专利名称：用于光学地测量产品表面的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及用于测量和检查传感器与测试中的产品之间的距离的设备和方法。特别地，本发明在电子领域中可以被用于测量和测试安装在印刷电路板(PCB)上或太阳能电池产品上的组件的位置，或用于在将电子组件安装在PCB上以进行回流焊接之前检查诸如IC、电容器、晶体管、电阻器等电子组件的连接器的位置、或回流焊膏的位置。本发明优选地可适用于生产PCB、诸如太阳能电池晶圆(wafer)或太阳能电池元件之类的太阳能电池产品以及需要测量平坦度以便因此指定其质量的其它项目，并且还可以用于测试产品表面的表面粗糙度。本发明还可以用于在不需要从多个位置执行扫描操作的情况下记录图像时检查各种项目的三维形状，这在高生产率过程中、即在需要测试表面粗糙度和缺陷等的过程中是特别有利的。
背景技术：
根据现有技术，最常借助于线激光器(line laser)和高速照相机、优选地使用激光器三角测量技术来执行此类表面高度测量。所述线激光器指向被测量表面，并且在指定角度以下定向的照相机在一个坐标上(在一个位置上)记录被测量区域的轮廓，从而激光器将其照亮。以与激光束的宽度相对应的频率来记录单独的图像，并然后组成所有图像。 使用此过程，可以组成3D模型。另一种方法是使用从各种角度指向被测试区域的若干照相机。根据测试器内部的照相机的已知三角学，可以组成3D模型。另一种方法是使用莫阿效应(moire effect)，借助于该莫阿效应，在某些情况下， 可以使被测试区域的轮廓(relief)可见。始终以反转的亮度(inversebrightness)，通过双线网格来产生图像。在组成两个图像之后，当使用干涉效应时，表面的轮廓被反射。根据现有技术的公知的方法不允许获得精度小于+/-20 μ m的表面高度信息。此外，被测量产品的最大扫描宽度受到限制，使得扫描宽于150mm的产品是不可行的。扫描速度受到限制，因此使表面测量成为高速生产过程的瓶颈。因此，本发明的目的是提供用于以高精度、高速度、可变测量分辨率并以增加的y 宽度来测量并检验产品的表面的方法和设备。此外，本发明的目的是提供一种能够执行自校准、因此消除高精度结构构造和复杂校准努力的方法和设备。由根据独立权利要求的设备和方法来解决现有技术的上述问题。有利的实施方式是从属权利要求的主题。

发明内容
本发明提供了一种用于光学地测量被测试产品的表面的设备，该设备能够在回流焊接工艺之前执行产品表面的检查、组件对准检查或焊膏布置检查，并且该设备能够创建产品表面的光学3D模型。该设备包括以下组件·白光光源，其有利地发射具有连续光谱的白光束。该光由包括诸如透镜、孔径装置等光学装置的准直单元矫正成平行、狭窄且准直的射束，该射束随后通过优选地为光学棱镜或衍射光栅的分光计单元。优选地，所述孔径装置包括用于产生白光的平坦且宽阔的扩展射束的隙缝光阑(slitdiaphragm)。·分光计单元，尤其是光学棱镜，其居间促成将白光分解成包括光的宽频谱的多色光束。进入棱镜的多色光包含白光的所选或所有色彩分量。在通过分光计单元之后，白光根据光的折射定律分裂成单独的色彩。单独的分量是单色的，其具有不同的色调值，由此， 多色射束包括被空间地分布并沿着扫描方向照亮测试中的产品的表面的光谱。该光谱的宽度直接影响产品表面的ζ轴高度的测量精度。 照相机，优选地是线扫描照相机。该照相机在使测试中的产品沿着χ轴扫描方向相对于该照相机移动的同时逐行地逐步记录被测试的表面。照相机和光源的几何位置在记录的同时自始至终保持相同。照相机和光被逐行地调整至零高度(地面)，使得该照相机显示光谱的开头部分，即红色。然后，以另一种颜色来显示所有的非零高度，因为它们处于色谱中。由此，应指出的是，或者使测试中的产品相对于白光光源、分光计单元和照相机移动， 或者使白光光源、分光计单元和照相机相对于测试中的产品进行相对移动。换言之，用于光学地测量被测试产品的表面、尤其是用于检查PCB产品以进行回流焊膏检查的设备包括用于发射白光射束的至少一个白光光源、用于使所述白光射束准直的至少一个准直单元、至少一个分光计单元以及用于记录所述被测试产品的单色光的反射射束的至少一个照相机，所述分光计单元优选地为用于使所述白光射束分裂成被以预定入射角Y指引到被测试产品上的多色光射束的光学棱镜或光学衍射光栅。这样，可以在使被测试产品沿着X轴扫描方向相对移动的同时，从单色光的所述反射射束的色调值中提取被测试产品的ζ轴表面高度信息。准直单元可以优选地在所有方向上使光至少准直至2°或以下的准直质量。与平行光相比，准直后的光产生了具有所有色彩/色调值的高度平行化的光束。准直单元可以包括诸如透镜、孔径或反射镜之类的光学矫正装置，以在360°内使光准直。根据准直后的光，由分光计单元形成光的多色光谱线，其中，以彼此可区别开的方式来表示单独的色彩/ 色调值。为了指引所述光，可以使用光混合装置，例如孔径或光纤。根据有利的实施方式，所述白光光源可以具有连续光谱。可替换地或另外地，该光谱的频率-带宽是可变的，优选地位于350 850nm(紫外线至红外线)的波长范围内。可替换地或另外地，白光光源的强度可以是可调整的，优选地通过使所述光源变暗或通过选择性地将两个或更多光源并行地开启或关闭。根据本发明的另一有利的实施方式，可以用LCD投影仪、视频投影仪或能够产生多色光射束的另一视频成像设备来表示白光光源、准直单元和分光计单元的总体 (ensemble)。同样地，投影仪通常包括白光射束、用于对所述白光射束进行矫正和准直的准直单元以及分光计单元，例如用于将所述白光射束转换成多色光射束的多色LCD。通常，可以由图像控制单元来容易地控制由LCD投影仪产生的诸如所述彩色射束的不同部分的亮度、开角、宽度等多色光束的规格，所述图像控制单元用于产生具有不同的色宽分辨率的多色光束，使得能够容易地控制测量精确度。此外，此类IXD投影仪能够产生IOOfps (帧每秒)，甚至用于自适应地改变射束的形状。可以容易地将投影仪与面或线扫描照相机组合， 以便提供本发明的实施方式。根据另一有利的实施方式，可以使所述白光光源适合于产生白光带束(stripbeam)。可替换地或另外地，所述光源可以是LED光源、优选地为LED条带(stripe)， 其中，可以将至少一个显微透镜光学地耦合到至少一个LED以进行所述白光射束的预矫正。可替换地或另外地，可以选择性地开启或关闭LED条带的多个LED，以便增强与所述扫描方向垂直的y轴方向中的白光射束的强度和/或长度。可替换地或另外地，LED条带可以包括用于将多色光混合成白光射束以便提供所述白光射束的可调整频谱的多个不同色彩的LED。优选地，所述LED条带包括一个或多个LED。LED产生沿各个方向辐射的非准直光，因此，必须根据LED条带的结构对光的辐射进行预矫正。所述光条带可以适合于期望的扫描宽度，使得所述设备能够检查具有不同y轴宽度的产品。有利地，所述光条带可以具有最大扫描宽度的宽度，由此，可以自适应地使所述 “长的”白光射束被无视差镜片聚焦于“短的”白光射束上。例如，此类光条带可以在1轴方向上具有450 600mm的长度，并且白光的平直束的长度可以被无视差镜片聚焦至150mm 的长度。可以由可变孔径宽度、所述分光计单元的光谱测定角或分光计单元与表面的距离来修改ζ高度分辨率。由于ζ高度分辨率的可变性，能够实现不同的扫描分辨率。可以通过使用反射镜、诸如光纤的光引导元件、或透镜等来扩大光条带的y宽度。还可以通过使用物镜和/或圆柱透镜来根据精确光源来产生光条带。由此，选择不同的玻璃能够调整不同的折射指数，并能够增强无视差图像。LED常常产生非均勻分布的白光。因此，将不同种类的白色或多色LED混合以产生均勻白光光谱是有利的。可以通过使用透镜、反射镜、玻璃光纤等来实现此类混合。此外， 可以并行地将若干光条带用于光束添加，以便提高扫描速度。可以通过将偏振滤光元件集成到白光光源中以降低反射效应来进一步提高白光的质量，并且这对于照亮金属/非金属表面是特别有利的。最后，可以通过以下各项来提高白光的质量·可变的孔径尺寸；·白光射束的光谱均勻性；·用于降低阴影效应的无视差光；·用于在y方向上使光条带长度适合于孔径长度的光学装置；·用于调整表面反射效应的光强控制装置；·用于使扫描宽度适合于产品尺寸的可修改光条带。根据另一有利的实施方式，所述准直单元可以适合于在360°内使所述白光射束准直，并且可以适合于形成垂直于所述扫描方向的白光带束，并可以优选地包括至少一个透镜和/或准直网格(grid)和/或至少一个孔径装置，所述孔径装置优选地为可调隙缝光阑孔径装置。根据另一有利的实施方式，所述设备还可以包括用于沿扫描方向相对地传送所述被测试产品或所述光源、分光计单元、准直单元和照相机的扫描传送装置。根据另一有利的实施方式，所述照相机可以是线扫描照相机，优选地包括照相机孔径单元和/或用于降低视差效应的视差透镜单元、尤其是圆柱透镜或圆透镜单元，以便由所述被测试产品接收从所述多色光射束反射的单色光射束。可替换地或另外地，所述照相机可以是具有至少8比特色调分辨率、优选地可调10、12比特或更高色调分辨率的数码照相机。可替换地或另外地，所述照相机可以包括两个或更多的线扫描行，每一行包括用于增加色调灵敏度的滤色器。可替换地或另外地，所述照相机可包括用于提高扫描质量的至少一个灰色或黑色/白色扫描行。可替换地，所述照相机可以是面扫描照相机，由此可以提取所述扫描面中的单个或多个扫描行以进行色调高度信息处理。此类面照相机可以优选地具有1500行或更多的行，并可以用于低至20 μ m的分辨率。有利地，所述照相机包括两个或更多的扫描线，在所述两个或更多的扫描线前面具有不同的滤色器元件，由所述不同的滤色器元件来提高每个扫描线对不同色调值的灵敏度。由于照相机的垂直于χ轴扫描移动方向的大的y扫描宽度，被扫描的图像可包括视差相关的误差。在产品表面与照相机之间以及白光光源与分光计单元之间的视线中使用视差透镜允许修正视差误差，由此能够实现没有高质量的产品的3D扫描。视差透镜系统被假设为修正所有波长的不同光衍射特性。透镜系统可以包括长度延长的圆柱透镜以及圆透镜。圆柱透镜在使用线扫描照相机时是有利的。ζ高度分辨率的程度是谱光的反射色调值与所述照相机的色彩分辨率精确度的组合的结果。C⑶或其它数码照相机通常能够提供每像素8 10比特的色彩分辨率。调整照相机的色彩分辨率能够增加测量分辨率。使用不同数目的照相机线进行扫描可以是缩放测量分辨率的另一可能性。例如，可以使用双线照相机且该照相机可以聚焦于两个或更多不同的色彩区域上，使得能够实现可缩放的分辨率。照相机线的数目也可以增加至四个乃至更多的扫描线，由此，可以向单独的照相机线行分配不同的滤色器，因此提高分辨率精确度。能够扫描被测试产品的表面区域的面照相机或多线照相机而不是扫描与χ轴扫描移动方向垂直的y轴表面线的线照相机的使用还可以被有利地用作扫描照相机。可以提取由表面区域产生的图像的单独线作为多个扫描行，由此，增加所提取的行数可以增加测量精确度。此外，可以通过一次提取多个扫描行来增加扫描速度。照相机可以包括一个或多个色敏扫描行和/或至少一个黑/白或灰色扫描行。同样地，黑/白或灰色扫描行可以扫描产品表面的2D图像，以便提供产品的x/y尺寸。彩色扫描行提供产品表面的ζ高度的色调信息，使得在一个扫描过程中，可以提取产品的x/y和 ζ尺寸值。尤其是如果产品的表面充满裂缝，则2D图像提供用于使ζ数据关联到产品的不同表面区域的精确的x/y尺寸。使用包括处理单元的照相机是有利的，该处理单元用于基于色调高度映射的校准数据来直接将色调值转换成ζ高度值。因此，照相机的处理单元可以将照相机RAW数据直接转换成可以被传送给控制单元的ζ高度数据。此外，所述处理单元可以使用不同的校准例行程序，诸如亮度提取、HSI数据(色调、饱和度、强度)中的RGB的转换、基于行数据获取的几何校准和行移位计算等。因此，该照相机能够直接输出ζ高度测量数据，由此，该照相机能够提供被扫描产品的3D区域数据。根据另一有利的实施方式，可以在垂直于所述χ扫描方向的y轴方向上布置至少两个或更多的照相机以用于并行扫描，由此增加所述产品的扫描宽度。可替换地或另外地， 可以立体地布置所述两个或更多的照相机，以对所述产品进行3D扫描以便减少阴影和照明效应。在垂直于扫描方向的一个扫描行中布置两个或更多的照相机可以增加扫描宽度， 因此能够高速扫描大型产品。使用聚焦于某个线上或产品表面上的两个或更多照相机的立体布置可以减少阴影效应，这因而能够增加测量精确度。
根据另一有利的实施方式，所述设备还可以包括与至少所述照相机电连接的控制单元，所述控制单元可以包括适合于至少控制所述照相机并映射由所述照相机捕捉的图像的色调值以便获得所述产品的表面高度信息的控制装置和色调高度映射装置。根据另一有利的实施方式，所述设备还可以包括调整装置，该调整装置可以由所述控制单元的所述控制装置进行控制，以便调整所述多色射束的色谱宽度d，特别地以便调整所述准直单元的电枢(armature)宽度w、和/或以便调整射束分离高度b、源的光线与照相机之间的距离a或用于调整高度测量灵敏度的所述分光计单元的棱镜角α。被测试产品的测量方法包括以下步骤·针对[mm]的高度来校准色标(color scale)。这通过扫描区域的偏斜 (declination)来执行，其中偏斜角是预先高精度已知的。此偏斜区域的图像将逐渐地获取整个光谱，并且同时将从偏斜区域的几何形状得到实际区域中的高度。将由此导出相关色彩(dependence colour) [R, G, B] = function (高度)[mm]的函数·测试被扫描表面的组成。由照相机产生的图像由显示被测试产品的表面上的所有部分的单独的图像组成。X轴和y轴中的尺寸对应于所记录的项目的实际尺寸。该项目的彩色反射对应于在表面之上的它的高度。·然后，软件计算(根据在校准期间获取的函数)针对实际高度(ζ轴)的单独像素的色彩分量[R，G，B]的被确认的值。在当前被测试的区域中，软件直接返回高度的值(例如，聚光器(condenser)的上部区域)。换言之，用于使用根据上述权利要求中的任意一项权利要求的设备来光学地测量被测试产品(尤其是用于回流焊膏检查的PCB产品)的表面的创造性的方法包括以下步骤由所述白光光源发射白光射束，该白光射束被所述准直单元矫正并准直成通过所述分光计单元的平行窄射束，通过分光计单元将该射束分解成色谱。所述多色射束在所述产品或其组件上的反射由所述照相机记录。在使所述产品沿着相对于所述照相机的扫描方向移动的同时，由所述照相机记录的图像根据显示所述产品的表面上的所有部分的单独的图像来构成，并且χ轴和y轴方向中的图像尺寸与所述产品的实际尺寸相对应。同时，该图像的色调值(即单独像素的色彩分量[R，G，B]的值)被分配给所述产品的表面高度值。根据另一有利的实施方式，色谱的色调值到ζ表面高度值的色调高度映射可以由以预先高精度地知道校准角β (20)的校准体(calibration body)的表面偏斜的至少一个逐渐记录(gradual recording)来校准，并且可以存储在色调高度映射装置的色调高度映射中。优选地，所述校准体是玻璃或陶瓷板或盘，或者由有边的材料(edged material)制成。通过借助于对具有以预先已知的校准角β偏斜的表面的校准体进行扫描来校准测量设备，可以省略复杂的校准动作(诸如设备的高精度机械调整)以及用于确定表面高度值的复杂方法。1 μ m或以下的分辨率所需的复杂机械校准将导致非常昂贵且复杂的测量动作，因此并不适用于连续生产方法。表面高度识别与从测试中的产品的表面反射的光的谱色调有关。由于照相机像素的分辨率是有限的，所以反射光的光谱分量通常是混合的。 可以通过测量校准体的以校准角β偏斜的偏斜表面的斜坡函数来对设备进行校准。此外，如果预先已知该表面的曲率函数，则还可以使用校准体的曲面。通过扫描校准体的此类表面轮廓，可以创建色调高度映射表，从而能够根据所测量的色调值来确定表面高度。为了提高设备的校准质量，可以使用不同的校准角和/或不同的校准体宽度来重复校准例行程序，由此，可以基于不同校准例行程序的结果来计算平均色调高度映射。根据校准体的弯曲函数(bendingfimction)，可以将不同的ζ高度值分配给具有不同校准角的表面的不同的反射谱光分量。在扫描过程期间，可以从由所述照相机产生的图像数据的色调值(原始图像数据)来提取对高度信息的直接评估。因此，可以产生被测试照相机的表面的实时ζ高度轮廓，从而消除任何测量延迟，由此可以优选地使用线处理方法来实现实时处理。在校准过程期间，在χ轴扫描移动方向上的校准体移动的步长的自适应性影响着校准质量。选择小的步长或大的步长确定了校准的质量和ζ高度测量分辨率，因此可以优化SNR比(信噪比)。例如，可以用20 μ m的扫描步长来扫描具有IOOmmX 150mmX 5mm(长度X扫描宽度X高度)的尺寸的校准体的表面斜坡，这将得到5. 000像素X7. 500像素的扫描数据质量，该扫描数据必须被存储为色调高度映射且其使ζ高度分辨率局限于5000 高度值。将所述步长减小至Iym得到100. 000高度值的ζ高度精确度分辨率。校准体的表面的进一步修改(例如，遵循预定义校准表面函数)可以进一步提高分辨率精确度。使用预校准后的色调高度映射降低了针对进一步扫描过程的数据处理努力，因此增加了扫描时间并减少在测量设备的机械精度方面的约束。结果，可以使测量设备的连续生产不那么昂贵且更容易实行。根据另一有利的实施方式，所述照相机和所述光源的几何位置可以在扫描的整个持续时间内是静态的和/或可以在扫描期间通过使用所述色调高度映射表来执行实时色调高度映射。根据另一有利的实施方式，所述照相机可以在使所述照相机相对于所述产品沿扫描方向相对移动的同时逐步地记录所述产品的表面的逐行的色调值。根据另一有利的实施方式，可以调整所述照相机和所述白光，使得所述色谱的开始部分被映射到零高度。可替换地或另外地，可以借助于校准函数、优选地通过色调高度映射将由所述照相机记录的色调值转换成产品或其组件的实际表面高度。根据另一有利的实施方式，可以在所述照相机的图像的已测量χ和y值以及基于 χ轴和y轴上的所述图像的色调值的ζ高度值的基础上，来创建产品的3D模型。根据本发明的另一方面，提出了上述设备和上述方法的实施方式的应用，其用于测量产品的尺寸和/或用于构造所述产品的3D模型，尤其是用于测量并检查PCB产品上的回流焊膏的位置和高度和/或用于测量所述产品的表面粗糙度。可以使用具有高的ζ高度精确度和窄宽度的多色光束的自校准的测量设备来测试表面粗糙度。至于校准体，可以使用具有预定义的表面粗糙度值的表面来代替具有以校准角β实现的偏斜表面的校准体。因此，根据用于校准用于表面粗糙度测量的设备的测量设备的实施方式，必须在不同的ζ高度上扫描具有不同表面粗糙度值的不同校准体。可以将所提取的色调高度映射用于确定不同的ζ高度水平中表面的表面粗糙度。可以在本发明的解决方案的简单、抵抗力和集成方面看到本发明的主要优点。在一个步骤中执行用于几何测试的图像的记录和项目的扫描。如果不需要执行针对色彩的区
9域测试，则可以将3D测试直接实现在图像的常规读取上，这并不延长测试时间。不需要重新计算3D模型或对其进行建模(如同在其它系统的情况中一样)，项目的高度被彩色地记录在图像中并可以被直接读取。在结合了现有系统之后，不再需要要求时间的其它动作，本发明仅具有SW方面的最小需求，并且可以将其用作现有设备中的附加模块。高可变性和可用性源于可以用来实现要求的测量精度的易调的测量范围。测量的范围可由距离来设置或可通过在色谱的宽度(以及高度)改变时转动光学棱镜以照亮被测试表面来设置。因此，可以实现几微米的针对小的项目及其组件的测量精度(测量范围为几十毫米——例如，电工组件)。该设备的基础是光学组件，因此不会遇到磨损或老化。具有有限使用寿命的唯一组件是光源；然而，可以在几百至几千工作小时之间变化。


通过对实施方式的以下详细描述可以最好地理解本发明以及所述及其它目的和优点，但本发明并不局限于这些实施方式。在附图中图1示出了用于检查PCB上的电子组件对准的本发明的测量设备的第一实施方式；图2示出了用于检查PCB上的与红色色谱相对应的薄电子组件的根据本发明的测量设备的第一实施方式；图3示出了用于检查PCB上的与绿色色谱相对应的中型电子组件的根据本发明的测量设备的第一实施方式；图4示出了用于检查PCB上的与紫罗兰色色谱相对应的大型电子组件的根据本发明的测量设备的第一实施方式；图5示出了具有0 IOmm的标度范围的色谱色调高度映射的示例；图6示出了具有可调孔径装置的根据本发明的测量设备的另一实施方式；图7示出了具有可调光学棱镜的根据本发明的测量设备的另一实施方式；图8示出了具有可调的光学棱镜高度的根据本发明的测量设备的另一实施方式；图9示出了根据本发明的测量设备的另一实施方式；图10示出了用于根据本发明的测量设备的实施方式的光源和准直单元结构；图11示出了用于根据本发明的测量设备的实施方式的另一光源和准直单元结构；图12示出了用于根据本发明的测量设备的实施方式的另一光源和准直单元结构；图13示出了用于根据本发明的测量设备的实施方式的另一光源和准直单元结构。
具体实施例方式在图1中示出了用于测量被测试产品以便光学地创建3D模型的第一实施方式15， 并且该第一实施方式15包括具有连续光谱的白光的白光光源1、用于将白光矫正并准直成准直的白光射束30的光学单元4、用于将准直的白光射束30分离成多色射束31的光学棱镜2和RGB线扫描照相机3。光源1的光被光学单元4准直成平行的窄射束30，该平行的窄射束30随后通过光学棱镜2，光学棱镜2充当分光计单元并居间促成将光分解成光谱 13(图幻。进入棱镜2的准直光30包含所有的色彩元素。在通过光学棱镜2之后，白光30 根据光的折射定律分解成单独的色彩31。这些单独的分量是单色的并且经由单色光束32 被反射为光谱阳。光谱阳的宽度d 6直接影响ζ轴中的距离分辨率。优选地是RGB或至少双色照相机3的线照相机3 (单行)逐行地逐渐扫描被测试产品5的表面，由此使其沿χ 轴扫描方向9移动。照相机3和反射光32的几何位置在整个扫描周期期间是相同的。照相机3和反射光32被调整至零高度(地面)，使得照相机3显示光谱55的开头部分7，即红色。当非零高度处于色谱阳中时，以另一种颜色来显示所有的非零高度。为了调整色谱阳的宽度d 6，准直单元4的孔径尺寸是可调整的，从而调整了 ζ值的测量范围和分辨率质量。被测试的产品是在其上布置了诸如电容器、晶体管或IC之类的多个电子组件16的PCB 5。测量设备15检查电子组件16的正确对准。对被测试产品进行测量的方式包括多个步骤。第一步骤是针对高度的距离转换来校准色谱。这通过扫描校准体19的表面区域的偏斜角β 20来执行，其中，偏斜角β 20是预先高精度已知的——见图9。此偏斜区域的图像将逐渐地沿着整个光谱55继续，并且同时，将从偏斜高度的几何形状得到实际区域中的高度。将由此导出色彩[R，G，B]的相关性 =function (高度)[mm/ μ m]的函数。进一步的步骤是测试被扫描表面的组成。由照相机3产生的图像由显示被测试产品5的表面上的所有部分的单独的图像组成。X轴和y轴上的尺寸对应于被记录的产品5 的实际尺寸。产品5的色彩反射32对应于在表面之上的它的高度。然后，软件计算(根据在校准期间获取的函数)针对实际高度(ζ轴)的单独像素的色彩分量[R，G，B]的被确认的值。在实际的被测试区域中，该软件直接返回高度的值(例如，聚光器的上部区域)。图Ib示意性地示出了照相机3、白光光源1、准直单元4、分光计单元2和测试中的产品5的特别布置。白光光源1发射被准直单元4准直成准直的白光射束30的白光。准直的白光射束30被分光计单元2分离成多色光束31，由此，多色光束31的中心在点P3处击中产品5的表面。在点P3处，单色光束32被垂直于测试中的产品5的平坦表面而反射到照相机3的透镜中。白光光源1的光轴在点P2处击中产品5的表面。点P1定义了准直的光束30进入分光计单元2中的进入点，在那里，准直的白光射束30被折射并被扩充成多色光束31。点义了直角三角形，由此，角Y定义了多色光束31用来击中产品的表面的入射角。此角Y取决于分光计单元2在产品5的表面之上的高度b (点P1与P2之间的距离)和白光光源1的光轴与照相机3之间的距离a(点P2与P3之间的距离)。通过改变a和b，这意味着改变入射角Y，可以调整表面值的测量分辨率。图2、图3和图4示意性地显示了在沿着扫描方向9扫描PCB板5的同时测量安装在PCB板5上的电子组件16。图2示出了光谱55在诸如IC(集成电路)这样的小型电子组件16上的反射。电子组件16的高度是小的，使得接近色谱的开头部分7的单色光(红光)被反射。图3示出了例如晶体管之类的中型电子组件16的反射，由此，来自光谱中间部分的单色颜色(例如，绿色)被反射并被照相机3检测到。图4示出了诸如电容器之类的大型电子组件16的多色光束的反射。色谱8的结尾附近的紫罗兰色光被反射到照相机3中。 同样地，根据不同的色调值(红色、绿色、紫罗兰色)，可以容易地测量安装在PCB 5上的电子组件16的高度。图5显示了根据本发明实施方式的色调高度映射。该色调高度映射使0至IOmm的高度范围与在460至740THz之间的谱光范围020至660nm的波长)相关联。根据本发明方法的实施方式，可以由校准例行程序来提取波长/频率与度量尺寸之间的此类相关性。图6、图7和图8示出了改变色谱55的宽度以控制本发明实施方式的测量分辨率的若干选项。图6示出了其中准直单元4的孔径尺寸在孔径尺寸W1至孔径尺寸W2之间改变的布置。结果，准直的白光射束30的宽度和多色光束31的分布角(spreading angle) 改变了，因此，光谱55的宽度6从长度d 1变成长度d 2。图7通过改变光学棱镜2的开度角α 18来显示类似的效果。在图7a中，光学棱镜具有开度角Q1，得到分光计阳的宽度d 16。通过将开度角Q1变成值α 2，分光计55 的宽度6从Cl1变成d2。可以通过使用液体光学棱镜来提供具有可变开度角α 18的光学棱镜，由此，可以由不同的静电电位或由现有技术中公知的机械装置或其它技术来调整开度角 α 18。图8示出了测量设备15的另一实施方式，其中，被测试产品5的表面与分光计单元2之间的高度b可以改变。通过将距离Id1变成距离Iv多色光束31的开度角改变，由此导致分光计55的宽度d6从Cl1改变到d2。根据被测试产品5的表面上的分光计2的高度从h变化到b2，白光光源1的光轴与照相机3之间的距离a也应从％变成a2，从而使入射角Y恒定。图9示出了测量设备15的另一实施方式，其中执行校准例行程序。在产品表面5 的顶部上，安装具有可相对于被测量产品5的水平表面调整的偏斜角β 20的校准体19，例如校准板19。在使校准体19的偏斜表面沿着扫描方向9移动的同时，白光光源1产生被准直单元4准直且被分光计单元2分离成多色光束31的准直的光束30。分光计单元2具有可变的棱镜角α且准直单元4可以改变孔径尺寸w，以便调整多色光束31的开度角来影响高度测量分辨率精确度。由于校准体19沿扫描移动方向9的移动，不同的单色光束32被朝着照相机3反射，由此，照相机3装配有用于消除寄生散射光的照相机孔径单元24。照相机3扫描与具有以校准角β 20偏斜的表面的校准体19的扫描移动9相关的光，并将图像数据传输到控制单元21。控制单元21包括控制装置22，该控制装置22控制白光光源1的强度/亮度、准直单元4的孔径宽度w和分光计单元2的棱镜角α 18。由照相机3接收到的色调数据被存储在色调高度映射装置23的色调高度映射表20中，由此，使不同的色彩与根据校准体19的校准角β和尺寸获得的不同的ζ高度值相关联。图10示出了白光光源1、准直单元4和光学棱镜2的总体，用于产生击中测试中的产品5的表面的多色光束31，该多色光束31具有色谱的开头部分7 (红光)和色谱的结尾部分(紫罗兰色光)8。图IOa显示了所述总体的侧视图，并且图IOb显示了所述总体的俯视图。白光光源1包括LED 40(发光二极管)的条带，由此，多个显微透镜41将由LED 40 发射的扩散白光矫正成平行光束。准直单元4包括第一透镜42、第二透镜43和第四透镜 44以及可以是隙缝光阑的孔径装置50。隙缝光阑50的开口宽度w是可变的，使得能够调整准直的白光射束30的宽度。准直单元4将由白光光源1发射的白光射束转换成具有所有不同色彩值的平行的白光射束的准直的白光射束30。光学棱镜2将准直的白光射束30 划分成具有开口宽度b的光谱55的多色射束31。图11示出了白光光源1、准直单元4和光学棱镜2的另一实施方式，用于形成多色光束31。图Ila显示了所述总体的侧视图并且图lib显示了所述总体的俯视图。白光光源 1包括装配有显微透镜41和第一透镜42的LED条带40。准直单元4包括用于抑制视差效应的多个透镜43、44和45，并且还包括具有可变开口宽度的孔径单元50和用于使由白光光源1发射的扩散白光射束准直的准直网格46。准直的白光射束30被棱镜2转换成多色色彩的彩虹(rainbow)射束31。图12示出了白光光源1、准直单元4和分光计单元的另一实施方式，其中，白光光源1包括弯曲的LED条带，该弯曲的LED条带包括用于对发射的白色LED光进行预矫正的带状条带(banded stripe)的显微透镜41。图1 显示了所述总体的俯视图并且图12b显示了所述总体的侧视图。弯曲的光源1的光进入准直单元4并被第一圆柱透镜42矫正，并且通过(fallthrough)具有可调整开口宽度的孔径单元50并且最终在离开所述准直单元 4之前被椭圆形第二透镜43聚焦。然后，准直的白光射束30被光学衍射光栅51反射并转换成多色光束31。被测试产品5的表面被布置在所述光学衍射光栅51的下面并平行于准直的白光射束30的光轴。最后，图13示出了白光光源1、准直单元4和分光计单元的类似实施方式，其中，分光计单元是光学棱镜2。图13a显示了所述总体的俯视图并且图1 显示了所述总体的侧视图。白光光源1包括装配有用于对经准直单元4准直的白光射束30进行预矫正的弯曲条带的显微透镜41的弯曲条带的LED 40。准直单元4包括圆柱透镜42、作为具有可变开口宽度的隙缝光阑的孔径装置50、以及椭圆形透镜43。最后，准直单元4包括在其光学末端处的第三透镜44，并且所述准直的光束30进入光学棱镜2以便被衍射成击中测试中的产品5的表面的多色光束31。所述设备的另一实施方式可以用于测试包含电子组件的电子板 测试器15被校准，使得在安装的(母)板5的表面上定义零高度，从而在扫描之后，将以暗红颜色(光谱的开头部分7)来显示该板(地)。根据最高被测量的元件12(紫罗兰色)来选择测量范围。 在测试设备(testing plant)中，连同(板的)被测量产品5的高度和公差一起来定义位置。·在使板通过线扫描照相机3之后，以取决于板的单独组件的高度的颜色来显示板的单独组件。·使用校准函数的软件将色度(color shade)转换成以毫米给出的高度值。·在被测试的区域中，评估组件的实际高度，并且相对于指定的公差，输出是指示作为整体的被测试产品5、板(或其单独组件)是否有缺陷的信息形式。可以将该设备的另一实施方式用于测试板表面或太阳能电池产品的表面 测试器15被校准，使得在扫描之后以通常近似位于光谱的中间的色彩(例如，绿色)来显示处于正常可接受状态的表面。 选择测量范围，即在被测试的板上能够出现的最大(极大)和最小(极小)偏差 (板的弯曲、表面缺陷、裂缝、磨损、沉淀等)。将以红色来显示最小偏差并以紫罗兰色来显不最大偏差。·可以将校准体的整个表面定义为被测试的区域，并选择偏差的偏差公差。·可以借助于线扫描照相机3来扫描板。·使用校准函数，软件可以将色度转换成以毫米或μ米给出的高度值。·评估任何区域是否具有比由许可公差预定的偏差更大的偏差。输出可以是表示被测试产品5 (板)是否有缺陷的信息。工业实用性本发明的技术解决方案可以特别地用于近似或目标检查单独产品或其组件的的几何形状以及测量单独产品或其组件的距离，特别是在即在正常状态下在变化没有被反映在图像上的方向中，需要光学地测量传感器与被测试元件之间的距离的情况下。附图标记1-白光光源2-光学棱镜3-照相机4-准直单元5-被测量产品(例如，PCB)6-色谱的宽度7-色谱的开头部分8-色谱的结尾部分9-扫描移动方向10-具有与白光光谱的红色相对应的高度的组件11-具有与白光光谱的绿色相对应的高度的组件12-具有与白光光谱的紫罗兰色相对应的高度的组件15-测量设备16-电子组件17-准直单元的孔径宽度18-可变棱镜角α19-校准体20-校准角 β21-控制单元22-控制装置23-色调高度映射装置24-照相机孔径单元30-准直的白光射束31-多色光束32-反射的单色光束40-LED 条带41-显微透镜42-第一透镜
43-第二透镜
44-第三透镜
45-第四透镜
46-准直网格
50-孔径装置
51-光学衍射光栅
55-色谱
权利要求
1.一种用于光学地测量被测试产品(5)、尤其是PCB产品的表面以进行回流焊膏检查的设备(10)，该设备(10)包括用于发射白光射束的至少一个白光光源(1)、用于使所述白光射束(30)准直的至少一个准直单元(4)、用于将所述白光射束(30)分离成被以预定入射角Y指引到所述被测试产品( 上的多色光束(31)的至少一个分光计单元以及用于记录所述被测试产品( 的反射的单色光束(3 的至少一个照相机(3)，从而使得在使所述被测试产品( 沿着χ轴扫描方向(9)相对移动的同时能够从所述反射的单色光束(32)的色调值中提取所述被测试产品( 的ζ轴表面高度信息，其中，所述分光计单元优选地为光学棱镜( 或光学衍射光栅(51)。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述白光光源(1)具有连续光谱(5 和/或所述光谱(5 的频率-宽度是可变的，优选地在350nm 850nm的波长范围内，和/或所述白光光源(1)的强度是可调整的，优选地通过使所述光源(1)变暗或通过选择性地并行地开启或关闭两个或更多光源(1)。
3.根据前述权利要求中的任一项权利要求所述的设备(10)，其中，所述白光光源(1) 适合于产生白光带束，和/或所述光源(1)是LED光源，优选地为LED条带(40)，其中，至少一个显微透镜Gl)被光学地耦合到至少一个LED以对所述白光射束(30)进行预矫正，和/ 或LED条带00)的多个LED能够选择性地被开启或关闭以便在与所述扫描方向(9)垂直的y轴方向中增强白光射束(30)的强度和/或长度，和/或LED条带00)包括用于将多色光混合成白光射束(30)以便提供所述白光射束(30)的可调整频谱(5 的多个不同颜色的LED。
4.根据前述权利要求中的任一项权利要求所述的设备(10)，其中，所述准直单元(4) 适合于在360°内使所述白光射束(30)准直并形成垂直于所述扫描方向(9)的白光带束， 并且优选地包括至少一个透镜(42、43、44、妨)和/或准直网格06)和/或至少一个孔径装置(50)，所述孔径装置优选地为可调隙缝光阑孔径装置。
5.根据前述权利要求中的任一项权利要求所述的设备(10)，该设备(10)还包括用于沿扫描方向(9)相对地传送所述被测试产品( 或所述光源(1)、分光计单元、准直单元 (4)和照相机(3)的扫描传送装置。
6.根据前述权利要求中的任一项权利要求所述的设备，其中，所述照相机(3)是线扫描照相机，优选地包括照相机孔径单元04)和/或用于减少视差效应的视差透镜单元，用于接收由所述被测试产品( 从所述多色光束(31)反射的单色光束(32)，和/或所述照相机C3)是具有至少8比特色调分辨率、优选地具有可调整的10比特、12比特或更高比特色调分辨率的数码照相机，和/或所述照相机(3)包括两个或更多个线扫描行，每一行包括用于增加色调灵敏度的滤色器，和/或所述照相机(3)包括用于提高扫描质量的至少一个灰色或黑/白扫描行，或者所述照相机(3)是面扫描照相机，其中，能够提取扫描区域的单个或多个扫描行以进行色调高度信息处理，其中，所述视差透镜单元尤其为圆柱透镜或圆透镜单元。
7.根据前述权利要求中的任一项权利要求所述的设备，该设备包括沿着垂直于所述χ 扫描方向(9)的y轴方向布置以进行并行扫描的至少两个或更多个照相机(3)，从而提高所述产品(5)的扫描宽度，和/或所述照相机C3)被立体地布置成对所述产品( 进行3D扫描以便减少阴影和照明效果。
8.根据前述权利要求中的任一项权利要求所述的设备，该设备还包括与至少所述照相机(3)电连接的控制单元(21)，所述控制单元包括适合于至少控制所述照相机(3)并将由所述照相机C3)捕捉的图像的色调值映射成所述产品( 的表面高度信息的控制装置 (22)和色调高度映射装置03)。
9.根据权利要求8所述的设备，该设备还包括由所述控制单元的所述控制装置 (22)控制以用于调整所述多色射束(31)的色谱宽度d(6)、特别地以用于调整所述准直单元⑷的电枢宽度《(17)、和/或以用于调整射束分离高度b、源(1)的光线与照相机(3) 之间的距离a或所述分光计单元的棱镜角α的调整装置，从而调整高度测量灵敏度。
10.一种用于使用根据前述权利要求中的任一项权利要求所述的设备来光学地进行被测试产品( 、尤其是PCB产品的表面测量以进行回流焊膏检查的方法，其中，由所述白光光源(1)发射白光射束并由所述准直单元(4)将所述白光射束(1) 矫正和准直成通过所述分光计单元0，51)的平行窄射束(30)，通过所述分光计单元(2， 51)将该射束分解成色谱(55)，在使所述产品( 沿着扫描方向(9)相对于所述照相机(3) 移动的同时由所述照相机C3)来记录色谱(55)在所述产品( 或所述产品( 的组件上的反射，从而使得由所述照相机C3)从单独的图像组成的图像显示所述产品( 的表面上的所有部分并且χ轴和y轴方向上的图像尺寸对应于所述产品(5)的实际尺寸，并且同时， 向所述产品(5)的表面高度值分配图像的色调值，即单独像素的色彩部分[R，G，B]的值。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述色谱(5 的色调值到ζ表面高度值的色调高度映射由以预先高精度地知道校准角3 OO)的校准体(19)的表面偏斜的至少一个逐渐记录来校准，并且在色调高度映射装置03)中存储色调高度映射。
12.根据前述方法权利要求中的任一项权利要求所述的方法，其中，所述照相机⑶和所述光源⑴的几何位置在整个扫描时间期间是静态的，和/ 或在扫描期间通过使用所述色调高度映射来执行实时色调高度映射。
13.根据前述方法权利要求中的任一项权利要求所述的方法，其中，所述照相机(3)在使所述照相机(3)相对于所述产品(5)沿着扫描方向(9)相对移动的同时，逐渐地记录所述产品( 的表面的逐行的色调值。
14.根据前述方法权利要求中的任一项权利要求所述的方法，其中，调整所述照相机C3)和所述白光(1)，以使得所述色谱(5 的开头部分(7)被映射到零高度，和/或借助于校准函数、优选地通过色调高度映射将由所述照相机C3)记录的所述色调值转换成所述产品( 或所述产品( 的组件的实际表面高度。
15.根据前述方法权利要求中的任一项权利要求所述的方法，其中，在所述照相机⑶的图像的已测量χ值和y值以及基于χ轴和y轴上的所述图像的色调值的ζ高度值的基础上，来创建所述产品( 的3D模型。
16.根据前述权利要求中的任一项权利要求所述的设备和方法在测量产品(5)的尺寸中的应用，尤其是在测量和检查PCB或太阳能电池产品上的回流焊膏的位置和高度和/或在测量所述产品(5)的表面粗糙度中的应用。
全文摘要
本发明涉及一种用于光学地测量被测试产品(5)、尤其是PCB产品的表面以进行回流焊膏检查的设备(10)、方法及其应用。该设备包括用于发射白光射束的至少一个白光光源(1)、用于使白光射束(30)准直的至少一个准直单元(4)、用于将白光射束(30)分离成被以预定入射角γ指引到被测试产品(5)上的多色光束(31)的至少一个分光计单元以及用于记录测试产品(5)的反射的单色光束(32)的至少一个照相机(3)，其中，分光计单元优选地为光学棱镜(2)或光学衍射光栅(51)。被测试产品(5)的z轴表面高度信息能够在使被测试产品(5)沿着x轴扫描方向(9)相对移动的同时从所述反射的单色光束(32)的色调值中提取。
文档编号G01B11/06GK102282440SQ201080002245
公开日2011年12月14日 申请日期2010年3月2日 优先权日2009年3月3日
发明者R·F·维泽 申请人:韦崔斯股份有限公司