有する、テレセントリック光学素子を有する第一の複数のカメラ、
   ワークピース移動方向に対して垂直な軸に沿って互いに整列しており、互いに重複しない視野を有する、テレセントリック光学素子を有する第二の複数のカメラ
   を含み、前記第一及び第二の複数のカメラが、ワークピース移動方向に対して垂直な方向に互い違いに位置する視野を有する、請求項１記載の光学検査システム。
5. 前記アレイ中の各カメラの視野の少なくとも一部分が、前記アレイ中の他のカメラと重複しないように、前記第一及び第二の複数のカメラが互い違いに配置されている、請求項４記載の光学検査システム。
6. 前記処理装置へのワークピース移動の指標を提供するための、前記ワークピース輸送機構に操作可能に結合されたエンコーダをさらに含む、請求項１記載の光学検査システム。
7. 前記指標が約１００ミクロンの解像度を有する、請求項６記載の光学検査システム。
8. 前記照明装置が少なくとも一つのアーク灯を含む、請求項１記載の光学検査システム。
9. 前記照明装置が少なくとも一つの発光ダイオードを含む、請求項１記載の光学検査システム。
10. 前記ライトパイプが複数の反射性側壁を含む、請求項１記載の光学検査システム。
11. 前記少なくとも一つの反射性側壁が、照明を方位角方向に混合しながらも照明仰角を保存する湾曲した反射面を含む、請求項１記載の光学検査システム。
12. 前記照明装置が、照明の少なくとも一部分を所望の光源仰角に反射させるように配置された少なくとも一つのミラーを含む、請求項１記載の光学検査システム。
13. 前記少なくとも一つのミラーが、前記照明の一部分を前記少なくとも一つの反射性側壁に向けて所望の仰角で反射させるように傾けられている、請求項１２記載の光学検査システム。
14. 前記カメラアレイが、前記ライトパイプの前記第二端の近くに取り付けられ、少なくとも一つの第二端アパーチャを通して前記フィーチャを見るように構成されている、請求項１記載の光学検査システム。
15. 前記照明装置が、前記第二端の近くに配置された照明混合チャンバを含み、前記混合チャンバ及び前記ライトパイプが、少なくとも一つの第二端アパーチャそれぞれと整列した少なくとも一つの拡散板アパーチャを有する半透明の拡散板によって分けられている、請求項１４記載の光学検査システム。
16. 曇天光源が、ストロボ照明を前記混合チャンバの中に導入するように構成されている、請求項１５記載の光学検査システム。
17. 第一の暗視野光源が、ストロボ照明を前記拡散板と前記第一端との間で前記ライトパイプの中に導入するように構成されている、請求項１６記載の光学検査システム。
18. さらなる照明を前記拡散板と前記第一端との間で前記ライトパイプの中に導入するように構成された第二の暗視野光源をさらに含む、請求項１７記載の光学検査システム。
19. 前記混合チャンバが複数の反射面を含む、請求項１５記載の光学検査システム。
20. 前記処理装置が、前記カメラアレイの各カメラからの複数の画像を記憶するように構成されたランダムアクセスメモリを含む、請求項１記載の光学検査システム。
21. 前記ランダムアクセスメモリが、前記第一及び第二の複数の画像それぞれに関して前記ワークピース全体を表すための数の画像を記憶するのに十分である容量を有する、請求項２０記載の光学検査システム。
22. 前記カメラアレイ中の各カメラが約５メガピクセルの解像度を有し、前記ランダムアクセスメモリが約２．０ギガバイトの容量を有する、請求項２１記載の光学検査システム。
23. 前記処理装置が、記憶された画像を前記他の装置に提供するための高速データ転送バスを含む、請求項２１記載の光学検査システム。
24. 前記処理装置が、記憶された画像を前記他の装置に提供しながら同時に前記カメラアレイから画像を取得し、記憶するように構成されている、請求項２３記載の光学検査システム。
25. 前記他の装置が、少なくとも部分的に前記第一及び第二の複数の画像に基づいて前記ワークピース上の前記フィーチャに関する検査結果を提供するように構成されている、請求項２３記載の光学検査システム。

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