CN103108114A - 用于对准印刷电路板的元件的相机系统 - Google Patents

Abstract

一种用于将元件与PCB上的脚位对准的相机系统及相关方法，该相机系统包括：壳体，其具有第一侧和与第一侧相反的第二侧；第一图像传感器，其位于壳体的第一侧上，并且指向远离壳体的第一方向，以拍摄元件的图像并生成第一图像信号，其中，第一图像传感器包括不具有棱镜的第一镜头组件；第二图像传感器，其位于壳体的第二侧上并与第一图像传感器对准，并且指向与第一方向相反的第二方向，以拍摄印刷电路板上的脚位的图像并生成第二图像信号，其中，第二图像传感器包括不具有棱镜的第二镜头组件；混合电路，用于将第一图像信号与第二图像信号混合，并生成混合图像信号；以及处理器，用于处理混合图像信号并在显示监视器上显示元件与脚位的叠加图像。

Description

用于对准印刷电路板的元件的相机系统

相关申请的交叉引用

本专利申请要求于2011年11月10日提交的、名称为“Camera SystemFor Aligning PCB Components”的美国临时专利申请No.61/558,347的优先权，其全部内容通过引用并入本文中。

技术领域

本发明总体涉及自动对准机器，更具体地涉及一种用于对准印刷电路板（PCB）的元件的相机系统。

背景技术

随着在PCB上使用的各种元件越来越多、无源元件越来越小以及具有更细微的球间距尺寸的IC越来越大，对辅助PCB组装（PCBA）返修（rework）的视觉系统的需求已经增加。

在电子组装行业中，通常使用一个具有光学棱镜的相机来同时观察PCB和元件。所有这些相机均使用棱镜类光学器件。在球栅阵列（BGA）返修应用中，因为元件脚位和它们的间距越来越小，所以在对准过程中要求大视场（FOV）、高放大率以及高图像质量。传统地，使用昂贵的电荷耦合器件（CCD）相机，其具有昂贵且笨重的光学变焦镜头及用于同时观察多个表面的分束棱镜。这增加了这种系统的成本和复杂性。

因此，现今需要不具有由于使用外部光学系统而导致的缺点的高清晰度图像来帮助现今的元件的放置。

发明内容

在一些实施例中，本发明是一种用于将元件与印刷电路板（PCB）上的脚位（footprint）对准的相机系统。该相机系统包括：壳体，其具有第一侧和与第一侧相反的第二侧；第一图像传感器，其位于壳体的第一侧上，并且指向远离壳体的第一方向，以拍摄元件的图像并生成第一图像信号，其中，第一图像传感器包括不具有棱镜的第一镜头组件；第二图像传感器，其位于壳体的第二侧上并与第一图像传感器对准，并且指向与第一方向相反的第二方向，以拍摄印刷电路板上的脚位的图像并生成第二图像信号，其中，第二图像传感器包括不具有棱镜的第二镜头组件；混合电路，用于将第一图像信号与第二图像信号混合，并生成混合图像信号；以及处理器，用于处理混合图像信号并在显示监视器上显示元件与脚位的叠加图像。

处理器可以被配置成：检测元件与脚位的重叠图像以预定阈值对准的时间；以及一旦检测到元件与脚位的重叠图像以预定阈值对准的时间，则生成检测信号，该检测信号用于移动固定装置远离元件和印刷电路板。

在一些实施例中，本发明是一种用于将元件与PCB上的脚位对准的相机系统。该相机系统包括：固定装置，其具有第一侧和与第一侧相反的第二侧；第一图像拍摄装置，其位于固定装置的第一侧上，并且指向远离固定装置的第一方向，以拍摄元件的图像并生成第一图像信号；第二图像拍摄装置，其位于固定装置的第二侧上并与第一图像拍摄装置对准，并且指向与第一方向相反的第二方向，以拍摄印刷电路板上的脚位的图像并生成第二图像信号；用于将第一图像信号与第二图像信号进行混合并生成混合图像信号的装置；以及用于处理混合图像信号并在显示监视器上显示元件与脚位的叠加图像的装置。

在一些实施例中，本发明是一种用于将元件与PCB上的脚位对准的方法。该方法包括：提供双相机固定装置，该双相机固定装置包括在其相反的两侧上的两个图像拍摄传感器；通过指向朝着元件的第一方向的第一图像拍摄传感器来拍摄元件的图像并生成第一图像信号；通过指向与第一方向相反的、朝着印刷电路板的第二方向的第二图像拍摄传感器来拍摄印刷电路板上的脚位的图像并生成第二图像信号；将第一图像信号与第二图像信号进行混合并生成混合图像信号；以及处理该混合图像信号并在显示监视器上显示元件与脚位的叠加图像。

附图说明

图1是根据本发明的一些实施例的双相机系统的示例性简图。

图2示出根据本发明的一些实施例的双相机系统的示例性系统图。

图3示出根据本发明的一些实施例的包括双相机系统的示例性插件（返修）机。

图4A至图4F示出元件与其在PCB上的脚位的三维对准。

图5是根据本发明的一些实施例的双相机系统的图像处理和同步的示例性框图。

图6示意性地描绘了根据本发明的一些实施例的相机模块的校准。

图7A至图7B是根据本发明的一些实施例的用于相机模块的校准的示例过程流程图。

具体实施方式

在一些实施例中，本发明是将要插到印刷电路板（PCB）上的元件与该元件在PCB上的脚位进行自动对准的双相机系统。在一些实施例中，将两个独立的CMOS相机传感器安装在固定装置上，并且将它们的视频信号进行同步并输出到监视器以显示两个图像的叠加。第一图像是要与PCB上的脚位对准并要插到该脚位中的元件（的底部）的图像。第二图像是该元件的脚位的区域中的PCB（的顶部）的图像。一旦图像在视觉上对准或自动地对准，则将相机固定装置移出此路径，并降低元件（和/或升高PCB）使得将元件准确地安装到其在PCB上的脚位中。

图1是根据本发明的一些实施例的双相机系统的示例性简图。如所示出的，将第一（顶部）CCD传感器及其相关联的简化镜头104安装到固定装置/壳体102的顶部。类似地，将第二（底部）CCD传感器及其相关联的简化镜头106安装到固定装置102上。在一些实施例中，第一相机和第二相机是具有不包括任何（昂贵且笨重的）棱镜的简化光学器件的低成本CMOS CCD传感器。

第一传感器104能够指向（114）要插到PCB 108中的元件112（的底部）并拍摄要插到PCB 108中的元件112（的底部）的图像。类似地，第二传感器106能够指向（110）PCB 108（的顶部），尤其是PCB上布置元件112的脚位的区域，并拍摄其图像。相机固定装置102、元件112和/或PCB 108能够相对于彼此移动以将元件112与其在PCB上的脚位对准，使得元件112可以被完美地插到脚位中。

图2示出了根据本发明的一些实施例的双相机系统的示例性系统图。相机固定装置202电耦接至显示监视器206。本领域的普通技术人员会理解：相机固定装置可以通过线缆204物理地连接到监视器206；或者可以以无线方式连接到监视器，在这种情况下，不需要线缆204。当元件212、相机固定装置202和/或PCB 210移动时，处理器处理并移动PCB和元件208在显示监视器206内的同步图像。当监视器示出这两个图像在特定阈值范围内彼此覆盖（对准）时，则元件212与其在PCB上的脚位对准。阈值的预定值可以取决于元件的间距大小、元件在PCB上的脚位的间距大小、要求的精度和/或相机的分辨率。

图3示出了根据本发明的一些实施例的包括双相机系统的示例性插件（返修）机。如所示出的，双相机固定装置302被插件机300用来将元件304与其在PCB 312上的脚位对准。元件304、相机固定装置302和/或PCB 312中的一个或更多个能够通过例如插件机的测微计314、316和318在三个维度上相对于彼此移动。可替代地或另外地，可以通过由处理器和用户接口（例如按钮、操纵杆和/或键盘）控制的三个或更多个相应的伺服电机来移动元件304、相机固定装置302和/或PCB 312。

一旦PCB 308的适当部分的图像与元件310的图像在监视器306上对准，则将相机固定装置移出元件304和PCB 312的路径，并降低元件和/或升高PCB 312，使得元件能够被插到其脚位中。在一些实施例中，处理器被配置成与插件机通信，并使得插件机移动元件和/或PCB，直到处理器检测到元件与脚位的叠加图像以预定阈值对准为止。

在一些实施例中，通过执行计算机程序的一个或更多个处理器来自动地执行对元件304与其在PCB 312上的脚位的对准的检测。例如，顶部传感器相机和底部传感器相机可以相对于插件机300具有预定义位置。然后，将这些位置与位于顶部元件和底部PCB上的目标对准。一旦系统被启动，则软件对机动化的板保持器和/或元件拾取器进行控制以自动地对准顶部相机和底部相机中的预定义位置。一旦预定义位置被对准，则相机固定装置自动地撤回到其原始位置。然后，用于保持元件的前端向下移动到元件的放置位置，并且切断将元件保持到该前端的真空力以释放元件。本发明独立于并适用于任何类型的返修机。因此，插件（返修）机的详细描述可以根据返修机的类型和型号而变化，因此在此不提供详细描述。

在一些实施例中，处理器可以是控制相机固定装置的计算机（例如个人计算机（PC）、平板电脑或移动设备）的一部分。在一些实施例中，处理器和相关硬件（例如存储器、I/O接口等）可以被包括在相机固定装置中，并且用户能够通过用户接口与处理器通信。

在一些实施例中，可以将所述两个相机定位（例如安装）在例如约3英寸宽、约5英寸长以及约2英寸高的小壳体（固定装置）内。该小尺寸小于现有相机/棱镜型系统（通常约5.25英寸宽、约10英寸长以及约3.50英寸高）的尺寸的四分之一。因此，双相机封装的小尺寸允许在返修设备中具有更多的安装选择。

图4A至图4F示出了元件与其在PCB上的脚位的三维对准。图4A和图4B示出了环形对准，图4C和图4D示出了竖直（Y轴）对准，而图4E和图4F示出了水平（X轴）对准。如图4A所示，元件402的引脚或电性接点（electrical pad）404的图像（由第一相机拍摄）未与其在PCB上的脚位406的图像（由第二相机拍摄）对准。即，需要手动地和/或自动地旋转元件和/或PCB，以使两个图像如图4B所示彼此对准。类似地，在图4C中，元件402的引脚或电性接点404的图像未与其在PCB上的脚位406的图像对准。在这种情况下，需要在竖直（Y轴）方向上手动地或自动地移动元件和/或PCB，以使两个图像如图4D所示彼此对准。相似地，在图4E中，元件402的引脚或电性接点404的图像未与其在PCB上的脚位406的图像对准。此处，需要在水平（X轴）方向上手动地和/或自动地移动元件和/或PCB，以使两个图像如图4F所示彼此对准。在实际应用中，可能需要执行环形对准、竖直对准和/或水平对准的组合来对准所述两个图像。

在一些实施例中，通过计算机程序来自动地检测所述两个图像的对准。例如，可以在元件和PCB上的脚位上预先选择多个基准点，一旦彼此对准的这些基准点被映射在计算机存储器中，则系统自动地检测出所述两个图像是对准的并由此检测出元件与其在PCB上的脚位是对准的。

在一些实施例中，当检测到所述两个图像对准时，系统将相机固定装置移出元件和PCB的路径，并将元件插到其在PCB上的脚位中。

图5是根据本发明的一些实施例的双相机系统的图像处理和同步的示例性框图。如所示出的，第一相机模块502a包括简易相机镜头503a和相机传感器504a。类似地，第二相机模块502b包括简易相机镜头503b和相机传感器504b。在一些实施例中，相机传感器504a和504b为高清晰度（HD）CMOS传感器。在一些实施例中，相机镜头503a和503b具有不包括棱镜的简化的光学器件，以减小失真和降低成本。在一些实施例中，不需要分束相机或广角光学器件来观察大的封装件的角落或者增大视场以在对准期间能够观察整个元件。每个相机模块的数字输出在框506a和框506b中与系统时钟同步，并被输入到各自的颜色平面定序器（框508a和框508b）以处理图像的颜色。如本领域所知的，视频信号然后通过各自的色度重采样器（510a、510b）、颜色空间转换器（512a、512b）、剪切器（514a、514b）、缩放器（516a、516b）以及各自的帧缓冲器（518a、518b）以执行进一步的图像处理。

然后，帧缓冲器518a的输出（其包括来自第一相机模块502a的图像）通过混合器520与帧缓冲器518b的输出（其包括来自第二相机模块502b的图像）同步（或混合）。然后，混合器520的输出被进行时钟控制（框522）、通过视频转换器524转换成期望的视频格式、以及被输出到例如用于显示的监视器。框526示出了包括CPU、存储器、UART、电源等的支持电子设备。可以调节对来自相机的图像进行混合的等级来提高分辨率，以产生更清晰的图像。此外，根据需要，每个相机可以独立地操作（不对图像进行混合）以用于检查、对准和其他功能。

以上双相机的图像处理和同步包括各种功能，例如：存储用于图像处理的缺省值和用户预定义参数（例如透明度（Alpha level）等级设置）、调节颜色和色度、缩放和混合、以及其他已知的图像处理技术。在一些实施例中，可以通过按下相机固定装置的专用按钮来选择和启动这些功能。在一些实施例中，可以通过图形用户接口（GUI）来选择和启动这些功能。

虽然使用两个相机作为多相机系统的示例，但是本发明也可以容易地接纳多于两个的相机。例如，混合器520可以具有外部输入插孔以接纳更多个相机的（经处理的）图像。在一些实施例中，可以使用彼此距离较短的两个相机来生成元件的立体（或3-D）图像，并且可以使用两个其他的（彼此距离较短的）相机来生成PCB的立体（或3-D）图像。然后，相应地修改以上描述的电路。

图6示意性地示出了根据本发明的一些实施例的相机模块的校准。在一些实施例中，为了在生产中对本发明的相机系统进行校准，相机模块被设置成近焦距，例如从传感器到目标（被观察的元件）距离几个英寸（例如2.8〞），并且针对公共光路对准该相机模块。然后将所述两个相机的焦点调节到彼此相对且位于该局部距离处的两个目标上。在一些实施例中，所述两个相机被定位在板的相反两侧的直板上。通过一些调整销，可以相对于该板在三个维度上调节两个相机的位置。然后，将带有两个相机的板以垂直于校准轨道的取向固定到一对校准轨道上。第一目标在第一相机的近局部距离内被固定到轨道上并与该轨道垂直。类似地，第二目标在第二相机的近局部距离内被固定到与第一目标相反一侧的轨道上并与该轨道垂直。所述两个相机然后被连接到显示两个目标的图像的显示监视器。

随后，启用两个传感器的十字线特征，使得在监视器上显示第一相机十字线和第二相机十字线的两个屏上图像。在图6中，图像A表示第一（或第二）传感器的图像及其十字线的初始位置。此处，为简便起见，仅显示关于一个十字线和一个目标的图像。然后，相对于板（示出在图6的中间）调节第一相机的（传感器的）位置，使得十字线的显示图像与第一目标的中心对准，如图6的图像B中所示。对于在板的相反一侧的第二相机（传感器）重复相同的过程，以将十字线的显示图像与第二目标的中心对准，如图像B所示。图像B表示已经通过与屏上的十字线对准而被沿预定路径对准的传感器。即，当完成时，来自两个相机的图像示出了已经居中并与两个屏上十字线对准的两个目标十字线，并且限定两个相机的公共光路。在整个校准过程中，校准固定装置、轨道以及板被固定并且不相对于彼此移动。

当完成校准过程时，第一目标的中心、第二目标的中心、第一相机十字线以及第二相机十字线被全部对准，与图像B类似。以此方式，确保了所述两个相机具有相同（公共）光路并且在板上相对于彼此对准。然后，板被组装到相机固定装置中。一旦相机固定装置被校准，则不需要在用户现场进行进一步校准。

在一些实施例中，本发明具有自动调节图像分辨率并相应地即时地（动态地）调节视频输出的能力，以使FOV和放大率最大化，同时保持高的图像质量。因此，可以使用具有固定镜头的、彼此背对背布置或相对布置的一组简易CMOS传感器来观察多个表面，并通过固件（和/或软件）对视频输出进行操作以提供所需要的最高图像质量。

在一些实施例中，本发明具有执行数字变焦优化的能力。一般而言，当对象被数字变焦到焦点时，由于通过数字变焦功能对图像进行的裁剪和拉伸，对象会变得模糊，这降低了分辨率。然而，本发明随着数字变焦的增加根据变焦的等级逐渐地改变分辨率从而生成无模糊的图像。

图7A和图7B示意性地描绘了根据本发明的一些实施例的相机模块的数字变焦技术。如图7A所示，分辨率设置是1920×1080，相机分辨率被设置为960×540，并且输出（例如DVI）分辨率是1280×720。在数字变焦期间，该低分辨率图像被裁剪和放大，产生低分辨率且可能模糊的图像。在图7B中，分辨率设置被固定在1920×1080，并且输出分辨率是1280×720。然而，在这种情况下，随着图像被进行数字变焦，其分辨率逐渐地增加到1920×1080。这导致了具有1280×720的固定DVI（输出）分辨率的裁剪部分的较高分辨率。相机输出分辨率可以随着数字变焦增加到传感器的分辨率（在本示例中即1920×1080）而逐渐地增加。如本领域的普通技术人员会理解的：通过在例如图5的框图中的图像处理技术来改变相机的分辨率。

本领域的普通技术人员将会认识到，可以在不偏离上述本发明的宽泛的创造性的情况下对本发明的所示出的和其他实施例进行修改。因此将会理解，本发明不限制于所公开的具体实施例或设置，而是意于覆盖在由所附权利要求所限定的本发明的范围和精神范围内的任何变化、适应性改变或变型。

Claims (21)

1.一种用于将元件与印刷电路板上的脚位对准的相机系统，所述相机系统包括：

壳体，其具有第一侧和与所述第一侧相反的第二侧；

第一图像传感器，其位于所述壳体的所述第一侧上，并且指向远离所述壳体的第一方向，以拍摄所述元件的图像并生成第一图像信号，其中，所述第一图像传感器包括不具有棱镜的第一镜头组件；

第二图像传感器，其位于所述壳体的所述第二侧上并与所述第一图像传感器对准，并且指向与所述第一方向相反的第二方向，以拍摄所述印刷电路板上的所述脚位的图像并生成第二图像信号，其中，所述第二图像传感器包括不具有棱镜的第二镜头组件；

混合电路，用于将所述第一图像信号与所述第二图像信号进行混合，并生成混合图像信号；以及

处理器，用于处理所述混合图像信号并在显示监视器上显示所述元件与所述脚位的叠加图像。

2.根据权利要求1所述的相机系统，其中，所述处理器被配置成检测所述元件与所述脚位的所述重叠图像以预定阈值对准的时间。

3.根据权利要求2所述的相机系统，其中，所述处理器还被配置成一旦检测到所述元件与所述脚位的所述重叠图像以预定阈值对准的时间，则生成检测信号，所述检测信号用于移动固定装置远离所述元件和所述印刷电路板。

4.根据权利要求2所述的相机系统，其中，所述预定阈值的值取决于所述元件的间距大小、所述印刷电路板上的所述脚位的间距大小、要求的精度以及所述图像传感器的分辨率中的一个或更多个。

5.根据权利要求1的相机系统，其中，所述相机系统与插件机集成，并且所述处理器被配置成与所述插件机通信。

6.根据权利要求5所述的相机系统，其中，所述处理器还被配置成使得所述插件机移动所述元件和所述印刷电路板中的一个或更多个，直到所述处理器检测到所述元件与所述脚位的所述叠加图像以预定阈值对准的时间为止。

7.根据权利要求6所述的相机系统，其中，所述处理器还被配置成使得所述插件机移动固定装置远离所述元件和所述印刷电路板，以及将所述元件降低到所述印刷电路板上的所述脚位上以进行插件。

8.根据权利要求1所述的相机系统，其中，所述处理器还被配置成动态地调节图像分辨率和视频输出，以使所述图像传感器的视场和放大率最大化。

9.根据权利要求1所述的相机系统，还包括：

第三图像传感器，其位于所述壳体的所述第一侧上，并且相对于所述第一图像传感器呈第一角度，以拍摄所述元件的第二图像并生成第三图像信号；

第四图像传感器，其位于所述壳体的所述第二侧上，并且相对于所述第二图像传感器呈第二角度，以拍摄所述印刷电路板上的所述脚位的第二图像并生成第四图像信号；以及

第二混合电路，用于将所述第一图像信号与所述第三图像信号进行混合以生成第一3D图像信号，并用于将所述第二图像信号与所述第四图像信号进行混合以生成第二3D图像信号，其中，所述处理器还被配置成在所述显示监视器上显示所述元件的3D图像与所述脚位的3D图像的叠加3D图像。

10.根据权利要求1所述的相机系统，其中，所述处理器还被配置成：随着数字变焦的增加，根据相应的图像传感器变焦的数字等级来逐渐改变所述第一图像传感器或所述第二图像传感器的分辨率，从而生成无模糊的图像。

11.一种用于将元件与印刷电路板上的脚位对准的相机系统，所述相机系统包括：

固定装置，其具有第一侧和与所述第一侧相反的第二侧；

第一图像拍摄装置，其位于所述固定装置的所述第一侧上，并且指向远离所述固定装置的第一方向，以拍摄所述元件的图像并生成第一图像信号；

第二图像拍摄装置，其位于所述固定装置的所述第二侧上并与所述第一图像拍摄装置对准，并且指向与所述第一方向相反的第二方向，以拍摄所述印刷电路板上的所述脚位的图像并生成第二图像信号；

用于将所述第一图像信号与所述第二图像信号进行混合并生成混合图像信号的装置；以及

用于处理所述混合图像信号并在显示监视器上显示所述元件与所述脚位的叠加图像的装置。

12.根据权利要求11所述的相机系统，还包括用于检测所述元件与所述脚位的所述重叠图像以预定阈值对准的时间的装置。

13.根据权利要求12所述的相机系统，还包括用于一旦检测到所述元件和所述脚位的所述重叠图像以预定阈值对准的时间，则生成检测信号的装置，所述检测信号用于移动所述固定装置远离所述元件和所述印刷电路板。

14.根据权利要求12所述的相机系统，其中，所述预定阈值的值取决于所述元件的间距大小、所述印刷电路板上的所述脚位的间距大小、要求的精度以及所述图像传感器的分辨率中的一个或更多个。

15.根据权利要求11的相机系统，其中，所述相机系统与插件机集成，并且所述相机系统还包括用于与所述插件机通信的装置。

16.根据权利要求15所述的相机系统，还包括用于使得所述插件机移动所述元件和所述印刷电路板中的一个或更多个直到检测到所述元件与所述脚位的所述重叠图像以预定阈值对准的时间为止的装置。

17.根据权利要求16所述的相机系统，还包括用于使得所述插件机移动所述固定装置远离所述元件和所述印刷电路板，以及将所述元件降低到所述印刷电路板上的所述脚位上以进行插件的装置。

18.根据权利要求11所述的相机系统，还包括用于动态地调节图像分辨率和视频输出以使所述图像传感器的视场和放大率最大化的装置。

19.一种用于将元件与印刷电路板上的脚位对准的方法，包括：

提供双相机固定装置，所述双相机固定装置包括在其相反的两侧上的两个图像拍摄传感器；

通过指向朝着所述元件的第一方向的第一图像拍摄传感器来拍摄所述元件的图像并生成第一图像信号；

通过指向与所述第一方向相反的、朝着所述印刷电路板的第二方向的第二图像拍摄传感器来拍摄所述印刷电路板上的所述脚位的图像并生成第二图像信号；

将所述第一图像信号与所述第二图像信号进行混合并生成混合图像信号；以及

处理所述混合图像信号并在显示监视器上显示所述元件与所述脚位的叠加图像。

20.根据权利要求19所述的方法，还包括检测所述元件与所述脚位的所述叠加图像以预定阈值对准的时间。

21.根据权利要求20所述的方法，还包括：一旦检测到所述元件与所述脚位的所述叠加图像以预定阈值对准的时间，则生成检测信号，所述检测信号用于移动所述固定装置远离所述元件和所述印刷电路板。

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