基於光學相干層析掃描的三維孔形檢測方法及系統的製作方法

2023-12-01 00:25:06

專利名稱：基於光學相干層析掃描的三維孔形檢測方法及系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種基於光學相干層析掃描領域，具體涉及一種基於光學相干層析掃描的三維孔形檢測方法及系統。
背景技術：
目前，對於印刷電路板的質量，絕大部分生產商都採用人工目視檢測，但是人工檢測存在著其故有的缺陷，生產效率低，穩定性差。為了克服人工目視檢測存在的不足，人們設計了一種自動光學成像(Auto Optics Imaging, Α0Ι),自動光學成像是通過利用普通光線和雷射配合電腦程式，獲得被測對象的圖像，經過特定處理算法處理及分析，與標準圖像進行比較，獲得被測量對象的缺陷，從而實現對電路板製造中不同階段的線路板進行平面性外觀視覺檢測。這種方法具有簡便，快速的特點，但它只能檢測一個平面，並不能對盲孔的深度進行有效的測量。而為了得到盲孔的更精確深度信息，可採用光學三維顯微鏡對盲孔進行檢測，但是這種方法的檢測速度不能達到實時檢測的需要，極大地限制了它在盲孔檢測中的應用。光學相干層析(Optical Coherence Tomography, OCT)是一種高速、高精度、非接觸式的光學三維掃描成像技術。它是通過光學的相干層析性能，實現對樣品的非接觸式層析成像，最終實現對樣品的三維成像。目前，光學相干層析成像已經廣泛地應用於生物醫學領域，特別是在人眼眼科成像領域。但是光學相干層析由於掃描範圍的限制，不能進行大範圍的掃描成像。

發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種基於光學相干層析掃描的三維孔形檢測方法及系統，其能夠快速地檢測出電路板上盲孔或通孔質量，同時對電路板行業的錫膏檢測也有同等作用。為解決上述問題，本發明是通過以下技術方案實現的:—種基於光學相干層析掃描的三維孔形檢測系統，主要由光學相干層析成像裝置、系統光纖準直器、二維掃描振鏡、掃描物鏡、縱移平臺、平移平臺和計算機組成。縱移平臺和平移平臺均與計算機相連，計算機控制縱移平臺和平移平臺的運動。系統光纖準直器、二維掃描振鏡、掃描物鏡固定在縱移平臺，並跟隨縱移平臺運動。待測的電路板放置在平移平臺上，並跟隨平移平臺運動。縱移平臺垂直位於平移平臺的正上方。光學相干層析成像裝置與計算機相連。光學相干層析成像裝置發出的探測光由光纖進入系統光纖準直器，系統光纖準直器將探測光準直後進入到二維掃描振鏡進行二維掃描，二維掃描振鏡輸出的光經掃描物鏡進行聚焦後進入放置在平移平臺上的電路板，電路板產生的反射光經原路即依次經掃描物鏡、二維掃描振鏡和系統光纖準直器後返回至光學相干層析成像裝置，由光學相干層析成像裝置獲得幹涉信號後送入計算機。上述方案中，縱移平臺和平移平臺的組合為以下3種之一，即:一種是縱移平臺僅由Z軸運動電機構成時，平移平臺由X軸電機和Y軸運動電機組成。一種是縱移平臺由Z軸運動電機和X軸運動電機組成時、平移平臺僅由Y軸運動電機構成。一種是縱移平臺由Z軸運動電機和Y軸運動電機組成時、平移平臺僅由X軸運動電機構成。上述方案中，所述光學相干層析成像裝置可以為頻域光學相干層析成像裝置，此時該光學相干層析成像裝置主要由掃頻光源、光纖環形、光纖耦合器、2個偏振控制器、光纖準直器、反射鏡和平衡探測器組成。掃頻光源發出寬帶掃頻光，進入到光纖環形，然後進入到光纖I禹合器，由光纖I禹合器分成兩束光，其中一束由第一偏振控制器和光纖準直器進入反射鏡進行反射後經原路回到光纖耦合器。另一束由第二偏振控制器輸出到系統光纖準直器和二維掃描振鏡進入到掃描物鏡，由掃描物鏡聚焦到於電路板。電路板的反射光經原路回到光纖耦合器。兩路反射光在光纖耦合器中形成幹涉。平衡探測器同時接收光纖環形和探測光纖耦合器返回的幹涉信號後送入計算機。上述方案中，所述光學相干層析成像裝置也可以為譜域光學相干層析成像裝置，此時該光學相干層析成像裝置主要由寬帶連續光源、光隔離器、光纖耦合器、3個偏振控制器、2個光纖準直器、反射鏡、光柵、光譜物鏡和線掃描相機組成。寬帶連續光源發出寬帶光譜，經光隔離器進入到光纖耦合器，由光纖耦合器分成兩束，其中一束經第一偏振控制器和第一光纖準直器進入反射鏡，由反射鏡反射後經原路回到光纖耦合器。另一束經第二偏振控制器輸出到系統光纖準直器和二維掃描振鏡進入到掃描物鏡，由掃描物鏡聚焦到電路板，電路板的反射光經原路回到光纖耦合器。兩路反射光在光纖耦合器中形成幹涉。幹涉光經第三偏振控制器、第二光纖準直器進入到光柵後分成各個準單色光，經光譜物鏡聚焦到線掃描相機，線掃描相機的輸出連接計算機。一種基於光學相干層析掃描的三維孔形檢測系統方法，包括如下步驟:①計算機讀取預先存儲在計算機中待測的電路板上盲孔或通孔的位置信息，並控制縱移平臺和平移平臺運動，讓固定於縱移平臺上的系統光纖準直器、二維掃描振鏡和掃描物鏡對放置在平移平臺上的電路板上的每個盲孔和/或通孔進行逐一掃描；②對於每個掃描點，光學相干層析成像裝置發出的探測光由光纖進入系統光纖準直器，系統光纖準直器將探測光準直後進入到二維掃描振鏡進行二維掃描，二維掃描振鏡輸出的光經掃描物鏡進行聚焦後進入放置在平移平臺上的電路板，電路板產生的反射光經原路即依次經掃描物鏡、二維掃描振鏡和系統光纖準直器後返回至光學相干層析成像裝置，由光學相干層析成像裝置獲得幹涉信號，由此完成一個掃描點的掃描；③計算機分別對光學相干層析成像裝置返回的不同盲孔或通孔的幹涉信號進行數據採集並處理，重建出電路板上每個盲孔和/或通孔的三維結構信息；④計算機根據三維結構信息，經圖像處理後得到每個盲孔和/或通孔的深度、上下孔徑、殘膠、底銅破損情況及其相關信息，判斷電路板上的盲孔或通孔的質量。上述步驟①中所述計算機對縱移平臺和平移平臺的控制方式為以下3種之一:計算機控制縱移平臺在Z軸方向運動、以及控制平移平臺在X軸和/或Y軸方向運動；或計算機控制縱移平臺在Z軸和/或X軸方向運動、以及控制平移平臺在Y軸方向運動；或計算機控制縱移平臺在Z軸和/或Y軸方向運動、以及控制平移平臺在X軸方向運動。上述步驟②中所述光學相干層析成像裝置可以採用頻域光學相干層析成像方法，即:掃頻光源發出寬帶掃頻光，進入到光纖環形，然後進入到光纖耦合器，由光纖耦合器分成兩束光，其中一束由第一偏振控制器和光纖準直器進入反射鏡進行反射後經原路回到光纖耦合器；另一束由第二偏振控制器輸出到系統光纖準直器和二維掃描振鏡進入到掃描物鏡，由掃描物鏡聚焦到於電路板；電路板的反射光經原路回到光纖耦合器；兩路反射光在光纖耦合器中形成幹涉；平衡探測器同時接收光纖環形和探測光纖耦合器返回的幹涉信號後送入計算機，由計算機重建出需檢測的盲孔和/或通孔的三維結構信息。上述步驟②中所述光學相干層析成像裝置也可以採用譜域光學相干層析成像方法，即:寬帶連續光源發出寬帶光譜，經光隔離器進入到光纖耦合器，由光纖耦合器分成兩束，其中一束經第一偏振控制器和第一光纖準直器進入反射鏡，由反射鏡反射後經原路回到光纖耦合器；另一束經第二偏振控制器輸出到系統光纖準直器和二維掃描振鏡進入到掃描物鏡，由掃描物鏡聚焦到電路板，電路板的反射光經原路回到光纖耦合器；兩路反射光在光纖耦合器中形成幹涉；幹涉光經第三偏振控制器、第二光纖準直器進入到光柵後分成各個準單色光，經光譜物鏡聚焦到線掃描相機，線掃描相機的輸出連接計算機，由計算機重建出需檢測的盲孔和/或通孔的三維結構信息。與現有技術相比，本發明利用電機平臺和二維掃描振鏡，對電路板進行二維掃描，並利用光學相干層析技術的層析能力得到電路板上的盲孔或通孔在縱向方向的結構信息，實現大範圍內的三維掃描成像；利用三維結構數據計算出孔尤其是盲孔的深度、上下孔徑、殘膠、底銅破損情況等信息，可以對電路板盲孔或者通孔的質量進行評價，同時對電路板行業的錫膏檢測也有同等作用。


圖1是基於光學相干層析掃描的三維孔形檢測系統原理示意圖。圖2是頻域光學相干層析成像裝置原理圖。圖3是譜域光學相干層析成像裝置原理圖。
具體實施例方式實時例1:—種基於光學相干層析掃描的三維孔形檢測系統，如圖1所不，其主要由光學相干層析成像裝置1、系統光纖準直器4、二維掃描振鏡5、掃描物鏡6、縱移平臺3、平移平臺8和計算機9組成。縱移平臺3和平移平臺8均與計算機9相連，計算機9控制縱移平臺3和平移平臺8的運動。系統光纖準直器4、二維掃描振鏡5、掃描物鏡6固定在縱移平臺3，並跟隨縱移平臺3運動。待測的電路板7放置在平移平臺8上，並跟隨平移平臺8運動。縱移平臺3垂直位於平移平臺8的正上方。光學相干層析成像裝置I與計算機9相連。光學相干層析成像裝置I發出的探測光由光纖2進入系統光纖準直器4，系統光纖準直器4將探測光準直後進入到二維掃描振鏡5進行二維掃描，二維掃描振鏡5輸出的光經掃描物鏡
6進行聚焦後進入放置在平移平臺8上的電路板7，電路板7產生的反射光經原路即依次經掃描物鏡6、二維掃描振鏡5和系統光纖準直器4後返回至光學相干層析成像裝置I,由光學相干層析成像裝置I獲得幹涉信號後送入計算機9。在本實施例中，所述光學相干層析成像裝置I為頻域光學相干層析成像裝置，參見圖2。此時該光學相干層析成像裝置I主要由掃頻光源10、光纖環形11、光纖耦合器12、2個偏振控制器13、17、光纖準直器14、反射鏡15和平衡探測器16組成。掃頻光源10發出寬帶掃頻光，進入到光纖環形11，然後進入到光纖耦合器12，由光纖耦合器12分成兩束光，其中一束由第一偏振控制器13和光纖準直器14進入反射鏡15進行反射後經原路回到光纖率禹合器12。另一束由第二偏振控制器17輸出到系統光纖準直器4和二維掃描振鏡5進入到掃描物鏡6，由掃描物鏡6聚焦到於電路板7。電路板7的反射光經原路回到光纖耦合器12。兩路反射光在光纖耦合器20中形成幹涉。平衡探測器16同時接收光纖環形11和探測光纖耦合器12返回的幹涉信號後送入計算機9。掃頻光源採用Exalos的掃頻光源ESS-840nm_100KHz，其中心波長為840nm，掃描光譜範圍為60nm，掃頻速度為1ΟΟΚΗζ。在根據光學相干層析的橫向解析度計算公式:
權利要求
1.基於光學相干層析掃描的三維孔形檢測系統，其特徵在於: 主要由光學相干層析成像裝置(I)、系統光纖準直器(4)、二維掃描振鏡(5 )、掃描物鏡(6)、縱移平臺(3)、平移平臺(8)和計算機(9)組成； 縱移平臺(3)和平移平臺(8)均與計算機(9)相連，計算機(9)控制縱移平臺(3)和平移平臺(8)的運動；系統光纖準直器(4)、二維掃描振鏡(5)、掃描物鏡(6)固定在縱移平臺(3)，並跟隨縱移平臺(3)運動；待測的電路板(7)放置在平移平臺(8)上，並跟隨平移平臺(8)運動；縱移平臺(3)垂直位於平移平臺(8)的正上方； 光學相干層析成像裝置(I)與計算機(9 )相連；光學相干層析成像裝置(I)發出的探測光由光纖(2)進入系統光纖準直器(4)，系統光纖準直器(4)將探測光準直後進入到二維掃描振鏡(5)進行二維掃描,二維掃描振鏡(5)輸出的光經掃描物鏡(6)進行聚焦後進入放置在平移平臺(8)上的電路板(7)，電路板(7)產生的反射光經原路即依次經掃描物鏡(6)、二維掃描振鏡(5)和系統光纖準直器(4)後返回至光學相干層析成像裝置(I )，由光學相干層析成像裝置(I)獲得幹涉信號後送入計算機(9 )。
2.根據權利要求1所述基於光學相干層析掃描的三維孔形檢測系統，其特徵在於: 縱移平臺(3)和平移平臺(8)的組合為以下3種之一，即: 縱移平臺(3)僅由Z軸運動電機構成時，平移平臺(8)由X軸電機和Y軸運動電機組成； 或縱移平臺(3)由Z軸運動電機和X軸運動電機組成時、平移平臺(8)僅由Y軸運動電機構成； 或縱移平臺(3)由Z軸運動電機和Y軸運動電機組成時、平移平臺(8)僅由X軸運動電機構成。
3.根據權利要求1或2所述基於光學相干層析掃描的三維孔形檢測系統，其特徵在於: 光學相干層析成像裝置(I)為頻域光學相干層析成像裝置，此時該光學相干層析成像裝置(I)主要由掃頻光源(10)、光纖環形(11)、光纖耦合器(12)、2個偏振控制器(13、17)、光纖準直器(14 )、反射鏡(15)和平衡探測器(16 )組成； 掃頻光源(10)發出寬帶掃頻光，進入到光纖環形(11 )，然後進入到光纖耦合器(12)，由光纖I禹合器(12)分成兩束光，其中一束由第一偏振控制器(13)和光纖準直器(14)進入反射鏡(15)進行反射後經原路回到光纖耦合器(12);另一束由第二偏振控制器(17)輸出到系統光纖準直器(4)和二維掃描振鏡(5)進入到掃描物鏡(6),由掃描物鏡(6)聚焦到於電路板(7);電路板(7)的反射光經原路回到光纖耦合器(12);兩路反射光在光纖耦合器(20 )中形成幹涉；平衡探測器(16 )同時接收光纖環形(11)和探測光纖耦合器(12 )返回的幹涉信號後送入計算機(9)。
4.根據權利要求1或2所述基於光學相干層析掃描的三維孔形檢測系統，其特徵在於: 光學相干層析成像裝置(I)為譜域光學相干層析成像裝置，此時該光學相干層析成像裝置(I)主要由寬帶連續光源(18)、光隔離器(19)、光纖耦合器(20)、3個偏振控制器(21、.22、25)、2個光纖準直器(23、26)、反射鏡(24)、光柵(27)、光譜物鏡(28)和線掃描相機(29)組成；寬帶連續光源(18)發出寬帶光譜，經光隔離器(19)進入到光纖耦合器(20)，由光纖耦合器(20)分成兩束，其中一束經第一偏振控制器(21)和第一光纖準直器(23)進入反射鏡(24)，由反射鏡(24)反射後經原路回到光纖耦合器(20);另一束經第二偏振控制器(22)輸出到系統光纖準直器(4)和二維掃描振鏡(5)進入到掃描物鏡(6),由掃描物鏡(6)聚焦到電路板(7)，電路板(7)的反射光經原路回到光纖耦合器(20);兩路反射光在光纖耦合器(20)中形成幹涉；幹涉光經第三偏振控制器(25)、第二光纖準直器(26)進入到光柵(27)後分成各個準單色光，經光譜物鏡(28)聚焦到線掃描相機(29)，線掃描相機(29)的輸出連接計算機(9)。
5.基於光學相干層析掃描的三維孔形檢測系統方法，其特徵是包括如下步驟: ①計算機(9)讀取預先存儲在計算機(9)中待測的電路板(7)上盲孔或通孔的位置信息，並控制縱移平臺(3)和平移平臺(8)運動，讓固定於縱移平臺(3)上的系統光纖準直器(4)、二維掃描振鏡(5)和掃描物鏡(6)對放置在平移平臺(8)上的電路板(7)上的每個盲孔和/或通孔進行逐一掃描； ②對於每個掃描點，光學相干層析成像裝置(I)發出的探測光由光纖(2)進入系統光纖準直器(4)，系統光纖準直器(4)將探測光準直後進入到二維掃描振鏡(5)進行二維掃描，二維掃描振鏡(5)輸出的光經掃描物鏡(6)進行聚焦後進入放置在平移平臺(8)上的電路板(7)，電路板(7)產生的反射光經原路即依次經掃描物鏡(6)、二維掃描振鏡(5)和系統光纖準直器(4)後返回至光學相干層析成像裝置(I )，由光學相干層析成像裝置(I)獲得幹涉信號，由此完成一個掃描點的掃描； ③計算機(9)分別對光學相干層析成像裝置(I)返回的不同盲孔或通孔的幹涉信號進行數據採集並處理，重建出電路板(7)上每個盲孔和/或通孔的三維結構信息； ④計算機(9)根據三維結構信息，經圖像處理後得到每個盲孔和/或通孔的深度、上下孔徑、殘膠、底銅破損情 況及其相關信息，判斷電路板上(7)的盲孔或通孔的質量。
6.根據權利要求5所述基於光學相干層析掃描的三維孔形檢測方法，其特徵是步驟①中所述計算機(9)對縱移平臺(3)和平移平臺(8)的控制方式為以下3種之一: 計算機(9)控制縱移平臺(3)在Z軸方向運動、以及控制平移平臺(8)在X軸和/或Y軸方向運動； 或計算機(9)控制縱移平臺(3)在Z軸和/或X軸方向運動、以及控制平移平臺(8)在Y軸方向運動； 或計算機(9)控制縱移平臺(3)在Z軸和/或Y軸方向運動、以及控制平移平臺(8)在X軸方向運動。
7.根據權利要求5或6所述基於光學相干層析掃描的三維孔形檢測方法，其特徵是步驟②中所述光學相干層析成像裝置(I)採用頻域光學相干層析成像方法，即: 掃頻光源(10)發出寬帶掃頻光，進入到光纖環形(11 )，然後進入到光纖耦合器(12)，由光纖I禹合器(12)分成兩束光，其中一束由第一偏振控制器(13)和光纖準直器(14)進入反射鏡(15)進行反射後經原路回到光纖耦合器(12);另一束由第二偏振控制器(17)輸出到系統光纖準直器(4)和二維掃描振鏡(5)進入到掃描物鏡(6),由掃描物鏡(6)聚焦到於電路板(7);電路板(7)的反射光經原路回到光纖耦合器(12);兩路反射光在光纖耦合器(20 )中形成幹涉；平衡探測器(16 )同時接收光纖環形(11)和探測光纖耦合器(12 )返回的幹涉信號後送入計算機(9)，由計算機(9)重建出需檢測的盲孔和/或通孔的三維結構信肩、O
8.根據權利要求5或6所述基於光學相干層析掃描的三維孔形檢測方法，其特徵是步驟②中所述光學相干層析成像裝置(I)採用譜域光學相干層析成像方法，即:寬帶連續光源(18)發出寬帶光譜，經光隔離器(19)進入到光纖耦合器(20)，由光纖耦合器(20 )分成兩束，其中一束經第一偏振控制器(21)和第一光纖準直器(23 )進入反射鏡(24)，由反射鏡(24)反射後經原路回到光纖耦合器(20);另一束經第二偏振控制器(22)輸出到系統光纖準直器(4)和二維掃描振鏡(5)進入到掃描物鏡(6),由掃描物鏡(6)聚焦到電路板(7)，電路板(7)的反射光經原路回到光纖耦合器(20);兩路反射光在光纖耦合器(20)中形成幹涉；幹涉光經第三偏振控制器(25)、第二光纖準直器(26)進入到光柵(27)後分成各個準單色光，經光譜物鏡(28)聚焦到線掃描相機(29)，線掃描相機(29)的輸出連接計算機(9)，由計算機(9)重建 出需檢測的盲孔和/或通孔的三維結構信息。
全文摘要
本發明公開一種基於光學相干層析掃描的三維孔形檢測方法及系統，其通過利用光學相干層析掃描的方法，直接得到電路板的盲孔或通孔的三維結構圖像，經過圖像處理後得到孔尤其是盲孔的深度、上下孔徑、殘膠、底銅破損等信息，可以對盲孔或通孔的質量進行自動化檢測及評價，具有測量精度高、測量結果可靠性高、成本低、速度快等特點。
文檔編號G01B11/22GK103115580SQ20131002481
公開日2013年5月22日 申請日期2013年1月23日 優先權日2013年1月23日
發明者劉茂珍, 李喜錦, 李育華 申請人:劉茂珍, 李喜錦, 李育華