用于同时进行二维和形貌检查的方法和装置.pdf

一种用于检测表面的信息的装置包括：采集表面的二维信息的第一组多个光学元件；采集所述表面的形貌信息的第二组多个光学元件；其中，所述第一组多个和所述第二组多个光学元件同时将所述的二维信息和所述的形貌信息提供给单个传感器阵列的至少部分不重叠的部分。

1.  一种用于检测表面的信息的装置，其包括：
采集表面的二维信息的第一组多个光学元件；
采集所述表面的形貌信息的第二组多个光学元件；
所述第一组多个光学元件和所述第二组多个光学元件同时将所述的二维信息和所述的形貌信息提供给单个传感器阵列的至少部分不重叠的部分。

2.  如权利要求1所述的装置，其中，所述第一组多个光学元件从所述表面的一第一部分采集所述的二维信息；而所述第二组多个光学元件从所述的表面的一第二部分采集所述的形貌信息。

3.  如权利要求2所述的装置，其中，所述表面的所述第一部分和所述表面的所述第二部分至少是部分不重叠的。

4.  如权利要求3所述的装置，其中，所述表面的所述第一部分包括所述表面的一第一长形的区域，而所述表面的所述第二部分包括所述表面的一第二长形区域。

5.  如权利要求1所述的装置，其中，还包括：
在采集所述二维信息的过程中，用于在所述表面和所述第一组多个光学元件之间提供相对位移的一移位装置。

6.  如权利要求5所述的装置，其中，在其处采集二维信息的所述表面的第一部分包括所述表面的一第一长形区域，而在其处采取形貌信息的所述表面的第二部分包括与所述第一长形区域至少部分地不重叠的所述表面的一第二长形区域。

7.  如权利要求5所述的装置，其中，在采集所述形貌信息的过程中，所述移位装置还用于在所述表面和所述第二组多个光学元件之间提供相对位移。

8.  如权利要求1所述的装置，其中，所述第一组多个光学元件包括与所述第二组多个光学元件共享的一个成像透镜，所述成像透镜接收所采集的二维信息和所采集的形貌信息。

9.  如权利要求8所述的装置，其中，所述成像透镜用于在所述传感器上生成所述表面的第一部分的图像，以采集与所述第一部分对应的二维信息；以及生成所述表面的第二部分上的照明光线的图像，以采集与所述第二部分对应的形貌信息。

10.  如权利要求2所述的装置，其中，还包括：
以适于采集所述表面的二维信息的照明去照明所述表面的所述第一部分的第一组多个照明光学元件；和
以适于采集所述表面的形貌信息的照明去照明所述表面的所述第二部分的第二组多个照明光学元件。

11.  如权利要求10所述的装置，其中，所述第一组多个照明光学元件包括至少一个光发射器，该至少一个光发射器从相对于第一轴线的一第一会聚角度范围内提供至少部分照明；并从相对于所述第一个轴线的一第二会聚角度范围内提供另外的照明。

12.  如权利要求11所述的装置，其中，所述至少一个光发射器包括多个激光二极管。

13.  如权利要求12所述的装置，其中，所述照明光学元件包括一散射器，其沿着大体上垂直于所述第一轴线的一第二轴线，扩展来自所述至少一个光发射器的光。

14.  如权利要求13所述的装置，其中，所述散射器包括一双凸透镜阵列。

15.  如权利要求10所述的装置，其中，所述第二组多个照明光学元件包括至少一个光发射器，其从大体上垂直于所述表面的方向照明所述表面上的一线形区域。

16.  如权利要求15所述的装置，其中，所述至少一个光发射器包括至少一个发射结构光的激光发射器。

17.  如权利要求1所述的装置，其中，所述第一组多个光学元件从大体上垂直于所述表面的方向对所述表面的第一部分取景。

18.  如权利要求17所述的装置，其中，所述第二组多个光学元件从与所述表面成角度的方向对所述表面的第二部分取景。

19.  如权利要求1所述的装置，其中，所述第二组多个光学元件从与所述表面成角度的方向对所述表面的第二部分取景。

20.  如权利要求18所述的装置，其中，所述第一部分由在相对于所述表面的多个角度上提供的照明来进行照明。

21.  如权利要求18所述的装置，其中，所述第二部分由从大体上垂直于所述表面的方向提供的照明进行照明。

22.  如权利要求2所述的装置，其中，所述第一部分和所述单个传感器阵列之间的光路距离等于所述第二部分和所述单个传感器阵列之间的光路的距离。

23.  一种用于检测表面的信息的装置，其包括：
采集表面的二维信息的第一组多个光学元件；
在采集所述二维信息的过程中采集所述表面的形貌信息的第二组多个光学元件；所述第二组多个光学元件包括一照明器，该照明器从大体上垂直于所述表面的方向照明所述表面的一第一部分。

24.  如权利要求23所述的装置，其中，所述第一组多个光学元件从大体上垂直于所述表面的方向采集所述二维信息。

25.  如权利要求24所述的装置，其中，所述第二组多个光学元件从大体上不垂直于所述表面的方向采集所述的形貌信息。

26.  如权利要求23所述的装置，其中，所述第二组多个光学元件从大体上不垂直于所述表面的方向采集所述的形貌信息。

27.  如权利要求23所述的装置，其中，还包括一个合束器，其中：
所述第一组多个光学元件和所述合束器界定出从大体上垂直于所述表面的方向对所述表面的第一部分取景的第一光路；和
所述第二组多个光学元件和所述合束器界定出从大体上不垂直的角度对所述表面的第二部分取景的第二光路。

28.  如权利要求27所述的装置，其中，还包括：
至少一个检测所述表面的信息的传感器；和
当所述传感器检测所述信息时，用于使所述表面和所述传感器相对彼此移位的移位装置。

29.  如权利要求28所述的装置，其中，所述第一部分和所述第二部分基本不重叠。

30.  如权利要求28所述的装置，其中，所述至少一个传感器包括用于在所述传感器阵列的第一位置上检测与所述第一部分对应的二维信息以及在所述传感器阵列的第二位置上检测与所述第二部分对应的形貌信息的单个传感器阵列。

31.  如权利要求30所述的装置，其中，所述第一位置基本不与所述第二位置重叠。

32.  一种用于照明一表面以同时检测该表面的二维和形貌信息的装置，其包括：
第一照明源，其以适于检测所述表面的二维信息的第一照明去照明所述表面的第一部分；所述第一部分沿着一第一轴线呈长形，所述第一照明从相对于与所述第一轴线相交的第二轴线的至少两个不同的角度范围内照射在所述表面上；和
第二照明源，其以适于检测所述表面的形貌信息的第二照明去照明所述表面的第二部分，所述第二部分沿着所述第一轴线呈长形，所述第二照明从相对于所述第二轴线与所述表面垂直的方向照射在所述表面上。

33.  如权利要求32所述的装置，其中，所述第一部分和所述第二部分不重叠。

34.  如权利要求32所述的装置，其中，所述第一部分的沿着所述第二轴线的宽度尺寸比所述第二部分的沿着所述第二轴线的宽度尺寸宽。

35.  如权利要求32所述的装置，其中，所述至少两个不同的角度范围内的第一角度范围与所述至少两个不同的角度范围内的第二角度范围不重叠。

36.  一种利用相干光照明一表面的装置，其包括：
发射相干光的发射器；
对所述发射器发射的光进行准直的准直透镜；
接收所述准直光并将所述准直光散布在沿着一第一轴线的多个位置中的每一个位置处的第一散射器；和
接收来自所述散射器的光并将所述光集中在一表面上的柱面透镜。

37.  一种用于检测表面信息的装置，其包括：
至少一个发射相干光的灯；
一散射器，其接收所述相干光，并输出表现为从所述散射器上的多个位置发射出的光，每一个位置处的光在多个方向上输出；
一透镜，其接收来自所述散射器的光，并使所述光集中在一表面上；和
包括多个传感器元件的一传感器阵列，所述阵列布置成使得所述表面上的一个位置依次由至少两个传感器元件检测。

38.  如权利要求37所述的装置，其中，所述灯包括激光器。

39.  如权利要求38所述的装置，其中，所述激光器包括二极管激光器。

40.  如权利要求37所述的装置，其中，所述散射器包括一双凸透镜阵列，该双凸透镜阵列使所述相干光沿着一第一轴线但不沿着与所述第一个轴线垂直的第二轴线扩展。

41.  如权利要求40所述的装置，其中，所述透镜包括一柱面透镜，其使来自所述散射器的光沿着所述第一轴线聚焦。

42.  如权利要求41所述的装置，其中，所述柱面透镜包括菲涅耳透镜。

43.  如权利要求37所述的装置，其中，所述传感器阵列包括CMOS传感器阵列。

44.  如权利要求43所述的装置，其中，所述CMOS传感器阵列包括在存储器积分工作模式下工作的传感器阵列。

用于同时进行二维和形貌检查的方法和装置
技术领域
本发明一般涉及用于同时检测物体表面的不同特征的系统和方法，更具体地说，涉及可用于检查表面缺陷的同时检测表面的二维和形貌信息的系统的方法。
背景技术
众所周知，在制造的各种阶段，使用自动的光学检查系统来检查诸如印刷电路板(PCB)一类的电路的缺陷。制造电路的一个重要阶段是在安装诸如微型芯片和其他半导体器件一类的电子器件之前，在PCB上沉积钎料膏(solder paste)。事实上，电子器件的很大一部分缺陷可归因于与钎料膏沉积有关的问题引起的缺陷。早期发现这些问题，可使电子器件的制造者节省相当多的成本。
通常认为有各种因素可决定钎料膏沉积的质量。这些因素包括：钎料焊盘上每一个钎料膏沉积物的位置精度，钎料膏沉积物的平均厚度，和每一个钎料膏沉积物的体积差。
因此，用于自动的光学检查钎料膏沉积物的一个有效系统应能够精确地确定有关上面沉积着钎料膏的印刷电路板表面的二维以及形貌信息(各个位置的高度信息)。为了避免在将电子元件装配在组装电子电路装置上的过程中形成瓶颈，必须高速地检测和处理这个信息。
发明内容
根据本发明实施例的一个宽泛的方面，一个系统利用单个传感器阵列同时检测表面的不同类型的信息。
本发明希望提供用于同时采集表面的二维和形貌信息，特别是对于检查钎料膏沉积物缺陷有用的信息的一个改进的系统。
本发明希望提供用于同时检测被成像到单个传感器阵列上的、位于不重叠的位置处的表面的二维和形貌信息的装置。
本发明还希望提供用于同时检测表面的二维信息和形貌信息的装置，该形貌信息利用从与该表面垂直的方向提供的照明来检测。
本发明还希望提供用于在第一位置上以适于检测表面的二维信息的照明来照明表面，而在第二位置上以适于检测形貌信息的照明来照明该表面的装置。用于检测二维信息的照明包括以多个角度提供的集中照明。用于检测形貌信息的照明是沿着大体上垂直于该表面的方向提供的。
本发明还希望提供用于用相干光照明表面的装置，该装置用于由一相干光源产生一扩展光源，然后将来自该扩展光源的光集中到所述表面上。
本发明还希望提供用于检测表面的信息的装置，该表面被从激光器发射的、已经在角度上被展开并随后聚焦到该表面上的光所照明。扩展和随后的聚焦减小了激光照明的相干性。该表面通过具有多个像素的一扫描传感器阵列被成像，使该表面上的每一个位置依次地由至少两个像素成像。将从所述至少两个像素得出的检测值被合并，以提高均匀性。
因此，根据本发明的一个实施例，提供了一种用于检测表面的信息的装置，其包括：采集表面的二维信息的第一组多个光学元件；采集所述表面的形貌信息的第二组多个光学元件；所述第一组多个和所述第二组多个光学元件同时将所述的二维信息和所述的形貌信息提供单个传感器阵列的至少部分不重叠的部分。
各子实施例包括以下特征中地一个或多个：
所述第一组多个光学元件从所述表面的第一部分采集所述的二维信息；而所述第二组多个光学元件从所述的表面的第二部分采集所述的形貌信息。
所述表面的所述第一部分和所述表面的所述第二部分至少是部分不重叠的。
所述表面的所述第一部分包括所述表面的一第一长形区域，而所述表面的所述第二部分包括所述表面的一第二长形区域。
一移位装置在采集所述二维信息的过程中，在所述表面和所述第一组多个光学元件之间提供相对位移。
在其处采集二维信息的所述表面的第一部分包括所述表面的一第一长形区域，而在其处采取形貌信息的所述表面的第二部分包括与所述第一长形区域至少部分地不重叠的所述表面的一第二长形区域。
在采集所述形貌信息的过程中，所述移位装置还用于在所述表面和所述第二组多个光学元件之间提供相对位移。
所述第一组多个光学元件包括与所述第二组多个光学元件共享的一个成像透镜。所述成像透镜接收所采集的二维信息和所采集的形貌信息。
所述成像透镜用于在所述传感器上生成所述表面的第一部分的图像，以采集与所述第一部分对应的二维信息；以及生成所述表面的第二部分上的照明光线的图像，以采集与所述第二部分对应的形貌信息。
一第一组多个照明光学元件以适于采集所述表面的二维信息的照明去照明所述表面的所述第一部分；并且一第二组多个照明光学元件以适于采集所述表面的形貌信息的照明去照明所述表面的所述第二部分。
所述第一组多个照明光学元件包括至少一个光发射器，该至少一个光发射器从相对于第一轴线的一第一会聚角度范围内提供至少部分照明；并从相对于所述第一个轴线的一第二会聚角度范围内提供另外的照明。
所述至少一个光发射器包括多个激光二极管。
所述照明光学元件包括一散射器，其沿着大体上垂直于所述第一轴线的一第二轴线，扩展来自所述至少一个光发射器的光。
所述散射器包括一双凸透镜阵列。
所述第二组多个照明光学元件包括至少一个光发射器，其从大体上垂直于所述表面的方向照明所述表面上的一线形区域。
所述至少一个光发射器包括至少一个发射结构光的激光发射器。
所述第一组多个光学元件从大体上垂直于所述表面的方向对所述表面的第一部分取景。
所述第二组多个光学元件从与所述表面成角度的方向对所述表面的第二部分取景。
所述第二组多个光学元件从与所述表面成角度的方向对所述表面的第二部分取景。
所述第一部分由在相对于所述表面的多个角度上提供的照明来进行照明。
所述第二部分由从大体上垂直于所述表面的方向提供的照明进行照明。
所述第一部分和所述单个传感器阵列之间的光路距离等于所述第二部分和所述单个传感器阵列之间的光路的距离。
根据本发明的另一实施例，提供了一种用于检测表面的信息的装置，其包括：采集表面的二维信息的第一组多个光学元件；在采集所述二维信息的过程中采集所述表面的形貌信息的第二组多个光学元件；所述第二组多个光学元件包括一照明器，该照明器从大体上垂直于所述表面的方向照明所述表面的一第一部分。
各子实施例包括以下特征中的一个或多个：
所述第一组多个光学元件从大体上垂直于所述表面的方向采集所述二维信息。
所述第二组多个光学元件从大体上不垂直于所述表面的方向采集所述的形貌信息。
所述第二组多个光学元件从大体上不垂直于所述表面的方向采集所述的形貌信息。
所述第一组多个光学元件和一合束器界定出从大体上垂直于所述表面的方向对所述表面的第一部分取景的第一光路；和所述第二组多个光学元件和所述合束器界定出从大体上不垂直的角度对所述表面的第二部分取景的第二光路。
至少一个传感器检测所述表面的信息；并且一移位装置当所述传感器检测所述信息时，使所述表面和所述传感器相对彼此移位。
所述第一部分和所述第二部分基本不重叠。
所述至少一个传感器包括用于在所述传感器阵列的第一位置上检测与所述第一部分对应的二维信息以及在所述传感器阵列的第二位置上检测与所述第二部分对应的形貌信息的单个传感器阵列。所述第一位置基本不与所述第二位置重叠。
根据本发明的另一实施例，提供了一种用于照明一表面以同时检测该表面的二维和形貌信息的装置，其包括：第一照明源，其以适于检测所述表面的二维信息的第一照明去照明所述表面的第一部分；所述第一部分沿着一第一轴线呈长形，所述第一照明从相对于与所述第一轴线相交的第二轴线的至少两个不同的角度范围内照射在所述表面上；和第二照明源，其以适于检测所述表面的形貌信息的第二照明去照明所述表面的第二部分，所述第二部分沿着所述第一轴线呈长形，所述第二照明从相对于所述第二轴线与所述表面垂直的方向照射在所述表面上。
各子实施例包括以下特征中的一个或多个：
所述第一部分和所述第二部分不重叠。
所述第一部分的沿着所述第二轴线的宽度尺寸比所述第二部分的沿着所述第二轴线的宽度尺寸宽。
所述至少两个不同的角度范围内的第一角度范围与所述至少两个不同的角度范围内的第二角度范围不重叠。
根据本发明的另一实施例，提供了一种利用相干光照明一表面的装置，其包括：发射相干光的发射器；对所述发射器发射的光进行准直的准直透镜；接收所述准直光并将所述准直光散布在沿着一第一轴线的多个位置中的每一个位置处的第一散射器；和接收来自所述散射器的光并将所述光集中在一表面上的柱面透镜。
根据本发明的另一实施例，提供了一种用于检测表面信息的装置，其包括：至少一个发射相干光的灯；一散射器，其接收所述相干光，并输出表现为从所述散射器上的多个位置发射出的光，每一个位置处的光在多个方向上输出；一透镜，其接收来自所述散射器的光，并使所述光集中在一表面上；和包括多个传感器元件的一传感器阵列，所述阵列布置成使得所述表面上的一个位置依次由至少两个传感器元件检测。
本发明的各子实施例包括以下特征中的一个或多个：
所述灯包括激光器。
所述激光器包括二极管激光器。
所述散射器包括一双凸透镜阵列，该双凸透镜阵列使所述相干光沿着一第一轴线但不沿着与所述第一个轴线垂直的第二轴线扩展。
所述透镜包括一柱面透镜，其使来自所述散射器的光沿着所述第一轴线聚焦。
所述柱面透镜包括菲涅耳透镜。
所述传感器阵列包括CMOS传感器阵列。
所述CMOS传感器阵列包括在存储器积分工作模式下工作的传感器阵列。
附图说明
从下面结合附图进行的详细说明中，将可以更充分地理解本发明。其中：
图1A为根据本发明的一个实施例的检测一个表面的二维和形貌信息的系统的一个简化的图示；
图1B为图1A所示系统的简化的侧视图和射线跟踪(ray trace)；
图2A～2D为同时检测一个表面的隔开位置上的二维和形貌信息的装置的简化结构的侧视图；
图3为同时检测一个表面的隔开位置上的二维和形貌信息的另一个装置的简化结构的侧视图；
图4为在图1A所示系统中可使用的一个照明系统的简化的图示；
图5A为图4所示照明系统的简化的侧视图和射线跟踪；
图5B为图4所示照明系统的简化的正视图和射线跟踪；
图6A和6B为根据本发明的一个实施例的同时将二维和形貌信息在同一传感器上成像的一个光学系统的相应的俯视和侧视射线跟踪。
具体实施方式
参见图1A和图1B，图1A是根据本发明的一个实施例用于检测表面12的多个特征的系统10的简化图示，图1B为图1A所示系统的简化的侧视图和射线跟踪。系统10可用于检测表面12的二维和形貌特征，并且一般包括设置用于采集表面的二维信息的第一组多个光学元件和设置用于采集该表面的形貌信息的第二组多个光学元件。该第一组多个光学元件和第二组多个光学元件可设置成同时将二维信息和形貌信息提供给一个传感器阵列14。该传感器阵列检测输入信息，并输出包括表面12的二维和形貌记录的电子文件15。该计算机文件15由一个用以分析该文件的缺陷分析仪18接收，以确定表面12上的缺陷的位置。
从图1A可看出，一些光学元件只用于检测二维特征，一些光学元件只用于检测形貌特征，而一些光学元件可用于检测二维和形貌特征两者。但是，这个结构是示例性给出的，光学元件的其他的适当的组合也可以使用。例如，可以设置光学元件，使光学元件专门用于检测二维或形貌信息，或者使可以使用系统中的所有光学元件用于检测二维和形貌信息。
根据本发明的一个实施例，系统10用于检查正在制造的电路(例如印刷电路板)上的钎料膏沉积物16。在将诸如集成电路一类的电子零件装配在印刷电路板上以前，沉积钎料膏。一般将传感器阵列14的输出(例如电子文件15)提供给一台缺陷检测计算机18，该计算机分析该输出并指示在该钎料膏沉积物中的缺陷。在一个检查钎料膏沉积物的应用中，缺陷包括但不限于：钎料膏沉积位置不正确，钎料膏沉积物的高度尺寸不合适，和钎料膏沉积物的钎料膏体积不够。
从图1A可看出，系统10在传感器14处同时采集表面12的第一部分20的二维图像以及表面12的第二部分22的独立的形貌信息，例如高度轮廓。根据本发明的一个实施例，设置一个移位装置(没有示出)，以便在采集表面12的二维和/或形貌信息的过程中，使表面12和系统10互相彼此相对移动，例如如箭头24所示那样。因此可以发现，虽然相应的第一部分20和第二部分22只涵盖表面12的一部分，但通过互相相对移动系统10和表面12，可以采集整个表面的二维和形貌信息。信息可以在一行或多行(例如，蛇形线图形)处采集。
本发明的一个实施例的特点是，利用单个传感器阵列14检测二维信息和形貌信息二者。二维信息是在位于传感器阵列14的第一位置26上的一排或多排像素上，利用一排或多排传感器检测的。形貌信息是利用传感器阵列14的第二位置28上的几排像素，通过三角测量(triangulation)检测的。在位置28处的每一排像素表示在给定的横向位置上的表面高度。
从图1A可看出，在表面12上界定出第一长形区域的第一部分20，和在表面12上界定出第二长形区域的第二部分22，在表面12上互相彼此隔开一定距离，并且至少部分地不重叠。同样，在传感器阵列14上，第二位置28与第一位置26隔开一定距离，并且在传感器阵列14上的该两个位置26和28至少部分地不重叠。传感器阵列为高速CMOS式传感器，例如为可从美国爱达荷州的Micron Technologies有限公司的成像分部购买到的MV10型或MV4O型CMOS光电传感器阵列。在本发明的一个实施例中，信息从CMOS传感器中的选定的像素读出。这样，根据系统设计可以不需要使用传感器阵列中的全部像素。实际上只读取检测二维和形貌信息所需的像素，因此可加速信息的检测。
根据本发明的一个实施例，传感器阵列14在存储器积分工作模式下检测二维信息。在存储器积分工作模式中，在扫描过程中依次采集多个部分地重叠的图像，并且进行数字化。依次将数字图像加载到存储器上，并将从部分重叠的图像中的对应位置得到的数字像素值加在一起，生成一个复合图像。在2002年6月21日提出的共同未决的美国专利申请10/176003中更详细地说明了工作于存储器积分工作模式下的CMOS传感器。该申请的题为：“用于扫描系统的光学传感阵列”，其全部内容通过引用被结合于此。本领域已知的其它检测二维信息的适当的方法也可以使用。
形貌信息使用三角测量方法获得，优选，利用沿大致垂直于表面12的轴线设置的照明。
通过将检测二维信息和形貌信息的表面12上的相应部分20和22分开，可以在每一个部分上优化检测二维和形貌信息的照明。通过使用单个传感器阵列14检测表面12的二维和形貌信息，结合经正确校正和对准的光学系统，可使二维信息和形貌信息保持高度精确的定位，从而使该二维和形貌信息之间能够高度准确地相关。另外，使用单个传感器同时检测二维和形貌信息，与采集二维和形貌信息二者的其他系统比较，可以降低成本。
根据本发明的一个实施例，两个信息通道，一个用于二维信息，一个用于形貌信息，被“多路传输”到同一传感器阵列上。在图1A和1B所示的实施例中，多路传输通过在空间上将相应的二维和形貌信息通道分开来实现。如图1A和1B所示，沿着分开的光路40和42提供照明，以照明表面12在空间上分开的部分20和22。反射镜30和合束棱镜(beam combiningprism)32同时将二维和形貌信息分别从部分20和22传送至成像透镜44，最后传送至传感器阵列14。应注意，根据本发明的一个实施例，尽管检测二维信息的部分20和检测二维信息的部分22空间上分开，但部分20和传感器阵列14之间的光路长度与部分22和传感器阵列14之间光路长度相等。
或者，如下面将要进一步说明的那样，相应的二维和形貌信息通道的分开可以利用各种可替换的方法实现，包括但不限于利用不同波长、利用偏振光或利用时间复用来实现。
根据本发明的一个实施例，表面12一般如同成像透镜44那样水平设置。表面12的两个长形部分——一个部分用于二维成像，其用20标识，一个部分用于通过三角测量得出高度轮廓，其用22标识——均被照明。
如图1A和1B所示，沿着光路40提供的照明以特别适合于检测二维信息的方式照明部分20。光路40包括输出光束52的至少一个高亮度的灯50，适用一个或多个二极管或激光二极管。光束52通过一个准直透镜53，以准直光束52，并照射在斜方形棱镜(rhombus prism)54的顶点上。光束52分成两个在空间上分开的波瓣(lobe)56和58。每一个波瓣56和58通过一个柱面透镜60，该柱面透镜使每一个波瓣56和58以一定角度会聚在表面12上，从而在波瓣之间形成一个楔形间隙62。
利用形成至少一个第一外侧光束72的至少一个第一外侧灯70和形成至少一个第二外侧光束76的至少一个第二外侧灯74，沿着光路40形成另外的照明。灯70和74为高亮度的灯，适用二极管或激光二极管。光束72通过示意性表示为透镜80的一个或多个透镜和光束引导棱镜82，以便从波瓣58外侧的一个角度范围照明部分20。同样，光束76通过示意性地表示为透镜84的一个或多个透镜和光束引导棱镜86，以便从波瓣56外侧的一个角度范围照明部分20。
从图1A和1B可看出，部分20由来自相对于与表面12垂直的轴线的第一角度范围内的照明和来自比第一角度范围的角度更呈钝角的第二角度范围内的另外的照明所照明。优选，角度配置基本上关于竖直轴线对称。
从图1A和1B可看出，反射镜30设置在波瓣56和58之间的间隙62中，以对由波瓣56和58以及光束72和76照明的部分20取景。反射镜30可以包括任何适当的反射表面，例如镀银玻璃或角度合适的棱镜的镀银或不镀银面。来自部分20的光被反射镜30接收，并且在由大体平行的平面的前表面64和后表面66界定的位置上通过合束棱镜32。这样，成像透镜44可对部分20取景，并在位置26处在传感器阵列14上形成其图像。
根据本发明的一个实施例，部分22沿光路42被照明。在部分22处，沿着与表面12垂直的轴线提供一细长形的照明光束。光路42包括输出沿其全长光强基本均匀的结构光束92的至少一个高亮度的灯90，适用一个或多个二极管或激光二极管。光束92通过一个潜望镜94，该潜望镜94用于平移光束92，以沿着与表面12大体垂直的轴线照明表面12上正确的部分。适用的照明器包括Stocker Yale有限公司销售的Laseris^TM结构光发生器。
从图1B可具体看出，合束棱镜32的输入面96设成一定角度，以接收当用光束92照明时从部分22接收的成角度的光输入98。该成角度的光输入98在合束棱镜32内，被后表面66通过全内反射的反射，并被顶面100反射，随后通过后表面66以照射在成像透镜44上。这样，透镜44又可以看见部分22，并且在位置28处在传感器阵列14上形成表面12上的光束92的图像。
根据本发明的一个实施例，后表面66开始通过全内反射来反射成角度的光输入98。然而，顶面100的角度不足以发生全内反射。因此，将银或其他适当的反射涂层应用在顶面100上。在由顶面100反射后，光输入通过后表面66。
根据本发明的一个实施例，系统10中合束棱镜32和光学元件的相对位置构造并设计成在传感器和部分20和22之间形成一个光路，使部分20的二维图像和部分22的形貌高度轮廓同时聚焦在传感器阵列14的位置26和28上。
现参见图2A～2D，它们是同时检测隔开的位置上的表面的二维和形貌信息的装置的简化结构的侧视图。这些结构构成用于从一个表面的空间分开的部分采集二维信息和形貌信息的多路传输信息的装置的其他的结构。图2A～2D只示出对多路传输信息的同时检测。没有示出有关的照明装置。在图2A～2C所示的每一个装置中，设有反射镜，用来反射在相应的二维和形貌检测通道的每一个通道中的检测的信息。在图2D中，设有一棱镜，用来引导相应的二维和形貌检测通道中的每一个中的检测信息。检测信息被引导至同一透镜110，该透镜将检测信息送至位于像平面上的同一传感器。
现参见图3，它是用于在隔开的位置上同时检测表面的二维和形貌信息的另一装置120的简化结构的侧视图。在图3中只示出了主要的射线，并且只示出了检测形貌信息的通道的照明源。
利用一个适当的合束器(beam combiner)122合并来自相应的二维和形貌信息通道的信息。这种合束器可以为例如，部分反射的反射镜、光栅、分色滤光器或具有能使检测的二维信息通过该合束器的孔的全反射的反射镜。
根据本发明的一个实施例，该合束器为一个分色滤光器。利用不同波长的光可将相应的二维和形貌信息通道分开。用这种方法，如图3所示，可以在空间上分开要检测二维和形貌信息的表面212的相应部分。然而，当从颜色上分开时，空间分开不太关键，并且可以不要空间分开即可以进行二维和形貌信息的同时检测。
现参照图4、图5A和图5B，图4是图1A所示系统中使用的一个照明系统400的简化的图示，图5A为图4所示照明系统的简化的侧视图，图5B为图4所示照明系统的简化的正视图。系统400沿着二条光路进行照明。第一光路410对应于图1A和1B中的光路40，它以适于检测表面的二维信息的照明来照明表面12的一部分。第二光路412对应于图1A和1B中的光路42，它以适于检测表面12的形貌信息的照明来照明表面12的一部分。
系统400利用激光二极管进行高亮度的照明。系统400的一个特点为，各个光学元件构造并布置成向照明区域传送大体上均一并且角分布均匀的集中照明。该照明区域中的每一个位置一般接收来自作为虚拟扩展光源的激光光源的多个位置的光。这样，各点位置接收来自多个位置的激光。如图4～5B所示，根据本发明的一个实施例设置光学元件的一个结果为，尽管使用高亮度的激光器输出的高度相干的光，但是显著减少了通常伴随高度相干的聚焦照明的光斑问题。另外，在照明部分420中的每一个位置420(图5A和5B)，接收来自多个照明角度，这对二维成像有利。
如图4所示，提供适于检测二维信息的照明的光路410包括两个中心设置的激光二极管450，每一个二极管输出光束452；沿着二极管450的第一侧设置并输出光束472的4个激光二极管470；和沿着二极管450的第二侧设置，并输出光束476的另外4个激光二极管474(图5A)。
每一个光束452通过准直透镜453。每一个光束472通过准直透镜473，并且每一个光束476通过准直透镜477。准直透镜453、473和477为一球面透镜，其由一个光透射支承件479固定在位。准直透镜的每一个与之相关联的光束452，472和476进行准直。
根据本发明的一个实施例，散射器480，例如由多个柱面部分482构成的一双凸透镜阵列(lenticular array)，设置在准直透镜453的下游，以接收光束452，472和476。在图4～5B所示的实施例中，双凸透镜阵列布置成使得每一个柱面部分482的轴线沿着扫描方向对准，从而只在横跨扫描方向(cross scan direction)而不在扫描方向上，使每一个光束452、472和476呈扇形，如图5A和5B所示那样。
由相应的激光二极管450输出的每个光束452照射在斜方形棱镜454的顶点上。这样，光束452被斜方形棱镜分为两个空间分开的波瓣456和458。
如图5A和5B所示，全部都在横跨扫描方向上散开的波瓣456和458以及光束472与476中的每一个通过透镜490，该透镜490构造成在横跨扫描方向，而不是扫描方向使光束聚焦。如图5A和5B所示，透镜490可以为任何适合的柱面透镜，例如具有合适的柱形横截面的菲涅耳透镜。
在菲涅耳透镜490的下游，波瓣456和458通过柱面透镜460，该透镜460沿着横跨扫描方向上的一轴线延伸，用于在扫描方向聚焦波瓣，以照射在表面412的位置420上。在柱面透镜的下游，波瓣456和458各通过一个对应的散射器494和496(例如全息散射器)，令波瓣456和458在扫描方向而不是横跨扫描方向上扩展，使得波瓣作为有限厚度的射线照射在位置420上，所述射线厚度可根据位置420所希望的宽度和设计参数来选择。如图5A所示，每一个波瓣会聚以照明部分420。从而在波瓣454和456之间形成在扫描方向为楔形的间隙462。
至于光束472，在菲涅耳透镜490的下游，光束472通过例如全息散射器的第一散射器442，进一步在横跨扫描方向使该光束扩展和变得均匀，并且光束472通过柱面透镜444，其在扫描方向使光束472聚焦。光束472被棱镜482偏转，并接着在扫描方向上被例如全息散射器的扫描方向散射器484散射，该散射器附接至棱镜482的出射面以在扫描方向扩展该光束。扩展的光束472从波瓣456外侧的一个角度照射在位置420上。
至于光束476，在菲涅耳透镜490的下游，光束476通过例如全息散射器的第二散射器542，进一步在横跨扫描方向使该光束扩展和变得均匀，并且光束476通过柱面透镜544，其在扫描方向使光束476聚焦。光束476被棱镜586偏转，并接着在扫描方向上被例如全息散射器的扫描方向散射器584散射，该散射器位于棱镜482下游，用于在扫描方向扩展该光束。扩展的光束476从波瓣456外侧的一个角度照射在位置420上。
注意，图4和5A所示的实施例中的光束472和476的相应的光路几何上并不对称，然而它们优选在光学上对称。为了照明部分420以检测表面412的形貌信息，透镜544和棱镜582的相应位置已相对于透镜444和棱镜482移动。
从以上可看出，在扫描方向上，部分420被来自至少4个总体方向、由每一个波瓣456和458以及光束472和476发出的光照明。在由波瓣456和458以及光束472和476形成的每一个总体方向内，每一个位置420还接收以扫描方向上的多个角度提供的照明。这样，在扫描方向上，由波瓣456和458提供照明角度较尖锐的光，而由光束472和476提供照明角度较钝的另外的光。
在横跨扫描方向上，透镜和散射器使激光设置成为从多个方向提供集中光的虚拟扩展光源。本发明的一个实施例的特点为，避免了与表面412垂直的照明。在扫描方向上，通过控制波瓣456和458照射在该表面上的几何角度，可避免与该表面垂直的照明。在横跨扫描方向上，照明的角度和避免垂直角度的照明是通过激光二极管的相应位置和散射器的的适当光学设计进行控制的。
参照图4和5A，部分422被沿着与图1A和1B中的光路42对应的光路412照明。在部分422处，沿着与表面412大体上垂直的轴线提供一细长形照明光束。光路412包括至少一个高亮度灯590，适用一个或多个激光二极管。该灯590输出沿着其全长光强大体上均匀的结构光束592。光束592通过柱面透镜593和潜望镜594，所述潜望镜用于平移光束592，以沿着大体上垂直表面412的轴线照明表面412的正确的部分。合适的照明器包括由Stocker Yale有限公司销售的Laseris^TM结构光发生器。
现参见图6A和6B，它们是在单个传感器阵列上同时检测二维和形貌信息的成像透镜60的射线跟踪。图6A为透镜600的俯视图，图6B为透镜600的侧视图。
要检测的表面用标号612表示。在表面612的部分620上检测二维信息，并将其成像在传感器614的位置626处。形貌信息在表面612的部分622上检测，并在位置628处成像。如图6A和6B所示，检测到的二维信息和检测到的形貌信息二者都通过与图1A和1B所示的合束器32对应的合束器632。虽然部分620和622彼此隔开，并通过同一成像透镜600在同一传感器阵列上的分开的位置上成像，但是这些光学元件被构造成可以保持相等的光路长度。
成像透镜600包括第一透镜阵列630，其包括球面透镜元件；和第二透镜阵列640，其包括柱面透镜元件。因此，第一透镜阵列包括第一球面透镜652、位于第一球面透镜下游的第二球面透镜654、孔656、位于该孔656下游的第三球面透镜658、以及位于第三球面透镜658下游的第四球面透镜660。第二透镜阵列包括第一柱面透镜670和第二柱面透镜672，从而在相应的扫描和横跨扫描方向上提供不同的放大倍数。
本领域技术人员可以理解，本发明并不仅限于上述所示和说明的。应该说，本发明包括本领域技术人员在阅读以上非现有技术中的描述之后所能想到的修改和变形。
本申请要求2003年1月9日提出的美国临时专利申请60/438783的优先权，其全部内容通过引用被结合于此。