CN104937367A - 用于电路板的三维成像的多照相机传感器 - Google Patents

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Abstract

提供一种用于感测电路板(18)的三维拓扑结构的***(40、50、60、70、80、90)。照射源(54、62)以第一入射角投射照射图案。第一照相机(42a、52a、92a)以第二入射角获取结构化光图案在电路板(18)上的图像。第二照相机(42b、52b、92b)同时以第三入射角获取结构化光图案在电路板(18)上的图像，第三入射角与第二入射角不同。控制器(66)联接到照射源(54、62)以及所述至少两个照相机装置(42a、52a、92a；42b、52b、92b)。控制器(66)基于从结构化光照射器(54、62)的至少两个照相机装置(42a、52a、92a；42b、52b、92b)获取的图像生成电路板(18)的高度拓扑结构。

Description

用于电路板的三维成像的多照相机传感器
背景技术
承载电子集成电路和离散的电子部件的电路板是众所周知的。电路板基板被制备成具有预定的导体路径和用于接收电子部件的引线的垫，所述电子部件例如是集成电路芯片、电阻器或电容器。在电路板组装过程期间，焊料膏沉积物被放置到电路板基板上的适当的位置处。通常通过将模版筛网放置到基板上，将焊料膏施加穿过模版开口以及将模版从基板移除来施加焊料膏沉积物。然后，优选地通过拾放机、通过放置在相应的焊料膏沉积物上的电子部件的引线，电路板电子部件被定位到基板上。在全部部件都定位在基板上之后，使电路板通过烘箱以将焊料膏沉积物熔化，因此在部件和基板之间产生电的以及机械的连接。
随着越来越强调电子工业的小型化，焊料膏沉积物和电子部件的尺寸以及它们被放置在基板上时必须具有的精度变得越来越小和越来越严格。焊料膏沉积物高度能够小至50微米，并且焊料膏块的高度通常必须被测量至设计高度和尺寸的百分之一的范围内。焊料块的中心至中心的间距有时小至200微米。过少的焊料膏能够导致电子部件的引线与电路板基板的垫之间没有电连接。过多的焊料膏能够导致部件的引线之间的桥接和短路。诸如电阻器和电容器之类的离散的电子部件能够小至200x400微米并且微球栅阵列部件上的引线可以具有小于300微米的中心至中心的间距。
单个电路板能够花费数千甚至数万美元来制造。制造过程之后的电路板测试能够检测焊料膏放置和部件放置以及引线连接方面的错误，但是通常对于有缺陷的电路板的仅有的补救方法是废弃整个电路板。此外，随着部件的小型化，甚至利用光学放大来进行的电路板的视觉检查也是不可靠的。因此，必要的是：在制造过程期间对电路板进行检查，使得不恰当的焊料膏沉积物能够在将电子部件放置到基板上之前被检测到。这样的过程中的焊料检查降低了失败的成本，这是因为昂贵的部件还没有被放置到电路板上。
在放置之后，***件以便确保部件的正确放置也是重要的。不恰当地放置的部件、缺失的部件或者不良的焊料接头是在放置部件和焊料膏回流期间所引入的典型缺陷。在回流之后，部件的恰当放置和回流的焊料接合部的质量可以使用自动化光学检查***来检查，以便确保全部部件被正确地焊接并连接至电路板。当前的光学检查***使用电路板的2D视频图像来检测缺陷。但是，检测电路板的3D高度图像的光学检查***使得能够进行或否则改进诸如升高的引线、封装共面性和部件直立和侧立放置(component tombstones and billboards)之类的缺陷的检测。
使用白光相位轮廓测量术是用于光学地获取电路板的拓扑表面高度图像的公知技术。但是，采用相位轮廓测量术的当前的电路板检查传感器具有一些限制。用于获取电路板的拓扑表面高度图像的典型的相位轮廓测量术通常使用与结构化光组合的三角测量原理以确定在由传感器的照相机限定的每个像素处的表面的高度。使用三角测量感测来形成电路板的高度图像的一个限制是：图案投射光学轴线或图像感测光学轴线的入射角是不同的。如果电路板具有如下高度特征：该高度特征具有足够大的边缘坡度以使得这些高度特征遮挡了与表面上的一些区域有关的图案投射光学轴线或图像感测光学轴线，那么传感器将不能够测量电路板的那些区域。
参考图1中的高度图像传感器的示意图，减轻三角测量阴影效应的一个方法是使用带有正交入射的照相机的多个图案投射源。每个源以不同的入射角将结构化图案投射到电路板上。如果测试表面的一区域的一个图案投射源被遮挡，或被以其他方式阻挡，则存在其它图案投射源将能够照亮该区域的高的可能性。为了获取不被遮挡的高度图像，照相机连续地从每个图案投射源获取图像，然后将多个高度图像的结果进行组合，以确保图像的全部区域具有合理的高度数据。通常地，高度图像传感器在获取来自每个源的多个图像时保持静止。这种方法的一个缺点是，它需要一个视场(FOV)的多个图像获取循环以生成单个高度图像，这与使用单个源的传感器相比，减慢了整体获取过程。多个源的白光相位三角测量传感器的实施需要分别开启图案投射源，从而使得可由照相机按顺序获取来自一个源的图像，随后获取来自另一个源的图像。这种操作通常需要传感器的两个或更多个图像获取循环，以便获取高度图像数据。
在图1所示的传感器中，结构化光特有地通过将包括固定的铬在玻璃上的图案的标线片(reticle)成像在电路板上而生成。为了获取高度图像，需要一序列的图案化图像，每个图像是前一图像的一个偏移(shift)版本。典型地，结构化图案是正弦强度图案，并且所述序列的图像是相同的正弦图案；所述序列的每个图像相对于所述序列的其它图像偏移正弦周期的一些已知分数(部分)。通常，所述序列的图像中的相移通过在传感器内物理地移动标线片来形成。利用铬在玻璃上的标线片的一个缺点是改变结构化光的频率或定向需要更换标线片，从而改变图案投射光学器件的放大率或导致该两种后果。另外，在所述传感器内物理地移动玻璃标线片需要昂贵的机械运动部件。
提供下述用于利用相位化的结构化光生成电路板的高度图像的多视点三角测量传感器将代表对于电路板的高速三维检查有用的优点，所述多视点三角测量传感器不具有多个源的相位高度图像传感器的领域的现有技术中所存在的相关的成本或速度损失。
另外，与多视点三角测量传感器相关联，提供一种实时改变结构化光图案的频率、定向和类型而不物理地移动所述标线片的方法将允许传感器改变特征而不改变传感器的硬件且将增加传感器的可靠性。
发明内容
提供一种用于感测电路板的三维拓扑结构的***。照射源以第一入射角投射照射图案。第一照相机以第二入射角获取结构化光图案在电路板上的图像。第二照相机同时以第三入射角获取结构化光图案在电路板上的图像，第三入射角不同于第二入射角。控制器联接到所述照射源及所述至少两个照相机装置。控制器基于从结构化光照射器的至少两个照相机装置获取的图像来生成电路板的高度拓扑结构。
附图说明
图1是根据现有技术的用于检查电路板的高度图像传感器的示意图。
图2是通常用于照射被测试的电路板的结构化光相位图案投射***的示意图。
图3是根据本发明的实施例的使用相位化的结构化光的多照相机高度图像传感器的示意图。
图4是根据本发明的实施例的用于使用由空间光调制器(SLM)产生的相位结构化光进行三维成像的多照相机高度图像传感器的示意图。
图5是根据本发明的实施例的用于高度图像传感器的四照相机感测***的示意图，所述高度图像传感器使用由空间光调制器产生的相位结构化光。
图6是根据本发明的实施例的获取图像并生成高度图的方法的流程图。
图7是根据本发明的实施例的用于高度图像传感器的四照相机感测***的示意图，所述高度图像传感器使用由空间光调制器产生的相位结构化光，其中一对照相机提供黑白图像，而第二对照相机提供彩色图像。
图8是根据本发明的实施例的用于高度图像传感器的四照相机感测***的示意图，所述高度图像传感器使用由空间光调制器产生的相位结构化光，其中每一对照相机被配置有不同的光学放大率。
图9是根据本发明的实施例的用于高度图像传感器的四照相机感测***的示意图，所述高度图像传感器使用由空间光调制器产生的相位结构化光，其中每对照相机提供单独的三角测量角度。
具体实施方式
图1是根据现有技术的高度图像传感器的示意图。图1表示可以很容易地与根据本发明的实施例的改进之处进行比较的***。图1示出了多投射源高度图像传感器10，其包括第一图案投射源12a、第二图案投射光源12b和图像感测照相机16。通过使用成像透镜22使铬在玻璃上的标线片20成像，每一个图案投射光源12a、12b将结构化光图案投射到电路板18上。使用诸如白光LED之类的明亮的光源24将标线片从背后照亮。图2示出图案投射光源12的配置，以及所产生的投射的正弦强度图案30。图像感测照相机16可以采用在机器视觉中使用的多种图像感测技术中的任何一种图像感测技术，例如与将电路板18成像到检测器上的成像透镜26相联接的CCD或CMOS检测器。光学图像传感器16和两个图案投射源12a、12b中的每一个的光学轴线入射角之间的差异是高度传感器10的三角测量角度。
在关于图1描述的***中，图案投射源12a和12b分别将标线片20的图像投射到电路板18上。标线片20包含强度掩模，所述强度掩模在被成像透镜22投射时在电路板18上产生图2所示的正弦结构化光图案30。通过照相机16来获取正弦结构化光图案30的图像。正弦结构化光图案30中的变化或相位差被用来确定在高度图像中每一点处电路板18的高度。
在操作中，结构化光源12a将正弦结构化光图案30投射到电路板18上且由照相机16获取图像。标线片20随后被线性致动器28偏移正弦图案的某一分数相位距离的等同距离并且照相机16获取第二图像。然后发生相似序列的图像获取和标线片偏移以便由照相机16收集从结构化光源12b产生的图像。总之，由多个投射源高度图像传感器10产生高度图像所需的图像的数量是n×m个，其中n是结构化光源的数量，而m是所需要的相位图像的数量。因为对于可靠的高度图像而言所需的相位图像的数量通常为三个或四个，所以对于每个产生的高度图像，由照相机16捕捉的图像的数目是六个到八个。为了提高测量性能，也典型的是将图案投射源12的数量增加到四个，这将所需的图像的数量增加到对于每高度图像，由照相机16获取十二个至十六个图像。由于在图1中所示的多个投射源高度图像传感器10采用单个照相机16，所以以时序模式获取图像。容易地看出，在时序获取情况下，由多个源获取图像的时间增加传感器利用每个额外的源来获取单个高度图像所需的时间量。
将来自多个正弦强度图案图像的强度信息转换成实际高度图像的方法可以是根据任何已知的技术，例如在美国专利6,750,899中描述的那些技术。
图3是根据本发明的实施例的用于使用相位化的结构化光对电路板进行三维成像的多成像装置高度图像传感器50的示意图。通过利用成像透镜22对铬在玻璃上的标线片20成像，图案投射源54将正弦结构化光图案30投射到电路板18上。使用诸如白光LED之类的明亮的光源24将标线片从背后照亮。两个图像感测照相机52a、52b被配置为同时获取用由图案投射源54投射的正弦结构化光图案30照射的电路板18的图像。照相机52a、52b可以是用在机器视觉中的多种图像感测技术中的任何一种，例如与将电路板成像到检测器上的成像透镜26相联接的CCD或CMOS检测器。图案投射源54和照相机52a、52b的光学轴线入射角之间的差异表示高度传感器的三角测量角度。
在操作中，光源24将标线片20从背后照亮。成像透镜22将标线片投射到电路板18上。在照射期间，照相机52a、52b同时地获取电路板18的图像。标线片20随后被线性致动器28偏移正弦图案的某一分数相位距离的等同距离并且照相机52a、52b获取第二图像。因为照相机52a、52b获取投射的结构化光图案30的图像，所以仅需要一个图像获取时间以由两个不同的三角测量角度生成高度图像。
总之，需要由多个照相机高度图像传感器50获取的图像的数量是n×m个，其中n是图像传感器52的数量，且m是相位图像的数量。但是，所投射的图案的数量仅仅是m个。因为对于可靠的高度图像而言需要的相位图像的数量通常为三个，所以由照相机52a、52b中的每一个获取的图像的数量恒定保持在三个。为了提高性能，能够将照相机的数量增加到四个，这将每次捕捉的图像数量增加到十二个。但是，由于这四个照相机并行地获取图像，所以获取全部十二个图像的时间仅是投射和成像三个图像所需的时间。在平行获取的情况下，对于包括单一照相机的高度图像传感器而言，获取单个高度图像所需要的时间与包括多个照相机的传感器(所需的时间)相同。因为加入多个照相机大大提高了高度图像的质量而不会增加产生高度图像的时间，所以本发明的这个实施例是相对于现有技术的主要优点，从而减少了检查电路板18的总时间。
图4是根据本发明的另一实施例的使用相位化的结构化光的用于电路板18的三维成像的多成像装置高度图像传感器60的示意图。图案投射源62联接到控制器66并且通过利用成像透镜22对空间光调制器(SLM)64成像来将结构化光图案30投射到电路板18上。在一个实施例中，SLM 64是可从德州仪器(Texas Instruments)购得的装置(例如TI零件号DLP5500)。该装置结合了数字微反射镜(DMD)阵列，所述数字微反射镜是可单独寻址的以在表面上形成任意图像。在操作中，所需的结构化光图案30被编程在DMD阵列上。编程的图像使得每个微反射镜倾斜到与所述图像在各个反射镜位置处的像素强度值相对应的两个位置中的一个位置。对于高亮度的像素，倾斜的DMD反射来自光源24的光，穿过成像透镜22到达产生亮的像素的电路板18。对于与结构化光图案30中的低亮度相对应的像素，DMD反射镜的倾斜将来自光源24的光反射离开成像透镜22，从而在结构化光图案30中产生暗的像素。通过改变发送到DMD的编程图像的图像，可以产生所需的相移图像序列。采用诸如白光LED之类的明亮的光源24照射SLM 64。两个照相机52a、52b被联接到控制器66，并且被配置成同时获取照射有结构化光图案30的电路板18的图像。照相机52a、52b可以是在机器视觉中使用的多种图像感测技术中的任何一种，例如与将电路板18成像到检测器上的成像透镜26相联接的CCD或CMOS检测器。图案投射源62和照相机52a、52b的光学轴线入射角之间的差异表示高度传感器的三角测量角度。
在操作中，光源24照射SLM 64，并且被编程具有高亮度值的像素将光反射穿过成像透镜22。成像透镜22将来自SLM 64的光投射到电路板18上。在照射期间，两个照相机52a、52b同时获取电路板18的第一图像。编程到SLM 64中的投射图案然后改变为具有(相对于)第一正弦图案的分数相位距离的等同距离的相对相移的第二正弦图案，并且照相机52a、52b获取第二图像。最后，编程到SLM 64中的投射图案然后改变为具有(相对于)第一和第二正弦图案的分数相位距离的等同距离的相对相移的第三正弦图案，并且照相机52a、52b获取第三图像。
相比于使用机械偏移的铬在玻璃上的标线片，使用SLM 64来产生结构化光图像的序列具有优点。在铬在玻璃上的标线片的情况下，结构化光图案30上固定有铬在玻璃上的图案，并且通过物理地移动所述标线片产生具有不同相位的图像的序列。物理地移动标线片是昂贵的，并且需要运动部件，所述运动部件易于遭受机械磨损和最终失效。此外，经常需要改变正弦图案的周期。通过改变正弦图案的周期，可以调整高度图像传感器的高度范围和高度分辨率。当在部件已经被放置之后检查电路板时，改变传感器的高度范围是特别重要的，这是因为所放置部件的高度可能比由标线片图案确定的传感器的高度范围更高。改变铬在玻璃上的标线片图案需要用一个标线片物理地替换另一个标线片，这通常不能在传感器的操作期间完成。
利用SLM 64，简单地通过将数字阵列编程到控制器66中而能够将各种图案投射到电路板18上。通过将连续图像编程到控制器66而简单地完成投射具有变化相位的图像序列。通过从控制器66存储器对连续图像寻址，而投射相位图像的序列而不物理地移动标线片。此外，通过改变编程到控制器66的图案的相位周期，高度成像传感器62的高度分辨率和高度范围在传感器的操作期间可以被改变。
图5是根据本发明的第三实施例的用于使用相位化的结构化光对电路板进行三维成像的多成像装置高度图像传感器70的示意图。在本实施例中，四个照相机52a、52b、52c、52d被配置为以四个不同的入射角同时获取正弦结构化光图案30在电路板18上的图像。四个照相机52a、52b、52c、52d的入射角中的每一个形成与图案投射源62的投射入射角有关的三角测量角。图案投射源62将正弦结构化光图案30投射到电路板18上。照相机52a、52b、52c、52d优选地被同时触发以获取正弦图案30的图像。结构化光源62投射具有(相对于)第一正弦图案的分数相位距离的等同距离的相对相移的第二正弦图案，并且四个照相机52a、52b、52c、52d被同时触发以获取第二组图像。最后，编程到SLM 64中的投射图案然后改变为具有(相对于)第一和第二正弦图案的分数相位距离的等同距离的相对相移的第三正弦图案，并且照相机52a、52b、52c、52d分别均获取第三图像。
由照相机52a、52b、52c、52d获取的图像被发送到控制器(未示出)，所述控制器将图像集处理成高度图像。使用四个照相机通过降低成像器噪声作用并进一步消除电路板18的区域处于阴影中或以其他方式形成错误的高度数据的机会来提高高度图的质量。由于图像是由照相机52a、52b、52c、52d同时获取的，所以对多成像装置高度图像传感器70的获取速度没有影响。
图6示出了描述由控制器66使用以从照相机52a、52b、52c、52d获取并处理图像从而生成组合高度图像的方法100的流程图。在步骤104中，第一结构化光图案被编程到SLM 64。在步骤106中，结构化光图案的图像被投射到所述电路板。在步骤108中，照相机都被同时触发以从四个不同的视点获取结构化光图案的图像。如果对于高度重建需要更多结构化光图案，则下一结构化光图案在步骤112中被编程到SLM中。步骤106、108和112被重复，直到所需数量的图案已经被投射并被获取。在步骤114中，控制器由从每个照相机获取的图像来生成高度图像。在步骤116中每个由从照相机52a、52b、52c、52d获取的图像生成的高度图像被组合成单个高度图像。由于组合高度图像将来自多个照相机视点的高度图像进行组合，所以所得到的高度图像具有较高的保真度。
除了如上所述使用多个照相机和结构化光产生高度图像，通过使用存在于这些实施例中的成对的成角度的照相机而使用立体图像对来生成额外的高度图像，全部实施例的功能可以被延伸。基于具有不同的视点的立体照相机对来生成高度图像是公知技术。在图1中所示的现有技术的高度图像传感器10只采用单一照相机。因此，不能使用立体视觉技术生成高度图像。但是，多成像装置高度图像传感器50、60、70都被配置有具有不同的入射角的至少两个照相机。在操作中，立体图像对可以由任何一对照相机52a、52b、52c、52d获取，并且高度图像可以独立于结构化光源而生成。然后可以将由立体视觉技术生成的高度图像与使用图案投射源62生成的高度图像进行组合以生成具有较少的噪声和更高分辨率的高度图。
在一些实施例中，高度图像传感器的性能通过将多照相机中的每一个或其组合配置不同的操作特性来进一步增强。对于一个实施例，所述照相机中的至少一个被配置为黑白(B/W)的单色照相机，并且照相机中的至少一个被配置为彩色照相机。获取所述电路板的彩色图像被期望增强用户对所述电路板的可视性并且增强用于识别在电路板上的特征的2D图像。但是，通常用于获取彩色图像的照相机在半导体检测器阵列上方采用Bayer滤色镜，当组合成彩色图像时，这有效地降低了照相机的空间分辨率。使用和组合从各B/W照相机和彩色照相机所产生的图像，可以用来自B/W照相机的图像生成高分辨率的高度图，且可以用来自彩色照相机的图像生成较低分辨率的高度图像和电路板的彩色图像。通过组合这些高度图像，在一个高度图像获取周期期间生成电路板的高性能高度图像和彩色图像。
图7是根据本发明的实施例的用于电路板的三维成像的多照相机传感器的示意图。高度图像传感器80使用图6所描述的方法获取高度图像。在本实施例中，一对照相机52a、52b被配置成获取黑和白(B/W)图像，而第二对照相机84a、84b被配置成获取结构化光图案30的彩色图像。基于Bayer图案滤镜感测的彩色图像产生彩色图像；但是，由于对颜色的编码而减小了图像的空间分辨率，这降低了照相机和所得的高度图像的有效空间分辨率。在操作中，来自彩色照相机84a、84b的颜色信息可以与由全部四个照相机52a、52b、84a、84b产生的高度图像数据组合使用以显示彩色拓扑图。通过组合一对B/W照相机52a、52b和一对彩色照相机84a和84b，维持了所得到的高度图的空间分辨率，同时实现了从由所述一对彩色照相机84a和84b获取的高度和视频图像导出的可视化优点。
在另一个实施例中，高度图像传感器的照相机中的每一个被配置为使用不同的曝光时间。使用多个曝光时间是在一些机器视觉应用中使用以提高单个照相机的动态范围的技术。但是，对于单一照相机而言，基于多个曝光时间的图像需要多个图像获取周期，这增加了获取图像所需的总时间。使用分别使用不同的曝光时间的多个照相机，所得的高度和视频图像已经增加了动态范围，而不会产生时间损失。
图5中的高度传感器70被配置成使得所述第一对照相机52a、52b被配置有短的曝光时间而所述第二对照相机52c、52d被配置有长的曝光时间。通过将图像感测装置52a、52b配置短的曝光时间，电路板18的反射区域将会产生质量高的图像，同时电路板18的暗区将具有差的图像质量。通过将照相机52c、52d配置长的曝光时间，电路板18的暗区将具有适当的曝光时间，且在这些暗区中，所得到的高度图像将是高质量的。通过将第一对照相机52a、52b的高度图与来自第二对照相机84a、84b的高度图像进行组合，高度图像传感器70的整体动态范围得到提高。在此实施例的情况下，高度图像传感器70可产生较大动态范围的高度图像，而这是产生可以包含焊料掩模的暗区和回流焊料的发光区域的电路板的高度图像所需要的。
在另一个实施例中，照相机中的至少一个被配置有大的视场，并且照相机中的至少一个被配置有较高放大率的光学器件，从而产生较高分辨率的图像。对于需要高性能的测量，可使用高放大率的照相机所产生的高度图像。用于电路板的不需要高分辨率的高度图的区域和在需要高速的应用中，使用配置有较大FOV的照相机。在实践中，在高分辨率照相机和大视场照相机之间切换等同于为不具有典型的光学变焦***中的移动光学部件的高度传感器增加变焦功能。此外，同时获取了既具有高分辨率又具有大的FOV的图像。
图8是根据本发明另一实施例的使用相位化的结构化光的用于电路板三维成像的多个照相机高度图像传感器40的示意图。在图8中，第一对照相机42a、42b被配置有较大的视场(FOV)，而第二对照相机44a、44b被配置有较小的视场。通过将照相机42a、42b配置大的视场，获取了来自电路板18的较大面积的高度图像。通过使用较大的FOV，扫描和获取整个电路板18的高度图像的时间被减少。但是，对于给定的照相机像素数，较大的FOV导致较大的图像像素尺寸以及因此导致较低的高度图像横向分辨率。为了提高高度图像传感器40的横向分辨率，第二对照相机44a、44b被配置有产生较小的FOV的较高的光学放大率和成比例的较高的横向分辨率。从照相机44a、44b产生的高度图像具有高的空间分辨率，这对于小工件而言将产生更高的高度测量性能。此外，通过由高分辨率照相机对44a、44b产生的高度图像可以与由所述照相机对42a、42b产生的高度图像进行组合，以进一步增强高度图像的保真度。因为可以单独使用来自两对照相机的图像或可以由控制器对其选择性地组合，所以通过高度图像传感器40实现变焦功能，而不需要通常光学变焦技术所需要的昂贵的机械装置。
在另一个实施例中，结构化光源和每个照相机之间的三角测量角度是变化的。对于给定的结构化光图案，所得的高度图的范围和分辨率部分地由所述结构化光源的光学轴线和照相机的光学轴线之间的三角测量角度确定。通过将每个照相机配置有不同的三角测量角度，组合的高度图像将在较大的测量范围上具有较高的高度分辨率。
图9是根据本发明的另一实施例的使用相位化的结构化光的用于电路板的三维成像的多成像装置高度图像传感器90的示意图。在图9中，第一对照相机92a、92b被配置有小的入射角93a、93b，而第二对照相机94a、94b被配置有大的入射角95a、95b。对于结构化光图案30的给定空间频率，照相机相对于源62的投射入射角的入射角确定了传感器90的高度测量范围和分辨率。通过将照相机92a、92b配置小的入射角93a、93b，高度图像传感器90具有较大的高度测量范围且能够测量在电路板18上的高的物件。但是，较大的高度测量范围将降低传感器90的高度分辨率，并在小工件上产生较低的测量性能。为了改进高度图像传感器90在小工件测量方面的性能，第二对照相机94a、94b被配置有大的入射角95a、95b。较大的入射角产生较高的分辨率高度测量值，但降低了传感器的高度范围。通过将由所述第一图像照相机对92a、92b和第二照相机对94a、94b产生的高度图像进行组合，可以在一个扩展的高度范围上产生高的清晰度的高度图像。
在每个实施例中，控制器被联接到照射源和照相机。控制器优选地基于从照相机获取的结构化光的图像来生成所述电路板的高度拓扑结构。控制器可以被配置为对结构化光源编程以将光图案投射到目标上，从每个照相机获取投射的光图案的图像，生成高度图像以及从每个照相机获取的图像的视频图像，并将分离的高度和视频图像组合成复合的高度和视频图像。
尽管已经参照优选的实施例描述了本发明，但是本领域技术人员将认识到，可以进行形式和细节上的改变而不脱离本发明的精神和范围。例如，尽管本发明的实施例一般性地描述了使用CMOS检测器，但是可以使用包括CCD阵列的任何合适的图像获取装置。另外，虽然本发明的实施例一般性地描述了使用DVM装置，但是诸如液晶显示装置(LCD)和硅上液晶(LCOS)SLM之类的其它SLM技术也可以用于产生可编程结构光图案。在本发明中，这些可编程结构化光图案被描述为正弦强度图案。但是，还有多种其他合适的图案，例如二进制格雷码图案和伪随机结构化图案。

Claims (25)

1.一种用于感测电路板的三维拓扑结构的***，所述***包括：
照射源，所述照射源被配置为以第一入射角将图案化照射投射在电路板上；
第一照相机，所述第一照相机被配置为以第二入射角获取所述图案化照射的图像；
第二照相机，所述第二照相机被配置为以第三入射角获取所述图案化照射的图像；和
控制器，所述控制器联接到所述照射源以及所述第一照相机和所述第二照相机，所述控制器被配置为基于利用所述第一照相机和所述第二照相机所获取的所述电路板上的被投射的图案化照射的图像而生成所述电路板的高度图像。
2.根据权利要求1所述的***，其中由所述第一照相机和所述第二照相机获取的图像被组合以生成单个高度图像。
3.根据权利要求1所述的***，其中所述电路板设置有焊料膏沉积物。
4.根据权利要求1所述的***，其中所述电路板设置有电气部件。
5.根据权利要求1所述的***，其中所述照射源包括被配置为按顺序生成多个图案的可编程空间光调制器。
6.根据权利要求5所述的空间光调制器，其中所述空间光调制器投射不同空间频率的图案。
7.一种三维绘制电路板的图像的方法，所述方法包括：
以第一入射角将图案图像投射到所述电路板上；
以第二入射角和第三入射角同时捕捉所述电路板的多个第一条纹相位图像；
以所述第二入射角和所述第三入射角同时捕捉所述电路板的多个第二条纹相位图像；
以所述第二入射角和所述第三入射角同时捕捉所述电路板的多个第三条纹相位图像；
其中在图案化照射设置在所述电路板上时，捕捉所述多个第一条纹相位图像、多个第二条纹相位图像和多个第三条纹相位图像；和
基于所述多个第一条纹相位图像、多个第二条纹相位图像和多个第三条纹相位图像来计算高度图。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述多个第一条纹相位图像、多个第二条纹相位图像和多个第三条纹相位图像中的至少一者还用于立体高度分析。
9.根据权利要求7所述的方法，其中所述图案图像在所述多个第一条纹相位图像和多个第二条纹相位图像的获取之间是变化的。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述图案图像在所述多个第二条纹相位图像和多个第三条纹相位图像的获取之间是变化的。
11.根据权利要求9所述的方法，其中使用空间光调制器而使得所述图案图像变化。
12.一种用于生成测试目标的三维高度图像的***，所述***包括：
照射源，所述照射源被配置为在测试表面上产生图案化照射；
第一照相机，所述第一照相机被配置为从第一视点获取所述图案化照射的第一图像；
第二照相机，所述第二照相机被配置为从第二视点获取所述图案化照射的第二图像；
所述第一照相机和所述第二照相机具有不同的配置；和
控制器，所述控制器联接到所述照射源以及所述第一照相机和所述第二照相机，所述控制器被配置为基于所获取的对所述图案化照射的所述第一图像和所述第二图像来生成所述测试表面的高度图像，所述高度图像通过所述第一照相机和所述第二照相机的不同配置的组合被增强。
13.根据权利要求12所述的***，其中所述测试目标是具有焊料膏沉积物的电路板。
14.根据权利要求12所述的***，其中所述测试目标是设置有电气部件的电路板。
15.根据权利要求12所述的***，其中所述第一照相机被配置为获取彩色图像，且所述第二照相机被配置为获取单色图像。
16.根据权利要求12所述的***，其中所述第一照相机被配置有短的曝光时间，且所述第二照相机被配置有较长的曝光时间。
17.根据权利要求12所述的***，其中所述第一照相机被配置有比所述第二照相机更大的光学放大率。
18.根据权利要求12所述的***，其中所述第一照相机被配置有入射角，且所述第二照相机被配置有更大的入射角。
19.一种用于生成测试目标的三维高度图像的***，所述***包括：
照射源，所述照射源被配置为在所述测试目标上产生图案化照射；
第一对照相机，所述第一对照相机被配置为从第一视点获取所述图案化照射的第一图像对；
第二对照相机，所述第二对照相机被配置为从第二视点获取所述图案化照射的第二图像对；
所述第一对照相机和所述第二对照相机具有不同的配置；和
控制器，所述控制器联接到所述照射源以及所述第一对照相机和所述第二对照相机，所述控制器被配置为基于所获取的对所述图案化照射的所述第一图像对和所述第二图像对来生成所述测试目标的高度图像，所述高度图像通过所述第一图像对和所述第二图像对的不同配置的组合来增强。
20.根据权利要求19所述的***，其中所述第一对照相机被配置为获取彩色图像，且所述第二对照相机被配置为获取单色图像。
21.根据权利要求19所述的***，其中所述第一对照相机被配置有短的曝光时间，且所述第二对照相机被配置有较长的曝光时间。
22.根据权利要求19所述的***，其中所述第一对照相机被配置有比所述第二对照相机更大的光学放大率。
23.根据权利要求19所述的***，其中所述第一对照相机被配置有第一入射角，且所述第二对照相机被配置有比所述第一入射角更大的第二入射角。
24.一种三维绘制测试表面的图像的方法，所述方法包括：
从第一视点将多个照射图案投射到所述测试表面上；
在所述照射图案被设置在所述测试表面上时，利用第一照相机配置从第二视点捕捉所述测试表面的多个第一图像；
在所述照射图案被设置在所述测试表面上时，利用第二照相机配置从第三视点捕捉所述测试表面的多个第二图像；
使用由所述第一照相机配置和所述第二照相机配置捕捉的所述多个第一照射图案和所述多个第二照射图案来计算所述测试表面的高度图。
25.根据权利要求24所述的方法，其中所述照相机配置被设计成提高由组合的多个第一照射图案图像和多个第二照射图案图像生成的高度图像的分辨率。
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