CN212620593U - 一体化pcb线宽线距测量装置及系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种一体化PCB线宽线距测量装置及系统，装置包括3D照明光源、测量镜头、测量相机、2D照明光源支架以及安装于2D照明光源支架上的2D照明光源，所述测量相机设置于测量镜头的上方，所述2D照明光源支架设置于测量镜头和被测量的PCB样品的光路之间，所述2D照明光源支架设有通光孔，所述3D照明光源设置于2D照明光源支架上方，系统包括计算机以及前述的装置，本实用新型的3D光源和2D光源共用测量镜头和测量相机，能够得到PCB线宽线距的2D及3D测量数据并解决2D图像和3D图像之间配准的问题。

Description

一体化PCB线宽线距测量装置及系统

技术领域

本实用新型涉及PCB测量领域，尤其涉及一种一体化PCB线宽线距测量装置及系统。

背景技术

密度不断提升是PCB技术发展的重要特征，突出表现在PCB导线的线宽和线距越来越窄，制造精度要求越发精密。同时高频线路板制造流程中，对PCB导线的线宽和线距公差控制工艺监测要求也越来越高。

目前传统的PCB线宽线距测量方法主要是2D图像测量。这种方法利用相机配合显微放大镜头，在一定照明条件下，拍摄PCB导线的放大图像，再通过数字图像测量方法提取线条参数，最后计算得到线宽和线距。

2D图像主要依靠图像的灰度值，提取线条边缘后计算得到所需的线宽和线距。这个过程中存在以下问题：

1 照明影响：不同角度的照明光源对边缘的位置有一定影响，尤其是线条的上幅宽度，金属侧边到顶面过度部分很难得到清晰稳定的2D图像边缘。

2材质影响：导线金属材料（铜）的氧化程度不同、不同类型的基材（树脂）反光率差别很大，造成图像灰度变化大。2D图像测量，依赖于图像灰度值分布变化，对材质比较敏感。尤其是导线边缘散射区域，严重影响线宽测量。

3透光影响：树脂材料有一定的透光性。比较薄的PCB基材板，比如内层板，背面的铜层反射的照明光会影响图像灰度值分布。

4板材翘曲：板材一般会有局部的翘曲不平整，导致显微镜头成像离焦，成像模糊，从而导致边缘定位不准确。

由于存在前述的4个问题，测量精度和速度难以满足要求。目前各类高精度3D光学测量技术飞速发展，以白光干涉、共聚焦测量为代表的3D测量技术也可以在线宽线距中得到应用，可以有效解决2D图像测量中面临的问题。

3D测量技术，通过白光干涉、共聚焦等测量手段，可以得到样品表面的三维数据，通过三维数据的高度变化，可以很好的提取出线宽和线距信息。3D测量不依赖于灰度值，从而受材质的影响很小。3D测量PCB时，只有样品表面反射的光可以参与测量过程，半透明基材背面的反射光不会影响测量结果。3D测量时，需要在高度方向（Z轴）扫描，只要翘曲后还在扫描范围内，就可以测量出导线的相对高度，因此也不受翘曲的影响。但完全依靠3D测量也存在一定的局限，主要的表现包括PCB板基材（树脂）反光能力很弱，3D数据测量并不准确。导致下幅线宽线距测量不准确。

综上所述，2D加3D测量是PCB线宽线距测量的一个重要方向。但这里面又涉及如何实现准确的2D和3D数据配准，同时保持高速稳定测量的问题。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本实用新型提供一种一体化PCB线宽线距测量装置及系统，能够得到PCB线宽线距的2D及3D测量数据并解决2D图像和3D图像之间配准的问题。

为解决上述技术问题，本实用新型提出的技术方案为：

一种一体化PCB线宽线距测量装置，包括3D照明光源、测量镜头、测量相机、2D照明光源支架以及安装于2D照明光源支架上的2D照明光源，所述测量相机设置于测量镜头的上方，所述2D照明光源支架设置于测量镜头和被测量的PCB样品的光路之间，所述2D照明光源支架设有通光孔，所述3D照明光源设置于2D照明光源支架上方。

优选的，所述3D照明光源设置于测量镜头的外壁。

优选的，还包括分光镜，所述分光镜设置于测量镜头和2D照明光源支架的光路之间，所述3D照明光源朝向分光镜的入射侧。

优选的，所述2D照明光源包括至少一个LED发光管，所述LED发光管沿通光孔的边缘布置。

优选的，所述LED发光管的照明光主轴与水平方向的夹角小于第一预设阈值。

优选的，所述2D照明光源支架距离被测量的PCB样品的高度小于第二预设阈值。

优选的，所述2D照明光源支架为圆环型或方框型结构，所述2D照明光源支架的中空部分形成通光孔。

优选的，所述3D照明光源是LED光源或LD光源或SLD光源。

优选的，所述测量镜头是基于白光干涉原理的3D测量镜头或基于共聚焦原理的3D测量镜头。

本实用新型还提出一种一体化PCB线宽线距测量系统，包括计算机和上述的一体化PCB线宽线距测量装置，所述计算机和一体化PCB线宽线距测量装置的测量相机连接。

与现有技术相比，本实用新型的优点在于：

1）本实用新型通过同一测量镜头和测量相机进行2D测量和3D测量，使得对于同一测量点所获取的3D数据和2D数据水平方向的坐标相同，因此解决了2D测量数据和3D测量数据之间的配准问题；

2）本实用新型通过3D光源测量的3D测量数据可以为2D测量提供准确的PCB样品与测量镜头的相对高度信息，从而解决了2D图像的离焦模糊问题。

附图说明

图1为本实用新型实施例一的装置的结构示意图。

图2为本实用新型实施例二的装置的结构示意图。

图3为本实用新型实施例一及实施例二中2D光源与3D光源的光路图。

图4为本实用新型实施例一及实施例二的2D照明光源支架的结构示意图。

图5为被测量的PCB线宽线距示意图。

图例说明：101-3D照明光源、102-测量镜头、103-测量相机、104-2D照明光源支架、105-2D照明光源、201-PCB基材、202-PCB导线。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本实用新型作进一步描述，但并不因此而限制本实用新型的保护范围。

实施例一

如图1所示，本实施例的一体化PCB线宽线距测量装置包括：3D照明光源101、测量镜头102、测量相机103、2D照明光源支架104以及安装于2D照明光源支架104上的2D照明光源105，测量相机103设置于测量镜头102的上方，2D照明光源支架104设置于测量镜头102和被测量的PCB样品的光路之间，2D照明光源支架104设有通光孔，3D照明光源101设置于2D照明光源支架104上方。其中，3D照明光源101可以是LED光源、LD（半导体激光器）光源、SLD（超辐射半导体激光器）光源，同时包含对应的光束整形系统。测量镜头102可以是基于白光干涉原理的3D测量镜头，或者是基于共聚焦原理的3D测量镜头。测量相机103为CMOS相机或者是CCD相机。

本实施例中，3D照明光源101设置于测量镜头102的外壁，一体化PCB线宽线距测量通过3D照明光源101、测量镜头102和测量相机103实现3D测量。3D测量的光路如图3实线箭头所示，由3D照明光源101发出的照明光通过侧面偶合到测量镜头102中，再沿着测量镜头102的光轴穿过2D照明光源支架104的通光孔垂直发射到被测量的PCB样品的表面 ，形成对被测量的PCB样品的同轴光照明。被测量的PCB样品表面的光同样反射到测量镜头102中，并由测量相机103捕获原始图像信号。通过测量镜头102沿Z轴方向的上下移动获取被测量的PCB样品表面的原始图像信号就可以得到被测量的PCB样品表面的3D测量数据。

本实施例中，2D照明光源105包括至少一个LED发光管，LED发光管沿通光孔的边缘布置，使得2D照明光源105为被测量的PCB样品提供低角度环形照明光。如图3所示，LED发光管的照明光的主轴与水平方向的夹角小于第一预设阈值，本实施例中设置第一预设阈值为10°，要求LED发光管发出照明光的主轴与水平方向的夹角θ≤10°，同时，搭载有LED发光管的2D照明光源支架104距离被测量的PCB样品的高度小于第二预设阈值，本实施例中设置第二预设阈值为10mm，要求2D照明光源支架104距离被测量的PCB样品的高度h≤10mm。

本实施例中，一体化PCB线宽线距测量通过2D照明光源105、测量镜头102和测量相机103实现2D测量。2D测量的光路如图3虚线箭头所示，由2D照明光源105发出照明光以很低的水平夹角发射到被测量的PCB样品表面，以形成对被测量的PCB样品的暗场照明。被测量的PCB样品表面的反射光一部分被测量镜头102收集，并由测量相机103捕获图像信号就可以得到被测量的PCB样品表面的2D测量数据。

本实施例的一体化PCB线宽线距测量装置的2D测量和3D测量均通过测量镜头102和测量相机103进行图像采集，对于被测量的PCB样品表面的同一测量点，通过本实施例的一体化PCB线宽线距测量装置进行2D测量和3D测量时，由于通过相同的测量镜头102和测量相机103进行图像采集，两次测量的区别仅在于光源和测量时装置的高度，光源不同不会影响数据的空间位置；测量时装置的高度不同，也不会影响水平方向的坐标位置（XY坐标）。也就是说对于同一测量点所获取的3D图像数据和2D图像数据水平方向的坐标位置是相同的。因此2D图像和3D图像配准时，只需要把2D图像数据的XY坐标直接作为3D图像数据的XY坐标即可，解决了2D测量数据和3D测量数据之间配准的问题。

本实施例的一体化PCB线宽线距测量装置可根据3D测量的结果为2D测量时测量镜头102相对于被测量的PCB样品表面的的高度设置提供依据。从而在2D测量时使得被测量的PCB样品表面的距离在测量镜头102的景深范围内，可以得到清晰的2D图像。

如图4所示，本实施例中的2D照明光源支架104为圆环型或方框型结构，2D照明光源支架104的中空部分形成通光孔，使得俯视状态下测量镜头102位于2D照明光源支架104的中心，从而使得2D测量以及3D测量时光路畅通无遮挡。

实施例二

如图2所示，本实施例的一体化PCB线宽线距测量装置与实施例一基本相同，区别在于：3D照明光源的照明光通过分光镜106改变方向后照射到被测量的PCB样品表面，分光镜106设置于测量镜头102和2D照明光源支架104的光路之间，3D照明光源101朝向分光镜106的入射侧使得3D照明光源101的照明光从水平方向进入分光镜106后从垂直方向照射到被测量的PCB样品表面。本实施例的分光镜106为1:1分光镜，可以是分光棱镜、分光镜片等可以将入射光分为功率相等，方向垂直的两束光的分光元件，分光镜106和3D照明光源101之间还可根据3D照明光源101的照明光波长选择适当的增透膜。

基于上述实施例中的一体化PCB线宽线距测量装置，本实用新型还提出一种一体化PCB线宽线距测量系统，包括计算机和上述的一体化PCB线宽线距测量装置，计算机和一体化PCB线宽线距测量装置的测量相机103连接。在一体化PCB线宽线距测量系统中，计算机被编程或配置以实现以下步骤：

1）获取被测量的PCB样品表面的3D测量数据，也就是被测量的PCB样品表面各个点在3维空间中的坐标所组成的数据集合；

2）根据3D测量数据得到被测量的PCB样品表面待测导线边缘的高度坐标，也就是图5中PCB导线202与PCB基材201的接触点的高度坐标，用该高度坐标加上测量镜头102的工作距离得到测量镜头102的最佳2D图像拍摄高度；

3）控制测量镜头102运动到最佳2D图像拍摄高度；

4）获取被测量的PCB样品表面的2D测量数据；

5）3D测量数据和2D测量数据配准；

6）根据3D测量数据和2D测量数据计算线宽线距，如图5所示，由3D测量数据获取PCB导线202上幅的边缘线，如图5中的边缘线b、c、f；由2D测量数据获取PCB导线202下幅的边缘线，也就是PCB导线202与PCB基材201的交界线，如图5中的边缘线a、d、e，获得这些边缘线后，可以根据需要计算合适的线宽与线距，比如b到d的距离为线宽，d到e的距离为线距等；

7）控制一体化PCB线宽线距测量装置和被测量的PCB样品做水平相对运动，移动到下一个测量点。

上述只是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型作任何形式上的限制。虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本实用新型。因此，凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本实用新型技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种一体化PCB线宽线距测量装置，其特征在于，包括3D照明光源（101）、测量镜头（102）、测量相机（103）、2D照明光源支架（104）以及安装于2D照明光源支架（104）上的2D照明光源（105），所述测量相机（103）设置于测量镜头（102）的上方，所述2D照明光源支架（104）设置于测量镜头（102）和被测量的PCB样品的光路之间，所述2D照明光源支架（104）设有通光孔，所述3D照明光源（101）设置于2D照明光源支架（104）上方。

2.根据权利要求1所述的一体化PCB线宽线距测量装置，其特征在于，所述3D照明光源（101）设置于测量镜头（102）的外壁。

3.根据权利要求1所述的一体化PCB线宽线距测量装置，其特征在于，还包括分光镜（106），所述分光镜（106）设置于测量镜头（102）和2D照明光源支架（104）的光路之间，所述3D照明光源（101）朝向分光镜（106）的入射侧。

4.根据权利要求1所述的一体化PCB线宽线距测量装置，其特征在于，所述2D照明光源（105）包括至少一个LED发光管，所述LED发光管沿通光孔的边缘布置。

5.根据权利要求4所述的一体化PCB线宽线距测量装置，其特征在于，所述LED发光管的照明光主轴与水平方向的夹角小于第一预设阈值。

6.根据权利要求1所述的一体化PCB线宽线距测量装置，其特征在于，所述2D照明光源支架（104）距离被测量的PCB样品的高度小于第二预设阈值。

7.根据权利要求1所述的一体化PCB线宽线距测量装置，其特征在于，所述2D照明光源支架（104）为圆环型或方框型结构，所述2D照明光源支架（104）的中空部分形成通光孔。

8.根据权利要求1所述的一体化PCB线宽线距测量装置，其特征在于，所述3D照明光源（101）是LED光源或LD光源或SLD光源。

9.根据权利要求1所述的一体化PCB线宽线距测量装置，其特征在于，所述测量镜头（102）是基于白光干涉原理的3D测量镜头或基于共聚焦原理的3D测量镜头。

10.一种一体化PCB线宽线距测量系统，其特征在于，包括计算机和权利要求1~9任一所述的一体化PCB线宽线距测量装置，所述计算机和一体化PCB线宽线距测量装置的测量相机（103）连接。

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