專利名稱：用于自動光學(xué)檢驗(yàn)系統(tǒng)的照明裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地說涉及一種自動光學(xué)檢驗(yàn)系統(tǒng)，更具體地說涉及用于這種檢驗(yàn)系統(tǒng)的照明裝置。
自動光學(xué)檢驗(yàn)用在制造印刷電路板的過程中以及其他領(lǐng)域。計算機(jī)控制系統(tǒng)將一攝像機(jī)在印刷電路板或其他待檢驗(yàn)物體上傳送并攝取該板各個區(qū)域的圖像。接著用計算機(jī)掃描這些圖像以驗(yàn)證在正確制造的電路板中預(yù)期存在的特征存在于該區(qū)域并且具有預(yù)期的形狀。替代地，系統(tǒng)可以驗(yàn)證在不應(yīng)存在特征的區(qū)域不存在特征。如果該特征得以驗(yàn)證，則電路板通過檢驗(yàn)。如果沒有得到驗(yàn)證，則電路板被標(biāo)為有缺陷或者繼續(xù)進(jìn)行人工檢驗(yàn)或其他測試。
在檢驗(yàn)印刷電路板中的物體時，所關(guān)注的特征是諸如電子部件邊緣、金屬跡線或焊點(diǎn)等物。許多這些特征可以在圖像中捕獲，盡管光束必須相對于形成圖像的攝像機(jī)以一定的角度照射在物體上。例如，如果物體具有閃光表面，其方向使光束反射離開攝像機(jī)，則攝像機(jī)不能獲取從該物體反射的光束。如果攝像機(jī)不能獲取從該物體反射的光束，則物體所處的區(qū)域在攝像機(jī)形成的圖像中將呈現(xiàn)黑色。
因此，為產(chǎn)生可用于自動檢驗(yàn)的圖像，必須相對于攝像機(jī)對檢驗(yàn)區(qū)域的照明加以控制。一些自動檢驗(yàn)系統(tǒng)采用從待檢驗(yàn)區(qū)域的四周提供光束的環(huán)形光源。然而，這些類型的光源具有數(shù)個缺點(diǎn)。首先，環(huán)形光源一般使得攝像機(jī)只能沿著垂直于印刷電路板的方向從穿過環(huán)面的頂端聚焦在檢驗(yàn)區(qū)域上。通常，待檢驗(yàn)電路板的特征在沿此方向攝取的圖像中不易于顯現(xiàn)。
通常，需要多種“照明模式”來攝取相同待檢驗(yàn)區(qū)域的多個圖像。在各照明模式中，從不同的角度或不同的角度組合來照明待檢驗(yàn)區(qū)域。
環(huán)形光源是已知的。有些這種光源具有發(fā)光二極管陣列。當(dāng)發(fā)光二極管按扇區(qū)工作時，可以從不同的方向照明檢驗(yàn)區(qū)域。當(dāng)發(fā)光二極管根據(jù)其到環(huán)面中心的距離按組工作時，可以從不同的仰角照明檢驗(yàn)區(qū)域。從不同仰角的照明可用于突出顯示印刷電路板上不同種類的特征。環(huán)形照明系統(tǒng)的缺點(diǎn)在于用以從低仰角照明檢驗(yàn)區(qū)域的發(fā)光元件比用以從高仰角照明檢驗(yàn)區(qū)域的發(fā)光元件距離檢驗(yàn)區(qū)域更遠(yuǎn)。此外，環(huán)面圓周處的發(fā)光元件的照明區(qū)域更加遠(yuǎn)離光束中心。因此，當(dāng)需要從低仰角照明時，對檢驗(yàn)區(qū)域的照明光強(qiáng)較低。這種照明光強(qiáng)的變化對于檢驗(yàn)系統(tǒng)是不利的。
美國專利US 5,245,421顯示了一種用于檢驗(yàn)印刷電路板的照明裝置，其具有表面固定部件，更適于提供多種照明模式。該專利的

圖1再現(xiàn)為本文圖1。圖1表示檢驗(yàn)裝置10的一部分。裝置10含有檢驗(yàn)頭12。
檢驗(yàn)頭12安裝在X-Y工作臺13上，使得它可以在待檢驗(yàn)印刷電路板的表面上方移動。裝置的其余部分沒有畫出，但是它含有用于將印刷電路板移入和移出X-Y工作臺13下檢驗(yàn)區(qū)域的機(jī)械結(jié)構(gòu)以及其他傳統(tǒng)的檢驗(yàn)部件比如計算機(jī)控制器。
檢驗(yàn)頭12含有用于獲取電路板圖像的攝像機(jī)。在所示的實(shí)施例中，畫出了四個攝像機(jī)14、15、16和17。攝像機(jī)14、15、16和17安裝在具有開口底部31的中空圓柱體30中。照明組件安裝在圓柱體31內(nèi)，在圖1中可以看見其中的23和24。然而，該專利描述了在圓柱體30內(nèi)有四個照明組件。照明組件可以單獨(dú)工作或組合工作，以提供在開口底部31的多種照明模式。在使用時，開口底部31置于靠近待檢驗(yàn)電路板的位置并且以待檢驗(yàn)區(qū)域?yàn)橹行?。該區(qū)域通過照明組件的選擇性啟動從不同角度加以照明，并用攝像機(jī)對電路板上的部件成象。
美國專利US 5,060,065更詳細(xì)地描述了圓柱體30內(nèi)的照明裝置。該專利描述了照明組件由圍繞圓柱體30內(nèi)穹頂表面分布的發(fā)光二極管陣列制成。在專利US 5,060,065中所示的照明裝置的商用實(shí)施例中，相同的二極管安裝在彎曲的印刷電路板上，焊接成一個環(huán)形。以此方式，各發(fā)光二極管基本上距開口底部31附近的檢驗(yàn)區(qū)域相同的距離。另外，各發(fā)光二極管的光束中心聚焦在檢驗(yàn)區(qū)域上。這種結(jié)構(gòu)提供了高得多的照明均勻性。另外，承載發(fā)光二極管的印刷電路板之間的間距使得多個攝像機(jī)可以通過穹頂聚焦在檢驗(yàn)區(qū)域上。
然而，為充分地照明印刷電路板上的部件，開口底部31必須很靠近被檢驗(yàn)印刷電路板的表面一大致1.75 mm(0.7英寸)以下。該限制阻礙了所述系統(tǒng)用于制造具有較高部件比如互感器或大數(shù)值電容器的印刷電路板。我們已經(jīng)發(fā)明了使光源可以與印刷電路板的表面上較高部件一起工作的方法。如下面詳細(xì)所述，我們還發(fā)明了簡化照明結(jié)構(gòu)的制造方法。
前述和其他目的通過具有大致平面的底座和多個由該底座支承的發(fā)光元件的照明結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。在優(yōu)選的實(shí)施例中，發(fā)光元件為二極管，按組固定在從底座突出的基片上。在本優(yōu)選實(shí)施例中，底座和基片都是印刷電路板，并且通過插塞型連接器互相連接。
在優(yōu)選實(shí)施例中，基片沿著從一公共點(diǎn)射出的直線安裝，發(fā)光元件安裝成將其光束聚焦在該公共點(diǎn)下方的檢驗(yàn)區(qū)域處。優(yōu)選實(shí)施例的另一特征是遠(yuǎn)離公共點(diǎn)安裝的發(fā)光元件比靠近公共點(diǎn)安裝的發(fā)光元件具有較窄的束角。采用具有不同束角的發(fā)光元件可以減小由各發(fā)光源所照明區(qū)域尺寸的變化，并且還可以減小由處于距檢驗(yàn)區(qū)域不同距離處發(fā)光元件所導(dǎo)致的檢驗(yàn)區(qū)域中光束光強(qiáng)的變化。
優(yōu)選實(shí)施例的描述圖2表示本發(fā)明的照明系統(tǒng)210。在使用中，照明系統(tǒng)210將用于替代圖1中的圓柱體30。在一個優(yōu)選的實(shí)施例中，照明系統(tǒng)210用在用于印刷電路板的自動光學(xué)檢驗(yàn)系統(tǒng)中。照明系統(tǒng)210用于提供在電路板制造過程中各階段對該電路板的照明。可以用它來提供對具有較高部件的印刷電路板檢驗(yàn)的照明，從而照明系統(tǒng)210與待檢驗(yàn)電路板表面之間的間距必須為1.7mm以上。
這種系統(tǒng)可用于印刷電路板的制造。在電路板的制造過程中通常在數(shù)個步驟對其進(jìn)行檢驗(yàn)。檢驗(yàn)有時用于改變單個電路板的加工流程。例如，如果檢驗(yàn)揭示電路板上遺漏部件，則該電路板將改變路線以重新加工。采用本發(fā)明系統(tǒng)來改變加工流程的精確方式對本發(fā)明不重要。
照明系統(tǒng)210具有一個底座，在所示實(shí)施例中為印刷電路板212。電路板212可以是傳統(tǒng)的印刷電路板，其中具有導(dǎo)電跡線。這些跡線承載用于控制各照明元件310的信號(圖3)。電子連接器216可以是傳統(tǒng)的插頭和插座型連接器，安裝在電路板212上的適宜位置。在所示的實(shí)施例中，電路板212為大致方形的，并且連接器216安裝在電路板的角部。
電路板212中還具有一個開口214。開口214提供位置使攝像機(jī)(未畫出)通過照明系統(tǒng)210聚焦至所測試印刷電路板上的檢驗(yàn)區(qū)域。在所示的實(shí)施例中，有五個這種位置。有四個攝像機(jī)位置218a、218b、218c和218d(圖2-4)位于開口214周圍不同的角度。在開口214的中心有第五個攝像機(jī)位置218d(圖4)。這些攝像機(jī)位置使得攝像機(jī)可以從多個角度形成檢驗(yàn)區(qū)域的圖像。
有多個照明基片固定在電路板212上。在所示的實(shí)施例中，照明基片由多個印刷電路板220a和220b提供。下面結(jié)合圖5詳細(xì)說明電路板220a和220b的制造。
電路板220a和220b都延伸進(jìn)入開口214。電路板220a和220b都沒有延伸到開口214的中心。通過使電路板不延伸到開口214的中心，形成攝像機(jī)位置218d。另外，電路板220a比電路板220b短，僅延伸到開口214中途。以此方式，存在數(shù)個通過開口214的無阻礙通道，從而形成攝像機(jī)位置218a…218d。
電路板220a和220b在圖3中可以看得更為清楚。圖3表示在照明系統(tǒng)工作過程中照明系統(tǒng)朝向被檢驗(yàn)印刷電路板的一側(cè)。電路板220a和220b各具有多個與之固定的照明元件。在優(yōu)選實(shí)施例中，該照明元件為光電二極管。由于電路板220b比電路板220a長，顯示有更多的照明元件固定其上。
在所示的實(shí)施例中，電路板220a和220b分別沿著從開口214中心發(fā)出的直線固定在電路板212上。照明元件310固定在電路板220a和220b上，其方式使得其也沿著從開口214中心發(fā)出的直線。
這種結(jié)構(gòu)在開口214中心與印刷電路板待檢驗(yàn)區(qū)域?qū)?zhǔn)時是有用的。以此方式，將照明元件310設(shè)置在圍繞待檢驗(yàn)區(qū)域半徑不同的圓周上。與在現(xiàn)有技術(shù)中一樣，可以按扇區(qū)同時啟動照明元件310。啟動一個扇區(qū)的照明元件可以使檢驗(yàn)區(qū)域從一側(cè)照明。替代地或附加地，只有距檢驗(yàn)區(qū)域特定半徑的照明元件才使檢驗(yàn)區(qū)域從不同的仰角得以照明。
如圖3中所示，電路板220a和220b都安裝成從電路板212突出。在優(yōu)選的實(shí)施例中，各電路板220a和220b從電路板212以大致直角突出。該結(jié)構(gòu)使得各電路板220a和220b的一個邊緣與電路板212相對，而使各電路板220a和220b的第二邊緣大致朝向被檢驗(yàn)印刷電路板。電路板220a和220b的這些邊緣提供了用于將各電路板220a和220b與電路板212連接的電連接器(圖4中412a和412b)的適宜的固定位置。這些邊緣還提供了用于固定發(fā)光元件310的適宜位置。
電路板220a和220b中的跡線在連接器與照明元件之間延伸。以此方式，可以將電信號傳輸至各照明元件。特別地，電信號可以從系統(tǒng)控制器(未畫出)通過連接器216、通過電路板212上的跡線、通過連接器412a和412b、通過電路板220a和220b上的跡線傳輸至照明元件310。以易于制造的方式設(shè)置用于隔離照明元件310的許多隔離線路。特別地，將部件和連接器焊接在印刷電路板上以制得子組件，然后將其插在一起以形成最終組件。
轉(zhuǎn)至圖4，其中畫出了沿圖2中線4-4截取的照明系統(tǒng)210的剖視圖。在該視圖中，可以看見兩個電路板220b。連接器412a和412b畫成照明元件310。從圖4中可以看出，照明元件310都安裝成將其光束射向檢驗(yàn)區(qū)域，在該實(shí)施例中位于開口214的中心之下。對于優(yōu)選實(shí)施例中所用的發(fā)光二極管，為了以此方式導(dǎo)引光束，必須以不同的角度安裝各發(fā)光二極管。
在優(yōu)選實(shí)施例中，通過首先沿著電路板220a和220b的邊緣形成平臺(在圖5圖示中，部分標(biāo)號為510a…510c)以不同角度來安裝各發(fā)光二極管。如圖5中所示，在平臺(例如標(biāo)號為510a…510c的平臺)上形成導(dǎo)電墊片，發(fā)光二極管引線可以用任何適宜的裝置焊接或固定其上。平臺使印刷電路板220a和220b的邊緣具有鋸齒形外觀。選擇平臺的取向以使照明元件指向照明區(qū)域。此圖形可以稱作菲涅爾圖形。
在優(yōu)選實(shí)施例中，各電路板220b上的發(fā)光元件是不同的。安裝在靠近檢驗(yàn)區(qū)域414位置的發(fā)光二極管416比安裝在遠(yuǎn)離檢驗(yàn)區(qū)域414位置的發(fā)光二極管418具有更寬的束角。以此方式，可以使檢驗(yàn)區(qū)域414的光強(qiáng)均勻化。雖然理論上各電路板220b上的各照明元件可以具有不同的束角，但是對易于獲得的束角存在實(shí)際的限制。在一個實(shí)施例中，僅采用兩種不同類型的發(fā)光二極管，一種具有的束角最接近所選擇特定位置所需的束角。
下面轉(zhuǎn)至圖5，其中畫出了制造電路板220b的示意圖。電路板220a用類似的方式制造。從一塊玻璃纖維原料530或其他適于制作印刷電路板的材料制成數(shù)個電路板220b。如傳統(tǒng)技術(shù)一樣，在原料530的兩個表面上形成所需圖案的跡線，包括用于固定照明元件的墊片512。
接著在原料530中研磨出通道520a和522b，從而形成電路板220b的所需邊緣。如圖所示，通道520a具有形成平臺比如510a…510c的形狀。同時切割出刻劃線524a和524b，但是不切割成完全貫穿原料530。在完成所有處理步驟之后，可以沿著刻劃線524a和524b切斷環(huán)氧樹脂原料，得到多個印刷電路板220b。
已經(jīng)描述了一個實(shí)施例，從而可以作出多種替代性實(shí)施例或變型。例如，已經(jīng)描述了采用不同束角的照明元件來減小不同仰角照明光強(qiáng)的變化。也可以采用其他方式來使光強(qiáng)均勻化。由于可以單獨(dú)控制各組照明元件，所以來自有些組的光強(qiáng)可以通過向該組提供更高的輸入功率加以提高?；蛘?，在光束閃爍的地方，可以控制有些組保持開啟更長時間。
另外，已經(jīng)描述了采用發(fā)光二極管用作照明元件的優(yōu)選實(shí)施例。也可以采用其他光源。例如，可以采用光纖將光束從所需的位置沿所需的方向進(jìn)行分布。
另外，已經(jīng)描述了底座和基片元件作為子組件加以制作然后連接在一起形成照明系統(tǒng)。雖然此種結(jié)構(gòu)由于其制作過程得以簡化因而是有利的，但并不是必需的。也可以例如使照明元件固定在其他類型的支承結(jié)構(gòu)上。例如，支承結(jié)構(gòu)可以是一整體部件。替代地，沿數(shù)個射線設(shè)置的照明元件可以固定至同一部件上，從而得到的子組件具有比圖中所示更多的照明元件。
另外，在優(yōu)選實(shí)施例中已經(jīng)描述了采用印刷電路板。也可以采用具有跡線的傳統(tǒng)環(huán)氧樹脂玻璃纖維板，盡管這不是唯一適宜的元件?？梢圆捎闷渌瑏碇谱饔∷㈦娐钒澹热绮ＡЩ蛱沾?。另外，可以采用光刻以外的方式來制作導(dǎo)電跡線?？梢圆捎玫矸e技術(shù)。也可以將單個導(dǎo)線固定在基片上以得到類似的結(jié)構(gòu)。此外，為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)不必使跡線與“印刷電路板”的基片一體制作。
另外，所示二極管照明元件位于印刷電路板220的邊緣上。應(yīng)當(dāng)理解，使照明光束投射到電路板220邊緣之外的任何安裝結(jié)構(gòu)都是可行的。因此，可以采用其他將照明元件沿邊緣安裝的方式。
另外，已經(jīng)描述了二極管被焊接在印刷電路板的邊緣上。也可以采用其他方法來固定二極管。例如，二極管可以安裝在插座中。
因此，本發(fā)明只應(yīng)由所附權(quán)利要求的精神和范圍來限定。
權(quán)利要求
1.一種光學(xué)檢驗(yàn)系統(tǒng)，具有一照明系統(tǒng)和一檢驗(yàn)區(qū)域，包括a)一支承結(jié)構(gòu)；b)多個照明元件，位于平面陣列中，各照明元件與檢驗(yàn)區(qū)域具有預(yù)定的間距，各照明元件傾斜朝向檢驗(yàn)區(qū)域。
2.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)檢驗(yàn)系統(tǒng)，其中所述多個照明元件的第一部分所具有的預(yù)定間距大于所述多個照明元件的第二部分的預(yù)定間距，其中第一部分的光束寬度比第二部分的光束寬度窄。
3.如權(quán)利要求2所述的光學(xué)檢驗(yàn)系統(tǒng)，其中所述多個照明元件包括發(fā)光二極管。
4.如權(quán)利要求3所述的光學(xué)檢驗(yàn)系統(tǒng)，其中所述支承結(jié)構(gòu)包括印刷電路板。
5.如權(quán)利要求2所述的光學(xué)檢驗(yàn)系統(tǒng)，其中所述支承結(jié)構(gòu)包括一個底座和多個安裝在底座上并從底座突出的印刷電路板，所述多個印刷電路板各具有背離底座朝向的邊緣并且其中發(fā)光元件沿所述邊緣安裝。
6.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)檢驗(yàn)系統(tǒng)，其中所述支承結(jié)構(gòu)包括一個具有平面表面的底座和多個固定在該底座上并從該平面表面突出的基片元件，并且其中多個照明元件安裝在該基片元件上。
7.如權(quán)利要求6所述的光學(xué)檢驗(yàn)系統(tǒng)，其中所述基片元件具有背離底座朝向的鋸齒形邊緣。
8.如權(quán)利要求7所述的光學(xué)檢驗(yàn)系統(tǒng)，其中所述鋸齒形邊緣由多個平臺構(gòu)成，其中選定的多個平臺相對于底座的角度根據(jù)至檢驗(yàn)區(qū)域的距離而不同。
9.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)檢驗(yàn)系統(tǒng)，其中所述支承結(jié)構(gòu)包括a)一個具有平面表面的底座，其中具有一個開口；b)多個基片元件，具有延伸進(jìn)入所述開口的第一部分基片元件和延伸進(jìn)入所述開口與第一部分不一樣遠(yuǎn)的第二部分基片元件，從而形成至少沒有基片元件的開口區(qū)域；c)至少一個攝像機(jī)，通過所述沒有基片元件的開口區(qū)域聚焦。
10.一種光學(xué)檢驗(yàn)系統(tǒng)，具有一照明系統(tǒng)和一檢驗(yàn)區(qū)域，包括a)一支承結(jié)構(gòu)；b)多個照明元件，位于平面陣列中，各照明元件與檢驗(yàn)區(qū)域具有預(yù)定的間距，其中所述多個照明元件的第一部分所具有的預(yù)定間距大于所述多個照明元件的第二部分的預(yù)定間距，其中第一部分的光束寬度比第二部分的光束寬度窄。
11.如權(quán)利要求10所述的光學(xué)檢驗(yàn)系統(tǒng)，其中所述支承結(jié)構(gòu)包括多個基片，各沿著從所述陣列中心延伸的直線設(shè)置。
12.如權(quán)利要求11所述的光學(xué)檢驗(yàn)系統(tǒng)，其中每個所述基片具有一個邊緣，多個照明元件沿著每個邊緣安裝。
13.如權(quán)利要求12所述的光學(xué)檢驗(yàn)系統(tǒng)，其中所述基片包括印刷電路板，并且照明元件包括固定在該印刷電路板上的二極管。
14.如權(quán)利要求13所述的光學(xué)檢驗(yàn)系統(tǒng)，其中各所述照明元件傾斜朝向檢驗(yàn)區(qū)域。
15.如權(quán)利要求10所述的光學(xué)檢驗(yàn)系統(tǒng)，其中所述照明元件與檢驗(yàn)區(qū)域之間的間距超過1.8mm。
16.一種光學(xué)檢驗(yàn)系統(tǒng)，其類型為具有多個聚焦在一檢驗(yàn)區(qū)域上的攝像機(jī)，和一個用于照明該檢驗(yàn)區(qū)域的照明系統(tǒng)，包括a)一個具有平面表面的底座，其中具有一個開口，該開口位于檢驗(yàn)區(qū)域上方；b)多個照明元件，設(shè)置成一個平行于所述平面表面的陣列，照明元件使光束射在檢驗(yàn)區(qū)域上，所述照明元件陣列中具有開口區(qū)域；c)多個攝像機(jī)，朝向所述檢驗(yàn)區(qū)域，都通過開口區(qū)域聚焦。
17.如權(quán)利要求16所述的光學(xué)檢驗(yàn)系統(tǒng)，其中預(yù)定數(shù)量的照明元件具有窄于其它照明元件的束角，從而照明光強(qiáng)相對于仰角的變化得以減小。
18.如權(quán)利要求16所述的光學(xué)檢驗(yàn)系統(tǒng)，還包括多個基片，各沿著從所述開口中一點(diǎn)發(fā)出的射線設(shè)置，其中多個照明元件的一部分沿著所述射線以子陣列固定在各個基片上。
19.如權(quán)利要求18所述的光學(xué)檢驗(yàn)系統(tǒng)，其中所述照明元件包括二極管，所述基片包括垂直于所述底座的平面表面安裝的電路板，各個電路板具有朝向檢驗(yàn)區(qū)域的邊緣，所述邊緣上具有鋸齒，二極管安裝在鋸齒上。
20.如權(quán)利要求18所述的光學(xué)檢驗(yàn)系統(tǒng)，其中各照明元件產(chǎn)生具有束角的光束，所述多個照明元件的第一部分具有比更靠近所述點(diǎn)的多個照明元件的第二部分窄的束角。
全文摘要
一種具有改進(jìn)照明系統(tǒng)的光學(xué)檢驗(yàn)系統(tǒng)。用以說明本發(fā)明的改進(jìn)照明系統(tǒng)具有一個由印刷電路板制成的底座。在印刷電路板上還形成有用于固定以發(fā)光二極管為例的照明元件的基片。這些電路板具有鋸齒形邊緣，二極管安裝在鋸齒上。此結(jié)構(gòu)使得發(fā)光元件可以聚焦在焦點(diǎn)上。同樣在該例示性照明系統(tǒng)中，發(fā)光元件具有不同的光束寬度，從而可以減小照明光強(qiáng)隨仰角的變化。
文檔編號G01B11/24GK1439096SQ01811936
公開日2003年8月27日 申請日期2001年6月18日 優(yōu)先權(quán)日2000年6月28日
發(fā)明者約翰·B·伯內(nèi)特 申請人:泰拉丁公司