專利名稱：測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)和方法來檢查電路板上引線共面性的。
背景技術(shù)：
使用干涉測量方法來檢查物體表面的瑕疵或測量物體的凸紋是眾所周知的。一般地說，這些方法包括在物體表面生成干涉測量圖案，然后分析產(chǎn)生的干涉測量圖像(或干涉圖)來獲得物體表面的凸紋。干涉測量圖像一般包括一系列黑白條紋。
需要使用激光來生成干涉測量圖案的干涉測量方法被稱作“傳統(tǒng)干涉測量方法”。在這些傳統(tǒng)方法中，激光的波長和測量裝置的配置一般決定了產(chǎn)生的干涉圖的周期。傳統(tǒng)干涉測量方法一般被用在可視光譜中來測量微米級的高度變化。
但是，當(dāng)這些方法在可見光譜中實(shí)施時(shí)，被發(fā)現(xiàn)很難使用它們來測量表現(xiàn)為超過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。
傳統(tǒng)干涉測量方法的另一個(gè)缺點(diǎn)是他們需要測量裝置對噪聲和振動(dòng)特別敏感。
基于莫爾條紋干涉測量法的表面檢查方法允許比傳統(tǒng)干涉測量方法更精確地在可見光譜中測量物體凸紋。這些方法是基于對在以下兩者之間獲得的頻率拍差的分析1)位于被測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，使其無法同時(shí)進(jìn)行其他測量。
因此需要一種方法和系統(tǒng)來測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)對于位于相對于該攝像機(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，以對每個(gè)像素獲得至少三個(gè)亮度值；
d)使用對應(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，以對于每個(gè)像素獲得至少三個(gè)亮度值；h)使用對應(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)圖像對應(yīng)柵格的一個(gè)該已知位置；b)使用對應(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。也確信對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，很明顯在本發(fā)明的精神范圍內(nèi)可以預(yù)見有其他照明組件。
柵格24的配置可以取決于適合于測量物體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)來控制。當(dāng)然步進(jìn)電機(jī)也可以直接由計(jì)算機(jī)14來控制。
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)人員可以相對于物體30來定位照明組件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固定柵格24的位置而一起移動(dòng)物體30和攝像機(jī)46來實(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。替代地，在沒有延伸管50的情況下可以通過使攝像機(jī)遠(yuǎn)離物體30而獲得希望的視場。
在將計(jì)算機(jī)14配置成對獲取的圖像進(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量物體30的凸紋。
優(yōu)選地，計(jì)算機(jī)14具有存儲裝置，以便在對圖像進(jìn)行處理時(shí)存儲它們，從而增加處理的速度。
存儲裝置16例如可以是硬盤驅(qū)動(dòng)器、可寫CD-ROM驅(qū)動(dòng)器或其他已知的數(shù)據(jù)存儲裝置。存儲裝置可以直接連到計(jì)算機(jī)14上或通過例如因特網(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，使用存儲裝置16來存儲圖像獲取設(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存儲這些文件。
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)、鍵盤或任何其他已知的輸入裝置，或它們的組合。
存儲裝置16、顯示器18和輸入裝置20都通過標(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相對于彼此和相對于物體30來定位。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。由于該理論對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說是已知的，并且為了簡明，在此只簡單地對其進(jìn)行描述。
可以通過以下方程來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是對于每個(gè)像素計(jì)算出來的系數(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)相對于參照表面的物體高度分布(凸紋)(見圖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，對于物體上的柵格平行投影來說以上方程是有效的(注意來自柵格投影的入射線60是平行的)，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說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(見圖3上的X)。已發(fā)現(xiàn)，對于一個(gè)第一數(shù)量級上的近似，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。
對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，很明顯可以根據(jù)用于測量凸紋的系統(tǒng)的配置，來重新評估高度h(x，y)變化和相位ΔΦ之間的關(guān)系，并對此關(guān)系進(jìn)行修正。
現(xiàn)在參見附圖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)行的下述步驟來測量物體30的凸紋100-相對于參照物體將柵格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-通過用參照物體來代替要測量的物體30重復(fù)步驟100至108；112-對于每個(gè)像素通過使用每個(gè)像素的檢驗(yàn)相位來計(jì)算物體30和參照物體之間的高度差；以及114-使用每個(gè)像素高度差來相對于每個(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。
通過選擇一個(gè)類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包括用于對準(zhǔn)和固定柵格24和攝像機(jī)46的相對于參照物體(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存儲這些亮度值以便用于進(jìn)一步的處理。
然后對于定位于兩個(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)圖像來計(jì)算相位差ΔΦ。
在相對于參照物體的表面對柵格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。這樣對于攝像機(jī)46的像素陣列中的每個(gè)像素產(chǎn)生類似于方程1的三個(gè)方程In＝A+B·cos(ΔΦ+Δn)(3)其中n＝1，3。
通過對方程組3求解，可以獲得ΔΦ的值。對柵格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增加該方法的精確性和可靠性。
例如通過保持四個(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)算方法來計(jì)算相位。然而這樣的方法不能防止對于某些像素來說要計(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(見方程3)的兩個(gè)圖像。這樣在沒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°，則可以通過對每個(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，通過求解方程3使用每個(gè)像素的三個(gè)亮度值來計(jì)算相位。這例如可以通過使用傳統(tǒng)的數(shù)值計(jì)算方法來實(shí)現(xiàn)。用于求解這樣的方程組的數(shù)值計(jì)算方法對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說是已知的，所以在此不描述了。
圖7示出了對于每個(gè)像素產(chǎn)生的參照物體相位。
當(dāng)使用圖4的方法來檢驗(yàn)一系列物體時(shí)，可以優(yōu)選地在檢驗(yàn)之前對于參照物體只執(zhí)行一次步驟100至108。這樣可以加快檢驗(yàn)速度。
通過用要測量的物體(即物體62)來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。
由于對于物體和參照物體來說，執(zhí)行步驟100至108沒有什么區(qū)別，并且為了簡明，不再參照該物體來說明這些步驟。
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，對應(yīng)于相對于虛投影平面的表面相位。
當(dāng)對柵格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，所以對于根據(jù)本發(fā)明的用于測量物體凸紋的方法來說，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確定每個(gè)像素的物體凸紋，即其高度。
由于對于本領(lǐng)域一般技術(shù)人員來說很明顯，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的方法可用于測量兩物體(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，要測量的物體將位于其上，在測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)對準(zhǔn)系統(tǒng)以便用于相對攝像機(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，所以對準(zhǔn)系統(tǒng)可以確保對相應(yīng)的點(diǎn)進(jìn)行了比較。
這樣的對準(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，然后在將來的某個(gè)時(shí)刻進(jìn)行處理。
通過閱讀本說明，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)行物體凸紋的測量。
盡管已參照要測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)模型來代替參照物體，可以根據(jù)系統(tǒng)10的設(shè)置，對其進(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的物體的缺陷。本發(fā)明這一方面特別適用于檢測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(0～2π)中的柵格來進(jìn)行相位的展開。
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)備對要測量的物體進(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。
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處理時(shí)間上。在生產(chǎn)線上進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測時(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相對于平面表面的高度，其次找到引線球70相對于基底72的高度，最后將這兩個(gè)高度加起來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，是通過圖4中的方法的步驟100至108獲取的。
然后通過分析圖12的圖像上相對基底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。
類似地，通過減去互補(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。然后展開該相位圖像(見圖15)。
然后通過將圖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)對于位于相對于該攝像機(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，以便對于每個(gè)像素獲得至少三個(gè)亮度值；m)使用對應(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，以便對于每個(gè)像素獲得至少三個(gè)亮度值；q)使用對應(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)，對于位于相對于該攝像機(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)，對于位于相對于該攝像機(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)，對于位于相對于該攝像機(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)，對于位于相對于該攝像機(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)所述過去時(shí)間計(jì)算的；由此步驟i)提供在所述過去時(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)圖像對應(yīng)柵格的一個(gè)該已知位置；b)使用對應(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量物體凸紋的方法和系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括用于對柵格進(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)。提供與要測量的物體有共同元素的參照物體,該方法包括步驟:a)相對于攝像機(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。通過用要測量的物體代替參照物體來重復(fù)步驟a)、b)和c)。然后計(jì)算在每個(gè)像素上要測量的物體和參照物體之間的高度差,這是通過在對應(yīng)像素上減去參照物體相位和物體相位來完成的。
文檔編號G06T1/00GK1375053SQ00812901
公開日2002年10月16日 申請日期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 申請人:索威森公司