利用高速三维检测技术克服高精度光学挑战

在这次采访中，来自CyberOptics公司的Tim Skunes向AZoM介绍了他们的3D光学检测技术，以及如何使用它来解决SMT电子制造中的挑战。

您能否为我们的读者提供CyberOptics的历史概况，并解释该公司自1984年成立以来是如何发展的?

CyberOptics由已故的Steve Case博士于1984年创立，第一个办事处位于明尼阿波利斯。该公司最初的产品是基于激光的非接触式3D传感器，可以直接与计算机连接。

CyberOptics的第一个产品是点距传感器，具有三维微测量能力，广泛应用于速度、精度和测量可变形材料的能力，这是非常重要的。欧洲杯足球竞彩点距离传感器是第一个商用“数字”距离传感器，并采用了创新的探测器技术。

CyberOptics的第一代多重反射抑制(MRS)技术是通过这种新的数字探测器技术和在个人计算机上处理图像的能力实现的。非接触测量具有挑战性的计量应用，如螺纹紧固件、隐形眼镜、混合陶瓷电子电路和逆向CAD，现在可以在商业系统中实现。

20世纪80年代末，摩托罗拉、IBM、惠普和数字设备公司等公司正在开发下一代印刷电路板技术，称为表面贴装技术(SMT)。2020欧洲杯下注官网Steve指出，CyberOptics的传感器和自动扫描系统越来越多地用于SMT工艺开发，如SMT封装的锡膏印刷和铅共面度测量。

随着SMT组装技术成为主流，CyberOptics在整个20世纪90年代开发了许多应用特定的SMT 3D测量系统，如称为激光切片显微镜(LSM)的台式锡膏测量系统和用于铅共面度测量的激光铅定位器。

在此期间，CyberOptics还开发了一系列嵌入式传感器，称为LaserAlign，至今仍广泛应用于SMT取放系统中的高速视觉引导机器人装配应用。

在20世纪90年代末，CyberOptics引入了一些高速3D锡膏检测系统，可以直接安装到自动化SMT生产线上进行缺陷检测和过程控制。1999年，该公司收购了一项最初由曼彻斯特大学开发的强大机器视觉技术。这种新技术使CyberOptics能够创建一个自动光学检测(AOI)系统，用于SMT生产线的另一个步骤。

除了表面贴装技术(SMT)市场，该公司还为半导体市场开发和销售专有测量设备，目前在全球大多数主要晶圆厂和设备oem上都有业务。2020欧洲杯下注官网

从那时起，CyberOptics就不断投入研发，通过技术领先、丰富的行业经验和全球支持网络，专注于提供质量检测解决方案和测量设备。

2014年，Subodh Kulkarni博士加入总统并担任首席执行官，推动公司的技术领导努力。在同年收购LDI之后，CyberOptics也进入了3D扫描和计量市场，以利用其高精度3D传感器技术进入公司的第三个关键市场。

今天，CyberOptics是全球高精度传感解决方案的领导者，利用SMT、3D扫描和半导体市场的技术。

你能解释一下大多数3D检测技术系统工作的基本原理吗?

目前有许多重要的三维光学检测技术，包括白光干涉测量、共聚焦扫描和结构光三角测量。

CyberOptics工业检测系统通常使用结构光三角测量，将一系列结构光模式投影到测量区域，然后由高速摄像机成像，从不同方向观察测量区域。被测物体会使成像图像发生畸变，利用相移轮廓术的原理可以精确地计算出被测物体的三维形状。

例如，条纹图案斜投影到图1中包含矩形块的测量区域上。投射的光被漫反射，然后图案被摄像机从不同的方向成像，而不是投影仪。条纹图案图像被如图2所示的矩形块的高度所扭曲。

相移轮廓术具有无与伦比的速度和精度的结合，当设计合理时，允许亚微米的测量精度和每秒超过5000万个三维测点的检测率。

图1所示。条纹图案投影到测量区域

图2。边缘图像失真

你能概述一下在检查SMT组件时存在的主要检查挑战吗?

由于SMT应用的不同性质以及检验过程和质量要求，在检验SMT组件时存在许多检验挑战。高质量3D检测的一些最常见的障碍是高部件、高反射表面、建模复杂的三维形状和检测速度要求。

高组件是如何产生阴影效果的?为什么这是3D传感系统的一个问题?高大的部件还会带来哪些挑战?

许多SMT组件，特别是在汽车和工业环境中，包含可以超过30mm高的电容器和连接器。三角测量传感角度需要提供足够的高度精度，将有盲区的电路板附近这些高大的组件。在这种情况下，阴影效应是一个真正需要关注的问题，如下图所示。

图3。跟踪组件

由于有时需要检查高部件的底部附近，克服“盲点”的能力变得至关重要。

高频图形的投影是为了满足小部件和焊点等特征的检测精度要求。然而，高频模式消失的焦点很快和完全模糊的高组件。因此，一些额外的、更粗的频率模式经常被投射出来，以测量大范围的特征大小。

为什么反光表面在检查SMT组件时是一个挑战?

高反射表面提出了几个挑战SMT检查。例如，焊点的镜面表面会产生闪烁，从而导致相机饱和。其他类似镜面的表面可能主要将光线从相机视野中直接照射出去，从而产生极低的信噪比。高反射表面也增加了多次反射的严重程度和可能性。图4显示了一个示例。

图4。高反射焊点之间的多次反射

您能解释一下传感器结构在克服与多次反射相关的检测挑战方面是如何至关重要的吗?

多重反射干扰条纹图案，导致错误的高度测量，除非它们的影响可以被抑制。以测量点A观测到的条纹图为例，如图5所示，条纹图受到蓝色投影图案的直接照射，而b点散射光的间接照射。到达A点的间接照射对条纹图图像产生了干扰。

图5。多次反射

三维相移轮廓测量系统通过仔细分析来自多个相机和多个条纹模式频率和方向的图像数据集，能够抑制由多次反射引起的潜在高度测量误差。

对于高部件和连接器(例如25毫米高)，需要低频和高频图样，以便展开条纹图样相位并确定绝对高度。然而，来自较低频率模式的多径反射会严重破坏如图6所示的报告相位。

在这里，多重反射增加了连贯的直接反射。给出了可能的高度误差，并受直接反射和多径反射的相对强度的影响。对于密集的组件和高反射特性，这些影响也更为严重。

图6。低频率模式的多径反射

一般来说，当没有多径反射时，来自高条纹对比度位置的数据是最可靠的。然而，来自低频图案的多径效应也有高条纹对比度，但可以严重破坏如图6所示的报告相位。

高频条纹图案的多径反射如图7所示。来自多个位置的多次反射不相干地叠加，降低了条纹对比度，但对相位的干扰很小。

图7。更高频率模式的多路径反射

由于每个斜视角相机将受到多重反射的不同影响，从不同的斜视角相机单独报告的高度将因多重反射的位置而不同。这一事实可用于分析识别多次反射区域。

为了抑制多次反射的影响，对每个斜视相机的每个频率模式分析了丰富的条纹对比度、有效表面反射率和计算相位数据集。这些数据被合并或融合在一起，以抑制严重的多径反射的干扰。

平行三维感知与单一三维感知有何不同?如何利用并行3D传感来提高图像采集速度?

通常限制3D相移轮廓法检测速度的两个因素是图像采集时间和处理采集图像的时间量。例如，一个典型的3D相移轮廓术结构包括一个摄像机和多个投影仪来处理来自高组件的阴影。

该体系结构的一种常见方法是依次从四个投影方向获得32幅或更多具有多个频率的不同条纹图案的图像。

为了满足提高采集速度的要求，可以使用单个条纹投影仪和多个斜视摄像机(如图8所示)构建3D相移轮廓术系统，从而能够同时采集特定条纹图案的图像。这导致了图像采集的并行化程度，图像采集时间通常减少了4倍。

图8。传感器结构

同时，整个3D视野完全被垂直投影仪照亮，没有阴影区域。投影的条纹然后被同时成像的斜视图相机，如图9所示。

图9。垂直投影与斜视图摄像机

尽管多摄像头架构具有巨大的速度优势，但从图9中可以看出，给定摄像头像素的X、Y坐标是Z高度的函数。

为了克服这一挑战，3D相移轮廓测量系统必须在整个Z测量范围内精确校准每个相机中的每个像素的X、Y位置。这基本上相当于为每个相机像素校准光线斜率。如果校准是准确的，那么X, Y位置可以明确解码到微米级精度。

你能解释一下主成分分析的基本概念吗?为什么这对高度信息的精确建模很重要?

复杂的三维形状很难用几何模型来描述，因为随着复杂性的增加，参数的数量往往呈指数级增长。此外，为了正确地使用参数模型检查复杂的形状，需要为这些众多参数中的每一个分配标称值和公差，这很快就会因为参数数量过多而变得不切实际。

存在更合适的技术来建模复杂形状，如主成分分析(PCA)，这是一种数学技术，用于提供一组观测数据的紧凑表示。主成分分析利用复杂形状三维图像的小样本训练集，自动发现和建模复杂形状的重要属性以及这些属性的允许容差。

PCA比较受欢迎的应用是人脸识别软件，它可以自动学习人脸的关键属性，即使在做出不同的表情时也能“识别”人脸。图10所示的PCA模拟了眉间(眉毛之间平坦的区域)与鼻子长度之间的关系。对于这张特殊的脸，超出了这种关系的规范将无法被识别。

图10。人脸的PCA

主成分分析还可以应用于3D AOI检测系统的高度图像，以“了解”电子组件的各种特征的3D形状，如封装体、引线、极性凹陷和焊点圆角。

然后，在检测过程中，可以将PCA模型应用于每个特征，以验证该特征的3D形状，并在特征与PCA模型建立的允许公差不匹配时标记该特征。

这种模型训练不需要明确指定这些参数。能够用最少的编程量来描述复杂的形状特征，对于减少操作3D AOI检测系统的开销至关重要。

读者可以从哪里获得更多关于CyberOptics的高精度传感技术解决方案的信息?

CyberOptics在生产速度上的高精度精度是架构上优越的多视图3D传感器、专有的多反射抑制(MRS)技术和人工智能的结合²建模技术。看视频了解更多有关我们的3D AOI解决方案。

有关我们全面的检测解决方案的信息可在CyberOptics网站-www.cyberoptics.com．

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对蒂姆Skunes

Tim Skunes，自2010年5月起担任CyberOptics Corporation的技术和业务发展副总裁，自1987年以来一直在公司任职。

他拥有明尼苏达大学光学与电气工程硕士学位，并拥有26项光学测量系统、光学制造和光纤器件的美国专利。