基于輪廓測(cè)量術(shù)的三維錫膏檢測(cè)設(shè)備的研究與分析

張志能

(深圳大族激光科技股份有限公司，廣東深圳518057)

印刷電路板（Printed Circuit Board，PCB）是組裝電子零件的基板，需求量極大，在電子行業(yè)中僅次于半導(dǎo)體，全球產(chǎn)值每年可達(dá)450億美元。由于中國(guó)兼具成本和市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)，PCB行業(yè)有逐漸向中國(guó)轉(zhuǎn)移的趨勢(shì)。據(jù)中國(guó)印制電路協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，僅2007年就有1.50 Mm2PCB板在中國(guó)生產(chǎn)，約占世界總產(chǎn)量的30%，其中華南占到全國(guó)總產(chǎn)量的42%。與此同時(shí)，受手機(jī)、筆記本等消費(fèi)類電子產(chǎn)品結(jié)構(gòu)微小化、功能復(fù)雜化發(fā)展趨勢(shì)影響，低成本的作坊式PCB生產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)不能滿足生產(chǎn)需求，而現(xiàn)代化的全自動(dòng)生產(chǎn)技術(shù)則備受青睞。表面貼裝技術(shù)（Surface Mounted Technology，SMT）作為一種自動(dòng)化程度很高的電路互聯(lián)技術(shù)，它能有效地減小電子產(chǎn)品體積同時(shí)還兼具成本和效率優(yōu)勢(shì)，已成為現(xiàn)代電子組裝行業(yè)的主流技術(shù)。作為表面貼裝流程中的質(zhì)量控制環(huán)節(jié)，錫膏檢測(cè)為印刷電路板提供了質(zhì)量保證。

錫膏印刷流程會(huì)產(chǎn)生很多缺陷已經(jīng)是一個(gè)不爭(zhēng)的事實(shí)。錫膏的印刷質(zhì)量是判斷電路板上貼片式元器件焊點(diǎn)質(zhì)量及其可靠性的一個(gè)重要指標(biāo)。100%的采用錫膏檢測(cè)（SPI）將有助于減少印刷流程中產(chǎn)生的焊點(diǎn)缺陷，而且可通過最低的返工（如清洗電路板）成本來減少?gòu)U品帶來的損失，另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是焊點(diǎn)的可靠性將得到保證。據(jù)統(tǒng)計(jì)，因絲網(wǎng)印刷而造成的缺陷占SMT缺陷總量的80%?？紤]到錫膏回流焊前的缺陷校正成本極低，僅為回流焊后的1/10，在線測(cè)試后的1/70，PCB板生產(chǎn)完成后的1/700，錫膏印刷和回流前錫膏檢測(cè)的流程控制勢(shì)在必行。目前在我國(guó)半導(dǎo)體生產(chǎn)線上使用可靠的錫膏檢測(cè)設(shè)備全部依靠進(jìn)口，主要供應(yīng)商有美國(guó)的安捷倫（Agilent）、美國(guó)的 CyberOptics、日本的賽凱（SAKI）、以色列的奧寶（Orbotech）、韓國(guó)的高永（Koh Young）等公司。然而，半導(dǎo)體設(shè)備是支撐半導(dǎo)體和集成電路產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的基礎(chǔ)，是為國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)家安全提供裝備的基礎(chǔ)性產(chǎn)業(yè)，自主研發(fā)包括錫膏檢測(cè)設(shè)備在內(nèi)的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的半導(dǎo)體基礎(chǔ)設(shè)備是一個(gè)國(guó)家或地區(qū)工業(yè)化水平與經(jīng)濟(jì)、科技總體實(shí)力的重要體現(xiàn)。只有從觀念上重視半導(dǎo)體設(shè)備核心技術(shù)的研發(fā)，我國(guó)才有可能爭(zhēng)取到成為世界工業(yè)化強(qiáng)國(guó)的機(jī)會(huì)。

依據(jù)日本的發(fā)展模式，20世紀(jì)70年代，日本半導(dǎo)體設(shè)備中70%～80%依賴進(jìn)口，到了80年代后期，日本半導(dǎo)體設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化達(dá)到80%以上，從而為日本的半導(dǎo)體工業(yè)的昌盛奠定了基礎(chǔ)。在日本的半導(dǎo)體生產(chǎn)線上，從絲網(wǎng)印刷機(jī)到錫膏檢測(cè)儀，再到貼片機(jī)，都早已實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化。所以，在集成電路制造的產(chǎn)業(yè)鏈條中，上游的半導(dǎo)體設(shè)備制造業(yè)直接影響整個(gè)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。面對(duì)我國(guó)集成電路制造業(yè)飛速發(fā)展的態(tài)勢(shì)，包括錫膏檢測(cè)設(shè)備在內(nèi)的半導(dǎo)體設(shè)備研發(fā)必須抓住機(jī)遇，實(shí)現(xiàn)核心技術(shù)突破，解決我國(guó)目前高端半導(dǎo)體設(shè)備完全需要進(jìn)口的問題。

1 錫膏檢測(cè)平臺(tái)基本構(gòu)造與功能

錫膏3D檢測(cè)平臺(tái)（3D SPI）是光、機(jī)、電、氣一體化設(shè)備，涉及計(jì)算機(jī)視覺、光學(xué)、精密機(jī)械、應(yīng)用電子技術(shù)、圖像處理技術(shù)及微處理器控制等多學(xué)科技術(shù)等多個(gè)技術(shù)領(lǐng)域，屬多學(xué)科交叉問題。對(duì)基于結(jié)構(gòu)光的3D錫膏檢測(cè)平臺(tái)開展研究，需要解決設(shè)備的設(shè)計(jì)、制造、控制、系統(tǒng)集成、可靠性及應(yīng)用等關(guān)鍵技術(shù)，才能開發(fā)出面向SMT生產(chǎn)線的自動(dòng)化檢測(cè)平臺(tái)。

SPI平臺(tái)系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示，錫膏檢測(cè)平臺(tái)的工作流程如圖2所示，系統(tǒng)的功能模塊示意圖如圖3所示。SPI必須解決機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電氣控制系統(tǒng)研制、圖像算法設(shè)計(jì)以及相機(jī)標(biāo)定4個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問題。

圖1 三維測(cè)量系統(tǒng)機(jī)構(gòu)示意圖

2 錫膏檢測(cè)平臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、優(yōu)化

錫膏檢測(cè)平臺(tái)的機(jī)械部分主要包括：PCB板相對(duì)光源的二維運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、光學(xué)采集機(jī)構(gòu)、PCB板夾具以及整機(jī)殼體等。分別對(duì)各部分進(jìn)行有針對(duì)性的研究，完成機(jī)械的整機(jī)以及局部零件設(shè)計(jì)、優(yōu)化。

整機(jī)呈“龍門”式分布，即光學(xué)系統(tǒng)沿橫向運(yùn)動(dòng)，PCB板沿縱向運(yùn)動(dòng)。與PCB板直接放置在水平工作臺(tái)上比較，該方式下像素坐標(biāo)與物理坐標(biāo)方向一致，相機(jī)標(biāo)定精度高、在不增加平臺(tái)體積的情況下，可以做到較大的行程，結(jié)構(gòu)緊湊。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)采用直線電機(jī)，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，定位精度高、反應(yīng)速度快、隨動(dòng)性好的優(yōu)點(diǎn)；工作安全可靠，能滿足焊膏檢測(cè)需求。機(jī)械部分設(shè)計(jì)完成后，按從局部到整體的方式對(duì)機(jī)械進(jìn)行模擬仿真：直線電機(jī)擾動(dòng)特性會(huì)影響運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性以及精確度，綜合傳統(tǒng)的PID調(diào)節(jié)以及現(xiàn)代控制方法建立直線電機(jī)的數(shù)學(xué)驅(qū)動(dòng)模型，然后利用MATLAB優(yōu)化工具軟件對(duì)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行仿真優(yōu)化，確定最佳的電機(jī)PID控制參數(shù)。根據(jù)機(jī)械的設(shè)計(jì)尺寸建立起整體的運(yùn)動(dòng)模型，采用動(dòng)力學(xué)有關(guān)理論模擬、分析機(jī)械的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)過程，按照分析的結(jié)果對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。利用三維仿真軟件完全動(dòng)畫模擬整臺(tái)機(jī)械的運(yùn)動(dòng)，對(duì)結(jié)構(gòu)不合理部分進(jìn)行有針對(duì)性的修改。

圖2 SPI系統(tǒng)的工作流程

圖3 SPI系統(tǒng)功能模塊示意圖

3 錫膏檢測(cè)平臺(tái)的電氣控制系統(tǒng)研究

錫膏檢測(cè)平臺(tái)的電氣控制系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)以簡(jiǎn)化控制過程、提高控制可靠性。該系統(tǒng)主要包括：主控制器、電機(jī)及驅(qū)動(dòng)電路、通用I/O電路、圖像采集電路，相關(guān)外圍放大電路等。

工作過程中，首先通過工控機(jī)發(fā)出控制指令，然后經(jīng)運(yùn)動(dòng)控制卡后轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)輸出到電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，最后由驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作來完成預(yù)定的功能。其中，控制器選用工控機(jī)，控制速度快、人機(jī)交互界面友好；利用數(shù)字相機(jī)實(shí)時(shí)采集圖像，經(jīng)IEEE1394高速數(shù)據(jù)接口，將采集到的圖像輸入到工控機(jī)中用作檢測(cè)依據(jù)；在電機(jī)的極限位置、原點(diǎn)位置添加光耦元件，分別用作平臺(tái)回原點(diǎn)過程中的實(shí)時(shí)監(jiān)控以其機(jī)械極限位置限定作用；此外，還需要添加電磁閥驅(qū)動(dòng)電路，用于實(shí)現(xiàn)壓縮氣體的開閉來完成PCB的松開、夾緊。

4 錫膏檢測(cè)平臺(tái)的圖像檢測(cè)及相關(guān)算法設(shè)計(jì)

SPI軟件系統(tǒng)非常復(fù)雜，它集合缺陷判斷算法、3D體積重建、PCB運(yùn)動(dòng)路徑優(yōu)化、CAD參數(shù)導(dǎo)入、模板在線學(xué)習(xí)、電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制以及統(tǒng)計(jì)過程控制（Statistical Process Control，SPC）等多種功能模塊于一體，是SPI研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)所在。其中檢測(cè)算法是核心，好的檢測(cè)算法能有效地提高識(shí)別的可靠性、減少檢測(cè)時(shí)間。

4.1 二維錫膏檢測(cè)

錫膏的二維缺陷主要包括焊膏偏移、面積偏大、面積偏小、無錫膏、錫膏間距過近和橋接。

灰階解析是一種基于圖像灰度分布規(guī)律的純數(shù)值化判斷方法。實(shí)際檢測(cè)時(shí)抓取待檢測(cè)圖像，計(jì)算圖像的灰度直方圖分布、亮度極限值等灰度信息，用該信息與標(biāo)準(zhǔn)待測(cè)件的保存信息做比較，若兩者的差別在閾值允許范圍內(nèi)則認(rèn)為合格，否則認(rèn)為存在缺陷。

圖4 灰階解析

圖4(a)為模板圖像的灰度直方圖分布。直方圖呈現(xiàn)雙峰分布，峰值分別對(duì)應(yīng)元件和背景的灰度值。根據(jù)實(shí)際的明暗情況，在直方圖上確定元件的灰度區(qū)間在20～70之間；該區(qū)間內(nèi)的像素?cái)?shù)目占總像素的42.97%。若設(shè)定允許的偏差為±5%，那么當(dāng)待測(cè)元件20～70之間像素值占45%時(shí)，元件合格，而當(dāng)僅占35%時(shí)則認(rèn)為元件有缺陷。圖4(b)的工作方式與圖4(a)類似，它將所有像素點(diǎn)的最大亮度、平均亮度、最小亮度設(shè)為檢測(cè)閥值。設(shè)定檢測(cè)允許偏差，如果待測(cè)圖的各個(gè)亮度值在閥值允許范圍內(nèi)即為合格，反之則認(rèn)為有缺陷。

上述的兩種“灰階解析”方式中，方式(a)適合芯片整體缺陷判斷，能解決焊膏偏移、面積偏小無錫膏的檢測(cè)；方式(b)則適合芯片的局部缺陷判斷，如污染、崩塌等。針對(duì)SMT線上存在的具體焊膏缺陷，結(jié)合統(tǒng)計(jì)過程控制技術(shù)進(jìn)行錫膏的灰度分布調(diào)整、添加新的解析灰度段、調(diào)節(jié)允許閥值等解析參數(shù)糾正后，檢測(cè)效果優(yōu)秀。

與國(guó)內(nèi)2D檢測(cè)常用的“圖像對(duì)比”方式比較，“灰階解析”算法工作過程不需要人為干預(yù)，調(diào)試好后檢測(cè)穩(wěn)定、客觀性強(qiáng)；但由于編程和調(diào)試比較專業(yè)，需要操作員充分了解“灰階”和“亮度”的基本理論并對(duì)圖像有直觀的“灰階”判斷。為解決上述問題，我們采用一種改進(jìn)后基于待檢測(cè)焊膏的數(shù)理統(tǒng)計(jì)特征的“灰階解析”方法：統(tǒng)計(jì)“較好”焊膏元件灰度分布與標(biāo)準(zhǔn)焊膏模板間的差異，然后對(duì)統(tǒng)計(jì)的結(jié)果進(jìn)行分析，為各個(gè)像素坐標(biāo)位置、直方圖灰階值給出一個(gè)0-1之間的加權(quán)值的同時(shí)動(dòng)態(tài)更新判斷閥值，最后根據(jù)給出的加權(quán)值計(jì)算待測(cè)錫膏和錫膏模型間的加權(quán)差異，若差異超過允許閥值，則認(rèn)為錫膏存在缺陷。該方法多次重復(fù)學(xué)習(xí)后可以使判斷閥值收斂于理想狀態(tài)，省去了人為修正判斷參數(shù)的繁瑣過程。

“灰階解析”判斷完成后，若判斷結(jié)果為錫膏偏多，還需要進(jìn)行錫膏間距和橋接判斷。用圖像連通域分析技術(shù)對(duì)這些缺陷進(jìn)行判斷。抓取一幅包含待檢錫膏和與之相鄰錫膏的圖像，對(duì)該圖做二值化處理，提取出其中面積較大的連通域，計(jì)算連通域的數(shù)目，若數(shù)目少于理論上的連通域的數(shù)目，則說明錫膏存在橋接缺陷；框選出其中最接近的連通域，計(jì)算兩者的水平和垂直距離，若計(jì)算距離偏小，存在間距過小缺陷。整個(gè)二維缺陷檢測(cè)流程如圖5所示。

圖5 二維錫膏檢測(cè)流程圖

4.2 三維錫膏檢測(cè)

三維檢測(cè)的核心技術(shù)是相位測(cè)量輪廓術(shù)，原理如圖6所示。相位測(cè)量輪廓術(shù)（Phase Measurement Profilometry），采用正弦光柵或準(zhǔn)正弦光柵投影和相移技術(shù)。投影一個(gè)正弦光柵到物體表面時(shí)，從成像系統(tǒng)可以獲得受該物體表面面形調(diào)制的變形條紋，條紋的變形由其相位分布的變化得到體現(xiàn)。物體的高度信息被編碼在變形光柵的相位信息中，如果能夠正確得到某一點(diǎn)的相位值，就可以獲得該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的高度值。相位測(cè)量輪廓術(shù)的最大優(yōu)點(diǎn)在于求解物體初相位時(shí)是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的運(yùn)算，即在原理上某點(diǎn)的相位值不受相鄰點(diǎn)光強(qiáng)值的影響，從而避免了物面反光率不均勻引起的誤差，測(cè)量精度可以達(dá)到幾十分之一到幾百分之一個(gè)等效波長(zhǎng)。相位測(cè)量輪廓術(shù)需要精密的相移裝置和標(biāo)準(zhǔn)的正弦光柵，相移不準(zhǔn)和光場(chǎng)的非正弦性會(huì)引入測(cè)量誤差，同時(shí)，必須進(jìn)行可靠的相位展開。相位測(cè)量輪廓術(shù)的研究?jī)?nèi)容主要包括投影方式、相位解包裹算法和系統(tǒng)的標(biāo)定。

圖6 三維輪廓測(cè)量術(shù)的原理圖

4.2.1 生成投射條紋

由計(jì)算機(jī)軟件生成各種各樣的投射條紋。在N步相移法中，需要投影儀連續(xù)投射N幅相位相差360/N度的投射條紋圖像。我們采用四步相移法，由計(jì)算機(jī)軟件連續(xù)產(chǎn)生四幅相位相差90°的正弦投射條紋，如圖7所示。

4.2.2 圖像獲取

由計(jì)算機(jī)控制工業(yè)相機(jī)實(shí)時(shí)、連續(xù)地拍攝被檢測(cè)物體表面，我們采用1394工業(yè)相機(jī)：EC1350C；圖像采集卡：1394 card KEC 1582T；鏡頭：Conputar TEC-M55。

圖7 相位相差90°的4幅正弦投射條紋圖像

4.2.3 計(jì)算包裹相位

從N幅相移圖像中反解出相角值，相角的范圍在[0，2π]，相角中隱含著物體的三維形狀信息。包裹相位圖數(shù)據(jù)是相位解包裹這一步工作的輸入。不同的相位差值引出不同的相位計(jì)算公式，例如，對(duì)于120的相位步長(zhǎng)，可以由式(1)(3)表示的三幅正弦投射條紋圖計(jì)算出，圖像中坐標(biāo)(i，j)處的主相位由式(4)所示。

在獲得被測(cè)物體的相位圖之后，我們需要將相位信息轉(zhuǎn)化為長(zhǎng)度信息。物體的相位圖與物體的形狀具有對(duì)應(yīng)關(guān)系，在理想情況下，物體上任意點(diǎn)的高度與這一點(diǎn)在相位圖中對(duì)應(yīng)的相角成正比例關(guān)系，即 h(x，y)=kφ(x，y)，k 是需要通過系統(tǒng)標(biāo)定得到的常數(shù)。但在實(shí)際的系統(tǒng)中，這種簡(jiǎn)單的線性關(guān)系是不成立的，k也不再是簡(jiǎn)單的常數(shù)，需要通過較復(fù)雜的步驟將由CCD陣列(i，j)獲得的相位圖轉(zhuǎn)化成空間坐標(biāo)(x，y，z)。這一步驟需要在系統(tǒng)標(biāo)定的基礎(chǔ)之上通過相位-坐標(biāo)轉(zhuǎn)化算法來實(shí)現(xiàn)。

4.3 運(yùn)動(dòng)路徑優(yōu)化算法研究

由于相機(jī)的視場(chǎng)有限，單幀圖像采集區(qū)域小于PCB的面積，在檢測(cè)之前需要對(duì)相機(jī)的運(yùn)動(dòng)路徑進(jìn)行規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)用最少的抓圖窗口、最短的運(yùn)動(dòng)距離完成所有待檢測(cè)錫膏的遍歷。上面的問題為雙重旅行商問題(TSP)求解，采用一次計(jì)算的方式問題過于復(fù)雜，我們將它分為兩部來實(shí)現(xiàn)。

4.3.1 確定最少的檢測(cè)窗口

蟻群算法是一種模擬自然界螞蟻覓食過程的現(xiàn)代計(jì)算方法。螞蟻在覓食時(shí)會(huì)在走過的地方留下信息素，兩節(jié)點(diǎn)間的距離越近信息素的濃度就越大，同時(shí)隨著時(shí)間的推遲，信息素存在揮發(fā)現(xiàn)象；螞蟻在運(yùn)動(dòng)到下一位置前，優(yōu)先選擇信息素濃度大的節(jié)點(diǎn)；多次重復(fù)后，最短路徑上的信息素濃度會(huì)明顯大于其它路徑。該算法具有正反饋、并行性的優(yōu)點(diǎn)，可以用于TSP問題的求解。

蟻群k(k=1，2…m)在運(yùn)動(dòng)過程中，用禁忌表tabuk(k=1，2…m)來記錄螞蟻k當(dāng)前所走過的城市，集合隨著禁忌表進(jìn)化過程作動(dòng)態(tài)調(diào)整。在某時(shí)刻螞蟻k由節(jié)點(diǎn)i轉(zhuǎn)移到元素節(jié)點(diǎn)j的狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率：

allowedk={C-tabuk}表示螞蟻下一步允許選擇的城市。α為信息啟發(fā)式因子，表示軌跡的相對(duì)重要性；β為期望啟發(fā)式因子，表示能見度的相對(duì)重要性，其值越大，則該狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率越接近于貪婪規(guī)則；ηij(t)為啟發(fā)函數(shù)，其表達(dá)式為：ηij(t)=1/dij；表示信息素殘余濃度。

為避免殘留信息素過多引起殘留信息淹沒啟發(fā)信息，在每只螞蟻?zhàn)咄暌徊交蛘咄瓿蓪?duì)所有m個(gè)城市的遍歷(也即一個(gè)循環(huán)結(jié)束)后，要對(duì)殘留信息進(jìn)行更新t+n時(shí)刻在路徑(i，j)上的信息量可按如下規(guī)則進(jìn)行調(diào)整：

采用Ant-CyCle模型，所有螞蟻遍歷完成后更新信息素：

窗口計(jì)算過程分為：（1）為每個(gè)待檢測(cè)焊膏確定一個(gè)檢測(cè)窗口，使窗口在包含本焊膏的條件下盡可能多的包含其它焊膏元件；（2）根據(jù)每個(gè)窗口內(nèi)包含器件的數(shù)目多少，確定每個(gè)窗口的適應(yīng)度函數(shù)；（3）類似TSP問題求解。計(jì)算過程中，用包含窗口數(shù)目替換路徑長(zhǎng)短、遍歷包含的總窗口數(shù)目作為選擇規(guī)則求解即可。

4.3.2 求解最短運(yùn)動(dòng)路徑

完成檢測(cè)窗口規(guī)劃后，求解工作臺(tái)最短運(yùn)動(dòng)路徑以減少運(yùn)動(dòng)距離、提高檢測(cè)速度。

遺傳算法是一種借鑒生物遺傳機(jī)制的全局隨機(jī)搜索算法(GA)，它源于生物進(jìn)化過程，基于進(jìn)化過程中信息遺傳機(jī)制和優(yōu)勝劣汰的自然選擇原則，借助復(fù)制、交換、變異等操作，使所要解決的問題從初始解逐漸逼近最優(yōu)解。遺傳算法全局搜索能力強(qiáng)，但是收斂速度慢；相對(duì)而言，蟻群算法具有正反饋、并行性的特點(diǎn)，但是容易陷入局部最優(yōu)解（如圖8所示）。結(jié)合蟻群算法和遺傳算法，即在螞蟻更新信息素的過程中，加入變異、交叉等操作，在保證全局最優(yōu)的同時(shí)提高了計(jì)算速度。

圖8 求解TSP問題

5 系統(tǒng)標(biāo)定

系統(tǒng)標(biāo)定的精度影響系統(tǒng)的測(cè)量精度。相位法測(cè)量輪廓術(shù)中，由于測(cè)量系統(tǒng)的像差效應(yīng)、透鏡的畸變效應(yīng)、CCD的非線性效應(yīng)及圖像采集板的量化效應(yīng)等，都會(huì)給相位測(cè)量輪廓術(shù)帶來很復(fù)雜的非線性系統(tǒng)誤差，而且傳統(tǒng)相位測(cè)量輪廓術(shù)對(duì)系統(tǒng)的標(biāo)定要求苛刻，這些因素都降低了相位測(cè)量輪廓術(shù)的測(cè)量精度。如何降低系統(tǒng)標(biāo)定要求，降低非線性效應(yīng)影響，提高系統(tǒng)的測(cè)量精度，是目前急需解決的問題之一。系統(tǒng)標(biāo)定包括兩項(xiàng)內(nèi)容，即攝像機(jī)和投影儀鏡頭的標(biāo)定，相角信息到坐標(biāo)信息的轉(zhuǎn)化公式中參數(shù)的標(biāo)定。

攝像機(jī)標(biāo)定的目的是確定相機(jī)模型的內(nèi)部參數(shù)和外部參數(shù)。內(nèi)部參數(shù)包括攝像機(jī)的焦距、光軸與圖像平面的焦點(diǎn)坐標(biāo)、像素在XY軸向的物理尺寸和畸變系數(shù)等；外部參數(shù)包括攝像機(jī)坐標(biāo)系與世界坐標(biāo)系之間的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移向量。傳統(tǒng)的攝像機(jī)標(biāo)定方法分為線性和非線性。利用非線性最優(yōu)化技術(shù)標(biāo)定攝像機(jī)，可以考慮各種因素假設(shè)，并且對(duì)任何復(fù)雜的攝像機(jī)成像模型都能達(dá)到很高的精度，但若標(biāo)定參數(shù)的初始值估計(jì)不當(dāng)，則無法得到正確的標(biāo)定結(jié)果。基于透視變換矩陣模型的線性攝像機(jī)標(biāo)定法，無需利用最優(yōu)化方法來求解攝像機(jī)的參數(shù)，運(yùn)算速度快，可以實(shí)現(xiàn)攝像機(jī)參數(shù)的實(shí)時(shí)計(jì)算，但是由于標(biāo)定過程中不考慮鏡頭的非線性畸變，參數(shù)標(biāo)定精度不高，而且過分參數(shù)化，使得求解參數(shù)與實(shí)際情況不能很好地吻合?；谏鲜鰞煞N標(biāo)定方法的優(yōu)缺點(diǎn)，我們將采用兩步法。此算法先利用直接線性變換或透視變換矩陣的方法求解攝像機(jī)參數(shù)的初始值，再利用最優(yōu)化方法進(jìn)一步提高標(biāo)定精度，達(dá)到較高的精度。

相位測(cè)量輪廓術(shù)中所采用的核心技術(shù)是相移法，測(cè)量的結(jié)果是相位譜，而不是物體準(zhǔn)確的三維坐標(biāo)值，所以需要通過算法將相位值一一對(duì)應(yīng)地轉(zhuǎn)化為三維坐標(biāo)值。我們將采用兩步標(biāo)定方法，第一步通過測(cè)量得到參數(shù)的近似值，然后在不同的位置測(cè)量標(biāo)定平面，應(yīng)用迭代算法估計(jì)系統(tǒng)的參數(shù)。

6 結(jié)束語

三維SPI設(shè)備的研發(fā)總體上分為計(jì)算機(jī)視覺處理系統(tǒng)、臺(tái)體機(jī)械系統(tǒng)和精密運(yùn)動(dòng)平臺(tái)控制系統(tǒng)。視覺系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的最核心部分，采用3臺(tái)LCD數(shù)字光柵投影儀和1臺(tái)CCD組成視覺模塊，三維檢測(cè)算法采用相位測(cè)量輪廓術(shù)測(cè)量錫膏的高度、體積和形狀，二維采用加權(quán)自學(xué)習(xí)“灰度解析”、連通域分析等方式檢測(cè)焊膏偏移、面積變化、無錫膏以及橋接等缺陷。臺(tái)體XY運(yùn)動(dòng)平臺(tái)執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用直線電機(jī)、機(jī)械設(shè)計(jì)和電路設(shè)計(jì)配合進(jìn)行，整機(jī)工藝控制采用組態(tài)軟件編寫，在電路方面主要采用PLC進(jìn)行控制，交互和操作方式采取工控機(jī)加液晶屏顯示。

在性能優(yōu)化上，采用蟻群遺傳算法來進(jìn)行運(yùn)動(dòng)路徑規(guī)劃以縮減相機(jī)掃描窗口、減短PCB運(yùn)動(dòng)距離。焊膏位置編程可采用CAD導(dǎo)入、基于顏色聚類的幾何位置自動(dòng)計(jì)算兩種模式，簡(jiǎn)化了編程過程。為關(guān)鍵的圖像處理算法添加多媒體擴(kuò)展指令集優(yōu)化以提高檢測(cè)速度。