CN105026882A - 基于颜色的线性三维采集系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于捕获三维图像数据以进行材料涂覆器的检查、对准和操作的系统和方法包括配置成捕获电子基底的三维图像数据的成像系统。成像系统包括一个或多个照明组件，所述照明组件被配置成将光谱基本上沿倾斜的第一轴线投影到电子基底的表面上。成像系统进一步包括配置成检测从电子基底表面反射的光谱的图像传感器组件，其中图像传感器组件包括视平面。材料涂覆包括连接到成像系统的控制器。控制器被配置成控制成像系统的移动并且与图像传感器组件通信以产生电子基底的拓扑的三维图像。

Description

基于颜色的线性三维采集系统和方法
本发明背景 
技术领域
本发明一般涉及用于将材料沉积在诸如印刷电路板的基底上的系统和方法，并且更具体来说，涉及用于检查这些沉积的装置和系统以及方法。
背景技术
存在若干种类型的用于沉积用于多种应用的组装材料(诸如焊料)的现有技术材料涂覆系统。
一种此类应用使用模板印刷机来将焊膏印刷到电路板上。在一种典型的表面安装电路板制作操作中，使用模板印刷机来将焊膏或者一些其他材料印刷到电路板上，所述电路板具有焊膏将被沉积于其上的某种图案的焊盘或者一些其他传导表面。电路板被自动地馈送到模板印刷机中，并且电路板上的一个或多个小孔或标记(称为基准点)用来在将焊膏印刷到电路板上之前将电路板与模板印刷机的模板或丝网适当地对准。一旦电路板已经与印刷机中的模板适当地对准，则电路板升高至模板，焊膏被分配到模板上，并且刮片(或刮板)横扫模板从而迫使焊膏通过形成在模板中的孔并且到板上。在刮片移动横跨模板时，焊膏趋向于在刮片前面滚动，这理想地导致焊膏的混合和剪断，从而获得理想的粘度以促进丝网或模板中的孔的填充。焊膏通常从标准盒分配到模板上。在其他实施例中，可以提供加压头来将焊膏分配到模板中的孔。
在集成电路芯片和其他电子部件组装到电路板基底上的另一种此类应用使用自动分配系统来将精确的非常少量的粘性材料(如点或连续线)分配到电路板上。粘性材料可以包括液体环氧树脂或焊膏或者一些其他相关的组装材料。
在上述两个系统中，常见的是在将此类材料沉积到电路板上之后，使用成像系统来获取电路板的区域的图像，例如在某些实例中，用于检查电路板上的材料的沉积精确度的目的。成像系统的另一个应用涉及在印刷之前模板与电路板的上述对准，以将模板的开口与电路板的电子焊盘对齐。授予给普林斯(Prince)的美国专利号7,458,318中披露一种此类成像系统，该专利由本发明的受让人的附属机构拥有。
对于这些模板印刷机和分配系统的设计所面临的一个挑战在于在单程沉积焊膏之后执行基底的大区域的快速、全面检查的能力。另外，虽然已经开发出方法来通过现有的区域扫描和线扫描格式执行基底(例如，电路板)上的焊膏的一致的二维建模，但是这些方法在许多方面受到限制。在典型实践中，由于成像系统的透镜与基底之间相对短的距离，所以区域扫描和线扫描格式都具有有限的视场。例如，在区域扫描格式中，成像大区域可能需要大量时间，因为成像系统点对点移动以获取基底的大区域。同样，线扫描格式可能需要多程来获取大区域。
发明内容
本发明将在审阅以下附图、详细描述和权利要求之后得到更完整理解。
本发明的一个方面针对材料涂覆器。材料涂覆器包括框架和连接到框架的基底支架，其中基底支架被配置成支撑电子基底。材料涂覆进一步包括连接到框架的材料涂覆设备，其中材料涂覆设备被配置成将组装材料沉积到电子基底上。材料涂覆器进一步包括配置成捕获电子基底的三维图像数据的成像系统。成像系统包括一个或多个照明组件，所述照明组件被配置成将光谱基本上沿倾斜的第一轴线投影到电子基底的表面上。成像系统进一步包括配置成检测从电子基底表面反射的光谱的图像传感器组件，其中图像传感器组件包括视平面。材料涂覆进一步包括至少连接到成像系统的控制器，所述控制器被配置成控制成像系统的移动并且被配置成与图像传感器组件通信以产生电子基底的拓扑的三维图像。
材料涂覆器的实施例可以包括提供一个或多个照明组件，所述照明组件包括至少一个光发射器和配置成会聚光谱的透镜，在某些实施例中，照明组 件可以包括至少一个发光二极管。在某些实施例中，发光二极管可以包括磷光体材料。一个或多个照明组件进一步包括适于在照明组件、电子基底和图像传感器组件之间投影光谱的光径。另外，一个或多个照明组件投影一个或多个线性图案，在某些实施例中，所述线性图案以相反的角度投影以加强线性图案沿视平面交叉以减少电子基底上由于邻接拓扑导致的阴影效应的地方的可测量光。在一些实施例中，可以对准一个或多个线性图案以使得类似颜色叠加在沿视平面的一定范围的高度上。光发射器可以包括棱镜以将光谱分成组成色，在某些实施例中，光谱是连续的色谱并且根据HSV颜色空间或类似的颜色空间来布置。
根据另一个方面，本发明提供一种成像系统，该成像系统被配置成在视平面内捕获沉积在电子基底上的焊膏的三维图像数据。另外，三维图像数据包括入射在表面上的特定色彩和沿视平面的特征。根据一些实施例，特定色彩对应于高度。
根据又一个方面，本发明提供包括处理器的控制器，所述处理器被编程以分析三维图像数据以确定电子基底的拓扑并且确定焊膏沉积在电子基底上的精确度。
根据另一个方面，本发明提供一种连接到框架的模板，所述模板中形成有多个孔，并且其中成像系统被配置成在模板与支架之间操作。
根据又一个方面，一种在基底上成像材料的方法，所述方法包括以下动作：将电子基底递送到材料涂覆器；执行分配操作以将组装材料沉积到电子基底上；将成像系统放置在电子基底上方；将一个或多个光谱基本上沿倾斜的第一轴线投影到电子基底的表面上；检测从电子基底表面反射的一个或多个光谱；以及捕获电子基底的拓扑的三维图像数据。
根据另一个方面，在基底上成像材料的方法进一步包括以下动作：将电子基底放置在印刷位置中；以及将模板放置在电子基底上。根据又一个方面，在基底上成像材料的方法进一步包括以下动作：以线性图案投影一个或多个光谱。一个或多个光谱以线性图案的投影包括以相反的角度投影线性图案以加强线性图案沿视平面交叉以减少电子基底上由于邻接拓扑导致的阴影效应的地方的可测量光，在某些实施例中，该动作包括对准线性图案以使得 类似颜色叠加在沿视平面的一定范围的高度上。根据又一个方面，在基底上成像材料的方法进一步包括以下动作：将成像系统从捕获第一区域的拓扑的三维图像数据的第一位置移动到捕获第二区域的拓扑的三维图像数据的第二位置。根据另一个实施例，在基底上成像材料的方法进一步包括将光谱分成组成色，其中在某些实施例中，该方法进一步包括投影连续的色谱。
根据在基底上成像材料的方法的又一个方面，该方法进一步包括执行电子基底的至少一个区域的三维图像数据的分析，以确定焊膏沉积在电子基底的焊盘上的精确度。在某些其他实施例中，在基底上成像材料的方法进一步包括分析三维图像数据以获得入射在表面上的特定色彩和电子基底的特征，其中在某些实施例中，该方法进一步包括将特定色彩与高度相关联。
附图说明
在附图中，不同视图中的相同附图标记指代相同或类似部分。附图不必按比例，而是强调示出以下论述的特定原理。
图1是本发明的一个实施例的模板印刷机的前部立体图；
图2是根据本发明的一个实施例的丝网印刷机中的成像系统的示意图；
图3是材料沉积或涂覆系统的侧面示意图；
图4是本发明的一个实施例的使用吊架系统、两个材料沉积头以及其他部件的示例性材料沉积系统的部分立体图；
图5是根据本发明的一个实施例的分配器系统中的成像系统的示意图；
图6是描绘由色彩、饱和度以及值(亮度)特征定义的HSV颜色分类系统的图；
图7是根据本发明的一个实施例的描绘HSV颜色空间的独立可测量色彩的HSV六角形圆柱的图；
图8是表示与基底成一个角度并且在光学视平面上交叉的来自右和左照明器的投影的光谱的图；
图9是图8中所示的光学视平面的截面图；
图10是表示对应于图8和9的投影的光谱的高度值的颜色编码尺度的图；
图11是表示来自图8中所示的线性颜色接触图像传感器的图像数据的线的图；以及
图12是根据本发明的一个实施例的用于将焊膏分配到电路板的电子焊盘上的方法。
具体实施方式
仅为了说明目的而非为了限制普遍性，现在将参照附图描述本发明。本发明的应用并不限于以下详细描述中阐述或附图中示出的部件的构造和布置的细节。本发明中阐述的原理能够用于其他实施例并且可以用各种方式来实践或执行。另外，本文使用的措辞和术语是用于描述目的，而不应认为是限制性的。本文中“包括(including/comprising)”、“具有(having)”、“包含(containing)”、“涉及(involving)”以及其在本文中的变体的使用旨在涵盖随后列出项和其等效物以及额外项。
本发明的各个实施例针对材料沉积或涂覆系统、包括这些材料沉积系统的设备以及沉积材料的方法。为了说明的目的，现在将参照用来将组装材料(诸如焊膏)印刷到电路板上的模板印刷系统描述本发明的实施例。另外，将参照用来将材料(诸如半粘性和粘性材料)分配在电子基底(诸如印刷电路板)上的分配器系统描述本发明的实施例。这些材料包括而不限于焊膏、环氧树脂、底部填充材料以及密封剂，所有这些材料用于制造印刷电路板。还可以使用其他较少粘性的材料，诸如导电墨水。
本领域技术人员将了解，本发明的实施例并不限于将焊膏和其他材料沉积到电路板上的模板印刷机和分配器，而是可以用于要求分配其他粘性材料(诸如胶水、密封剂、底部填充料以及适用于将电子部件附接到电路板上的其他组装材料)的其他应用中。因此，本文对于焊膏的任何提及涵盖这类其他材料的使用。另外，术语“丝网”和“模板”在本文可以互换地使用以描述印刷机中定义有待印刷到基底上的图案的设备。在某些实施例中，模板印刷机可以包括由马萨诸塞州富兰克林的速线技术公司(Speedline Technologies,Inc.)提供的或系列模板印刷机平台。
现在参照附图并且更具体来说参照图1，通常在10处指示本发明的一个实施例的模板印刷机。如图所示，模板印刷机10包括支撑模板印刷机的部件的框架12。模板印刷机的部件可以部分地包括控制器14、显示器16、模板18以及通常在20处指示的印刷头组件或印刷头，所述印刷头组件或印刷头被配置成以下文更详细描述的方式涂覆焊膏。
如图1中所示以及以下描述，模板和印刷头可以适当地连接或者以其他方式连接到框架12。在一个实施例中，印刷头20可以安装在印刷头吊架22上，该吊架可以可移动地安装在框架12上。印刷头吊架22使得印刷头20能够在控制器14的控制下沿y轴方向移动并且能够在其啮合模板18时对印刷头施加压力。在一个实施例中，印刷头20可以包括一对刮板叶片，所述刮板叶片放置在模板18上方并且沿z轴方向降下以与模板接触，从而使得刮板叶片啮合模板并且创建密封。一旦啮合，印刷头20的刮板叶片借助于吊架22横跨模板18移动，从而允许焊膏通过形成在模板中的孔印刷到电路板上。
模板印刷机10还可以包括具有轨道24、26的运输机系统，该系统用于将印刷电路板(本文有时称为“印刷接线板”、“基底”或“电子基底”)运输到模板印刷机中的印刷位置。轨道24、26在本文有时称为“牵引馈送机构”，其被配置成将电路板馈送、装载或者以其他方式递送到模板印刷机的工作区域(本文可以称为“印刷巢”)以及从印刷巢卸载电路板。模板印刷机10具有支撑电路板的支撑组件28，该组件升高并且固定电路板以使得电路板在印刷操作期间牢固。在某些实施例中，基底支撑组件28可以进一步包括当电路板处于印刷位置中时放置在电路板下方的特定基底支撑系统，例如固体支架、多个销或柔性工具。基底支撑系统可以部分地用来支撑电路板的内部区域以防止印刷操作期间电路板的挠曲或翘曲。
在一个实施例中，印刷头20可以被配置成从源(诸如分配器，例如在印刷期间将焊膏提供到印刷头的焊膏盒)接收焊膏。可以使用供应焊膏的其他方法来替代该盒。例如，可以在叶片之间或者从外部源手动地沉积焊膏。额外地，在某一实施例中，控制器14可以被配置成使用具有适合的操作系统(诸如Microsoft操作系统)的个人计算机，所述操作系统具 有特定应用软件来控制模板印刷机10的操作。控制器14可以与用来控制用于制造电路板的生产线的主控制器联网。
在一个配置中，模板印刷机10如下操作。使用运输机轨道24、26将电路板装载到模板印刷机10中。支撑组件28将电路板10升高并固定到印刷巢中的印刷位置。随后，将印刷头20沿z轴方向降低直到印刷头的叶片在所需压力下接触模板18。随后通过印刷头吊架22将印刷头20沿y轴方向横跨模板18移动。印刷头20通过模板18中的孔沉积焊膏并且沉积到电路板上。一旦印刷头已经穿过孔完全横穿模板18，则将印刷头提离模板并且将电路板降回到运输机轨道24、26上，其中焊膏沉积留在电路板上。从模板印刷机10释放并运输电路板，从而使得可以将第二电路板装载到模板印刷机中。为了在第二电路板上印刷，将印刷头沿z轴方向降下以接触模板，并且沿与用于第一电路板的方向相反的方向横跨模板18移动。
仍参照图1，可以提供通常在30处指示的成像系统以用于在印刷之前将模板18与电路板对准并且用于在印刷之后检查电路板的目的。在一个实施例中，可以将成像系统30安置于模板18与支撑组件28之间，电路板可以被支撑在该支撑组件上。成像系统30连接到成像吊架32以移动成像系统。在一个实施例中，成像吊架32可以可移动地连接到框架12，并且包括在框架12的侧轨道之间延伸的横梁以提供成像系统30在电路板上方沿y轴方向的来回移动。成像吊架32可以进一步包括行进支撑托架，该托架容纳成像系统30并且被配置成在x轴方向上沿横梁的长度移动。用来移动成像系统30的成像吊架32的构造是焊膏印刷领域中熟知的。该布置使得成像系统30可以位于模板18下方和电路板上方的任何位置处，以分别捕获模板或电路板的预定区域的图像。在其他实施例中，当将成像系统放置在印刷位置之外时，成像系统可以位于模板和电路板上方或下方。
除了图1之外参照图2，成像系统30安置于模板10与电路板90之间，该电路板又由支撑组件(诸如支撑组件28)支撑。成像系统30连接到吊架系统32(图1)，该吊架系统32可以是用来移动印刷头20的吊架的一部分或者可以分开地提供在模板印刷机10内。用来移动成像系统30的吊架系统32的构造是模板印刷领域中熟知的。该布置使得成像系统30可以位于模板 18下方和电路板90上方沿扫描轴线66的任何位置处，以分别确定电路板或模板的预定区域的拓扑。在其他实施例中，当将成像系统30放置在印刷巢之外时，成像系统30可以位于模板18和电路板90上方或下方。
如图2中所示，在一个实施例中，成像系统30包括通常在74处指示的接触图像传感器(CIS)组件，以成像模板(诸如模板18)。CIS组件74具有CIS棒状透镜阵列72、每个都在70处指示的右和左CIS LED照明器以及CIS像素阵列76。在某些实施例中，CIS像素阵列76、棒状透镜阵列72以及右和左照明器70可以配置在一起作为集成成像组件。此组件以及成像系统30也可以称为具有集成LED照明的CIS组件。右和左CIS LED照明器70的构造可以相对于彼此相同。右和左CIS LED照明器70中的每一个可以包括LED阵列、棱镜和聚焦光学器件，并且被配置成将光谱100以相反的角度投影到模板18上。在所示实施例中，CIS像素阵列76是单色种类的，由此仅亮度值可用于创建模板18的灰度图像。在又一个实施例中，CIS像素阵列76以及右和左CIS LED照明器70可以分别与CIS像素阵列96以及外部右和左CIS LED照明器84相同地配置。此配置将使得CIS像素阵列76能够检测入射到模板18的表面的色彩范围，并且因此确定模板18的拓扑特征。在某些实施例中，光谱100可以以相反的角度投影。可替代地，可以使用单个CIS LED照明器来将光谱100投影到模板18上。
仍参照图2，在一个实施例中，成像系统30进一步包括通常在80处指示的CIS组件以成像基底。CIS组件80具有CIS棒状透镜阵列94、CIS像素阵列96以及每个都在84处指示的外部右和左CIS LED照明器。在某些实施例中，像素阵列96和棒状透镜阵列94也可以称为具有外部LED照明器的CIS组件。右和左CIS LED照明器84可以都包括LED阵列、棱镜和聚焦光学器件，并且被配置成与电路板90的成一个角度地投影光谱98。在某些实施例中，光谱98可以以相反的角度投影。可替代地，可以使用单个CIS LED照明器来将光谱98投影到电路板90上。CIS像素阵列96和CIS棒状透镜阵列94可以被配置成基于检测入射在光学视平面86内的电路板90的表面上的特定色彩来确定提供在电路板90上的拓扑特征88，下文将更详细描述。
图3示意性地示出根据本发明的一个实施例的通常在110处指示的分配器。分配器110用来将粘性材料(例如，黏合剂、密封剂、环氧树脂、焊膏、底部填充材料等)或半粘性材料(例如，焊剂等)分配到电子基底112(诸如印刷电路板或半导体芯片)上。分配器110可以可替代地用于其他应用中，诸如用于涂覆汽车衬垫材料或用于某些医学应用中。如以上所描述，应理解，如本文所使用，对粘性或半粘性材料的提及是示例性的并且旨在是非限制性的。分配器110包括通常分别在114和116处指示的第一和第二分配单元或头，以及控制分配器的操作的控制器118。尽管示出两个分配单元，但是应理解，可以提供一个或多个分配单元。
分配器110还可以包括具有用于支撑基底112的底座或支架122的框架120、可移动地连接到框架120以用于支撑和移动分配单元114、116的分配单元吊架124以及用于称重所分配的粘性材料的数量(例如，作为校准程序的一部分)并且将重量数据提供给控制器118的重量测量设备或磅秤126。运输机系统(未示出)或者其他传送机构(诸如步进梁)可以用于分配器110中以控制基底到分配器的装载和基底从分配器的卸载。可以使用电机在控制器118的控制下移动吊架124以将分配单元114、116定位在基底上方的预定位置处。分配器110可以包括连接到控制器118以将各种信息显示给操作者的显示器单元128。可以存在用于控制分配单元的可选第二控制器。
在执行分配操作之前，如以上所描述，必须将基底(例如印刷电路板)与分配系统的分配器对准或者以其他方式配准。分配器进一步包括连接到视觉系统吊架132的视觉系统130，视觉系统吊架132可移动地连接到框架120以支撑和移动视觉系统。尽管与分配单元吊架124分开展示，但是视觉系统吊架132可以使用与分配单元114、116相同的吊架系统124。如以上所描述，视觉系统130用来验证基底上的标志(称为基准点)或其他特征和部件的位置。一旦定位，则控制器118可以被编程以操纵分配单元114、116中的一个或两个的移动以将材料分配到电子基底上。
本发明的系统和方法针对确定基底112的拓扑特征。本文提供的系统和方法的描述参照支撑在分配器110的支架122上的示例性电子基底(例如，印刷电路板)。在一个实施例中，分配操作由控制器118控制，该控制器 118可以包括配置成控制材料分配器的计算机系统。在另一个实施例中，控制器118可以由操作者操纵。
参照图4，通常在200处指示的示例性材料沉积系统或分配器可以从由马萨诸塞州富兰克林的速线技术公司(Speedline Technologies,Inc.)提供的或分配器平台配置。在一个实施例中，材料沉积系统200包括支撑材料沉积系统的部件(包括但不限于位于材料沉积系统的机柜中的控制器，诸如图3中所示的控制器118)的框架和通常在206和207处指示的用于沉积低粘性材料(例如，小于50厘泊)、半粘性材料(例如，50-100厘泊)、粘性材料(例如，100-1000厘泊)和/或高粘性材料(例如，大于1000厘泊)的两个沉积或分配头。沉积头206、207可以通过通常在208处指示的吊架系统在控制器118的控制下沿正交轴线移动，以允许将材料分配到电路板(诸如图3中所示的基底112)上，如以上所提及，所述电路板有时可以称为电子基底或电路板。可以提供但是未示出的盖(未示出)以暴露材料沉积系统200的内部部件(包括沉积头206、207和吊架系统208)。尽管示出和描述两个沉积头206、207，但是可以提供任何数量的沉积头并且属于本发明的范围内。
馈送到材料沉积系统200中的电路板(诸如基底112)典型地具有材料将被沉积到其上的焊盘或其他表面区域的图案。材料沉积系统200还包括运输机系统210，该运输机系统210可以通过沿材料沉积系统的每个侧面提供的开口212接近以将电路板沿x轴方向运输到材料沉积系统中的沉积位置。当由材料沉积系统200的控制器引导时，运输机系统210将电路板供应到沉积头206、207下方的分配位置。一旦到达沉积头206、207下方的位置，电路板就位以用于制造操作，例如沉积操作。
如以上所提及，材料沉积系统200进一步包括视觉检查系统，诸如图3中所示的视觉检查系统130，视觉检查系统被配置成对准电路板并且检查沉积在电路板上的材料。在一个实施例中，视觉检查系统130被固定到沉积头206、207中的一个或者固定到吊架系统208。为了将材料成功地沉积在电路板上，通过控制器118对准电路板与沉积头206、207。对准通过基于来自视觉检查系统的读数移动沉积头206、207和/或电路板来实现。当沉积头 206、207与电路板正确地对准时，操纵沉积头以执行沉积操作。在沉积操作之后，可以执行借助于视觉检查系统的电路板的可选检查以确定已经沉积适当量的材料并且材料已经沉积在电路板上的适当位置处。视觉检查系统可以使用电路板上的基准点、芯片、板孔、芯片边缘或其他可辨识图案来确定适当对准。在检查电路板之后，控制器使用运输机系统来控制电路板到下一个位置的移动，在下一个位置中可以执行板组装过程中的下一个操作，例如，可以将电气部件放在电路板上或者可以固化沉积在板上的材料。
在一些实施例中，材料沉积系统200可以如下操作。可以使用运输机系统210将电路板装载到材料沉积系统200中的沉积位置中。通过使用视觉检查系统来将电路板与沉积头206、207对准。随后通过控制器118启动沉积头206、207以执行沉积操作，其中材料被沉积在电路板上的精确位置处。一旦沉积头206、207已经执行沉积操作，则电路板可以由运输机系统从材料沉积系统200运输，从而使得可以将第二、随后的电路板装载到材料沉积系统中。
参照图5，通常在500处指示本发明的一个实施例的成像系统，该成像系统基本上与图2中所示的成像系统30相同，只是没有例如成像模板的CIS组件74。否则，成像系统500可以与图2的成像系统30相同地配置。因此，CIS组件80可以连接到行进支撑托架78，该行进支撑托架78又可移动地连接到吊架系统132。如以上所描述，具有外部照明器的CIS组件或者具有集成照明的CIS组件可以包括在图3的视觉检查系统130中。为此目的，CIS组件可以被配置成基于检测入射在光学视平面86内的电路板90的表面上的特定色彩来确定提供在电路板90上的拓扑特征88，下文将进行更详细描述。
如示意性地示出，参照图5，CIS组件80包括配置成远心地起作用的棒状透镜阵列94和线性像素阵列96。整个CIS组件80可以称为“CIS光学器件”。在其他实施例中，CIS组件80可由线扫描摄像机取代。重要的是注意，与捕获二维“视场”的典热型区域扫描摄像机相比较，CIS和线扫描摄像机通常具有单个“视线”。另外，区域扫描摄像机系统在透镜与二维“视场”之间具有三维(体积)光径，而CIS或线扫描摄像机仅在创建物体截断 光学平面的单个“视线”的透镜之间具有二维“光学平面”。为此目的，术语“视线”比将暗示二维区域的术语“视场”更精确地描述如由CIS或线扫描摄像机所获取的所关注的一维区域。因此，本文使用的术语“光学平面”描述光线从“视线”到透镜所遵循的光径。
CIS光学器件可以用多种方式来配置。现在将论述一些常见配置。以下配置是实例并且旨在是非限制性的。在一个实施例中，可以使用三线性颜色CIS。此实施例可以包括透镜或棱镜到棒状透镜阵列，以允许用于沿视线的对应红色、绿色和蓝色像素的公共焦点。因此，红色、绿色和蓝色像素值的后续处理将产生精确的色彩和对应的高度值。
如以上所提及，典型CIS光学器件由固有地远心且紧凑的梯度棒状透镜的阵列构成。对于具有典型的棒状透镜阵列的三线性颜色CIS而言，红色、绿色和蓝色像素行的移位使得每个行捕获不同的视线，且因此由于投影的颜色图案的对应横向移位而接收不同的色彩。且不论偏移，红色、绿色和蓝色像素值的后续处理可以产生唯一色彩和基底表面的对应高度值。沿视线的分辨率将对应于不需要内插的标称像素间距。
在又一个实施例中，配置成具有重复的红色、绿色和蓝色像素值的单个行的颜色CIS可以启用公共视线。因此，红色、绿色和蓝色像素值的后续处理可以产生精确的色彩和基底表面的对应高度值。然而，沿视线的分辨率可能由于颜色像素的渐进分组(在此实例中，每三个为一组)而稍微减少，并且可能需要类似于拜耳图案转换的后续内插。
在另一个实施例中，配置成具有单行Foveon像素(每个都由三个垂直堆叠的光电二极管构成)的颜色CIS可以具有公共视线并且可以共同地操作为Foveon直接图像传感器。应理解，上述配置中描述的Foveon直接图像传感器与传统的图像传感器不同。应理解，在Foveon直接图像传感器的可用性之前，像素(光电探测器)数量与用于传统CCD和CMOS图像传感器的像素位置数量之间存在1:1关系。考虑到此关系，通用术语“像素”在本领域中常常用来引用像素(光电探测器)和像素位置两者。Foveon直接图像传感器是在图像传感器上的每个像素位置处具有三个像素(光电探测器)的一种新型图像传感器。因此，如本文使用的像素的定义可以包括传统CCD图像传 感器、CMOS图像传感器和Foveon直接图像传感器。因此，红色、绿色和蓝色像素值的后续处理可以产生精确的色彩和基底表面的对应高度值。沿视线的分辨率可以对应于不需要内插的标称像素间距。
在一个实施例中，CIS LED照明器84可以包括能够产生强烈的光量的布置成阵列的一个或多个发光二极管(白光二极管)，将白光分成组成色的连续光谱的棱镜，以及将投影的颜色会聚成图案的聚焦光学器件，其中高度测量可能横跨CIS光学器件的整个宽度。LED根据需要也可以是错列的、嵌套的和/或“管状的”以促进封装或调整投影的颜色图案的几何形状和均匀度。
组成色的投影的光谱可以是若干颜色空间中的一个，这允许与颜色纯度(饱和度)和相对亮度(值)无关地测量主色(色彩)。图6和7描述一种此类颜色空间，该空间可以称为HSV(色彩、饱和度、值)。图6中，围绕圆锥600的中心垂直轴线608的角度对应于色彩602。从中心垂直轴线608到特定色彩602的距离对应于饱和度606。沿垂直轴线608的距离对应于“亮度”或值604。
图7示出描绘根据一个实施例的HSV颜色空间的独立可测量(主)色彩的HSV六角形圆柱。CIS LED照明器84可以投影包括洋红色610、红色612、黄色614、绿色616、蓝绿色618和蓝色620的颜色中的一个或多个。CIS LED照明器可以被配置成投影对应于HSV圆柱600的可测量值(所述值可以被转化为0°与360°之间的值或者诸如0-255(8位)、0-1024(10位)等的任何适当单位)的非重复色彩的图案。所列出的单位转化并不意味着限制性，而应显而易见的，值可以被转化为对于后续操纵、处理、存储而言最实用或方便的单位，或者获得所需分辨率。例如，8位提供256个分区并且实现存储器中高效且紧凑的存储。另外，这将提供在1mm距离内的3.9um刻度(1000um/256-3.9um)，这对于一些应用而言可以是适当的范围和分辨率。其他应用可能需要更高分辨率，且因此需要更多位来促进更小(更精细)分区。
在一个示例性实施例中，CIS LED照明器投影唯一且在工作光谱内连续地渐进的颜色图案。颜色的此连续渐进防止在物体的自然反射偏好特定波长 时可能发生的明显色彩的变化。在HSV颜色空间中，色彩与饱和度及相对值或“亮度”无关。在此实施例中，仅一个色彩沿视线在任何特定高度入射在物体上。可以与那个波长下给定位置处的给定物体的反射效率或相对亮度无关地精确地检测色彩。
参照图8，在一个实施例中，通常在800处指示的成像系统组件由光的一个或多个投影的图案构成，所述光代表沿CIS或线扫描摄像机的整个工作宽度的一个范围的高度测量。在所示实施例中，成像系统800由从一个或多个CIS LED照明器(每个都在803处指示)投影的投影颜色的右和左图案(每个都在802处指示)构成。具有组成或供应的特征810(诸如焊膏)的基底808由基底支架820支撑，并且定位在CIS组件804下方，CIS组件804又容纳包括光感测像素814的线性阵列的图像传感器。图像传感器814由单行重复的红色、绿色和蓝色(RGB)敏感像素构成，所述图像传感器814与棒状透镜阵列94(图5)一起具有在光学平面806的整个宽度上的公共视线。为此目的，入射到部件表面818的投影的颜色802的右和左图案穿过光学平面806行进到棒状透镜阵列94(图5)并且到达线性像素阵列814。这使得能够沿像素阵列检测位置816处的主色彩。以下将参照图9和10进一步论述基底部件表面818的对应高度值。
在图11中所示的一个实施例中，表示来自图像传感器814(图8)的一行颜色图像数据。在此实施例中，入射到部件818(图8)的主色彩由位置816(图11)处的图像传感器814(图8)检测。CIS光学器件的宽度和分辨率基于图像传感器814(图8)内的像素的红色、绿色和蓝色行的布置。LED阵列、棱镜和CIS光学器件的聚焦光学器件的设计可以根据需要来修改以设置光谱图案的工作距离、密集度和尺寸，以使得能够沿CIS摄像机的整个工作宽度进行特定范围的高度测量。棒状透镜阵列94(图5)的设计还可以根据需要修改以设置工作距离，从而为光802(图8)的投影图案提供所需的间隙。
返回到图8，成像系统800包括至少两个LED照明器803，所述LED照明器803与光学平面成一个角度地投影聚焦的颜色光谱以使得可以通过检测入射在基底表面上的色彩来确定特定范围的高度测量。此配置的益处在于两 个或更多个CIS LED照明器以相反的角度投影颜色光谱，这加强它们沿光学平面交叉并且进一步减少沿视线的表面上由于邻接拓扑导致的任何阴影效应的地方的可测量信号。相反的颜色光谱沿视平面叠加在一个范围的高度上。为此目的，颜色的混合维持投影的色彩的纯度并且最小化由于被照明表面的反射偏差(自然颜色)导致的检测到的色彩的任何变化。
如图9中所示，并且额外参照图8，通常在900处示出沿垂直光学平面的来自两个照明器803的投影颜色802(图8)的一维横截面。投影的基础色彩904和最大色彩值906位于垂直光学平面806的底部。在一个实施例中，投影的颜色将相对于HSV颜色系统来布置并且将被渐进地并且适当地排序。例如，基础颜色904将对应于红色色彩的值并且最大色彩值将是蓝色色彩的值。因此，在此实例中，投影的颜色将处于垂直图案902中基础色彩值904与最大色彩值906之间，并且将从红色、到黄色、到绿色、到蓝绿色并且最终到蓝色平滑地且连续地过渡。
除了图8和9，现在参照图10，通常在640处指示对应颜色编码的高度的尺度。在所示实施例中，尺度640基于HSV颜色系统并且由垂直图案化的渐进颜色构成。根据所示实施例，对应于最小和最大尺度的色彩被分别标出为658和650。在所示实施例中，基线色彩656可以被投影在重复的图案中以说明从基底808到基底支架820的高度偏移。为此目的，基线色彩656上方的色彩(标出为654、652和650)可以直接对应于高度值。例如，到达图像传感器814(图8)的色彩(主要是红色)随后可以位于图10中的尺度上的656处。因此，检测出的色彩代表工作基线，并且指示在沿视线的对应位置处仅存在裸基底808(图8)。同样，在基线色彩656上方的主要色彩可以指示存在升高的特征。例如，如果黄色是818(图8)处的主要色彩，并且该特定色彩由图像传感器816(图8)检测，则这可以指示升高的拓扑。基线色彩656与色彩654之间的差异或改变归因于基底808的拓扑。此改变在转换为工程单位之后对应于此拓扑在基线上方的相对高度。
在一个可替代实施例中，在某些实施例中可以测量图6中所示的“亮度”或值604。返回到图2，左和右LED照明器70可以被配置成与模板18成一个角度地投影单色色彩100。根据一个实施例，“亮度”值604可以由 控制器(例如，图1中所示的控制器14)单独地使用，以用于在印刷或分配操作之前或之后识别、对准或检查物体的目的。
现在转向图12，通常在150处指示用于将焊膏分配到电路板的电子焊盘上的方法。如图所示，在154，执行材料涂覆操作。在一个实施例中，通过运输机系统将印刷电路板递送到模板印刷机，例如以执行印刷操作。参照图1，通过运输机轨道将电路板递送到印刷巢。一旦被递送，电路板可以被放置在支撑组件顶部的印刷巢内并且随后使用成像系统来与模板精确地对准，并且由支撑组件升高以使得其保持在印刷位置中。接下来，降低分配头以啮合模板从而将焊膏沉积到电路板上。一旦完成印刷，则可以进行电路板和/或模板的检查。模板检查也可以独立地并且与电路板运输到印刷巢区域和从印刷巢区域运输同时地执行。
接下来，电路板的区域进入CIS光学器件的视线中。在156，通过用色谱照明视线来成像电路板(或模板)。色谱可以以相反的角度投影。一旦电路板(或模板)被充分地照明，则在158，CIS光学器件可以检测在远心透镜的整个宽度上入射到电路板(或模板)的表面的一个或多个色彩。检测到的唯一色彩对应于电路板(或模板)的高度。随后，将色彩转换为代表高度的标量值并且由控制器存储。
接下来，成像电路板或模板的后续区域。在162，通过将电路板相对于一个像素或者任何数量的像素(取决于所需分辨率)移动来执行电路板的整个长度的成像。在控制器的引导下，成像系统沿x轴线继续移动电路板，以检测入射到电路板表面的色彩，以例如用于检查目的。在其他实施例中，作为捕获入射到电路板表面的色彩的替代或添加，方法150可以包括捕获入射到模板表面的色彩。
一旦已经处理了电路板并且在160处存储入射到电路板表面的一系列色彩值，则在164，可以将电路板的3D表示显示给用户。在其他实施例中，3D表示可以进一步由控制器处理并且用来执行电路板的分析。
在一个实施例中，可以使用视觉系统30(图1)来执行纹理辨识方法，诸如以下专利中披露的方法：授予给普林斯(Prince)的标题为“用于检测沉积在基底上的焊膏的方法和装置(METHOD AND APPARATUS FOR DETECTING  SOLDER PAST DEPOSITS ON SUBSTRATES)”的美国专利号6,738,505，该专利由本发明的受让人的附属机构拥有并且以引用的方式并入本文。授予给普林斯(Prince)的标题为“用于检测印刷的焊膏中的缺陷的系统和方法(SYSTEMS AND METHODS FOR DETECTING DEFECTS IN PRINTED SOLDER PASTE)”的美国专利号6,891,967也由本发明的受让人的附属机构拥有并且以引用的方式并入本文；并且增进了美国专利号6,738,505的教导。具体来说，这些专利教导用于确定焊膏是否适当地沉积到位于印刷电路板上的预定区域(例如，铜接触焊盘)上的纹理辨识方法。
根据本发明的各个实施例，可以实现若干优点。例如，所披露的装置和方法能够执行基底表面的快速、100％检查。此检查可以包括使用一维技术产生基底的3D表示。另一个优点在于CIS组件和LED照明器的紧凑性质，这使得能够以有限的用于检查硬件的空间放置于系统内。然而，应理解，本发明的各个实施例的各方面也可以包括在独立检查系统中。可以实现其他优点。
虽然本发明已经参照其具体实施例来展示和描述，但是本领域技术人员将理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以在其中进行形式和细节的各种改变，本发明的范围仅受限于以下权利要求书。

Claims (28)

1.一种材料涂覆器，包括：
框架；
连接到所述框架的基底支架，所述基底支架被配置成支撑电子基底；
连接到所述框架的材料涂覆设备，所述材料涂覆设备被配置成将组装材料沉积到所述电子基底上；
配置成捕获所述电子基底的三维图像数据的成像系统，所述成像系统包括
一个或多个照明组件，所述照明组件被配置成将光谱基本上沿倾斜的第一轴线投影到所述电子基底的表面上，以及
配置成检测从所述电子基底表面反射的所述光谱的图像传感器组件，所述图像传感器组件包括视平面；以及
至少连接到所述成像系统的控制器，所述控制器被配置成控制所述成像系统的移动并且被配置成与所述图像传感器组件通信以产生所述电子基底的拓扑的三维图像。
2.如权利要求1所述的材料涂覆器，其中所述一个或多个照明组件中的一个包括至少一个光发射器和配置成会聚所述光谱的透镜，以及适于在所述照明组件、所述电子基底和所述图像传感器组件之间投影所述光谱的光径。
3.如权利要求2所述的材料涂覆器，其中所述光发射器包括至少一个发光二极管。
4.如权利要求3所述的材料涂覆器，其中所述至少一个发光二极管包括磷光体材料。
5.如权利要求2所述的材料涂覆器，其中所述光发射器包括棱镜以将所述光谱分成组成色。
6.如权利要求5所述的材料涂覆器，其中所述光谱是连续的色谱。
7.如权利要求5所述的材料涂覆器，其中所述光谱根据HSV颜色空间或类似的颜色空间来布置。
8.如权利要求1所述的材料涂覆器，其中所述一个或多个照明组件投影一个或多个线性图案。
9.如权利要求8所述的材料涂覆器，其中所述一个或多个线性图案以相反的角度投影以加强所述线性图案沿所述视平面交叉以减少所述电子基底上由于邻接拓扑导致的阴影效应的地方的可测量光。
10.如权利要求9所述的材料涂覆器，其中对准所述一个或多个线性图案以使得类似颜色叠加在沿所述视平面的一定范围的高度上。
11.如权利要求1所述的材料涂覆器，其中所述成像系统被配置成在所述视平面内捕获沉积在所述电子基底上的焊膏的三维图像数据。
12.如权利要求11所述的材料涂覆器，其中所述三维图像数据包括入射在表面上的特定色彩和沿所述视平面的特征。
13.如权利要求12所述的材料涂覆器，其中所述特定色彩对应于高度。
14.如权利要求1所述的材料涂覆器，其中所述控制器包括处理器，所述处理器被编程以分析所述三维图像数据以确定所述电子基底的拓扑，从而确定所述焊膏沉积在所述电子基底上的精确度。
15.如权利要求1所述的材料涂覆器，其进一步包括连接到所述框架的模板，所述模板中形成有多个孔，并且其中所述成像系统被配置成在所述模板与所述支架之间操作。
16.一种在基底上成像材料的方法，所述方法包括：
将电子基底递送到材料涂覆器；
执行分配操作以将组装材料沉积到所述电子基底上；
将成像系统放置在所述电子基底上方；
将一个或多个光谱基本上沿倾斜的第一轴线投影到所述电子基底的表面上；
检测从电子基底表面反射的所述一个或多个光谱；以及
捕获所述电子基底的拓扑的三维图像数据。
17.如权利要求16所述的方法，其进一步包括：
将所述电子基底放置在印刷位置中；以及
将模板放置在所述电子基底上。
18.如权利要求16所述的方法，其进一步包括以线性图案投影所述一个或多个光谱。
19.如权利要求18所述的方法，其进一步包括以相反的角度投影所述线性图案以加强所述线性图案沿视平面交叉以减少所述电子基底上由于邻接拓扑导致的阴影效应的地方的可测量光。
20.如权利要求19所述的方法，其进一步包括对准所述线性图案以使得类似颜色叠加在沿所述视平面的一定范围的高度上。
21.如权利要求16所述的方法，其进一步包括将所述成像系统从捕获第一区域的拓扑的三维图像数据的第一位置移动到捕获第二区域的拓扑的三维图像数据的第二位置。
22.如权利要求16所述的方法，其进一步包括将所述基底从由所述成像系统捕获作为第一区域的拓扑的三维图像数据的第一位置移动到由所述成像系统捕获作为第二区域的拓扑的三维图像数据的第二位置。
23.如权利要求16所述的方法，其进一步包括沿光径投影所述光谱。
24.如权利要求16所述的方法，其进一步包括将所述光谱分成组成色。
25.如权利要求24所述的方法，其进一步包括投影连续的色谱。
26.如权利要求16所述的方法，其进一步包括执行所述电子基底的所述至少一个区域的三维图像数据的分析，以确定焊膏沉积在所述电子基底的焊盘上的精确度。
27.如权利要求16所述的方法，其进一步包括分析所述三维图像数据以获得入射在表面上的特定色彩和所述电子基底的特征。
28.如权利要求27所述的方法，其进一步包括将所述特定色彩与高度相关联。
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