專(zhuān)利名稱(chēng)：測(cè)量物體凸紋的方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及用于測(cè)量物體凸紋的方法。更具體地，本發(fā)明是關(guān)于使用這樣的系統(tǒng)和方法來(lái)檢查電路板上引線共面性的。
背景技術(shù)：
使用干涉測(cè)量方法來(lái)檢查物體表面的瑕疵或測(cè)量物體的凸紋是眾所周知的。一般地說(shuō)，這些方法包括在物體表面生成干涉測(cè)量圖案，然后分析產(chǎn)生的干涉測(cè)量圖像(或干涉圖)來(lái)獲得物體表面的凸紋。干涉測(cè)量圖像一般包括一系列黑白條紋。
需要使用激光來(lái)生成干涉測(cè)量圖案的干涉測(cè)量方法被稱(chēng)作“傳統(tǒng)干涉測(cè)量方法”。在這些傳統(tǒng)方法中，激光的波長(zhǎng)和測(cè)量裝置的配置一般決定了產(chǎn)生的干涉圖的周期。傳統(tǒng)干涉測(cè)量方法一般被用在可視光譜中來(lái)測(cè)量微米級(jí)的高度變化。
但是，當(dāng)這些方法在可見(jiàn)光譜中實(shí)施時(shí)，被發(fā)現(xiàn)很難使用它們來(lái)測(cè)量表現(xiàn)為超過(guò)0.5-1μm的變化的表面高度變化(凸紋)。實(shí)際上，產(chǎn)生的干涉圖的黑白條紋的亮度的增加，導(dǎo)致其分析變得冗長(zhǎng)。
傳統(tǒng)干涉測(cè)量方法的另一個(gè)缺點(diǎn)是他們需要測(cè)量裝置對(duì)噪聲和振動(dòng)特別敏感。
基于莫爾條紋干涉測(cè)量法的表面檢查方法允許比傳統(tǒng)干涉測(cè)量方法更精確地在可見(jiàn)光譜中測(cè)量物體凸紋。這些方法是基于對(duì)在以下兩者之間獲得的頻率拍差的分析1)位于被測(cè)物體上的柵格和在該物體上的影子(“影子莫爾條紋技術(shù)”)或者2)該物體上的柵格和位于該物體及用來(lái)拍照結(jié)果干涉圖的攝像機(jī)之間的另一柵格的投影(“投影莫爾條紋技術(shù)”)。在兩種情況中，兩柵格間的頻率拍差產(chǎn)生結(jié)果干涉圖的條紋。
更具體地，影子莫爾條紋技術(shù)包括以下步驟在被測(cè)物體附近放置一個(gè)柵格，從與該物體平面成第一角度(例如45度)的方向提供照明以及用一個(gè)位于第二角度(例如與該物體平面成90度)的攝像機(jī)拍攝干涉圖照片。
由于柵格和該物體間的距離變化，這一高度的變化產(chǎn)生了干涉案的變化。該圖案變化可以進(jìn)而被分析獲得該物體的凸紋。
使用影子莫爾條紋技術(shù)測(cè)量物體凸紋的缺點(diǎn)是柵格必須被放置得離物體很近以獲得精確結(jié)果，導(dǎo)致了測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)上的限制。
投影莫爾條紋技術(shù)與影子莫爾條紋技術(shù)非常近似，因?yàn)槲挥跀z像機(jī)和物體之間的柵格具有和影子莫爾條紋技術(shù)中柵格的影子相似的功能。但是，投影莫爾條紋技術(shù)的缺點(diǎn)是它需要許多調(diào)整，從而導(dǎo)致結(jié)果中存在更多不精確，因?yàn)樗枰ㄎ缓透檭蓚€(gè)柵格。而且，第二個(gè)柵格傾向于使攝像機(jī)模糊，使其無(wú)法同時(shí)進(jìn)行其他測(cè)量。
因此需要一種方法和系統(tǒng)來(lái)測(cè)量物體的凸紋而不存在現(xiàn)有技術(shù)中的上述缺點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種改進(jìn)的方法和系統(tǒng)用于測(cè)量物體的凸紋。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種適合用于引線共面性檢查的系統(tǒng)。
更具體地，根據(jù)本發(fā)明提供了一種使用一個(gè)提供了像素陣列的攝像機(jī)測(cè)量物體凸紋的方法，該方法包括a)在一個(gè)參照物體上投影柵格；該柵格位于相對(duì)于該攝像機(jī)和參照物體的一個(gè)第一位置；b)用該攝像機(jī)拍攝一個(gè)被投影柵格照射的參照物體的圖像；該參照物體的圖像具有每個(gè)像素的亮度值；c)對(duì)于位于相對(duì)于該攝像機(jī)和參照物體的兩個(gè)不同的已知位置的柵格，重復(fù)步驟a)和b)至少兩次，以對(duì)每個(gè)像素獲得至少三個(gè)亮度值；
d)使用對(duì)應(yīng)像素的至少三個(gè)參照物體亮度值，計(jì)算每個(gè)像素的參照物體相位；e)在物體上投影柵格；該柵格位于該第一位置；f)用攝像機(jī)拍攝被投影的柵格照射的物體的圖像；該物體的圖像具有每個(gè)像素位置的亮度值；g)對(duì)于位于該兩個(gè)不同的位置的柵格，重復(fù)步驟e)和f)至少兩次，以對(duì)于每個(gè)像素獲得至少三個(gè)亮度值；h)使用對(duì)應(yīng)像素的至少三個(gè)物體亮度值，計(jì)算每個(gè)像素位置的物體相位；i)使用對(duì)應(yīng)像素的參照物體相位和物體相位，計(jì)算每個(gè)像素的物體和參照物體間的高度差。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種用于測(cè)量物體凸紋的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括柵格投影組件；圖像獲取設(shè)備，包括帶有像素陣列的攝像機(jī)；計(jì)算機(jī)，被配置用來(lái)a)從圖像獲取設(shè)備接收被投影到物體上的柵格的至少三個(gè)圖像和被投影到參照物體上的柵格的至少三個(gè)圖像；被投影到物體上的柵格的每個(gè)圖像對(duì)應(yīng)柵格的一個(gè)不同的已知位置；被投影到參照物體上的柵格的每個(gè)圖像對(duì)應(yīng)柵格的一個(gè)該已知位置；b)使用對(duì)應(yīng)像素的至少三個(gè)參照物體亮度值，計(jì)算每個(gè)像素的參照物體相位；c)使用對(duì)應(yīng)像素的至少三個(gè)物體亮度值計(jì)算每個(gè)像素的物體相位；以及d)使用對(duì)應(yīng)像素的參照物體相位和物體相位，計(jì)算每個(gè)像素的物體和參照物體的高度差。
本發(fā)明的其他目的、優(yōu)點(diǎn)和特征將通過(guò)參照附圖，閱讀下面作為實(shí)例提供的優(yōu)選實(shí)施例的非限制性的描述，變得更加清楚。


在附圖中圖1是根據(jù)本發(fā)明檢查物體表面的系統(tǒng)的示意圖；圖2是圖1的圖像獲取設(shè)備和柵格透射組件兩者的示意圖；圖3圖示了在一個(gè)物體上的柵格的投影；圖4是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例測(cè)量物體凸紋的方法的方塊圖；圖5是由圖1的系統(tǒng)拍攝的安裝在一個(gè)板上的球體的圖像；圖6是被柵格照射的圖5的板的圖像；圖7是圖1系統(tǒng)計(jì)算出來(lái)的圖像，代表圖6的板的相位；圖8是被柵格照射的安裝在板上的圖5的球體的圖像；圖9是圖1系統(tǒng)計(jì)算出來(lái)的圖像，代表圖8的板的球體的相位；圖10是描述圖7和9的圖像間的相位變化的圖像；圖11是代表一個(gè)在基底上包括引線球的模塊和一個(gè)參照表面之間的相位變化的圖像；圖12是代表圖11的模塊的相位的圖像；圖13是代表圖12的圖像的相位和一個(gè)互補(bǔ)表面的相位圖像之間的相位變化的圖像；圖14是代表互補(bǔ)表面和參照水平面的圖像的相位之間的相位變化的圖像；圖15是展開(kāi)后的圖14的圖像。
表面檢驗(yàn)系統(tǒng)10包括柵格投影組件11、圖像荻取設(shè)備12以及優(yōu)選地配備有存儲(chǔ)裝置16、輸出裝置18和輸入裝置20的計(jì)算機(jī)14。
現(xiàn)在更具體地參見(jiàn)附圖2，詳細(xì)地描述一下柵格投影組件11和圖像獲取設(shè)備12。
柵格投影組件11包括照明組件22、安裝到一個(gè)可移動(dòng)支承26上的柵格24以投影儀28。
優(yōu)選地，照明組件22包括通過(guò)柵格24投影的白光源34。例如，光源34是從一白光源(末示出)提供光線的光纖(末示出)的端部。也可以優(yōu)選地在光源34和柵格24之間使用非球面透鏡或任何其他聚光器。也可以使用其他光源。也確信對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，很明顯在本發(fā)明的精神范圍內(nèi)可以預(yù)見(jiàn)有其他照明組件。
柵格24的配置可以取決于適合于測(cè)量物體30的凸紋所需的分辯率。例如，已發(fā)現(xiàn)每英寸具有250行的倫奇劃線技術(shù)(ronchi ruling)能夠測(cè)量電路板的引線共面性，其中需要的分辨率大約為1mm。
優(yōu)選地，將柵格24安裝在一個(gè)可移動(dòng)支承26上，以使柵格24在垂直于(圖2中的雙箭頭40)柵格24的行和光入射方向(圖2上的虛線42)的方向偏移柵格24。
可移動(dòng)支承26由一個(gè)步進(jìn)電機(jī)(未示出)致動(dòng)。優(yōu)選地，步進(jìn)電機(jī)由計(jì)算機(jī)14觸發(fā)的微控制器(未示出)來(lái)控制。當(dāng)然步進(jìn)電機(jī)也可以直接由計(jì)算機(jī)14來(lái)控制。
優(yōu)選地使用50mmTV透鏡作為投影儀28將柵格24投影到物體38上。
光入射方向(圖2上的虛線42)和圖像獲取設(shè)備12的視線(圖2中的虛線44)之間的角度θ可以隨著測(cè)量的物體30的屬性不同而變化。
本領(lǐng)域技術(shù)人員可以相對(duì)于物體30來(lái)定位照明組件22、柵格24以及柵格投影儀28以在物體30上產(chǎn)生具有所需間距p的投影柵格。
例如，通過(guò)使物體30和投影儀28之間的距離43為22cm，角度θ為30°，具有每英寸250行密度的倫奇柵格提供了具有0.5mm間距p的投影柵格。這樣的間距相當(dāng)于物體30的表面上的大約1mm的高度變化。
很明顯，投影網(wǎng)絡(luò)的間距將隨著柵格24的間距變化而變化。
正如以下將描述的，投影柵格24在物體30上的偏移替代地也可以通過(guò)固定柵格24的位置而一起移動(dòng)物體30和攝像機(jī)46來(lái)實(shí)現(xiàn)。
很明顯系統(tǒng)10不需要攝像機(jī)46和物體30之間的柵格。以下將描述這一優(yōu)點(diǎn)。
圖像獲取設(shè)備12包括帶有像素陳列的攝像機(jī)46，優(yōu)選地是CCD攝像機(jī)46。這樣的攝像機(jī)，例如提供了1300×1024像素的分辨率。
優(yōu)選地，圖像獲取設(shè)備12還包括優(yōu)選地通過(guò)可選擇延伸管50安裝到攝像機(jī)46上的遠(yuǎn)心透鏡48。
圖像獲取設(shè)備12的配置以及設(shè)備12和物體30之間的距離確定了圖像獲取設(shè)備12的視場(chǎng)。替代地，在沒(méi)有延伸管50的情況下可以通過(guò)使攝像機(jī)遠(yuǎn)離物體30而獲得希望的視場(chǎng)。
在將計(jì)算機(jī)14配置成對(duì)獲取的圖像進(jìn)行數(shù)字化處理時(shí)，也可以用傳統(tǒng)的攝像機(jī)代替CCD攝像機(jī)。
優(yōu)選地，將計(jì)算機(jī)14配置成控制柵格24的偏移、處理由攝像機(jī)46獲取的物體30的圖像并且分析這些圖像以測(cè)量物體30的凸紋。
優(yōu)選地，計(jì)算機(jī)14具有存儲(chǔ)裝置，以便在對(duì)圖像進(jìn)行處理時(shí)存儲(chǔ)它們，從而增加處理的速度。
存儲(chǔ)裝置16例如可以是硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器、可寫(xiě)CD-ROM驅(qū)動(dòng)器或其他已知的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置。存儲(chǔ)裝置可以直接連到計(jì)算機(jī)14上或通過(guò)例如因特網(wǎng)等計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程連接。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，使用存儲(chǔ)裝置16來(lái)存儲(chǔ)圖像獲取設(shè)備12獲取的圖像、物體30的凸紋和其他中間結(jié)果?？梢园从?jì)算機(jī)14可以讀取的任何格式和分辨率來(lái)存儲(chǔ)這些文件。
輸出裝置20使圖像和計(jì)算機(jī)14產(chǎn)生的數(shù)據(jù)成為可視的，并且可以是從顯示器到打印設(shè)備的任何形式的輸出裝置。
輸入裝置18可以是傳統(tǒng)的允許向計(jì)算機(jī)14輸入數(shù)據(jù)和命令的鼠標(biāo)、鍵盤(pán)或任何其他已知的輸入裝置，或它們的組合。
存儲(chǔ)裝置16、顯示器18和輸入裝置20都通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)連接裝置，如數(shù)據(jù)電纜，與計(jì)算機(jī)12相連接。
計(jì)算機(jī)14可以是傳統(tǒng)的個(gè)人計(jì)算機(jī)或任何其他包括處理器、存儲(chǔ)器和輸入/輸出端口(未示出)的數(shù)據(jù)處理設(shè)備。輸入/輸出端口可以包括網(wǎng)絡(luò)連接，用于從和向存儲(chǔ)裝置16傳送圖像。
當(dāng)然，正如以下將描述的，計(jì)算機(jī)12運(yùn)行實(shí)施本發(fā)明的方法的軟件。
很明顯，系統(tǒng)10包括一個(gè)可調(diào)整的支承裝置(未示出)用于使圖像獲取設(shè)備12和柵格投影組件11相對(duì)于彼此和相對(duì)于物體30來(lái)定位。替代地，在不背離本發(fā)明的精神和實(shí)質(zhì)的情況下可以使用其他對(duì)準(zhǔn)裝置。
在根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例詳細(xì)地描述用于測(cè)量一個(gè)物體的凸紋的方法之前，首先描述一下實(shí)現(xiàn)這樣的方法的一般理論。由于該理論對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)是已知的，并且為了簡(jiǎn)明，在此只簡(jiǎn)單地對(duì)其進(jìn)行描述。
可以通過(guò)以下方程來(lái)描述干涉圖像上每個(gè)像素(x，y)的亮度I(x，y)I(x，y)＝A(x，y)+B(x，y)·cos(ΔΦ(x，y))(1)其中ΔΦ是相位變化(或相位調(diào)制)，而A和B是對(duì)于每個(gè)像素計(jì)算出來(lái)的系數(shù)。
已知相位變化為ΔΦ，可以使用以下方程計(jì)算機(jī)出每個(gè)點(diǎn)h(x，y)相對(duì)于參照表面的物體高度分布(凸紋)(見(jiàn)圖3)h(x,y)=ΔΦ(x,y)·p2π·tan(θ)---(2)]]>其中P是柵格間距，θ是投射角，如以上描述的。
盡管如圖3描述的，對(duì)于物體上的柵格平行投影來(lái)說(shuō)以上方程是有效的(注意來(lái)自柵格投影的入射線60是平行的)，對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)在柵格投影不平行的情況下也可以使用其他方程。
例如，已發(fā)現(xiàn)對(duì)于針孔投影，隨著與參照表面平面上的柵格之間的距離的增加，間距P和角度θ增加(見(jiàn)圖3上的X)。已發(fā)現(xiàn)，對(duì)于一個(gè)第一數(shù)量級(jí)上的近似，P和θ上的變化彼此抵消，并且在一定的參數(shù)限制內(nèi)方程2仍保持有效。
對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，很明顯可以根據(jù)用于測(cè)量凸紋的系統(tǒng)的配置，來(lái)重新評(píng)估高度h(x，y)變化和相位ΔΦ之間的關(guān)系，并對(duì)此關(guān)系進(jìn)行修正。
現(xiàn)在參見(jiàn)附圖4，詳細(xì)地描述根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的用于測(cè)量物體的凸紋的方法。
通常，該方法使用系統(tǒng)10執(zhí)行的下述步驟來(lái)測(cè)量物體30的凸紋100-相對(duì)于參照物體將柵格24定位在一個(gè)第一位置上；102-將柵格24投影到參照物體上；104-使用攝像機(jī)42攝取參照物體的圖像，以獲取圖像的每個(gè)像素的亮度值；106-對(duì)于定位于至少兩個(gè)不同的已知位置的柵格，重復(fù)執(zhí)行步驟100至104至少兩次以便為每個(gè)像素產(chǎn)生至少三個(gè)亮度值；108-使用這三個(gè)亮度值計(jì)算每個(gè)像素的相位；110-通過(guò)用參照物體來(lái)代替要測(cè)量的物體30重復(fù)步驟100至108；112-對(duì)于每個(gè)像素通過(guò)使用每個(gè)像素的檢驗(yàn)相位來(lái)計(jì)算物體30和參照物體之間的高度差；以及114-使用每個(gè)像素高度差來(lái)相對(duì)于每個(gè)像素確定物體的凸紋。
現(xiàn)在參照第一例子進(jìn)一步描述這些通用步驟，其中要測(cè)量的物體62是安裝在板66上的球體64。在圖5中示出了所述物體62的圖像。
通過(guò)選擇一個(gè)類(lèi)似的板作為參照物體，物體62和參照物體之間的高度差為球體64的高度。在該例子中，物體62和參照物體的共同元素是板66。
在步驟100，使用由步進(jìn)電機(jī)致動(dòng)的支承26將柵格24移動(dòng)到一個(gè)第一預(yù)定位置。正如以上所討論的，系統(tǒng)10包括用于對(duì)準(zhǔn)和固定柵格24和攝像機(jī)46的相對(duì)于參照物體(后一物體)位置的裝置。
在步驟102.然后將柵格24投影到參照物體上。
在步驟104，攝像機(jī)46攝取參照物體的圖像。
圖像包括圖像中的每個(gè)像素的亮度值。計(jì)算機(jī)14存儲(chǔ)這些亮度值以便用于進(jìn)一步的處理。
然后對(duì)于定位于兩個(gè)新的已知的不同位置的柵格至少重復(fù)步驟100至104兩次(步驟106)。這將提供三個(gè)略有不同的圖像，從而每個(gè)像素有三個(gè)亮度值。由柵格24照射的板的三個(gè)圖像之一示出圖6中。
由于方程1包括三個(gè)未知量，即A、B和ΔΦ，所以對(duì)于每個(gè)像素需要三個(gè)亮度值i1，i2，i3，于是需要三個(gè)圖像來(lái)計(jì)算相位差ΔΦ。
在相對(duì)于參照物體的表面對(duì)柵格24稍加變化后，攝取兩個(gè)新圖像。這樣選擇的偏移會(huì)產(chǎn)生圖像的相位變化Δ1、Δ2和Δ3。這樣對(duì)于攝像機(jī)46的像素陣列中的每個(gè)像素產(chǎn)生類(lèi)似于方程1的三個(gè)方程In＝A+B·cos(ΔΦ+Δn)(3)其中n＝1，3。
通過(guò)對(duì)方程組3求解，可以獲得ΔΦ的值。對(duì)柵格24的偏移進(jìn)行選擇以優(yōu)選地提供不同值Δ1、Δ2和Δ3。
根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，可以攝取三個(gè)以上的圖像。這樣可以產(chǎn)生附加的亮度值，使用它們可以增加計(jì)算的相位的精度。
根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的方法通常需要使用四個(gè)圖像，并且要從這些圖像中獲取所有的四個(gè)值以便用于相位估計(jì)。由于根據(jù)本發(fā)明的方法僅需要三個(gè)圖像，可以使用附加的圖像來(lái)增加該方法的精確性和可靠性。
例如通過(guò)保持四個(gè)(或更多)圖像，有可能舍棄干擾圖像或像素，只保持具有最優(yōu)亮度值的像素。如果四個(gè)亮度值之一是干擾的(例如由于圖像飽和引起的)，則可以去除相應(yīng)的亮度，而不會(huì)破壞對(duì)這個(gè)特定像素所產(chǎn)生的相位的精度。
替代地，可以使用三個(gè)以上的亮度值來(lái)按傳統(tǒng)方式使用諸如最小平方擬合等數(shù)值計(jì)算方法來(lái)計(jì)算相位。然而這樣的方法不能防止對(duì)于某些像素來(lái)說(shuō)要計(jì)算的相位值是錯(cuò)誤的，潛在地引起物體凸紋計(jì)算的不精確性。
根據(jù)本發(fā)明的另一優(yōu)選實(shí)施例，選擇第二和第三(以及第四)圖像之間的柵格的偏移，以提供具有180°相位差Δn(見(jiàn)方程3)的兩個(gè)圖像。這樣在沒(méi)有投影的柵格情況下可以獲得參照物體(或物體)的圖像。這可以通過(guò)將相移為180°的兩個(gè)圖像的亮度值相加而實(shí)現(xiàn)。
更通常的情況是，如果攝像機(jī)46攝取的三個(gè)或多個(gè)圖像中一些圖像的相位變化的總和為360°，則可以通過(guò)對(duì)每個(gè)像素將這些圖像的亮度值相加而獲得一個(gè)相應(yīng)的二維圖像。這個(gè)重新組合的二維圖像并不包括投影柵格。該圖像可用于進(jìn)行參照物體(或物體)的初步分析，它可能會(huì)加快對(duì)步驟112中獲取的圖像和數(shù)據(jù)所進(jìn)行的后續(xù)分析。
在步驟108，通過(guò)求解方程3使用每個(gè)像素的三個(gè)亮度值來(lái)計(jì)算相位。這例如可以通過(guò)使用傳統(tǒng)的數(shù)值計(jì)算方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。用于求解這樣的方程組的數(shù)值計(jì)算方法對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)是已知的，所以在此不描述了。
圖7示出了對(duì)于每個(gè)像素產(chǎn)生的參照物體相位。
當(dāng)使用圖4的方法來(lái)檢驗(yàn)一系列物體時(shí)，可以優(yōu)選地在檢驗(yàn)之前對(duì)于參照物體只執(zhí)行一次步驟100至108。這樣可以加快檢驗(yàn)速度。
通過(guò)用要測(cè)量的物體(即物體62)來(lái)代替參照物體可以重復(fù)步驟100至108。
圖8中示出了由柵格24照射的帶有板66的球體64的圖像之一。
由于對(duì)于物體和參照物體來(lái)說(shuō)，執(zhí)行步驟100至108沒(méi)有什么區(qū)別，并且為了簡(jiǎn)明，不再參照該物體來(lái)說(shuō)明這些步驟。
圖9描述了所產(chǎn)生的帶有板66的球體64的相位。注意，圖9中的圖像中的帶68是由球體64中的陰影引起的。
在步驟112，對(duì)于每個(gè)像素計(jì)算物體30和參照物體之間的高度差，如在步驟108中獲得的，這是通過(guò)從檢驗(yàn)的物體的相位中減去參照物體的相位而實(shí)現(xiàn)的。圖10示出了所產(chǎn)生的圖像。
應(yīng)注意，在圖7和圖9描述的，在步驟108計(jì)算的該物體和參照物體的相位，對(duì)應(yīng)于相對(duì)于虛投影平面的表面相位。
當(dāng)對(duì)柵格24進(jìn)行非平行投影時(shí)，這樣的虛投影平面變得稍有凸紋。由于使用同一系統(tǒng)10為該物體和參照物體攝取圖像，所以對(duì)于根據(jù)本發(fā)明的用于測(cè)量物體凸紋的方法來(lái)說(shuō)，這不是有害的。
由于在每個(gè)像素上該物體和參照物體的相位對(duì)應(yīng)于該物體(或參照物體)與相同的虛投影平面之間的高度差(由于對(duì)于相同的光學(xué)設(shè)置使用相同的系統(tǒng))，它們相減產(chǎn)生該物體和參照物體之間的高度差，這樣可以在不同的照明下進(jìn)行該物體和參照物體的圖像獲取。
在任選步驟114，可以使用在每個(gè)像素上該物體和參照物體之間的高度差并且知道參照物體尺寸來(lái)確定每個(gè)像素的物體凸紋，即其高度。
由于對(duì)于本領(lǐng)域一般技術(shù)人員來(lái)說(shuō)很明顯，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的方法可用于測(cè)量?jī)晌矬w(一個(gè)是參照物體)之間的高度差。在這種情況下，很明顯不執(zhí)行步驟114。
在一些應(yīng)用中，最好使用平表面，要測(cè)量的物體將位于其上，在測(cè)量期間作為參照物體。
在一些應(yīng)用中，最好為系統(tǒng)10提供一個(gè)對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)以便用于相對(duì)攝像機(jī)將該物體和參照物體定位到一已知位置上。由于實(shí)際上在該物體和參照物體之間在每個(gè)像素上進(jìn)行比較，所以對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)可以確保對(duì)相應(yīng)的點(diǎn)進(jìn)行了比較。
這樣的對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)可以是任何形式的，包括平面表上的標(biāo)記、支架或計(jì)算機(jī)中的軟件程序。
應(yīng)注意，在不背離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)的情況下可以首先獲取圖像，然后在將來(lái)的某個(gè)時(shí)刻進(jìn)行處理。
通過(guò)閱讀本說(shuō)明，很明顯，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的方法可以使用白光進(jìn)行物體凸紋的測(cè)量。
盡管已參照要測(cè)量的物體為球體的例子描述了本發(fā)明，也可以進(jìn)行具有其他結(jié)構(gòu)的物體的檢驗(yàn)和測(cè)量。
當(dāng)使用系統(tǒng)10米研究物體凸紋時(shí)間變化時(shí)，相同物體也可用作參照物體。
替代地，可以用例如計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)產(chǎn)生的物體的計(jì)算機(jī)模型來(lái)代替參照物體，可以根據(jù)系統(tǒng)10的設(shè)置，對(duì)其進(jìn)行虛擬定位。
參照物體也可以是一個(gè)具有可接收參數(shù)范圍內(nèi)缺陷的類(lèi)似物體。于是該物體和參照物體之間的相位相減表明了檢測(cè)的物體的缺陷。本發(fā)明這一方面特別適用于檢測(cè)具有重要凸紋變化的物體的凸紋。
實(shí)際上，由于將相位值限制在0～2π范圍中，由現(xiàn)有技術(shù)中大多數(shù)系統(tǒng)檢測(cè)到的最大高度h0為
通常使用間隔P足夠大以保證所有高度變化在單個(gè)相應(yīng)量級(jí)(0～2π)中的柵格來(lái)進(jìn)行相位的展開(kāi)。
其缺點(diǎn)是丟失了可能具有的精確性。例如，如果根據(jù)圖像獲取設(shè)備對(duì)要測(cè)量的物體進(jìn)行傾斜，則丟失精確性將是很重要的。
以下例子描述了根據(jù)本發(fā)明的方法如何防止出現(xiàn)上述缺點(diǎn)并且涉及電路板上引線共面性的檢測(cè)。
圖11是一圖像，示出了包括基底72上的多個(gè)引線球70的模塊69的凸紋。通過(guò)執(zhí)行圖4中的步驟110至114獲得圖11的圖像。在該例子中，物體是模塊69(包括基底72和引線球70)，并且參照物體是一參照平面表面(未示出)。
從圖11中可以看出，通過(guò)改變圖像中灰度陰影，基底72并不與平面的表面平行。于是，與基底是平面相比，測(cè)量這種物體的高度時(shí)，這種圖像提供的精度較低。應(yīng)注意，圖像上基底72的傾斜不是由系統(tǒng)12引起的，但反映了基底72的實(shí)際結(jié)構(gòu)。每一引線球70的高度上的細(xì)小變化在基底72的輪廓中的整體變化中丟失掉。
盡管人們知道計(jì)算機(jī)算法可以實(shí)際上修正圖像中的基底，可以將這樣的算法加到檢測(cè)處理時(shí)間上。在生產(chǎn)線上進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)時(shí)這是一個(gè)缺點(diǎn)。
建議的方案是使用基底表面的近似作為第二參照物體。
確實(shí)，優(yōu)選地在每一個(gè)像素上，首先找到基底72相對(duì)于平面表面的高度，其次找到引線球70相對(duì)于基底72的高度，最后將這兩個(gè)高度加起來(lái)以提供物體的總體高度，即基底和球。
圖12描述了模塊的相位，是通過(guò)圖4中的方法的步驟100至108獲取的。
然后通過(guò)分析圖12的圖像上相對(duì)基底72(球70之間)的像素獲取關(guān)于基底72的表面的信息，其中計(jì)算互補(bǔ)表面的偽相位圖像。
通過(guò)減去模塊(圖12)的相位和互補(bǔ)平面的相位可以計(jì)算在每一像素上的球70的高度(步驟112)。從圖13中可以看到由此產(chǎn)生的圖像。
類(lèi)似地，通過(guò)減去互補(bǔ)表面的相位和參照平面的相位可以為每個(gè)像素計(jì)算出基底72的高度(步驟112)。從圖14中可以看到由此產(chǎn)生的圖像。然后展開(kāi)該相位圖像(見(jiàn)圖15)。
然后通過(guò)將圖13和圖15的相位高度相加，獲得模塊69的高度。
盡管以上已參照優(yōu)選實(shí)施例描述了本發(fā)明，在不背離如權(quán)利要求書(shū)定義的本發(fā)明的精神和實(shí)質(zhì)的情況下可以進(jìn)行各種修改。
權(quán)利要求
1.一種使用帶有像素陣列的攝像機(jī)測(cè)量物體凸紋的方法，所述方法包括j)在一個(gè)參照物體上投影柵格；該柵格位于相對(duì)于該攝像機(jī)和參照物體的一個(gè)第一位置；k)用該攝像機(jī)拍攝一個(gè)被所述投影柵格照射的參照物體的圖像；該參照物體的圖像具有每個(gè)像素的亮度值；l)對(duì)于位于相對(duì)于該攝像機(jī)和參照物體的兩個(gè)不同的已知位置的柵格，重復(fù)步驟a)和b)至少兩次，以便對(duì)于每個(gè)像素獲得至少三個(gè)亮度值；m)使用對(duì)應(yīng)像素的至少三個(gè)參照物體亮度值，計(jì)算每個(gè)像素的參照物體相位；n)在物體上投影柵格；該柵格位于該第一位置；o)用攝像機(jī)拍攝被投影的柵格照射的物體的圖像；該物體的圖像具有每個(gè)像素位置的亮度值；p)對(duì)于位于該兩個(gè)不同的位置的柵格，重復(fù)步驟e)和f)至少兩次，以便對(duì)于每個(gè)像素獲得至少三個(gè)亮度值；q)使用對(duì)應(yīng)像素的至少三個(gè)物體亮度值，計(jì)算每個(gè)像素的物體相位；r)使用對(duì)應(yīng)像素的參照物體相位和物體相位，計(jì)算每個(gè)像素的物體和參照物體間的高度差。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括使用每個(gè)所述像素的該物體和該參照物體之間的所述高度差，確定該物體的凸紋。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，在步驟d)和h)的至少一個(gè)中，通過(guò)求解以下方程組為每個(gè)像素計(jì)算相位ΔΦIn＝A+B·cos(ΔΦ+Δn)其中In代表該至少三個(gè)亮度值，A和B是已知的系數(shù)，Δn是柵格的不同位置引起的相位變化。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其中所述方程式組被用數(shù)值計(jì)算方法求解。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，在步驟c)，對(duì)于位于相對(duì)于該攝像機(jī)和該參照物體的兩個(gè)以上不同的已知位置的柵格，重復(fù)步驟a)和b)兩次以上，以便對(duì)于每個(gè)像素獲得所述至少三個(gè)亮度值和至少一個(gè)附加值，以及在步驟d)，在該至少三個(gè)亮度值和該至少一個(gè)附加值中進(jìn)行選擇，來(lái)獲得三個(gè)最好的亮度值；所述三個(gè)最好的亮度值被用來(lái)計(jì)算每個(gè)像素的參照物體相位。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，在步驟c)，對(duì)于位于相對(duì)于該攝像機(jī)和該參照物體的兩個(gè)以上不同的已知位置的柵格，重復(fù)步驟a)和b)兩次以上，以獲取多于三個(gè)亮度值，以及在步驟d)，所述多于三個(gè)最好亮度值中的三個(gè)最好值被用來(lái)計(jì)算每個(gè)像素的參照物體相位。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，在步驟g)，對(duì)于位于相對(duì)于該攝像機(jī)和該物體兩個(gè)以上不同已知位置的柵格，重復(fù)步驟e)和f)兩次以上，以獲取每個(gè)像素的所述至少三個(gè)亮度值和至少一個(gè)附加值，以及在步驟h)，在該至少三個(gè)亮度值和該至少一個(gè)附加值中進(jìn)行選擇，來(lái)獲取三個(gè)最好亮度值并且所述三個(gè)最好亮度值被用來(lái)計(jì)算每個(gè)像素的物體相位。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，在步驟g)，對(duì)于位于相對(duì)于該攝像機(jī)和該物體的兩個(gè)以上不同已知位置的柵格，重復(fù)步驟a)和b)兩次以上，以獲得三個(gè)以上亮度值，以及在步驟d)，所述三個(gè)以上亮度值中的三個(gè)最好值被用來(lái)計(jì)算每個(gè)像素的物體相位。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，在步驟c)，選擇所述柵格的兩個(gè)已知位置，從而使得物體的至少兩個(gè)圖像之間在相位上具有180度的差。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其中通過(guò)減去該物體的在相位上彼此之間具有180度差的所述至少兩個(gè)圖像，計(jì)算該物體的二維圖像；所述二維圖像被用來(lái)進(jìn)行該物體的初步分析。
11.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，在步驟g)，選擇所述柵格的兩個(gè)已知位置，從而提供參照物體在相位上具有180度差的至少兩個(gè)圖像。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其中通過(guò)減去該參照物體的在相位上彼此之間具有180度差的所述至少兩個(gè)圖像，計(jì)算該參照物體的二維圖像；所述二維圖像被用來(lái)進(jìn)行該參照物體的初步分析。
13.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述參照物是一個(gè)平面。
14.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述參照物體是在一過(guò)去的預(yù)定時(shí)間的所述物體并且所述參照物體相位是根據(jù)所述過(guò)去時(shí)間計(jì)算的；由此步驟i)提供在所述過(guò)去時(shí)間和計(jì)算物體相位時(shí)的近似時(shí)間之間在每個(gè)像素的高度變化。
15.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述參照物體是該物體的CAD；在步驟a)所述柵格虛擬地位于并投影在所述CAD上，并且所述參照物體的所述圖像在步驟b)被模擬。
16.一種測(cè)量物體凸紋的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括柵格投影組件；圖像獲取設(shè)備，包括帶有像素陣列的攝像機(jī)；計(jì)算機(jī)，被配置用來(lái)a)從圖像獲取設(shè)備接收被投影到物體上的柵格的至少三個(gè)圖像和被投影到參照物體上的柵格的至少三個(gè)圖像；被投影到物體上的柵格的每個(gè)圖像對(duì)應(yīng)柵格的一個(gè)不同的已知位置；被投影到參照物體上的柵格的每個(gè)圖像對(duì)應(yīng)柵格的一個(gè)該已知位置；b)使用對(duì)應(yīng)像素的至少三個(gè)參照物體亮度值，計(jì)算每個(gè)像素的參照物體相位；c)使用對(duì)應(yīng)像素的至少三個(gè)物體亮度值計(jì)算每個(gè)像素的物體相位；d)使用對(duì)應(yīng)像素的參照物體相位和物體相位，計(jì)算每個(gè)像素的物體和參照物體的高度差。
17.權(quán)利要求1的方法用于引線共面性檢查。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種用于測(cè)量物體凸紋的方法和系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括用于對(duì)柵格進(jìn)行投影的柵格投影裝置,帶有攝像機(jī)的圖像獲取設(shè)備以及計(jì)算機(jī)。提供與要測(cè)量的物體有共同元素的參照物體,該方法包括步驟:a)相對(duì)于攝像機(jī)和共同元素將柵格定位在三個(gè)不同的已知位置上;b)對(duì)于柵格的每一位置,將柵格投影到參照物體上,并且使用攝像機(jī)獲取參照物體的圖像以便產(chǎn)生對(duì)于攝像機(jī)上的每個(gè)像素有不同值的三個(gè)圖像,以及c)使用相應(yīng)像素的三個(gè)參照物體亮度值計(jì)算每個(gè)像素的參照物體相位。通過(guò)用要測(cè)量的物體代替參照物體來(lái)重復(fù)步驟a)、b)和c)。然后計(jì)算在每個(gè)像素上要測(cè)量的物體和參照物體之間的高度差,這是通過(guò)在對(duì)應(yīng)像素上減去參照物體相位和物體相位來(lái)完成的。
文檔編號(hào)G06T1/00GK1375053SQ00812901
公開(kāi)日2002年10月16日 申請(qǐng)日期2000年7月14日 優(yōu)先權(quán)日1999年7月14日
發(fā)明者A·考奧貝, M·坎逖恩, A·尼克蒂恩 申請(qǐng)人:索威森公司