CN103115580B - 基于光学相干层析扫描的三维孔形检测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于光学相干层析扫描的三维孔形检测方法及系统，其通过利用光学相干层析扫描的方法，直接得到电路板的盲孔或通孔的三维结构图像，经过图像处理后得到孔尤其是盲孔的深度、上下孔径、残胶、底铜破损等信息，可以对盲孔或通孔的质量进行自动化检测及评价，具有测量精度高、测量结果可靠性高、成本低、速度快等特点。

Description

基于光学相干层析扫描的三维孔形检测方法及系统

技术领域

本发明涉及一种基于光学相干层析扫描领域，具体涉及一种基于光学相干层析扫描的三维孔形检测方法及系统。

背景技术

目前，对于印刷电路板的质量，绝大部分生产商都采用人工目视检测，但是人工检测存在着其故有的缺陷，生产效率低，稳定性差。为了克服人工目视检测存在的不足，人们设计了一种自动光学成像(AutoOpticsImaging,AOI)，自动光学成像是通过利用普通光线和激光配合电脑程序，获得被测对象的图像，经过特定处理算法处理及分析，与标准图像进行比较，获得被测量对象的缺陷，从而实现对电路板制造中不同阶段的线路板进行平面性外观视觉检测。这种方法具有简便，快速的特点，但它只能检测一个平面，并不能对盲孔的深度进行有效的测量。而为了得到盲孔的更精确深度信息，可采用光学三维显微镜对盲孔进行检测，但是这种方法的检测速度不能达到实时检测的需要，极大地限制了它在盲孔检测中的应用。

光学相干层析(OpticalCoherenceTomography,OCT)是一种高速、高精度、非接触式的光学三维扫描成像技术。它是通过光学的相干层析性能，实现对样品的非接触式层析成像，最终实现对样品的三维成像。目前，光学相干层析成像已经广泛地应用于生物医学领域，特别是在人眼眼科成像领域。但是光学相干层析由于扫描范围的限制，不能进行大范围的扫描成像。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于光学相干层析扫描的三维孔形检测方法及系统，其能够快速地检测出电路板上盲孔或通孔质量，同时对电路板行业的锡膏检测也有同等作用。

为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种基于光学相干层析扫描的三维孔形检测系统，主要由光学相干层析成像装置、系统光纤准直器、二维扫描振镜、扫描物镜、纵移平台、平移平台和计算机组成。纵移平台和平移平台均与计算机相连，计算机控制纵移平台和平移平台的运动。系统光纤准直器、二维扫描振镜、扫描物镜固定在纵移平台，并跟随纵移平台运动。待测的电路板放置在平移平台上，并跟随平移平台运动。纵移平台垂直位于平移平台的正上方。光学相干层析成像装置与计算机相连。光学相干层析成像装置发出的探测光由光纤进入系统光纤准直器，系统光纤准直器将探测光准直后进入到二维扫描振镜进行二维扫描，二维扫描振镜输出的光经扫描物镜进行聚焦后进入放置在平移平台上的电路板，电路板产生的反射光经原路即依次经扫描物镜、二维扫描振镜和系统光纤准直器后返回至光学相干层析成像装置，由光学相干层析成像装置获得干涉信号后送入计算机。

上述方案中，纵移平台和平移平台的组合为以下3种之一，即：一种是纵移平台仅由Z轴运动电机构成时，平移平台由X轴电机和Y轴运动电机组成。一种是纵移平台由Z轴运动电机和X轴运动电机组成时、平移平台仅由Y轴运动电机构成。一种是纵移平台由Z轴运动电机和Y轴运动电机组成时、平移平台仅由X轴运动电机构成。

上述方案中，所述光学相干层析成像装置可以为频域光学相干层析成像装置，此时该光学相干层析成像装置主要由扫频光源、光纤环形、光纤耦合器、2个偏振控制器、光纤准直器、反射镜和平衡探测器组成。扫频光源发出宽带扫频光，进入到光纤环形，然后进入到光纤耦合器，由光纤耦合器分成两束光，其中一束由第一偏振控制器和光纤准直器进入反射镜进行反射后经原路回到光纤耦合器。另一束由第二偏振控制器输出到系统光纤准直器和二维扫描振镜进入到扫描物镜，由扫描物镜聚焦到于电路板。电路板的反射光经原路回到光纤耦合器。两路反射光在光纤耦合器中形成干涉。平衡探测器同时接收光纤环形和探测光纤耦合器返回的干涉信号后送入计算机。

上述方案中，所述光学相干层析成像装置也可以为谱域光学相干层析成像装置，此时该光学相干层析成像装置主要由宽带连续光源、光隔离器、光纤耦合器、3个偏振控制器、2个光纤准直器、反射镜、光栅、光谱物镜和线扫描相机组成。宽带连续光源发出宽带光谱，经光隔离器进入到光纤耦合器，由光纤耦合器分成两束，其中一束经第一偏振控制器和第一光纤准直器进入反射镜，由反射镜反射后经原路回到光纤耦合器。另一束经第二偏振控制器输出到系统光纤准直器和二维扫描振镜进入到扫描物镜，由扫描物镜聚焦到电路板,电路板的反射光经原路回到光纤耦合器。两路反射光在光纤耦合器中形成干涉。干涉光经第三偏振控制器、第二光纤准直器进入到光栅后分成各个准单色光，经光谱物镜聚焦到线扫描相机，线扫描相机的输出连接计算机。

一种基于光学相干层析扫描的三维孔形检测系统方法，包括如下步骤：

①计算机读取预先存储在计算机中待测的电路板上盲孔或通孔的位置信息，并控制纵移平台和平移平台运动，让固定于纵移平台上的系统光纤准直器、二维扫描振镜和扫描物镜对放置在平移平台上的电路板上的每个盲孔和/或通孔进行逐一扫描；

②对于每个扫描点，光学相干层析成像装置发出的探测光由光纤进入系统光纤准直器，系统光纤准直器将探测光准直后进入到二维扫描振镜进行二维扫描，二维扫描振镜输出的光经扫描物镜进行聚焦后进入放置在平移平台上的电路板，电路板产生的反射光经原路即依次经扫描物镜、二维扫描振镜和系统光纤准直器后返回至光学相干层析成像装置，由光学相干层析成像装置获得干涉信号，由此完成一个扫描点的扫描；

③计算机分别对光学相干层析成像装置返回的不同盲孔或通孔的干涉信号进行数据采集并处理，重建出电路板上每个盲孔和/或通孔的三维结构信息；

④计算机根据三维结构信息，经图像处理后得到每个盲孔和/或通孔的深度、上下孔径、残胶、底铜破损情况及其相关信息，判断电路板上的盲孔或通孔的质量。

上述步骤①中所述计算机对纵移平台和平移平台的控制方式为以下3种之一：

计算机控制纵移平台在Z轴方向运动、以及控制平移平台在X轴和/或Y轴方向运动；

或计算机控制纵移平台在Z轴和/或X轴方向运动、以及控制平移平台在Y轴方向运动；

或计算机控制纵移平台在Z轴和/或Y轴方向运动、以及控制平移平台在X轴方向运动。

上述步骤②中所述光学相干层析成像装置可以采用频域光学相干层析成像方法，即：扫频光源发出宽带扫频光，进入到光纤环形，然后进入到频域光纤耦合器，由频域光纤耦合器分成两束光，其中一束由第一偏振控制器和光纤准直器进入反射镜进行反射后经原路回到频域光纤耦合器；另一束由第二偏振控制器输出到系统光纤准直器和二维扫描振镜进入到扫描物镜，由扫描物镜聚焦到于电路板；电路板的反射光经原路回到频域光纤耦合器；两路反射光在频域光纤耦合器中形成干涉；平衡探测器同时接收光纤环形和探测频域光纤耦合器返回的干涉信号后送入计算机，由计算机重建出需检测的盲孔和/或通孔的三维结构信息。

上述步骤②中所述光学相干层析成像装置也可以采用谱域光学相干层析成像方法，即：宽带连续光源发出宽带光谱，经光隔离器进入到谱域光纤耦合器，由谱域光纤耦合器分成两束，其中一束经第一偏振控制器和第一光纤准直器进入反射镜，由反射镜反射后经原路回到谱域光纤耦合器；另一束经第二偏振控制器输出到系统光纤准直器和二维扫描振镜进入到扫描物镜，由扫描物镜聚焦到电路板,电路板的反射光经原路回到谱域光纤耦合器；两路反射光在谱域光纤耦合器中形成干涉；干涉光经第三偏振控制器、第二光纤准直器进入到光栅后分成各个准单色光，经光谱物镜聚焦到线扫描相机，线扫描相机的输出连接计算机，由计算机重建出需检测的盲孔和/或通孔的三维结构信息。

与现有技术相比，本发明利用电机平台和二维扫描振镜，对电路板进行二维扫描，并利用光学相干层析技术的层析能力得到电路板上的盲孔或通孔在纵向方向的结构信息，实现大范围内的三维扫描成像；利用三维结构数据计算出孔尤其是盲孔的深度、上下孔径、残胶、底铜破损情况等信息，可以对电路板盲孔或者通孔的质量进行评价，同时对电路板行业的锡膏检测也有同等作用。

附图说明

图1是基于光学相干层析扫描的三维孔形检测系统原理示意图。

图2是频域光学相干层析成像装置原理图。

图3是谱域光学相干层析成像装置原理图。

具体实施方式

实施例1：

一种基于光学相干层析扫描的三维孔形检测系统，如图1所示，其主要由光学相干层析成像装置1、系统光纤准直器4、二维扫描振镜5、扫描物镜6、纵移平台3、平移平台8和计算机9组成。纵移平台3和平移平台8均与计算机9相连，计算机9控制纵移平台3和平移平台8的运动。系统光纤准直器4、二维扫描振镜5、扫描物镜6固定在纵移平台3，并跟随纵移平台3运动。待测的电路板7放置在平移平台8上，并跟随平移平台8运动。纵移平台3垂直位于平移平台8的正上方。光学相干层析成像装置1与计算机9相连。光学相干层析成像装置1发出的探测光由光纤2进入系统光纤准直器4，系统光纤准直器4将探测光准直后进入到二维扫描振镜5进行二维扫描，二维扫描振镜5输出的光经扫描物镜6进行聚焦后进入放置在平移平台8上的电路板7，电路板7产生的反射光经原路即依次经扫描物镜6、二维扫描振镜5和系统光纤准直器4后返回至光学相干层析成像装置1，由光学相干层析成像装置1获得干涉信号后送入计算机9。

在本实施例中，所述光学相干层析成像装置1为频域光学相干层析成像装置，参见图2。此时该光学相干层析成像装置1主要由扫频光源10、光纤环形11、频域光纤耦合器12、2个偏振控制器13、17、光纤准直器14、反射镜15和平衡探测器16组成。扫频光源10发出宽带扫频光，进入到光纤环形11，然后进入到频域光纤耦合器12，由频域光纤耦合器12分成两束光，其中一束由第一偏振控制器13和光纤准直器14进入反射镜15进行反射后经原路回到频域光纤耦合器12。另一束由第二偏振控制器17输出到系统光纤准直器4和二维扫描振镜5进入到扫描物镜6，由扫描物镜6聚焦到于电路板7。电路板7的反射光经原路回到频域光纤耦合器12。两路反射光在频域光纤耦合器12中形成干涉。平衡探测器16同时接收光纤环形11和探测频域光纤耦合器12返回的干涉信号后送入计算机9。

扫频光源采用Exalos的扫频光源ESS-840nm-100KHz，其中心波长为840nm，扫描光谱范围为60nm，扫频速度为100KHz。在根据光学相干层析的横向分辨率计算公式：

$\mathrm{\Δ}x=\frac{4{\mathrm{\λ}}_0}{\mathrm{\π}}\frac{f_{obj}}{d}=0.61\frac{{\mathrm{\λ}}_0}{NA}$

可以计算出系统的横向分辨率为5.124um。根据光学相干层析装置的纵向分辨率计算公式：

$\mathrm{\Δ}z=\frac{2ln2}{\mathrm{\π}}\left(\frac{{{\mathrm{\λ}}_0}^2}{\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ}}\right)$

可以计算出系统的纵向分辨率为5.189um。因此，系统在三维尺度内的分辨率为5.124umx×5.124umy×5.189umz。

纵移平台3和平移平台8在计算机9的控制下配合工作，以此实现扫描物镜6和电路板7之间三维位置关系的调整。为了实现纵移平台3和平移平台8三维关系的调整，在本发明中，纵移平台3和平移平台8的组合可以选择以下3种之一，即：

一种是纵移平台3仅由Z轴运动电机构成时，平移平台8由X轴电机和Y轴运动电机组成；此时纵移平台3在X轴和Y轴上不动，只进行上下移动调整扫描物镜6与电路板7的距离。平移平台8在X轴和/或Y轴方向移动电路板7。

一种是纵移平台3由Z轴运动电机和X轴运动电机组成时、平移平台8仅由Y轴运动电机构成；此时纵移平台3在Y轴上不动，即可以上下移动调整扫描物镜6与电路板7的距离，又可以在X轴方向上移动。平移平台8在Y轴方向移动电路板7。

一种是纵移平台3由Z轴运动电机和Y轴运动电机组成时、平移平台8仅由X轴运动电机构成；此时纵移平台3在X轴上不动，即可以上下移动调整扫描物镜6与电路板7的距离，又可以在Y轴方向上移动。平移平台8在X轴方向移动电路板7。

纵移平台3和平移平台8的运动电机可以采用HIWIN公司的二维直线电机，将其放置在一个大理石平台上，直线电机的定位精度以及重复精度可以达到5um，扫描区域可达450mm×450mm。二维扫描振镜5采用ScanLab公司的二维扫描振镜，有效镜面口径为10mm，扫描物镜采用焦距为100mm的远心F-theta物镜，它可以保证每一个角度入射的光束垂直入射到电路板平面，其扫描区域可达40mm×40mm。将二维扫描振镜5以及扫描物镜6放置于一个可上下移动的平台上，可以实现Z轴的移动，控制扫描物镜与印刷电路板距离，确保焦点位置在电路板平面上。二维扫描振镜6负责扫描40mm×40mm的区域，然后利用直线电机在450mm×450mm移动，可以实现整个印刷电路板区域内盲孔或通孔的扫描。

采用上述系统所实现的一种基于光学相干层析扫描的三维孔形检测系统方法，包括如下步骤：

①计算机9读取预先存储在计算机9中待测的电路板7上盲孔或通孔的位置信息，并控制纵移平台3和平移平台8运动，让固定于纵移平台3上的系统光纤准直器4、二维扫描振镜5和扫描物镜6对放置在平移平台8上的电路板7上的每个盲孔和/或通孔进行逐一扫描。

上述所述计算机9对纵移平台3和平移平台8的控制方式为以下3种之一：即：第一种：计算机9控制纵移平台3在Z轴方向运动、以及控制平移平台8在X轴和/或Y轴方向运动；或第二种：计算机9控制纵移平台3在Z轴和/或X轴方向运动、以及控制平移平台8在Y轴方向运动；或第三种：计算机9控制纵移平台3在Z轴和/或Y轴方向运动、以及控制平移平台8在X轴方向运动。第二和第三种运动方式相同，实际操作过程中可以通过改变坐标系来实现两者的统一。

②对于每个扫描点，光学相干层析成像装置1发出的探测光由光纤2进入系统光纤准直器4，系统光纤准直器4将探测光准直后进入到二维扫描振镜5进行二维扫描，二维扫描振镜5输出的光经扫描物镜6进行聚焦后进入放置在平移平台8上的电路板7，电路板7产生的反射光经原路即依次经扫描物镜6、二维扫描振镜5和系统光纤准直器4后返回至光学相干层析成像装置1，由光学相干层析成像装置1获得干涉信号，由此完成一个扫描点的扫描。

在本实施例中，光学相干层析成像装置1采用频域光学相干层析成像方法，即：扫频光源10发出宽带扫频光，进入到光纤环形11，然后进入到频域光纤耦合器12，由频域光纤耦合器12分成两束光，其中一束由第一偏振控制器13和光纤准直器14进入反射镜15进行反射后经原路回到频域光纤耦合器12；另一束由第二偏振控制器17输出到系统光纤准直器4和二维扫描振镜5进入到扫描物镜6，由扫描物镜6聚焦到于电路板7；电路板7的反射光经原路回到频域光纤耦合器12；两路反射光在频域光纤耦合器12中形成干涉；平衡探测器16同时接收光纤环形11和探测频域光纤耦合器12返回的干涉信号后送入计算机9。

③计算机9分别对光学相干层析成像装置1返回的不同盲孔或通孔的干涉信号进行数据采集并处理，重建出电路板7上每个盲孔和/或通孔的三维结构信息。

④计算机9根据三维结构信息，经图像处理后得到每个盲孔和/或通孔的深度、上下孔径、残胶、底铜破损情况等相关信息，判断电路板上7的盲孔或通孔的质量。

实施例2：

实施例2与实施例1的系统构成和检测方法基本相同，其区别在于基于光学相干层析扫描的三维孔形检测系统中，所使用的光学相干层析成像装置1变更为谱域光学相干层析成像装置，参见图3。此时该光学相干层析成像装置1主要由宽带连续光源18、光隔离器19、谱域光纤耦合器20、3个偏振控制器21、22、25、2个光纤准直器23、26、反射镜24、光栅27、光谱物镜28和线扫描相机29组成。宽带连续光源18发出宽带光谱，经光隔离器19进入到谱域光纤耦合器20，由谱域光纤耦合器20分成两束，其中一束经第一偏振控制器21和第一光纤准直器23进入反射镜24，由反射镜24反射后经原路回到谱域光纤耦合器20。另一束经第二偏振控制器22输出到系统光纤准直器4和二维扫描振镜5进入到扫描物镜6，由扫描物镜6聚焦到电路板7,电路板7的反射光经原路回到谱域光纤耦合器20。两路反射光在谱域光纤耦合器20中形成干涉。干涉光经第三偏振控制器25、第二光纤准直器26进入到光栅27后分成各个准单色光，经光谱物镜28聚焦到线扫描相机29，线扫描相机29的输出连接计算机9。

根据上述光学相干层析成像装置1的结构改进，使得光学相干层析扫描的三维孔形检测系统方法的步骤②中，其光学相干层析成像装置1也相应变更为采用谱域光学相干层析成像方法，即：宽带连续光源18发出宽带光谱，经光隔离器19进入到谱域光纤耦合器20，由谱域光纤耦合器20分成两束，其中一束经第一偏振控制器21和第一光纤准直器23进入反射镜24，由反射镜24反射后经原路回到谱域光纤耦合器20；另一束经第二偏振控制器22输出到系统光纤准直器4和二维扫描振镜5进入到扫描物镜6，由扫描物镜6聚焦到电路板7,电路板7的反射光经原路回到谱域光纤耦合器20；两路反射光在谱域光纤耦合器20中形成干涉；干涉光经第三偏振控制器25、第二光纤准直器26进入到光栅27后分成各个准单色光，经光谱物镜28聚焦到线扫描相机29，线扫描相机29的输出连接计算机9,由计算机9重建出需检测的盲孔和/或通孔的三维结构信息。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变形或替换,这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (4)

1.基于光学相干层析扫描的三维孔形检测系统方法，其特征是包括如下步骤：

①计算机(9)读取预先存储在计算机(9)中待测的电路板(7)上盲孔或通孔的位置信息，并控制纵移平台(3)和平移平台(8)运动，让固定于纵移平台(3)上的系统光纤准直器(4)、二维扫描振镜(5)和扫描物镜(6)对放置在平移平台(8)上的电路板(7)上的每个盲孔和/或通孔进行逐一扫描；

②对于每个扫描点，光学相干层析成像装置(1)发出的探测光由光纤(2)进入系统光纤准直器(4)，系统光纤准直器(4)将探测光准直后进入到二维扫描振镜(5)进行二维扫描，二维扫描振镜(5)输出的光经扫描物镜(6)进行聚焦后进入放置在平移平台(8)上的电路板(7)，电路板(7)产生的反射光经原路即依次经扫描物镜(6)、二维扫描振镜(5)和系统光纤准直器(4)后返回至光学相干层析成像装置(1)，由光学相干层析成像装置(1)获得干涉信号，由此完成一个扫描点的扫描；

③计算机(9)分别对光学相干层析成像装置(1)返回的不同盲孔或通孔的干涉信号进行数据采集并处理，重建出电路板(7)上每个盲孔和/或通孔的三维结构信息；

④计算机(9)根据三维结构信息，经图像处理后得到每个盲孔和/或通孔的深度、上下孔径、残胶、底铜破损情况及其相关信息，判断电路板(7)上的盲孔或通孔的质量。

2.根据权利要求1所述基于光学相干层析扫描的三维孔形检测方法，其特征是步骤①中所述计算机(9)对纵移平台(3)和平移平台(8)的控制方式为以下3种之一：

计算机(9)控制纵移平台(3)在Z轴方向运动、以及控制平移平台(8)在X轴和/或Y轴方向运动；

或计算机(9)控制纵移平台(3)在Z轴和/或X轴方向运动、以及控制平移平台(8)在Y轴方向运动；

或计算机(9)控制纵移平台(3)在Z轴和/或Y轴方向运动、以及控制平移平台(8)在X轴方向运动。

3.根据权利要求1或2所述基于光学相干层析扫描的三维孔形检测方法，其特征是步骤②中所述光学相干层析成像装置(1)采用频域光学相干层析成像方法，即：

扫频光源(10)发出宽带扫频光，进入到光纤环形(11)，然后进入到频域光纤耦合器(12)，由频域光纤耦合器(12)分成两束光，其中一束由第一偏振控制器(13)和光纤准直器(14)进入反射镜(15)进行反射后经原路回到频域光纤耦合器(12)；另一束由第二偏振控制器(17)输出到系统光纤准直器(4)和二维扫描振镜(5)进入到扫描物镜(6)，由扫描物镜(6)聚焦到于电路板(7)；电路板(7)的反射光经原路回到频域光纤耦合器(12)；两路反射光在频域光纤耦合器(12)中形成干涉；平衡探测器(16)同时接收光纤环形(11)和探测频域光纤耦合器(12)返回的干涉信号后送入计算机(9)，由计算机(9)重建出需检测的盲孔和/或通孔的三维结构信息。

4.根据权利要求1或2所述基于光学相干层析扫描的三维孔形检测方法，其特征是步骤②中所述光学相干层析成像装置(1)采用谱域光学相干层析成像方法，即：

宽带连续光源(18)发出宽带光谱，经光隔离器(19)进入到谱域光纤耦合器(20)，由谱域光纤耦合器(20)分成两束，其中一束经第一偏振控制器(21)和第一光纤准直器(23)进入反射镜(24)，由反射镜(24)反射后经原路回到谱域光纤耦合器(20)；另一束经第二偏振控制器(22)输出到系统光纤准直器(4)和二维扫描振镜(5)进入到扫描物镜(6)，由扫描物镜(6)聚焦到电路板(7),电路板(7)的反射光经原路回到谱域光纤耦合器(20)；两路反射光在谱域光纤耦合器(20)中形成干涉；干涉光经第三偏振控制器(25)、第二光纤准直器(26)进入到光栅(27)后分成各个准单色光，经光谱物镜(28)聚焦到线扫描相机(29)，线扫描相机(29)的输出连接计算机(9)，由计算机(9)重建出需检测的盲孔和/或通孔的三维结构信息。