專利名稱：使用多相位結(jié)構(gòu)光的三維成像改進(jìn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
背景技術(shù)：
承載電子電路和分立電學(xué)部件的電路板是眾所周知的。將電路板基板準(zhǔn)備為具有 預(yù)定的導(dǎo)體路徑和焊盤(pán)，所述焊盤(pán)用于接收集成電路芯片、電阻器或電容器之類的電學(xué)部 件的導(dǎo)線。在電路板制作過(guò)程期間，將焊料漿塊放置到電路板基底上的合適位置處。一般 通過(guò)將絲網(wǎng)放置到基底上、并且通過(guò)絲網(wǎng)開(kāi)口涂覆焊料漿以及從基底上去除絲網(wǎng)來(lái)涂覆所 述焊料漿。然后將電路板電學(xué)部件定位到基底上，優(yōu)選地用拾取和放置機(jī)器將電學(xué)部件的 導(dǎo)線放置到相應(yīng)的焊料漿塊上。在將所有部件定位于基底上之后，使所述電路板通過(guò)烤爐 以熔化焊料漿，從而創(chuàng)建所述部件和基底之間的電學(xué)和機(jī)械連接。隨著對(duì)于電子工藝中微型化愈發(fā)的重要性，焊料漿塊的大小和必須將所述焊料漿 塊放置到基底上的精確度變得越來(lái)越小和越來(lái)越緊湊。焊料漿塊高度可以小到100微米， 并且焊料漿塊的高度必須要被測(cè)量為在所需高度和大小的百分之一之內(nèi)。焊料塊之間的中 心-中間間距有時(shí)在200微米。過(guò)少的焊料漿可能導(dǎo)致在電子部件的引線和電路板基底的 焊盤(pán)之間沒(méi)有電連接。過(guò)多的焊料漿可能導(dǎo)致部件引線之間的橋接和短路。單獨(dú)的電路板可能花費(fèi)數(shù)千或數(shù)萬(wàn)美元來(lái)制造。制作工藝完成之后測(cè)試電路板可 以檢測(cè)在焊料安置和部件引線連接中的錯(cuò)誤，但是對(duì)于有故障電路板的唯一補(bǔ)救方法在于 廢棄整個(gè)電路板。因此，迫切需要在制作過(guò)程期間檢查電路板，使得可以將電子部件安置到 基底之前檢測(cè)到不合適的焊料漿安置。因?yàn)檫€沒(méi)有將昂貴的部件放置到電路板上，這種過(guò) 程中焊料檢查減小了故障成本。本發(fā)明的實(shí)施例可用于相對(duì)于電子部件制造的多種自動(dòng)光 學(xué)檢查。重要的檢查包括焊料漿檢測(cè)、粘合劑或膠水檢查、安置后部件檢查、引線/球共面 檢查等等。轉(zhuǎn)讓給本申請(qǐng)受讓人的美國(guó)專利6，750，899提供了一種高度拓?fù)錂z查系統(tǒng)，通過(guò) 將光投射通過(guò)標(biāo)線(reticle)以便將光的圖案投射到印刷電路板的區(qū)域上，所述高度拓?fù)?檢查系統(tǒng)能夠檢測(cè)焊料漿的大小和高度。板傳送器將所述板安置于至少兩個(gè)不同的位置， 其中每一個(gè)位置與所投射光的不同相位相對(duì)應(yīng)。在每一個(gè)位置處獲取與每一個(gè)相應(yīng)位置相 位相對(duì)應(yīng)的圖像。測(cè)量傳感器和所述板之間的相對(duì)移動(dòng)，并且處理器協(xié)同定位所述至少兩 個(gè)圖像，并且用協(xié)同定位的圖像構(gòu)建高度映射圖像。然后將所述高度映射圖像用于檢測(cè)電 路板上的焊料漿的大小和高度。盡管美國(guó)專利6，750，899描述了對(duì)于高度拓?fù)錂z查技術(shù)的重要貢獻(xiàn)，還存在一些 改進(jìn)空間。因此，如隨后將描述的，本發(fā)明的實(shí)施例通常改進(jìn)了在美國(guó)專利6，750，899中提 高的設(shè)計(jì)。

發(fā)明內(nèi)容
提出了一種對(duì)測(cè)試表面上特征的高度進(jìn)行映射的方法。所述方法包括將已構(gòu)圖 照明光投射到所述特征上，所述已構(gòu)圖照明光具有多個(gè)不同的邊緣周期。在將已構(gòu)圖照明光投射到所述特征上的同時(shí)獲取所述特征的第一圖像。然后在傳感器和所述特征之間產(chǎn)生 相對(duì)移動(dòng)，以引起檢測(cè)器視場(chǎng)的一部分的相對(duì)位移，所述一部分約等于產(chǎn)生所述圖案的標(biāo) 線的不同的區(qū)域的個(gè)數(shù)的倒數(shù)。然后，在將已構(gòu)圖照明光投射到所述特征的同時(shí)獲取所述 特征的第二圖像。至少基于所述第一和第二圖像產(chǎn)生高度映射。


圖1是其中本發(fā)明實(shí)施例有用的高度拓?fù)錂z查系統(tǒng)的示意圖。圖2是投射到平坦表面上的現(xiàn)有技術(shù)表面光度儀的標(biāo)線圖案的示意圖。圖3是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例投射的多相位標(biāo)線圖案的示意圖。圖4是使用根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的多相位結(jié)構(gòu)光對(duì)測(cè)試表面進(jìn)行三維成像的方法 的流程圖。圖5是示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的Y軸傳感器位移和邊緣圖像獲取隨時(shí)間的時(shí)序 圖。圖6是根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例投射的多相位標(biāo)線圖案的示意圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的實(shí)施例通常采用對(duì)電路板上的特征(例如焊料漿)的高度進(jìn)行映射或者 測(cè)量的技術(shù)。三維相位表面光度儀是一種公知的技術(shù)。例如參見(jiàn)美國(guó)專利6，049，384和 6，750，899，所述專利已經(jīng)轉(zhuǎn)讓給該申請(qǐng)的受讓人。本質(zhì)上，由通過(guò)軟百葉窗的陽(yáng)光將光圖 案投射到襯底上，并且所述光圖案與投射到地板上的暗區(qū)域和亮區(qū)域的圖案類似。正像通 過(guò)軟百葉窗的太陽(yáng)光將在平坦的地面上展現(xiàn)平行的直條一樣，平坦表面上的光的圖案將是 平行的直條之一，但是根據(jù)標(biāo)線不透明性的正弦圖案改變強(qiáng)度。將通過(guò)軟百葉窗的太陽(yáng)光 繼續(xù)進(jìn)行類推，應(yīng)該理解的是當(dāng)從上觀看時(shí)，如果陽(yáng)光的圖案條碰到具有與平坦地面高度 不同高度的目標(biāo)(例如睡著的貓)，陽(yáng)光的圖案條將側(cè)向偏移。類似地，因?yàn)榘凑张c平坦表 面的平面的一定角度將所述光投射到平坦的表面上，由于具有與平坦表面高度不同高度的 目標(biāo)的存在，將在所述平坦表面上存在圖案條側(cè)向地偏移。圖1示出了高度拓?fù)錂z查系統(tǒng)，包括處理器14、Χ_Υ運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)16和光學(xué)傳感器系 統(tǒng)18。為了說(shuō)明的目的，高度拓?fù)錂z查系統(tǒng)10作為焊料漿檢查系統(tǒng)，但是本領(lǐng)域普通技術(shù) 人員應(yīng)該理解，所述系統(tǒng)10可以用于其他合適類型的拓?fù)錂z查。焊料漿檢查系統(tǒng)10通過(guò) 網(wǎng)絡(luò)21等可與主機(jī)19相連，以便發(fā)送和接收與印刷電路板上的焊料檢查有關(guān)的信息。例 如，系統(tǒng)10可以接收與特定焊料漿位置有關(guān)的位置信息及其相應(yīng)標(biāo)稱值。優(yōu)選地，處理器 14設(shè)置在微計(jì)算機(jī)12內(nèi)，所述微計(jì)算機(jī)12是具有諸如鍵盤(pán)和鼠標(biāo)之類的輸入和視頻監(jiān)視 器形式的輸出的已知設(shè)備。此外優(yōu)選地，微計(jì)算機(jī)12包括工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)和微處理器。 一個(gè)示例是用英特爾奔騰處理器運(yùn)行微軟視窗操作系統(tǒng)的個(gè)人計(jì)算機(jī)。優(yōu)選地，處理器14在具有工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)形式因子的計(jì)算機(jī)外圍卡上實(shí)現(xiàn)。另外，優(yōu)選 地，所述處理器適于通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)部件互連(PCI)總線連接微計(jì)算機(jī)12。然后，處理器14 使用已知的直接存儲(chǔ)存取(DMA)傳遞方法將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移至微計(jì)算機(jī)12或者從微計(jì)算機(jī)12轉(zhuǎn) 移數(shù)據(jù)，以促進(jìn)高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移。處理器14從模擬/數(shù)字電子設(shè)備48接收數(shù)字視頻數(shù)據(jù)，并且對(duì)這些數(shù)據(jù)執(zhí)行各種功能。例如，處理器14觸發(fā)傳感器系統(tǒng)18基于通過(guò)線路20從編碼器24接收到的編碼 器信息來(lái)獲取圖像。處理器14也與傳感器系統(tǒng)18通信以便控制其工作模式(即，高分辨 率vs高速)。處理器14從傳感器系統(tǒng)18接收在先數(shù)字化的視頻數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在幀緩沖器(未 示出)中。處理器14操作所述數(shù)字化的視頻圖像以校正傳感器系統(tǒng)18中的具體CMOS陣 列46中的缺陷。處理器14也用于補(bǔ)償所述高度映射上的已知光學(xué)失真的效果。處理器14通過(guò)線路20與X-Y運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)16相連。X-Y運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)16也包括X和Y 馬達(dá)(未示出)，所述X和Y馬達(dá)沿相應(yīng)的X軸和Y軸安置電路板22。X和Y馬達(dá)可操作地 與X和Y編碼器(在塊24中示意性示出)相連以向處理器14提供表示沿X和Y軸的電路 板位置的數(shù)據(jù)。將移動(dòng)命令通過(guò)線路25發(fā)送至系統(tǒng)16。系統(tǒng)16相當(dāng)穩(wěn)定，并且將所述系 統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制在獲取用于產(chǎn)生高度映射的至少兩個(gè)相位圖像所要求的距離上像素大小的 近似一部分之內(nèi)。如果系統(tǒng)16不是足夠穩(wěn)定，可能需要電子裝置中附加的處理來(lái)提供等效 的精確度和可重復(fù)性。在一個(gè)實(shí)施例中，優(yōu)選地，每一個(gè)線性編碼器具有約0. 5 μ m的分辨 率，如可以從Renishaw購(gòu)買的線性編碼器。因此通過(guò)協(xié)同操作，計(jì)算機(jī)12和X-Y運(yùn)動(dòng)系統(tǒng) 16沿箭頭7、8的X和Y方向如所需地精確移動(dòng)電路板22。光學(xué)傳感器系統(tǒng)18包括照相機(jī)系統(tǒng)30和投射系統(tǒng)28。照相機(jī)系統(tǒng)30包括照相 機(jī)透鏡31、CMOS檢測(cè)器46和一組A/D電子裝置48。投射系統(tǒng)28包括閃光燈38、聚光器 40、標(biāo)線41和投射器透鏡42。將系統(tǒng)18內(nèi)的所有部件固定在系統(tǒng)的外殼內(nèi)。將系統(tǒng)18固 定地附加到平移臺(tái)(未示出)以提供Z向移動(dòng)用于聚焦控制。投射系統(tǒng)28將結(jié)構(gòu)光的多個(gè)相位投射到焊料漿特征36上。優(yōu)選地，閃光燈38是 填充有氙氣的高速頻閃閃光燈，投射寬帶白光。當(dāng)定時(shí)信號(hào)通過(guò)信道34引起燈38在短時(shí) 間內(nèi)點(diǎn)火多次時(shí)，外殼18內(nèi)的高速放電電路(未示出)驅(qū)動(dòng)燈38，優(yōu)選地，頻閃之間至少1 毫秒以便確保閃光燈保持穩(wěn)定。能夠在這種較短時(shí)間內(nèi)提供三次閃光的高速放電電路對(duì)于 確保高系統(tǒng)產(chǎn)出是必不可少的。在標(biāo)題為“Rapid-Firing Flashlamp DischargeCircuit” 的美國(guó)專利6，593，705中提出了這種高速放電電路的一個(gè)示例，該美國(guó)專利轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明 的受讓人，因此將其結(jié)合在此作為參考。其他類型的照明源也可用于本發(fā)明，例如脈沖激光 器或脈沖LED，只要它們能夠在優(yōu)選的時(shí)間周期內(nèi)提供短持續(xù)時(shí)間、高能連續(xù)脈沖。聚光透 鏡40從閃光燈38收集光，并且將所述光通過(guò)標(biāo)線41導(dǎo)引至投射器透鏡42，在測(cè)試表面36 上同時(shí)形成變化的邊緣圖像。優(yōu)選地，標(biāo)線41具有象散圖案，并且所述投射器透鏡是象散 的，一起可靠地同時(shí)形成具有低諧波失真的變化象散圖案。優(yōu)選地，投射器透鏡28是雙倍焦闌的，即在標(biāo)線空間和目標(biāo)空間(板22上的焊料 漿堆積物36處)都是焦闌的。由于所述雙倍焦闌允許在視場(chǎng)和景深內(nèi)與焊料漿位置無(wú)關(guān) 的進(jìn)行高度、體積和面積計(jì)算，所述雙倍焦闌是重要的。該特征也對(duì)于系統(tǒng)整體上提供較低 的失真，由于目標(biāo)在曝光之間移動(dòng)，這是比較重要的。照相機(jī)系統(tǒng)30觀看在焊料漿堆積物36的目標(biāo)上的已投射邊緣，并且快速連續(xù)地 獲取和數(shù)字化圖像。照相機(jī)系統(tǒng)30不包括光柵，因?yàn)楣鈻乓呀?jīng)結(jié)合到波紋干涉系統(tǒng)中。優(yōu) 選地，照相機(jī)系統(tǒng)30在目標(biāo)空間中是焦闌的，并且由于上述給出的原因具有較低的失真。 選擇視場(chǎng)的大小，以在仍然維持目標(biāo)的足夠分辨率的同時(shí)最大化視場(chǎng)覆蓋。優(yōu)選地，CMOS陣 列46是兆像素陣列，并且同樣能夠檢查精細(xì)細(xì)節(jié)的焊料漿特征。例如，可以檢查用于諸如 芯片規(guī)模封裝(CSP)或微球柵陣列之類部件的焊料特征。然而，通過(guò)對(duì)來(lái)自單獨(dú)像素的數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣和組合，可以產(chǎn)生較大的等效像素，這促進(jìn)了更高速度的檢查。這種較大的有效 像素允許高速應(yīng)用，并且因此減少了后續(xù)處理時(shí)間。在一個(gè)實(shí)施例中，可以基于在板22的 不同區(qū)域中找到的部件類型，對(duì)在相同板上的不同焊料漿特征在高分辨率模式和高速模式 之間迅速地切換檢查模式。同樣，光學(xué)傳感器系統(tǒng)18采用相同單元中的雙分辨率能力。用于確定表面高度的現(xiàn)有相位表面光度儀方法的一種局限性是相位重疊。由于 相位重建技術(shù)的周期性本質(zhì)，相位重疊產(chǎn)生高度模糊。對(duì)于具有大于傳感器相位周期的高 度變化的表面以及具有非連續(xù)階躍高度輪廓的表面，該問(wèn)題尤為麻煩。解決該問(wèn)題的嘗試 通常包括在圖像源發(fā)生器內(nèi)添加第二傳感器或修改邊緣頻率。由于要求兩個(gè)分離的光學(xué)路 徑，添加第二傳感器是一種更加昂貴的方法。此外，用相同圖像源發(fā)生器改變邊緣頻率的方 法增加了表面光度儀的成本，并且要求來(lái)自接收照相機(jī)的多個(gè)讀取周期，從而減慢了傳感 器的數(shù)據(jù)獲取速率。本發(fā)明的實(shí)施例通常克服了之前嘗試的不足，并且提供了一種三維成像系統(tǒng)，所 述三維成像系統(tǒng)具有極大擴(kuò)展的有效高度包絡(luò)線，而不會(huì)帶來(lái)額外的成本和速度損失。圖2是投射到平坦表面上的現(xiàn)有技術(shù)表面光度儀的標(biāo)線圖案的示意圖。如可以看 出的，圖案100由多個(gè)改變暗度的平行線組成，優(yōu)選地所述平行線相對(duì)于表面光度儀和工 作件之間的相對(duì)移動(dòng)方向具有諸如45°之類的角度。將圖2中圖案周期之間的距離看作是 邊緣周期。圖3是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例投射的多相位標(biāo)線圖案的示意圖。如從圖3中可以看出， 標(biāo)線圖案200具有與標(biāo)線圖案100的某些類似性標(biāo)線圖案200由相對(duì)于表面光度儀和工 作件之間的相對(duì)移動(dòng)方向具有一定角度的多條平行線組成。然而如從圖3中可以看出，標(biāo) 線圖案200包括多個(gè)不同的相位區(qū)域。具體地，區(qū)域202具有相對(duì)較短的邊緣周期，從而允 許非常高的精度，但是也具有相對(duì)較低的重疊高度。區(qū)域204設(shè)置為與區(qū)域202相鄰并且 具有不同的邊緣周期，在這種情況下是比區(qū)域202的邊緣區(qū)域更大的邊緣區(qū)域。如圖3所 示，優(yōu)選地，不同的區(qū)域202、204彼此對(duì)準(zhǔn)。另外，優(yōu)選地，每一個(gè)邊緣區(qū)域202、204的大小 相等。甚至當(dāng)采用具有其他邊緣周期的附加邊緣周期時(shí)也保持這種優(yōu)先性。例如，如果使 用三個(gè)區(qū)域，方便的是這三個(gè)區(qū)域的每一個(gè)均是相同大小的。對(duì)于不同區(qū)域選擇不同的邊緣周期是重要的。例如，一個(gè)邊緣周期可以相對(duì)較大， 用于粗略高度映射。只要粗略高度映射功能可以確定高度在第二邊緣周期的重疊高度以 內(nèi)，就是有用的。因此，第二邊緣周期可以是非常精確的，但是具有僅僅1毫米的重疊高度。 那么，第二邊緣周期可以具有9毫米的重疊高度，但是能夠辨別1毫米以內(nèi)的高度。如可以 理解的，通過(guò)對(duì)這兩個(gè)邊緣周期彼此進(jìn)行杠桿作用，可以將較小邊緣周期的精確度用于在 較大邊緣周期的整個(gè)高度包絡(luò)線內(nèi)獲得非常精確的高度映射。也可以考慮不同的邊緣周期 的其他組合。在以上示例中，只有邊緣周期之一提供非常精細(xì)的高度精度，并且將其余邊緣周 期用于粗略的高度確定。然而，可以將兩個(gè)相對(duì)類似的邊緣周期用于在比每一個(gè)單獨(dú)邊緣 高度映射的重疊高度更大的距離上提供明確的精確高度映射。因此，具有1毫米重疊高度 的邊緣周期與具有1. 2毫米重疊高度的第二邊緣周期一起使用將允許每一個(gè)對(duì)于精確高 度映射都由貢獻(xiàn)，并且將提供6毫米的重疊高度。這是因?yàn)樵?毫米高度內(nèi)，從每一個(gè)邊緣 周期的組合得出的高度信息將只解決6毫米高度包絡(luò)線內(nèi)的單一高度。
圖4是使用根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的多相位結(jié)構(gòu)光對(duì)測(cè)試表面進(jìn)行三維成像的方法 的流程圖。為了獲取圖像，將傳感器18沿圖1所示的Y軸8相對(duì)于測(cè)試表面22移動(dòng)。方法 300開(kāi)始于塊302，其中控制進(jìn)行至塊304。在塊304，對(duì)高度掃描設(shè)備初始化。這種初始化 可以包括對(duì)任意合適的變量和/或寄存器清零，以及開(kāi)始所述運(yùn)動(dòng)輪廓。一旦初始化完成， 控制進(jìn)行至塊306，其中將傳感器移動(dòng)至“下一個(gè)”位置。該位置是表面上要測(cè)試特征的位 置。通常，這將是焊料漿堆積物的位置，但是可以是針對(duì)所需高度映射的任意合適位置。一 旦正確地安置了傳感器，塊308開(kāi)始，所述塊308是總高度圖像獲取過(guò)程。在塊308內(nèi)，塊 310首先通過(guò)獲取第一圖像(圖像A)來(lái)執(zhí)行。塊310包括子步驟310A、310B和310C。在 塊310A時(shí)，觸發(fā)邊緣照明光器。在該步驟時(shí)，照明光點(diǎn)亮通過(guò)標(biāo)線，優(yōu)選地頻閃照明光點(diǎn)亮 通過(guò)標(biāo)線，例如標(biāo)線41，所述標(biāo)線具有兩個(gè)不同的邊緣圖案。優(yōu)選地，當(dāng)將標(biāo)線傳感器安置 為獲取第一邊緣圖像時(shí)，由階段編碼器24觸發(fā)所述照明光。這在CMOS傳感器46的視場(chǎng)內(nèi) 產(chǎn)生兩個(gè)不同的圖案。在塊310B時(shí)，存取并且存儲(chǔ)邊緣圖案1A。在塊310C時(shí)，存取并且存 儲(chǔ)邊緣圖案2A。這樣，對(duì)于單獨(dú)的圖像獲取，照明光器將標(biāo)線的圖像投射到測(cè)試表面上，并 且在面積陣列成像儀上獲取圖像。從所述成像儀下載圖像，并且將所述圖像存儲(chǔ)在控制器 的存儲(chǔ)器中。因此，由于邊緣圖像IA和2A都在CMOS檢測(cè)器46的同一視場(chǎng)內(nèi)，同時(shí)獲取了 邊緣圖像IA和2A。已經(jīng)在塊310中獲取圖像A之后，控制進(jìn)行至塊312，其中直到下一個(gè)相位位置準(zhǔn) 備好之前所述系統(tǒng)一直等待。這可以是直到運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)產(chǎn)生工作件和傳感器的相對(duì)運(yùn)動(dòng) 為止的等待，或者是直到移動(dòng)網(wǎng)已經(jīng)將工作件移動(dòng)足夠距離為止的等待。重要的是在塊310 的圖像A和塊314的圖像B的獲取之間發(fā)生的移動(dòng)沿單一方向，例如如圖2和圖3中所示 的方向。在塊314時(shí)，獲取圖像B。像塊310那樣，塊314包括子步驟314A、314B和314C。 在塊314A時(shí)，觸發(fā)邊緣照明光器。在該步驟時(shí)，照明光點(diǎn)亮通過(guò)標(biāo)線，優(yōu)選地頻閃照明光點(diǎn) 亮通過(guò)標(biāo)線，例如標(biāo)線41，所述標(biāo)線具有兩個(gè)不同的邊緣圖案。這在CMOS傳感器46的視場(chǎng) 內(nèi)產(chǎn)生兩個(gè)不同的圖案。在塊314B時(shí)，存取并且存儲(chǔ)邊緣圖案1B。在塊314C時(shí)，存取并且 存儲(chǔ)邊緣圖案2B。由于邊緣圖像IB和2B都在CMOS檢測(cè)器46的同一視場(chǎng)內(nèi)，同時(shí)獲取了 邊緣圖像IB和2B。在塊314中已經(jīng)獲取了圖像B之后，控制進(jìn)行至塊316，其中直到下一個(gè)相位位置 準(zhǔn)備好之前所述系統(tǒng)一直等待。在塊318時(shí)，獲取圖像C。像塊310和314那樣，塊318包括子步驟318A、318B和 318C。在塊318A時(shí)，觸發(fā)邊緣照明光器。在該步驟時(shí)，照明光點(diǎn)亮通過(guò)標(biāo)線，優(yōu)選地頻閃照 明光點(diǎn)亮通過(guò)標(biāo)線，例如標(biāo)線41，所述標(biāo)線具有兩個(gè)不同的邊緣圖案。這在CMOS傳感器46 的視場(chǎng)內(nèi)產(chǎn)生兩個(gè)不同的圖案。在塊318B時(shí)，存取并且存儲(chǔ)邊緣圖案1C。在塊318C時(shí)，存 取并且存儲(chǔ)邊緣圖案2C。由于邊緣圖像IC和2C都在CMOS檢測(cè)器46的同一視場(chǎng)內(nèi)，同時(shí) 獲取了邊緣圖像IC和2C。在塊320和322時(shí)，分別針對(duì)邊緣1和2計(jì)算第N個(gè)高度圖像。接下來(lái)在塊324 時(shí)，將針對(duì)邊緣1計(jì)算的第N個(gè)高度圖像與針對(duì)邊緣圖像2計(jì)算的第(N-I)個(gè)高度圖像進(jìn) 行組合，以產(chǎn)生擴(kuò)展范圍的高度圖像。然后控制進(jìn)行至塊326，其中所述系統(tǒng)確定掃描是否 是完整的。如果所述掃描是完整的，控制進(jìn)行至塊328，其中所述方法結(jié)束。然而，如果所述掃描不是完整的，控制經(jīng)由線條330回到至塊306，并且系統(tǒng)移動(dòng)至“下一個(gè)”(N+1)位置。 另外，當(dāng)前位置(N)和“下一個(gè)”位置之間的移動(dòng)優(yōu)選地是CMOS檢測(cè)器視場(chǎng)的一部分。在 采用多于兩個(gè)不同的邊緣周期的實(shí)施例中，優(yōu)選地，所述一部分近似等于產(chǎn)生圖案的標(biāo)線 不同的區(qū)域的個(gè)數(shù)的倒數(shù)。通過(guò)投射多于一個(gè)邊緣周期，通過(guò)面積陣列成像儀可以獲取兩個(gè)或更多的邊緣周 期區(qū)域，并且將其分離地處理成不同的高度映射。對(duì)于每一個(gè)圖像獲取周期，由兩個(gè)或更 多邊緣圖像區(qū)域產(chǎn)生的一個(gè)或更多高度圖像表示測(cè)試表面的不同區(qū)域。然而，因?yàn)橐笏?述傳感器相對(duì)于測(cè)試表面移動(dòng)，并且如果將不同邊緣周期的圖像區(qū)域沿傳感器運(yùn)動(dòng)的軸對(duì) 準(zhǔn)，由這兩個(gè)邊緣周期限定的每一個(gè)區(qū)域?qū)⒛軌颢@取測(cè)試表面的圖像。一旦通過(guò)每一個(gè)邊 緣周期獲取了針對(duì)測(cè)試表面的高度信息，可以比較并且組合單獨(dú)的高度圖像，以擴(kuò)展越過(guò) 單一邊緣圖像的重疊高度的測(cè)量高度范圍。圖5是示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的Y軸傳感器位移和邊緣圖像獲取隨時(shí)間的時(shí)序 圖。如從圖5中可以看出，在時(shí)間幀、時(shí)，在位置％投射具有邊緣圖案1和2的標(biāo)線圖像。 在將該標(biāo)線圖像投射(邊緣1和2)兩次、或者優(yōu)選地三次的同時(shí)，獲取了改變的相位圖像。 如美國(guó)專利6，750，899中所示，這些圖像具有相位差(例如，以120°相位差獲取的三個(gè)圖 像)，這種相位差允許構(gòu)建相對(duì)于第一時(shí)間幀的高度映射。如從圖5中可以看出，在時(shí)間幀 to期間的圖像獲取不會(huì)持續(xù)到時(shí)間幀ti，而是在在傳感器沿Y軸移動(dòng)至下一個(gè)位置的、和 、之間存在時(shí)滯。參考圖4的塊306描述這種延遲。優(yōu)選地，這樣移動(dòng)所述傳感器，使得時(shí) 間幀、期間獲取的圖像在傳感器視場(chǎng)內(nèi)包括與時(shí)間幀、期間獲取的圖像交叉的一部分。 在說(shuō)明中，時(shí)間幀、的邊緣圖案1與來(lái)自時(shí)間幀、的邊緣圖案2重疊。同樣如圖5所示， 該過(guò)程繼續(xù)到傳感器已經(jīng)掃描或者讀出了整個(gè)Y軸為止。圖6是根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例投射的多相位標(biāo)線圖案的示意圖。圖案400包括 三個(gè)不同的區(qū)域。具體地，圖案400包括區(qū)域402、404和406。如從圖6中可以看出的，區(qū) 域404是具有比區(qū)域402、406相對(duì)更小邊緣周期的高度映射區(qū)域。因此，當(dāng)將區(qū)域404投 射到測(cè)試表面上時(shí)，可以探知精細(xì)的高度細(xì)節(jié)。然而，因?yàn)楣ぷ骷粫?huì)放置地完全平坦，區(qū) 域402、404之一可以用于在圖像承載區(qū)域404的獲取之前粗略地確定高度。這允許調(diào)節(jié)傳 感器Z的高度，以便提供對(duì)于高度映射圖像更好的聚焦。一旦已經(jīng)調(diào)節(jié)或確認(rèn)了 ζ高度，獲 取了測(cè)試表面上的區(qū)域404的圖像。這允許系統(tǒng)動(dòng)態(tài)地改變焦距以遵循沒(méi)有放置地完全平 坦的板或工作件，并且仍然提供對(duì)于工作件上特征相當(dāng)精確的高度映射。此外，存在兩個(gè)邊 緣圖像以允許在精細(xì)分辨率標(biāo)線之前的“聚焦”信息，所述精細(xì)分辨率標(biāo)線允許沿兩個(gè)方向 移動(dòng)。本發(fā)明的實(shí)施例通常提出了多種優(yōu)勢(shì)。例如，在不降低分辨率的同時(shí)可以增加相 位表面光度儀高度測(cè)量的有用范圍。另外，可以將相同的投射儀、圖像捕獲和圖像處理機(jī)制 用于測(cè)量絕對(duì)高度和/或識(shí)別高度圖像中的特定相位周期，用于開(kāi)發(fā)周期性的高度測(cè)量。 另外，確定附加高度信息不要求附加的曝光時(shí)間。同樣，確信不要求附加的硬件來(lái)投射多個(gè) 邊緣周期?？梢酝ㄟ^(guò)相同的光學(xué)系統(tǒng)投射和獲取這些多邊緣周期。可以同時(shí)獲取所述多 邊緣周期，減小一般與在靜止相位表面光度儀中的多周期邊緣投射的獲取相關(guān)聯(lián)的獲取時(shí) 間。盡管已經(jīng)參考優(yōu)選實(shí)施例描述了本發(fā)明，但本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以對(duì)這些實(shí)施例進(jìn)行修改。例如，盡管將圖像檢測(cè)器 46描述為CMOS檢測(cè)器，可以使用諸如CCD檢測(cè)器之類的任意合適的檢測(cè)器。
權(quán)利要求
一種對(duì)測(cè)試表面上特征的高度進(jìn)行映射的方法，所述方法包括將已構(gòu)圖照明光投射到所述特征上，所述已構(gòu)圖照明光具有多個(gè)不同的邊緣周期；在將已構(gòu)圖照明光投射到所述特征上的同時(shí)獲取所述特征的第一多個(gè)圖像，所述第一多個(gè)圖像具有至少兩個(gè)不同的相位以創(chuàng)建第一高度映射；在傳感器和所述特征之間產(chǎn)生相對(duì)移動(dòng)，以引起檢測(cè)器視場(chǎng)的一部分的相對(duì)位移；在將已構(gòu)圖照明光投射到所述特征的同時(shí)獲取所述特征的第二多個(gè)圖像，所述第二多個(gè)圖像具有至少兩個(gè)不同的相位以創(chuàng)建第二高度映射；以及組合所述第一和第二高度映射。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中通過(guò)頻閃照明光器產(chǎn)生已構(gòu)圖照明光。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括在獲取所述第二多個(gè)圖像之后，在傳感器和所述特征之間產(chǎn)生相對(duì)移動(dòng)，以引起所述 傳感器的相對(duì)位移；以及在將已構(gòu)圖照明光投射到所述特征的同時(shí)獲取第三多個(gè)圖像，以產(chǎn)生第三高度映射， 其中組合所述第一、第二和第三高度映射。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括將所述第一多個(gè)圖像的一部分與所述第二多 個(gè)圖像的一部分協(xié)同定位。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中將所述多個(gè)不同的邊緣周期設(shè)置為在所述檢測(cè)器 的視場(chǎng)內(nèi)彼此相鄰。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中在第一區(qū)域中投 射第一邊緣周期，并且在第二區(qū)域中投射第二邊緣周期。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中所述組合的高度映射具有基于較小邊緣周期的精 確度、但是具有大于較大邊緣周期的重疊高度。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述一部分約等于產(chǎn)生圖案的標(biāo)線的不同部分的 個(gè)數(shù)的倒數(shù)。
9.一種檢測(cè)工作件上的特征的三維高度的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括 機(jī)器人系統(tǒng)，用于在所述系統(tǒng)和所述特征之間產(chǎn)生相對(duì)移動(dòng)；投射儀，配置用于將已構(gòu)圖照明光投射到所述特征上，所述已構(gòu)圖的照明光具有至少 兩個(gè)不同的邊緣周期；圖像檢測(cè)器，配置用于獲取投射到所述特征上的已構(gòu)圖照明光的多個(gè)圖像；以及 處理器，與所述投射儀和所述圖像檢測(cè)器相連，所述處理器配置用于至少基于所述多 個(gè)圖像來(lái)產(chǎn)生高度映射。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中所述投射儀包括標(biāo)線，所述標(biāo)線配置用于同時(shí)投 射所述至少兩個(gè)不同的邊緣周期。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中所述投射儀包括頻閃照明光器。
全文摘要
提供出了一種對(duì)測(cè)試表面(22)上特征(36)的高度進(jìn)行映射的方法(300)。所述方法包括將已構(gòu)圖照明光投射到所述特征(36)上(310A)，所述已構(gòu)圖照明光具有多個(gè)不同的邊緣周期。在將已構(gòu)圖照明光投射到所述特征(36)上的同時(shí)獲取所述特征的第一圖像(310)。然后在傳感器和所述特征(36)之間產(chǎn)生相對(duì)移動(dòng)，以引起檢測(cè)器(46)視場(chǎng)的一部分的相對(duì)位移，所述一部分約等于產(chǎn)生圖案的標(biāo)線的不同部分的個(gè)數(shù)的倒數(shù)。然后在將已構(gòu)圖照明光投射到所述特征(36)的同時(shí)獲取所述特征的第二圖像(314)。至少基于所述第一和第二圖像來(lái)產(chǎn)生高度映射。
文檔編號(hào)G01B11/25GK101932904SQ200880125886
公開(kāi)日2010年12月29日 申請(qǐng)日期2008年12月19日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月31日
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