CN101970981A - 表面轮廓测量设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用来检测物体的表面的二维图像的表面轮廓测量设备。根据本发明的表面轮廓测量设备包括：第一光源，其向物体的表面照射第一单色光；第二光源，其向物体的表面照射颜色不同于第一单色光的第二单色光；黑白相机，其捕捉从第一光源和第二光源照射并从物体的表面反射的第一单色光和第二单色光；以及控制器，其控制第一光源、第二光源以及所述黑白相机，以在向物体的表面照射第一单色光和第二单色光的状态下获得分别与第一单色光和第二单色光相对应的第一黑白图像数据和第二黑白图像数据，并使用第一黑白图像数据和第二黑白图像数据来生成物体的表面的合成彩色图像。由此，能够使用价格低的黑白相机来获得彩色二维图像，还能够通过使用处理速度大于彩色相机的黑白相机来提高处理速度。

Description

表面轮廓测量设备
技术领域
本发明涉及表面轮廓测量设备，更具体地涉及一种使用通过黑白相机获得的黑白图像数据来生成合成彩色图像的表面轮廓测量设备。
背景技术
随着近来对诸如计算机、蜂窝电话、PDA等电子装置的需求不断增长，使用表面安装技术(SMT)的印制电路板(PCB)的重要性也不断增加。
捕捉PCB的表面轮廓的表面轮廓测量设备被用作构成SMT裁板机系统的多个装置中的测试装置。表面轮廓测量设备用于检测在制造PCB时出现的诸如部件安装误差、焊接不牢(soldering default)、短路等误差。
安装在SMT裁板机系统中的捕捉PCB表面轮廓的表面轮廓测量设备被划分为使用面扫描相机的类型和使用线扫描相机的类型。一般来讲，使用面扫描的相机被广泛使用。
同时，如图1所示，拜尔(Bayer)滤波器被附接在用作表面轮廓测量设备的彩色相机的每个像素中，并且拜尔滤波器的红色滤波器、绿色滤波器或蓝色滤波器在每个像素中不彼此相邻。
这里，使用彩色相机来形成彩色图像需要每个像素的三种颜色(R、G和B)的信息。然而，彩色相机的一个像素实际上仅具有R或G或B信息。因此，如图2所示，除了直接从该像素获得的一个颜色信息之外，另外两个颜色信息是通过相邻像素的颜色信息的插值获得的。图2例示了插值的示例。彩色相机被应用于摩尔系统，该系统是用于捕捉三维图像的表面轮廓测量设备。
一般来讲，使用摩尔图案的三维测量是通过在光穿过光栅照射到物体的状态下以预定距离移动光栅超过3次的同时获得图像并检测测量点的亮度变化来实现的。由此，使用摩尔图案的三维测量的关键点之一是可以多么精确地检测测量点或像素的亮度变化。
一般来讲，在使用摩尔图案的三维焊接测试中很难使用单色光作为光源。例如，如果作为光源的蓝色光被用于测量PCB的红色表面，在相机不能检测到从PCB的表面反射的光以及亮度变化，因为只有红色光才能够从PCB表面反射。因此，在使用蓝色光作为光源的三维测量中不能测量PCB的红色表面。
因此，白光被用作摩尔三维类型的表面轮廓测量设备的光源。然而，尽管使用了白光，但是只能从每个像素获得红色信息、绿色信息和蓝色信息之一，蓝色信息或绿色信息只是从66.66％的像素获得的，结果导致三维测量的结果不可靠。
同时，类似于上述三维测量，彩色图像在二维测量中也很重要。另外，彩色图像在使用组合二维和三维测量设备的二维测量中非常重要。
另外，在使用二维测量的焊接测试设备的情况下，使用顶部照明和侧向照明而获得的彩色图像对于准确区分焊料非常重要。然而，PCB的表面设置有多种颜色。此外，PCB的表面上印刷了彼此对比的多种颜色。由此，在二维测量中，信息是黑白图像的3倍大的彩色图像可用于区分焊料。
另外，检查员通常用肉眼来检查二维图像和三维图像并确定PCB是否有问题(NG)。然而，因为在二维黑白图像中焊料与焊盘之间的边界是模糊的，所以检查员可以使用二维彩色图像得到正确结论就很重要。
尽管如上所述彩色图像在表面轮廓测量设备中很重要，但是彩色相机也存在缺陷，如价格昂贵和相比于黑白相机较慢的拍摄速度。
由此，黑白相机实际上广泛用在二维和三维表面轮廓测量设备中。另外，黑白相机主要用在使用摩尔图案的三维测量设备中，因为即使如上所述使用了白光，但三维测量结果的可靠性很低。
然而，黑白相机被应用于使用摩尔图案的三维测量设备，这种设备为可进行二维测量且为了实现三维测量的高有效值和低成本的组合测量设备的类型。因此，二维测量结果的效率很低因为在二维测量中的二维黑白图像中焊料与焊盘之间的边界很模糊，结果是作为二维和三维组合测量设备的使用摩尔图案的三维测量设备的效率很低。
发明内容
本发明是考虑到以上问题而作出的，因此目的是提供一种表面轮廓测量设备，其使用通过黑白相机获得的黑白图像数据来生成合成彩色图像。
根据本发明的第一方面，上述目的能够通过提供一种捕捉物体的表面的二维图像的表面轮廓测量设备，该表面轮廓测量设备包括：第一光源，其向物体的表面照射第一单色光；第二光源，其向物体的表面照射颜色不同于第一单色光的第二单色光；黑白相机，其捕捉从第一光源和第二光源照射的从物体的表面反射的第一单色光和第二单色光；以及控制器，其控制第一光源、第二光源以及黑白相机，以在向物体的表面照射第一单色光和第二单色光的状态下获得分别与第一单色光和第二单色光相对应的第一黑白图像数据和第二黑白图像数据，并使用第一黑白图像数据和第二黑白图像数据生成物体的表面的合成彩色图像。
此处，第一单色光包括绿色光和蓝色光中的一个；并且其中第二单色光包括红色光。
另外，控制器基于通过照射绿色光和蓝色光中的一个而获得的第一黑白图像数据并基于第二黑白图像数据来计算与绿色光和蓝色光中的另一个相对应的第三黑白图像数据，并且通过对第一黑白图像数据、第二黑白图像数据和第三黑白图像数据进行合成来生成合成彩色图像。
并且，控制器使用公式I_3rd_data＝n×(I_1st_data)k+m×(I_2nd_data)p来计算第三黑白图像数据，此处，I_1st_data是第一黑白图像数据，I_2nd_data是第二黑白图像数据，I_3rd_data是第三黑白图像数据，n和k是赋予第一黑白图像数据的用于计算第三黑白图像数据的常数，m和p是赋予第二黑白图像数据的用于计算第三黑白图像数据的常数。
本发明的另一方面提供了一种捕捉物体的表面的二维图像的表面轮廓测量设备，该表面轮廓测量设备包括：第一光源，其向物体的表面照射第一单色光；第二光源，其向物体的表面照射颜色不同于第一单色光的第二单色光；第三光源，其向物体的表面照射颜色不同于第一单色光和第二单色光的第三单色光；黑白相机，其捕捉从第一光源、第二光源和第三光源照射的从物体的表面反射的第一单色光、第二单色光和第三单色光；以及控制器，其控制第一光源、第二光源、第三光源以及黑白相机，以在向物体的表面照射第一单色光、第二单色光和第三单色光的状态下获得分别与第一单色光、第二单色光和第三单色光相对应的第一黑白图像数据、第二黑白图像数据和第三黑白图像数据，并使用第一黑白图像数据、第二黑白图像数据和第三黑白图像数据来生成物体的表面的合成彩色图像。
这里，第一单色光包括蓝色光；第二单色光包括红色光；第三单色光包括绿色光。
另外，控制器通过将第一黑白图像数据、第二黑白图像数据和第三黑白图像数据识别为每个像素的RGB数据来生成合成彩色图像。
并且，黑白相机是以面扫描相机或线扫描相机类型来提供的。
根据本发明，本发明提供了一种使用通过黑白相机获得的黑白图像数据来生成合成彩色图像的表面轮廓测量设备。因此，能够使用廉价的黑白相机获得二维彩色图像，以及通过使用捕捉速度大于彩色相机的黑白相机提高处理速度。
另外，如果将本发明应用于使用摩尔图案的二维/三维测试设备，则二维/三维测试设备的效率能够进一步提高，因为即使使用了黑白相机也能够在二维测试中获得彩色图像。
附图说明
图1和图2是描述彩色相机中使用的滤色器及其插值方法的图；
图3例示了根据本发明第一实施方式的表面轮廓测量设备的构成的示例；
图4例示了由通过根据本发明第一实施方式的表面轮廓测量设备获得的第一黑白图像数据和第二黑白图像数据表示的二维黑白图像的示例；
图5例示了使用图4中的第一黑白图像数据和第二黑白图像数据生成的合成彩色图像的示例；而
图6例示了根据本发明第二实施方式的表面轮廓测量设备的构成的示例。
具体实施方式
本发明涉及一种检测物体的表面的二维图像的表面轮廓测量设备，该表面轮廓测量设备包括：第一光源，其向物体的表面照射第一单色光；第二光源，其向物体的表面照射颜色不同于第一单色光的第二单色光；黑白相机，其捕捉从第一光源和第二光源照射的从物体的表面反射的第一单色光和第二单色光；以及控制器，其控制第一光源、第二光源以及黑白相机，以在向物体的表面照射第一单色光和第二单色光的状态下获得分别与第一单色光和第二单色光相对应的第一黑白图像数据和第二黑白图像数据，并使用第一黑白图像数据和第二黑白图像数据生成物体的表面的合成彩色图像。
下面将参照附图来详细描述本发明。
图3例示了根据本发明第一实施方式的表面轮廓测量设备的构成的示例。根据本发明第一实施方式的表面轮廓测量设备例如被应用于二维测量设备。
如图3所示，根据本发明的表面轮廓测量设备包括第一光源31、第二光源32、黑白相机10和控制器40。
第一光源31向物体100的表面照射第一单色光，第二光源32向物体100的表面照射颜色不同于第一单色光31的第二单色光。在此，从根据本发明的表面轮廓测量设备的第一光源31照射的第一单色光例如是绿色光或蓝色光，而从根据本发明的表面轮廓测量设备的第二光源32照射的第二单色光例如是红色光。
并且，第一光源31和第二光源32是以顶部照明TL和/或侧向照明SL类型来提供的。在图3中，第一光源31和第二光源32例如是以顶部照明TL和侧向照明SL两种类型来提供的。即，作为本发明的示例，第一光源31和第二光源32分别以顶部照明TL的类型来提供，第一光源31和第二光源32分别以侧向照明SL的类型来提供。由此，能够根据物体100的类型适当地使用顶部照明TL或侧向照明SL，或使用顶部照明TL和侧向照明SL两者。
在此，根据本发明的第一光源31和第二光源32是以根据控制器40的控制而打开和关闭的发光二极管(LED)的类型来提供的。在此，根据控制器40的控制，LED的打开和关闭例如是与黑白相机10的捕捉相同步的。
黑白相机10捕捉从第一光源31和第二光源32照射、从物体100的表面反射的第一单色光和第二单色光。并且，黑白相机10将通过捕捉第一单色光和第二单色光而获得的黑白图像数据发射给控制器40。
在下文中，将在从第一光源31照射第一单色光的状态下由黑白相机10捕捉和获得的黑白图像数据定义为第一黑白图像数据。而将在从第二光源32照射第二单色光的状态下由黑白相机10捕捉和获得的黑白图像数据定义为第二黑白图像数据。
控制器40控制第一光源31和黑白相机10以在向物体100的表面照射第一单色光状态下获得与第一单色光相对应的第一黑白图像数据。控制器40控制第二光源32和黑白相机10以在向物体100的表面照射第二单色光的状态下获得与第二单色光相对应的第二黑白图像数据。
在此，根据本发明的黑白相机10是以面扫描相机或线扫描相机类型来提供的。并且，在黑白相机10以面扫描相机的类型来提供情况下，控制器40在捕捉一个视场(FOV)时从第一光源31照射第一单色光的状态下获得第一黑白图像数据，而在针对同一个FOV从第二光源照射第二单色光的状态下获得第二黑白图像数据。控制器40能够通过以相同方式获得下一FOV的第一黑白图像数据和第二黑白图像数据，而获得针对物体100的整个表面的第一黑白图像数据和第二黑白图像数据。
另外，在根据本发明的黑白相机10以线扫描相机类型来提供的情况下，控制器40能够通过线扫描的一步获得第一黑白图像数据和第二黑白图像数据，来获得物体100的整个表面的第一黑白图像数据和第二黑白图像数据。
控制器40根据上述方法获得第一黑白图像数据和第二黑白图像数据，接着使用第一黑白图像数据和第二黑白图像数据来生成物体100的表面的合成彩色图像数据。
下面将作为示例来描述在第一单色光是蓝色光而第二单色光是红色光的情况下控制器40如何生成合成彩色图像的方法。
第一黑白图像数据是黑白相机10在蓝色光被照射到物体100的表面的状态下捕捉的数据，第二黑白图像数据是黑白相机10在红色光被照射到物体100的表面的状态下捕捉的数据。
在此，控制器40将第一黑白图像数据识别为用于生成合成彩色图像的R、G、B数据中的蓝色数据，而将第二黑白图像数据识别为红色数据。
并且，控制器40基于第一黑白图像数据和第二黑白图像数据来计算在R、G、B数据中是绿色数据的第三黑白图像数据。在此，第三黑白图像数据例如是使用以下[公式1]来计算的。
I_3rd_data＝n×(I_1st_data)k+m×(I_2nd_data)p  [公式1]
在此，I_1rd_data是第一黑白图像数据，I_2nd_data是第二黑白图像数据，I_3rd_data是第三黑白图像数据，n和k是赋予第一黑白图像数据的用于计算第三黑白图像数据的常数，而m和p是赋予第二黑白图像数据的用于计算第三黑白图像数据的常数。
如上所述来计算全部像素的第三黑白图像数据，接着控制器40通过对第一黑白图像数据、第二黑白图像数据和第三黑白图像数据进行合成来生成合成彩色图像。此时，控制器40通过将第一黑白图像数据、第二黑白图像数据和第三黑白图像数据识别为每个像素的R、G、B数据来生成合成彩色图像。
图4和图5例示了使用根据本发明的表面轮廓测量设备获得的第一黑白图像数据和第二黑白图像数据以及使用第一黑白图像数据和第二黑白图像数据生成的合成彩色图像的示例。
图4(a)示出了黑白图像中的在蓝色光作为第一单色光从第一光源31照射的状态下由黑白相机10捕捉和获得的第一黑白图像数据，图4(b)示出了黑白图像中的在红色光作为第二单色光从第二光源32照射的状态下由黑白相机10捕捉和获得的第二黑白图像数据。
如图4(a)和(b)所示，当第一黑白图像数据和第二黑白图像数据是在分别照射了第一单色光和第二单色光的状态下通过黑白相机10获得时，第一黑白图像数据和第二黑白图像数据并没有关于颜色的信息而是有关于亮度的信息。
在此，如果控制器40使用第一黑白图像数据和第二黑白图像数据通过[公式1]来计算第三黑白图像数据并对第一黑白图像数据、第二黑白图像数据和第三黑白图像数据进行合成，则如图5所示地生成了合成彩色图像。
如图4和图5所示，可以看到，通过照射蓝色光或红色光而获得的黑白图像中焊料与焊盘之间的区别不清楚，而在合成彩色图像中焊料与焊盘之间的区别是清楚的。
通过如上描述的构成，能够借助于使用通过廉价的黑白相机10获得的黑白图像数据生成合成彩色图像来获得彩色图像，并且能够通过使用捕捉速度比彩色相机更快的黑白相机10来提高处理速度。
图6例示了根据本发明第二实施方式的表面轮廓测量设备的构成的示例。根据本发明第二实施方式的表面轮廓测量设备作为示例被应用于本身为二维/三维测量设备的摩尔系统。
如图6所示，根据本发明第二实施方式的表面轮廓测量设备包括三维光源部分50、黑白相机10、第一光源31、第二光源32以及控制器40。
三维光源部分50在三维测量的情况下向物体100的表面照射光。在此，根据本发明的三维光源部分50包括：三维光源51，其与上面放置了物体100的基准板(未示出，在物体100是PCB的情况下其表面理想地等于PCB的表面)隔开预定间隔；以及投影光栅52，其形成光栅图案并且被放置在物体100与三维光源51之间。
优选地使用照射白光的光源作为三维光源51，并且可以使用小、轻、相对便宜且被称为半导体激光器的激光二极管，或卤素光源或LED光源。另外，可以在投影光栅52和物体100之间临近投影光栅52处放置投影透镜53，该投影透镜将穿过投影光栅52的光投影到物体100。
光栅图案形成在投影光栅52上。从三维光源51照射的光穿过投影光栅52而被转换为光栅构图光。而且，可以通过由光栅构图光从物体100的表面反射而形成摩尔图案来获得与物体100的表面有关的三维信息。
在此，投影光栅52通过光栅移动部分(未示出)在水平方向上向着光透射方向微移。因此，可以得到形成在投影光栅52上的光栅图案的相移，接着控制器40通过摩尔图案(穿过投影光栅52从物体100的表面反射，由黑白相机10捕捉)来获得与物体100的表面有关的三维信息。
同时，通过图6例示的表面轮廓测量设备获得二维图像对应于上述第一实施方式。即，控制器40控制第一光源31和黑白相机10以在向物体100的表面照射第一单色光的状态下获得与第一单色光相对应的第一黑白图像数据。另外，控制器40控制第二光源32和黑白相机10以在向物体100的表面照射第二单色光的状态下获得与第二单色光相对应的第二黑白图像数据。
另外，获得第一黑白图像数据和第二黑白图像数据，接着控制器40使用第一黑白图像数据和第二黑白图像数据来生成物体100的表面的合成彩色图像。
在此，控制器40使用第一黑白图像数据和第二黑白图像数据来计算第三黑白图像数据以及使用第一黑白图像数据、第二黑白图像数据和第三黑白图像数据来生成物体100的表面的合成彩色图像的处理等同于上述第一实施方式的处理。
这样，通过在二维测量的情况下获得彩色图像以及获得三维黑白图像而没有由于在三维测量的情况下获得彩色图像而造成颜色信息的损失，尽管在使用摩尔图案的二维/三维测量设备中安装了黑白相机10，也能够增强二维/三维测量设备的效率。
在上述实施方式中，第一黑白图像数据和第二黑白图像数据是通过黑白相机10获得的。另外，作为示例，第三黑白图像数据是使用第一黑白图像数据和第二黑白图像数据计算出的。
但是，根据本发明的表面轮廓测量设备可以包括第三光源33，其向物体100的表面照射颜色不同于第一单色光和第二单色光的第三单色光。另外，控制器40可以通过控制黑白相机10在第三单色光被照射到物体100的表面的状态下捕捉物体100的表面的图像来获得第三黑白图像数据。
因此，控制器40通过黑白相机10获得了与第一单色光、第二单色光和第三单色光相对应的第一黑白图像数据、第二黑白图像数据和第三黑白图像数据，通过将第一黑白图像数据、第二黑白图像数据和第三黑白图像数据识别为R、G、B数据来生成合成彩色图像。
同时，上面未描述的图3和图6中的标号20是会聚透镜，将从物体100反射的光会聚到朝向黑白相机10的方向。
另外，在上述本发明的第二实施方式中，作为示例，用于二维/三维测量的表面轮廓测量设备使用了摩尔技术。另外，根据本发明的表面轮廓测量设备可以应用于类型不同于在二维测量的情况下的摩尔技术的三维测量设备。
本领域技术人员可以想到，能够进行各种修改和变化而不背离本发明的实质或范围。由此，本发明意在覆盖落入所附权利要求及其等价形式的范围内的本发明的这种修改和变化。
本发明适用于使用通过黑白相机获得的黑白图像数据来生成合成彩色图像的表面轮廓测量领域。

Claims (10)

1.一种捕捉物体的表面的二维图像的表面轮廓测量设备，该表面轮廓测量设备包括：
第一光源，其向物体的表面照射第一单色光；
第二光源，其向物体的表面照射颜色不同于第一单色光的第二单色光；
黑白相机，其捕捉从第一光源和第二光源照射并从物体的表面反射的第一单色光和第二单色光；以及
控制器，其控制第一光源、第二光源以及所述黑白相机，以在向物体的表面照射第一单色光和第二单色光的状态下获得分别与第一单色光和第二单色光相对应的第一黑白图像数据和第二黑白图像数据，并使用第一黑白图像数据和第二黑白图像数据来生成物体的表面的合成彩色图像。
2.根据权利要求1所述的表面轮廓测量设备，其中，第一单色光包括绿色光和蓝色光中的一个；并且
其中，第二单色光包括红色光。
3.根据权利要求2所述的表面轮廓测量设备，其中，所述控制器基于通过照射绿色光和蓝色光中的一个而获得的第一黑白图像数据并基于第二黑白图像数据来计算与绿色光和蓝色光中的另一个相对应的第三黑白图像数据，并且通过对第一黑白图像数据、第二黑白图像数据和第三黑白图像数据进行合成来生成所述合成彩色图像。
4.根据权利要求3所述的表面轮廓测量设备，其中，所述控制器使用公式I_3rd_data＝n×(I_1st_data)k+m×(I_2nd_data)p来计算第三黑白图像数据，此处，I_1st_data是第一黑白图像数据，I_2nd_data是第二黑白图像数据，I_3rd_data是第三黑白图像数据，n和k是赋予第一黑白图像数据的用于计算第三黑白图像数据的常数，而m和p是赋予第二黑白图像数据的用于计算第三黑白图像数据的常数。
5.根据权利要求3所述的表面轮廓测量设备，其中，所述控制器通过将第一黑白图像数据、第二黑白图像数据和第三黑白图像数据识别为每个像素的RGB数据来生成所述合成彩色图像。
6.根据权利要求5所述的表面轮廓测量设备，其中，所述黑白相机是以面扫描相机或线扫描相机的类型来提供的。
7.一种捕捉物体的表面的二维图像的表面轮廓测量设备，该表面轮廓测量设备包括：
第一光源，其向物体的表面照射第一单色光；
第二光源，其向物体的表面照射颜色不同于第一单色光的第二单色光；
第三光源，其向物体的表面照射颜色不同于第一单色光和第二单色光的第三单色光；
黑白相机，其捕捉从第一光源、第二光源和第三光源照射并从物体的表面反射的第一单色光、第二单色光和第三单色光；以及
控制器，其控制第一光源、第二光源、第三光源以及所述黑白相机，以在向物体的表面照射第一单色光、第二单色光和第三单色光的状态下获得分别与第一单色光、第二单色光和第三单色光相对应的第一黑白图像数据、第二黑白图像数据和第三黑白图像数据，并使用第一黑白图像数据、第二黑白图像数据和第三黑白图像数据来生成物体的表面的合成彩色图像。
8.根据权利要求7所述的表面轮廓测量设备，其中，第一单色光包括蓝色光；
其中，第二单色光包括红色光；并且
其中，第三单色光包括绿色光。
9.根据权利要求8所述的表面轮廓测量设备，其中，所述控制器通过将第一黑白图像数据、第二黑白图像数据和第三黑白图像数据识别为每个像素的RGB数据来生成所述合成彩色图像。
10.根据权利要求7所述的表面轮廓测量设备，其中，所述黑白相机是以面扫描相机或线扫描相机的类型来提供的。
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