CN102305600B - 一种贴片印刷锡膏快速三维测量方法 - Google Patents

一种贴片印刷锡膏快速三维测量方法 Download PDF

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CN102305600B CN 201110127575 CN201110127575A CN102305600B CN 102305600 B CN102305600 B CN 102305600B CN 201110127575 CN201110127575 CN 201110127575 CN 201110127575 A CN201110127575 A CN 201110127575A CN 102305600 B CN102305600 B CN 102305600B
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Abstract

本发明公开了一种贴片印刷锡膏快速三维测量方法，其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。

Description

一种贴片印刷锡膏快速三维测量方法
技术领域
本发明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方法。
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：
I1(x，y)、I2(x，y)、I3(x，y)和I4(x，y)。则图像上各像素点的相位为：
Figure GDA00002416323700011
设
Figure GDA00002416323700012
为锡膏上某点的相位，其沿光栅方向的邻近电路板基板点的相位为
Figure GDA00002416323700013
则锡膏相对于电路板基板的相对相位为：
Figure GDA00002416323700014
锡膏相对于电路板的相对高度(即印刷锡膏的厚度)为：
Figure GDA00002416323700015
其中n是相位展开时根据具体情况确定的一个0附近的整数，T为光栅的周期，k＝tanθ是一个常数，θ是投影光轴与图像采集光轴间的夹角。
存在的问题是：由于计算各点相位时要计算反正切函数，计算速度慢，不能满足在线实时检测的需要。另外，由于反正切函数的值域是[-π/2，π/2]，这样相位展开时，需要加上几个2π，不易确定，相位展开存在难度。
发明内容
本发明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方法。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种贴片印刷锡膏快速三维测量方法，其特征在于：该方法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I1(x，y)；然后移动光栅的相位四分之一周期，采集第二幅图像I2(x，y)；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I3(x，y)；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I4(x，y)；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或由前三幅图像的灰度值计算得到：
I4(x，y)＝I1(x，y)+I3(x，y)-I2(x，y)；
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
Figure GDA00002416323700021
锡膏相对于电路板附近位置的相对调制相位
Figure GDA00002416323700022
和相对高度Δh(x，y)：
(1)如果I1(x，y)≥I3(x，y)而且I4(x，y)＞I2(x，y)，则
Figure GDA00002416323700031
(2)如果I1(x，y)＞I3(x，y)而且I4(x，y)≤I2(x，y)，则
Figure GDA00002416323700032
(3)如果I1(x，y)≤I3(Ly)而且I4(x，y)＜I2(x，y)，则
Figure GDA00002416323700033
(4)如果I1(x，y)＜I3(x，y)而且I4(x，y)≥I2(x，y)，则
Figure GDA00002416323700034
选择与投影光栅线平行方向的锡膏相邻电路板位置一个点(x0，y0)或几个点作为基板，同样按上述方法计算得到
Figure GDA00002416323700035
或几个值取平均，相对调制相位为：
Figure GDA00002416323700036
如果
Figure GDA00002416323700037
则
Figure GDA00002416323700038
否则
Figure GDA00002416323700039
各锡膏点相对于邻近电路板基板位置的相对高度为：
Figure GDA000024163237000310
其中T、k均为已知常数：k＝tanθ，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200～250μm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。
该测量方法所采用的***结构包括结构光投影单元、图像采集单元和计算机；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；计算机控制数字相机采集图像数据，采集后的图像数据传回计算机，同时，计算机控制光源照射、移相转置使光栅移相；
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：I1(x，y)、I2(x，y)、I3(x，y)和I4(x，y)；其中第四幅图像或采集，或由前三幅图像计算得到：I4(x，y)＝I1(x，y)+I3(x，y)-I2(x，y)；
投影光栅图案或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Δh与其所挡住光线的点的相对水平位置Δx间的关系是：Δx＝Δh·tanθ，记k＝tanθ，则有Δx＝Δh·k；
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
Figure GDA00002416323700051
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(x，y)的灰度为：
Ii(x，y)＝Ib(x，y)+Ipi(x，y)
其中Ib(x，y)为与投影光栅无关的背景光线在该像素点产生的灰度，Ipi(x，y)为第i次光栅投影在该像素点产生的灰度，设各周期起始相位为0，k0为光栅亮度变化的斜率；
在第一区域：
Figure GDA00002416323700053
Figure GDA00002416323700054
Figure GDA00002416323700055
Figure GDA00002416323700056
所以得到：
Figure GDA00002416323700057
在第二区域：
Figure GDA00002416323700058
Figure GDA00002416323700059
Figure GDA000024163237000510
Figure GDA000024163237000511
所以得到：
Figure GDA000024163237000512
在第三区域：
Figure GDA00002416323700061
Figure GDA00002416323700062
Figure GDA00002416323700063
所以得到：
Figure GDA00002416323700064
在第四区域：
Figure GDA00002416323700066
Figure GDA00002416323700067
Figure GDA00002416323700068
所以得到：
Figure GDA00002416323700069
上述得到的
Figure GDA000024163237000610
即为在四个区域中各点的相位和其位置变化间的关系。
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I4(x，y)＝I1(x，y)+I3(x，y)-I2(x，y)，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***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。
本发明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为本发明相位测量算法流程图；
图2为本发明测量***硬件结构示意框图；
图3为亮度线性渐变的结构光投影光栅图案；
图4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5为投影光栅四次移相后的位置-亮度变化示意图；
图6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1、图4、图5和图6，所述贴片印刷锡膏快速三维测量方法，该方法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I1(x，y)；然后移动光栅的相位四分之一周期，采集第二幅图像I2(x，y)；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I3(x，y)；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I4(x，y)；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：
I4(x，y)＝I1(x，y)+I3(x，y)-I2(x，y)；
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
Figure GDA00002416323700081
锡膏相对于电路板附近位置的相对调制相位和相对高度Δh(x，y)：
(1)如果I1(x，y)≥I3(x，y)而且I4(x，y)＞I2(x，y)，则
Figure GDA00002416323700083
(2)如果I1(x，y)＞I3(x，y)而且I4(x，y)≤I2(x，y)，则
Figure GDA00002416323700084
(3)如果I1(x，y)≤I3(x，y)而且I4(x，y)＜I2(x，y)，则
(4)如果I1(x，y)＜I3(x，y)而且I4(x，y)≥I2(x，y)，则
Figure GDA00002416323700086
选择与投影光栅线平行方向的锡膏相邻电路板位置一个点(x0，y0)或几个点作为基板，同样按上述方法计算得到
Figure GDA00002416323700087
或几个值取平均，相对调制相位为：
Figure GDA00002416323700088
如果
Figure GDA00002416323700089
则
Figure GDA000024163237000810
否则
Figure GDA000024163237000811
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：k＝tanθ，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200～250μm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。
参照图2，该测量方法所采用的***结构包括结构光投影单元、图像采集单元和计算机；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；计算机控制数字相机采集图像数据，采集后的图像数据传回计算机，同时，计算机控制光源照射、移相转置使光栅移相；
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：I1(x，y)、I2(x，y)、I3(x，y)和I4(x，y)；其中第四幅图像可以采集，也可以由前三幅图像计算得到：I4(x，y)＝I1(x，y)+I3(x，y)-I2(x，y)；
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。
参照图3，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Δh与其所挡住光线的点的相对水平位置Δx间的关系是：Δx＝Δh·tanθ，记k＝tanθ，则有Δx＝Δh·k；
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
Figure GDA00002416323700101
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：
Figure GDA00002416323700102
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(x，y)的灰度为：
Ii(x，y)＝Ib(x，y)+Ipi(x，y)
其中Ib(x，y)为与投影光栅无关的背景光线在该像素点产生的灰度，Ipi(x，y)为第i次光栅投影在该像素点产生的灰度，设各周期起始相位为0，k0为光栅亮度变化的斜率；
在第一区域：
Figure GDA00002416323700104
Figure GDA00002416323700106
所以得到：
Figure GDA00002416323700107
在第二区域：
Figure GDA00002416323700108
Figure GDA00002416323700109
Figure GDA00002416323700111
所以得到：
Figure GDA00002416323700112
在第三区域：
Figure GDA00002416323700113
Figure GDA00002416323700115
所以得到：
Figure GDA00002416323700117
在第四区域：
Figure GDA00002416323700118
Figure GDA00002416323700119
Figure GDA000024163237001111
所以得到：
Figure GDA000024163237001112
上述得到的
Figure GDA000024163237001113
即为在四个区域中各点的相位和其位置变化间的关系。
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I4(x，y)＝I1(x，y)+I3(x，y)-I2(x，y)，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***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。
以上已将本发明做一详细说明，以上所述，仅为本发明之较佳实施例而已，当不能限定本发明实施范围，即凡依本申请范围所作均等变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖范围内。

Claims (5)

1.一种贴片印刷锡膏快速三维测量方法，其特征在于：该方法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I1(x，y)；然后移动光栅的相位四分之一周期，采集第二幅图像I2(x，y)；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I3(x，y)；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I4(x，y)；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或由前三幅图像的灰度值计算得到： 
I4(x，y)＝I1(x，y)+I3(x，y)-I2(x，y)； 
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
Figure FDA00002416323600011
锡膏相对于电路板附近位置的相对调制相位
Figure FDA00002416323600012
和相对高度Δh(x，y)： 
(1)如果I1(x，y)≥I3(x，y)而且I4(x，y)＞I2(x，y)，则 
(2)如果I1(x，y)＞I3(x，y)而且I4(x，y)≤I2(x，y)，则 
Figure FDA00002416323600014
(3)如果I1(x，y)≤I3(x，y)而且I4(x，y)＜I2(x，y)，则 
(4)如果I1(x，y)＜I3(x，y)而且I4(x，y)≥I2(x，y)，则 
Figure FDA00002416323600021
选择与投影光栅线平行方向的锡膏相邻电路板位置一个点(x0，y0)或几个点作为基板，同样按上述方法计算得到
Figure FDA00002416323600022
或几个值取平均，相对调制相位为： 
Figure FDA00002416323600023
如果
Figure FDA00002416323600024
则
Figure FDA00002416323600025
否则
各锡膏点相对于邻近电路板基板位置的相对高度为： 
Figure FDA00002416323600027
其中T、k均为已知常数：k＝tanθ，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200～250μm范围内。 
2.根据权利要求1所述的贴片印刷锡膏快速三维测量方法，其特征在于：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。 
3.根据权利要求1所述的贴片印刷锡膏快速三维测量方法，其特征在于：该测量方法所采用的***结构包括结构光投影单元、图像采集单元和计算机；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；计算机控制数字相机采集图像数据，采集后的图像数据传回计算机，同时，计算机控制光源照射、移相转置使光栅移相； 
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：I1(x，y)、I2(x，y)、I3(x，y)和I4(x，y)；其中第四幅图像或采集，或由前三幅图像计算得到：I4(x，y)＝I1(x，y)+I3(x，y)-I2(x，y)； 
投影光栅图案或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。 
4.根据权利要求1所述的贴片印刷锡膏快速三维测量方法，其特征在于：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于电路板的高度变化，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Δh与其所挡住光线的点的相对水平位置Δx间的关系是：Δx＝Δh·tanθ，记k＝tanθ，则有Δx＝Δh·k； 
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
Figure FDA00002416323600031
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：
Figure FDA00002416323600032
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(x，y)的灰度为： 
Ii(x，y)＝Ib(x，y)+Ipi(x，y) 
其中Ib(x，y)为与投影光栅无关的背景光线在该像素点产生的灰度，Ipi(x，y)为第i次光栅投影在该像素点产生的灰度，设各周期起始相位为0，k0为光栅亮度变化的斜率； 
在第一区域：
Figure FDA00002416323600041
Figure FDA00002416323600042
Figure FDA00002416323600043
Figure FDA00002416323600044
所以得到：
Figure FDA00002416323600045
在第二区域：
Figure FDA00002416323600046
Figure FDA00002416323600047
Figure FDA00002416323600048
Figure FDA00002416323600049
所以得到：
在第三区域：
Figure FDA000024163236000411
Figure FDA000024163236000412
Figure FDA000024163236000413
Figure FDA000024163236000414
所以得到：
Figure FDA000024163236000415
在第四区域：
Figure FDA000024163236000416
Figure FDA00002416323600051
Figure FDA00002416323600052
Figure FDA00002416323600053
所以得到：
Figure FDA00002416323600054
上述得到的
Figure FDA00002416323600055
即为在四个区域中各点的相位和其位置变化间的关系。 
5.根据权利要求1所述的贴片印刷锡膏快速三维测量方法，其特征在于：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I4(x，y)＝I1(x，y)+I3(x，y)-I2(x，y)，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***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。 
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