CN101893428A - 形状测量设备和形状测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种形状测量设备和一种形状测量方法。形状测量设备包括：工作台，支撑目标基底；图案投影部，包括光源、光栅部件和投影透镜部件，光栅部件部分地透射和阻挡由光源产生的光以产生光栅图像，投影透镜部件在目标基底的测量目标上生成光栅的像；图像捕获部，捕获被目标基底的测量目标反射的光栅图像；控制部，控制工作台、图案投影部和图像捕获部，计算与测量目标对应的光栅图像的可靠性指数和光栅图像的相位，并利用可靠性指数和相位检查测量目标。因此，可以提高测量的精度。

Description

形状测量设备和形状测量方法

技术领域

本发明的示例性实施例涉及一种形状测量设备和一种形状测量方法。更具体地讲，本发明的示例性实施例涉及能够提高测量的精度的一种形状测量设备和一种形状测量方法。

背景技术

已经将电子装置开发得具有相对较轻的重量和较小的尺寸。因此，在这些电子装置中出现缺陷的可能性增加，因而正在对用来检查这些缺陷的设备进行开发和改善。

近来，检查三维形状的技术在各种技术领域变得有效。在检查三维形状的技术中，使用了通过接触法来检测三维形状的坐标测量机(CMM)。然而，已经对利用光学原理来检查三维形状的非接触法进行了开发。

Meadows和Takasaki在1970年开发出作为典型的检测三维形状的非接触法的阴影云纹法(shadow Moire method)。然而，阴影云纹法存在一个问题，即，用于测量的光栅在尺寸上应当比测量目标大。为了解决上述问题，Yoshino开发出投影云纹技术(projection Moire technique)。此外，Kujawinska将用来分析光学相干性的相移(phase shifting)法应用到用来检查三维形状的云纹技术，使得测量分辨率得以提高并消除了莫尔图案的局限性。

这些用来测量三维形状的技术可以用来检查印刷电路板，并且正在尝试提高精度。

发明内容

本发明的示例性实施例提供了一种形状测量设备，该设备能够一起测量二维形状和三维形状，并能够提高测量的精度。

本发明的示例性实施例还提供了一种形状测量方法，该方法能够一起测量二维形状和三维形状，并能够提高测量的精度。

本发明的示例性实施例还提供了一种测量三维形状的方法，该方法能够对测量目标在所有区域内的三维形状进行精确地测量。

本发明的另外的特征将在以下的描述中进行阐述，部分地通过说明书将明显得知，或者可以通过实施本发明而了解。

本发明的一个示例性实施例公开了一种形状测量设备。所述形状测量设备包括：工作台，支撑目标基底；图案投影部，包括光源、光栅部件和投影透镜部件，光栅部件透射和阻挡由光源产生的光以产生光栅图像，投影透镜部件在目标基底的测量目标上生成光栅的像；图像捕获部，捕获被目标基底的测量目标反射的光栅图像；控制部，控制工作台、图案投影部和图像捕获部，计算与测量目标对应的光栅图像的可靠性指数和光栅图像的相位，并利用可靠性指数和相位检查测量目标。

当焊盘为测量目标时，形状测量设备可以通过可靠性指数检查焊盘的表面。焊盘可能将电连接到外部装置。可靠性指数可以是强度、可见度和信噪比中的至少一种。当可靠性指数不在设定值范围内时，控制部可以确定焊盘为不良。形状测量设备还可以包括辅助光源，用于检查目标基底的测量目标。当辅助光源产生的光被焊盘反射并且被图像捕获部捕获而形成二维图像时，控制部可以确定焊盘为不良，并且即使可靠性指数表明焊盘为良，在二维图像中焊盘也被确定为不良。

本发明的另一示例性实施例公开了一种形状测量方法。所述形状测量方法包括以下步骤：在使光栅移动特定次数的同时，获取被测量目标反射的光栅图像；利用光栅图像获取光栅图像的可靠性指数，所述可靠性指数包括强度、可见度和信噪比中的至少一种；如果电连接到外部装置的焊盘为测量目标，则当可靠性指数在设定值范围内时确定焊盘为良，而当可靠性指数不在设定值范围内时确定焊盘为不良。

本发明的又一示例性实施例公开了一种测量三维形状的方法。所述方法包括以下步骤：在改变每个光栅图案光N次的同时在多个方向上将光栅图案光照射到测量目标上，并检测被测量目标反射的光栅图案光，以获取测量目标的相对于每个方向的N个图案图像；从图案图像提取与X-Y坐标系中的每个位置{i(x，y)}对应的相对于每个方向的相位{P_i(x，y)}和亮度{A_i(x，y)}；利用采用亮度作为参数的加权函数提取相对于每个方向的高度加权{W_i(x，y)}；利用基于相对于每个方向的相位的高度与高度加权来计算相对于每个方向的加权高度{W_i(x，y)×H_i(x，y)}，并对加权高度进行求和，以得到每个位置的高度{∑[W_i(x，y)×H_i(x，y)]/∑W_i(x，y)}。

亮度可以对应于通过对检测到的光栅图案光求平均获得的平均亮度。

加权函数还可以采用从相对于每个方向的图案图像提取的相对于每个方向的可见度和SNR(信噪比)中的至少一种作为参数。

加权函数还可以采用从相对于每个方向的图案图像提取的每个光栅图案光的与光栅栅距对应的测量范围(λ)作为参数。测量范围可以根据光栅图案光而具有至少两个值。

随着平均亮度从预定值增大或减小，加权函数可以使高度加权减小。所述预定值可以为平均亮度的中值。

随着可见度或SNR增大，加权函数可以使高度加权增大。

随着测量范围增大，加权函数可以使高度加权减小。

提取相对于每个方向的高度加权的步骤可以包括将图案图像划分为阴影区域、饱和区域和不饱和区域。阴影区域对应于平均亮度低于最小亮度且可见度或SNR低于最小基准值的区域，饱和区域对应于平均亮度高于最大亮度且可见度或SNR低于最小基准值的区域，不饱和区域对应于除了阴影区域和饱和区域之外的剩余区域。加权函数可以被认为是“0”以获得阴影区域和饱和区域的高度加权。与不饱和区域对应的加权函数可以使高度加权随着平均亮度从平均亮度的中值增大或减小而减小，可以使高度加权随着可见度或SNR的增大而增大，可以使高度加权随着测量范围的增大而减小。

高度加权的和可以等于1{∑W_i(x，y)＝1}。

本发明的又一示例性实施例公开了一种测量三维形状的方法。所述方法包括以下步骤：在改变每个光栅图案光N次的同时在多个方向上将光栅图案光照射到测量目标上，并检测被测量目标反射的光栅图案光，以获取测量目标的相对于每个方向的N个图案图像；从图案图像提取与X-Y坐标系中的每个位置{i(x，y)}对应的相对于每个方向的相位{P_i(x，y)}和可见度{V_i(x，y)}；利用采用可见度作为参数的加权函数提取相对于每个方向的高度加权{W_i(x，y)}；通过将基于相位的高度与高度加权相乘来计算相对于每个方向的加权高度{W_i(x，y)×H_i(x，y)}，并对加权高度进行求和，以得到每个位置的高度{∑[W_i(x，y)×H_i(x，y)]/∑W_i(x，y)}。

根据本发明，可以利用所测量的三维数据来获得二维形状图像，从而不会需要用于二维形状图像的另外的数据。

此外，当一起使用均被测量了的二维形状图像和三维形状图像时，可以有效地检查PCB的缺陷。

此外，当使用另外的二维图像的亮度时，可以提高检查的精度。

此外，从在每个方向上拍摄的图案图像提取平均亮度、可见度或SNR及测量范围，并且根据所提取的结果确定高度加权，从而更精确地测量了测量目标在包括阴影区域和饱和区域的所有区域中的每个位置的高度。

应该理解，前述的总体描述和下面的详细描述是示例性的和说明性的，并意图提供对所要求保护的发明的进一步解释。

附图说明

附图示出了本发明的各实施例并与说明书一起用于解释本发明的原理，包括所述附图以提供对本发明的进一步的理解，所述附图被并入且构成说明书的一部分。

图1是示出了根据本发明示例性实施例的形状测量设备的示意性侧视图。

图2是示出了根据本发明另一示例性实施例的形状测量设备的示意性俯视图。

图3是示出了图1中的目标基底的俯视图。

图4是示出了测量三维图像的形状测量设备的示图。

图5是示出了用来测量二维图像的原理的曲线图。

图6是示出了根据本发明示例性实施例的测量三维形状的方法所使用的三维形状测量设备的示意图。

图7是示出了通过图6中的照射到测量目标上的光栅图案光所得的光栅图案图像的平面图。

图8是示出了当从右侧将光栅图案光照射到测量目标上时在照相机中测量到的图像的平面图。

图9是示出了当从左侧将光栅图案光照射到测量目标上时在照相机中测量到的图像的平面图。

图10是示出了照相机中测量的图案图像的平均亮度与加权之间的关系的曲线图。

图11是示出了照相机中测量的图案图像的可见度或SNR与加权之间的关系的曲线图。

图12是示出了照相机中测量的图案图像的测量范围与加权之间的关系的曲线图。

具体实施方式

在下文中参照示出本发明的示例实施例的附图来更充分地描述本发明。然而，本发明可以以许多不同的形式来实施，并且不应被解释成局限于这里阐述的示例实施例。相反，提供这些示例实施例以使本公开将是彻底的和完全的，并将把本发明的范围充分传递给本领域技术人员。在附图中，为了清晰起见，可能夸大层和区域的尺寸和相对尺寸。

应当理解，当元件或层被指出“在”另一元件或层“上”、“连接到”或“结合到”另一元件或层时，该元件或层可直接在另一元件或层上、直接连接到或直接结合到另一元件或层，或者可以存在中间元件或中间层。相反，当元件被指出“直接在”另一元件或层“上”、“直接连接到”或“直接结合到”另一元件或层时，不存在中间元件或中间层。相同的标号始终表示相同的元件。如这里所使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关所列的项目的任意组合和所有组合。

应当理解，虽然在这里可使用术语第一、第二、第三等来描述各个元件、组件、区域、层和/或部分，但是这些元件、组件、区域、层和/或部分不应受这些术语的限制。这些术语仅仅用来将一个元件、组件、区域、层或部分与另一个区域、层或部分区分开来。因此，在不脱离本发明的教导的情况下，下面讨论的第一元件、第一组件、第一区域、第一层或第一部分可以被称为第二元件、第二组件、第二区域、第二层或第二部分。

可在这里使用诸如“在...之下”、“在...下方”、“下面的”、“在...上方”、“上面的”等空间关系术语来容易地描述图中所示的一个元件或特征与其他元件或特征的关系。应当理解，除了附图中描述的方位以外，空间关系术语还意图包括装置在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的装置翻转，则被描述为在其他元件或特征“下方”或“之下”的元件的方位随后将被定位在其他元件或特征的“上方”。因此，示例性术语“在...下方”可以包括“在...上方”和“在...下方”两种方位。装置可以位于另外的方位(旋转90度或者在其他方位)，进而这里使用的空间关系描述符应该被相应地解释。

这里使用的术语仅仅是为了描述特定的示例实施例，而不意图限制本发明。如这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式。还将理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，说明存在所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件，但不排除存在或附加一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。

这里参照剖视图来描述本发明的示例实施例，所述剖视图是本发明的理想化示例实施例(和中间结构)的示意图。这样，预计会出现例如由制造技术和/或公差引起的图示的形状变化。因此，本发明的示例实施例不应该被解释为局限于在此示出的区域的具体形状，而应该包括例如由制造导致的形状上的偏差。例如，示出为矩形的注入区域在其边缘通常具有倒圆或曲线的特征和/或注入浓度的梯度，而不是从注入区域到非注入区域的二元变化。同样地，通过注入形成的埋区可导致在埋区和通过其发生注入的表面之间的区域中出现一定程度的注入。因此，在图中示出的区域实际上是示意性的，它们的形状并不意图示出装置的区域的实际形状，也不意图限制本发明的范围。

除非另有定义，否则这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域的普通技术人员所通常理解的意思相同的意思。将进一步理解，除非这里明确定义，否则术语(例如在通用的字典中定义的术语)应该被解释为具有与相关领域的上下文中它们的意思相同的意思，而不是理想地或者过于形式化地解释它们的意思。

以下，将参照附图详细地描述本发明的示例性实施例。

图1是示出了根据本发明示例性实施例的形状测量设备的示意性侧视图。

参照图1，根据本发明示例性实施例的形状测量设备1100包括工作台1130、图案投影部1110、图像捕获部1150和控制部1140。另外，形状测量设备1100还可以包括第一辅助光源1160和第二辅助光源1170。

工作台1130支撑目标基底1120，测量目标A设置在目标基底1120上。此外，工作台1130沿着x轴方向和y轴方向中的至少一个方向传送测量目标A。当通过控制部1140控制工作台1130将目标基底1120传送到适当的位置时，第一辅助光源1160和第二辅助光源1170可以朝着目标基底1120的测量目标A辐射光，从而利用例如目标基底1120的标识符号建立目标基底1120的总的测量区域。

图案投影部1110朝着测量目标A投影光栅图案。形状测量设备1100可以包括以下面的方式设置的多个图案投影部1110：多个图案投影部1110相对于目标基底1120的法线以特定的角度朝着目标基底1120投影光栅图案。此外，可以将多个图案投影部1110设置得相对于所述法线对称。每个图案投影部1110包括光源1111、光栅部件1112和投影透镜部件1113。例如，可以相对于测量目标A对称地设置两个这样的图案投影部1110。

光源1111朝着测量目标A辐射光。

光栅部件1112利用光源1111发出的光生成光栅的像。光栅部件1112包括阻光区(未示出)和透光区(未示出)。阻光区阻挡光源1111发出的光的一部分，透光区透射所述光的另一部分。可以以各种类型形成光栅部件1112。例如，可以通过其上图案化有具有阻光区和透光区的光栅的玻璃板形成光栅部件1112。可替代地，可以将液晶显示面板用作光栅部件1112。

当采用其上图案化有具有阻光区和透光区的光栅的玻璃板作为光栅部件1112时，形状测量设备1100还包括用来精密地传送光栅部件1112的致动器(actuator，未示出)。当采用液晶显示面板作为光栅部件1112时，可以通过液晶显示面板显示光栅图案，从而形状测量设备1100不需要致动器。

投影透镜部件1113在目标基底1120的测量目标A上生成光栅部件1112的光栅的像。投影透镜部件1113可以包括例如多个透镜，以使将要显示在测量目标A上的光栅的像聚焦在目标基底1120上。

图像捕获部1150接收被目标基底1120的测量目标A反射的光栅图像。例如，图像捕获部1150包括照相机1151和捕获透镜部件1152。被测量目标A反射的光栅图像穿过捕获透镜部件1152，以被照相机1151捕获。

控制部1140控制工作台1130、图案投影部1110和图像捕获部1150，计算图像捕获部1150捕获的光栅图像的可靠性指数(reliability index)和测量目标A的相位，并对图像捕获部1150捕获的光栅图像进行处理以测量二维形状和三维形状。稍后将详细地解释由控制部1140执行的测量二维形状和三维形状的处理。

控制部1140利用相位和可靠性指数来检查测量目标。详细地讲，相位可以用来测量测量目标A的三维形状，可靠性指数可以用来确定关于测量目标的良或不良。例如，可靠性指数可以使用信号强度、可见度和SNR(信噪比)中的至少一种。可以参照表达式14和表达式15来解释信号强度，可以参照表达式16或表达式17来解释可见度，SNR是指在对图像捕获部1150捕获的滤波图像进行N级桶算法(N-bucket algorithm)处理期间生成的周期函数(periodic function)与真实信号(real signal)之比或二者之差。更详细地讲，SNR为(可见度×表达式1中的D)/时间噪声D。

当可靠性指数不在设定值的范围内时，控制部1140将测量目标A确定为不良。

例如，当通过表达式16或表达式17得到的形状图像的特定区域的可见度γ与外围区域的可见度γ之差不在设定值的范围内时，控制部1140将测量目标确定为不良。

此外，可以使用第一辅助光源1160和第二辅助光源1170之一来测量二维形状。更详细地讲，第一辅助光源1160和第二辅助光源1170之一朝着目标基底1120的测量目标A辐射光，反射的光被图像捕获部1150的照相机1151捕获，从而生成二维形状图像。

即使当可靠性指数的差在设定值的范围内时，但当二维形状图像的特定区域与二维形状图像的外围区域之间的亮度差不在另一设定值的范围内时，控制部1140也会将测量目标A确定为不良。此外，当测量目标A的特定区域的亮度不在另一设定值范围内时，控制部1140可以将测量目标A确定为不良。

例如，即使当通过表达式16或表达式17得到的特定区域的可见度γ与外围区域的可见度γ之差在设定值的范围内时，但当通过第一辅助光源1160或第二辅助光源1170得到的二维图像的特定区域和外围区域之间的亮度差或强度差不在另一设定值范围内时，控制部1140也会将测量目标A确定为不良。

控制部1140顺序地检查视场(FOV)内的感兴趣区(ROI)的二维形状图像和三维形状图像。

图2是示出了根据本发明另一示例性实施例的形状测量设备的示意性俯视图。除了图1中的形状测量设备1100的图案投影部之外，根据本实施例的形状测量设备与图1中的形状测量设备基本相同。因此，将对相同的元件使用相同的标号，并将省略任何进一步的解释。

参照图2，根据本实施例的形状测量设备包括多个图案投影部1110，多个图案投影部1110中的每个具有光栅部件1112。多个图案投影部1110布置在多边形的顶点处。在图2中，四个图案投影部1110布置在正方形的顶点处。然而，可以将多个图案投影部1110布置在六边形、八边形等的顶点处。

当仅在一侧捕获光栅图像时，由于测量目标A是突起使得光栅图像可以到达另一侧，所以可以获得精确的三维形状。因此，为了获得精确的三维形状，可以在彼此相对的两侧捕获光栅图像。

例如，当测量目标A呈矩形形状时，控制部1140可以接通彼此相对设置的两个图案投影部1110。当控制部1140控制的测量目标A的形状复杂时，控制部1140可以接通两个以上的图案投影部1110。

图3是示出了图1中的目标基底的俯视图。

参照图3，诸如印刷电路板(PCB)的目标基底1120包括例如焊盘区域1121(或扇出区域)和器件安装区域1122。

焊盘区域1121是形成有用于电连接的焊盘的区域，器件安装区域1122是安装有器件的区域。

器件通过焊膏安装在器件安装区域1122上。当没有适当地控制焊膏的形状或量时，器件可能与其他器件电连接而引发故障。因此，为了检验焊膏的形状或量是否被适当地控制，测量焊膏的形状或高度以获得焊膏的三维形状。

此外，应当检验焊盘区域1121，以防止与其他焊盘区域的电气短路。在这种情况下，可以使用通过表达式14或表达式15得到的二维形状，以检验焊盘区域之间的电气短路。

另外，焊盘区域1121应当具有平坦的表面。当焊盘区域1121被划伤时，焊盘区域1121会引发与器件的不良接触。因此，焊盘区域1121的表面检查非常重量。

对于表面检查，检查焊盘区域1121的可靠性指数。当特定区域的可靠性指数不在设定值的范围内时，焊盘区域1121被确定为不良。即使当特定区域的可靠性指数在设定值的范围内时，但是利用图1中的第一辅助光源1160和第二辅助光源1170之一获得的二维图像的特定区域和外围区域的亮度差不在另一设定值的范围内，由于焊盘有划伤也将焊盘确定为不良。

焊盘区域1121为平坦的金属表面，从而会使被焊盘区域1121反射的并被图1中的图像捕获部1150的照相机1151捕获的光的量饱和。因此，可以测量相移值。然而，可以测量可靠性指数。因此，即使当被焊盘区域1121反射的光的量饱和时，也可以利用可靠性指数来检查焊盘区域1121。此外，可以使用每个图案投影部1110的可靠性指数作为每个图案投影部1110所测量的高度的加权值。

在上文中，解释了根据当前多个实施例的形状测量设备。根据本实施例的形状测量方法与形状测量设备的方法基本相同。即，根据本发明的形状测量方法，在移动光栅的同时获得被测量目标反射的光栅图像若干次。然后，获得光栅图像的可靠性指数。当可靠性指数在设定值的范围内时，将测量目标确定为良；当可靠性指数不在设定值的范围内时，将测量目标确定为不良。此外，可以获得测量目标的二维形状图像，并且即使当焊盘的可靠性指数在设定值的范围内时，当二维形状图像的特定区域和外围区域之间的亮度差不在特定值的范围内时，也会将焊盘确定为不良。

图4是示出了测量三维图像的形状测量设备的示图。

将光栅图像辐射到图1中的目标基底1120上。然后，被目标基底1120反射的并被图像捕获部1150捕获的图像的强度I表示为下面的与莫尔等式(Moire equation)对应的表达式1。

表达式1

$I=D[1+\mathrm{\γ}\cos \left(\frac{2\mathrm{\πh}}{\mathrm{\Λ}}\right)]$

其中，I为图像捕获部1150捕获的图像的强度，D为信号强度(或DC光强度(或光源强度)和反射率的函数)，γ为可见度(反射率和光栅周期的函数)，Λ为莫尔等效周期(Moire equivalence period)(放大倍率、光栅周期和辐射角度θ的函数)。

在表达式1中，强度I是高度h的函数，从而可以利用强度I获得高度h。

当光栅的相位变化并通过图1中的图像捕获部1150捕获反射图像时，可以将表达式1表示为表达式2。

表达式2

$I_k=D[1+\mathrm{\γ}\cos (\frac{2\mathrm{\πh}}{\mathrm{\Λ}}+{\mathrm{\δ}}_k)$

这里，δ_k为相移，2πh/Λ对应于与测量目标对应的相位Ф。

为了利用表达式2获得高度h，需要至少三次相移。

例如，当应用三次相移(3级桶算法)时，高度h可以如下获得。将δ₁＝零弧度代入表达式2中得到I₁，于是表达式2表示为下面的表达式3。

表达式3

$I_1=D[1+\mathrm{\γ}\cos \left(\frac{2\mathrm{\πh}}{\mathrm{\Λ}}\right)]$

将δ₂＝2π/3弧度代入表达式2中得到I₂，于是表达式2表示为下面的表达式4。

表达式4

$I_2=D[1+\mathrm{\γ}\cos (\frac{2\mathrm{\πh}}{\mathrm{\Λ}}+\frac{2\mathrm{\π}}{3})]=D[1-\mathrm{\γ}(\cos \left(\frac{2\mathrm{\πh}}{\mathrm{\Λ}}\right)\left(\frac{1}{2}\right)+\sin \left(\frac{2\mathrm{\πh}}{\mathrm{\Λ}}\right)\left(\frac{\sqrt{3}}{2}\right))]$

将δ₃＝4π/3弧度代入表达式2中得到I₃，于是表达式2表示为下面的表达式5。

表达式5

$I_3=D[1+\mathrm{\γ}\cos (\frac{2\mathrm{\πh}}{\mathrm{\Λ}}+\frac{4\mathrm{\π}}{3})]=D[1-\mathrm{\γ}(\cos \left(\frac{2\mathrm{\πh}}{\mathrm{\Λ}}\right)\left(\frac{-1}{2}\right)-\sin \left(\frac{2\mathrm{\πh}}{\mathrm{\Λ}}\right)\left(\frac{\sqrt{3}}{2}\right))]$

利用表达式3、表达式4和表达式5得到下面的表达式6。

表达式6

$\frac{(I_3-I_2)}{2I_1-I_3-I_2}=\tan \left(\frac{2\mathrm{\πh}}{\mathrm{\Λ}}\right)$

利用表达式6，可以如下面的表达式7得到高度h。

表达式7

$h=\frac{\mathrm{\Λ}}{2\mathrm{\π}}{\tan }^{-1}\left[\frac{\sqrt{3}(I_3-I_2)}{2I_1-I_3-I_2}\right]$

例如，当应用四次相移(4级桶算法)时，高度h可以如下获得。将δ₁＝零弧度代入表达式2中得到I₁，于是表达式2表示为下面的表达式8。

表达式8

$I_1=D[1+\mathrm{\γ}\cos \left(\frac{2\mathrm{\πh}}{\mathrm{\Λ}}\right)]$

将δ₂＝π/2弧度代入表达式2中得到I₂，于是表达式2表示为下面的表达式9。

表达式9

$I_2=D[1+\mathrm{\γ}\cos (\frac{2\mathrm{\πh}}{\mathrm{\Λ}}+\frac{\mathrm{\π}}{2})]=D[1-\mathrm{\γ}\sin \left(\frac{2\mathrm{\πh}}{\mathrm{\Λ}}\right)]$

将δ₃＝π弧度代入表达式2中得到I₃，于是表达式2表示为下面的表达式10。

表达式10

$I_3=D[1+\mathrm{\γ}\cos (\frac{2\mathrm{\πh}}{\mathrm{\Λ}}+\mathrm{\π})=D[1-\mathrm{\γ}\cos \left(\frac{2\mathrm{\πh}}{\mathrm{\Λ}}\right)]$

将δ₄＝3π/2弧度代入表达式2中得到I₄，于是表达式2表示为下面的表达式11。

表达式11

$I_4=D[1+\mathrm{\γ}\cos (\frac{2\mathrm{\πh}}{\mathrm{\Λ}}+\frac{3\mathrm{\π}}{2})]=D[1+\mathrm{\γ}\sin \left(\frac{2\mathrm{\πh}}{\mathrm{\Λ}}\right)]$

利用表达式8、表达式9、表达式10和表达式11得到下面的表达式12。

表达式12

$\frac{I_4-I_2}{I_1-I_3}=\tan \left(\frac{2\mathrm{\πh}}{\mathrm{\Λ}}\right)$

利用表达式12，可以如下面的表达式13得到高度h。

表达式13

$h=\frac{\mathrm{\Λ}}{2\mathrm{\π}}{\tan }^{-1}\left[\frac{I_4-I_2}{(I_1-I_3)}\right]$

当光栅图像照射到测量目标上并在移动光栅的同时捕获反射的图像时，利用表达式7或表达式13可以得到测量目标的三维形状。

图5是示出了用来测量二维图像的原理的曲线图。

可以如下面的表达式14得到I₁、I₂、I₃和I₄的算术平均值I_ave。

表达式14

$I_{\mathrm{ave}}=\frac{I_1+I_2+I_3+I_4}{4}=D$

如表达式14中所示，当取平均时可以抵消光栅的影响，从而可以获得二维形状图像。

在使用3级桶算法的情况下，表达式3中的I₁、表达式4中的I₂和表达式5中的I₃的算术平均值I_ave可以表示为下面的表达式15。

表达式15

$I_{\mathrm{ave}}=\frac{I_1+I_2+I_3}{3}=D$

另一方面，在使用3级桶算法的情况下，可以利用表达式3、表达式4、表达式5和表达式15将表达式2中的可见度γ表示为下面的表达式16。

表达式16

$\mathrm{\γ}=\frac{\sqrt{{({2I}_1-I_2-I_3)}^2+3{(I_2-I_3)}^2}}{(I_1+I_2+I_3)}$

在使用4级桶算法的情况下，可以利用表达式8、表达式9、表达式10、表达式11和表达式14将表达式2中的可见度γ表示为下面的表达式17。

表达式17

$\mathrm{\γ}=2\frac{\sqrt{{(I_1-I_3)}^2+{(I_2-I_4)}^2}}{(I_1+I_2+I_3+I_4)}$

根据本发明，可以利用测量的三维数据来获得二维形状图像，从而可以不需要另外的用于二维形状图像的数据。

此外，当一起使用均被测量了的二维形状图像和三维形状图像时，可以有效地检查PCB的缺陷。

图6是示出了根据本发明示例性实施例的测量三维形状的方法所使用的三维形状测量设备的示意图。

参照图6，根据本发明的示例性实施例的测量三维形状的方法所使用的三维形状测量设备可包括测量台部100、图像拍摄部200、第一照明部300、第二照明部400、图像获取部500、模块控制部600和中央控制部700。

测量台部100可包括支撑测量目标10的台110和使台110移动的台移动单元120。在示例性实施例中，如果测量目标10通过台110相对于图像拍摄部200、第一照明部300和第二照明部400运动，则测量位置可能在测量目标10中变化。

图像拍摄部200设置在台110上方，以接收被测量目标10反射的光并测量测量目标10的图像。即，图像拍摄部200接收从第一照明部300和第二照明部400出射且被测量目标10反射的光，并且拍摄测量目标10的俯视图像。

图像拍摄部200可包括照相机210、成像透镜220、滤波器230和灯240。照相机210接收被测量目标10反射的光并拍摄测量目标10的俯视图像。例如，照相机210可包括CCD照相机和CMOS照相机中的一种。成像透镜220设置在照相机210下方，以使被测量目标10反射的光在照相机210上成像。滤波器230设置在成像透镜220下方，以对被测量目标10反射的光进行滤波并将滤波后的光提供给成像透镜220。滤波器230可包括例如频率滤波器、颜色滤波器和光强控制滤波器中的一种。灯240可以以圆形设置在滤波器230下方以将光提供给测量目标10，以便拍摄测量目标10的诸如二维形状的特定图像。

第一照明部300可在例如图像拍摄部200的右侧被设置成相对于支撑测量目标10的台110倾斜。第一照明部300可包括第一光源单元310、第一光栅单元320、第一光栅移动单元330和第一聚光透镜340。第一光源单元310可包括光源和至少一个透镜以产生光，第一光栅单元320设置在第一光源单元310下方以将由第一光源单元310产生的光变成具有光栅图案的第一光栅图案光。第一光栅移动单元330连接到第一光栅单元320以移动第一光栅单元320，并且可包括例如压电移动单元和精细线性移动单元中的一个。第一聚光透镜340设置在第一光栅单元320下方，以将从第一光栅单元320出射的第一光栅图案光会聚在测量目标10上。

例如，第二照明部400可在图像拍摄部200的左侧被设置成相对于支撑测量目标10的台110倾斜。第二照明部400可包括第二光源单元410、第二光栅单元420、第二光栅移动单元430和第二聚光透镜440。第二照明部400基本上与上面描述的第一照明部300相同，因此将省略任何进一步的描述。

当在第一照明部300中第一光栅移动单元330顺序地移动第一光栅单元320N次且N个第一光栅图案光照射到测量目标10上时，图像拍摄部200可顺序地接收被测量目标10反射的N个第一光栅图案光并拍摄N个第一图案图像。此外，当在第二照明部400中第二光栅移动单元430顺序地移动第二光栅单元420N次且N个第二光栅图案光照射到测量目标10上时，图像拍摄部200可顺序地接收被测量目标10反射的N个第二光栅图案光并拍摄N个第二图案图像。“N”是自然数，例如可以是4。

在示例性实施例中，第一照明部300和第二照明部400被描述为产生第一光栅图案光和第二光栅图案光的照明设备。可选择地，照明部可以多于或等于三个。换句话说，光栅图案光可以以各种方向照射到测量目标10上，并可拍摄各种图案图像。例如，当三个照明部设置成等边三角形的形状并且图像拍摄部200为等边三角形形状的中心时，三束光栅图案光可以以不同的方向照射到测量目标10上。例如，当四个照明部设置成正方形的形状并且图像拍摄部200为正方形形状的中心时，四束光栅图案光可以以不同的方向照射到测量目标10上。

图像获取部500电连接到图像拍摄部200的照相机210，以从照相机210获取图案图像并存储所获取的图案图像。例如，图像获取部500可包括成像系统，该成像系统接收照相机210中拍摄的N个第一图案图像和N个第二图案图像并且存储这些图像。

模块控制部600电连接到测量台部100、图像拍摄部200、第一照明部300和第二照明部400，以控制测量台部100、图像拍摄部200、第一照明部300和第二照明部400。模块控制部600可包括例如照明控制器、光栅控制器和台控制器。照明控制器控制第一光源单元310和第二光源单元410以产生光，光栅控制器控制第一光栅移动单元330和第二光栅移动单元430以移动第一光栅单元320和第二光栅单元420。台控制器控制台移动单元120使台110以上下运动和左右运动的方式移动。

中央控制部700电连接到图像获取部500和模块控制部600，以控制图像获取部500和模块控制部600。具体地说，中央控制部700从图像获取部500的成像系统接收N个第一图案图像和N个第二图案图像以处理所述图像，从而可测得测量目标的三维形状。此外，中央控制部700可控制模块控制部600的照明控制器、光栅控制器和台控制器。因此，中央控制部可包括图像处理板、控制板和接口板。

以下，将详细描述通过使用上面描述的三维形状测量设备来测量形成在印刷电路板上的测量目标10的方法。将采用焊料作为测量目标10的示例来描述。

图7是示出了通过图6中的照射到测量目标上的光栅图案光所得的光栅图案图像的平面图。

参照图6和图7，当来自多个照明部之一的光栅图案光照射到测量目标10上时，在测量目标10上形成光栅图案图像。光栅图案图像包括多个光栅图案，在本实施例中，将光栅图案之间的间隔(即，光栅栅距(grating pitch))定义为测量范围λ。

测量范围λ可以相同而与光栅图案光的分类(sort)无关，但可选择地，测量范围λ可以根据光栅图案光的分类而互不相同。测量范围λ可以根据光栅图案光的分类具有至少两个值。例如，通过第一照明部300产生的第一光栅图案光所得的光栅图案图像可以具有第一测量范围的光栅图案，通过第二照明部400产生的第二光栅图案光所得的光栅图案图像可以具有不同于第一测量范围的第二测量范围的光栅图案。

图8是示出了当从右侧将光栅图案光照射到测量目标上时在照相机中测量到的图像的平面图。图9是示出了当从左侧将光栅图案光照射到测量目标上时在照相机中测量到的图像的平面图。在图8和图9的图像中，只是示出了相对于亮度的相对量，因而省略了光栅图案。

参照图6、图8和图9，当来自多个照明部之一的光栅图案光照射到测量目标10上时，在照相机210中拍摄的图像可以包括相对暗的阴影区域和相对亮的饱和区域。

例如，如图8所示，当从右侧将光栅图案光照射到测量目标10上时，通常在测量目标10的右部形成饱和区域，而在测量目标10的左部形成阴影区域。相反，如图9所示，当从左侧将光栅图案光照射到测量目标10上时，通常在测量目标10的左部形成饱和区域，而在测量目标10的右部形成阴影区域。

在下文中，再次参照图6至图8将基于上述的解释来描述根据本实施例的测量三维形状的方法。

首先，将在多个方向产生的光栅图案光顺序地照射到设置在台110上的测量目标10上，在照相机210中顺序地检测被测量目标10反射的光栅图案光，以获取多个图案图像。

具体地讲，将每个光栅图案光移动到一边并将每个光栅图案光照射到测量目标10上N次(例如，三次或四次)，以在每个方向获取测量目标10的N个图案图像。例如，如图6所示，当第一照明部300产生的第一光栅图案光和第二照明部400产生的第二光栅图案光照射到测量目标10上时，可以获取N个第一图案图像和N个第二图案图像。

然后，相对于每个方向从N个图案图像提取如图7所示的测量范围λ和X-Y坐标系中每个位置{i(x，y)}的N个亮度程度(brightness degree){Iⁱ ₁，Iⁱ ₂，...，Iⁱ _N}。然后，从N个亮度程度计算相对于每个方向的相位{P_i(x，y)}、亮度{A_i(x，y)}和可见度{V_i(x，y)}。可以利用N级桶算法来计算相对于每个方向的相位{P_i(x，y)}、亮度{A_i(x，y)}和可见度{V_i(x，y)}。此外，亮度{A_i(x，y)}可以是通过对检测到的光栅图案光取平均而得到的平均亮度。因此，将在下文中将亮度{A_i(x，y)}称为“平均亮度{A_i(x，y)}”。

例如，当N为3时，相对于每个方向从三个图案图像提取三个亮度程度{Iⁱ ₁，Iⁱ ₂，Iⁱ ₃}，可以通过3级桶算法将相位{P_i(x，y)}、平均亮度{A_i(x，y)}和可见度{V_i(x，y)}计算为如下面的等式所示。在下面的等式中，B_i(x，y)表示相对于每个方向的三个图案图像中的图像信号(亮度信号)的幅值，Iⁱ ₁对应于

Iⁱ ₂对应于Iⁱ ₃对应于

$P_i(x,y)={\tan }^{-1}\frac{\sqrt{3}(I_3^i-I_2^i)}{2I_1^i-I_2^i-I_3^i}$

$A_i(x,y)=\frac{I_1^i+I_2^i+I_3^i}{3}$

$V_i(x,y)=\frac{B_i}{A_i}=\frac{\sqrt{{(2I_1^i-I_2^i-I_3^i)}^2+3{(I_2^i-I_3^i)}^2}}{(I_1^i+I_2^i+I_3^i)}$

相反，例如，当N为4时，相对于每个方向从四个图案图像提取四个亮度程度{Iⁱ ₁，Iⁱ ₂，Iⁱ ₃，Iⁱ ₄}，可以通过4级桶算法将相位{P_i(x，y)}、平均亮度{A_i(x，y)}和可见度{V_i(x，y)}计算为如下面的等式所示。在下面的等式中，B_i(x，y)表示相对于每个方向的四个图案图像中的图像信号(亮度信号)的幅值，Iⁱ ₁对应于

Iⁱ ₂对应于

Iⁱ ₃对应于

Iⁱ _，4对应于

$P_i(x,y)={\tan }^{-1}\frac{I_4^i-I_2^i}{I_1^i-I_3^i}$

$A_i(x,y)=\frac{I_1^i+I_2^i+I_3^i+I_4^i}{4}$

$V_i(x,y)=\frac{B_i}{A_i}=\frac{2\sqrt{{\left(I_1^i-I_3^i\right)}^2+{(I_2^i-I_4^i)}^2}}{(I_1^i+I_2^i+I_3^i+I_4^i)}$

在示例性实施例中，可以计算出信噪比(SNR)，并且信噪比(SNR)可以代替可见度{V_i(x，y)}或者与可见度{V_i(x，y)}一起使用。SNR表示相对于每个方向的N个图案图像中的图像信号S与噪声信号的比(S/N)。

此后，通过下面的等式由相对于每个方向的相位{P_i(x，y)}计算出相对于每个方向的高度{H_i(x，y)}。在下面的等式中，k_i(x，y)是相位-高度的换算比例尺，是指相位与高度之间的换算比。

H_i(x，y)＝k_i(x，y)·P_i(x，y)

利用平均亮度{A_i(x，y)}、可见度{V_i(x，y)}和测量范围λ中的至少一个来计算出相对于每个方向的高度{H_i(x，y)}。可以通过具有例如平均亮度{A_i(x，y)}、可见度{V_i(x，y)}和测量范围λ的参数的加权函数{f(A_i，V_i，λ)}获得如下的相对于每个方向的高度加权{W_i(x，y)}。所有方向上的高度加权之和可以是1{∑W_i(x，y)＝1}。

W_i(x，y)＝f(A_i，V_i，λ)

然后，将相对于每个方向的高度{H_i(x，y)}与相对于每个方向的高度加权{W_i(x，y)}相乘，以计算出相对于每个方向的加权高度{W_i(x，y)×H_i(x，y)}。然后，对所有方向上的加权高度求和，并将该和除以高度加权之和{∑W_i(x，y)}，以计算出在每个位置的高度{∑[W_i(x，y)×H_i(x，y)]/∑W_i(x，y)}。

然后，可以通过将根据如上计算的位置的高度相组合对测量目标10的三维形状进行精确的测量。

在下文中，将详细地描述相对于每个方向的高度加权{W_i(x，y)}与加权函数{f(A_i，V_i，λ)}的特性(即，平均亮度{A_i(x，y)}、可见度{V_i(x，y)}或SNR和测量范围λ)之间的关系。

图10是示出了照相机中测量的图案图像的平均亮度与加权之间的关系的曲线图。

参照图10，首先，当平均亮度{A_i(x，y)}从预先设定的预定值增大或减小时，加权函数{f(A_i，V_i，λ)}会对高度加权{W_i(x，y)}起作用而减小。换句话说，当平均亮度{A_i(x，y)}具有预定值时，高度加权{W_i(x，y)}具有相对最大的值；随着平均亮度{A_i(x，y)}变得远离所述预定值，高度加权{W_i(x，y)}会减小。当利用样本石(specimen stone)确定三维条件时可以设定预定值，或者可以由用户任意设定预定值。然而，预定值可以优选地为平均值，即，平均亮度{A_i(x，y)}的中值。

图11是示出了照相机中测量的图案图像的可见度或SNR与加权之间的关系的曲线图。

然后，参照图11，当可见度{V_i(x，y)}或SNR增大时，加权函数{f(A_i，V_i，λ)}会对高度加权起作用而增大。换句话说，随着可见度{V_i(x，y)}或SNR缓慢增大，高度加权{W_i(x，y)}也会缓慢增大。

图12是示出了照相机中测量的图案图像的测量范围与加权之间的关系的曲线图。

然后，参照图12，当测量范围λ增大时，加权函数{f(A_i，V_i，λ)}会对高度加权{W_i(x，y)}起作用而减小。换句话说，随着测量范围λ缓慢增大，高度加权{W_i(x，y)}会缓慢减小。

再次参照图7、图10和图11，相对于每个方向的N个图案图像划分为阴影区域、饱和区域和不饱和区域，并且可以根据每个区域指定不同的高度加权{W_i(x，y)}。在阴影区域中，平均亮度{A_i(x，y)}低于最小亮度A1，可见度{V_i(x，y)}或SNR低于最小基准值Vmin。在饱和区域中，平均亮度{A_i(x，y)}大于最大亮度A2，可见度或SNR低于最小基准值Vmin。不饱和区域对应于除了阴影区域和饱和区域之外的剩余区域。

首先，在阴影区域和饱和区域中，认为加权函数{f(A_i，V_i，λ)}为“0”，从而获得高度加权{W_i(x，y)}。换句话说，在阴影区域和饱和区域中，高度加权{W_i(x，y)}被确定为“0”。

接着，在不饱和区域中，如图10和图12所示，当平均亮度{A_i(x，y)}从中值增大或减小时，加权函数{f(A_i，V_i，λ)}可以使高度加权{W_i(x，y)}减小；当可见度{V_i(x，y)}或SNR增大时，加权函数{f(A_i，V_i，λ)}可以使高度加权{W_i(x，y)}增大；当测量范围λ增大时，加权函数{f(A_i，V_i，λ)}可以使高度加权{W_i(x，y)}减小。

相反，在不饱和区域中，可以认为加权函数{f(A_i，V_i，λ)}相同，以获得高度加权{W_i(x，y)}。例如，当在不饱和区域中相对于四个方向的高度加权称为第一高度加权W₁、第二高度加权W₂、第三高度加权W₃和第四高度加权W₄时，第一高度加权W₁、第二高度加权W₂、第三高度加权W₃和第四高度加权W4全部都可以被确定为“1/4”。

根据本实施例，从在每个方向上拍摄的N个图案图像提取平均亮度{A_i(x，y)}、可见度{V_i(x，y)}或SNR及测量范围λ，根据提取结果来确定高度加权{W_i(x，y)}，从而根据测量目标10在所有区域中的每个位置来精确地测量高度。

特别是，相对于每个方向的N个图案图像划分为阴影区域、饱和区域和不饱和区域，根据每个区域来指定不同的高度加权{W_i(x，y)}，从而防止了阴影区域和饱和区域中对于高度的可靠性的降低。换句说，在阴影区域和饱和区域中将高度加权{W_i(x，y)}指定为相对小的值(例如，“0”)，并且在不饱和区域中将高度加权{W_i(x，y)}指定为相对大的值，从而补偿了由阴影区域和饱和区域带来的不利影响而对测量目标的三维形状进行更精确地测量。

对于本领域技术人员明显的是，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可以在本发明中做出各种修改和变形。因此，本发明意图覆盖本发明的修改和变形，只要这些修改和变形在权利要求书及其等同物的范围内。

Claims (21)

1.一种形状测量设备，所述形状测量设备包括：

工作台，支撑目标基底；

图案投影部，包括光源、光栅部件和投影透镜部件，光栅部件透射和阻挡由光源产生的光以产生光栅图像，投影透镜部件在目标基底的测量目标上生成光栅的像；

图像捕获部，捕获被目标基底的测量目标反射的光栅图像；

控制部，控制工作台、图案投影部和图像捕获部，计算与测量目标对应的光栅图像的可靠性指数和光栅图像的相位，并利用所述可靠性指数和所述相位检查测量目标。

2.如权利要求1所述的形状测量设备，其中，当焊盘为测量目标时，形状测量设备通过所述可靠性指数检查焊盘的表面。

3.如权利要求2所述的形状测量设备，其中，焊盘将要电连接到外部装置。

4.如权利要求2所述的形状测量设备，其中，所述可靠性指数是强度、可见度和信噪比中的至少一种。

5.如权利要求2所述的形状测量设备，其中，当所述可靠性指数不在设定值范围内时，控制部确定焊盘为不良。

6.如权利要求5所述的形状测量设备，所述形状测量设备还包括辅助光源，用于检查目标基底的测量目标，

其中，当辅助光源产生的光被焊盘反射并且被图像捕获部捕获而形成二维图像时，控制部确定焊盘为不良，并且即使可靠性指数表明焊盘为良，在二维图像中焊盘也被确定为不良。

7.一种形状测量方法，所述形状测量方法包括以下步骤：

在使光栅移动特定次数的同时，获取被测量目标反射的光栅图像；

利用光栅图像获取光栅图像的可靠性指数，所述可靠性指数包括强度、可见度和信噪比中的至少一种；

如果电连接到外部装置的焊盘为测量目标，则当所述可靠性指数在设定值范围内时确定焊盘为良，而当所述可靠性指数不在设定值范围内时确定焊盘为不良。

8.一种测量三维形状的方法，所述方法包括以下步骤：

在改变每个光栅图案光N次的同时在多个方向上将光栅图案光照射到测量目标上，并检测被测量目标反射的光栅图案光，以获取测量目标的相对于每个方向的N个图案图像；

从图案图像提取与X-Y坐标系中的每个位置对应的相对于每个方向的相位和亮度；

利用采用亮度作为参数的加权函数提取相对于每个方向的高度加权；

利用基于相对于每个方向的相位的高度与高度加权来计算相对于每个方向的加权高度，并对加权高度进行求和，以得到每个位置的高度。

9.如权利要求8所述的方法，其中，亮度对应于通过对检测到的光栅图案光求平均获得的平均亮度。

10.如权利要求9所述的方法，其中，加权函数还采用从相对于每个方向的图案图像提取的相对于每个方向的可见度和信噪比中的至少一种作为参数。

11.如权利要求10所述的方法，其中，加权函数还采用从相对于每个方向的图案图像提取的每个光栅图案光的与光栅栅距对应的测量范围作为参数。

12.如权利要求11所述的方法，其中，测量范围根据光栅图案光具有至少两个值。

13.如权利要求10所述的方法，其中，随着平均亮度从预定值增大或减小，加权函数使高度加权减小。

14.如权利要求13所述的方法，其中，所述预定值为平均亮度的中值。

15.如权利要求10所述的方法，其中，随着可见度或信噪比增大，加权函数使高度加权增大。

16.如权利要求10所述的方法，其中，随着测量范围增大，加权函数使高度加权减小。

17.如权利要求10所述的方法，其中，提取相对于每个方向的高度加权的步骤包括将图案图像划分为阴影区域、饱和区域和不饱和区域，

其中，阴影区域对应于平均亮度低于最小亮度且可见度或信噪比低于最小基准值的区域，

饱和区域对应于平均亮度高于最大亮度且可见度或信噪比低于最小基准值的区域，

不饱和区域对应于除了阴影区域和饱和区域之外的剩余区域。

18.如权利要求17所述的方法，其中，加权函数被认为是“0”以获得阴影区域和饱和区域的高度加权。

19.如权利要求18所述的方法，其中，与不饱和区域对应的加权函数使高度加权随着平均亮度从平均亮度的中值增大或减小而减小，使高度加权随着可见度或信噪比的增大而增大，使高度加权随着测量范围的增大而减小。

20.如权利要求8所述的方法，其中，高度加权的和等于1。

21.一种测量三维形状的方法，所述方法包括以下步骤：

在改变每个光栅图案光N次的同时在多个方向上将光栅图案光照射到测量目标上，并检测被测量目标反射的光栅图案光，以获取测量目标的相对于每个方向的N个图案图像；

从图案图像提取与X-Y坐标系中的每个位置对应的相对于每个方向的相位和可见度；

利用采用可见度作为参数的加权函数提取相对于每个方向的高度加权；

通过将基于相位的高度与高度加权相乘来计算相对于每个方向的加权高度，并对加权高度进行求和，以得到每个位置的高度。

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