CN202126246U - 一种贴片印刷锡膏快速三维测量系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种贴片印刷锡膏快速三维测量系统,包括结构光投影单元、图像采集单元和计算机;计算机连接控制结构光投影单元和图像采集单元;结构光投影单元包括光源、聚光透镜、线性渐变光栅、远心镜头和控制光栅的移相装置;图像采集单元包括数字相机、偏振片、远心镜头;计算机连接控制数字相机、光源及移相转置。本实用新型通过采用线性渐变光栅代替正弦光栅,根据移相的光栅投影下采集多幅图像来计算各点相位,不需要三角函数,而是线性函数,计算速度快。另外,将光栅周期选择大于锡膏高度可能产生的对光栅的最大调制距离,这样相位展开时得到的锡膏相对高度值应在一个光栅周期范围内,若为负,则加上一个周期,使相位展开变得简单。
Description
技术领域
本实用新型涉及印刷电路板制造技术领域,具体涉及一种电路板上印刷锡膏的三维测量系统。
背景技术
在电子制造业的印刷电路板上安装元器件时,目前通常采用的是表面贴片安装技术(SMT)。工艺过程中,首先要在电路板上印刷锡膏,然后要检测所印刷锡膏的质量,包括面积、体积、形状等,如果有缺陷,则立即修复,以避免后期产品缺陷,需更高的修复成本。同时,调整印刷锡膏的设备参数,以避免更多印刷缺陷。在对印刷锡膏的体积、形状检测中,需要精确检测所印刷锡膏的三维高度。目前市场上同类产品是采用正弦光栅投影、相位移动的相位测量法,即投影光栅亮度呈正弦变化的光栅图案到被检测的印刷了锡膏的电路板上,采集图像,然后移动光栅的相位四分之一周期,再次采集图像,共移动相位、采集图像四次,得到四幅图像:
锡膏相对于电路板的相对高度(即印刷锡膏的厚度)为:
实用新型内容
本实用新型要解决的技术问题是针对现有技术的缺陷,提供一种计算速度快、在线实时检测性能好的贴片印刷锡膏快速三维测量系统。
为解决上述技术问题,本实用新型采用如下技术方案:一种贴片印刷锡膏快速三维测量系统,其特征在于:该系统的结构包括结构光投影单元、图像采集单元和计算机;计算机连接控制结构光投影单元和图像采集单元;结构光投影单元包括光源、聚光透镜、线性渐变光栅、远心镜头和控制光栅的移相装置,远心镜头设于渐变光栅前面,渐变光栅设于光源头面,移相装置连接控制渐变光栅;图像采集单元包括数字相机、偏振片、远心镜头,偏振片设于远心镜头前面,远心镜头设于数字相机前面;计算机连接控制数字相机、光源及移相转置。
该系统的测量方法为:采用亮度呈三角波周期变化的亮度线性渐变光栅投影,然后从与投影方向成角度θ用数字相机采集光栅投影下的锡膏图像;然后移动光栅的相位四分之一周期,采集第二幅图像;然后继续同方向移动光栅的相位四分之一周期,采集第三幅图像;然后再继续同方向移动光栅的相位四分之一周期,采集第四幅图像;根据采集的在不同相位的光栅投影下的四幅图像的灰度值,快速计算得到印刷锡膏的相对于电路板附近位置的相对高度,而不用进行反正切函数计算,其中第四幅图像的灰度值也可以由前三幅图像的灰度值计算得到:
可根据整个三维测量中移相、采集、存储的时间开销与三维高度测量软件运算的时间开销比较进行灵活选择,然后分别计算图像中各锡膏区域像素点对光栅的调制后相位、锡膏相对于电路板附近位置的相对调制相位和相对高度:
各锡膏点相对于邻近电路板基板位置的相对高度为:
其中T、k均为已知常数:,θ是光栅投影光轴与图像采集光轴间的夹角,取值为15~20度范围内;T是投影光栅的周期,取在200~250 μm范围内。
投影采用数字微处理设备投影仪来产生光栅图案,或者采用均匀光源照射玻璃光栅来产生光栅图案。
在每个检测视场区域,计算机控制光源照射,经聚光透镜照射到光栅,产生线性渐变的结构光图案,经远心镜头使光线变为平行光线而减小变形;结构光图案经远心镜头后照射到被检测的印刷了锡膏的电路板上,电路板上印刷的锡膏高度变化会对结构光图案产生调制,计算机同时控制数字相机采集被检测的印刷了锡膏的电路板图像;然后,计算机控制移相装置使光栅移相光栅周期的四分之一距离,重复控制使光源照射,数字相机再次采集图像;如此移相、采集四次,得到四幅在不同相位的相同光栅图案照射下的被检测对象的图像:、、和;其中第四幅图像可以采集,也可以由前三幅图像计算得到:;
投影光栅图案也可直接由数字投影仪分别投影四幅不同相位的光栅图案而产生。
光栅图案投影到没有锡膏的光滑电路板平面,就会产生亮度呈周期性线性渐变的结构光投影光栅图案,但是由于投影光线和图像采集方向存在一个角度θ,且一般在15~20度的范围内,印刷锡膏的厚度变化或者说相对与电路板的高度变化,会提前挡住其后面的光线,使光栅图案产生变化,即对光栅产生了调制;某点的相对高度变化与其所挡住光线的点的相对水平位置间的关系是:,记,则有。
但是高度变化产生的对投影光栅的调制在亮度变化和高度变化上的关系由于光栅的周期性而不是简单的线性关系,使用一中间变量成为相位,对于投影光栅在一个周期内的相位定义为线性从0~8,相位和各点的沿垂直于光栅方向的位置x在每周期内是线性关系:;据此可确定相位和采集的图像灰度间的关系,首先将光栅周期分为四个区域,在移相四分之一周期的四个光栅图案投影下,各点的相位和其位置变化间的关系在四个区域是不同的,第i次光栅投影下采集的图像在像素点的灰度为:
所以得到:
,
在采集四幅图像的过程中,依次移动光栅的相位、采集图像,重复四次,或者第四次图像由前三次的图像数据计算得到,光栅的移动采用压电陶瓷控制光栅每次移动四分之一周期,然后在整个投影采集系统移动到下一个采集视场区域的同时,控制光栅回复到初始位置。
本实用新型通过采用亮度呈线性变化的光栅代替正弦光栅,根据移相的光栅投影下采集的多幅图像来计算各点相位时,不需要三角函数,而是线性函数,计算速度快。另外,将光栅周期选择大于锡膏高度可能产生的对光栅的最大调制距离,这样相位展开时得到的锡膏相对高度值应在一个光栅周期范围内,若为负,则加上一个周期,使相位展开变得简单。
在亮度呈线性渐变的周期光栅投影下,分别改变光栅相位四分之一周期,采集四幅图像,根据四幅图像的灰度值,可以采用简单的线性计算得到各点的高度值,推导有具体的准确计算公式。简单地说就是计算速度快、相位展开简单、不会出错。
附图说明
图1为本实用新型相位测量算法流程图;
图2为本实用新型测量系统硬件结构示意框图;
图3为投影光栅沿垂直光栅方向的位置-亮度线性变化示意图;
图4为投影光栅四次移相后的位置-亮度变化示意图;
图5为四次移相光栅投影下各点相位计算示意图。
具体实施方式
本实施例中,参照图2,所述贴片印刷锡膏快速三维测量系统,系统的结构包括结构光投影单元、图像采集单元和计算机;计算机连接控制结构光投影单元和图像采集单元;结构光投影单元包括光源、聚光透镜、线性渐变光栅、远心镜头和控制光栅的移相装置,远心镜头设于渐变光栅前面,渐变光栅设于光源头面,移相装置连接控制渐变光栅;图像采集单元包括数字相机、偏振片、远心镜头,偏振片设于远心镜头前面,远心镜头设于数字相机前面;计算机连接控制数字相机、光源及移相转置。
参照图1、图3、图4和图5,该系统的测量方法为:采用亮度呈三角波周期变化的亮度线性渐变光栅投影,然后从与投影方向成角度θ用数字相机采集光栅投影下的锡膏图像;然后移动光栅的相位四分之一周期,采集第二幅图像;然后继续同方向移动光栅的相位四分之一周期,采集第三幅图像;然后再继续同方向移动光栅的相位四分之一周期,采集第四幅图像;根据采集的在不同相位的光栅投影下的四幅图像的灰度值,快速计算得到印刷锡膏的相对于电路板附近位置的相对高度,而不用进行反正切函数计算,其中第四幅图像的灰度值也可以由前三幅图像的灰度值计算得到:
可根据整个三维测量中移相、采集、存储的时间开销与三维高度测量软件运算的时间开销比较进行灵活选择,然后分别计算图像中各锡膏区域像素点对光栅的调制后相位、锡膏相对于电路板附近位置的相对调制相位和相对高度:
各锡膏点相对于邻近电路板基板位置的相对高度为:
投影采用数字微处理设备投影仪来产生光栅图案,或者采用均匀光源照射玻璃光栅来产生光栅图案。
在每个检测视场区域,计算机控制光源照射,经聚光透镜照射到光栅,产生线性渐变的结构光图案,经远心镜头使光线变为平行光线而减小变形;结构光图案经远心镜头后照射到被检测的印刷了锡膏的电路板上,电路板上印刷的锡膏高度变化会对结构光图案产生调制,计算机同时控制数字相机采集被检测的印刷了锡膏的电路板图像;然后,计算机控制移相装置使光栅移相光栅周期的四分之一距离,重复控制使光源照射,数字相机再次采集图像;如此移相、采集四次,得到四幅在不同相位的相同光栅图案照射下的被检测对象的图像:、、和;其中第四幅图像可以采集,也可以由前三幅图像计算得到:;
投影光栅图案也可直接由数字投影仪分别投影四幅不同相位的光栅图案而产生。
光栅图案投影到没有锡膏的光滑电路板平面,就会产生亮度呈周期性线性渐变的结构光投影光栅图案,但是由于投影光线和图像采集方向存在一个角度θ,且一般在15~20度的范围内,印刷锡膏的厚度变化或者说相对与电路板的高度变化,会提前挡住其后面的光线,使光栅图案产生变化,即对光栅产生了调制;某点的相对高度变化与其所挡住光线的点的相对水平位置间的关系是:,记,则有;
但是高度变化产生的对投影光栅的调制在亮度变化和高度变化上的关系由于光栅的周期性而不是简单的线性关系,使用一中间变量成为相位,对于投影光栅在一个周期内的相位定义为线性从0~8,相位和各点的沿垂直于光栅方向的位置x在每周期内是线性关系:;据此可确定相位和采集的图像灰度间的关系,首先将光栅周期分为四个区域,在移相四分之一周期的四个光栅图案投影下,各点的相位和其位置变化间的关系在四个区域是不同的,第i次光栅投影下采集的图像在像素点的灰度为:
所以得到:
所以得到:
在采集四幅图像的过程中,依次移动光栅的相位、采集图像,重复四次,或者第四次图像由前三次的图像数据计算得到,光栅的移动采用压电陶瓷控制光栅每次移动四分之一周期,然后在整个投影采集系统移动到下一个采集视场区域的同时,控制光栅回复到初始位置。
以上已将本实用新型做一详细说明,以上所述,仅为本实用新型之较佳实施例而已,当不能限定本实用新型实施范围,即凡依本申请范围所作均等变化与修饰,皆应仍属本实用新型涵盖范围内。
Claims (3)
1.一种贴片印刷锡膏快速三维测量系统,其特征在于:该系统的结构包括结构光投影单元、图像采集单元和计算机;计算机连接控制结构光投影单元和图像采集单元;结构光投影单元包括光源、聚光透镜、线性渐变光栅、远心镜头和控制光栅的移相装置,远心镜头设于渐变光栅前面,渐变光栅设于光源头面,移相装置连接控制渐变光栅;图像采集单元包括数字相机、偏振片、远心镜头,偏振片设于远心镜头前面,远心镜头设于数字相机前面;计算机连接控制数字相机、光源及移相转置。
2.根据权利要求1所述的贴片印刷锡膏快速三维测量系统,其特征在于:所述线性渐变光栅为亮度呈三角波周期变化的亮度线性渐变光栅。
3.根据权利要求1所述的贴片印刷锡膏快速三维测量系统,其特征在于:投影光源采用数字微处理设备投影仪或者均匀光源照射。
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- 2011-05-17 CN CN201120157313XU patent/CN202126246U/zh not_active Expired - Lifetime
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