JP4620870B2 - 陰影像センサデータからの電子部品のトモグラフィー的再構成 - Google Patents

Description

【０００１】
発明の分野
本発明は、捕捉・位置決め機におけるように、プリント基板上に置くために電子部品を方向付けるステップのような、システムにおける対象物のｘ、ｙ及びθ方向を計算するための方法に関する。
【０００２】
発明の背景
光学的センサに組み込まれた電子陰影技法は、今日の電子産業において、電子部品をプリント回路基板上に装備するための捕捉・位置決め機に広く用いられる。最も一般的に用いられる配置整列センサの１つは、ミネソタ州ゴールデンバレーのサイバーオプティクス社（CyberOptics Corporation）によって製造され、レーザーアライン（LaserAlign：登録商標）部品配列センサとして販売される。レーザーアライン形式のセンサは、光の筋（stripe）に収束させられる光を用い、その光は、典型的には、電子部品の側面上を照射し、それによって検出器上に投影される陰影を形成する。電子部品が（捕捉・位置決め機によってｘ、ｙ、およびｚ方向に制御されるノズルによって）回転させられる時、検出器上に投影された陰影の幅が変化する。陰影の幅が先端で最小になると、ノズルの回転軸に関して部品の１本の軸及びそれの方向（即ち、角位置）で部品の位置が明らかになる。その後捕捉・位置決め機は部品をほぼ９０度回転させ、別の方向での部品の位置を確定するために同一プロセスを再度完了する。部品がプリント基板上に正確にセットされる前に、センサの出力及びセンサ出力の付随処理が、捕捉・位置決め機が実行しなければならない並進運動及び回転運動について指示する。参照してここに組み込まれる本発明と同一の指定代理人が所有するスクネス（Skunes）らに付与された米国特許第５，２７８，６３４号はレーザーアライン（登録商標）型センサを開示している。
【０００３】
向き決めプロセスは、一般的には、捕捉・位置決め機が、位置決めのために目標のプリント回路に部品を搬送している間に実行される。向き決めプロセスが部品の搬送と同時に実行される時、向き決めプロセスは、「オンヘッド（on-head）式」あるいは「オンザフライ（on-the-fly）式」測定法と呼ばれることがある。反対に、「オフヘッド（off-head）式」測定法は、センサが捕捉・位置決めヘッドに固定されるのではなく、むしろヘッドに対して相対的に静止される時に実行される。
【０００４】
しかし、電子部品に尖った角がない場合は、電子部品を方向付ける目的にはこれらのセンサからのデータが最適ではないことがときどきある。さらに、ときには速度を犠牲にすることなく複雑な電子部品の輪郭のより高い解像度を入手できることが望ましい。
【０００５】
発明の概要
本発明の１つの態様は、対象物の輪郭を頂点のセットから作ることができるように不透明な対象物の輪郭を表す１セットの頂点を提供する新規方法を含む。本方法は、対象物をある角度に維持している間にその対象物の陰影を検出器上に投影し、その後陰影像の少なくとも１つの辺縁を検出するステップを含む。陰影像における少なくとも１つの辺縁が判明したら、少なくとも１つの陰影辺縁とそれに対応する角度によって形成されたデータ対が好ましくは保存される。投影及び検出のステップは、複数のデータ対が保存されるまで繰返される。最後に複数のデータ対から１セットの頂点が計算される。対象物の輪郭は、例えばその対象物の輪郭を見るときに使用するために頂点セットをプロットすることによって作ることができる。
【０００６】
本発明の方法は、捕捉・位置決め機がプリント基板上に電子部品を正確に置く電子組立工業において有用である。本発明から電子部品の頂点セットが明らかになれば、捕捉・位置決め機において既知の基準軸と比較して電子部品の位置及び角度を計算し、プリント基板上でのその電子部品の望ましい位置及び角度と比較することができる。捕捉・位置決め機に対する修正指示は、望ましい位置と捕捉・位置決め機がプリント基板上にその電子部品を正確に置けるように実行する現在位置との関数として計算される。
【０００７】
別の態様では、本発明の陰影を投影するステップを実行する光源及び検出器を備えた光学センサも又開示する。センサは、センサ内で検出器から受信した陰影像の辺縁の位置を定め、頂点セットを計算し、さらに任意で検査中の電子部品の輪郭を再構成する本発明の処理電子機器に接続されている。別の実施態様では、辺縁検出及び処理電子機器はセンサ内に位置している。
【０００８】
図面の簡単な説明
図１は、本発明のセンサを含む捕捉・位置決め機の図である。
図２Ａは、捕捉・位置決め機においてモータ制御電子機器、モータ駆動装置及びプリント基板上の電子機器と一緒に使用される図１に記載のセンサの図である。
図２Ｂは、本発明を実行するためのハードウエアの１つの実施態様である。
図３Ａ〜３Ｊは、θ₁〜θ₅の様々な角位置での本発明のセンサにおける検出器からのアウトプット、及びその結果として生じた各角度θ₁〜θ₅についての陰影像の２つの状態の表現を示す対のグラフである。
図４は、本発明の１つの実施態様に従ったステップを示すフローチャートである。
図５は、光源とセンサ内における検出器上に投影された対象物の陰影像との関係を示す図である。
図６Ａ及びＢは、本発明に従った再構成プロセスにおけるステップを示している。
便利であるように、図中の同一参照記号を有する品目は同一であり、同一若しくは類似機能を果たす。
【０００９】
実例的実施態様の詳細な説明
本発明は、陰影が投影されたときのノズルの角度及び対象物によって検出器上に投影された陰影の少なくとも１つの辺縁位置を含むデータ対を使用して、対象物の輪郭を再構成するためのトモグラフィー的再構成装置及び方法を提供する。陰影はセンサ内の検出器上に投影され、その間に対象物はセンサに対して回転させられる。この方法は、例えば図１に示されているような捕捉・位置決め機１０において使用できる。
【００１０】
図１は、ｘ若しくはｙ方向のどちらかにヘッド２を移動させるために個別モータ駆動装置（図示されていない）を有する捕捉・位置決め機１０を示している。捕捉・位置決め機には、標的プリント基板６上に置くために電子部品４を持ち上げたり、下ろしたり、角回転させたりするための追加のモータ及びモータ駆動電子機器（図２Ａ参照）が備えられている。プリント基板６は矢印１４によって指示されている方向にコンベヤシステム１２に沿って移動する。捕捉・位置決め機１０は、電子部品４の方向を測定するための本発明の陰影投影センサ８と一緒に示されている。
【００１１】
センサ８はヘッド２が電子部品４を基板６上の適切な位置に向かって動かしている間に感知測定を実施できるので、「オンヘッド」形状でヘッド２の下に取り付けられている。しかし、本発明は、一般に「オフヘッド」、「オンザフライ」及びその他のタイプの測定下で作動するような工業で知られているものを含むあらゆるタイプの捕捉・位置決め機と一緒に実行することができる。ヘッド２が電子部品を標的基板６上に置いて基板が完全に稠密化された後には、コンベヤシステム１２によって次の基板がヘッド下の適切な位置に移動させられ、プロセスが再び新たに始められる。
【００１２】
図２Ａでは、センサ８は、捕捉・位置決め機１０又は別の制御装置に配置されたカードケージ２４内のプリント基板２２にセンサ８を電子的に結合させている出力ケーブル２０と一緒に示されている。モータ及び制御電子機器ブロック２６は、捕捉・位置決め機工業において一般に使用されているノズル及び中空軸組立体２８によって適正な位置に保持される電子部品４のｚ方向の運動並びに正確な角運動を提供する。ノズル及び中空軸組立体２８はそれらを通って伸びている軸１５を有する。センサ８内に配置された検出器１１を含む電子機器は同軸ケーブル２０にデータを出力するが、そのデータは検出器１１上に投影された電子部品４の陰影の輪郭を表している。データの転送は、各電子部品を置くために必要な時間量を低減させるために好ましくはリアルタイムで行われる。センサ電子機器は、ＣＣＤアレイ検出器１１、ＣＣＤアレイへ刻時波形を適用するための回路、ＣＣＤアレイ１１からのビデオ信号をデジタル化するためのＡ／Ｄ変換器５０、コンピュータへ転送するためにデジタル出力をケーブル５４へ結合させるためのデジタルインタフェース電子機器５２、及び総合的センサ作動を調整するためのデジタル制御電子機器から構成される。捕捉・位置決め機１０は、ブロック２６内の正確な角エンコーダの電子出力及び基板２２上の電子機器を通してのセンサ８からの出力に基づいて、ヘッド２上のモータおよび制御ブロック２６への指示を計算及び提供する少なくとももう１つの基板３０を含む。本発明の別の実施態様では、頂点のセットを提供するためのすべての電子機器はセンサ８のハウジング１３内に配置されている。
【００１３】
図２Ｂは、捕捉・位置決め機１０内のセンサ８及び基板２２上の電子機器において実行される本発明のハードウエアのある実施態様を示している。電子部品４はノズル組立体２８上で様々な角度θに回転させられる。視準光源７からの平行光線は検出器１１の上に照射され、検出器１１上に陰影像を作り出す。検出器１１は、好ましくは線形検出器アレイであり、１３×１３μｍサイズの１，０２４ピクセルを有し、各ピクセルは検出器１１上に投影された陰影の強度を表すグレースケール・アナログ値を出力する。線形アレイ検出器については様々な出力フォーマットがあるが、検出器１１において全ピクセルをクロックアウトするために必要な時間が減少するので２タップ出力が好ましい。アナログ−デジタル変換器５０が検出器１１からの出力を受信し、それを好ましくは１０ビットの解像度でデジタル値に変換する。変換器５０の出力は、ケーブル５４を通して伝送する目的で信号をフォーマットするためにインタフェース電子機器５２に接続されている。インタフェース電子機器５６は信号をデジタル・フォーマットに変換し、好ましくはインテル（Intel：登録商標）チップに統合されたプロセッサ５８は、ここで開示される辺縁検出アルゴリズム６０のためのコード化と、６２で示されここで式２によって与えられる頂点計算を含んでいる。任意で、頂点のセットはビデオプロセッサブロック６４に提供され、ビデオプロセッサブロックは電子部品４の輪郭を描出するために、ｘ、ｙ点のセットをプロットする。
【００１４】
電子部品が回転させられている間（この回転は、投影された陰影の有効幅が最小になるまで）に、該有効幅が、電子部品のｘ、ｙ相対位置を確立するために評価されるという原理に基づいて、光源及び何らかの種類の検出器と一緒に作動するあらゆるその他の電子機器は、本発明の方法と一緒に使用することができる。
【００１５】
光源７は、好ましくはセンサ８内に置かれる。好ましい実施態様では、光源７はレーザーダイオード、点光源又は電子部品４の近傍に実質的に平行な光線を提供する付随光学部品を備えたその他の光源である。しかし、本発明を実行するためには十分な光線強度を有するあらゆる光を使用することができ、非可視照射線でさえ、そうした放射線を検出するための検出器と適合する場合には使用することができる。スクネスら特許に記載されている方法と同様に、本発明は何らかの特定タイプの光源には限定されない。特に、光線の波長、干渉性、及び位相のどれも本発明においては重要ではない。光源にとっての主要な規準は、電子部品を受け入れる窩洞領域を通過した後に、及び（センサ８のハウジングに）フィルタが存在する場合は該フィルタを通過した後に検出器で受信された光が電子機器についての強力な信号を提供するのに十分な強度を有するように、十分な強度の光線を提供することである。本発明はさらに又、陰影を投影するために使用される光線を提供するために複数光源若しくは代替配列を用いて実行することもできる。さらに、本発明は本特許出願で示されているハウジングの特定実施には限定されない。
【００１６】
発生させられた陰影の位置及び角度を使用すると、対象物の凸状の輪郭又は凸状の外殻を再構成することが可能である。凸状外殻は部分の輪郭に正確には対応せず、対象物の長さの周囲できっちりと伸ばされているゴムバンドによって推定される形状として想像できることに注目されたい。例えば、外側輪郭内に設けられた数多くの間隙を有する１個のホッチキスを考えていただきたい。本発明によって提供されるホッチキスの凸状外殻はその全長の周囲で引き伸ばされたゴムバンドを備えたホッチキスの輪郭を作り出すであろう。ゴムバンドとホッチキスとの間に存在する間隙は本発明の再構成された輪郭では目に見えないであろう。
【００１７】
作動中、検出器１１は図３Ａ、３Ｃ、３Ｅ、３Ｇ及び３Ｉに示されているように対象物４が回転するにつれて一連の検出器画像を作り出す。図３Ｂ、３Ｄ、３Ｆ、３Ｈ及び３Ｊは各々図３Ａ、３Ｃ、３Ｅ、３Ｇ及び３Ｉで示されている検出器画像の２つの辺縁状態を描出を示している。そうした図における各パラメータｒは、陰影像辺縁から電子部品回転軸１５までの距離（半陰影幅）を表す。パラメータｒは角度θとともに変化する。ここに、θは中空軸に関する光線の角度である（図５において最もよく分かる）。視準光については、光線は常に器械軸１５に対して平行であるので、θは次の式によって中空軸角度φと関連付けられている：
θ＝−φ 式（１）
【００１８】
対象物の輪郭のトモグラフィー的再構成での従来型の計算による集中的方法は検出器画像におけるグレースケール情報に適用することができた。しかし、本発明は本発明の計算有効性を提供する不透明な対象物に適用される。本発明では、不透明な対象物の頂点を再構成するために、多数の回転角度で検出器上に投影された陰影の少なくとも１つの辺縁の位置だけが必要とされる。各角度で半透明の対象物を貫通する光線若しくは放射線を表すグレースケールとは対照的に、本発明は陰影像の少なくとも１つの辺縁位置しか使用しないので、本発明は、輪郭のトモグラフィー的再構成のために先行技術より効率的であり、さらに必要な計算が少なくて済む。
【００１９】
本発明では、隣接する線間の交点（多角形の頂点となる）は各多角形について２つの連立方程式を解くことによって計算できる：

式中、θ_Iは半径パラメータｒ_Iが取り出される角度である。式（２）で使用される半径パラメータは、陰影辺縁から回転の軸１５までの距離である。これは凸状外殻のｎ個の頂点を作り出すためにｎ回評価される。典型的な凸状外殻に対しては数百個の頂点が計算される。
【００２０】
図４では、本発明の方法が、好ましくはセンサ８内の光源７を使用して、ブロック１００で電子部品４上に陰影を投影することによって始まる。ブロック１０４では、θ_I値が保存され、陰影像（ｒ_I）の辺縁の位置が測定される。検出器１１からグレースケールのピクセル値で出力される陰影像の辺縁の位置は、数多くの方法によって求めることができる。一般に、それらの方法には各辺縁位置でピークを作り出すためにグレースケール陰影像を識別するステップが含まれる。低域通過フィルタを用いて識別画像をフィルタリングすると、高周波ノイズが減少する。次に、プロセッサ５０がピークの一定近隣内のピクセルだけを考慮に入れて、結果として生じたピークの中心を計算する。本発明は、開示された辺縁検出アルゴリズムを用いて実行した場合にはサブピクセル解像度を生じさせる。ブロック１０６で対象物が完全に３６０度回転させられなかった場合は、制御装置が追加の角度で追加のデータを収集するためにブロック１００へ逆戻りさせられる。実際には、電子部品は高速で連続的に回転させられ、光源は連続的にスイッチが入れられ、電子機器２２は連続的に増大する回転角度でデータを獲得するために適切に検出器１１にストロボをフラッシュする。さらに又本発明は、すべてのデータ収集が終了するまでグレースケール値が保存され、その後陰影像の辺縁が置かれ、頂点セットが計算されることを許容するであろう。回転及びデータ収集が完了すると、ブロック１０８では式２に従って対のデータ（θ_I、ｒ_I）を使用して内側の多角形の頂点が計算される。ブロック１１０では、引続いての処理のためにこのデータをフォーマットすることができる。例えば、オペレーターはその後電子部品の「外殻」輪郭を見ることができる。
【００２１】
電子部品４の両方の辺縁を所定角度θで測定できる場合は、回転及びデータ収集は実質的に１８０度に渡って実施することができる。
【００２２】
センサ８からのデータが完全に一致している場合は、対象物の複雑な外殻を測定するために、式２に関する上記のアプローチで十分である。あいにくなことに、陰影は凸状外殻と完全には一致しないことがある。例えば、ある陰影は他の陰影によって形成される外郭の完全に外側にあることを惹起するある幅パラメータｖを有している可能性がある。上記に記載の方法は、そうした陰影が組み込まれる場合には偽の凹状の多角形を作り出すであろう。
【００２３】
この問題に対する１つの解決策は、対象物４内にあることが既知である何らかの点に結合したセンサからの線から構成される最小凸状多角形を計算することである。一般に、対象物の回転軸は適切な点である。
【００２４】
以前の考察では、光線は視準されて平行であると仮定されている。詳細には、光源７から発生された光線は全て同一角度であるので（器械の視準フレームに対して）、光線角度θは単純に部品を保持している中空軸上のエンコーダから明らかである中空軸角度φのマイナス値に等しい。さらにその上、センサ８のＣＣＤアレイ上の陰影の位置は半径パラメータｒと同一である。従って、２つの角度で取られた陰影像から、式２を直ちに解くために十分な情報が明らかになる。
【００２５】
よりコンパクトで製造費用はより安価であるにかかわらず、計算能力がより高いセンサ８の又別の実施態様では、有限距離に置かれた点光源が使用される。検出器アレイ１１上の陰影投影、中空軸角度φ並びにパラメータｒ及びθの間にはまだ１対１写像があるが、光線の角度（器具の視準フレームに対する）は光線の片側と他方の側では変化するので、変換はもはや些細ではなくなる。図５は、有限距離の光源についての形状を描出している：光源１５０からＣＣＤ１５２の平面までの光学軸に沿った距離はＳによって、回転軸１５４を含む垂直平面までの光学軸に沿った距離はＣによって、軸１５４の投影のピクセル位置はｐ_cによって、対象物４の辺縁の陰影のピクセル位置はＰ_eによって、そして対象物４の辺縁をすれすれで通る光線の角度はθによって表示されている。半径パラメータｒ及び補助距離ｂも又図５に示されている。距離パラメータｒは下記のように表現することができる：

解析幾何学を用いると、これは次のようになり、

さらにθは次の式から求めることができる：

【００２６】
図６Ａ−６Ｂは、本発明の方法に従って測定された凸状外殻を示す画像である。図６Ａは、多数の頂点によって形成されたある対象物の輪郭を示している。図６Ｂは、引続いての画像処理若しくはディスプレイ・システムに送達できる、図６Ａにおけるデータから入手されたバイナリー画像を示している。本発明は、イメージング素子として２−Ｄアレイ（面積アレイ）ではなく好ましくは１−Ｄアレイ（線形アレイ）を使用するので、高解像度が容易に達成され、さらに費用は比較的に安価である。例えば、５，０００素子線形アレイは１００ドル未満で購入できるが、匹敵する解像度（例えば４，０９６×４，０９６）を提供する面積アレイは現在入手可能な限界にあり、費用は１０，０００ドルを超える。さらにその上、面積アレイのためのクロッキング要件は線形アレイに対するよりはるかに複雑である。
【００２７】
本発明は現行の捕捉・位置決め機において使用されるような現行の画像処理若しくはディスプレイ・システムと一緒に機能させるために後から取り付けることができる。さらに、本発明のデータ出力は捕捉・位置決め機において使用されている現行ソフトウエアを含むあらゆるタイプの画像解析ソフトウエアと一緒に使用することができる。より詳細に提供するためにはデジタル・ズーム機能を容易に実行することができる。
【００２８】
本発明は好ましい実施態様を参照しながら記載され、捕捉・位置決め機を参照しながら開示されてきたが、本発明は不透明な対象物の多数の陰影化一次元画像を二次元画像にトモグラフィー的再構成のために使用することができる。当業者であれば、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく形状及び詳細において変更を加えられることは理解するであろう。
【図面の簡単な説明】
【図２Ａ】 捕捉・位置決め機においてモータ制御電子機器、モータ駆動装置及びプリント基板上の電子機器と一緒に使用される図１に記載のセンサの図である。
【図２Ｂ】 本発明を実行するためのハードウエアの１つの実施態様である。
【図３Ａ〜図３Ｊ】 θ₁〜θ₅の様々な角位置での本発明のセンサにおける検出器からのアウトプット、及びその結果として生じた各角度θ₁〜θ₅についての陰影像の２つの状態の表現を示す対のグラフである。
【図４】 本発明の１つの実施態様に従ったステップを示すフローチャートである。
【図５】 光源とセンサ内における検出器上に投影された対象物の陰影像との関係を示す図である。
【符号の説明】
４……電子部品、７……光源、８……センサ、１１……検出器、１３……ハウジング、１５……軸、２６……モータおよび制御装置、２８……ノズルおよび中空軸組立体、２０……出力ケーブル、２２、３０……プリント基板、２４……カードケージ、５４……ケーブル、５８……プロセッサ

Claims (10)

1. 電子部品を持ち上げて位置決めする方法において、
   ａ）電子部品を持ち上げるステップ；
   ｂ）回転軸の周囲で電子部品を選択可能な角度に回転させるステップ；
   ｃ）陰影像を提供する検出器上に、静止光源から投影された電子部品の陰影を投影するステップ；
   ｄ）前記陰影像の辺縁の位置を少なくとも１つ確定するために該陰影像を解析するステップ；
   ｅ）前記ステップで確定された少なくとも１つの辺縁及びそれに対応する前記選択可能な角度を含むデータ対を保存するステップ；
   ｆ）ｂ）、ｃ）及びｄ）のステップを複数回実行するステップ；
   ｇ）前記データ対から１セットの頂点を計算するステップ；
   ｈ）１セットの頂点から電子部品の二次元輪郭を再構成するステップ；
   ｉ）再構成された二次元輪郭に基づいて既知の基準に対する電子部品の方向を計算するステップ；
   ｊ）前記ステップｉ）で計算された前記電子部品の方向と該電子部品の望みの方向とを比較して該電子部品を望みの方向に位置決めするための補正移動量を計算するステップ；及び
   ｋ）前記補正移動量に従ってプリント基板上で電子部品を位置決めするステップを含む方法。
2. 電子部品がプリント基板に向かって動かされている間に陰影を投影するステップが実行される請求項１の方法。
3. プリント基板に対して電子部品が動かされていない間に陰影を投影するステップが実行される請求項１の方法。
4. 電子部品の１つの頂点を計算するために２つのデータ対が使用され、角度が連続的に選択可能な角度で取り出される請求項１の方法。
5. １セットの頂点を計算するステップが、前記陰影像の半幅ｒおよび該半幅ｒに対応する電子部品の回転角度θの関数として計算される請求項２の方法。
6. 電子部品を位置決めするための捕捉・位置決め機において、
   前記電子部品を持ち上げる手段および回転軸の周囲で電子部品を選択可能な角度へ回転させるためのヘッドと、
   前記電子部品の陰影を投影するための静止光源と、
   前記静止光源によってその上に投影された電子部品の陰影像を検出するための検出器と、
   前記陰影像の辺縁の位置を少なくとも１つ確定するために該陰影像を解析するステップと、前記確定された少なくとも一つの辺縁及びそれに対応する前記選択可能な角度を含むデータ対を保存するステップとを含み、前記ヘッドによる電子部品の回転を複数回実行している間に、前記陰影像の辺縁の位置を少なくとも１つ確定するために該陰影像の解析を複数回実行するとともに、前記データ対から１セットの頂点を計算するプロセッサと、
   前記１セットの頂点から再構成された二次元輪郭に基づいて既知の基準に対する電子部品の電子部品の方向を決定し、計算された前記電子部品の方向と該電子部品の望みの方向とを比較して該電子部品の望みの方向に位置決めするための補正移動量を計算する電子機器と、
   前記補正移動量に従ってプリント基板上に電子部品を位置決めするモータ及び関連電子機器とを含む電子部品の捕捉・位置決め機。
7. 電子部品の近傍で光線が平行ではない請求項６の捕捉・位置決め機。
8. 電子部品の近傍で光線が実質的に平行である請求項６の捕捉・位置決め機。
9. モータ及び関連電子機器が電子部品をプリント基板に向かって動かしている間に前記プロセッサが１セットの頂点を計算する請求項６の捕捉・位置決め機。
10. プロセッサが１セットの頂点を計算している間は電子部品がプリント基板に向かって動かされない請求項６の捕捉・位置決め機。

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