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1、(10)申请公布号 CN 102305600 A (43)申请公布日 2012.01.04 CN 102305600 A *CN102305600A* (21)申请号 201110127575.6 (22)申请日 2011.05.17 G01B 11/25(2006.01) (71)申请人 东莞市神州视觉科技有限公司 地址 523000 广东省东莞市东城区牛山金鸡 岭兴华工业园 F 栋 (72)发明人 罗兵 章云 周贤善 阳孝鑫 (74)专利代理机构 东莞市中正知识产权事务所 44231 代理人 张萍 (54) 发明名称 一种贴片印刷锡膏快速三维测量方法 (57) 摘要 本发明公开了一种贴片印。
2、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。。
3、 (51)Int.Cl. (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 4 页 说明书 8 页 附图 4 页 CN 102305607 A1/4 页 2 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用数字相机采集光栅投影下 的锡膏图像； 然后移动光栅的相位四分之一周期， 采集第二幅图像； 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； 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； 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。
4、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 ： ； 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 、 锡膏相对于电路板附近位置的相对调制相位和相对高度： （1） 如果而且， 则 （2） 如果而且， 则 （3） 如果而且， 则 （4） 如果而且， 则 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或几个点作为基 板， 同样按上述方法计算得到或几个值取平均， 相对调制相位为 ： ， 如果。
5、， 则， 否则； 各锡膏点相对于邻近电路板基板位置的相对高度为 ： 权 利 要 求 书 CN 102305600 A CN 102305607 A2/4 页 3 其中T、k均为已知常数 ：，是光栅投影光轴与图像采集光轴间的夹角， 取值 为 1520 度范围内 ；T是投影光栅的周期， 取在 200250 m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 所采用的系统结构包括结。
6、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。
7、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 ：、和； 其中第四幅图像可以采集， 也可以由前三幅图 像计算得到 ：； 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。 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， 且一般在 1。
8、520 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与其所挡住光线的点的相对水平 位置间的关系是 ：， 记， 则有； 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， 对于投影光栅在一个周期内 的相位定义为线性从 08， 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。
9、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的灰度为 ： 其中为与投影光栅无关的背景光线在该像素点产生的灰度，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， 为光栅亮度变化的斜率 ； 权 利 要 求 书 CN 102305600 A CN 102305607 A3/4 页 4 在第一区域 ：， ， ， ； 所以得到 ： 在第二区域 ：， ， ， ； 所以得到 ： 在第三区域 ：， ， ， ； 所以得到 ： 在第四区域 ：， ， ， ； 所以得到 ：； 上述得到的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。
10、 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， 光栅的移动采用压电陶瓷控制光栅 权 利 要 求 书 CN 102305600 A CN 102305607 A4/4 页 5 每次移动四分之一周期， 然后在整个投影采集系统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。 权 利 要 求 书 CN 102305600 A CN 102305607 A1/8 页 6 一种贴片印刷锡膏快速三维测量方法 0001 技术领域 0002 本发明涉及印刷电路板制造技术领域。
11、， 具体涉及一种电路板上印刷锡膏的三维测 量方法。 0003 背景技术 0004 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。
12、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 ： 、和。则图像上各像素点的相位为 ： 设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 ， 则锡膏相对于电路板基板的相对相位为 ：， 锡膏相对于电路板的相对高度 （即印刷锡膏的厚度） 为 ： 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， 是一个常数， 是投影光轴与图像采集光轴间的夹角。 0005 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， 这样。
13、相位展开时， 需要加 上几个， 不易确定， 相位展开存在难度。 0006 发明内容 0007 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 说 明 书 CN 102305600 A CN 102305607 A2/8 页 7 时检测性能好的贴片印刷锡膏快速三维测量方法。 0008 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 与投影方向成角度用数字相机采集光栅投影下的锡膏图像； 然后移动光栅的相 位四分之一周期， 采集第二幅图像； 然后继续同方。
14、向移动光栅的相位四分之一周 期， 采集第三幅图像； 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； 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 ： ； 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 、 锡膏相对于电路板附近位置的相对调制相位和相对高度： （1） 如果而且， 则 （2） 如果而且， 则 （3） 如果。
15、而且， 则 （4） 如果而且， 则 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或几个点作为基 板， 同样按上述方法计算得到或几个值取平均， 相对调制相位为 ： ， 如果， 则， 否则； 各锡膏点相对于邻近电路板基板位置的相对高度为 ： 说 明 书 CN 102305600 A CN 102305607 A3/8 页 8 其中T、k均为已知常数 ：，是光栅投影光轴与图像采集光轴间的夹角， 取值 为 1520 度范围内 ；T是投影光栅的周期， 取在 200250 m范围内。 0009 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。 0010 该。
16、测量方法所采用的系统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。
17、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 ：、和； 其中第四幅图像可以采集， 也可以由前三幅图 像计算得到 ：； 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。 0011 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， 且一般在 1520 度的范围内， 印刷锡膏的厚度变。
18、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与其所挡 住光线的点的相对水平位置间的关系是 ：， 记， 则有； 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， 对于投影光栅在一个周期内 的相位定义为线性从 08， 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。
19、是不同的， 第i次光栅投影下采集的图像在像素点的灰度为 ： 其中为与投影光栅无关的背景光线在该像素点产生的灰度，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， 为光栅亮度变化的斜率 ； 在第一区域 ：， 说 明 书 CN 102305600 A CN 102305607 A4/8 页 9 ， ， ； 所以得到 ： 在第二区域 ：， ， ， ； 所以得到 ： 在第三区域 ：， ， ， ； 所以得到 ： 在第四区域 ：， ， ， ； 所以得到 ：； 上述得到的即为在四个区域中各点的相位和其位置变化间的关系。 0012 在采集四幅图像的过程中， 依次移动光栅的相位、 采集图像， 。
20、重复四次， 或者第四 次图像由前三次的图像数据计算得到， 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系统移动到下一个采集 视场区域的同时， 控制光栅回复到初始位置。 0013 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 说 明 书 CN 102305600 A CN 102305607 A5/8 页 10 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。
21、个周期， 使相位展开变得简单。 0014 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。 0015 附图说明 0016 图 1 为本发明相位测量算法流程图 ； 图 2 为本发明测量系统硬件结构示意框图 ； 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。
22、相位计算示意图。 0017 具体实施方式 0018 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 用数字相机采集光栅投影下的锡膏图像； 然后移动光栅的相位四分之一周期， 采集第二幅图像； 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 ； 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； 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。
23、的灰度值也可 以由前三幅图像的灰度值计算得到 ： ； 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 、 锡膏相对于电路板附近位置的相对调制相位和相对高度： （1） 如果而且， 则 （2） 如果而且， 则 说 明 书 CN 102305600 A CN 102305607 A6/8 页 11 （3） 如果而且， 则 （4） 如果而且， 则 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或几个点作为基 板， 同样按上述方法计算得到或几个值取平均， 相对调制相位为 ： ， 如果， 则，。
24、 否则； 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 ：，是光栅投影光轴与图像采集光轴间的夹角， 取值 为 1520 度范围内 ；T是投影光栅的周期， 取在 200250 m范围内。 0019 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。 0020 参照图 2， 该测量方法所采用的系统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。
25、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 ：、。
26、和； 其中第四幅图像可以采集， 也可以由前三幅图 像计算得到 ：； 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。 0021 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， 且 说 明 书 CN 102305600 A CN 102305607 A7/8 页 12 一般在 1520 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 与其所挡住光线的点的相对水。
27、平位置间的关系是 ：， 记， 则有 ； 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， 对于投影光栅在一个周期内 的相位定义为线性从 08， 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的灰度为 ： 其中为与投影光栅无关的背景光线在该像素点产生的灰度，为第i次 光栅投影在该像素点产生的灰度，。
28、 设各周期起始相位为 0， 为光栅亮度变化的斜率 ； 在第一区域 ：， ， ， ； 所以得到 ： 在第二区域 ：， ， ， ； 所以得到 ： 在第三区域 ：， ， ， ； 说 明 书 CN 102305600 A CN 102305607 A8/8 页 13 所以得到 ： 在第四区域 ：， ， ， ； 所以得到 ：； 上述得到的即为在四个区域中各点的相位和其位置变化间的关系。 0022 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， 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系统移动到下一个采。
29、集 视场区域的同时， 控制光栅回复到初始位置。 0023 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。 说 明 书 CN 102305600 A CN 102305607 A1/4 页 14 图 1 说 明 书 附 图 CN 102305600 A CN 102305607 A2/4 页 15 图 2 说 明 书 附 图 CN 102305600 A CN 102305607 A3/4 页 16 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 102305600 A CN 102305607 A4/4 页 17 图 5 图 6 说 明 书 附 图 CN 102305600 A 。