使用多相位结构光的三维成像改进方法
专利名称：使用多相位结构光的三维成像改进方法
技术领域：
背景技术：
承载电子电路和分立电学部件的电路板是众所周知的。将电路板基板准备为具有 预定的导体路径和焊盘，所述焊盘用于接收集成电路芯片、电阻器或电容器之类的电学部 件的导线。在电路板制作过程期间，将焊料浆块放置到电路板基底上的合适位置处。一般 通过将丝网放置到基底上、并且通过丝网开口涂覆焊料浆以及从基底上去除丝网来涂覆所 述焊料浆。然后将电路板电学部件定位到基底上，优选地用拾取和放置机器将电学部件的 导线放置到相应的焊料浆块上。在将所有部件定位于基底上之后，使所述电路板通过烤炉 以熔化焊料浆，从而创建所述部件和基底之间的电学和机械连接。随着对于电子工艺中微型化愈发的重要性，焊料浆块的大小和必须将所述焊料浆 块放置到基底上的精确度变得越来越小和越来越紧凑。焊料浆块高度可以小到100微米， 并且焊料浆块的高度必须要被测量为在所需高度和大小的百分之一之内。焊料块之间的中 心-中间间距有时在200微米。过少的焊料浆可能导致在电子部件的引线和电路板基底的 焊盘之间没有电连接。过多的焊料浆可能导致部件引线之间的桥接和短路。单独的电路板可能花费数千或数万美元来制造。制作工艺完成之后测试电路板可 以检测在焊料安置和部件引线连接中的错误，但是对于有故障电路板的唯一补救方法在于 废弃整个电路板。因此，迫切需要在制作过程期间检查电路板，使得可以将电子部件安置到 基底之前检测到不合适的焊料浆安置。因为还没有将昂贵的部件放置到电路板上，这种过 程中焊料检查减小了故障成本。本发明的实施例可用于相对于电子部件制造的多种自动光 学检查。重要的检查包括焊料浆检测、粘合剂或胶水检查、安置后部件检查、引线/球共面 检查等等。转让给本申请受让人的美国专利6，750，899提供了一种高度拓扑检查系统，通过 将光投射通过标线(reticle)以便将光的图案投射到印刷电路板的区域上，所述高度拓扑 检查系统能够检测焊料浆的大小和高度。板传送器将所述板安置于至少两个不同的位置， 其中每一个位置与所投射光的不同相位相对应。在每一个位置处获取与每一个相应位置相 位相对应的图像。测量传感器和所述板之间的相对移动，并且处理器协同定位所述至少两 个图像，并且用协同定位的图像构建高度映射图像。然后将所述高度映射图像用于检测电 路板上的焊料浆的大小和高度。尽管美国专利6，750，899描述了对于高度拓扑检查技术的重要贡献，还存在一些 改进空间。因此，如随后将描述的，本发明的实施例通常改进了在美国专利6，750，899中提 高的设计。
发明内容
提出了一种对测试表面上特征的高度进行映射的方法。所述方法包括将已构图 照明光投射到所述特征上，所述已构图照明光具有多个不同的边缘周期。在将已构图照明光投射到所述特征上的同时获取所述特征的第一图像。然后在传感器和所述特征之间产生 相对移动，以引起检测器视场的一部分的相对位移，所述一部分约等于产生所述图案的标 线的不同的区域的个数的倒数。然后，在将已构图照明光投射到所述特征的同时获取所述 特征的第二图像。至少基于所述第一和第二图像产生高度映射。
图1是其中本发明实施例有用的高度拓扑检查系统的示意图。图2是投射到平坦表面上的现有技术表面光度仪的标线图案的示意图。图3是根据本发明实施例投射的多相位标线图案的示意图。图4是使用根据本发明实施例的多相位结构光对测试表面进行三维成像的方法 的流程图。图5是示出了根据本发明实施例的Y轴传感器位移和边缘图像获取随时间的时序 图。图6是根据本发明另一个实施例投射的多相位标线图案的示意图。
具体实施例方式本发明的实施例通常采用对电路板上的特征(例如焊料浆)的高度进行映射或者 测量的技术。三维相位表面光度仪是一种公知的技术。例如参见美国专利6，049，384和 6，750，899，所述专利已经转让给该申请的受让人。本质上，由通过软百叶窗的阳光将光图 案投射到衬底上，并且所述光图案与投射到地板上的暗区域和亮区域的图案类似。正像通 过软百叶窗的太阳光将在平坦的地面上展现平行的直条一样，平坦表面上的光的图案将是 平行的直条之一，但是根据标线不透明性的正弦图案改变强度。将通过软百叶窗的太阳光 继续进行类推，应该理解的是当从上观看时，如果阳光的图案条碰到具有与平坦地面高度 不同高度的目标(例如睡着的猫)，阳光的图案条将侧向偏移。类似地，因为按照与平坦表 面的平面的一定角度将所述光投射到平坦的表面上，由于具有与平坦表面高度不同高度的 目标的存在，将在所述平坦表面上存在图案条侧向地偏移。图1示出了高度拓扑检查系统，包括处理器14、Χ_Υ运动系统16和光学传感器系 统18。为了说明的目的，高度拓扑检查系统10作为焊料浆检查系统，但是本领域普通技术 人员应该理解，所述系统10可以用于其他合适类型的拓扑检查。焊料浆检查系统10通过 网络21等可与主机19相连，以便发送和接收与印刷电路板上的焊料检查有关的信息。例 如，系统10可以接收与特定焊料浆位置有关的位置信息及其相应标称值。优选地，处理器 14设置在微计算机12内，所述微计算机12是具有诸如键盘和鼠标之类的输入和视频监视 器形式的输出的已知设备。此外优选地，微计算机12包括工业标准体系结构和微处理器。 一个示例是用英特尔奔腾处理器运行微软视窗操作系统的个人计算机。优选地，处理器14在具有工业标准形式因子的计算机外围卡上实现。另外，优选 地，所述处理器适于通过标准外设部件互连(PCI)总线连接微计算机12。然后，处理器14 使用已知的直接存储存取(DMA)传递方法将数据转移至微计算机12或者从微计算机12转 移数据，以促进高速数据转移。处理器14从模拟/数字电子设备48接收数字视频数据，并且对这些数据执行各种功能。例如，处理器14触发传感器系统18基于通过线路20从编码器24接收到的编码 器信息来获取图像。处理器14也与传感器系统18通信以便控制其工作模式(即，高分辨 率vs高速)。处理器14从传感器系统18接收在先数字化的视频数据存储在帧缓冲器(未 示出)中。处理器14操作所述数字化的视频图像以校正传感器系统18中的具体CMOS阵 列46中的缺陷。处理器14也用于补偿所述高度映射上的已知光学失真的效果。处理器14通过线路20与X-Y运动系统16相连。X-Y运动系统16也包括X和Y 马达(未示出)，所述X和Y马达沿相应的X轴和Y轴安置电路板22。X和Y马达可操作地 与X和Y编码器(在块24中示意性示出)相连以向处理器14提供表示沿X和Y轴的电路 板位置的数据。将移动命令通过线路25发送至系统16。系统16相当稳定，并且将所述系 统的运动控制在获取用于产生高度映射的至少两个相位图像所要求的距离上像素大小的 近似一部分之内。如果系统16不是足够稳定，可能需要电子装置中附加的处理来提供等效 的精确度和可重复性。在一个实施例中，优选地，每一个线性编码器具有约0. 5 μ m的分辨 率，如可以从Renishaw购买的线性编码器。因此通过协同操作，计算机12和X-Y运动系统 16沿箭头7、8的X和Y方向如所需地精确移动电路板22。光学传感器系统18包括照相机系统30和投射系统28。照相机系统30包括照相 机透镜31、CMOS检测器46和一组A/D电子装置48。投射系统28包括闪光灯38、聚光器 40、标线41和投射器透镜42。将系统18内的所有部件固定在系统的外壳内。将系统18固 定地附加到平移台(未示出)以提供Z向移动用于聚焦控制。投射系统28将结构光的多个相位投射到焊料浆特征36上。优选地，闪光灯38是 填充有氙气的高速频闪闪光灯，投射宽带白光。当定时信号通过信道34引起灯38在短时 间内点火多次时，外壳18内的高速放电电路(未示出)驱动灯38，优选地，频闪之间至少1 毫秒以便确保闪光灯保持稳定。能够在这种较短时间内提供三次闪光的高速放电电路对于 确保高系统产出是必不可少的。在标题为“Rapid-Firing Flashlamp DischargeCircuit” 的美国专利6，593，705中提出了这种高速放电电路的一个示例，该美国专利转让给本发明 的受让人，因此将其结合在此作为参考。其他类型的照明源也可用于本发明，例如脉冲激光 器或脉冲LED，只要它们能够在优选的时间周期内提供短持续时间、高能连续脉冲。聚光透 镜40从闪光灯38收集光，并且将所述光通过标线41导引至投射器透镜42，在测试表面36 上同时形成变化的边缘图像。优选地，标线41具有象散图案，并且所述投射器透镜是象散 的，一起可靠地同时形成具有低谐波失真的变化象散图案。优选地，投射器透镜28是双倍焦阑的，即在标线空间和目标空间(板22上的焊料 浆堆积物36处)都是焦阑的。由于所述双倍焦阑允许在视场和景深内与焊料浆位置无关 的进行高度、体积和面积计算，所述双倍焦阑是重要的。该特征也对于系统整体上提供较低 的失真，由于目标在曝光之间移动，这是比较重要的。照相机系统30观看在焊料浆堆积物36的目标上的已投射边缘，并且快速连续地 获取和数字化图像。照相机系统30不包括光栅，因为光栅已经结合到波纹干涉系统中。优 选地，照相机系统30在目标空间中是焦阑的，并且由于上述给出的原因具有较低的失真。 选择视场的大小，以在仍然维持目标的足够分辨率的同时最大化视场覆盖。优选地，CMOS阵 列46是兆像素阵列，并且同样能够检查精细细节的焊料浆特征。例如，可以检查用于诸如 芯片规模封装(CSP)或微球栅阵列之类部件的焊料特征。然而，通过对来自单独像素的数据进行采样和组合，可以产生较大的等效像素，这促进了更高速度的检查。这种较大的有效 像素允许高速应用，并且因此减少了后续处理时间。在一个实施例中，可以基于在板22的 不同区域中找到的部件类型，对在相同板上的不同焊料浆特征在高分辨率模式和高速模式 之间迅速地切换检查模式。同样，光学传感器系统18采用相同单元中的双分辨率能力。用于确定表面高度的现有相位表面光度仪方法的一种局限性是相位重叠。由于 相位重建技术的周期性本质，相位重叠产生高度模糊。对于具有大于传感器相位周期的高 度变化的表面以及具有非连续阶跃高度轮廓的表面，该问题尤为麻烦。解决该问题的尝试 通常包括在图像源发生器内添加第二传感器或修改边缘频率。由于要求两个分离的光学路 径，添加第二传感器是一种更加昂贵的方法。此外，用相同图像源发生器改变边缘频率的方 法增加了表面光度仪的成本，并且要求来自接收照相机的多个读取周期，从而减慢了传感 器的数据获取速率。本发明的实施例通常克服了之前尝试的不足，并且提供了一种三维成像系统，所 述三维成像系统具有极大扩展的有效高度包络线，而不会带来额外的成本和速度损失。图2是投射到平坦表面上的现有技术表面光度仪的标线图案的示意图。如可以看 出的，图案100由多个改变暗度的平行线组成，优选地所述平行线相对于表面光度仪和工 作件之间的相对移动方向具有诸如45°之类的角度。将图2中图案周期之间的距离看作是 边缘周期。图3是根据本发明实施例投射的多相位标线图案的示意图。如从图3中可以看出， 标线图案200具有与标线图案100的某些类似性标线图案200由相对于表面光度仪和工 作件之间的相对移动方向具有一定角度的多条平行线组成。然而如从图3中可以看出，标 线图案200包括多个不同的相位区域。具体地，区域202具有相对较短的边缘周期，从而允 许非常高的精度，但是也具有相对较低的重叠高度。区域204设置为与区域202相邻并且 具有不同的边缘周期，在这种情况下是比区域202的边缘区域更大的边缘区域。如图3所 示，优选地，不同的区域202、204彼此对准。另外，优选地，每一个边缘区域202、204的大小 相等。甚至当采用具有其他边缘周期的附加边缘周期时也保持这种优先性。例如，如果使 用三个区域，方便的是这三个区域的每一个均是相同大小的。对于不同区域选择不同的边缘周期是重要的。例如，一个边缘周期可以相对较大， 用于粗略高度映射。只要粗略高度映射功能可以确定高度在第二边缘周期的重叠高度以 内，就是有用的。因此，第二边缘周期可以是非常精确的，但是具有仅仅1毫米的重叠高度。 那么，第二边缘周期可以具有9毫米的重叠高度，但是能够辨别1毫米以内的高度。如可以 理解的，通过对这两个边缘周期彼此进行杠杆作用，可以将较小边缘周期的精确度用于在 较大边缘周期的整个高度包络线内获得非常精确的高度映射。也可以考虑不同的边缘周期 的其他组合。在以上示例中，只有边缘周期之一提供非常精细的高度精度，并且将其余边缘周 期用于粗略的高度确定。然而，可以将两个相对类似的边缘周期用于在比每一个单独边缘 高度映射的重叠高度更大的距离上提供明确的精确高度映射。因此，具有1毫米重叠高度 的边缘周期与具有1. 2毫米重叠高度的第二边缘周期一起使用将允许每一个对于精确高 度映射都由贡献，并且将提供6毫米的重叠高度。这是因为在6毫米高度内，从每一个边缘 周期的组合得出的高度信息将只解决6毫米高度包络线内的单一高度。
图4是使用根据本发明实施例的多相位结构光对测试表面进行三维成像的方法 的流程图。为了获取图像，将传感器18沿图1所示的Y轴8相对于测试表面22移动。方法 300开始于块302，其中控制进行至块304。在块304，对高度扫描设备初始化。这种初始化 可以包括对任意合适的变量和/或寄存器清零，以及开始所述运动轮廓。一旦初始化完成， 控制进行至块306，其中将传感器移动至“下一个”位置。该位置是表面上要测试特征的位 置。通常，这将是焊料浆堆积物的位置，但是可以是针对所需高度映射的任意合适位置。一 旦正确地安置了传感器，块308开始，所述块308是总高度图像获取过程。在块308内，块 310首先通过获取第一图像(图像A)来执行。块310包括子步骤310A、310B和310C。在 块310A时，触发边缘照明光器。在该步骤时，照明光点亮通过标线，优选地频闪照明光点亮 通过标线，例如标线41，所述标线具有两个不同的边缘图案。优选地，当将标线传感器安置 为获取第一边缘图像时，由阶段编码器24触发所述照明光。这在CMOS传感器46的视场内 产生两个不同的图案。在块310B时，存取并且存储边缘图案1A。在块310C时，存取并且存 储边缘图案2A。这样，对于单独的图像获取，照明光器将标线的图像投射到测试表面上，并 且在面积阵列成像仪上获取图像。从所述成像仪下载图像，并且将所述图像存储在控制器 的存储器中。因此，由于边缘图像IA和2A都在CMOS检测器46的同一视场内，同时获取了 边缘图像IA和2A。已经在块310中获取图像A之后，控制进行至块312，其中直到下一个相位位置准 备好之前所述系统一直等待。这可以是直到运动控制系统产生工作件和传感器的相对运动 为止的等待，或者是直到移动网已经将工作件移动足够距离为止的等待。重要的是在块310 的图像A和块314的图像B的获取之间发生的移动沿单一方向，例如如图2和图3中所示 的方向。在块314时，获取图像B。像块310那样，块314包括子步骤314A、314B和314C。 在块314A时，触发边缘照明光器。在该步骤时，照明光点亮通过标线，优选地频闪照明光点 亮通过标线，例如标线41，所述标线具有两个不同的边缘图案。这在CMOS传感器46的视场 内产生两个不同的图案。在块314B时，存取并且存储边缘图案1B。在块314C时，存取并且 存储边缘图案2B。由于边缘图像IB和2B都在CMOS检测器46的同一视场内，同时获取了 边缘图像IB和2B。在块314中已经获取了图像B之后，控制进行至块316，其中直到下一个相位位置 准备好之前所述系统一直等待。在块318时，获取图像C。像块310和314那样，块318包括子步骤318A、318B和 318C。在块318A时，触发边缘照明光器。在该步骤时，照明光点亮通过标线，优选地频闪照 明光点亮通过标线，例如标线41，所述标线具有两个不同的边缘图案。这在CMOS传感器46 的视场内产生两个不同的图案。在块318B时，存取并且存储边缘图案1C。在块318C时，存 取并且存储边缘图案2C。由于边缘图像IC和2C都在CMOS检测器46的同一视场内，同时 获取了边缘图像IC和2C。在块320和322时，分别针对边缘1和2计算第N个高度图像。接下来在块324 时，将针对边缘1计算的第N个高度图像与针对边缘图像2计算的第(N-I)个高度图像进 行组合，以产生扩展范围的高度图像。然后控制进行至块326，其中所述系统确定扫描是否 是完整的。如果所述扫描是完整的，控制进行至块328，其中所述方法结束。然而，如果所述扫描不是完整的，控制经由线条330回到至块306，并且系统移动至“下一个”(N+1)位置。 另外，当前位置(N)和“下一个”位置之间的移动优选地是CMOS检测器视场的一部分。在 采用多于两个不同的边缘周期的实施例中，优选地，所述一部分近似等于产生图案的标线 不同的区域的个数的倒数。通过投射多于一个边缘周期，通过面积阵列成像仪可以获取两个或更多的边缘周 期区域，并且将其分离地处理成不同的高度映射。对于每一个图像获取周期，由两个或更 多边缘图像区域产生的一个或更多高度图像表示测试表面的不同区域。然而，因为要求所 述传感器相对于测试表面移动，并且如果将不同边缘周期的图像区域沿传感器运动的轴对 准，由这两个边缘周期限定的每一个区域将能够获取测试表面的图像。一旦通过每一个边 缘周期获取了针对测试表面的高度信息，可以比较并且组合单独的高度图像，以扩展越过 单一边缘图像的重叠高度的测量高度范围。图5是示出了根据本发明实施例的Y轴传感器位移和边缘图像获取随时间的时序 图。如从图5中可以看出，在时间帧、时，在位置％投射具有边缘图案1和2的标线图像。 在将该标线图像投射(边缘1和2)两次、或者优选地三次的同时，获取了改变的相位图像。 如美国专利6，750，899中所示，这些图像具有相位差(例如，以120°相位差获取的三个图 像)，这种相位差允许构建相对于第一时间帧的高度映射。如从图5中可以看出，在时间帧 to期间的图像获取不会持续到时间帧ti，而是在在传感器沿Y轴移动至下一个位置的、和 、之间存在时滞。参考图4的块306描述这种延迟。优选地，这样移动所述传感器，使得时 间帧、期间获取的图像在传感器视场内包括与时间帧、期间获取的图像交叉的一部分。 在说明中，时间帧、的边缘图案1与来自时间帧、的边缘图案2重叠。同样如图5所示， 该过程继续到传感器已经扫描或者读出了整个Y轴为止。图6是根据本发明另一个实施例投射的多相位标线图案的示意图。图案400包括 三个不同的区域。具体地，图案400包括区域402、404和406。如从图6中可以看出的，区 域404是具有比区域402、406相对更小边缘周期的高度映射区域。因此，当将区域404投 射到测试表面上时，可以探知精细的高度细节。然而，因为工作件不会放置地完全平坦，区 域402、404之一可以用于在图像承载区域404的获取之前粗略地确定高度。这允许调节传 感器Z的高度，以便提供对于高度映射图像更好的聚焦。一旦已经调节或确认了 ζ高度，获 取了测试表面上的区域404的图像。这允许系统动态地改变焦距以遵循没有放置地完全平 坦的板或工作件，并且仍然提供对于工作件上特征相当精确的高度映射。此外，存在两个边 缘图像以允许在精细分辨率标线之前的“聚焦”信息，所述精细分辨率标线允许沿两个方向 移动。本发明的实施例通常提出了多种优势。例如，在不降低分辨率的同时可以增加相 位表面光度仪高度测量的有用范围。另外，可以将相同的投射仪、图像捕获和图像处理机制 用于测量绝对高度和/或识别高度图像中的特定相位周期，用于开发周期性的高度测量。 另外，确定附加高度信息不要求附加的曝光时间。同样，确信不要求附加的硬件来投射多个 边缘周期。可以通过相同的光学系统投射和获取这些多边缘周期。可以同时获取所述多 边缘周期，减小一般与在静止相位表面光度仪中的多周期边缘投射的获取相关联的获取时 间。尽管已经参考优选实施例描述了本发明，但本领域普通技术人员应当理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些实施例进行修改。例如，尽管将图像检测器 46描述为CMOS检测器，可以使用诸如CCD检测器之类的任意合适的检测器。
权利要求
一种对测试表面上特征的高度进行映射的方法，所述方法包括将已构图照明光投射到所述特征上，所述已构图照明光具有多个不同的边缘周期；在将已构图照明光投射到所述特征上的同时获取所述特征的第一多个图像，所述第一多个图像具有至少两个不同的相位以创建第一高度映射；在传感器和所述特征之间产生相对移动，以引起检测器视场的一部分的相对位移；在将已构图照明光投射到所述特征的同时获取所述特征的第二多个图像，所述第二多个图像具有至少两个不同的相位以创建第二高度映射；以及组合所述第一和第二高度映射。
2.根据权利要求1所述的方法，其中通过频闪照明光器产生已构图照明光。
3.根据权利要求1所述的方法，还包括在获取所述第二多个图像之后，在传感器和所述特征之间产生相对移动，以引起所述 传感器的相对位移；以及在将已构图照明光投射到所述特征的同时获取第三多个图像，以产生第三高度映射， 其中组合所述第一、第二和第三高度映射。
4.根据权利要求1所述的方法，还包括将所述第一多个图像的一部分与所述第二多 个图像的一部分协同定位。
5.根据权利要求1所述的方法，其中将所述多个不同的边缘周期设置为在所述检测器 的视场内彼此相邻。
6.根据权利要求5所述的方法，其中根据权利要求1所述的方法，其中在第一区域中投 射第一边缘周期，并且在第二区域中投射第二边缘周期。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述组合的高度映射具有基于较小边缘周期的精 确度、但是具有大于较大边缘周期的重叠高度。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述一部分约等于产生图案的标线的不同部分的 个数的倒数。
9.一种检测工作件上的特征的三维高度的系统，所述系统包括 机器人系统，用于在所述系统和所述特征之间产生相对移动；投射仪，配置用于将已构图照明光投射到所述特征上，所述已构图的照明光具有至少 两个不同的边缘周期；图像检测器，配置用于获取投射到所述特征上的已构图照明光的多个图像；以及 处理器，与所述投射仪和所述图像检测器相连，所述处理器配置用于至少基于所述多 个图像来产生高度映射。
10.根据权利要求9所述的系统，其中所述投射仪包括标线，所述标线配置用于同时投 射所述至少两个不同的边缘周期。
11.根据权利要求9所述的系统，其中所述投射仪包括频闪照明光器。
全文摘要
提供出了一种对测试表面(22)上特征(36)的高度进行映射的方法(300)。所述方法包括将已构图照明光投射到所述特征(36)上(310A)，所述已构图照明光具有多个不同的边缘周期。在将已构图照明光投射到所述特征(36)上的同时获取所述特征的第一图像(310)。然后在传感器和所述特征(36)之间产生相对移动，以引起检测器(46)视场的一部分的相对位移，所述一部分约等于产生图案的标线的不同部分的个数的倒数。然后在将已构图照明光投射到所述特征(36)的同时获取所述特征的第二图像(314)。至少基于所述第一和第二图像来产生高度映射。
文档编号G01B11/25GK101932904SQ200880125886
公开日2010年12月29日 申请日期2008年12月19日 优先权日2008年1月31日
发明者保罗·R·豪根, 郎斯·K·费舍尔 申请人:赛博光学公司
技术领域：
背景技术：
承载电子电路和分立电学部件的电路板是众所周知的。将电路板基板准备为具有 预定的导体路径和焊盘，所述焊盘用于接收集成电路芯片、电阻器或电容器之类的电学部 件的导线。在电路板制作过程期间，将焊料浆块放置到电路板基底上的合适位置处。一般 通过将丝网放置到基底上、并且通过丝网开口涂覆焊料浆以及从基底上去除丝网来涂覆所 述焊料浆。然后将电路板电学部件定位到基底上，优选地用拾取和放置机器将电学部件的 导线放置到相应的焊料浆块上。在将所有部件定位于基底上之后，使所述电路板通过烤炉 以熔化焊料浆，从而创建所述部件和基底之间的电学和机械连接。随着对于电子工艺中微型化愈发的重要性，焊料浆块的大小和必须将所述焊料浆 块放置到基底上的精确度变得越来越小和越来越紧凑。焊料浆块高度可以小到100微米， 并且焊料浆块的高度必须要被测量为在所需高度和大小的百分之一之内。焊料块之间的中 心-中间间距有时在200微米。过少的焊料浆可能导致在电子部件的引线和电路板基底的 焊盘之间没有电连接。过多的焊料浆可能导致部件引线之间的桥接和短路。单独的电路板可能花费数千或数万美元来制造。制作工艺完成之后测试电路板可 以检测在焊料安置和部件引线连接中的错误，但是对于有故障电路板的唯一补救方法在于 废弃整个电路板。因此，迫切需要在制作过程期间检查电路板，使得可以将电子部件安置到 基底之前检测到不合适的焊料浆安置。因为还没有将昂贵的部件放置到电路板上，这种过 程中焊料检查减小了故障成本。本发明的实施例可用于相对于电子部件制造的多种自动光 学检查。重要的检查包括焊料浆检测、粘合剂或胶水检查、安置后部件检查、引线/球共面 检查等等。转让给本申请受让人的美国专利6，750，899提供了一种高度拓扑检查系统，通过 将光投射通过标线(reticle)以便将光的图案投射到印刷电路板的区域上，所述高度拓扑 检查系统能够检测焊料浆的大小和高度。板传送器将所述板安置于至少两个不同的位置， 其中每一个位置与所投射光的不同相位相对应。在每一个位置处获取与每一个相应位置相 位相对应的图像。测量传感器和所述板之间的相对移动，并且处理器协同定位所述至少两 个图像，并且用协同定位的图像构建高度映射图像。然后将所述高度映射图像用于检测电 路板上的焊料浆的大小和高度。尽管美国专利6，750，899描述了对于高度拓扑检查技术的重要贡献，还存在一些 改进空间。因此，如随后将描述的，本发明的实施例通常改进了在美国专利6，750，899中提 高的设计。
发明内容
提出了一种对测试表面上特征的高度进行映射的方法。所述方法包括将已构图 照明光投射到所述特征上，所述已构图照明光具有多个不同的边缘周期。在将已构图照明光投射到所述特征上的同时获取所述特征的第一图像。然后在传感器和所述特征之间产生 相对移动，以引起检测器视场的一部分的相对位移，所述一部分约等于产生所述图案的标 线的不同的区域的个数的倒数。然后，在将已构图照明光投射到所述特征的同时获取所述 特征的第二图像。至少基于所述第一和第二图像产生高度映射。
图1是其中本发明实施例有用的高度拓扑检查系统的示意图。图2是投射到平坦表面上的现有技术表面光度仪的标线图案的示意图。图3是根据本发明实施例投射的多相位标线图案的示意图。图4是使用根据本发明实施例的多相位结构光对测试表面进行三维成像的方法 的流程图。图5是示出了根据本发明实施例的Y轴传感器位移和边缘图像获取随时间的时序 图。图6是根据本发明另一个实施例投射的多相位标线图案的示意图。
具体实施例方式本发明的实施例通常采用对电路板上的特征(例如焊料浆)的高度进行映射或者 测量的技术。三维相位表面光度仪是一种公知的技术。例如参见美国专利6，049，384和 6，750，899，所述专利已经转让给该申请的受让人。本质上，由通过软百叶窗的阳光将光图 案投射到衬底上，并且所述光图案与投射到地板上的暗区域和亮区域的图案类似。正像通 过软百叶窗的太阳光将在平坦的地面上展现平行的直条一样，平坦表面上的光的图案将是 平行的直条之一，但是根据标线不透明性的正弦图案改变强度。将通过软百叶窗的太阳光 继续进行类推，应该理解的是当从上观看时，如果阳光的图案条碰到具有与平坦地面高度 不同高度的目标(例如睡着的猫)，阳光的图案条将侧向偏移。类似地，因为按照与平坦表 面的平面的一定角度将所述光投射到平坦的表面上，由于具有与平坦表面高度不同高度的 目标的存在，将在所述平坦表面上存在图案条侧向地偏移。图1示出了高度拓扑检查系统，包括处理器14、Χ_Υ运动系统16和光学传感器系 统18。为了说明的目的，高度拓扑检查系统10作为焊料浆检查系统，但是本领域普通技术 人员应该理解，所述系统10可以用于其他合适类型的拓扑检查。焊料浆检查系统10通过 网络21等可与主机19相连，以便发送和接收与印刷电路板上的焊料检查有关的信息。例 如，系统10可以接收与特定焊料浆位置有关的位置信息及其相应标称值。优选地，处理器 14设置在微计算机12内，所述微计算机12是具有诸如键盘和鼠标之类的输入和视频监视 器形式的输出的已知设备。此外优选地，微计算机12包括工业标准体系结构和微处理器。 一个示例是用英特尔奔腾处理器运行微软视窗操作系统的个人计算机。优选地，处理器14在具有工业标准形式因子的计算机外围卡上实现。另外，优选 地，所述处理器适于通过标准外设部件互连(PCI)总线连接微计算机12。然后，处理器14 使用已知的直接存储存取(DMA)传递方法将数据转移至微计算机12或者从微计算机12转 移数据，以促进高速数据转移。处理器14从模拟/数字电子设备48接收数字视频数据，并且对这些数据执行各种功能。例如，处理器14触发传感器系统18基于通过线路20从编码器24接收到的编码 器信息来获取图像。处理器14也与传感器系统18通信以便控制其工作模式(即，高分辨 率vs高速)。处理器14从传感器系统18接收在先数字化的视频数据存储在帧缓冲器(未 示出)中。处理器14操作所述数字化的视频图像以校正传感器系统18中的具体CMOS阵 列46中的缺陷。处理器14也用于补偿所述高度映射上的已知光学失真的效果。处理器14通过线路20与X-Y运动系统16相连。X-Y运动系统16也包括X和Y 马达(未示出)，所述X和Y马达沿相应的X轴和Y轴安置电路板22。X和Y马达可操作地 与X和Y编码器(在块24中示意性示出)相连以向处理器14提供表示沿X和Y轴的电路 板位置的数据。将移动命令通过线路25发送至系统16。系统16相当稳定，并且将所述系 统的运动控制在获取用于产生高度映射的至少两个相位图像所要求的距离上像素大小的 近似一部分之内。如果系统16不是足够稳定，可能需要电子装置中附加的处理来提供等效 的精确度和可重复性。在一个实施例中，优选地，每一个线性编码器具有约0. 5 μ m的分辨 率，如可以从Renishaw购买的线性编码器。因此通过协同操作，计算机12和X-Y运动系统 16沿箭头7、8的X和Y方向如所需地精确移动电路板22。光学传感器系统18包括照相机系统30和投射系统28。照相机系统30包括照相 机透镜31、CMOS检测器46和一组A/D电子装置48。投射系统28包括闪光灯38、聚光器 40、标线41和投射器透镜42。将系统18内的所有部件固定在系统的外壳内。将系统18固 定地附加到平移台(未示出)以提供Z向移动用于聚焦控制。投射系统28将结构光的多个相位投射到焊料浆特征36上。优选地，闪光灯38是 填充有氙气的高速频闪闪光灯，投射宽带白光。当定时信号通过信道34引起灯38在短时 间内点火多次时，外壳18内的高速放电电路(未示出)驱动灯38，优选地，频闪之间至少1 毫秒以便确保闪光灯保持稳定。能够在这种较短时间内提供三次闪光的高速放电电路对于 确保高系统产出是必不可少的。在标题为“Rapid-Firing Flashlamp DischargeCircuit” 的美国专利6，593，705中提出了这种高速放电电路的一个示例，该美国专利转让给本发明 的受让人，因此将其结合在此作为参考。其他类型的照明源也可用于本发明，例如脉冲激光 器或脉冲LED，只要它们能够在优选的时间周期内提供短持续时间、高能连续脉冲。聚光透 镜40从闪光灯38收集光，并且将所述光通过标线41导引至投射器透镜42，在测试表面36 上同时形成变化的边缘图像。优选地，标线41具有象散图案，并且所述投射器透镜是象散 的，一起可靠地同时形成具有低谐波失真的变化象散图案。优选地，投射器透镜28是双倍焦阑的，即在标线空间和目标空间(板22上的焊料 浆堆积物36处)都是焦阑的。由于所述双倍焦阑允许在视场和景深内与焊料浆位置无关 的进行高度、体积和面积计算，所述双倍焦阑是重要的。该特征也对于系统整体上提供较低 的失真，由于目标在曝光之间移动，这是比较重要的。照相机系统30观看在焊料浆堆积物36的目标上的已投射边缘，并且快速连续地 获取和数字化图像。照相机系统30不包括光栅，因为光栅已经结合到波纹干涉系统中。优 选地，照相机系统30在目标空间中是焦阑的，并且由于上述给出的原因具有较低的失真。 选择视场的大小，以在仍然维持目标的足够分辨率的同时最大化视场覆盖。优选地，CMOS阵 列46是兆像素阵列，并且同样能够检查精细细节的焊料浆特征。例如，可以检查用于诸如 芯片规模封装(CSP)或微球栅阵列之类部件的焊料特征。然而，通过对来自单独像素的数据进行采样和组合，可以产生较大的等效像素，这促进了更高速度的检查。这种较大的有效 像素允许高速应用，并且因此减少了后续处理时间。在一个实施例中，可以基于在板22的 不同区域中找到的部件类型，对在相同板上的不同焊料浆特征在高分辨率模式和高速模式 之间迅速地切换检查模式。同样，光学传感器系统18采用相同单元中的双分辨率能力。用于确定表面高度的现有相位表面光度仪方法的一种局限性是相位重叠。由于 相位重建技术的周期性本质，相位重叠产生高度模糊。对于具有大于传感器相位周期的高 度变化的表面以及具有非连续阶跃高度轮廓的表面，该问题尤为麻烦。解决该问题的尝试 通常包括在图像源发生器内添加第二传感器或修改边缘频率。由于要求两个分离的光学路 径，添加第二传感器是一种更加昂贵的方法。此外，用相同图像源发生器改变边缘频率的方 法增加了表面光度仪的成本，并且要求来自接收照相机的多个读取周期，从而减慢了传感 器的数据获取速率。本发明的实施例通常克服了之前尝试的不足，并且提供了一种三维成像系统，所 述三维成像系统具有极大扩展的有效高度包络线，而不会带来额外的成本和速度损失。图2是投射到平坦表面上的现有技术表面光度仪的标线图案的示意图。如可以看 出的，图案100由多个改变暗度的平行线组成，优选地所述平行线相对于表面光度仪和工 作件之间的相对移动方向具有诸如45°之类的角度。将图2中图案周期之间的距离看作是 边缘周期。图3是根据本发明实施例投射的多相位标线图案的示意图。如从图3中可以看出， 标线图案200具有与标线图案100的某些类似性标线图案200由相对于表面光度仪和工 作件之间的相对移动方向具有一定角度的多条平行线组成。然而如从图3中可以看出，标 线图案200包括多个不同的相位区域。具体地，区域202具有相对较短的边缘周期，从而允 许非常高的精度，但是也具有相对较低的重叠高度。区域204设置为与区域202相邻并且 具有不同的边缘周期，在这种情况下是比区域202的边缘区域更大的边缘区域。如图3所 示，优选地，不同的区域202、204彼此对准。另外，优选地，每一个边缘区域202、204的大小 相等。甚至当采用具有其他边缘周期的附加边缘周期时也保持这种优先性。例如，如果使 用三个区域，方便的是这三个区域的每一个均是相同大小的。对于不同区域选择不同的边缘周期是重要的。例如，一个边缘周期可以相对较大， 用于粗略高度映射。只要粗略高度映射功能可以确定高度在第二边缘周期的重叠高度以 内，就是有用的。因此，第二边缘周期可以是非常精确的，但是具有仅仅1毫米的重叠高度。 那么，第二边缘周期可以具有9毫米的重叠高度，但是能够辨别1毫米以内的高度。如可以 理解的，通过对这两个边缘周期彼此进行杠杆作用，可以将较小边缘周期的精确度用于在 较大边缘周期的整个高度包络线内获得非常精确的高度映射。也可以考虑不同的边缘周期 的其他组合。在以上示例中，只有边缘周期之一提供非常精细的高度精度，并且将其余边缘周 期用于粗略的高度确定。然而，可以将两个相对类似的边缘周期用于在比每一个单独边缘 高度映射的重叠高度更大的距离上提供明确的精确高度映射。因此，具有1毫米重叠高度 的边缘周期与具有1. 2毫米重叠高度的第二边缘周期一起使用将允许每一个对于精确高 度映射都由贡献，并且将提供6毫米的重叠高度。这是因为在6毫米高度内，从每一个边缘 周期的组合得出的高度信息将只解决6毫米高度包络线内的单一高度。
图4是使用根据本发明实施例的多相位结构光对测试表面进行三维成像的方法 的流程图。为了获取图像，将传感器18沿图1所示的Y轴8相对于测试表面22移动。方法 300开始于块302，其中控制进行至块304。在块304，对高度扫描设备初始化。这种初始化 可以包括对任意合适的变量和/或寄存器清零，以及开始所述运动轮廓。一旦初始化完成， 控制进行至块306，其中将传感器移动至“下一个”位置。该位置是表面上要测试特征的位 置。通常，这将是焊料浆堆积物的位置，但是可以是针对所需高度映射的任意合适位置。一 旦正确地安置了传感器，块308开始，所述块308是总高度图像获取过程。在块308内，块 310首先通过获取第一图像(图像A)来执行。块310包括子步骤310A、310B和310C。在 块310A时，触发边缘照明光器。在该步骤时，照明光点亮通过标线，优选地频闪照明光点亮 通过标线，例如标线41，所述标线具有两个不同的边缘图案。优选地，当将标线传感器安置 为获取第一边缘图像时，由阶段编码器24触发所述照明光。这在CMOS传感器46的视场内 产生两个不同的图案。在块310B时，存取并且存储边缘图案1A。在块310C时，存取并且存 储边缘图案2A。这样，对于单独的图像获取，照明光器将标线的图像投射到测试表面上，并 且在面积阵列成像仪上获取图像。从所述成像仪下载图像，并且将所述图像存储在控制器 的存储器中。因此，由于边缘图像IA和2A都在CMOS检测器46的同一视场内，同时获取了 边缘图像IA和2A。已经在块310中获取图像A之后，控制进行至块312，其中直到下一个相位位置准 备好之前所述系统一直等待。这可以是直到运动控制系统产生工作件和传感器的相对运动 为止的等待，或者是直到移动网已经将工作件移动足够距离为止的等待。重要的是在块310 的图像A和块314的图像B的获取之间发生的移动沿单一方向，例如如图2和图3中所示 的方向。在块314时，获取图像B。像块310那样，块314包括子步骤314A、314B和314C。 在块314A时，触发边缘照明光器。在该步骤时，照明光点亮通过标线，优选地频闪照明光点 亮通过标线，例如标线41，所述标线具有两个不同的边缘图案。这在CMOS传感器46的视场 内产生两个不同的图案。在块314B时，存取并且存储边缘图案1B。在块314C时，存取并且 存储边缘图案2B。由于边缘图像IB和2B都在CMOS检测器46的同一视场内，同时获取了 边缘图像IB和2B。在块314中已经获取了图像B之后，控制进行至块316，其中直到下一个相位位置 准备好之前所述系统一直等待。在块318时，获取图像C。像块310和314那样，块318包括子步骤318A、318B和 318C。在块318A时，触发边缘照明光器。在该步骤时，照明光点亮通过标线，优选地频闪照 明光点亮通过标线，例如标线41，所述标线具有两个不同的边缘图案。这在CMOS传感器46 的视场内产生两个不同的图案。在块318B时，存取并且存储边缘图案1C。在块318C时，存 取并且存储边缘图案2C。由于边缘图像IC和2C都在CMOS检测器46的同一视场内，同时 获取了边缘图像IC和2C。在块320和322时，分别针对边缘1和2计算第N个高度图像。接下来在块324 时，将针对边缘1计算的第N个高度图像与针对边缘图像2计算的第(N-I)个高度图像进 行组合，以产生扩展范围的高度图像。然后控制进行至块326，其中所述系统确定扫描是否 是完整的。如果所述扫描是完整的，控制进行至块328，其中所述方法结束。然而，如果所述扫描不是完整的，控制经由线条330回到至块306，并且系统移动至“下一个”(N+1)位置。 另外，当前位置(N)和“下一个”位置之间的移动优选地是CMOS检测器视场的一部分。在 采用多于两个不同的边缘周期的实施例中，优选地，所述一部分近似等于产生图案的标线 不同的区域的个数的倒数。通过投射多于一个边缘周期，通过面积阵列成像仪可以获取两个或更多的边缘周 期区域，并且将其分离地处理成不同的高度映射。对于每一个图像获取周期，由两个或更 多边缘图像区域产生的一个或更多高度图像表示测试表面的不同区域。然而，因为要求所 述传感器相对于测试表面移动，并且如果将不同边缘周期的图像区域沿传感器运动的轴对 准，由这两个边缘周期限定的每一个区域将能够获取测试表面的图像。一旦通过每一个边 缘周期获取了针对测试表面的高度信息，可以比较并且组合单独的高度图像，以扩展越过 单一边缘图像的重叠高度的测量高度范围。图5是示出了根据本发明实施例的Y轴传感器位移和边缘图像获取随时间的时序 图。如从图5中可以看出，在时间帧、时，在位置％投射具有边缘图案1和2的标线图像。 在将该标线图像投射(边缘1和2)两次、或者优选地三次的同时，获取了改变的相位图像。 如美国专利6，750，899中所示，这些图像具有相位差(例如，以120°相位差获取的三个图 像)，这种相位差允许构建相对于第一时间帧的高度映射。如从图5中可以看出，在时间帧 to期间的图像获取不会持续到时间帧ti，而是在在传感器沿Y轴移动至下一个位置的、和 、之间存在时滞。参考图4的块306描述这种延迟。优选地，这样移动所述传感器，使得时 间帧、期间获取的图像在传感器视场内包括与时间帧、期间获取的图像交叉的一部分。 在说明中，时间帧、的边缘图案1与来自时间帧、的边缘图案2重叠。同样如图5所示， 该过程继续到传感器已经扫描或者读出了整个Y轴为止。图6是根据本发明另一个实施例投射的多相位标线图案的示意图。图案400包括 三个不同的区域。具体地，图案400包括区域402、404和406。如从图6中可以看出的，区 域404是具有比区域402、406相对更小边缘周期的高度映射区域。因此，当将区域404投 射到测试表面上时，可以探知精细的高度细节。然而，因为工作件不会放置地完全平坦，区 域402、404之一可以用于在图像承载区域404的获取之前粗略地确定高度。这允许调节传 感器Z的高度，以便提供对于高度映射图像更好的聚焦。一旦已经调节或确认了 ζ高度，获 取了测试表面上的区域404的图像。这允许系统动态地改变焦距以遵循没有放置地完全平 坦的板或工作件，并且仍然提供对于工作件上特征相当精确的高度映射。此外，存在两个边 缘图像以允许在精细分辨率标线之前的“聚焦”信息，所述精细分辨率标线允许沿两个方向 移动。本发明的实施例通常提出了多种优势。例如，在不降低分辨率的同时可以增加相 位表面光度仪高度测量的有用范围。另外，可以将相同的投射仪、图像捕获和图像处理机制 用于测量绝对高度和/或识别高度图像中的特定相位周期，用于开发周期性的高度测量。 另外，确定附加高度信息不要求附加的曝光时间。同样，确信不要求附加的硬件来投射多个 边缘周期。可以通过相同的光学系统投射和获取这些多边缘周期。可以同时获取所述多 边缘周期，减小一般与在静止相位表面光度仪中的多周期边缘投射的获取相关联的获取时 间。尽管已经参考优选实施例描述了本发明，但本领域普通技术人员应当理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些实施例进行修改。例如，尽管将图像检测器 46描述为CMOS检测器，可以使用诸如CCD检测器之类的任意合适的检测器。
权利要求
一种对测试表面上特征的高度进行映射的方法，所述方法包括将已构图照明光投射到所述特征上，所述已构图照明光具有多个不同的边缘周期；在将已构图照明光投射到所述特征上的同时获取所述特征的第一多个图像，所述第一多个图像具有至少两个不同的相位以创建第一高度映射；在传感器和所述特征之间产生相对移动，以引起检测器视场的一部分的相对位移；在将已构图照明光投射到所述特征的同时获取所述特征的第二多个图像，所述第二多个图像具有至少两个不同的相位以创建第二高度映射；以及组合所述第一和第二高度映射。
2.根据权利要求1所述的方法，其中通过频闪照明光器产生已构图照明光。
3.根据权利要求1所述的方法，还包括在获取所述第二多个图像之后，在传感器和所述特征之间产生相对移动，以引起所述 传感器的相对位移；以及在将已构图照明光投射到所述特征的同时获取第三多个图像，以产生第三高度映射， 其中组合所述第一、第二和第三高度映射。
4.根据权利要求1所述的方法，还包括将所述第一多个图像的一部分与所述第二多 个图像的一部分协同定位。
5.根据权利要求1所述的方法，其中将所述多个不同的边缘周期设置为在所述检测器 的视场内彼此相邻。
6.根据权利要求5所述的方法，其中根据权利要求1所述的方法，其中在第一区域中投 射第一边缘周期，并且在第二区域中投射第二边缘周期。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述组合的高度映射具有基于较小边缘周期的精 确度、但是具有大于较大边缘周期的重叠高度。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述一部分约等于产生图案的标线的不同部分的 个数的倒数。
9.一种检测工作件上的特征的三维高度的系统，所述系统包括 机器人系统，用于在所述系统和所述特征之间产生相对移动；投射仪，配置用于将已构图照明光投射到所述特征上，所述已构图的照明光具有至少 两个不同的边缘周期；图像检测器，配置用于获取投射到所述特征上的已构图照明光的多个图像；以及 处理器，与所述投射仪和所述图像检测器相连，所述处理器配置用于至少基于所述多 个图像来产生高度映射。
10.根据权利要求9所述的系统，其中所述投射仪包括标线，所述标线配置用于同时投 射所述至少两个不同的边缘周期。
11.根据权利要求9所述的系统，其中所述投射仪包括频闪照明光器。
全文摘要
提供出了一种对测试表面(22)上特征(36)的高度进行映射的方法(300)。所述方法包括将已构图照明光投射到所述特征(36)上(310A)，所述已构图照明光具有多个不同的边缘周期。在将已构图照明光投射到所述特征(36)上的同时获取所述特征的第一图像(310)。然后在传感器和所述特征(36)之间产生相对移动，以引起检测器(46)视场的一部分的相对位移，所述一部分约等于产生图案的标线的不同部分的个数的倒数。然后在将已构图照明光投射到所述特征(36)的同时获取所述特征的第二图像(314)。至少基于所述第一和第二图像来产生高度映射。
文档编号G01B11/25GK101932904SQ200880125886
公开日2010年12月29日 申请日期2008年12月19日 优先权日2008年1月31日
发明者保罗·R·豪根, 郎斯·K·费舍尔 申请人:赛博光学公司
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