专利名称：测量电子元件中触点位置的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种测量电子元件中一组N个触点各个位置的方法和设备，因此可以记录这些触点的第一图像和第二图像。第一图像是光从触点沿垂直方向反射得到的图像，而第二图像是光沿相对于触点呈三角形反射得到的图像。
这种方法和这种装置是根据PCB/BE00/00020知道的。在已知的方法和装置中，第一图像是由第一个照相机记录，而第二图像是由第二个照相机记录。触点的位置是基于第一图像和第二图像中的数据确定的。
已知方法和装置的缺点是需要两个单独的照相机。第一个照相机记录第一图像，而第二个照相机记录第二图像。因此，处理图像数据需要两个帧捕获器通道。此外，这两个照相机必须装入相同的设备内，从而需要很大的空间。
本发明的一个目的是实现一种测量电子元件中触点各个位置的方法和设备，其中仅需要单个照相机而并不影响测量的准确度。
按照本发明方法或装置的特征是，它包括-使所述一组的触点位于测量平面；-借助于基本均匀的第一光源，照明所述测量平面；-形成第一光束建立的第一光路，第一光束是由所述第一光源产生并沿第一视角的方向从至少一个所述触点反射，其中所述第一光路是从所述至少一个触点开始并终止于照相机的图像平面；-形成第二光束建立的第二光路，第二光束是沿第二视角的方向从至少一个所述触点反射得到的，第二视角值不同于所述第一视角值，其中所述第二光路是从所述至少一个触点开始并终止于所述照相机的所述图像平面；
-借助于所述照相机和有选择地开启所述第一光路，形成所述触点的第一图像，和借助于所述照相机和有选择地开启所述第二光路，形成所述触点的第二图像；-利用所述第一图像和第二图像测量所述触点位置。
通过建立终止于同一照相机图像平面的第一光路和第二光路，在利用单个照相机的情况下，两个不同的图像可以由相同触点形成。有选择地开启第一路程和第二路程能产生这样的结果，在第二路程开启时，沿第一路程传播的光被阻挡，反之亦然。按照这种方法，第二路程上光得到的第二图像不会受到光沿第一路程传播的影响。因此，利用单个照相机得到的两个不同图像能够确定触点的位置。
按照本发明第一个优选实施例装置的特征是，它包括第二光源，用于产生所述第二光束，所述第二光束是这样取向的，输出第二光束是以角度α入射到所述测量平面，其中20°≤α≤80°。利用第二光源能够清晰地区别不同光路上的光。
按照本发明第二个优选实施例设备的特征是，所述第一光源和第二光源用于产生非重叠波长范围的光。利用非重叠波长范围能够更好地区别沿第一光路和第二光路传播的光，因为不同波长范围的光沿着这些不同的路程传播。因此，产生第一图像和第二图像的光不发生干扰。
最好是，利用二向色反射镜构成有选择开启所述第一路程或第二路程的选择装置。二向色反射镜与不同波长范围光的结合具有这样的优点，二向色反射镜对于一个波长范围的光是反射的，而对于另一个波长范围的光是透射的。
按照本发明第三个优选实施例设备的特征是，在毗邻测量平面的视角ψ范围内设置一个横向反射镜，所述照相机的分辨率为nK×mK，其中1≤n≤2，1≤m≤2，用于记录所述至少一个反射镜反射的光。为了建立第一光路和第二光路，这个实施例不要求很严格的反射镜设置。
现在，参照附图详细地描述本发明，在这些附图中
图1表示按照本发明第一个实施例设备的总体示意图；图2表示图1所示设备中形成的第一光路和第二光路；图3表示图1所示设备记录的第一图像和第二图像的例子；图4表示利用图1所示设备和畸形光学系统记录的第一图像和第二图像的例子；图5表示按照本发明第二个实施例设备的总体示意图；图6表示利用本发明方法所要求的景深图；图7表示按照本发明第三个实施例设备的原理图；图8表示图5所示设备得到的不同图像配置；和图9表示图8所示设备记录的图像例子。
在这些附图中，相同的附图标记表示相同或类似的单元。
按照本发明的方法设计成自动计算电子元件中触点和倒装片装置的共面性，例如BGA(球栅阵列接脚)/CSP(芯片规模封装)。本发明还可以完成其他的计算，包括计算元件的二维或三维尺寸，元件的颜色和形状，以及检测丢失或错位的单元。
在按照本发明第一个实施例的设备8中，如图1所示，电子元件10放置在测量平面7上，它的N个触点被第一光源3照明。最好是，第一光源3以小的入射角产生触点的均匀照明，最大入射角为20°。最好是，第一光源包括高质量的环形光照明光源。这种光源是由一系列LED构成，LED放置成环形，正方形，六边形，或其他基本平面几何的安排，光源位于触点所在的平面以下。重要的是，建立的基本均匀光场覆盖放置电子元件中触点的空间。按照这种方式，得到不同触点上基本均匀的照明。为了得到对称的照明，角度数值是由被测元件的大小所确定。元件越大，角度就越大。例如，对于40×40mm的元件，环的直径为15cm和入射角＝15°，而对于不足15×15mm的元件，入射角＝10°。
由于光源3是从表面的边缘照明触点所在的表面，通常由小球构成的触点侧边被照明。光源3产生的光按照第一视角方向被反射，它基本上垂直于电子元件10所在的测量平面7。反射光入射到倾角为δ的第一反射镜1上，它的功能是与其他光学元件一起构成设备8。
例如，第二照明光源4是由安装在测量平面以下的一系列LED构成。第二照明光源产生的光以某个倾角入射到测量平面上。以角度6倾斜的第二反射镜5俘获第二光源4产生并从触点10反射的光。第二反射镜5反射的光传播到以角度倾斜的第三反射镜6上。
倾角为θ的二向色反射镜2反射第一反射镜1反射的光，该光进入到单个照相机9的物镜，照相机9放置在第一反射镜1和二向色反射镜2的下方。二向色反射镜2对于第三反射镜6反射的光是透明的，因此，该光也到达单个照相机9。照相机9最好是CCD或CMOS照相机。
照明光源和反射镜的装置，如图1所示，能够形成图2所示的第一光路和第二光路。第一照明光源3产生第一光束，第一光路p1是由第一光束建立并沿着基本垂直于测量平面的方向反射该光，在测量平面上放置电子元件10。第一光路p1有测量平面与第一反射镜1之间延伸的起始段或第一段。第二段是在第一反射镜1与二向色反射镜2之间延伸，它是第一反射镜反射光形成的。第一光路的最后段是在二向色反射镜2与照相机9的图像平面之间延伸。最后段是光反射到照相机并入射到二向色反射镜上形成的。在这个例子中，二向色反射镜上入射光与反射光之间的夹角为k＝31°。
第二照明光源4产生第二光束，第二光路p2是由第二光束以角度α入射到测量平面上建立的，其中20°≤α≤80°。第二光路p2的起始段或第一段是在测量平面与第二反射镜5之间沿第二视角α方向延伸。第二反射镜的倾角δ是由角度α和照相机的位置所确定。在这个例子中，2°≤δ≤15°。第二光路的第二段是第二反射镜5反射的光并传向第三反射镜6形成的。第三反射镜的倾角取决于第二反射镜5或照相机9。在这个例子中，5°≤≤35°。第二光路的最后段是在第三反射镜与照相机9的图像平面之间延伸。那个最后段传播通过二向色反射镜并由第三反射镜反射光形成的。
二向色反射镜能够复用光沿第一路程和第二路程传播形成的图像。二向色反射镜有这样的性质，在第一波长范围内，它的作用是反射光的反射镜；而在非重叠的第二波长范围内，该反射镜是透明的，即，它的作用是一个简单的玻璃片。通过分配第一波长范围给沿第一路程传播的光，和分配与第一波长范围不重叠的第二波长范围给第二路程，形成的光学组件具有这样的性质，它利用单个照相机形成两个不同的图像。
一种可能的分配波长范围是这样的，例如，第一光源的红光是在600nm至720nm的范围内，而第二光源的蓝光是在420nm至550nm的范围内。红光沿第一光路p1传播，二向色反射镜4对红光的作用是反射镜，即，反射红光到照相机。另一方面，蓝光沿第二路程传播。由于二向色反射镜2对蓝光是透明的，蓝光传播通过该二向色反射镜到达照相机9。
最好是，第一光源和第二光源不是同时而是交替地接通。即使存在光的散射，蓝光到达第一反射镜1，或红光到达第三反射镜6，这个散射光不会影响照相机形成的第一图像和第二图像。的确，入射到第一反射镜并反射到二向色反射镜的蓝光传播通过该二向色反射镜，因为二向色反射镜对于蓝光是透明的。到达第三反射镜并入射到二向色反射镜的红光被该二向色反射镜反射。因此，得到两个清晰分开的图像。
图3的左侧上表示光沿第一路经传播得到的第一图像和在右侧上表示光沿第二路经传播得到的第二图像。第一图像有典型的油炸圈饼形状，它是从触点垂直反射得到的图像。第二图像有典型的月牙形状，这是由于呈三角形的横向照明形成的。
在第二光路上，由于起始段的光轴不垂直于测量平面，而与测量平面形成夹角α，电子元件上各点与所用物镜之间有不同的距离。因此要求有很大的景深。图6表示景深的要求。所要求的景深d表示成如下d＝f·sinα
其中f是对应于所研究物体或电子元件横向尺寸的视场。利用足够小孔径的照相机物镜得到所要求的景深。作为一个例子，在视场f＝50mm和视角α＝60°的情况下，要求的总景深为43mm。总景深是由波动光学公式给出的景深＝λ/(孔径)2其中λ是所用光源的波长。假设波长λ＝500nm，物体一侧上所要求的孔径是0.0034，它相当于f＝50mm焦距物镜的F数16。
利用单个照相机必须满足的另一个约束条件是，对于两个视图，平均光路长(沿光路中心轴测量)，即，物体与照相机图像平面之间的距离，必须基本上相等，为的是仅仅利用单个物镜能够产生清晰的图像。通过适当设置不同的反射镜1，2，5和6以及它们的正确倾斜角，根据第一光路和第二光路有大致相同的光路长，可以满足那个约束条件。
图1所示的设备可以作一些改动或改进。在给定的装置内，即，对于反射镜和照相机的固定光机组合，只要交换单个物镜，我们可以改变视�。佣谋湔障嗷姆直媛�。通过适当地调整孔径和安装位置，不同焦距的物镜都可以建立填充照相机整个视场的清晰图像，但变化成较小(长焦距)或较大(短焦距)的视场。
由于第二图像是在角度α下的倾斜视图，图像高度的压缩因子为cos(α)，如图3所示。就是说，边长为E的正方形物体看上去像梯形，大致是宽度为E和高度为E*cos(α)。所以，不能利用整个像场的区域。通过扩展这个图像的高度而不改变宽度，可以改进该方法的分辨率和准确度。在两个正交方向上有不同放大倍数的光学系统称之为畸形光学系统。借助于第二反射镜5和第三反射镜6采用柱面反射镜以代替两个平面反射镜，可以在第二观察路程内形成畸形光学系统。图4表示这个结果。或者，可以在第二路程内利用两个附加的柱面透镜。这两个反射镜或两个透镜在一个方向上形成扩束器，而在另一个方向上没有光学作用。第一路程上没有这些元件，它是一个直视路程，当然，此处物体的纵横比应当保持不受影响。
显而易见，图1和图2中所示装置仅仅表示按照本发明实施例设备的例子。可以利用其他的实施例实现第一光路和第二光路。例如，第一路程有沿垂直方向延伸到测量平面的起始段，即，第一视角等于90°，这不是绝对必需的。第一视角和第二视角还可以有其他的值。当然，不同的反射镜设置必须适合于第一视角和第二视角的选取以及单个照相机的位置。
第一光路或第二光路有不同的段，这也不是绝对必需的。例如，照相机9和/或电子元件10或第一光源3的不同排列能够使第一光束直接传向照相机的图像平面，而不必利用第一反射镜1。此外，可以利用多于或少于反射镜1，5和6的反射镜建立光路。重要的是，建立的两个光束能够形成第一光路和第二光路，而这两个光路离开测量平面分别沿着第一视角和第二视角的方向，其中第一视角值不同于第二视角值。每个光束必须在单个照相机的图像平面上每次建立一个图像。
取代利用二向色反射镜2，也可以利用半透明反射镜。在利用半透明反射镜的实施例中，滤光片或快门必须安装在第一光路和第二光路上。这些滤光片或快门应当在一个光路开启时关闭另一个光路，反之亦然。例如，当第一光路开启时，快门必须关闭第二光路。应当注意，由于利用半透明反射镜会损失一些光强，光源3和4要产生足够的光强。
当滤光片13和14用在诸如图5所示的实施例中时，这些滤光片对于其光路上分配的波长范围必须是透明的并滤去其他的波长。按照这种方式，一个光路上的光不干扰其他光路上的光以及不扰乱要拍摄的各个图像。
因此，重要的是，在利用二向色反射镜或利用滤光片或快门时，有选择地开启光路。在利用快门时，快门的开启必须与光源同步。所以，当第一光源3射出光时，快门13必须开启，而第二光源应当关断和快门14必须闭合。当第二光源4射出光时，发生相反的情况，即，快门13是闭合的，而快门14是开启的。快门是由常规的光阑构成，例如，可以通过电路进行控制或利用LCD。
在利用半透明反射镜时，两个光源发射的光波长可以是相同的。当然，在利用二向色反射镜时，要求两个光源的波长范围是不同和非重叠的。必须使第一图像和第二图像相继形成以避免互相干扰。
图7表示另一个实施例的单个照相机方案，它不利用波长复用而利用空间合成。在这个实施例中，至少一个横向反射镜20放置在物体10的附近。反射镜与测量平面的夹角为ψ。这个夹角是在20°与80°之间。在附图所示的实施例中，放置两个反射镜20和21，一个反射镜在东侧，另一个反射镜在西侧。或者，还可以放置两个附加的反射镜，一个反射镜在北侧，另一个反射镜在南侧。在后一情况的实施例中，构成第一图像的直视图形成在图像平面的中央，而在围绕直视图的四个附加图像形成第二图像。
在图9所示的实施例中，单个照相机和透镜观看互相邻近的直视图和侧视图。图9表示利用东侧上有单个反射镜装置得到的图像。为了得到与图1或图5实施例中相同的分辨率，照相机要求在一个方向上有更多的像素。例如，在视角ψ＝60°的情况下，图像的大小被压缩1/2(cosψ＝1/2)。所以，照相机需要的像素是其他实施例中的1.5倍。然而，使用与测量平面相邻的反射镜可以避免使用沿光路对准的反射镜。作为一个例子，若在图1或图5实施例中使用1K×1K像素的照相机，则在有一个横向反射镜的装置中最好使用1K×1.5K像素照相机，以便得到相同的分辨率。景深的要求与以上描述的实施例相同。
若使用更多的横向反射镜，则测量的结果就越准确。在有两个反射镜的实施例中，1K×2K像素的照相机是优选的；在使用四个反射镜的情况下，2K×2K像素的照相机是优选的，以便得到相同的分辨率。一般地说，nK×mK像素的照相机是优选的，其中1≤n≤2，1≤m≤2。
当然，也可以使用较高或较低分辨率的照相机，取决于所要求的图像质量。然而，照相机的分辨率应当适合于同时记录两个图像。
借助于采用正常反射镜和二向色反射镜的更复杂装置，和利用各个视图的波长复用，使用较少像素数目的照相机，也可以完成这些多个侧面视图的实施例。基于以上描述的方法，有经验的光学专业人员可以毫无困难地设计出多种可能的装置。
触点位置的测定是基于PCT/BE00/00020中描述的按照类似方式记录的图像，把该文合并在此供参考。
权利要求
1.一种测量电子元件中一组N个触点各个位置的方法，所述方法包括-使所述一组的触点位于测量平面；-借助于基本均匀的第一光源，照明所述测量平面；-形成第一光束建立的第一光路，第一光束是由所述第一光源产生并沿第一视角的方向从至少一个所述触点反射，其中所述第一光路是从所述至少一个触点开始并终止于照相机的图像平面；-形成第二光束建立的第二光路，第二光束是沿第二视角的方向从至少一个所述触点反射得到的，第二视角值不同于所述第一视角值，其中所述第二光路是从所述至少一个触点开始并终止于所述照相机的所述图像平面；-借助于所述照相机和有选择地开启所述第一光路，形成所述触点的第一图像，和借助于所述照相机和有选择地开启所述第二光路，形成所述触点的第二图像；-利用所述第一图像和第二图像测量所述位置。
2.按照权利要求1的方法，其中所述第二光束是由第二光源产生的。
3.按照权利要求2的方法，其中所述第一光源和第二光源产生非重叠波长的光。
4.按照权利要求1至3中任何一个的方法，其中第一光路和第二光路有基本相等的平均光路长。
5.按照权利要求1至4中任何一个的方法，其中所述第一光源产生所述第一光束，第一光束到所述触点的最大入射角为20°。
6.按照权利要求1至5中任何一个的方法，其中所述第一光路有从所述触点开始的起始段，并沿着基本垂直于所述测量平面的方向延伸。
7.按照权利要求1至6中任何一个的方法，其中所述第二光路有从所述触点开始的起始段，且其中所述第二视角α是在20°≤α≤80°的范围内。
8.一种测量电子元件中一组N个触点各个位置的设备，所述设备包括第一光源，用于产生基本均匀的光束和照明所述触点所在的测量平面；所述设备包括照相机和第一光学装置，第一光学装置用于形成第一光束建立的第一光路，第一光束是由所述第一光源产生并沿第一视角的方向从至少一个所述触点反射，所述第一光路是从所述至少一个触点开始并终止于所述照相机的图像平面；所述设备还包括第二光学装置，用于形成第二光束建立的第二光路，第二光束是沿第二视角的方向从至少一个所述触点反射得到的，第二视角值不同于所述第一视角值，所述第二光路是从所述至少一个触点开始，所述照相机连接到处理装置，处理装置用于测量所述照相机记录的所述图像位置，其特征是，所述第二光路终止于所述照相机的所述图像平面，且其中所述设备还包括安装在所述第一光路和第二光路上的选择装置，用于有选择地开启所述第一光路或所述第二光路。
9.按照权利要求8的设备，其特征是，它包括第二光源，用于产生所述第二光束，所述第二光束的取向是这样的，输出第二光束以角度α入射到所述测量平面，其中20°≤α≤80°。
10.按照权利要求9的设备，其特征是，所述第一光源和第二光源用于产生非重叠波长范围的光。
11.按照权利要求9的设备，其特征是，该装置用于随后接通/关断第一光源和第二光源。
12.按照权利要求8至11中任何一个的设备，其特征是，所述选择装置是由二向色反射镜构成。
13.按照权利要求8至11中任何一个的设备，其特征是，所述选择装置是由半透明反射镜和快门构成。
14.一种测量电子元件中一组N个触点各个位置的设备，所述设备包括第一光源，用于照明所述触点所在的测量平面，所述第一照明光源用于产生基本均匀的光束；所述设备包括照相机，用于记录所述触点的第一图像，第一图像是光从测量平面反射得到的，其特征是，在毗邻测量平面的视角ψ范围内至少设置一个横向反射镜，所述照相机用于记录所述至少一个反射镜反射的光并由此形成第二图像，所述照相机的分辨率适合于同时形成所述第一图像和第二图像。
15.按照权利要求9的设备，其特征是，所述照相机的分辨率为nK×mK，其中1≤n≤2，1≤m≤2。
全文摘要
一种测量电子元件中一组N个触点各个位置的方法和设备。第一光路和第二光路是由不同视角的第一光束和第二光束建立的。可以有选择地开启第一光路和第二光路，并这两个光路终止于单个照相机的图像平面。利用第一光束和第二光束分别产生的第一图像和第二图像确定这些触点位置。
文档编号G01B11/03GK1502220SQ02804004
公开日2004年6月2日 申请日期2002年1月2日 优先权日2000年12月29日
发明者卡尔·斯麦茨, 卡瑞尔·范·基尔斯, 约翰·扎博理特斯基, 于尔根·埃费拉茨, 埃费拉茨, 范 基尔斯, 卡尔 斯麦茨, 扎博理特斯基 申请人:Icos影像系统股份有限公司
专业数控铣床产品供应商
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