СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПТИЧЕСКОГО ИЗМЕРЕНИЯ ПОВЕРХНОСТИ ИЗДЕЛИЯ Российский патент 2013 года по МПК G01B11/25 G01B11/30 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение, в основном, относится к устройству и способу для измерения и контроля расстояния между датчиком и тестируемым изделием. В частности, оно может использоваться в области электроники для измерения и тестирования положения компонентов, установленных на печатных платах (РСВ) или на изделии солнечного элемента или для контроля положения соединителей электронных компонентов, таких как интегральные схемы (ИС), конденсаторы, транзисторы, резисторы и т.д., или положения пасты для пайки расплавлением полуды перед установкой электронных компонентов на РСВ для пайки расплавлением полуды. Настоящее изобретение предпочтительно является применимым к производству РСВ, изделий солнечных элементов, таких как пластины солнечных элементов или солнечные батареи и другие предметы, которые требуют измерения плоскостности, чтобы таким образом задать их качество, и также может использоваться для тестирования шероховатости поверхности на поверхностях изделия. Настоящее изобретение также может использоваться для контроля трехмерного вида различных предметов при записи изображения без необходимости выполнения операций сканирования из нескольких положений, что особенно полезно в высокопроизводительных процессах, т.е. в процессах, где требуется тестирование шероховатости поверхности и дефектов и т.д.

Уровень техники

В известном уровне техники такие измерения высоты поверхности наиболее часто выполняются с помощью однострочного лазера и высокоскоростной камеры, предпочтительно используя метод лазерной триангуляции. Однострочный лазер направляется на измеряемую поверхность и камера, которая направляется снизу под заданным углом, записывает профиль измеряемой области по одной координате (в одном месте), чтобы лазер подсвечивал ее. Индивидуальные изображения записываются с частотой, соответствующей ширине луча лазера, и затем все изображения составляются. Используя данную процедуру, можно составить трехмерную (3D) модель.

Другим способом является использование нескольких камер, которые направляются на тестируемую область под различными углами. Из известной тригонометрии камеры внутри испытательного устройства может быть составлена 3D-модель.

Другим способом является использование муарового эффекта, посредством которого при некоторых обстоятельствах можно сделать видимым рельеф тестируемой области. Изображения создаются при помощи двух построчных решеток, всегда с обратной яркостью. После составления обоих изображений при использовании эффекта интерференции отражается рельеф поверхности.

Документ WO 02/082009 A1 предлагает способ и устройство для измерения расстояния между датчиком и изделием, используя цветовую информацию о свете, отраженном объектом. Распределение цвета трехмерной поверхности сопоставляется с уровнем высоты поверхности объекта, так что цветовая информация может использоваться для анализа трехмерной структуры поверхности объекта. Источником белого света может быть вольфрамовая лампа или комбинация многочисленных источников многоцветного света с множеством лучей света с единственными длинами волн.

Из JP 61075210 A можно узнать об устройстве дальномера, в котором свет от источника света преломляется в многоцветный луч, освещающий поверхность объекта. Отношение интенсивности сигнала света, отраженного поверхностью объекта, который фильтруется двумя разными фильтрами, может использоваться для измерения углов и расстояний между поверхностью объекта и камерой.

Наконец, в JP 7117399 B описывается другое устройство определения расстояния, определяющее общее состояние техники.

Способы, известные из современного уровня техники, не позволяют получить информацию о высоте поверхности с точностью лучшей, чем +/-20 мкм. Кроме того, ограничена максимальная ширина сканирования измеряемого изделия, делая его непригодным для сканирования изделий, ширина которых больше 150 мм. Ограничена скорость сканирования, делая, таким образом, измерение поверхности узким местом процесса высокопроизводительной обработки.

Задачей настоящего изобретения, поэтому, является обеспечение способа и устройства для измерения и контроля поверхности изделия с высокой точностью, большой скоростью, изменяемой разрешающей способностью измерения и с повышенной шириной y. Кроме того, задачей настоящего изобретения является обеспечение способа и устройства, способных выполнять самокалибровку, таким образом исключая высокоточную структурную конструкцию и сложную работу по калибровке.

Вышеупомянутые проблемы современного уровня техники решаются устройством и способом по зависимым пунктам формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления являются предметом зависимых пунктов формулы изобретения.

Сущность изобретения

Настоящее изобретение обеспечивает устройство для оптического измерения поверхности тестируемого изделия, которое делает возможным выполнение контроля поверхности изделия, контроля выравнивания компонентов или контроля размещения пасты для пайки до процесса пайки расплавлением полуды, и которое делает возможным создание оптической 3D-модели поверхности изделия. Устройство содержит следующие компоненты:

- источник белого света, полезно излучающий луч белого света с непрерывным спектром. Свет выпрямляется коллимационным блоком, включающим в себя оптическое средство, такое как линзы, средство апертуры и т.д., в параллельный, узкий и коллимированный луч, который затем проходит через блок спектрометра, предпочтительно оптическую призму или дифракционную решетку. Предпочтительно, что средство апертуры содержит щелевую диафрагму для получения плоского и широкого расширенного луча белого света.

- Блок спектрометра, особенно оптическую призму, переводящий разложение белого света в луч мультихроматического света, содержащий широкий частотный спектр света. Мультихроматический свет, входящий в призму, содержит выбранные или все цветовые составляющие белого света. После прохождения через блок спектрометра белый свет разлагается на индивидуальные цвета по закону преломления света. Индивидуальные составляющие являются монохроматическими, имеющими разные значения оттенков, посредством чего мультихроматический луч содержит спектр, пространственно распределенный и освещающий поверхность тестируемого изделия в направлении сканирования. Ширина данного спектра оказывает непосредственное влияние на точность измерения высоты по оси z поверхности изделия.

- Камеру, предпочтительно камеру линейного сканирования. Камера последовательно построчно записывает тестируемую поверхность, в то врем как тестируемое изделие перемещается относительно камеры в направлении сканирования по оси x. Геометрическое положение камеры и источника света при записи все время остается одним и тем же. Камера и свет регулируются на нулевую высоту (основание) построчно, так что камера отображает начало спектра, т.е. красный цвет. Все ненулевые высоты тогда отображаются затем другим цветом, которые есть в спектре цветов. Таким образом, необходимо отметить, что или испытываемое изделие перемещается относительно источника белого света, блока спектрометра и камеры, или источник белого света, блок спектрометра и камера относительно перемещаются в отношении тестируемого изделия.

Другими словами, устройство для оптического измерения поверхности тестируемого изделия, особенно для контроля изделия РСВ для контроля пасты для пайки расплавлением полуды, содержит по меньшей мере один источник белого света для излучения луча белого света, по меньшей мере один коллимационный блок для коллимирования упомянутого луча белого света, по меньшей мере один блок спектрометра, предпочтительно оптическую призму или оптическую дифракционную решетку для расщепления упомянутого луча белого света в луч мультихроматического света, направляемый на упомянутое тестируемое изделие под заданным углом γ падения, и по меньшей мере одну камеру для записи отраженного луча монохроматического света упомянутого тестируемого изделия. Таким образом, информация о высоте поверхности по оси z упомянутого тестируемого изделия может извлекаться из значения оттенка упомянутого отраженного луча монохроматического света во время относительного перемещения упомянутого тестируемого изделия по направлению сканирования по оси x.

Коллимационный блок предпочтительно может коллимировать свет по меньшей мере с качеством (показателем) коллимирования 2 или менее по всем направлениям. В противоположность параллельному свету коллимированный свет создает параллелизованные в большой степени лучи света всех значений цветов/оттенков. Коллимационный блок может содержать средство оптического выпрямления, такое как линзы, апертуры или зеркала, для коллимирования света в 360. Из коллимированного света образуется мультихроматическая спектральная линия света посредством блока спектрометра, в котором значения индивидуальных цветов/оттенков представлены таким образом, чтобы они были отличаемыми друг от друга. Для направления упомянутого света может использоваться средство смешения света, например, апертура или волокно.

Согласно предпочтительному варианту осуществления упомянутый источник белого света может иметь непрерывный спектр. Альтернативно или дополнительно, полоса частот спектра может быть изменяемой, предпочтительно в диапазоне длин волн 350-850 нм (от ультрафиолетового до инфракрасного). Альтернативно или дополнительно, интенсивность источника белого света может быть регулируемой, предпочтительно посредством затемнения упомянутого источника света или посредством селективного включения или выключения двух или более источников света параллельно.

Согласно другому предпочтительному варианту осуществления изобретения сборка источника белого света, коллимационного блока и блока спектрометра может быть представлена жидкокристаллическим проектором (LCD-проектором), видеопроектором или другим устройством создания видеоизображения, способным создавать луч многоцветного света. По существу, проектор обычно содержит луч белого света, коллимационный блок для выпрямления и коллимирования упомянутого луча белого света и блок спектрометра, например, многоцветный LCD, для преобразования упомянутого луча белого света в луч многоцветного света. Обычно технические требования к мультихроматическому лучу света, такие как яркость, угол раскрыва, ширина разных частей упомянутого цветного луча и т.д., создаваемому LCD-проектором, легко могут управляться блоком управления изображением для создания мультихроматического луча света с разной разрешающей способностью цвет-ширина, так что легко может управляться точность измерения. Кроме того, такой LCD-проектор способен выводить 100 кадр/с (кадров в секунду) или даже больше для адаптивного изменения формы луча. Проектор легко может объединяться с камерой сканирования области или строки для обеспечения варианта осуществления изобретения.

Согласно другому предпочтительному варианту осуществления упомянутый источник белого света может быть выполнен с возможностью получения ленточного луча белого света. Альтернативно или дополнительно, упомянутым источником света может быть светодиодный источник света (LED-источник), предпочтительно LED-лента, в котором по меньшей мере одна микролинза может быть оптически соединена с по меньшей мере одним LED для предварительного выпрямления упомянутого луча белого света. Альтернативно или дополнительно, многочисленные LED из LED-ленты могут селективно включаться или выключаться для увеличения интенсивности и/или длины луча белого света по направлению оси y, перпендикулярному упомянутому направлению сканирования. Альтернативно или дополнительно, LED-лента может содержать многочисленные различно окрашенные LED для смешивания многоцветного света в луч белого света для получения регулируемого частотного спектра упомянутого луча белого света. Предпочтительно, что упомянутая LED-лента содержит один или несколько LED. LED создают неколлимированный свет, который излучается по всем направлениям, таким образом, излучение света должно быть предварительно выпрямлено в соответствии со структурой LED-ленты.

Упомянутая световая лента может быть выполнена с требуемой шириной сканирования, так что устройство может контролировать изделия с разной шириной по оси y. Преимущественно, что световая лента может иметь ширину максимальной ширины сканирования, посредством чего упомянутый «длинный» луч белого света может адаптивно фокусироваться на «короткий» луч белого света посредством беспараллаксной оптики. Например, такая световая лента может иметь длину 450-600 мм по направлению оси y, и длина упомянутого плоского луча белого света может фокусироваться беспараллаксной оптикой на длине 150 мм. Разрешающая способность по высоте z может настраиваться посредством изменяемой ширины апертуры, спектрометрического угла упомянутого блока спектрометра или расстояния блока спектрометра от поверхности. Из-за изменчивости разрешающей способности по высоте z могут достигаться разные разрешающие способности сканирования. Ширина у световой ленты может быть увеличена посредством использования зеркал, светонаправляющих элементов, таких как волокно, или линзы и т.д.

Световая лента также может быть получена из точечного источника света посредством использования объектива и/или цилиндрической линзы. Таким образом, выбором разных стекол можно регулировать разные показатели преломления и можно улучшить беспараллаксное изображение.

LED часто создают неоднородно распределенный белый свет. Поэтому, может быть полезным смешивать разные виды белых или многоцветных LED для получения однородного спектра белого света. Такое смешивание может достигаться посредством использования линз, зеркал, стекловолоконной оптики или т.п.Кроме того, несколько световых лент может использоваться параллельно для добавления лучей света, чтобы увеличить скорость сканирования.

Качество белого света можно дополнительно повысить посредством интегрирования элемента поляризационного фильтра в источник белого света для уменьшения эффектов отражения и особенно полезно для освещения металлических/неметаллических поверхностей.

В заключение, качество белого света может быть повышено:

- изменяемым размером апертуры;

- спектральной однородностью луча белого света;

- беспараллаксным светом для уменьшения эффектов затенения;

- оптическим средством для настройки длины световой ленты к длине апертуры в направлении y;

- средством управления интенсивностью света для коррекции эффектов отражения поверхностью;

- адаптируемой длиной световой ленты для адаптации ширины сканирования к размерам изделия.

Согласно другому предпочтительному варианту осуществления упомянутый коллимационный блок может быть выполнен с возможностью коллимирования упомянутого луча белого света на 360 и может быть выполнен с возможностью образования ленточного луча белого света, перпендикулярного упомянутому направлению сканирования, и может предпочтительно содержать по меньшей мере одну линзу и/или коллимационную решетку и/или по меньшей мере одно средство апертуры, предпочтительно средство регулируемой апертуры щелевой диафрагмы.

Согласно другому предпочтительному варианту осуществления упомянутое устройство также может содержать средство транспортировки при сканировании для относительной транспортировки упомянутого тестируемого изделия или упомянутого источника света, блока спектрометра, коллимационного блока и камеры в направлении сканирования.

Согласно другому предпочтительному варианту осуществления упомянутой камерой может быть камера со строчной разверткой, предпочтительно содержащая блок кадрового окна камеры и/или блок параллаксной линзы для уменьшения эффектов параллакса, особенно цилиндрическую линзу или блок круглой линзы, для приема луча монохроматического света, отраженного от упомянутого луча мультихроматического света упомянутым тестируемым изделием. Альтернативно или дополнительно, упомянутой камерой может быть цифровая камера с разрешающей способностью оттенков по меньшей мере 8 бит, предпочтительно с регулируемой разрешающей способностью оттенков 10, 12 бит или более. Альтернативно или дополнительно, упомянутая камера может содержать две или более строки линейного сканирования, причем каждая строка содержит цветной фильтр для увеличения чувствительности к оттенкам. Альтернативно или дополнительно, упомянутая камера может содержать по меньшей мере одну серую или черную/белую строку сканирования для повышения качества сканирования. Альтернативно, упомянутой камерой может быть камера со строчно-кадровой разверткой, посредством чего единственная или многочисленная строка сканирования упомянутой области сканирования могут извлекаться для обработки информации о высоте, соответствующей оттенку. Такая камера со строчно-кадровой разверткой может предпочтительно иметь 1500 строк или более и может использоваться для разрешающей способности до 20 мкм. Предпочтительно, что камера содержит две или более строки сканирования с элементами разных цветных фильтров впереди упомянутых двух или более строк сканирования, повышая чувствительность каждой строки сканирования к значениям разных оттенков упомянутыми элементами разных цветных фильтров.

Благодаря большой ширине y сканирования камеры, перпендикулярной направлению перемещения сканирования по оси x, сканированное изображение может содержать относящиеся к параллаксу ошибки. Использование параллаксных линз в зоне прямой видимости между поверхностью изделия и камерой, но также между источником белого света и блоком спектрометра, позволяет выполнять коррекцию ошибок параллакса, таким образом позволяя выполнять 3D-сканирование изделия без высокого качества. Система параллаксных линз, как считается, корректирует разные характеристики дифракции света всех длин волны. Система линз может содержать вытянутые по длине цилиндрические линзы, но также и круглые линзы. Цилиндрические линзы могут быть полезными при использовании камеры сканирования строки.

Степень разрешающей способности по высоте z представляет собой результат объединения значений отраженного оттенка спектрального света и точности разрешения цвета упомянутой камеры. Камеры на приборах с зарядовой связью (ПЗС) или другие цифровые камеры обычно могут обеспечивать цветовую разрешающую способность 8-10 бит на пиксел. Регулировка цветовой разрешающей способности камеры может повысить разрешающую способность измерения. Использование разных количеств строк камеры для сканирования может представлять собой другую возможность масштабирования разрешающей способности измерения. Например, может использоваться двухстрочная камера, и камера может фокусироваться на двух или более разных цветных областях, так что может достигаться масштабируемая разрешающая способность. Количество строк камеры также может увеличиваться до четырех и даже более строк сканирования, посредством чего разные цветные фильтры могут быть назначены индивидуальным строкам камеры, таким образом, повышая точность разрешающей способности.

Использование камеры со строчно-кадровой разверткой или многострочного сканирования, способных сканировать область поверхности тестируемого изделия вместо камеры линейного сканирования, сканирующей строку поверхности по оси y перпендикулярно направлению перемещения сканирования по оси x, также может полезно использоваться в качестве сканирующей камеры. Индивидуальные строки изображения, создаваемые областью поверхности, могут извлекаться в виде многочисленных рядов сканирования, посредством чего повышенное количество извлеченных рядов может повышать точность измерения. Кроме того, скорость сканирования может быть увеличена посредством одновременного извлечения многочисленных рядов сканирования.

Камера может содержать один или несколько чувствительных к цвету строк сканирования и по меньшей мере одну черную/белую или серую строку сканирования. По существу, черная/белая или серая строка сканирования может сканировать 2D (двумерное) изображение поверхности изделия для обеспечения размеров x/y изделия. Цветовая строка сканирования обеспечивает информацию об оттенке, соответствущего высоте z поверхности изделия, так что в одном процессе сканирования могут извлекаться значения размеров x/y и z изделия. Особенно если поверхность изделия полна трещин, 2D-изображение обеспечивает точные размеры x/y для ассоциирования данных z с различными областями поверхности изделия.

Может быть предпочтительным использовать камеру, содержащую блок обработки для непосредственного преобразования значений оттенка в значения высоты z, основываясь на данных калибровки карты высот, соответствующим оттенкам. Таким образом, блок обработки камеры может непосредственно преобразовывать исходные данные (RAW-данные) камеры в данные высоты z, которые могут передаваться на блок управления. Кроме того, упомянутый блок обработки может использовать разные подпрограммы калибровки, такие как извлечение яркости, преобразование данных RGB (красный, зеленый, синий) в данные HSI (оттенок, насыщение, интенсивность), геометрическая калибровка, основанная на захвате данных ряда и вычислении сдвига ряда и т.д. Таким образом, камера способна непосредственно выводить данные измерения высоты z, посредством чего камера может обеспечивать данные 3D-области сканируемого изделия.

Согласно другому предпочтительному варианту осуществления по меньшей мере две или более камеры могут быть расположены по направлению оси y, перпендикулярному упомянутому направлению сканирования x, для параллельного сканирования, таким образом, увеличивая ширину сканирования упомянутого изделия. Альтернативно или дополнительно, упомянутые две или более камеры могут стереометрически располагаться для 3D-сканирования упомянутого изделия для уменьшения эффектов затенения и освещения. Расположение двух или даже более камер в одном ряду сканирования, перпендикулярном направлению сканирования, может увеличивать ширину сканирования, таким образом, позволяя выполнять сканирование больших изделий с высокой скоростью. Использование стереометрического расположения двух или более камер, фокусирующихся на некоторой строке или на поверхности изделия, может уменьшить эффекты затенения, которые, таким образом, могут повысить точность измерения.

Согласно другому предпочтительному варианту осуществления упомянутое устройство может дополнительно содержать блок управления в электрическом соединении с по меньшей мере упомянутой камерой, упомянутый блок управления может содержать средство управления и средство отображения высоты оттенков, предназначенные для по меньшей мере управления упомянутой камерой и отображения значения оттенка изображения, захваченного упомянутой камерой, чтобы получить информацию о высоте поверхности упомянутого изделия.

Согласно другому предпочтительному варианту осуществления упомянутое устройство может дополнительно содержать средство регулировки, которое может управляться упомянутым средством управления упомянутого блока управления для регулировки ширины d спектра цветов упомянутого мультихроматического луча, особенно для регулировки ширины w апертуры упомянутого коллимационного блока, и/или для регулировки высоты b расщепления луча, расстояния а между оптической линией источника и камерой или упомянутого угла α призмы упомянутого блока спектрометра для регулировки чувствительности измерения высоты.

Способ измерения тестируемого изделия содержит следующие этапы:

- калибровки цветовой шкалы в [мм] высоты. Это выполняется посредством сканирования наклонной области, где угол наклона заранее известен с высокой точностью. Изображение этой наклонной области последовательно получает весь спектр и одновременно высота в фактической области известна из геометрии наклонной области. Из нее выводится функция зависимости цвет {R,G,B] = функция (высота) [мм];

- тестирования состава сканируемой поверхности. Изображение, получаемое камерой, состоит из индивидуальных изображений, которые отображают все детали на поверхности тестируемого изделия. Размеры по оси x и y соответствуют фактическим размерам записываемого предмета. Отражение цвета предмета соответствует его высоте над поверхностью;

- затем программное обеспечение вычисляет (в соответствии с функцией, полученной во время калибровки) установленные значения цветовых составляющих [R,G,B] индивидуальных пикселей для фактической высоты (ось z).

В тестируемой в данный момент области программное обеспечение непосредственно возвращает значения высоты (например, верхней области конденсера).

Другими словами, способ согласно изобретению для оптического измерения поверхности тестируемого изделия, особенно изделия РСВ для контроля пасты для пайки расплавлением полуды, используя устройство согласно любому из вышеупомянутых пунктов формулы изобретения, содержит следующие этапы:

луч белого света излучается упомянутым источником белого света, который выпрямляется и коллимируется упомянутым коллимационным блоком в параллельный узкий луч, проходящий через упомянутый блок спектрометра, посредством которого он разлагается на спектр цветов. Отражение упомянутого мультихроматического луча на упомянутое изделие или его компоненты записывается упомянутой камерой. При перемещении упомянутого изделия по направлению сканирования относительно упомянутой камеры составляется изображение упомянутой камерой из индивидуальных изображений, которое отображает все части на поверхности упомянутого изделия, и размеры изображения по направлению оси x и y соответствуют фактическим размерам упомянутого изделия. Одновременно значения оттенков изображения, т.е. значения цветовых составляющих [R,G,B] индивидуальных пикселей, назначаются значениям высоты поверхности упомянутого изделия.

Согласно другому предпочтительному варианту осуществления отображение высот, соответствующих оттенкам значений оттенков спектра цветов на значения высоты z поверхности может калиброваться по меньшей мере одной последовательной записью наклонной поверхности объекта калибровки, причем угол β калибровки известен заранее с высокой точностью и может сохраняться в карте высот, соответствующих оттенкам средства отображения высоты, соответствующей оттенку. Предпочтительно, что объект калибровки представляет собой стеклянную или керамическую плату или диск или выполнен из обрезного материала.

Посредством калибровки измерительного устройства посредством сканирования объекта калибровки, имеющего поверхность, наклоненную под углом β калибровки, который известен заранее, могут быть исключены сложные действия калибровки, такие как высокоточные механические регулировки устройства и сложные способы для определения значений высоты поверхности. Сложная механическая калибровки, необходимая для разрешающей способности 1 мкм или менее, привела бы к очень дорогому и сложному действию измерения и, поэтому, неприменима для способов серийного производства. Распознавание высоты поверхности сопоставляется с спектральными оттенками света, отраженного от поверхности тестируемого изделия. Так как разрешающая способность пикселей камеры ограничена, спектральные составляющие отраженного света обычно смешиваются. Устройство может калиброваться посредством измерения пилообразной функции наклонной поверхности объекта калибровки, наклоненной под углом β калибровки. Кроме того, также может использоваться изогнутая поверхность объекта калибровки, если функция кривизны поверхности известна заранее. Из сканирования такого рельефа поверхности объекта калибровки может быть создана карта высот, соответствующих оттенкам, позволяющая выполнять определение высоты поверхности из измеренного значения оттенка. Для повышения качества калибровки устройства процесс калибровки может повторяться с разными углами калибровки и/или разной шириной объекта калибровки, посредством чего усредненная карта высот, соответствующих оттенкам может быть вычислена на основе результатов разных процессов калибровки. Разные отраженные спектральные составляющие света поверхности разных углов калибровки могут назначаться разным значениям высоты z в соответствии с функцией изгибания объекта калибровки.

Во время процесса сканирования непосредственная оценка информации о высоте может извлекаться из значений оттенка данных изображения, создаваемых упомянутой камерой (исходные данные изображения). Таким образом, может быть получен профиль высоты z в реальном времени поверхности тестируемой камеры, исключающий любые задержки измерения, посредством чего упомянутая обработка в реальном времени может предпочтительно достигаться с использованием способа построчной обработки.

Во время процесса калибровки адаптация ширины шага перемещения объекта калибровки в направлении перемещения сканирования по оси x оказывает влияние на качество калибровки. Выбор малой ширины шага или большой ширины шага определяет качество калибровки и разрешающую способность измерения высоты z, так что может быть оптимизировано отношение сигнал-шум (SNR). Например, линейное изменение поверхности объекта калибровки, имеющего размеры 100 мм × 150 мм × 5 мм (длина × ширина сканирования х высота), может сканироваться с шириной шага сканирования 20 мкм, что приводит к количеству данных сканирования 5000 пикселей × 7500 пикселей, которое должно быть сохранено в качестве карты высот, соответствующих оттенкам и которое ограничивает разрешающую способность по высоте z до 5000 значений высоты. Уменьшение упомянутой ширины шага до 1 мкм приводит к разрешающей способности точности по высоте z 100000 значений высоты. Дополнительная модификация поверхности объекта калибровки, например, следуя заданной функции поверхности калибровки, может дополнительно повысить точность разрешающей способности. Использование предварительно откалиброванной карты высот, соответствующих оттенкам уменьшает объем работ по обработке данных для дальнейших процессов сканирования, таким образом, улучшая время сканирования и уменьшая ограничения с точки зрения механической точности измерительного устройства. Следовательно, серийное производство измерительных устройств может представляться менее дорогим и более выполнимым.

Согласно другому предпочтительному варианту осуществления геометрическое положение упомянутой камеры и упомянутого источника света может быть статичным в течение всего продолжения сканирования, и/или отображение высоты, соответствующей оттенку в реальном времени может выполняться во время сканирования, используя упомянутую карту высот, соответствующих оттенкам.

Согласно другому предпочтительному варианту осуществления упомянутая камера может последовательно записывать построчно значения оттенков поверхности упомянутого изделия при относительном перемещении упомянутой камеры по отношению к упомянутому изделию в направлении сканирования.

Согласно другому предпочтительному варианту осуществления упомянутая камера и упомянутый белый свет могут регулироваться так, что начало упомянутого спектра цветов отображается на нулевую высоту. Альтернативно или дополнительно, значения оттенков, записанных упомянутой камерой, может преобразовываться посредством функции калибровки, предпочтительно посредством карты высот, соответствующих оттенкам, в фактическую высоту поверхности изделия или его компонентов.

Согласно другому предпочтительному варианту осуществления 3D-модель изделия может быть создана на основе измеренных значений x и y изображения упомянутой камеры и значений высоты z, основываясь на значениях оттенков упомянутого изображения на оси x и y.

Согласно другому аспекту настоящего изобретения применение варианта осуществления вышеупомянутого устройства и вышеупомянутого способа предлагается для измерения размеров изделия и/или построения 3D-модели упомянутого изделия, особенно для измерения и контроля положения и высоты пасты для пайки расплавлением полуды на изделии РСВ и/или для измерения шероховатости поверхности упомянутого изделия.

Шероховатость поверхности может тестироваться с использованием самокалибруемого измерительного устройства с высокой точностью по высоте z и узкой шириной луча мультихроматического света. В качестве объекта калибровки может использоваться поверхность, имеющая заданное значение шероховатости поверхности вместо объекта калибровки, имеющего наклонную поверхность под углом Р калибровки. Таким образом, должны сканироваться разные объекты калибровки с разными значениями шероховатости поверхности на разных высотах z согласно варианту осуществления измерительного устройства для калибровки устройства для измерения шероховатости поверхности. Извлеченная карта высот, соответствующих оттенкам может использоваться для определения шероховатости поверхности поверхностей на разных уровнях высоты z.

Преимущества объекта изобретения

Главные преимущества настоящего изобретения можно видеть в простоте, стойкости и интеграции изобретательского решения. Запись изображения вместе со сканированием предмета для геометрического тестирования осуществляется за один этап. Если нет необходимости выполнять тест области в отношении цвета, можно реализовать 3D-тест непосредственно на нормальном считывании изображения, что не удлиняет время тестирования. Нет необходимости повторно вычислять 3D-модель или моделировать ее (как в случае других систем), высота предмета записывается в цвете на изображении и может считываться непосредственно. После встраивания существующих систем нет необходимости в дополнительных действиях, требующих время, изобретение имеет только минимальные требования к SW, и он может использоваться в качестве дополнительного модуля в уже существующем оборудовании.

Высокая изменчивость и используемость является результатом легко регулируемых границ измерения, посредством которых можно достигать требуемой точности измерения. Границы измерения устанавливаются посредством расстояния или поворотом оптической призмы, когда изменяется ширина (и также высота) спектра цветов, чтобы освещалась тестируемая поверхность. Поэтому, можно достичь точности измерения для мелких элементов и их компонентов (диапазон измерения составляет десятки мм - например, электротехнические компоненты) в несколько микрометров.

Основой данного оборудования являются оптические компоненты, поэтому, не происходит износ или старение. Единственным компонентом, имеющим ограниченный срок службы, является источник света; однако, могут быть варианты от сотен до тысяч часов работы.

Краткое описание чертежей

Настоящее изобретение вместе с упомянутыми и другими задачами и преимуществами можно легче понять из нижеследующего подробного описания вариантов осуществления, но оно не ограничивается этими вариантами осуществления.

На чертежах:

фиг.1 иллюстрирует первый вариант осуществления измерительного устройства настоящего изобретения для контроля выравнивания электронных компонентов на РСВ;

фиг.2 иллюстрирует первый вариант осуществления измерительного устройства согласно настоящему изобретению для контроля тонкого электронного компонента на РСВ, соответствующего спектру красного цвета;

фиг.3 иллюстрирует первый вариант осуществления измерительного устройства согласно изобретению для контроля электронного компонента среднего размера на РСВ, соответствующего спектру зеленого цвета;

фиг.4 иллюстрирует первый вариант осуществления измерительного устройства согласно настоящему изобретению для контроля большого электронного компонента на РСВ, соответствующего спектру фиолетового цвета;

фиг.5 иллюстрирует пример карты высот, соответствующих оттенкам спектра цветов с диапазоном шкалы 0-10 мм;

фиг.6 иллюстрирует другой вариант осуществления измерительного устройства согласно настоящему изобретению со средством регулируемой апертуры;

фиг.7 иллюстрирует другой вариант осуществления измерительного устройства согласно настоящему изобретению с регулируемой оптической призмой;

фиг.8 иллюстрирует другой вариант осуществления измерительного устройства согласно настоящему изобретению с регулируемой высотой оптической призмы;

фиг.9 иллюстрирует другой вариант осуществления измерительного устройства согласно настоящему изобретению;

фиг.10 иллюстрирует конфигурацию источника света и коллимационного блока для варианта осуществления измерительного устройства согласно настоящему изобретению;

фиг.11 иллюстрирует другую конфигурацию источника света и коллимационного блока для варианта осуществления измерительного устройства согласно настоящему изобретению;

фиг.12 иллюстрирует другую конфигурацию источника света и коллимационного блока для варианта осуществления измерительного устройства согласно настоящему изобретению;

фиг.13 иллюстрирует другую конфигурацию источника света и коллимационного блока для варианта осуществления измерительного устройства согласно настоящему изобретению.

Первый вариант 15 осуществления для измерения тестируемого изделия для оптического создания 3D-модели показан на фиг.1 и содержит источник 1 белого света с непрерывным спектром белого света, оптический блок 4 для выпрямления и коллимирования белого света в коллимированный луч белого света 30, оптическую призму 2 для расщепления упомянутого коллимированного луча белого света 30 на мультихроматический луч 31 и камеру 3 сканирования RGB-строки. Свет источника 1 света коллимируется оптическим блоком 4 в параллельный узкий луч 30, который затем проходит через оптическую призму 2, которая служит в качестве блока спектрометра и переводит расщепление света в спектр 31 (фиг.5). Коллимированный свет 30, который входит в призму 2, содержит все цветовые элементы. После прохождения через оптическую призму 2 белый свет 30 расщепляется на индивидуальные цвета 31 по закону преломления света. Индивидуальные составляющие являются монохроматическими и отражаются в виде спектра 55 посредством луча 32 монохроматического света. Ширина d 6 спектра 55 оказывает непосредственное влияние на разрешающую способность по расстоянию по оси z. Камера 3 со строчной разверткой (единственная строка), которая предпочтительно является RGB камерой, или по меньшей мере две цветные камеры 3 последовательно построчно сканируют поверхность тестируемого изделия 5, посредством которого она перемещается по направлению 9 сканирования оси x. Геометрическое положение камеры 3 и отраженный свет 32 являются одинаковыми во время всего периода сканирования. Камера 3 и отраженный свет 32 регулируются на нулевую высоту (основание), так что камера 3 отображает начало 7 спектра 55, т.е. красный цвет. Все ненулевые высоты отображаются другим цветом, как они присутствуют в спектре 55 цветов. Для регулировки ширины d 6 спектра 55 цветов является регулируемым размер апертуры коллимационного блока 4, таким образом регулируя качество разрешающей способности и диапазон измерения значений z. Тестируемым изделием является РСВ 5, на которой расположено несколько электронных компонентов 16, таких как конденсаторы, транзисторы или интегральные схемы (ИС). Измерительное устройство 15 контролирует правильное выравнивание электронных компонентов 16.

Метод измерения тестируемого изделия содержит несколько этапов. Первым этапом является калибровка спектра цветов для преобразования расстояния высоты. Это выполняется посредством сканирования под углом β 20 наклона области поверхности объекта 19 калибровки, где угол β 20 наклона заранее известен с высокой точностью - см. фиг.9. Изображение этой наклонной области последовательно продолжается вдоль всего спектра 55, и, одновременно, высота фактической области будет известна из геометрии наклонной высоты. Из нее выводится функция зависимости цвета [RGB] = функция(высота) [мм/мкм].

Следующим этапом является тестирование состава сканируемой поверхности. Изображение, получаемое камерой 3, состоит из индивидуальных изображений, которые отображают все детали на поверхности тестируемого изделия 5. Размеры по оси x и y соответствуют фактическим размерам записанного изделия 5. Цветовое отражение 32 изделия 5 соответствует его высоте над поверхностью. Затем программное обеспечение вычисляет (согласно функции, полученной во время калибровки) установленные значения цветовых составляющих [RGB] индивидуальных пикселей для фактической высоты (ось z). В фактической тестируемой области программное обеспечение непосредственно возвращает значения высоты (например, верхней области конденсатора).

Фиг.1b схематически иллюстрирует специальное расположение камеры 3, источника 1 белого света, коллимационного блока 4, блока 2 спектрометра и тестируемого изделия 5. Источник 1 белого света излучает белый свет, который коллимируется коллимационным блоком 4 в коллимированный луч 30 белого света. Коллимированный луч 30 белого света расщепляется на мультихроматический луч 31 света блоком 2 спектрометра, посредством чего центр мультихроматического луча 31 света падает на поверхность изделия 5 в точке P₃. В точке P₃ луч 32 монохроматического света отражается перпендикулярно плоской поверхности тестируемого изделия 5 в линзу (объектив) камеры 3. Оптическая ось источника 1 белого света пересекает поверхность изделия 5 в точке P₂. Точка P₁ определяет точку входа коллимированного луча 30 света в блок 2 спектрометра, где коллимированный луч 30 белого света преломляется и расширяется в луч 31 мультихроматического света. Точки P₁, P₂ и P₃ определяют треугольник с прямым углом, тогда как угол γ определяет угол падения, под которым луч 31 мультихроматического света падает на поверхность изделия. Этот угол γ зависит от высоты b блока 2 спектрометра над поверхностью изделия 5 (расстояние между точками P₁ и P₂) и расстояния а между оптической осью источника 1 белого света и камерой 3 (расстояние между точками P₂ и P₃). Посредством изменения a и b, что означает изменение угла γ падения, может регулироваться разрешающая способность измерения значений поверхности.

Фиг.2, 3 и 4 схематически изображают измерение электронного компонента 16, устанавливаемого на плате 5 РСВ при сканировании платы 5 РСВ в направлении 9 сканирования. Фиг.2 иллюстрирует отражение спектра 55 на электронном компоненте 16 малого размера, таком как ИС (интегральная схема). Высота электронного компонента 16 маленькая, так что отражается монохроматический свет (красный свет) около начала спектра 7 цветов.

Фиг.3 иллюстрирует отражение электронного компонента 16 среднего размера, например, транзистора, посредством чего монохроматический цвет из середины спектра, например, зеленый цвет, отражается и обнаруживается камерой 3. Фиг.4 иллюстрирует отражение луча мультихроматического света большого электронного компонента 16, такого как конденсатор. Фиолетовый свет около конца спектра 8 цветов отражается в камеру 3. По существу, легко может быть измерена высота электронного компонента 16, установленного на РСВ 5, из разных значений оттенков (красный, зеленый, фиолетовый).

Фиг.5 изображает карту высот, соответствующих оттенкам согласно варианту осуществления настоящего изобретения. Карта высот, соответствующих оттенкам сопоставляет диапазон высот 0-10 мм со спектральным диапазоном света между 460 и 740 ТГц (длина волны 420-660 нм). Такое сопоставление между длиной волны/частотой и метрическими размерами может извлекаться посредством процесса калибровки согласно варианту осуществления способа согласно изобретению.

Фиг.6, 7 и 8 иллюстрируют несколько вариантов изменения ширины спектра 55 цветов для управления разрешающей способностью измерения варианта осуществления изобретения. Фиг.6 иллюстрирует расположение, в котором размер апертуры коллимационного блока 4 изменяется между размером w₁ апертуры и размером w₂ апертуры. Следовательно, изменяется ширина коллимированного луча 30 белого света и угол расширения луча 31 мультихроматического света, и, таким образом, ширина 6 спектра 55 изменяется от длины d 1 до длины d 2.

Фиг.7 отображает подобный эффект посредством изменения угла а 18 раскрыва оптической призмы 2. На фиг.7а оптическая призма имеет угол α₁ раскрыва, приводящий к ширине d 16 спектрометра 55. Посредством изменения угла α₁ раскрыва до значения α₂, ширина 6 спектрометра 55 изменяется для d₁ на d₂. Оптическая призма, имеющая изменяемый угол a 18 раскрыва, может обеспечиваться посредством использования жидкой оптической призмы, посредством чего угол α 18 раскрыва может регулироваться посредством разных электростатических потенциалов или посредством механического средства или других методов, известных из уровня техники.

Фиг.8 иллюстрирует другой вариант осуществления измерительного устройства 15, в котором может изменяться высота b между поверхностью тестируемого изделия 5 и блоком 2 спектрометра. Посредством изменения расстояния b₁ до расстояния b₂ изменяется угол раскрыва луча 31 мультихроматического света, таким образом, приводя к изменению ширины d 6 спектрометра 55 с d₁ на d₂. В соответствии с изменением высоты с b₁ на b₂ спектрометра 2 над поверхностью тестируемого изделия 5, расстояние а между оптической осью источника 1 белого света и камерой 3 также должно изменяться с a ₁ на а ₂, таким образом оставляя постоянным угол впадения.

Фиг.9 иллюстрирует другой вариант осуществления измерительного устройства 15, в котором выполняется процесс калибровки. На верхней части поверхности 5 изделия установлен объект 19 калибровки, например, плата 19 калибровки, имеющая угол β 20 наклона, регулируемый относительно горизонтальной поверхности измеряемого изделия 5. При перемещении наклонной поверхности объекта 19 калибровки в направлении 9 сканирования источник 1 белого света создает коллимированный луч света 30, который коллимируется коллимационным блоком 4, и который расщепляется на луч 31 мультихроматического света посредством блока 2 спектрометра. Блок 2 спектрометра имеет изменяемый угол а призмы, и коллимационный блок 4 может изменять размер w апертуры для регулировки угла раскрыва луча 31 мультихроматического света для оказания влияния на точность разрешающей способности измерения по высоте. Вследствие перемещения объекта 19 калибровки в направлении 9 перемещения сканирования разные лучи 32 монохроматического света отражаются по направлению к камере 3, посредством чего камера 3 оснащена блоком 24 кадрового окна камеры для устранения паразитного рассеянного света. Камера 3 сканирует свет в сопоставлении с перемещением 9 сканирования объекта 19 калибровки, имеющего наклонную поверхность под углом β 20 калибровки и пересылает данные изображения на блок 21 управления. Блок 21 управления содержит средство 22 управления, которое управляет интенсивностью/яркостью источника 1 белого света, шириной w апертуры коллимационного блока 4 и углом а 18 призмы блока 2 спектрометра. Данные оттенка, принятые камерой 3, сохраняются в карте 20 высот, соответствующим оттенкам средства 23 отображения высоты, соответствующей оттенку, посредством чего разные цвета ассоциируются с разными значениями высоты z, известными из угла β калибровки и размеров объекта 19 калибровки.

Фиг.10 иллюстрирует сборку источника 1 белого света, коллимационного блока 4 и оптической призмы 2 для получения луча мультихроматического света 31, имеющего начало спектра 7 цветов (красный свет) и окончание спектра 8 цветов (фиолетовый свет), падающего на поверхность тестируемого изделия 5. Фиг.10a изображает вид сбоку, и фиг.10b - вид сверху упомянутой сборки. Источник 1 белого света содержит полоску LED (светоизлучающий диод) 40, посредством чего многочисленные микролинзы 41 выпрямляют рассеянный белый свет, излучаемый LED 40, в параллельный луч света. Коллимационный блок 4 содержит первую линзу 42, вторую линзу 43 и четвертую линзу 44, а также средство 50 апертуры, которым может быть щелевая диафрагма. Ширина w раскрыва щелевой диафрагмы 50 является изменяемой, так что ширина коллимированного луча 30 белого света может регулироваться. Коллимационный блок 4 преобразует луч белого света, излучаемый источником 1 белого света, в коллимированный луч 30 белого света, имеющий параллельные лучи белого света всех разных значений цвета. Оптическая призма 2 делит коллимированный луч 30 белого света на мультихроматический луч 31 спектра 55, имеющий ширину b раскрыва.

Фиг.11 иллюстрирует другой вариант осуществления источника 1 белого света, коллимационного блока 4 и оптической призмы 2 для формирования мультихроматического луча света 31. Фиг.11a изображает вид сбоку, и фиг.11b - вид сверху упомянутой сборки. Источник 1 белого света содержит LED-полоску 40, оснащенную микролинзами 41 и первой линзой 42. Коллимационный блок 4 содержит многочисленные линзы 43, 44 и 45 для подавления эффектов параллакса и дополнительно содержит блок 50 апертуры, имеющий переменную ширину раскрыва, и коллимационную решетку 46 для коллимирования луча рассеянного белового света, излучаемого источником 1 белого света. Коллимированный луч 30 белого света преобразуется в радужный луч 31 мультихроматических цветов призмой 2.

Фиг.12 иллюстрирует другой вариант осуществления источника 1 белого света, коллимационного блока 4 и блока спектрометра, в котором источник 1 белого света содержит изогнутую LED-полоску, содержащую изогнутую полоску микролинз 41 для предварительного выпрямления излученного белого LED-света. Фиг.12a изображает вид сверху, и фиг.12b - вид сбоку упомянутой сборки. Свет изогнутого источника 1 света входит в коллимационный блок 4 и выпрямляется первой цилиндрической линзой 42 и проходит через блок 50 апертуры, имеющий регулируемую ширину раскрыва и, наконец, фокусируется эллиптической второй линзой 43 перед выходом из упомянутого коллимационного блока 4. Коллимированный луч 30 белого света затем отражается и преобразуется в мультихроматический луч света 31 оптической дифракционной решеткой 51. Поверхность тестируемого изделия 5 расположена параллельно оптической оси коллимированного луча 30 белого света под упомянутой оптической дифракционной решеткой 51.

Наконец, фиг.13 изображает подобный вариант осуществления источника 1 белого света, коллимационного блока 4 и блока спектрометра, посредством чего блок спектрометра представляет собой оптическую призму 2. Фиг.13a изображает вид сверху, и фиг.13b - вид сбоку упомянутой сборки. Источник 1 белого света содержит изогнутую полоску LED 40, оснащенную изогнутой полоской микролинз 41 для предварительного выпрямления луча белого света 30, который коллимируется коллимационным блоком 4. Коллимационный блок 4 содержит цилиндрическую линзу 42, средство 50 апертуры, которое представляет собой щелевую диафрагму, имеющую изменяемую ширину раскрыва, и эллиптическую линзу 43. Наконец, коллимационный блок 4 содержит третью линзу 44 на его оптическом конце, и упомянутый коллимированный луч света 30 входит в оптическую призму 2 для дифракции в луч мультихроматического света 31, падающего на поверхность тестируемого изделия 5.

Другой вариант осуществления устройства может использоваться для тестирования электронных плат, содержащих электронные компоненты:

- тестер 15 калибруется, так что нулевая высота определяется на поверхности установленной (основной) платы 5, так что после сканирования плата (основание) будет отображаться темно-красным цветом (начало 7 спектра). Диапазон измерения выбирается в соответствии с наивысшей измеряемой деталью 12 (фиолетовый).

- В тестирующей установке положение определяется вместе с высотой и допуском измеряемого изделия 5 (платы).

- После прохождения платы через камеру 3 сканирования строки ее индивидуальные компоненты отображаются в цвете в зависимости от их высоты.

- Программное обеспечение, используя функцию калибровки, переводит оттенки цвета в значения высоты, приведенные в миллиметрах.

- В тестируемых областях оценивается фактическая высота компонента и в отношении заданного допуска выходной результат представлен в виде информации, указывающей, являются ли дефектными или нет тестируемое изделие 5, плата в целом (или ее индивидуальные компоненты).

Другой вариант осуществления устройства может использоваться для тестирования поверхностей платы или поверхностей изделий солнечных элементов:

- тестер 15 калибруется, так что поверхность в нормальном допустимом состоянии отображается после сканирования в цвете, который обычно располагается приблизительно в середине спектра (например, зеленый цвет).

- Выбирается диапазон измерения, т.е. максимальное (наибольшее) и минимальное (наименьшее) отклонение, которые могут иметь место на тестируемой плате (изгиб платы, дефекты поверхности, трещины, царапины, осадок и т.д.). Наименьшее отклонение отображается красным цветом, и наибольшее отклонение отображается фиолетовым цветом.

- Вся поверхность объекта калибровки может определяться как тестируемая область, и выбирается допуск отклонения на отклонение.

- Плата может сканироваться посредством камеры 3 сканирования строки.

- Используя функцию калибровки, программное обеспечение может преобразовывать оттенки цвета в значения высоты, приведенные в миллиметрах или микрометрах.

- Оценивается, имеет ли какая-либо область большее отклонение, чем заданное разрешенным допуском. Выходным результатом может быть информация, представляющая вопрос, является ли тестируемое изделие 5 (плата) дефектной или нет.

Промышленная применимость

Техническое решение изобретения может, в частности, использоваться для приблизительного или целевого контроля геометрии и измерения расстояния индивидуальных изделий или его компонентов, особенно там, где существует необходимость оптического измерения расстояния между датчиком и тестируемой деталью, т.е. в направлении, в котором изменение не отражается на изображении в нормальном состоянии.

Позиции

1 - источник белого света

2 - оптическая призма

3 - камера

4 - коллимационный блок

5 - измеряемое изделие (например, РСВ)

6 - ширина спектра цветов

7 - начало спектра цветов

8 - окончание спектра цветов

9 - направление перемещения сканирования

10 - компонент с высотой, соответствующей красному цвету спектра белого света

11 - компонент с высотой, соответствующей зеленому цвету спектра белого света

12 - компонент с высотой, соответствующей фиолетовому цвету спектра белого света

15 - измерительное устройство

16 - электронный компонент

17 - ширина апертуры коллимационного блока

18 - изменяемый угол а призмы

19 - объект калибровки

20 - угол β калибровки

21 - блок управления

22 - средство управления

23 - средство отображения высот, соответствующей оттенку

24 - блок апертуры камеры

30 - коллимированный луч белого света

31 - луч мультихроматического света

32 - отраженный луч монохроматического света

40 - LED-полоска

41 - микролинза

42 - первая линза

43 - вторая линза

44 - третья линза

45 - четвертая линза

46 - коллимационная решетка

50 - средство апертуры

51 - оптическая дифракционная решетка

55 - спектр цветов

Устройство содержит источник белого света (1) в виде LED-полоски (40), коллимационный блок (4), блок спектрометра для расщепления луча белого света (30) на луч мультихроматического света (31), направляемый на тестируемое изделие (5) под заданным углом падения, и камеру (3) для записи отраженного луча монохроматического света (32), так что информация о высоте поверхности по оси z тестируемого изделия (5) может извлекаться из значения оттенка отраженного луча (32) при относительном перемещении тестируемого изделия (5) по направлению (9) сканирования по оси x. По меньшей мере одна микролинза (41) оптически соединена с по меньшей мере одним LED для предварительного выпрямления упомянутого луча белого света (30). Коллимационный блок (4) выполнен с возможностью коллимирования упомянутого луча (30) белого света на 360° с качеством коллимирования 2° или менее и формирования ленточного луча белого света, перпендикулярного направлению (9) сканирования. Устройство содержит по меньшей мере одну линзу (42, 43, 44, 45), предпочтительно цилиндрическую линзу (42), и по меньшей мере одно средство (50) апертуры, предпочтительно регулируемую апертуру щелевой диафрагмы. Технический результат - возможность измерения поверхности изделия и контроля пасты для пайки расплавлением полуды, а так же создание 3D-модели поверхности изделия. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 21 ил.

1. Устройство (10) для оптического измерения поверхности тестируемого изделия (5), в частности изделия печатной платы (РСВ), в отношении контроля пасты для пайки расплавлением полуды, содержащее по меньшей мере один источник (1) белого света для излучения луча белого света, по меньшей мере один коллимационный блок (4) для коллимирования упомянутого луча белого света (30), по меньшей мере один блок спектрометра, предпочтительно оптическую призму (2) или оптическую дифракционную решетку (51) для расщепления упомянутого луча белого света (30) на луч мультихроматического света (31), направляемый на упомянутое тестируемое изделие (5) под предварительно заданным углом γ падения, и по меньшей мере одну камеру (3) для записи отраженного луча монохроматического света (32) упомянутого тестируемого изделия (5), так что информация о высоте поверхности по оси z упомянутого тестируемого изделия (5) может извлекаться из значения оттенка упомянутого отраженного луча монохроматического света (32) при относительном перемещении упомянутого тестируемого изделия (5) по направлению (9) сканирования по оси x, отличающееся тем, что упомянутый источник (1) белого света представляет собой LED-полоску (40), которая выполнена с возможностью получения ленточного луча белого света, в которой по меньшей мере одна микролинза (41) оптически соединена с по меньшей мере одним LED для предварительного выпрямления упомянутого луча белого света (30), и упомянутый коллимационный блок (4) выполнен с возможностью коллимирования упомянутого луча (30) белого света на 360° с качеством коллимирования 2° или менее и формирования ленточного луча белого света, перпендикулярного упомянутому направлению (9) сканирования, и содержит по меньшей мере одну линзу (42, 43, 44, 45), предпочтительно цилиндрическую линзу (42), и по меньшей мере одно средство (50) апертуры, предпочтительно регулируемую апертуру щелевой диафрагмы.

2. Устройство по п.1, в котором упомянутый источник (1) белого света имеет непрерывный спектр (55) и/или полоса частот спектра (55) является изменяемой, предпочтительно в диапазоне длин волн 350-850 нм, и/или интенсивность источника (1) белого света является регулируемой, предпочтительно посредством затемнения упомянутого источника (1) света или посредством селективного включения или выключения двух или более источников (1) света параллельно.

3. Устройство (10) по п.1 или п.2, в котором многочисленные LED из LED-полоски (40) могут селективно включаться или выключаться для увеличения интенсивности и/или длины луча (30) белого света по направлению оси y, перпендикулярному упомянутому направлению (9) сканирования.

4. Устройство (10) по п.1 или п.2, дополнительно содержащее средство транспортировки при сканировании для относительной транспортировки упомянутого тестируемого изделия (5) или упомянутого источника (1) света, блока спектрометра, коллимационного блока (4) и камеры (3) по направлению (9) сканирования.

5. Устройство по п.1 или 2, в котором упомянутой камерой (3) является камера со строчной разверткой, предпочтительно содержащая блок (24) кадрового окна камеры и/или блок параллаксной линзы для уменьшения эффектов параллакса, в частности блок цилиндрической линзы или круглой линзы, для приема луча монохроматического света (32), отраженного от упомянутого луча мультихроматического света (31) упомянутым тестируемым изделием (5), и/или упомянутой камерой (3) является цифровая камера с разрешающей способностью оттенков по меньшей мере 8 бит, предпочтительно регулируемой разрешающей способностью оттенков 10, 12 бит или более, и/или упомянутая камера (3) содержит две или более строки линейного сканирования, причем каждая строка содержит цветной фильтр для увеличения чувствительности к оттенкам, и/или упомянутая камера (3) содержит по меньшей мере одну серую или черную/белую строку сканирования для повышения качества сканирования, или упомянутой камерой (3) является камера со строчно-кадровой разверткой, посредством чего единственная или многочисленные строки сканирования упомянутой области сканирования могут извлекаться для обработки информации о высоте, соответствующей оттенку.

6. Устройство по п.1 или 2, содержащее по меньшей мере две или более камеры (3), расположенные по направлению оси y, перпендикулярному упомянутому направлению (9) сканирования x, для параллельного сканирования, таким образом увеличивая ширину сканирования упомянутого изделия (5), и/или упомянутые камеры (3) стереометрически располагаются для 3D-сканирования упомянутого изделия (5) для уменьшения эффектов затенения и освещения.

7. Устройство по п.1 или 2, дополнительно содержащее блок (21) управления с электрическим соединением с по меньшей мере упомянутой камерой (3), упомянутый блок (21) управления содержит средство (22) управления и средство (23) отображения высоты, соответствующей оттенку, выполненные с возможностью по меньшей мере управления упомянутой камерой (3) и отображения значений оттенков изображения, захваченного упомянутой камерой (3), на информацию о высоте поверхности упомянутого изделия (5).

8. Устройство по п.7, дополнительно содержащее средство регулировки, управляемое упомянутым средством (22) управления упомянутого блока (21) управления для регулировки ширины d (6) спектра цветов упомянутого мультихроматического луча (31), в частности для регулировки ширины w (17) апертуры упомянутого коллимационного блока (4), и/или для регулировки высоты b расщепления луча, расстояния а между оптической осью источника (1) и камеры (3) или упомянутого угла α призмы упомянутого блока спектрометра для регулировки чувствительности измерения высоты.

9. Способ оптического измерения поверхности тестируемого изделия (5), в частности изделия РСВ для контроля пасты для пайки расплавлением полуды, используя устройство по любому из вышеупомянутых пунктов,
в котором луч белого света излучается упомянутым источником (1) белого света и выпрямляется и коллимируется упомянутым коллимационным блоком (4) в параллельный узкий луч (30), проходящий через упомянутый блок (2, 51) спектрометра, посредством которого он расщепляется на спектр (55) цветов, отражение которого на упомянутом изделии (5) или его компонентах записывается упомянутой камерой (3) при перемещении упомянутого изделия (5) по направлению (9) сканирования относительно упомянутой камеры (3), так что изображение, сформированное упомянутой камерой (3) из индивидуальных изображений, отображает все части на поверхности упомянутого изделия (5), и размеры изображения по направлению оси x и y соответствуют фактическим размерам упомянутого изделия (5), и одновременно значения оттенков изображения, т.е. значения цветовой части [R, G, B] индивидуальных пикселей, назначаются значениям высоты поверхности упомянутого изделия (5).

10. Способ по п.9, в котором отображение высоты, соответствующей оттенку значений оттенка спектра (55) цветов, на значения высоты z поверхности калибруется по меньшей мере одной последовательной записью наклонной поверхности объекта (19) калибровки, причем угол β (20) калибровки известен заранее с высокой точностью, и сохранением карты высот, соответствующих оттенкам, в средстве (23) отображения высоты, соответствующей оттенку.

11. Способ по п.9 или 10, в котором геометрическое положение упомянутой камеры (3) и упомянутого источника (1) света являются статичными в процессе всего времени сканирования, и/или отображение высоты, соответствующей оттенку, в реальном времени выполняется во время сканирования, используя упомянутую карту высот, соответствующих оттенкам.

12. Способ по п.9 или 10, в котором упомянутая камера (3) последовательно записывает построчно значения оттенков поверхности упомянутого изделия (5) при относительном перемещении упомянутой камеры (3) по отношению к упомянутому изделию (5) по направлению (9) сканирования.

13. Способ по п.9 или 10, в котором упомянутая камера (3) и упомянутый белый свет (1) регулируются так, что начало (7) упомянутого спектра (55) цветов отображается на нулевую высоту, и/или значения оттенков, записанных упомянутой камерой (3), преобразуются посредством функции калибровки, предпочтительно посредством карты высот, соответствующих оттенкам, в фактическую высоту поверхности изделия (5) или его компонентов.

14. Способ по п.9 или 10, в котором 3D-модель изделия (5) создается на основе измеренных значений x и y изображения упомянутой камеры (3) и значения высоты z на основе значений оттенков упомянутого изображения на оси x и y.

15. Способ по п.9 или 10, который используется для измерения размеров изделия (5), в частности для измерения и контроля положения и высоты пасты для пайки расплавлением полуды на изделии РСВ или солнечного элемента, и/или для измерения шероховатости поверхности упомянутого изделия (5).