CN105716546B - 一种基于超声光栅的共面度测量系统 - Google Patents
一种基于超声光栅的共面度测量系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于超声光栅的共面度测量系统，包括激光光源、信号发生器、激光扩束系统、声光介质容纳器、超声换能器、计算机、移动平台、光学平台和CCD摄像机，所述激光光源、信号发生器、激光扩束系统、声光介质容纳器以及移动平台均安装在所述光学平台上；激光光源、激光扩束系统和声光介质容纳器按照从前到后的顺序依次设置在所述光学平台上；声光介质容纳器的左侧设置所述超声换能器，所述声光介质容纳器的右侧设置有反射面，以用于反射超声波；所述移动平台用于放置待测物体，并且其与待测物体接触的平面作为参考平面。本发明采用超声光栅的技术，使得测量面积、精度和速度都有提高，能满足高精度快速测量要求。
Description
技术领域
本发明属于测量系统领域，更具体地，涉及一种共面度测量系统。
背景技术
随着微电子封装器件朝着更轻、更小、更高集成度的方向发展，微电子器件在制造和使用过程中，微电子器件中各种封装材料的热膨胀系数失配会导致很多可靠性问题例如基板的翘曲变形。在封装过程中，印刷电路板(PCB基板)、陶瓷基板、硅基板、金属基板的变形翘曲是影响微电子器件的质量、性能和可靠性的重要因素之一。因此，为了提高微电子器件的可靠性和成品率，在封装制造过程中对器件的基板进行翘曲测量是至关重要的，甚至决定了产品的总体热-机械性能。同时，三维(3D)封装是当今电子封装发展的一大趋势，尽管3D封装可有效地缩小封装面积，进行系统的初步整合，但由于其结构复杂，与单芯封装相比，其翘曲度、可靠性与组装合格率控制更有挑战性，高密度及多种封装的介入，使器件的翘曲问题更为突出。
目前监测基板翘曲度测量的技术主要基于激光扫描技术或者是结构光投影方法。激光束的物理扫描过程会导致很低的测量速度。而且传统的检测方式需要通过机械运动来实现参考栅的相移，移动速度慢，对参考栅的精度也有一定要求，而且运动带来震动、噪声和重复相移精度不好，无法满足高精度快速测量要求。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于超声光栅的共面度测量系统，其将超声光栅应用于共面度测量系统中，并采用激光扩束后通过声光介质在待测物体表面或基准面上形成明暗条纹，超声光栅的引入使光栅的稳定性与可调节性得到了很大的提升，所形成的条纹更加清晰，从而使得整个系统的可靠性有很大的保证。
为实现上述目的，按照本发明，提供了一种基于超声光栅的共面度测量系统，其特征在于：包括激光光源、信号发生器、激光扩束系统、声光介质容纳器、超声换能器、计算机、移动平台、光学平台和CCD摄像机，其中，
所述激光光源、信号发生器、激光扩束系统、声光介质容纳器以及移动平台均安装在所述光学平台上；
所述激光光源、激光扩束系统和声光介质容纳器按照从前到后的顺序依次设置在所述光学平台上，以使所述激光光源发射的激光经过所述激光扩束系统扩束后穿过所述声光介质容纳器内的声光介质；
所述声光介质容纳器的左侧设置所述超声换能器，所述声光介质容纳器的右侧设置有反射面，以用于反射超声波；
所述移动平台用于放置待测物体，并且其与待测物体接触的平面作为参考平面；
所述计算机处理捕获的待测物体表面条纹图案强度和参考平面的条纹图案强度后，分别获得参考平面上的相位值φ(x,y)和待测物体表面上的相位值φ'(x,y)，从而得到参考平面与待测物体表面上对应点的相位差Δφ(x,y)，经过计算后求得待测物体表面的高度值h(x,y)；
所述计算机处理捕获的待测物体表面条纹图案强度和参考平面的条纹图案强度后，分别获得参考平面和待测物体表面上的相位值φ(x,y)和φ'(x,y)，从而得到参考平面与待测物体表面上对应点的相位差Δφ(x,y)，经过计算后求得待测物体表面的高度值h(x,y)；
其中，所述参考平面上的相位值φ(x,y)的获取过程如下：
利用相移机构等量改变条纹图的相位2π/N，在参考平面上得到一系列等相差的条纹图案，参考平面上的条纹图案强度为Ii(x,y)，并且
Ii(x,y)＝a(x,y)+b(x,y)cos[φ(x,y)+2πi/N]，其中i＝0,1,2,3...N且N≥2，a(x,y)表示背景光强，b(x,y)为物体表面各点的反射率，φ(x,y)为参考平面上的相位值，然后可得到参考平面的相位值φ(x,y)：
所述待测物体表面上的相位值φ'(x,y)的获取过程如下：
再将待测物体放在移动平台的参考平面上，利用相移机构等量改变待测物体表面上的条纹图的相位2π/N，则在待测物体表面上得到一系列等相差的条纹图案；待测物体表面上的条纹图案强度为Ii'(x,y)，并且
Ii'(x,y)＝a'(x,y)+b'(x,y)cos[φ'(x,y)+2πi/N]，其中i＝0,1,2,3...N且N≥2，a'(x,y)表示背景光强，b'(x,y)为物体表面各点的反射率，φ'(x,y)为待测物体表面相位值，然后得到待测物体表面上的相位值φ'(x,y)：
则可求得待测物体表面的高度值h(x,y)：
其中，L是CCD相机镜头外表面的中心点距参考平面的垂直距离，P是参考平面上的明暗条纹的节距，S是透射光线与CCD相机镜头外表面的中心点的水平距离，Δφ(x,y)是参考平面和待测物体表面上对应点的相位差并且Δφ(x,y)＝φ(x,y)-φ'(x,y)。
优选地，所述N＝3或N＝4。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1)本发明采用超声光栅的技术，使得光栅的精度与可调节性得到了保证，能够在参考平面或待测物体表面形成清晰的条纹。
2)本发明采用激光光源，保证了在参考平面或待测物体上光线的强度，有利于CCD对视场内条纹图案的捕捉，以提高测量精度。
3)本发明采用的是对激光光源进行扩束，扩束后光强度均匀，并且采用超声光栅的技术，使得测量面积、精度和速度都有提高，满足其实际测量要求。
4)在计算相位时，由于相位图之间的减法运算，能够自然地消除掉光照等环境产生的背景噪声，具有很好的抗静态噪声性能。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的超声光栅形成原理图；
图3是本发明的光学测量原理图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
参照图1～图3，本发明的基于超声光栅的共面度测量系统包括激光光源1(激光光源可以为氦氖(He-Ne)激光光源或固体激光器)、信号发生器2、激光扩束系统3、声光介质容纳器4(其内放置有声光介质，声光介质可以为水、钼酸铅晶体或氧化碲晶体等)、超声换能器5、计算机6、移动平台8、光学平台9和CCD摄像机10。
激光光源1、激光扩束系统2、声光介质容纳器4和移动平台8被固定在光学平台上10上，CCD摄像机10放置于声光介质容纳器4旁，用于捕捉在待测物体7表面和移动平台8参考平面的条纹图案强度；CCD摄像机10、信号发生器2和移动平台8都由计算机6进行控制，用以控制超声信号，实现移动平台8的移动和捕捉相应的条纹图案光强。
所述激光光源1、激光扩束系统2和声光介质容纳器4按照从前到后的顺序依次设置在所述光学平台10上，以使所述激光光源1发射的激光经过所述激光扩束系统2扩束后穿过所述声光介质容纳器4内的声光介质；
所述声光介质容纳器4的左侧设置所述超声换能器5，所述声光介质容纳器4的右侧设置有反射面41，以用于反射超声波；
所述的移动平台8用于承载待测物体，其上设置有参考平面，其可以移动，以保证待测物体与光栅投影的角度和距离，从而提高精度
所述计算机6控制信号发生器2发送信号给超声换能器5，超声换能器5将信号发生器2传递的电功率转换成机械功率(即超声波)，超声波在声光介质容纳器4内的声光介质中传播，引起声光介质折射率的周期性变化，使平面的光波波阵面变成褶皱波阵面，激光通过有超声场的声光介质时，如附图2，就会产生光栅效应，在参考平面或待测物体表面形成明暗条纹。
所述激光光源1所发出的激光通过扩束系统3之后，光强均匀透过声光介质，在参考平面或待测物体表面上形成明暗条纹，超声换能器5发出的超声波的频率由计算机6进行控制，CCD摄像机10对准视场下的条纹图案，将其光线强度采集到计算机6中，经过计算便可以分别得到参考平面上的相位值φ(x,y)和待测物体7表面上的相位值φ'(x,y)，然后计算出参考平面和待测物体表面上每个坐标值对应的相位差Δφ(x,y)，最后就能计算出视场下待测物体表面的高度值h(x,y)此时待测物体的三维形貌与共面度均可以由计算机6处理后获得。
计算机6负责图像处理以及通过信号发生器2控制超声光栅的相移，本发明中采用了相移技术，全程通过计算机6控制，求得待测物体7的高度值并且得出其形貌图。
进一步，所述得出待测物体表面的高度值h(x,y)的方法是：将上述捕获的参考平面和待测物体表面上的条纹图案强度，采用相移技术，通过改变光强初始相位来构成光强方程组求解条纹相位。
所述参考平面上的相位值φ(x,y)的获取过程如下：
利用相移机构等量改变条纹图的相位2π/N，在参考平面上得到一系列等相差的条纹图案，参考平面上的条纹图案强度Ii(x,y)通过下式获得：
Ii(x,y)＝a(x,y)+b(x,y)cos[φ(x,y)+2πi/N]，其中i＝0,1,2,3...N且N≥2，a(x,y)表示背景光强，b(x,y)为物体表面各点的反射率，φ(x,y)为参考平面上的相位值，然后可得到参考平面的相位值φ(x,y)：
所述相位值φ(x,y)通过相移技术获得，通过改变光强初始相位来构成光强方程组求解条纹相位，其获取过程如下：
然后再将待测物体放在参考平面上，利用相移机构等量改变条纹图的相位2π/N，在待测物体表面上得到一系列等相差的条纹图案，待测物体表面上的条纹图案强度Ii'(x,y)通过下式获得：
Ii'(x,y)＝a'(x,y)+b'(x,y)cos[φ'(x,y)+2πi/N]，其中i＝0,1,2,3...N且N≥2
优选地，所述N＝3或N＝4，a'(x,y)表示背景光强，b'(x,y)为物体表面各点的反射率，φ'(x,y)为待测物体表面相位值，然后得到待测物体7表面上的相位值φ'(x,y)：
放入待测物体后，采用相同的计算方法，得到相位值φ'(x,y)；
最后获得参考平面和待测物体表面上每个坐标值对应的相位差Δφ(x,y)＝φ(x,y)-φ'(x,y)，则可求得待测物体表面的高度值h(x,y)；
参照图3，过D点的某光束与参考平面交于A点，放上待测物之后，与待测物交于O点。由于受到待测物高度的调制，从CCD摄像机的光学中心看，相当于A点的条纹移到了B点，其相位差值为Δφ(x,y)，根据上下△OAB与△OCD相似可以得到公式：
由于代入上式得：
其中，L是CCD相机镜头外表面的中心点距参考平面的垂直距离，S是透射光线与CCD相机镜头外表面的中心点的水平距离，P是投影到参考平面上明暗条纹的节距，Δφ(x,y)是相位差。
本实施例中激光通过声光介质在待测物体表面形成的条纹随待测物体表面的高低变化而改变，与相移技术相结合，通过计算机配套软件进行相移运算、去包裹运算等处理之后，可以得到待测物体表面的三维形貌与共面度情况，检测过程简单高效、可操作性高而且精度有保证。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种基于超声光栅的共面度测量系统，其特征在于：包括激光光源、信号发生器、激光扩束系统、声光介质容纳器、超声换能器、计算机、移动平台、光学平台和CCD摄像机，其中，
所述激光光源、信号发生器、激光扩束系统、声光介质容纳器以及移动平台均安装在所述光学平台上；
所述激光光源、激光扩束系统和声光介质容纳器按照从前到后的顺序依次设置在所述光学平台上，以使所述激光光源发射的激光经过所述激光扩束系统扩束后穿过所述声光介质容纳器内的声光介质；
所述声光介质容纳器的左侧设置所述超声换能器，所述声光介质容纳器的右侧设置有反射面，以用于反射超声波；
所述移动平台用于放置待测物体，并且其与待测物体接触的平面作为参考平面；
所述计算机控制信号发生器发出声波信号作用于超声换能器上，所述超声换能器的振动在声光介质中形成超声行波或驻波，激光光源发出的激光经过扩束系统扩束后照射在声光介质上并产生光栅效应，从而在视场内形成明暗条纹并且使明暗条纹发生变化，该变化被放置于声光介质一侧的CCD摄像机捕捉到并传送给所述计算机；
所述计算机处理捕获的待测物体表面条纹图案强度和参考平面的条纹图案强度后，分别获得参考平面上的相位值φ(x,y)和待测物体表面上的相位值φ'(x,y)，从而得到参考平面与待测物体表面上对应点的相位差Δφ(x,y)，经过计算后求得待测物体表面的高度值h(x,y)；
其中，所述参考平面上的相位值φ(x,y)的获取过程如下：
利用相移机构等量改变条纹图的相位2π/N，在参考平面上得到一系列等相差的条纹图案，参考平面上的条纹图案强度为Ii(x,y)，并且
Ii(x,y)＝a(x,y)+b(x,y)cos[φ(x,y)+2πi/N]，其中i＝0,1,2,3...N且N≥2，a(x,y)表示背景光强，b(x,y)为物体表面各点的反射率，φ(x,y)为参考平面上的相位值，然后可得到参考平面的相位值φ(x,y)：
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所述待测物体表面上的相位值φ'(x,y)的获取过程如下：
再将待测物体放在移动平台的参考平面上，利用相移机构等量改变待测物体表面上的条纹图的相位2π/N，则在待测物体表面上得到一系列等相差的条纹图案；待测物体表面上的条纹图案强度为Ii'(x,y)，并且
Ii'(x,y)＝a'(x,y)+b'(x,y)cos[φ'(x,y)+2πi/N]，其中i＝0,1,2,3...N且N≥2，a'(x,y)表示背景光强，b'(x,y)为物体表面各点的反射率，φ'(x,y)为待测物体表面相位值，然后得到待测物体表面上的相位值φ'(x,y)：
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则可求得待测物体表面的高度值h(x,y)：
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其中，L是CCD相机镜头外表面的中心点距参考平面的垂直距离，P是参考平面上的明暗条纹的节距，S是透射光线与CCD相机镜头外表面的中心点的水平距离，Δφ(x,y)是参考平面和待测物体表面上对应点的相位差并且Δφ(x,y)＝φ(x,y)-φ'(x,y)。
2.根据权利要求1所述的共面度测量系统，其特征在于，所述N＝3或N＝4，可通过所述计算机进行选择。
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
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