（测试计量技术及仪器专业论文）锡膏三维测量系统的研究.pdf

摘要 s m t ( s u r f a c em o u n t i n gt e c h n o l o g y ) 贴装的质量很大程度上依赖于锡膏印刷 质量，锡膏的印刷质量将直接影响元器件的焊接质量。例如，锡膏缺失将导致元 器件开焊，锡膏桥接将导致焊接短路，锡膏坍塌将导致元器件虚焊等故障。锡膏 的厚度又是判断焊点质量及其可靠性的一个重要指标。在实际生产过程巾，通过 印刷机印刷的时候，锡膏的表面并非是平整的，而且印刷过程中还存在很多不可 控因素。因此，3 d 锡膏测试技术产生并用于锡膏质量的测试。其测量的结果具 有较好代表性和稳定性，这是因为该技术在测量的时候取的是单位扫描面积内的 多组数据的平均值来代表锡膏厚度。 目前，国内p c b ( p r i n t e dc i r c l eb o a r d ) 制板厂使用的锡膏3 d 测试仪器主要 依靠进口，而进口设备的价格都比较昂贵，因此，研创自主知识产权的3 d 锡膏 测试设备，对于国内的p c b 制板业和i c 行业有着重大的意义。 本文研究的锡膏3 d 激光扫描测量系统基于的是激光视觉测量原理，采用扫 描方式对锡膏进行测量得到其3 d 数据，对这些数据进行处理即可得到其精确厚 度信息，以及长宽等三维形貌。该技术的应用能更好地节约半导体生产成本和提 高芯片贴装的可靠性。 本文研究了系统的测量方法和数学模型。设计了锡膏3 d 激光扫描测量系统， 主要由线结构光激光器、c c d 摄像机、图像采集卡和电控精密平移台组成。研 究了相关图像处理方法、利用主元素分析法确定测量基准面的方法以及锡膏信息 提取方法。并根据合作方要求编写了测量软件。 在实验验证系统重复性精度的过程中，使用了长宽为l m m ，高度为0 2 1 3 m m ， 精度为l g m 的标准件反复测量十次，测量结果的平均值为0 2 l3 2m m ，标准差为 0 8 # m 。实验系统还在p c b 生产厂上进行了大量实际测量，对各种封装类型的锡 膏进行了测量，例如b g a 和q f p 的锡膏。实验结果表明该系统操作简单、稳定 可靠。 关键词：视觉测量，激光扫描，锡膏厚度，主元素分析法 a b s t r a c t i ns m t ( s u r f a c em o u n t i n gt e c h n o l o g y ) p r o c e s s ，c h i pm o u n t i n gq u a l i t yi sl a r g e l y d e p e n d e do ns o l d e rp a s t ep r i n t i n gq u a l i t y f o ri n s t a n c e ，l a c ko fs o l d e rp a s t ew o u l d r e s u l ti no p e ns o l d e r i n g ，s o l d e rb r i d g ew o u l dr e s u l ti ns h o r t c i r c u i t i n g ，c o l l a p s eo f s o l d e rp a s t ew o u l dr e s u l ti np s e u d os o l d e r i n g a n ds o l d e rp a s t et h i c k n e s si so n eo ft h e m o s ti m p o r t a n ti n d i c a t o r st oj u d g et h eq u a l i t ya n dr e l i a b i l i t yo fs o l d e rj o i n t i nt h e a c t u a lp r o d u c t i o n ，f o rm a n yu n c o n t r o l l a b l ef a c t o r si nt h ep r i n t i n gp r o c e s s ，t h e s u r f a c e so fs o l d e rp a s t e sa r en o tf i a t i nt h i sc a s e ，3 dt e s t i n gt e c h n i q u eo fs o l d e rp a s t e t h i c k n e s si si n v e n t e d a n di t sm e a s u r i n gr e s u l t sa r em o r er e p r e s e n t a t i v ea n ds t a b l e ， b e c a u s eo ft h et e c h n i q u ew h i c hu s e st h ea v e r a g eh e i g h to fm u l t i g r o u pd a t ai n s c a n n i n ga r e at or e p r e s e n tt h eh e i g h to f t h es o l d e rp a s t e u s e db ym o s td o m e s t i cp c b ( p r i n t e dc i r c l eb o a r d ) p l a n tm a n u f a c t u r e r s ，3 d m e a s u r e m e n ts y s t e m so fs o l d e rp a s t er e l yo ni m p o r t sp r e s e n t l y b u tt h ei m p o r t e d e q u i p m e n t sa r em o r ee x p e n s i v e s ot h a t ，d e v e l o p i n g3 dm e a s u r e m e n ts y s t e m so f s o l d e rp a s t ew i t hi n d e p e n d e n ti n t e l l e c t u a lp r o p e r t yi sm e a n i n g f u lt od o m e s t i cp c b p l a n tm a n u f a c t u r e r sa n di ci n d u s t r y i nt h i sp a p e l3 dl a s e rm e a s u r e m e n tt e c h n i q u eo fs o l d e rp a s t e ，w h i c hi sb a s e do n l a s e rv i s i o ns u r v e yp r i n c i p l e ，a d o p t ss c a n n i n gm e a s u r e m e n tm o d et og a t h e rt h e3 d d a t ao fo fs o l d e rp a s t e s b ys o l v i n gt h ed a t a ，p r e c i s eh e i g h ta n d3 da p p e a r a n c eo f s o l d e rp a s t e s ，s u c ha st h ew i d t ha n dl e n g t ho fs o l d e rp a s t e s ，a r eo b t a i n e d t h e a p p l i c a t i o n o ft h e t e c h n i q u e w o u l dr a t h e rb ep r o p i t i o u st oe c o n o m i z et h e s e m i c o n d u c t o rm a n u f a c t u r ec o s t sa n dt oi m p r o v et h er e l i a b i l i t yo fc h i pm o u n t i n g t h em e a s u r i n gm e t h o do f3 dl a s e rm e a s u r e m e n ts y s t e mo fs o l d e rp a s t ei ss t u d i e d a n dt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h es y s t e mi sb u i l t t h es t r u c t u r eo ft h es y s t e mi s d e s i g n e d t h em a i nc o m p o n e n t sa r el i n e s t r u c t u r e dl a s e lc c dc a m e r a ，f r a m eg r a b b e r a n de l e c t r i cc o n t r o lp r e c i s i o nt r a n s l a t i o ns t a g e r e l a t e di m a g ep r o c e s s i n gm e t h o d ，t h e d e f i n i t i o no fd a t u mp l a n eu s i n gp r i n c i p l ec o m p o n e n t sa n a l y s i s ( p c a ) ，a n da l s ot h e m e a s u r i n gm e t h o do ft h r e e d i m e n s i o no fs o l d e rp a s t e s a r es t u d i e d t h em e a s u r i n g s o f t w a r ei sp r o g r a m m e d ，a c c o r d i n gt ot h ec o l l a b o r a t o r sr e q u e s t i nt h ee x p e r i m e n t a lp r o c e s s as t a n d a r dp a r tw i t hlm ma st h ew i d t ha n dl e n g t h ， 0 213 m ma st h eh e i g h t a n di p ma st h ea c c u r a c yw a sm e a s u r e dt e nt i m e s t h ea v e r a g e o ft h em e a s u r i n gr e s u l ti s0 213 2 m m a n dt h es t a n d a r dd e v i a t i o ni s0 8 “卅t h es y s t e m a l s od i dal o to fm e a s u r e m e n to nv a r i o u st y p e so fs o l d e rp a s t ep a c k a g ei np c b m a n u f a c t u r ef a c t o r y , s u c ha sb g aa n dq f p e x p e r i m e n t a lr e s u l t sp r o v et h a tt h e s y s t e mi sam o r ee a s i l yo p e r a t e dd e v i c ew i t hh i g hp e r f o r m a n c e k e yw o r d s ：v i s i o nm e a s u r e m e n t ，l a s e rs c a n n i n g ，s o l d e rp a s t e sh e i g h t ，p c a 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特另, j j n 以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨盗盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：友j 绷 签字日期： z p 0 7 年夕月净日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨奎盘茎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫壅太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 切纸 签字日期：加移年岁月砑日 聊签名：山 签亨日期莎7 年厂月夕。日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 三维测量技术是近年来几何量测量技术中的重点研究领域，该技术以获取被 测物体三维轮廓数据为目的，主要包括数据测量与数据后续处理。伴随着光电传 感器件以及计算机技术的日趋成熟，三维测量技术得到了不断丰富和发展，越来 越广泛的应用对该技术的发展也提出了更新的要求，同时催化了一些相关技术领 域的发展，如摄像机标定技术，图像工程，数据补偿技术，颜色渲染技术，测量 视角自动选择技术等等。 三维测量技术的实质为坐标测量技术，物体形貌信息是用一系列点数据坐标 o ，y ，z ) 来表达。在光学测量技术还未得到广泛应用的阶段，三维测量主要是靠坐 标测量机来完成( 1 】，通过探针逐点接触物体表面，将对应的坐标测量机三轴的坐 标数据记录下来，便获得了三维数据伍，y ，z ) 。这种方式被称为接触式三维测量， 精度较高，但测量速度慢，并且要求被测物体的表面刚度不能太低。 近年来，随着光电传感技术、信息技术、以及计算机技术的迅猛发展，出现 了以光作为信息传递载体的各种光学三维测量技术，实现了非接触式测量。相比 接触式测量，测量速度明显提高，并且对被测物体的刚性无任何要求，所基于的 原理和方式也各不相同，由于光学测量技术的飞速发展，也推动了三维测量技术 在很多新领域的应用。目前，现有的应用较为成熟，并且应用广泛的三维测量技 术如下： 1 立体摄影法 人类视觉之所以为立体，是由于左、右两只眼睛与观察物的成角略有差异， 形成两个稍不同的影像，再经过大脑的精细综合，形成有长、宽、高度的立体像。 立体摄影法就是根据人体双目视觉的原理【2 训，从两个不同的角度同步摄取被测 物，然后使用二维平面图像进行三维重构。该方法运用解析几何原理，利用两台 相对位置固定的摄像机与被测物体构成三角形，目标点分别在两像面成像，分别 提取左右像面成像点的像素坐标，利用两摄像机的视差关系进行立体匹配运算， 反求出目标点的空间坐标。这种方法多应用于航空测量、机器人的视觉系统中。 但针对本项目不仅由于两个摄像机的成本较高，而且双目的标定和测量运算都较 为复杂，因此没有采用此方法。 2 结构化光照法( 又称密栅云纹法、莫尔云纹法) p 击j 第一章绪论 两组相互重叠的栅线，在光的干涉下将产生明暗相问的条纹，称为云纹或莫 尔云纹。人们很早就发现这一现象，但将其作为一种测量方法，应用于物体形态、 轮廓和位移的量测，却只有几十年的历史。 所谓结构光就是具有一定特性的光源，主要有单条光栅和密棚两种形式。单 条结构光的测量原理与线状激光扫描方法相同只是光源不同。密栅云纹法是近 年来的研究热点之一，它包括面外云纹法和光栅投影相位法。 面外云纹法是将密栅结构光投射到被测物表面，由于物体高度信息的调制而 使栅线发生畸变，畸变的栅线与基准栅线干涉得到云纹图，即被测物表面的等高 线，对此云纹图进行处理就可获得高度信息。换言之，面外云纹的基本原理是： 光透过基准光栅照射在物体表面，形成变形光栅，改变形光栅与基准光栅间产生 干涉条纹，即反映物体表面凸凹信息的云纹等高线，利用摄影机获取云纹图，供 测量分析。 与面外云纹法不同，光栅投影相位法不进行光学干涉，而是直接利用被调制 栅线的相位畸变信息得到物体的三维信息。它采用数学的方法解调相位。这样就 避免了提取云纹中心线、确定云纹级数等过程，而且可以自动判别物体的凸凹性， 因此图象处理宜于实现自动化、具有较高的精度和灵敏。 在上述方法中光栅投影相位法较为常用，大多用于非接触、全场三维轮廓测 量，例如人脸三维数据测量 7 1 。其优点是速度快，测量范围大，成本低；缺点是 只能测量起伏不大的较平坦的曲面，曲面变化剧烈的地方，会出现大的偏差，测 量精度较低【8 】。锡膏边缘对于电路板的梯度较大，尺寸微小，且测量要求一般是 局部测量电路板上某部分的锡膏，测量范围小。因此该方法对于锡膏的三维测量 的要求不是很适用，本系统未选用。 3 激光扫描法1 】 该方法以某种方式投射激光于被测表面，与物体表面相交产生光条或光点， c c d 拍摄图像，提取光点的像素坐标，通过标定确定结构光在世界坐标系下的空 间位置方程，以世界坐标系与摄像机坐标系的转换关系，便可以计算出光点在世 界坐标系下的坐标。结构光投射于物体表面产生的亮条或亮点图像比较清晰，有 利于准确提取像素坐标。扫描方式是指被测物件或者传感器部分沿一个方向运 动，使激光线依次照射到全部被测物件的方式。因此，该方法具有较高的测量精 度和较为全面的测量结果。目前许多工业三维测量研究中较为成功的三维传感器 大多基于线结构光扫描测量，大到无缝钢管的直线度检测【l2 1 ，d 至i j b g a 芯片管 脚的检测【1 3 l 。本文研究的锡膏三维测量系统采用了激光扫描法。 2 第一章绪论 1 2 锡膏检测系统国内外发展现状 自2 0 世纪8 0 年代以来，随着电子技术的迅速发展，电子产品日趋复杂，贴 片元器件向精细化发展，表面安装器件本身的体积也越来越小，引脚和走线越来 越密，使组件板尺寸越来越小，同时，产品的焊接技术也发生了新的变化。因此， 焊接质量已成为产品质量的关键因素，焊接质量的检测越来越重要，也越来越复 挚【1 4 j 、o 焊点可靠性是焊接质量的关键，而影响焊点可靠性的一个重要因素就是锡膏 印刷的质量。锡膏印刷流程是表面贴装技术( s m t , s u r f a c em o u n t i n gt e c h n o l o g y ) 的初始环节，这期间会产生很多缺陷已经是一个不争的事实，大约6 0 7 0 的 缺陷都出现在这个阶段，一些刊物和公司甚至指出这类缺陷的数量已占总缺陷数 量的8 0 f ”j 。在生产中，锡膏的印刷质量将直接影响元器件的焊接质量。例如， 锡膏缺失将导致元器件开焊，锡膏桥接将导致焊接短路，锡膏坍塌将导致元器件 虚焊等故障。形成这些缺陷的原因包括锡膏流变性不良、模板厚度和孔壁加工不 当、印刷机参数设定不合理、精度不高、刮刀材质和硬度选择不当、p c b 加工不 良等。评定锡膏印刷质量及其可靠性的重要指标主要包括锡膏的平均厚度，长宽， 面积，体积等。 目前，锡膏印刷质量检测系统主要有锡膏印刷自动检测系统( a o i ，a u t o m a t e d o p t i c a li n s p e c t i o n ) 和锡膏检测系统( s p i ，s o l d e rp a s t ei n s p e c t i o n ) 。 图1 - 1 锡膏印刷自动检测系统组成 扳 锡膏印刷自动检测系统( a o i ) 基本构成如图1 1 所示。主要组成部分为摄像机 与光纤维x 吵工作台系统。奶桌面安装摄像机，环状光纤维极吵方向移动，采 集p c b 整体的图像来进行检测。锡膏印刷过程中，在模板与印席0 电路紧贴的状态 第章绪论 f ，由剐扳的移动将焊商胜八模板r f l ，这时的锡膏的厚度与模板的厚度丰开近。p c b 离圩模扳时，锡舟的边缘形状发生变化，焊膏自动检测系统利用环状光纤维与环 状反射扳将倾斜的光照射到焊青e ，摄像头从环状光纤维的正方摄像，测焊膏 的边缘部分算焊膏的高度。这是一种把形状转化为光的变化进行判定的检测方 法。任j e 常印刷的场合，边缘部分会产生一些隆起这个部分有耐从斜面投射过 来的光发牛强烈的反射的特点。该榆测方法利用焊青边缘部分反射吲来的光线强 度进行焊肯桥接与焊青环状等现象判定，而由斜面照射回来的p c b 表面的光将 呈现暗淡的画像【i “，日前，f f _ 场上较为成熟的a o i 产品主要肯美崮安捷伦公司的 s j 5 0 年玎奥宝科技( 佝s y m b i o nt mp 3 6 锡青检羽u a o i 系统，入图i 一2 所示。 l i a o i 对测试条件要求较高而a 对于中小型p c b 板生产商来| 兑a o i i 对成本较高。 _一- i 巷j 篱茗 o o 娜 图1 2 市场上主要的锡膏检测a o i 产品 a ) 安捷伦公司的s j 5 0 ( b ) 奥宝科技的s y m b i o n t m 在半导体尤钎化标准被提山之后，半导体制造技术面临着前所未有的挑战， s p i 设番的地位也将越来越重要i t s - t 6 l 。锡膏检测系统( s p i ) 主要分为二维( 2 d ) 和三 维( 3 d ) 榆测两种，2 d 锡膏厚度浸l 试一般是通过钨丝光源或激光照射在持测锡青 上，形成_ 条被锡青形貌调制的光线。在2 d 图像坐标下，以j ! ! 射在p c b 板的 光条点拟合直线，该直线作为测量基准，求取锡青上的备光桀点到该基准直线的 2 d 图像距离并取其平均值l ，根据三角法原理利用2 d 图像距离l 换算h 锡膏的 高度h h = l t a n 口，如图1 3 所示。 第章绪论 鬣篓纛习 旦兰雹 圈1 - 3 市场 l ：要的2 d 锡膏检测产品 a ) h s 2 0 0 0 锡青测厚仪：( b ) z - c h e c k 6 0 0 锝拜测 但是在实际的生产过程巾通过印刷机印刷的时候，锡膏的表面并非是平整 的而且印刷过程中还存在很多不可 宅因索，如锡料的锡球球径井不是固定的。 因此。2 d 锡膏厚度测试并不能真实全面地评价锡膏的质量。随着制造过程要求 的不断提高，锡膏3 d 湖l j 试技术产生并用于解决2 d 平面测试无法处理的问题。锡 膏3 d 测量技术采用激光的扫描的方法获得锡膏每个点的3 d 数据，这样我们可以 通过成百e 千条线而不是一条线来判断锡膏的印刷品质。该技术能够楮确的获取 锡膏的三维信息，从而可以对日j 刷质量进行较好的控制。经大量事实证实锡裔 3 d 钡i j 鼍具有更高的可靠性，尤其对干锡膏质量要求较高的接密间距装置更加适 用【l i 。目前市场r 主要的锡膏3 d 测量产品有加拿大a c e f i s 一3 d 公司的 a i 8 3 5 s p i t s 、美国的l a s c a n 公司l 3 0 0 0 1 “i 、韩i g p a r m i 公司的s p l 2 5 0 0 口”和韩 田3 d m a s t e r3 0 0 0 锡膏测试仪器，如舟j 3 所示。 溢专， 翻& 图1 4 市场上主要的3 d 锡青检测产品 a ) a 1 8 3 5 s p ：( b ) l 3 肿0 ：( c ) s p l 2 5 0 0 ( d ) 3 d m a s t e r3 0 0 0 1 3 本课题研究意义及主要内容 3 d 锡膏检测设备是一种用在表面封装( s m t ) 之前的设备。采川无铅化标准之 后，这种设备的地位显得越来越雨要。锡青的质量很人程度上决定了贴装后的质 量，3 d 锡膏检测设备韵使j j 将有助于减少印刷流程中产生的焊点缺陷，而且可 通过最低的返工( 如清洗电路板) 成本来减少废品带来的损失，另外一个好处是 焊点的可靠性将得到保证。因此国内越来越多的p c b 制板厂会关注这类最备。 现在，国内的p c b 制板厂使用的设各还主要依靠进口，进口设备价格都很昂贵。 因此，拥有自主知识产权的3 d 锡膏测试设备，对于国内的p c b 制板业和i c 行 业有着重大的意义。 本谍题受教育部“新世纪优秀人才支持汁划”资助井与深圳隆威自动化技 术有限公司合作扦发的一个项甘。研究的主要内容如f ： l 设计了系统的总体结构方案，并建立r 一套基于线结构光扫描测量原理 的3 d 锡膏测量系统。 2研究了测量基准面的确定方法，以及锡膏信息( 包括平均高度、长度、 宽度、而积和体积) 的提取疗法。 第一章绪沦 3 根据合作方的要求编写客户端软件，并根据实际情况，优化了相关的图 像处理方法。 4 在实验室条件下，使用标准块进行了重复性测量实验。在p c b 电路生 产现场，对不同封装的锡膏进行了实际测量，实验证明该系统稳定可靠。 7 第章锡膏三维测晕系统的测最原理及测最方法 第二章锡膏三维测量系统的测量原理及测量方法 结构光三维视觉方法的研究最早见于2 0 世纪7 0 年代。在诸多的视觉方法中， 结构光三维视觉以其较高精度、光条图像信息易于提取、实时性强及主动受控等 特点，近年来在工业环境中得到了广泛的应用。目前，结构光三维视觉的研究主 要集中在结构光投射模式、子( 亚) 像素级的光条中心提取和处理算法以及标定 方法等方面【2 1 - 2 2 1 。 本文所研究设计的测量系统正是采用结构光三维视觉方法，实现了对锡膏三 维尺寸的测量。本节将就锡膏三维测量系统的工作原理及其组成、系统数学模型 以及测量方法进行介绍。 2 1 锡膏三维测量系统的测量原理及其数学模型 2 1 1 测量原理 光学 图2 1 线结构光模式 在双目视觉中，当用光学投射器代替其中的一个摄像机时，光学投影器投射 出一定的光模式，对被测物体在空间的位置进行约束。同样可以获得被测物体上 点的空间坐标值，这样就形成了结构光三维视觉。 结构光三维视觉是基于光学三角法测量原理，如图2 1 所示。光学投射器以一 定模式的结构光投射于物体表面，在表面形成由被测物体表面形状所调制的光条 8 第二章锡膏三维测量系统的测龟原理及测景方法 三维图像。该三维图像又处于另一位置的摄像机探测范围巾，从而可利用摄像机 获得光条的二维畸变图像。当光学投射器与摄像机之间的相对位置一定时，由畸 变的二维光条图像坐标便可以重现物体表面的三维轮廓。由固定位置关系的光学 投射器、摄像机和计算机系统即构成了结构光三维视觉系统。 结构光三维视觉使用的结构光模式主要有点结构光模式、线结构光模式、多 线结构光模式以及网格结构光模式。本文研究的系统采用了线结构光模式。线结 构光模式又称为光带模式。如图2 1 所示，激光器投射的光束通过一柱面镜在空 间中形成激光平面，当与物体的表面相交时便在物体表面产生一亮的光条。该光 条由于物体表面高度变化而受到调制，在图像上产生正比于高度的变形。线结构 光视觉的任务就是从变形的光条图像信息中获取物体表面的三维信息。与点结构 光模式相比，线结构光模式测量的信息量大大地增加，而其实现复杂性并没有增 加，并且相对另外两种模式更为简单，因而得到了广泛的应用。 2 1 2 系统数学模型 线结构光三维视觉模型主要有解析几何模型和透视投影模型。解析几何模型 的基本原理是，已知激光器与摄像机光轴之间的夹角等参数，根据空问解析方法 求解被测特征的三维信息。该方法需要准确调整激光器或者摄像机的安装位置， 能够有限度的满足特殊场合的运用要求。以透视投影理论为基础的线结构光视觉 模型以摄像机内部参数、视觉系统结构参数或光平面方程为基础的检测模型，具 有广泛的适用性1 1 6 j 。 图2 - 2 测量系统数学模型 9 计算机图像 第_ 二章锡膏三维测量系统的测量原理及测量方法 求出： 茎 = 兰薹薹 耄 + 兰 = 兰薹 ( ) + 兰 c 2 一， k = 厂生 ， 匕= 兰 ( 2 _ 2 ) p 料0 | 1 t y c z c l ( 2 - 3 ) 这里厂是摄像机的有效焦距。 由式( 2 3 ) 知，齐坐标的引入，将物点到其像点的非线性映射转化为线性表 示，且用3 4 透视变换矩阵来描述，此坐标系转换模型即为摄像机的透视变换模 型，该模型是视觉测量系统最重要的模型之一。 3 理想图像坐标r ( 咒，l ) 和畸变图像坐标尸删击】，d ) 之间的关系为： 对于摄像机像平面，p 点经投影变换对应理想像点为r ，l ) ，由于存在镜 头畸变，实际像点为哪西y a ) 。 五= + 皿( 局，巧) ， 艺= 匕+ q ( 局，艺) ( 2 - 4 ) 玖和风是镜头畸变模型函数，用于校正由于畸变造成像点的位置误差，它们 通常包含以下几个分量： j 巩( 托，匕) = 印( 霸+ y a 2 ) + p 。( 3 躬+ 巧) + 2 p ：玛匕+ s 。( 霸+ 巧)r 2 - 5 、 【q ( ，艺) = k p - 匕( 霹+ 曙) + 岛( 3 霸+ 巧) + 2 p 。以匕+ s ：( 霹+ 巧) 、。 l o 第j ：章锡膏三维测量系统的测量原理及测量方法 其中印，p l ，p 2 ，s i 和s 2 是畸变系数。 通常，摄像机镜头存在三种畸变类型：径向畸变，偏心畸变和薄棱镜畸变。 第一种仅产生径向位置误差，第二、三种在像点的位置上均同时产生径向和切向 误差。一般的，对于小畸变的摄像机仅考虑径向畸变即可，任何更精细的畸变模 型不仅对提高精度无助，而且将造成数值的不稳定。因此，一般情况下，式( 2 5 ) 可简化为： 尝粤，童：却j d 粤+ ，譬( 2 - 6 ) 【d y ( x d ，匕) = k p - 匕( x ；+ 巧) 4 图像坐标助西y d ) 与计算机图像p 西n ) 坐标之间的转换关系为： j x d2 ( u 一) ( 2 7 ) 【艺= ( 矿一) 瓯 、。 其中， = & 戌 ( 2 8 ) 这里，( u o ，v o ) 是主点0 对应的像素位置。屯和式分别是c c d 的水平和垂直像 素间距。实际垂直像素间距与c c d 的一致，是一已知参数。而实际水平像素间距 玩，一般不与c c d 的加工尺寸一致，它与c c d 的驱动频率和a d 转换器的采样频 率有关。因此，引人一个比例因子品。 通过以上的叙述可知，光平面内任一点p z ( x t ，y l , 0 ) ，与计算机图像坐标系的像 素位置尸( u 功之间的关系可通过下式求得： x d = ( u - u o ) d 。s _ 匕= ( v 一圪) 反 瑞2 五2 局( 1 咖r 2 ) ( 2 - 9 ) 耥斗艺( 1 咖，2 ) 素位置：比和巩分别是c c d 的水平和垂直像素间距；助为一阶径向畸变，= 砰 + 疗。 2 - 3 所示的世界坐标系d 。碥z 1 ，它和光平面坐标系有( 2 1 0 ) 式的转换模型： 刚割 p 第_ 章锡膏三维测量系统的测量原理及测最方法 2 2 锡膏三维测量系统的测量方法 精密电控平移台 图2 3 锡膏三维测量系统测量原理示意图 本文研究的测量系统采用线结构光模式，其测量方法如图2 3 。线结构光光 源经聚焦后垂直投射在被测p c b 板上，激光线在p c b 板底板上发生反射，在存 在锡膏位置受锡膏形貌调制变形后反射；激光线在与光平面成一定角度的c c d 摄像机光敏面上成像，c c d 摄像机将接收到的光信号转换为电信号；所得的电 信号再经量化就可形成空间和幅度均离散化的图像，图像采集卡将c c d 中的输 出信号传输到计算机进行处理；利用摄像机成像的透视变换模型，并根据光平面 与摄像机及被测p c b 板之间的位置转换关系，计算出p c b 板表面点( 包括p c b 板底板上的点和锡膏上的点) 的x 向和y 向的二维尺寸。这里提到的位置转换 关系必须是确定不变的，否则测量的x 向和y 向的二维尺寸将无法保证其正确 性。若在测量过程中光平面发生转动，采集到的图像中的光条点坐标就会发生变 化，则根据系统的数学模型，由二维图像换算出的三维坐标也必定会发生变化而 使测量不准确。 如上所述，被测器件x 向和y 向的坐标可以由图像传感器直接获得，而另一 个方向的坐标( z 方向) 则由步进电机控制精密平移工作台的步进运动来获得。 为了获得较高的测量精度，测量方式采用摄像机和光源固定不动，计算机控制步 进电机驱动工作台带动被测器件，并且保证平移方向与光平面垂直，使待测锡膏 依次通过检测区域的扫描检测方式。这样，通过软件多线程精确控制步进电机脉 冲的频率及走行步数的，就能准确实现工作台的启动、停止、复位等操作。并且 根据采样频率和单位脉冲位移的大小，就可计算出被测引线扫描方向的坐标，即 z 向坐标。 1 2 第二章锡膏二三维测量系统的测量原理及测量方法 设d 为单位脉冲的走行位移，i 为第j 帧图像对应的走行脉冲数，则相应引 线在该点处的坐标z ；为： z 。= d j ( 2 一1 1 ) 这样就实现3 d 尺寸的测晕。本文研究的锡膏三维测量系统得到p c b 板上锡 膏和底板的三维尺寸后，利用图像处理的方法将锡膏和底板的数据分离。利用底 板数据确定测量的基准平面，计算锡膏上的三维点到该基准面的距离，从而实现 了锡膏高度的相对测量。至于锡膏的其它的测量尺度，由于锡膏的数据已分离出 来，而变得非常简单。 第二章锡膏二维测量系统的结构设计 第三章锡膏三维测量系统的结构设计 结构光视觉传感器的测量精度受诸多因素的影响，如摄像机本身的光学物理 参数、光学投射器特征参数、传感器本身的结构参数及外界干扰源等等。本章将 针对系统的结构设计，摄像机、激光器以及采集卡的选型，对系统的整体结构设 计加以介绍。 3 1 系统结构设计 根据系统的测量原理可知，只有光平面与摄像机及被测p c b 板之间的位置 转换关系确定且在测量过程中不改变的情况下，测量精度才有保证，因此系统的 结构必须设计得合乎测量要求且固定不变。 在摄像机、激光器等硬件设备及测量环境等非人为因素一定的情况下，测量 系统的结构参数对测量精度影响很大。因此，有必要对传感器的模型检测精度进 行分析，以获得最佳的结构参数，来指导传感器的设计。 图3 1 基于简单三角几何的结构光视觉模型 图3 1 为基于简单三角几何的结构光视觉模型，其中d 。一x c y c z c 为摄像机坐标 系。假设实际测量坐标系d ，x t y t z t 与摄像机坐标系一致。结构光光平面出射点a 在 x c o c z c 坐标平面内且光平面正交于x c o c z 。坐标平面，交线为a b ，b 为d z 。轴即摄像机 光轴与光平面的交点。令三为彳点和0 。点之间的距离，称其为基线距。口、鼢别 1 4 第三章锡膏三维测量系统的结构设计 为彳b 和b d 。与爿吼的夹角。根据上述关系，可以得到摄像机坐标系0 。x c y c z 。，由， 斫口腊具有明确物理意义的结构参数描述的结构光光平面方程为： c 。t ( 口+ ) 。t + z c i i i s i 而n t z 上= o ( 3 1 ) 由第二章中的系统数学模型和公式( 3 一1 ) 的光平面方程，可得如下的结构光传 感器的模型f 2 l 】： x ，一等 咒= z c 等 ( 3 2 ) s l n 口 ， z = l = 二一 。 s i n ( a + ) x c o t ( a 十) + f 其中，l ) 为像平面坐标系o - 石e 下的二维图像点坐标。 针对该模型，对其三维检测精度进行分析，以寻找最佳的传感器结构参数。 用砌和印表示二维像点，圪) 的定位误差，根据公式( 3 2 ) ，并设m = z c 伪放大 倍率。通过微分计算，由二维像点，l ) 的定位误差引起的视觉误差为： 气= 爱白啬勺= 警缸 气2 薏白+ 瓦o y c 一警如+ 肘唧 ( 3 - 3 ) t = 爰4 x 爱唧= 警如 根据上面的公式推导表明，测量点的定位误差和系统几何结构相关性如下： 1 当取口+ 口= 9 0 0 时，即摄像机光轴方向与光平面垂直时，z c 方向测量误 差最小，且不受任何其他参数的影响。 2 基线距三越大，各坐标方向的测量误差越小；反之，则越大。 3 放大倍率m 越大，各坐标方向的测量误差越大；反之，则越小。说明被 测物体离摄像机越远，测量精度越低。 利用上面的结构光视觉系统几何结构参数选择分析，根据实际锡膏三维测量 系统要求，确定了系统的儿何结构参数如下： 1 对于彳占、台d 。与彳i 9 。的夹角硼屈 如果要保证口+ = 9 0 0 ，则必须基线距l 较大才能保证测量物距合适，或者 测量物距较小才能保证基线距三合适，这都不符合锡膏三维测量系统的外观精巧 和测量距离的要求。并且锡膏三维测量系统要求不仅能准确地测出锡膏的高度信 息，而且还要准确的测出长宽信息，以及后续的面积、体积信息。综上所述，确 定口= 9 0 0 ，= 4 5 0 ，则口+ p = 1 3 5 0 。这样不仅基线距l 和测量物距都比较适中， 第三章锡膏二维测量系统的结构设t l 并且根据公式( 3 3 ) 可知，( 口+ 历值对于三个方向的误差提供的权重是一样，从而 使角度对三维测量误差的影响平均化。 2 对于焦距 基线距和测量物距： 由于碲已经确定，系统的焦距 基线距和测量物距的角度关系也已经 确定下来，因此需要综合考虑它们的数值。因为放大倍率m 越大，各坐标方向 的测量误差越大，而厂与m 成反比，测量物距与m 成正比，因此焦距厂应适当 选大，测量物距适当选小。根据公式( 3 3 ) 的分析，可知基线距l 应适当选大。 这里只分析了 l 和测量物距的大小关系，而它们之间又有角度的约束。要 确定它们的数值需要首先确定c c d 摄像机的具体参数并进行相关的光学计算。 3 2 图像采集系统的选型 图像采集系统主要包括激光器，c c d 摄像机，镜头和图像采集卡。根据第 二章介绍的测量原理，激光条是用来对被测物体在空间的位置进行约束的，也是 光平面坐标系的确定根本之所在，因此激光器的各项特性稳定对于结构光视觉系 统非常重要。针对本系统，对激光的光条宽度要求较高。c c d 摄像机作为探测 激光光条的传感器，它的参数选择同样至关重要，这是因为图像的空间分辨率主 要由c c d 摄像机里图像采集矩阵中光电感受单元的尺寸和排列所决定。镜头作 为成像必不可少的器件，对于系统的检测精度也有一定的影响，其中镜头的焦距 厂是最为重要的参数，这是由上节参数选择原则决定的。图像采集卡完成将c c d 摄像机输出的电信号转换为数字信号，并将数字信号送入计算机以供软件处理的 任务，选择适合视觉系统的采集卡对于一个视觉系统能否正常运行起到关键的作 用。 3 2 1c c d 摄像机的选型 当系统的几何结构确定以后，摄像机的参数对系统的测量精度有很大的影 响。相机的分辨率越高、动态范围越大，测量的精度就越高。逐行扫描的c c d 相机的动态范围大、噪声小、没有奇偶行场频接误差，非常适合测量的应用。 对比不同厂家c c d 摄像机的性能和价格之后，本文研究的系统选用了丹麦 j 公司百万象素级的c v - a 1 模拟相机【2 5 1 。其具体参数如表3 2 。 从所列参数可知，c v - a 1 百万像素相机分辨率高达1 3 9 2 x 1 0 4 0 ，高分辨力有 利于系统测量精度的提高。其外部尺寸仅为4 4 x 6 6 m m ( 宽长) ，厚度仅2 9 m m ， 这有利于减小整个系统的外形尺寸，系统更加美观。 1 6 第二章锡膏三维测量系统的结构设计 表3 - 2c v - a i 相机参数 传感器类型黑白1 2 逐行扫描c c d c c d 面积 6 4 2 ( h ) x 4 8 1 ( v ) m m 象素尺寸 4 6 5 ( h ) x4 6 5 ( v ) p m 分辨率 1 3 9 2 ( h ) x1 0 4 0 ( v ) 线扫描频率1 7 1 2 7k h z 每帧的线数 10 6 8l i n e sp e rf r a m e 像素时钟 2 0 m h z 帧率1 1 2f v s 灵敏度0 3l u x ( m a xg a i n ，5 0 v i d e o ) 长时间曝光 2f a , m e $ t o 可编程控制曝光 5 8 埘i n c l 信噪比 5 5d b 快门速度( 1 6s t e p s )1 11 1 1 4 0 ，0 0 0 触发快门速度( 1 0s t e p s ) 1 1 6 - 1 1 2 ，0 0 0 电源1 2 v d c 土1 0 1 8 w 外形尺寸 2 9 x 4 4x6 6 m 聊( hx w x d ) 镜头接口 c - m o u n t 重量 1 5 0 9 3 2 2 镜头的选型 根据第一节的系统结构参数的选择原则和c c d 的相关参数，镜头焦距的确定 如下【1 3 】： 根据透镜成像原理，如图3 2 所示。已知待测扫描区域的大小约为8 m m ， c c d 光敏面宽度为4 8 1m m ，则为充分利用c c d 光敏面，取成像放大倍数约为 f l = h h = 4 8 8 = 0 6 。由高斯公式击一了1 = 7 1 ，其中，和，分别为像距和物距， ， i t 又根据= 一有，一3 7 f 。 l 由此，当取f = 2 5 r a m 时，9 2 5 m m ；取厂= 5 0 r a m 时，1 8 5 m m 。根据结 构光视觉系统的几何结构选择原则，焦距厂应选取得尽量大，才能减小各坐标方 向的误差，则选取的镜头焦距为厂= 5 0 m m ，测量距离约为1 8 5 m m ，由于= 4 5 。， 第三章锡青三维测量系统的结构设计 因此基线距l ( 1 8 5 + 镜头k 度) s i n f l ，最终确定基线距上= 1 6 0 m m 。 3 2 3 激光器的选型 ， 图3 2 透镜成像原理图 像 根据精度要求，p c b 板上的锡膏长宽尺寸大致都在0 5