[发明专利]用于光学地测量产品表面的方法和设备

说明书

技术领域

本发明总体上涉及用于测量和检查传感器与测试中的产品之间的距离的设备和方法。特别地，本发明在电子领域中可以被用于：测量和测试安装在印刷电路板(PCB)上或太阳能电池产品上的组件的位置，或用于在将电子组件安装在PCB上以进行回流焊接之前检查诸如IC、电容器、晶体管、电阻器等电子组件的连接器的位置、或回流焊膏的位置。本发明优选地可适用于生产PCB、诸如太阳能电池晶圆(wafer)或太阳能电池元件之类的太阳能电池产品以及需要测量平坦度以便因此指定其质量的其它项目，并且还可以用于测试产品表面的表面粗糙度。本发明还可以用于在不需要从多个位置执行扫描操作的情况下记录图像时检查各种项目的三维形状，这在高生产率过程中、即在需要测试表面粗糙度和缺陷等的过程中是特别有利的。

背景技术

根据现有技术，最常借助于线激光器(1ine laser)和高速照相机、优选地使用激光器三角测量技术来执行此类表面高度测量。所述线激光器指向被测量表面，并且在指定角度以下定向的照相机在一个坐标上(在一个位置上)记录被测量区域的轮廓，从而激光器将其照亮。以与激光束的宽度相对应的频率来记录单独的图像，并然后组成所有图像。使用此过程，可以组成3D模型。另一种方法是使用从各种角度指向被测试区域的若干照相机。根据测试器内部的照相机的已知三角学，可以组成3D模型。

另一种方法是使用莫阿效应(moire effect)，借助于该莫阿效应，在某些情况下，可以使被测试区域的轮廓(relief)可见。始终以反转的亮度(inversebrightness)，通过双线网格来产生图像。在组成两个图像之后，当使用干涉效应时，表面的轮廓被反射。

根据现有技术的公知的方法不允许获得精度小于+/-20μm的表面高度信息。此外，被测量产品的最大扫描宽度受到限制，使得扫描宽于150mm的产品是不可行的。扫描速度受到限制，因此使表面测量成为高速生产过程的瓶颈。

因此，本发明的目的是提供用于以高精度、高速度、可变测量分辨率并以增加的y宽度来测量并检验产品的表面的方法和设备。此外，本发明的目的是提供一种能够执行自校准、因此消除高精度结构构造和复杂校准努力的方法和设备。

由根据独立权利要求的设备和方法来解决现有技术的上述问题。有利的实施方式是从属权利要求的主题。

发明内容

本发明提供了一种用于光学地测量被测试产品的表面的设备，该设备能够在回流焊接工艺之前执行产品表面的检查、组件对准检查或焊膏布置检查，并且该设备能够创建产品表面的光学3D模型。该设备包括以下组件：

·白光光源，其有利地发射具有连续光谱的白光束。该光由包括诸如透镜、孔径装置等光学装置的准直单元矫正成平行、狭窄且准直的射束，该射束随后通过优选地为光学棱镜或衍射光栅的分光计单元。优选地，所述孔径装置包括用于产生白光的平坦且宽阔的扩展射束的隙缝光阑(slitdiaphragm)。

·分光计单元，尤其是光学棱镜，其居间促成将白光分解成包括光的宽频谱的多色光束。进入棱镜的多色光包含白光的所选或所有色彩分量。在通过分光计单元之后，白光根据光的折射定律分裂成单独的色彩。单独的分量是单色的，其具有不同的色调值，由此，多色射束包括被空间地分布并沿着扫描方向照亮测试中的产品的表面的光谱。该光谱的宽度直接影响产品表面的z轴高度的测量精度。

·照相机，优选地是线扫描照相机。该照相机在使测试中的产品沿着x轴扫描方向相对于该照相机移动的同时逐行地逐步记录被测试的表面。照相机和光源的几何位置在记录的同时自始至终保持相同。照相机和光被逐行地调整至零高度(地面)，使得该照相机显示光谱的开头部分，即红色。然后，以另一种颜色来显示所有的非零高度，因为它们处于色谱中。由此，应指出的是，或者使测试中的产品相对于白光光源、分光计单元和照相机移动，或者使白光光源、分光计单元和照相机相对于测试中的产品进行相对移动。

换言之，用于光学地测量被测试产品的表面、尤其是用于检查PCB产品以进行回流焊膏检查的设备包括用于发射白光射束的至少一个白光光源、用于使所述白光射束准直的至少一个准直单元、至少一个分光计单元以及用于记录所述被测试产品的单色光的反射射束的至少一个照相机，所述分光计单元优选地为用于使所述白光射束分裂成被以预定入射角γ指引到被测试产品上的多色光射束的光学棱镜或光学衍射光栅。这样，可以在使被测试产品沿着x轴扫描方向相对移动的同时，从单色光的所述反射射束的色调值中提取被测试产品的z轴表面高度信息。