CN1561659A - 用于表面贴装机检查照相机的自动滤光片更换器 - Google Patents

Abstract

印刷电路板装配设备在组装之前检查电路板及将要被安装在电路板上的元件。作为所述检查过程的一部分，所述装配设备可以对所述电路板和元件的物理特征进行显像和识别。当将某些类型的电路板或元件显像时，可以利用滤光片来消除在这类型的元件的图像中发现的性能缺陷。当由装配设备检查的若干类型的线路板或元件呈现不同的性能显示问题时，所述装配设备可以根据不同类型的电路板或元件使用不同的滤光片。

Description

用于表面贴装机检查照相 机的自动滤光片更换器

本申请为于2001年10月4日提交的系列号为09/970,960的共同未决的在先美国专利申请号的部分继续申请。

本发明涉及具有性能显示问题的电路板及元件的显像。本发明特别(但并不是唯一)适用于通过计算机视觉来识别呈现不同性能显示问题的若干种类型的电路板或电子元件中任何一种的物理特征。

自动印刷电路板组装设备利用计算机视觉***检查并精确地放置印刷电路板和准备安装在板上的元件，如安必昂(Assembleon)的自动元件贴装机。对这些构件的检查通常要求对构件进行显像，识别它的物理特征以及分析这些物理特征的物理性能。

一块空的印刷线路板或卡通常在从其存放处取出后，装配设备会用一台计算机视觉装置(包括一台照像机和正面照明)来检查板上的物理特征。某些物理特征被称作基准，设置所述基准以便精确对准将被安装在所述板上的元件。线路板上的另一些物理特征为焊料膏触点焊盘。如果被检查的板合格，装配设备就会把它放在放置元件的工位以便安装。

然后，要被放置到板上的元件将由其存放处取出，并由计算机视觉装置(同样包括一台相机和正面照明)来检查。如果所述元件合格，装配设备将控制所述元件的放置，使所述元件与其在板上或卡上安装位置适当对准。

然而，当计算机视觉***试图检查某些类型的线路板、卡或元件时会出现性能问题。一些板或卡由浅色陶瓷材料制成并有金色或银色的基准或焊料膏触点焊盘。这些色彩不能为现有的计算机视觉***提供足够的视觉反差，因而无法可靠地识别基准或触点焊盘。

当元件有银或金的金属触点出现在白色或浅色的陶瓷背景中，类似的问题也会发生，从而不能可靠地识别触点。

还有一些元件具有在某种颜色背景下的另一种颜色的触点，但用单色相机显像时，反差不足使得触点无法得到可靠的识别。

当某些类型的元件的触点或背景有眩光时会出现另一种性能问题，同样不能可靠地识别触点。

还有一种问题是因为用于计算机视觉***的电荷耦合器件(CCD)相机对红外光非常敏感。所以，如果元件对红外光谱反射较多，其图像将如被冲蚀一般，很难可靠地识别。

本申请的原权利人(predecesor)传授了一项有创意的技巧来识别具有在浅色背景中的金属触点的元件的物理特征。然而，一台印刷电路板组装机通常要处理许多不同的电路板及元件，并且其中每一样都会呈现不同的一种或多种上述识别问题。目前，没有任何技术被用于印刷电路板组装设备中来克服所遇到的种类繁多的识别问题。

在一台处理多种不同的电路板及元件的印刷电路板组装设备中，人们可以找到本发明的方法和装置的各个方面，其中，当检查某种类型的电路板和元件时自动配置一块滤光片。滤光片被用来修正为所述类型电路板和元件的物理特征显像时所遇到的性能问题。

可以通过使用线偏振光为电路板照明并且在为板或元件显像时使用与照明滤光片的取向不同的线偏振滤光片来改善银色基准与浅色印刷电路板之间图像的反差或银色触点与浅色元件之间的图像反差。

可通过使用滤色片来改善元件图像中某一颜色的触点与另一颜色的背景之间的反差。

可以通过在为电路板或元件显像时使用圆偏振滤光片来减弱电路板或元件图像中的眩光。

可以通过透过一块阻隔红外线的滤光片对电路板或元件显像的方法来减弱在电路板或元件的图像方面反射的红外线对电荷耦合器件相机的影响。

更具体地来讲，本发明的一个方面可见于以下的用于将具有背景上的物理特征的构件显像的方法中。所述构件被一个照射源的电磁辐射所照射，从所述构件反射的电磁辐射形成幅图像，所述图像具有随被显像构件的类型而定的性能缺陷。为了去除图像中的性能缺陷，将自动地对所述反射的电磁辐射进行滤波，从而提高滤波后的图像中物理特征与背景之间的反差。

可以通过滤波后的图像来识别电路板或元件的物理特征，从而达到检查的目的。

本发明的另一方面可见于一种用于为具有背景上的物理特征的构件显像的设备中。一个或多个辐射源的电磁辐射照射所述构件。显像设备形成从所述构件反射的电磁辐射的图像，所述图像具有随被显像的构件的类型而定的性能缺陷。执行机构将滤光片这样定位，使得所述图像由通过滤光片的电磁辐射形成，从而去除了图像中的性能缺陷，因而提高了图像中物理特征与背景之间的反差。

在本发明的一个示范的实施例中，滤光片将沿直线被移入其工位。

在本发明的另一个示范的实施例中，若干待用的滤光片被安装在轮盘上然后旋转进入其工位。

本发明的另一方面可见于电路板或卡，在所述电路板或卡上表面安装有已经按照所述方法识别的元件。通过使用所述方法，把所述被安装元件的经过识别物理特征以与所述板或卡的触点焊盘对准的形式装入。

通过结合附图细读以下的详细说明将明白本发明的另一些方面，附图中：

图1为依照本发明的显像、识别及设置设备的示意的正视剖面图；

图2为从2-2线看下去的照明和反光镜(reption)部件的顶视图；

图3为依照本发明的显像、识别、设置和线性滤光片配置设备的剖面图，图中的滤光片被收回；

图4为滤光片被放置在工位的剖面图；

图5为本发明的另一实施例的剖面图，图中示出旋转式滤光片放置装置；以及

图6为图5中旋转式滤光片放置装置的顶视图。

参照所述附图中的图1，说明本发明的用于具有处于电介质或非金属的反差很差的背景中的金属物体的部件的显像的实施例，所述实施例与传统的计算机视觉***10协作来识别通常是二维的由陶瓷介质基片16支撑的很小的高熔点焊球14的网格焊球阵列(BGA)12。

BGA 12由一台元件拾取放置机(未在图中示出)的抓具或机械手18抓住并处在一台镜头向上的计算机视觉***10的相机20的上方。相机20拍摄电子图像并将其提供给计算机视觉***10，所述计算机视觉***将用此电子图像来识别检查BGA 12上的焊球14，诸如焊球是否存在，焊球大小及间距。如果BGA 12合格，视觉***10将操纵机械手18平移BGA 12并将其摆放在电路板或卡上，并且使识别的焊球14与板或卡22上的触点焊盘24对准。

通常在摆放BGA 12和其它表面安装元件到电路板或卡22之前，触点焊盘24会涂敷易熔焊料膏，在板或卡22上摆放完BGA 12及其它表面安装元件之后，板及其上已摆放好的BGA和其他元件将被加热，以使焊料膏熔化嵌条，所述嵌条将BGA牢固地焊在板或卡上。

在焊球14为银色而基片16为白色或浅色时反差最差的情形下，灯箱26通常被用于为BGA 12提供向上及向内定向偏振照明I，同时与相机20的镜头30前的偏振滤光片28协作，以便使相机20可以正常显像，进而使视觉***10可以正常地识别焊球14。

如图2所示，灯箱26的最佳实施例具有中心孔32，以便相机20通过偏振滤光片28向上取景，另有截头棱锥体的四块向上并向外倾斜的梯形表面34、36、38、40，每一面形成一束独立的偏振光。表面34、36、38、40包括在相应的乳白玻璃柔光屏50之上并且在发光二极管阵列52之上的偏振滤光片40、42、44和46。

假设以偏振滤光片28的线偏振方向为0度，将偏振滤光片40和44的线偏振方向调为90度，而将偏振滤光片42和46的线偏振方向调为180度。结果是从四个光源发射出的光，经焊球14反射回后，向下的分量为90度偏振，即接近垂直于可通过偏振滤光片28的光的偏振方向。因此，从焊球14反射的光不会到达相机20的镜头30。

另一方面，经由白或浅色基片16反射的光的向下的分量则较均匀地分布于各个偏振方向，于是大量从基片16反射的向下的光将通过偏振滤光片28到达相机20的镜头30。结果，在相机20所拍摄的电子图像中，焊球14呈现基本上黑的颜色而基板16呈现基本上白的颜色。这种产生反差的效果被认为是因为电磁波从有光泽的金属物体反射的过程中保持原偏振方向，而电磁波从介质物体反射的过程中消除了原偏振方向。

一台印刷电路板组装设备在组装一块电路板时要检查不同类型的元件。如果一些要检查的元件为浅色基板，另一些为黑色基板，新的问题就会出现。因为线性偏光片28的效果使焊球14在相机20所摄的电子图像中基本上呈黑色，利用这种滤光片照相时，黑色基板的元件上的焊球将不易被识别出来。在这种情形下理想的做法是，当为白色基板元件显像时，在相机20的镜头30前配置偏振滤光片28，而当为黑色基板元件显像时，缩回所述偏振滤光片。

如果一台印刷电路板组装设备处理印刷电路板或卡时也有类似的问题。一些电路板由玻璃纤维基片制成，通常为绿色。对于用于对准被安装元件位置的银或金色的基准，这种基片可以提供良好的反差。然而所述组装设备处理的另一些电路板或卡或许有白或浅色的陶瓷基片，这与金属色的基准之间反差较差。以上所述的适时地使用滤光片以可靠地识别具有无论是浅色或深色基片的元件上的焊球的技术，也可用来可靠地识别在无论是浅色或深色的印刷电路板或卡上的金属基准。

电路板组装设备的控制***通常使用它所处理的各类型的构件(印刷电路板、卡及元件)的规格说明文件。所述文件包含每一类构件的特性的数据。所述文件的数据，诸如物理特征的数量及位置(如板或卡上的基准、接触焊盘，元件的触点)，供计算机视觉***执行检查工序。在一台应用了本发明技术的组装设备中，规格说明文件还会包括表示是否需要使用滤光片来检查某类型构件的数据，并且对于如图5所示的实施例，还要包含使用何种滤光片的数据。

参照附图中的图3，图中示出使用线性滤光片放置装置60的本发明的一个实施例，图中滤光片已收回。滤光片通过连杆64连接到直线执行器65。当被电路板组装设备的控制***激发时，直线执行器65选定图中所示的组态，即滤光片被从相机20的光轴上撤回。当控制***停止激发时，直线执行器65选定图4所示的组态，即连杆伸出，滤光片61被安置在相机20的镜头30前方。

对于某些直线执行器，直线执行器65的动作会与以上的描述相反，即当直线执行器65被激发时，滤光片61被安置，而当停止激发直线执行器65时，滤光片61被撤回。虽然以上的论述中仅讨论了使用直线执行器来安置滤光片61，但是应当可以推断的是，筒形电磁线圈也可用于本发明的实施例中。

图3及图4中的滤光片61可以是图1中的线偏光片28，如以上所描述的，和线性偏振照明一起，用来矫正在浅色背景中的金属物理特征的显像问题。或者，滤光片61也可以选自其它几种类型的滤光片，用来矫正其他如后面将会提到的性能问题。这些其他类型的滤光片在不管是偏振照明还是非偏振照明的情形下同样有效。

例如，如果被显像的构件有绿色背景上的红色物理特征，滤光片61可选择红色滤光片。这种滤光片可让从红色物理特征反射的红光通过而阻隔背景反射的绿光，从而使在黑白相机拍摄的电子图像中物理特征呈现基本上白色而背景呈现基本上黑色。

如果相机20使用电荷耦合器件(CCD)来拍摄电子图像，对红外光谱反射强烈的构件在显像时会出现另一种性能问题。由于电荷耦合器件对红外光谱的辐射非常敏感，所以构件的电子图像会呈现如被冲蚀一般，构件的物理特征与背景呈现浅灰色，使得计算机视觉***无法识别构件的物理特征。对于此类构件，滤光片61可选用阻隔红外光但通过可见光的红外滤光片。阻隔红外线可使电荷耦合器件通过反射的可见光显像，从而在滤色后的图像中得到较好的物理特征与背景之间的反差。

如果为某些构件显像时遇到眩光，相机20所摄的图像也会呈现如被冲蚀一般。在这些情况下，滤光片61可选用圆偏振滤光片。这种滤光片限制从构件反射的照明光的旋转分量，从而减弱了构件的眩光，使得其物理特征得到正确的识别。

前面的讨论描述了识别电子元件的触点或印刷电路板或卡上的基准及触点焊盘的过程，应当可以推断的是，其他构件上的被识别的物理特征也许不是触点或基准。比如，当要在发光二极管上安装透镜时，将检查所述透镜的安装特征，所述安装特征允许把发光二极管连接到电路板或卡上。类似地，可以检查电路板或卡是否有热凝粘胶点及其准确位置，以便在板上安装非焊接元件。

如果电路板组装设备处理的各种构件都呈现出不同的性能问题，这样根据不同的被检查构件，几个不同的滤光片中的一个将会被放置，从而使所述构件的物理特征能被可靠地识别。本发明的一个实施例允许使用几块滤光片中的一块，如图5所示。图中示出旋转式滤光片放置装置70，它是安装于步进电动机76的轴上的滤光片转轮75。图5还可见滤光片61和63安装于滤光片转轮75上并定位在72及74。通过响应组装设备控制***的信号，步进马达76将转到某特定位置，从而放置与被显像的构件相配的滤光片。

图6中示出旋转式滤光片放置装置70的细节。本发明的一个实施例中的滤光片转轮75有4个光孔71、72、73及74。光孔72、73及74分别装有滤光片61、62及63，而光孔71则没有滤光片。滤光片转轮75的中心安装于步进电动机76的轴上。镜头30通过光孔74取景。马达76在上面的描述中为步进电动机，应当可以推断的是，伺服电动机也可用于本发明的实施例中，响应组装设备控制***的信号，为滤光片转轮75定位。

虽然图3、4及5示出本发明的用于网格焊球阵列封装显像的实施例，但是应当可以意识到的是，本发明的技术也可用来改善其他类型的封装或电路板和卡的显像。

虽然以上讨论的实施例仅仅示出使用单一的滤光片放置装置，但是应当可以推断的是，在其他的实施例中，多块滤光片可通过多个滤光片放置装置同时被放置，从而改善呈现多种性能问题的构件的显像。

现在可以指出，本发明的目的已经达到。在逐项仔细解说本发明时，应当可以意识到的是，在本发明的精神与涉及的范围内，会存在大量的修改。在解释所附的权利要求书时应当可以推断：

a)“包括”一词不排除权利要求书中没有罗列的其它元件或步骤；

b)某元件前的冠词“a”或“an”不排除所述元件的多种形态；

c)权利要求书中的任何参考符号并不限制其涉及范围；

d)可以用由硬件或软件实现的结构或功能的相同构件来表示一些“装置”。

Claims (18)

1.在一台自动印刷电路板组装设备中，一种用于将具有背景(16)上的物理特征(14)的构件(12)显像的方法，所述方法包括以下步骤：

利用照明源(26)，以电磁辐射照射所述构件，包括所述物理特征和所述背景；

形成从所述构件反射的电磁辐射的图像(20)，所述图像包含随所述构件的类别而定的性能缺陷；以及

自动为从所述反射的电磁辐射进行滤波(60、70)以便从所述图像中消除所述性能缺陷，从而减少所述滤波后的图像中的性能缺陷因而提高了所述物理特征与所述背景之间的反差。

2.如权利要求1所述所述的方法，其特征在于还包括识别所述滤波后的图像中的物理特征(10)。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述电磁辐射为光线而所述滤波后的图像是通过相机拍摄的。

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于：所述电磁辐射为光线而所述滤色后的图像是通过计算机视觉***的相机拍摄的，并且所述识别是通过所述计算机视觉***进行的。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述构件为印刷电路板。

6.如权利要求2所述的方法，其特征在于：所述构件为印刷电路板。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述构件为将被安装于印刷电路板上的元件。

8.如权利要求2所述的方法，其特征在于：所述构件为将被安装于印刷电路板上的元件。

9.在印刷电路板自动组装设备中，一种用于将具有背景上的物理特征的构件显像装置，所述装置包括：

一个或多个光源(26)，用于利用电磁辐射照射所述构件；

成像装置(20)，用于形成从所述构件反射的电磁辐射的图像，所述图像存在随所述构件类型而定的性能缺陷；

滤光片(61)；以及

执行机构(65，76)，用以把所述滤光片放在适当位置，使得由电磁辐射形成的所述图像通过所述滤光片，从而所述滤光片减少所述滤波后的图像中的性能缺陷因而提高了所述物理特征与所述背景之间的反差。

10.如权利要求9所述所述的装置，其特征在于还包括计算机视觉***，用于识别所述滤波后的图像中的所述物理特征。

11.如权利要求9所述的装置，其特征在于：所述电磁辐射为光线而所述滤波后的图像是通过相机拍摄的。

12.如权利要求10所述的装置，其特征在于：所述电磁辐射为光线而所述成像装置为所述计算机视觉***的相机。

13.如权利要求9所述的装置，其特征在于：所述构件为印刷电路板。

14.如权利要求10所述的装置，其特征在于：所述构件为印刷电路板。

15.如权利要求9所述的装置，其特征在于：所述构件为将被安装于印刷电路板上的元件。

16.如权利要求10所述的装置，其特征在于：所述构件为将被安装于印刷电路板上的元件。

17.如权利要求16所述的装置，其特征在于还包括机械手，用于利用识别的元件的物理特征、以与所述板或卡的接触焊盘对准的形式将所述元件放在电路板或卡上的适当位置。

18.一种电路板或卡，把已经按照权利要求8的方法识别的元件表面安装在所述电路板或卡上，所述表面安装过程是利用识别的所述元件的物理特征、以与所述板或卡的触点焊盘对准的形式进行的。

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