专利名称：一种三维测量模块和测量仪的制作方法
技术领域：
一种三维测量模块和测量仪技术领域[0001]本实用新型涉及计算机视觉测量技术领域，具体地说，本实用新型涉及一种三维测量模块和测量仪。
背景技术：
[0002]微电子封装产品的测量技术是随着微电子工业的发展而迅速发展起来的，同时测量技术的提高也推进着微电子工业的发展。目前表面贴装技术(Surface Mounting Technology,简称SMT)已取代传统的插件技术成为微电子封装的新技术。虽然，SMT技术给电子行业带来了高性能、高稳定性以及高便携性，然而正是由于这种网络化、微型化、和集成化的特点对其测量技术提出了更高的要求，仅能获得二维信息的视觉测量方法已经不再能够满足新的封装技术需求，研究与开发新一代微电子封装器件等微结构产品的三维测量方法与装置对于保证新型微电子封装产品的可靠性与质量具有至关重要的作用。[0003]现有的面向新型微电子封装领域的三维测量技术和装置概括起来主要有基于共焦成像方法、双目体视的测量方法、基于激光线扫描的测量方法和基于面结构光投影的测量方法。[0004]共焦成像方法的主要问题不仅在于设备价格昂贵，而且光学系统复杂，调整非常困难。这种成像方法对微小的冲击和振动极其敏感，即便是生产线上的传送带运动也会使得这种成像方法产生错误数据，导致测量失败。同时，共焦成像方法检测速度缓慢，因此数据吞吐量也是这一技术的主要问题。[0005]双目体视的检测方法利用两个相机从两个不同的观察角度采集被测物体成像，成像原理类似人眼对三维物体的感知。这种方法在测量微纳米量级尺寸的物体时有如下限制(I)两个摄像机之间的对应点匹配精度难以保证；(2)对没有明显特征的自由表面物体很难测量，被测量器件的形状必须在测量之前预先确定；(3)两个相机之间的固定角度限制了这种方法的测量范围。[0006]激光线扫描的检测方法利用扫描投射激光线，并采集从目标物体上反射到位置敏感探测器或阵列探测器上的光束线位置，结合三角测量法获得被测物体的高度信息。这一技术在“载带”检测中受到很大限制，因为这种技术需要激光束与被测元器件精确的对准。 激光光斑的尺寸也是一个限制因素。此外，激光三角法只能检测激光线上单点的高度，要获得器件整体的三维信息还需要与扫描机制结合，这不仅限制了测量的速度，而且光学或机械扫描机制使得系统变得异常复杂且难以保证定位精度。[0007]基于面结构光技术(主要指光投影技术)的测量方法是目前最有前景的自动三维测量技术。该检测方法利用投影装置将条纹编码图案投影到被测物体表面，通过一个或者多个相机采集变形的条纹图并进行解码，结合立体视觉技术对被测物体三维形貌进行重建。这种测量方法是以条纹的相位值作为特征对物体表面编码，因此单面数据吞吐量大，再结合立体视觉技术，理论上可实现高精度的测量。然而，在对微电子封装产品进行实际测量时，发现现有的基于面结构光技术的测量设备的测量结果存在一定误差，尤其在测量表面起伏梯度较大的物体时，测量结果的误差较大。另一方面，对于基于面结构光技术的三维测量仪，为达到最佳的成像效果，在测量前需要调节投影装置和相机的位置。[0008]因此，当前迫切需要一种适于测量表面起伏梯度较大的物体、使用方便的快速、高精度三维测量仪。同时，还迫切需要一种能够灵活调节投影装置和相机位置的基于面结构光技术的三维测量模块和测量仪。实用新型内容[0009]本实用新型的一个目的是提供一种测量误差很小的快速、高精度三维测量模块和测量仪，该三维测量模块和测量仪特别适于测量表面起伏梯度较大的物体。[0010]本实用新型的另一个目的是提供一种使用能够灵活调节投影装置和相机的位置的基于面结构光技术的三维测量模块和测量仪。[0011]为实现上述实用新型目的，本实用新型提供了一种三维测量模块，包括底板和安装在所述底板上的投影装置和成像装置，所述投影装置包括投影设备和第一物像双侧远心镜头，所述成像装置包括成像设备和第二物像双侧远心镜头，所述底板上设有用于连接支撑平台的连接机构。[0012]其中，所述成像装置通过平移台安装在所述底板上。[0013]其中，所述平移台采用齿轮齿条结构。[0014]其中，所述投影装置通过投影调整机构安装在所述底板上。[0015]其中，所述投影调整机构包括用于夹持第一物像双侧远心镜头的下端的夹持器、 固定板、顶块、调节旋钮和弹簧；所述夹持器通过螺柱连接在固定板上，所述第一物像双侧远心镜头的上端与顶块固定在顶块上，所述固定板上设有导程槽，顶块安装在所述固定板的导程槽处，调节旋钮安装在固定板上，且所述调节旋钮旋转时能够推动所述顶块沿着所述导程槽移动，所述弹簧一端固定在固定板上，另一端连接所述顶块，用于使顶块和投影装置复位。[0016]其中，所述投影设备为数字投影仪。[0017]其中，所述成像设备为数字相机。[0018]另外，本实用新型还提供了一种三维测量仪，包括支架以及前述三维测量模块，所述三维测量模块能够在所述支架上做相对于被测物体所放置的平面的垂直移动。[0019]其中，所述三维测量模块通过所述底板安装在所述支架上。[0020]与现有技术相比，本实用新型具有下列技术效果[0021]I、本实用新型的测量精度高、误差小。即使被测物体表面高度变化比较大，本实用新型也能准确得到被测物体的三维信息。[0022]2、本实用新型的支架和固定相机的平移台均可单独的沿着垂直方向位移，且在投影仪调整机构中，可通过转动调节旋钮来调整投影光的照射角度，即能够方便地调节投影装置和成像装置的位置使二者达到最佳的成像效果。


[0023]图I示出了本实用新型一个实施例的三维测量仪示意图；[0024]图2示出了本实用新型一个实施例的三维测量模块示意图；[0025]图3示出了本实用新型一个实施例的投影装置调整机构的正面立体示意图；[0026]图4示出了本实用新型一个实施例的背面平面示意图；[0027]图5示出了本实用新型一个实施例的平移台示意图。[0028]图中I为数字投影仪，2为数字相机，3为支架，4为计算机，5为第二物像双侧远心镜头，6为第一物象双侧远心镜头，7为平移台,8为底板,9为夹持器,10为固定板,11为顶块，12为调节旋钮，13为弹簧，14为导程槽，15为螺柱，16为齿轮齿条平台，17为螺钉。
具体实施方式
[0029]本案发明人发现在对微电子封装产品进行实际测量时，现有的基于面结构光技术的测量设备的测量结果存在一定误差，尤其在测量表面起伏梯度较大的物体时，其测量结果的误差较大。发明人分析后得出这个误差主要是由于现有的基于面结构光技术的三维测量仪中，被测物体在不同距离处成像存在不同放大倍率，在成像的过程中引入视差而造成。因此，本实用新型中使用物像双侧远心镜头来代替传统的光学镜头。[0030]
以下结合附图和具体实施例对本实用新型做进一步地描述。[0031]根据本实用新型的一个实施例，提供了一种非接触的基于面结构光技术的三维测量仪，如图I所示，该三维测量仪包括数字投影仪I、数字相机2、支架3、计算机4、第一物像双侧远心镜头6和第二物像双侧远心镜头5。其中，数字投影仪I和第一物像双侧远心镜头6构成投影装置，该投影装置通过视频线与计算机4相连，数字相机2和第二物像双侧远心镜头5构成成像装置，该成像装置通过数据线与计算机4相连。投影装置和成像装置组成三维测量模块，整个三维测量模块固定在支架3上。可以在所述支架3底部或其它位置设置用于放置被测物体的样品台，也可以不设置样平台而是直接将被测物体放在支架3底部或根据实际需要将被测物体置于其它位置。三维测量模块可在支架3上相对于被测物体所放置的平面做垂直移动。测量时，计算机4负责产生不同频率不同相移的正弦条纹到数字投影仪1，将正弦光栅依次投射到被测物体表面进行测量，数字相机2依次采集变形条纹图，通过相位解调、相位展开、立体匹配等过程，最终得到被测物体的三维数据。[0032]如图2所示,本实施例中的三维测量模块还包括底板8。所述底板8安装在支架3 上，并且可以沿着所述支架3相对于被测物体所放置的平面做垂直平移。数字相机2和第二物像双侧远心镜头5均通过平移台7安装在底板8上，使得数字相机2可沿着底板8做垂直于被测物体所放置的平面的平移运动。数字投影仪I和第一物像双侧远心镜头6均通过投影调整机构安装在底板8上。底板8具有标准的螺纹孔，可通过该螺纹孔将所述三维测量模块安装在除所述支架3之外的其他支撑平台上。本领域技术人员易于理解，底板8 上的螺纹孔也可以使用其它连接机构代替。[0033]下面给出一种用于本实施例的三维测量仪的投影装置调整机构的优选实施方案。 图3示出该投影装置调整机构优选实施方案的正面立体示意图；图4示出了该投影装置调整机构优选实施方案的背面平面示意图。如图3、4所示，该投影仪调整机构包括夹持器9， 固定板10，顶块11，调节旋钮12，弹簧13等。夹持器9用来夹持第一物像双侧远心镜头6 的下端。所述夹持器9通过螺柱15连接在固定板10上；第一物像双侧远心镜头6的上端固定在顶块11上，顶块11通过螺钉安装在固定板10上，在转动调节旋钮12时可推动第一物像双侧远心镜头6，使投影装置在导程槽14的行程范围内以螺柱15为旋转轴旋转，从而达到调节投影光照射角度的目的。弹簧13 —端固定固定板10上，另一端连接所述顶块11， 用于为调节回程提供拉力，使顶块11和投影装置复位。[0034]图5示出了一个可用于本实施例的三维测量仪的平移台7的优选实施方案。该实施方案中，平移台7采用了齿轮齿条结构。如图5所示，成像装置通过螺钉17固定在齿轮齿条平台16上，齿轮齿条平台16可沿着平移台7做位移运动，以方便地调整成像装置的位置，使之达到最佳的成像效果。[0035]另外，本领域技术人员易于理解，除了数字投影仪外，本实用新型也可以采用其它类型的投影设备，除了数字相机外，本实用新型也可以采用其它类型的成像设备。[0036]在实际操作时，本实用新型的三维测量仪的测量过程包括以下几个步骤[0037]A、准备[0038]al、通过视频线连接数字投影仪I和计算机4，通过数据线连接数字相机2计算机4。打开计算机I和数字投影仪13的电源开关。[0039]a2、调节支架3和齿轮齿条平台16的位置，并通过转动调节旋钮12来调整投影光的照射角度，以达到最佳的投影和成像效果。[0040]B、标定利用标定靶对整个测量仪进行标定，建立空间物理坐标与成像面像素坐标之间的关系，求解出系统的内、外参数，为后续三维重建做出必要的准备。[0041]C、测量[0042]Cl、用计算机4产生不同相移不同频率的正弦光栅，输入到数字投影仪1，通过数字投影仪I将该结构光图案依次投射到被测物体表面。[0043]c2、成像系统依次采集受到物体调制的变形条纹图，将得到的两幅图像通过数据线传输到计算机4.[0044]c3、利用上述图像，进行相位解调和相位展开等过程，获得与深度图像对应的绝对相位分布；将相位作为寻找相机和投影仪对应点的标志，进行对应点匹配，再结合标定出的三维测量仪的内外参数，求解被测物体的三维数据。[0045]相对于现有技术，本实用新型用物像双侧远心镜头来代替传统的光学镜头。现有技术中，投影装置和采集装置使用传统的光学镜头，传统的光学镜头不仅存在着较大的透镜畸变，而且由于被测物体在不同距离处成像存在不同放大倍率这一特点，在成像的过程中还会引入视差，因此在测量表面起伏梯度比较大的物体时，会带来较大的误差。本实用新型的三维测量仪是采用物像双远心设计的成像和投影系统构建新型的测量系统，物像双侧远心镜头作为一种特殊形式的光学镜头，其不仅存在较小的透镜畸变，而且在一定的物距范围内保证了成像倍率的恒定，纠正了普通成像镜头的视差，从而提高了三维测量仪的测量精度。另外，本实用新型面向微电子封装器件的三维测量仪的支架和固定相机的平移台均可单独的沿着垂直方向做位移运动，且在投影仪调整机构中，可通过转动调节旋钮来调整投影光的照射角度，这样就可以方面的使投影系统和成像系统达到最佳的成像效果。本实用新型特别适合于面向微电子封装器件的三维测量，尤其是被测物体表面高度变化比较大的三维测量。[0046]最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对其限制， 并且在应用上可以延伸到其他的修改、变化、应用和实施例，同时认为所有这样的修改、变化、应用、实施例都在本实用新型的精神和范围内。
权利要求1.一种三维测量模块，其特征在于，包括底板和安装在所述底板上的投影装置和成像装置，所述投影装置包括投影设备和第一物像双侧远心镜头，所述成像装置包括成像设备和第二物像双侧远心镜头，所述底板上设有用于连接支撑平台的连接机构。
2.根据权利要求I所述的三维测量模块，其特征在于，所述成像装置通过平移台安装在所述底板上。
3.根据权利要求2所述的三维测量模块，其特征在于，所述平移台采用齿轮齿条结构。
4.根据权利要求2所述的三维测量模块，其特征在于，所述投影装置通过投影调整机构安装在所述底板上。
5.根据权利要求4所述的三维测量模块，其特征在于，所述投影调整机构包括用于夹持第一物像双侧远心镜头的下端的夹持器、固定板、顶块、调节旋钮和弹簧；所述夹持器通过螺柱连接在固定板上，所述第一物像双侧远心镜头的上端与顶块固定在顶块上，所述固定板上设有导程槽，顶块安装在所述固定板的导程槽处，调节旋钮安装在固定板上，且所述调节旋钮旋转时能够推动所述顶块沿着所述导程槽移动，所述弹簧一端固定在固定板上， 另一端连接所述顶块，用于使顶块和投影装置复位。
6.根据权利要求I所述的三维测量模块，其特征在于，所述投影设备为数字投影仪。
7.根据权利要求I所述的三维测量模块，其特征在于，所述成像设备为数字相机。
8.—种三维测量仪，其特征在于，包括支架以及权利要求I 7中任意一项所述的三维测量模块，所述三维测量模块活动固定在所述支架上，且在所述支架上相对于被测物体所放置平面做垂直移动。
9.根据权利要求8所述的三维测量仪，其特征在于，所述底板安装在所述支架上。
专利摘要本实用新型提供了一种三维测量模块，包括底板和安装在所述底板上的投影装置和成像装置，所述投影装置包括投影设备和第一物像双侧远心镜头，所述成像装置包括成像设备和第二物像双侧远心镜头，所述底板上设有用于连接支撑平台的连接机构。本实用新型还提供了相应的三维测量仪。本实用新型的测量精度高、误差小。即使被测物体表面高度变化比较大，本实用新型也能准确得到被测物体的三维信息。本实用新型的支架和固定相机的平移台均可单独的沿着垂直方向位移，且在投影仪调整机构中，可通过转动调节旋钮来调整投影光的照射角度，即能够方便地调节投影装置和成像装置的位置使二者达到最佳的成像效果。
文档编号G01B11/25GK202304768SQ20112040230
公开日2012年7月4日 申请日期2011年10月21日 优先权日2011年10月21日
发明者周鹏磊, 姜再欣, 张志庭, 徐恺, 王志会, 王瑞松, 白永刚, 郑剑锋, 陆怡思, 马宁 申请人:深圳市慧耕科技有限公司