[发明专利]测量连续移动样品的样品表面平整度的系统与方法

说明书

相关专利申请

本专利申请根据35U.S.C§119要求2004年10月13日提交的、序列号为60/617,843、题为“Machine for Measuring Sample SurfaceFlatness of Continously Moving Parts or Sheet Material”的美国临时专利申请的优先权，通过引用将所述专利申请合并于此。

发明领域

本发明通常涉及测量对象的样品表面平整度，更具体地，本发明涉及使用阴影波纹(shadow moire)图像处理技术和相敏分析来量化连续移动样品的表面平整度。

发明背景

在众多的制造业中，表面平整度为一种公共的测量规范。例如平整度很大程度地影响着电子产品的可靠性与组装成品率、纸产品的外观与操纵特性、以及加工金属制品的机械配合与功能。由于部件的设计、材料和/或处理的不当，所以不平整或翘曲是制造过程中的常见问题。对于生产线而言，区分和去除那些其不平整度超过用户标准的部件的能力是极其重要的，这是由于这一能力使制造商或用户避免了随后制造步骤中的问题、维持了产品质量、并且可及早地识别出加工问题。

先前，人们一直在使用阴影波纹测量技术测量印刷电路板和其它电子封装部件中的表面平整度。阴影波纹是一种用于测量(半-)连续不透明表面的相对纵向位移的光方法。其为一种全场技术，即其跨越整个样品同时采集光数据。阴影波纹基于投影在样品表面的阴影光栅和平参照表面上的实际光栅的几何干涉。例如，当通过光栅观察印刷电路板，并且把光栅的阴影投射在印刷电路板的表面上时，阴影与光栅可以相互作用，从而创建了指示印刷电路板表面的翘曲度的阴影波纹条纹图。

图1说明了用于测量样品105的表面平整度的示范性系统100，其利用了传统的阴影波纹测量技术。系统100包括光源110、悬在样品105上的光栅120以及与计算机125相关联的照相机115，例如，照相机115为电荷耦合器件(CCD)照相机。光栅120为Ronchi型光栅，包括基本上平坦的透明材料板，该透明材料板包括多条跨越所述板的表面延伸的、平行且均匀间隔的不透明的线。通常，光栅120具有每英寸50～500条线的周期性。各条线之间的中心到中心的距离，即光栅的间距(“P”)为常数。光栅120通常平行于样品105。光源110为线光源型的连续或脉冲式白光源，其中，线平行于光栅120表面的各条线。

图2说明了阴影波纹技术的示范性实例200。参照图1和2，光源110沿入射斜角照射光栅120和样品105。光111把光栅120的阴影215(即光栅120的不透明的线的阴影，此处将其称为“阴影光栅”215)投影在样品105上。照相机115捕获光栅120、样品105以及阴影光栅215的一或多个图像112。照相机通常按0°角度(法线)观察一或多个图像112。在照相机115捕获一或多个图像112的周期期间，固定的支撑结构(未显示)支撑着样品105。

在一或多个图像112中的阴影光栅215和实际光栅120的重叠为它们之间距离的周期函数。当样品105的表面弯曲或翘曲时，作为参照光栅120和阴影光栅215之间所创建的几何干涉图的结果，产生一系列暗与亮条纹(波纹条纹)。波纹条纹指示样品105的翘曲度。换句话说，波纹条纹相应于样品105的上表面的拓扑的轮廓线。与照相机115相关联的计算机125包括可以根据阴影波纹条纹图量化翘曲度的软件。

图3为在以上所描述的情况中照相机115(图1)可接收的示范性阴影波纹条纹图300的示意图。阴影波纹条纹图300包括一系列暗与亮条纹305。总体上讲，样品105的翘曲度越大，条纹305的数目越大。每一个相继的条纹代表了样品表面的高度变化W，即每个条纹的高度。可以使用下列方程计算W：W=Ptana+tanb,]]>其中，P为光栅的间距，a为入射角，以及b为观察角。