CN102428344A - 三维形貌检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种三维形貌检测方法。该方法用于检测被检测体，所述被检测体具备基板和配置在所述基板上的焊锡球，其特征是包括：中心部确定步骤，获得焊锡球的图像后确定焊锡球的中心部；图像获得步骤，在被检测体上形成正弦波图纹，并获得同时包括基板上面和焊锡球的整合图像；相位值确定步骤，在整合图像中选定通过焊锡球中心部的虚拟直线—基准线，并在所述基准线的焊锡球的中心部获取投影了正弦波图纹部分的相位值后，将其定为焊锡球中心部的相位值，在位于基准线的基板上获取投影了正弦波图纹部分的相位值后，将其定为基板的相位值；及高度计算步骤，由焊锡球中心部的相位值和基板的相位值之间的差，计算从基板上面到焊锡球中心部的高度。

Description

三维形貌检测方法

技术领域

本发明涉及一种三维形貌检测方法。更为具体地，涉及一种利用正弦波干涉条纹的相位差，检测配置在基板上的焊锡球的高度的三维形貌检测方法。

背景技术

通常，利用穆尔干涉条纹的三维形貌检测装置通过使在所要检测的被检测体的表面照射一定形状的光线而显出的格子条纹和作为基准的格子条纹重叠而形成穆尔干涉条纹后，检测及分析所述干涉条纹，以检测对于基准面的检测对象的高度。这种三维形貌检测装置能够简单快速地获得被检测体的三维形貌，因此在医学、工业等领域得到广泛的应用。

利用穆尔干涉条纹检测三维形貌的方式大致可分为投影式和影子式。影子式测定是指，不使用透镜，而采用显示在被检测体表面上的格子的影子所生成的穆尔干涉条纹检测被检测体表面形貌的方法。投影式测定是指，利用通过透镜投影到被检测体上的格子图像所生成的穆尔干涉条纹检测被检测体表面形貌的方法。

为了检测突设在基板上的检测对象的高度而采用穆尔干涉条纹的装置所使用的是由相位差计算检测对象高度的方式。首先，在与基板相同厚度的基准板上面形成正弦波图纹后，获取投影了正弦波图纹的基准板上的相位值。之后，在安装于基板上的检测对象上成像正弦波图纹，并获取投影了正弦波图纹的检测对象上的相位值。之后，利用两个相位值的相位差算出对于基准面的检测对象的高度。

这样，以往的三维检测方法因为采用了安装有实际检测对象的基板之外的另一基准板，因此需要于基准板和基板上分别形成正弦波图纹，操作较为复杂。而且在检测对象的高度数据中，有可能包含由基准板厚度和基板厚度之间的误差而导致的误差因素。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种三维形貌检测方法。该方法不在和基板具有相同厚度的另一基准板上形成正弦波图纹，而在基板和配置在基板上的焊锡球上同时形成正弦波图纹，并同时获取投影了正弦波图纹的基板上的相位值和投影了正弦波图纹的焊锡球上的相位值后，将其用于焊锡球高度的检测上。

为实现上述目的，本发明的三维形貌检测方法用于检测具备基板和配置在所述基板上的焊锡球的被检测体，其特征在于包括：中心部确定步骤，获得所述焊锡球的图像后，确定所述焊锡球中心部；图像获得步骤，在所述被检测体上形成正弦波图纹后，获得同时包括所述基板的上面和所述焊锡球的整合图像；相位值确定步骤，在所述整合图像中选定通过所述焊锡球中心部的虚拟直线—基准线，在位于所述基准线上的焊锡球的中心部上，获取投影了正弦波图纹部分的相位值，并将其确定为焊锡球中心部的相位值，在位于所述基准线上的基板上获取投影了正弦波图纹部分的相位值，并将其确定为基板的相位值；及高度计算步骤，由所述焊锡球中心部的相位值和所述基板的相位值之间的差，计算从所述基板上面到所述焊锡球中心部的高度。

而且，在本发明的三维形貌检测方法中所述中心部确定步骤最好如下：在所述焊锡球的上侧围设有环形照明单元，并由该照明装置照射光线的条件下获得所述焊锡球的图像。

而且，在本发明的三维形貌检测方法中所述图像获得步骤最好如下：对配置在所述基板和所述焊锡球的上侧并具有多个格子图案的格子单元投射光线，以在所述被检测体上形成正弦波图纹，并以N等分所述格子单元周期的间隔，使所述格子单元反复相位移动的同时获得N个整合图像。其中所述N是大于或等于三的整数。

而且，在本发明的三维形貌检测方法中所述相位值确定步骤最好如下：在位于所述基准线的基板上获取投影了正弦波图纹的多个位置的相位值，并求出其平均值后将其结果确定为所述基板的平均相位值。所述高度计算步骤最好如下：由所述焊锡球中心部的相位值和所述基板的平均相位值之间的差，计算从所述基板上面到所述焊锡球中心部的高度。

而且，在本发明的三维形貌检测方法中所述相位值确定步骤最好如下：在位于所述基准线的焊锡球的中心部上获取投影了正弦波图纹的多个位置的相位值后，将其分别确定为焊锡球中心部相位值，在位于所述基准线的基板上获取投影了正弦波图纹的多个位置的相位值并求平均值后，将其确定为所述基板的平均相位值。所述高度计算步骤最好如下：求出每个焊锡球中心部的相位值和所述基板的平均相位值的差，并由这些相位值差的平均值计算从所述基板上面到所述焊锡球中心部的高度。

本发明所涉及的三维形貌检测方法，在基板和配置在基板上的焊锡球上同时形成正弦波图纹，并同时获取投影了正弦波图纹的基板上的相位值和投影了正弦波图纹的焊锡球上的相位值后，将其用于焊锡球的高度的检测上。这样无需检测另一基准面，而利用检测对象焊锡球的周围基准面，就能简单、正确、可靠地算出焊锡球的高度数据。

而且，本发明的三维形貌检测方法首先确定焊锡球的中心部之后，只获取焊锡球中心部的相位值，并将其应用于焊锡球的高度检测上，以此减少处理焊锡球周边上的相位值等不必要的数据所需要的时间及存储器等。

而且，本发明的三维形貌检测方法，在提高相位值的精确度时，不是利用单一位置的相位值，而是获取多个位置的相位值后求其平均值，以此提高焊锡球的高度的精确度。

而且，本发明的三维形貌检测方法，在围设在焊锡球周边的环形照明装置照射光线的状态下获得焊锡球的图像，因此能够精确地确定焊锡球的中心部。

附图说明

图1是本发明的三维形貌检测方法所应用的三维形貌检测装置的示意图。

图2是本发明三维形貌检测方法的一实施例的顺序图。

图3是用于表示正弦波图纹在被检测体(焊锡球和基板)上的投影状态的图。

符号说明

1：焊锡球

2：基板

31：被检测体

32：格子单元

35：格子移送单元

43：环形照明装置

100：三维形貌检测装置

具体实施方式

下面，参照附图详细说明本发明三维形貌检测方法的一实施例。

图1是在本发明三维形貌检测方法中使用的三维形貌检测装置的示意图。

如图1所示，三维形貌检测装置100包括控制单元10、工作站20、投影单元30及成像单元40。

所述控制单元10全面控制三维形貌检测装置100，利用成像单元40所拍摄的反射图像检测被检测体3的三维形貌。此时，被检测体3包括基板2和配置在基板2上的焊锡球1。为了检测突出配置在基板2上的焊锡球1的三维形貌，将基板2移送到检测位置上。

所述工作站20用于将被检测体3移送至检测位置，其具备支撑板21和马达23。支撑板21用于支撑被检测体3，而所述工作站20利用马达23移送支撑板21，使其位于检测位置上。

所述投影单元30包括光源31、格子单元32、格子移送单元35、投影透镜33和滤光器34。由光源31产生的白光通过格子单元32、投影透镜33和滤光器34投射到基板2和焊锡球1上形成正弦波图纹。

所述格子单元32由多个格子图案按一定距离平行配置而成。投射到格子单元32上的光，在基板2和焊锡球1上形成正弦波图纹。所述格子移送单元35在控制单元10的控制下，使格子单元32进行直线往复运动，而在格子单元32在格子移送单元35的作用下进行直线往复运动时，在基板2和焊锡球1上形成的正弦波图纹上产生相位移(phase shift)。

所述成像单元40用于拍摄形成在基板20和焊锡球1上的正弦波图纹的图像，其由成像透镜41、照相机42和环形照明装置43构成。若采用的是在球栅数组(BGA)上应用的焊锡球1，由于其形状接近于球形，最好在整个焊锡球1的周围照射光线获得图像。只有在整个焊锡球1的周围照射光线的情况下，才能使被焊锡球1反射的光线的强度均匀地分布在圆形截面上，而通过均匀分布的光线强度可以精确地确定焊锡球1的中心部。

下面，参照图1至图3详细说明应用上述三维形貌检测装置100的本发明三维形貌检测方法的一实施例。

图2是本发明的三维形貌检测方法一实施例的顺序图，图3是用于表示正弦波图纹在被检测体(焊锡球和基板)上的投影状态的图。

如图1至图3所示，本发明的三维形貌检测方法同时获取投影了正弦波图纹的基板上的相位值和投影了正弦波图纹的焊锡球上的相位值，以检测焊锡球的高度。该方法包括中心部确定步骤S110、图像获得步骤S120、相位值确定步骤S130和高度计算步骤S140。

在所述中心部确定步骤S110中，通过获得焊锡球1的图像来确定焊锡球1的中心部。下面以适用于球栅数组(BGA)中的焊锡球为例说明本实施例。为了获得从基板2的上面到配置在基板2上的焊锡球1的高度，首先要寻找焊锡球1的表面上的诸多位置中最高的位置，即焊锡球1的中心部。为了寻找焊锡球1的中心部，在焊锡球1的上侧围设有环形照明装置43，并在该照明装置43照射光线的状态下获得焊锡球1的图像。本实施例通过在焊锡球1的周围全域照射的光线，可以精确地获得焊锡球1的圆形截面形状。利用所获得的焊锡球1的图像和周边图像之间的亮度差，确定焊锡球1的中心部。

在所述图像获得步骤S120中，于被检测体3即基板2和焊锡球1上同时形成正弦波图纹，并获得投影了正弦波图纹的基板2和焊锡球1整合图像。整合图像中一同显示投影了正弦波图纹的基板2和焊锡球1的图像。在本实施例中，为了获取将在后面叙述的正弦波图纹的相位值，应用以下公式1，因此至少获得三幅整合图像。

[公式1]

I_n(x，y)＝a+b×cos[φ(x，y)+α)

其中In是光强，a、b是未知数，φ是投影了正弦波图纹的位置上的像素相位值，α是格子单元32的相位移动值。

首先，将设有多个格子图案的格子单元32配置在基板2和焊锡球1的上侧后，向格子单元32投射光线以在基板2和焊锡球1上形成正弦波图纹，并获得基板2和焊锡球1的第一整合图像。之后把格子单元32的周期(2π)三等分后，将格子单元32移动相当于一个间隔的2π/3的相位，然后在基板2和焊锡球1上形成正弦波图纹，并获得基板2和焊锡球1的第二整合图像。接着，再一次把格子单元32移动2π/3相位之后，在基板2和焊锡球1上形成正弦波图纹，并获得基板2和焊锡球1的第三整合图像。

另外，也可以把格子单元32的周期(2π)N(等于或大于4的整数)等分后，将格子单元32依次移动相当于周期/N的相位，从而获得N幅整合图像。

在所述相位值确定步骤S130中，首先如图3所示，在整合图像中选定通过焊锡球1中心部的虚拟直线—基准线4。在位于基准线4上的焊锡球1的中心部获取投影了正弦波图纹部分的像素的相位值，在位于基准线4上的基板2的上面，获取投影了正弦波图纹部分的像素的相位值。

之后，在焊锡球中心部确定步骤S110中确定的焊锡球1的中心部上，获取投影了正弦波图纹部分的像素的相位值。在整合图像中位于基准线4上的焊锡球1的中心部上，获取投影了正弦波图纹部分的像素的相位值后，将其作为焊锡球1中心部的相位值。然后，将通过相位移动所获得的三个整合图像中每个像素的光强In和格子单元32的相位移动值α-0、2π/3、4π/3分别代入[公式1]中，就能求出在焊锡球1的中心部上投影了正弦波图纹部分的像素的相位值φ。

本实施例中为了提高相位值的精确性，取多个位置上的相位值而不取单一位置上的相位值。为此，在焊锡球1的中心部中位于基准线4上的多个位置p1获取投影了正弦波图纹的多个像素的相位值作为焊锡球1的中心部的多个相位值。

之后，从整合图像获取基板2中投影了正弦波图纹部分的像素的相位值。从整合图像获取位于基准线4上的基板2中投影了正弦波图纹部分的像素的相位值，并将其作为基板2的相位值。相同地，若将通过相位移动所获得的三个整合图像中每个像素的光强In和格子单元32的相位移动值α即0、2π/3、4π/3、分别代入[公式1]中，就能求出基板2上投影了正弦波图纹的像素的相位值φ。为了提高相位值的精确性，获取多个位置上的相位值后将其平均后使用。为此，在基板1的多个位置p2上获取投影了正弦波图纹的像素相位值后，求出平均值并将其结果作为基板的平均相位值。

如图3所示，若在被检测体3上设置XY垂直坐标系，则位于基准线4上的基板1中多个位置p2上的像素的X坐标相同，而Y坐标随着位置的变化而变动。

在所述高度计算步骤S140中，由焊锡球1的中心部和基板2的相位值差，计算基板2的上面到焊锡球1的中心部的高度。

下面，用公式2表示相位差和被检测体高度之间的关系。

[公式2]

$h(x,y)=\frac{p}{2\mathrm{\π}\tan \mathrm{\θ}}({\mathrm{\φ}}_0-{\mathrm{\φ}}_r)$

其中h(x，y)是从基板2的上面到焊锡球1的中心部的高度，p是格子单元32的周期，θ是光线的投射角，φo是焊锡球1中心部的相位值，φr是基板2的相位值。

若在公式2中分别代入焊锡球1中心部的相位值和基板2的相位值，就能求出从基板2的上面到焊锡球1中心部的高度h。

从基板2的上面到焊锡球1中心部的高度的计算过程如下：首先，将所备置的多个焊锡球1中心部的相位值代入公式2中焊锡球1中心部的相位值φo，将基板2的平均相位值代入公式2中基板2的相位值φr。之后算出由公式2获得的多个高度h数据的平均后将其结果作为从基板2的上面到焊锡球1中心部的高度。

具有如上结构的本发明三维形貌检测方法的一实施例，在基板和配置在基板上的焊锡球上同时形成正弦波图纹后，同时获取投影了正弦波图纹的基板上的相位值和投影了正弦波图纹的焊锡球上的相位值，并将其用于焊锡球高度的检测上。这样，本发明不检测另一基准面，而采用检测对象焊锡球的周边基准面，从而能够简单、精确、可靠地计算焊锡球的高度数据。

而且，首先确定焊锡球的中心部之后，仅仅获取焊锡球中心部的相位值，并将其用于焊锡球高度的检测上，由此能够节省处理焊锡球周边部的相位值等不必要数据所需要的时间和存储器等。

而且，为了提高相位值的精确性，不采用单一位置上的相位值，而是提取多个位置上的相位值并将其平均后使用，由此可以提高焊锡球高度的精确性。

而且，由于从围设在焊锡球周围上的环形照明装置照射光线的状态下获得焊锡球的图像，可以精确地确定焊锡球的中心部。

本发明并不仅限于上述实施例及变形例，而是在所附的权利要求书中所记载的范围内，可实现为多种形态的实施例。在不脱离本发明精神的范围内，本领域技术人员所能做到的变形范围，毋庸置疑也应属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种三维形貌检测方法，用于检测被检测体，所述被检测体具备基板和配置在所述基板上的焊锡球，其特征在于，包括：

中心部确定步骤，获得所述焊锡球的图像后确定所述焊锡球的中心部；

图像获得步骤，在所述被检测体上形成正弦波图纹，并获得同时包括所述基板上面和所述焊锡球的整合图像；

相位值确定步骤，在所述整合图像中选定通过所述焊锡球中心部的虚拟直线即基准线，并在所述基准线的焊锡球的中心部获取投影了正弦波图纹部分的相位值后，将其定为焊锡球中心部的相位值，在位于所述基准线的基板上获取投影了正弦波图纹部分的相位值后，将其定为基板的相位值；及

高度计算步骤，由所述焊锡球中心部的相位值和所述基板的相位值之间的差，计算从所述基板上面到所述焊锡球中心部的高度。

2.根据权利要求1所述的三维形貌检测方法，其特征在于，在所述中心部确定步骤中，在所述焊锡球的上侧围设有环形照明装置并由所述环形照明装置照射光线的状态下，获得所述焊锡球的图像。

3.根据权利要求1所述的三维形貌检测方法，其特征在于，在所述图像获得步骤中，向配置在所述基板和所述焊锡球的上侧并设有多个格子图案的格子单元上投射光线，从而在所述被检测体上形成正弦波图纹，

将所述格子单元反复移动相当于N等分所述格子单元周期的相位，获得N幅所述整合图像，

其中所述N为大于或等于3的整数。

4.根据权利要求1所述的三维形貌检测方法，其特征在于，在所述相位值确定步骤中，在位于所述基准线的基板上获取投影了正弦波图纹的多个位置的相位值，并求其平均值后将结果定为所述基板的平均相位值，

在所述高度计算步骤中，由所述焊锡球中心部的相位值和所述基板的平均相位值之间的差，计算从所述基板上面到所述焊锡球中心部的高度。

5.根据权利要求1所述的三维形貌检测方法，其特征在于，在所述相位值确定步骤中，在位于所述基准线的焊锡球的中心部获取投影了正弦波图纹的多个位置的相位值后分别将其确定为焊锡球中心部的相位值，在位于所述基准线的基板上获取投影了正弦波图纹的多个位置的相位值后求其平均值，并将此结果作为所述基板的平均相位值，

在所述高度计算步骤中，求出每个焊锡球中心部相位值和所述基板的平均相位值之间的差，并由该相位值之间差的平均值计算从所述基板上面到所述焊锡球中心部的高度。

Images