CN102200431B

CN102200431B - 测量立体物件的系统

Info

Publication number: CN102200431B
Application number: CN 201010133197
Authority: CN
Inventors: 温光溥; 林栋�; 余良彬
Original assignee: TRI TEST RESEARCH Inc
Current assignee: TRI TEST RESEARCH Inc
Priority date: 2010-03-26
Filing date: 2010-03-26
Publication date: 2013-10-02
Anticipated expiration: 2030-03-26
Also published as: CN102200431A

Abstract

测量立体物件的系统。该系统包括基座、平面扫描装置设于基座上、第一、第二光源发射装置、影像撷取装置及控制装置，第一、第二光源发射装置及影像撷取装置连结于平面扫描装置上，控制装置控制平面扫描装置进行平面运动，第一与第二光源发射装置分别交错轮替地投射光源至物件上，控制影像撷取装置撷取物件的影像；第一光源发射装置包括第一发光件及第一镜头，第一发光件投射第一光源至物件上；第二光源发射装置包括第二发光件及第二镜头，第二发光件投射第二光源至物件上；当第一或第二光源投射至物件用以撷取物件的多个影像，影像撷取装置位于第一与第二光源发射装置之间，包括感应芯片模块及远心镜头。本发明可避免动态加减速变化。

Description

测量立体物件的系统

技术领域

本发明涉及一种测量系统，尤其是一种关于测量立体物件的系统。

背景技术

立体物件的测量通常需要靠包含有“投影装置”及“成像装置”的光学系统。简言之，投影装置是将结构光投射在立体物件，使其产生结构光影，成像装置则是对立体物件照像，并同时拍摄该立体物件的结构光影，藉此计算立体物件的高度并以3D影像显示。

将3D测量技术应用于电路板制造检测，以提升生产效率的做法，现已日益普遍。为了获得3D信息，目前的一种作法是，将周期性条纹(Periodic fringe pattern)投射于待测物件上。藉由移动改变该周期性条纹相位数次，并获取从一位置对应不同条纹相位的影像。其主要原理是利用光源通过光栅，经由镜组将所形成的条纹投射至待测物件。藉由移动光栅本身或以投影系统与物件间作相对位移，达到调制条纹的相位。以此来估算待测物件的地貌信息的技术。这些技术早已公开，例如美国专利第4212073与4641972号中所公开的。

在上述文献中，周期性条纹由光源、正弦光栅(Sinusoidal Grating)以及投影镜组，构成投影装置而产生，并藉此投影至待测物件的特定区域表面。为了调制该周期性条纹相对于待测物件的表面的相位，可藉由机构移动光栅而达到，这些技术亦已于美国专利第5636025及7453580号中公开。另外，还可藉由改变投影装置与待测物件的特定区域间的相对距离进行相位调整，例如美国专利第5646433、6501554、6509559、7397550以及6750899等号的内容所示。

请参考图1公知的光学系统100，其是以Tri-linear(三线的)相机作为成像装置15。投影系统18产生周期条纹16a-16c并投影至待测物件14之上，且成像于成像装置15。条纹16a、16b、16c分别为不同相位的条纹，而成像装置15是由数条线型传感器15a、15b以及15c所构成。线型传感器15a、15b以及15c彼此之间相隔数个像素距离。待测物件14相对于光学系统100进行移动，如箭头200方向所示，以进行相位调制。条纹16a的照射区域可成像于15a；当照射区域移至16b时，可成像于15b，而移动至16c时，可成像于15c。如此可得到同一待测物件不同条纹相位及不同区域的数张影像信息，并据以获致单一条线型传感器大小的3D信息，再配合连续逐条扫描(Line scan)加以合成面区域的地貌信息。

然而，上述的技术受限于Tri-linear相机的带宽，也就是“成像装置”是以取像视野(field of view；FOV)为单位。由于上述技术的相机线频率(Line rate)达数千赫兹，难以使用闪光灯源而必须选用恒定灯源，其消耗功率远大于闪光灯源，且使用期限较短而维护费用较高。

此外，美国专利第6750899号公开另一种产生3D影像的方式，其系统架构如图2A所示。投影系统81包含闪光灯82、收光镜83、光栅84以及投影镜头85，藉以产生条纹投影至待测机板86以及其待测物件87。成像系统88包含CCD相机89与镜头93，CCD分辨率为1024X1024。外部光源97投射光点至待测机板86上与CCD相机89光轴交会之处，由CCD相机89取像并藉以计算待测机板86与取像系统88间的距离。

待测机板86由XY轴承系统95控制移动。请同时参考图2B，移动方向如箭头300所示。当待测机板86移动至待测区域后，光源97触发并由CCD相机89取像并调整成像距离。如图2B所示，先取像801，然后依序取像802、803、804。其中，所取得的影像间的位移约为数个像素，所有取像在数毫秒内完成。分别取出影像802、803、804中对应于重合区域为800的部分影像，即可计算该重合区域800内的3D信息。

实际上，在不同待测区域间移动时的速度，与取像时的速度并不一致，故此类系统仍有动态加减速下需要时间稳定的问题；此外，一群影像间仅有重合部分能够用来计算3D数据，其余部分无法使用。以上均造成相机带宽上的浪费。

由于生产成本的问题，电路板上单位面积的组件覆盖率日渐变高，愈来愈有必要进行整板扫描检测，以使生产线上产能及产率不断地提升。因此，检测机台不仅需要具备良好检测能力，而且在检测速度上相对的必须有更大的突破，方可应付市场所需。

此外，虽然公知技术已经公开利用远心镜头作为投影装置，例如美国专利第6577405号中所公开的，由于其还必须外加测量待测物距离的硬件如激光光点，并且须移动/改变整组光学系统与待测物间的距离以获得清楚的成像。如此一来，就会使得机台无法克服运动极限。

发明内容

本发明的主要目的是在提供一种测量立体物件的系统，该系统的移动可避免动态加减速变化。

本发明的另一目的是在提供一种测量立体物件的系统，该系统可减少影像之间的无效区域，以发挥相机的最大带宽。

本发明的再一目的是在提供一种测量立体物件的系统，其可满足高检测速度的需求。

为达到上述的目的，本发明公开一种测量立体物件的系统，用以测量一立体物件，该测量立体物件的系统包括一基座、一平面扫描装置、一第一光源发射装置、一第二光源发射装置、一影像撷取装置以及一控制装置，平面扫描装置设于该基座上，影像撷取装置位于该第一光源发射装置与该第二光源发射装置之间，其中该影像撷取装置包括一感应芯片模块及一远心镜头，第一光源发射装置连结于该平面扫描装置上，第二光源发射装置连结于该平面扫描装置上，影像撷取装置连结于该平面扫描装置上，当该第一光源或该第二光源投射至该立体物件时，影像撷取装置撷取该立体物件的多个影像；该第二光源发射装置包括一第二发光件及一第二镜头，使得该第二发光件通过该第二镜头投射一第二光源至该立体物件上；该第一光源发射装置包括一第一发光件及一第一镜头，使得该第一发光件通过该第一镜头投射一第一光源至该立体物件上；该控制装置用以控制该平面扫描装置相对于该基座进行一平面运动；控制该第一光源发射装置及该第二光源发射装置，使得该第一光源与该第二光源以交错轮替地投射至该立体物件上；控制该影像撷取装置，使得当该第一光源或该第二光源投射至该立体物件时，控制该影像撷取装置撷取该立体物件的影像。

在实施例中，第一、二光源发射装置采用投影镜头，而影像撷取装置采用远心镜头，而且此远心镜头采用双面远心镜头。

控制装置包括有存储器、处理器、影像接口、显示屏幕以及输入/输出(I/O)单元彼此电性相连，以控制该平面扫描装置相对于该基座进行平面运动。进一步而言，测量立体物件的系统还包括有马达，该马达与控制装置的I/O单元电性相连，以驱动该平面扫描装置进行平面运动。

控制装置还可控制第一光源发射装置及第二光源发射装置，使得第一光源与第二光源以交错轮替地投射至立体物件上。

此外，控制装置还控制该影像撷取装置，当第一光源或第二光源投射至立体物件时，该影像撷取装置撷取该立体物件的影像。

本发明所公开的检测技术与系统，可避免动态加减速变化，并同时减少影像之间的无效区域，以发挥影像撷取装置(例如相机)的最大带宽，进而满足更高检测速度的需求。

附图说明

图1为公知的光学系统架构示意图。

图2A为公知的光学系统外观示意图。

图2B为依据图2A的光学系统，显示其连续拍摄影像的示意图。

图3显示本发明“测量立体物件的系统”的外观示意图。

图4显示本发明“测量立体物件的系统”的方框架构图。

图5显示光源发射装置及影像撷取装置的示意图。

主要组件符号说明：

公知的光学系统100 成像装置15

投影系统18 条纹36a-36c、16a-16c

待测物件14 线型传感器15a、15b、15c

移动方向箭头200、300 投影系统81

闪光灯82 收光镜83

光栅84 投影镜头85

待测机板86 待测物件87

成像系统88 CCD相机89

镜头93 光源97

影像801、802、803、804 重合区域800

测量立体物件的系统1 基座20

平面扫描装置30 主体31

影像撷取装置70 感应芯片模块71

远心镜头72

第一光源发射装置40 第一光源41

第一发光件42 第一镜头43

第二光源发射装置50 第二光源51

第二发光件52 第二镜头53

光栅组件43a、53a 中心轴线40a、50a、70a

立体物件90

控制装置60 存储器61

处理器62 显示屏幕63

I/O单元64 马达65

影像接口66

具体实施方式

为能让审查员更了解本发明的技术内容，特举较佳具体实施例说明如下。

请同时参考图3及图4，其分别显示本发明“测量立体物件的系统”的外观示意图及方框架构图。本发明的测量立体物件的系统1用以测量一立体物件90(例如已图布锡膏的电路版)。该测量立体物件的系统1包括一基座20、一平面扫描装置30、一第一光源发射装置40、一第二光源发射装置50、一影像撷取装置70以及一控制装置60(将在以下图4详述)。

平面扫描装置30设于该基座20上，平面扫描装置30相对于该基座20可进行平面运动，在本实施例中，平面扫描装置30包含一主体31、一X轴轨道30b以及两个Y轴轨道30a。第一、第二光源发射装置40、50以及影像撷取装置70设于主体31内，而主体31能在X轴轨道30b上移动，X轴轨道30b能在两个Y轴轨道30a上移动。简言之，第一、第二光源发射装置40、50以及影像撷取装置70连结于该平面扫描装置30上，而平面扫描装置30的重点就是带动第一、第二光源发射装置40、50以及影像撷取装置70进行平面运动。由于平面扫描装置30为一成熟机构，在此不再赘述。

第一光源发射装置40用以投射一第一光源41至立体物件90上，而第二光源发射装置50用以投射一第二光源51至立体物件90上，当该第一光源41或该第二光源51投射至立体物件90时，影像撷取装置70撷取该立体物件90的影像。

请参考图5，关于第一、第二光源发射装置40、50以及影像撷取装置70的结构示意图。

第一光源发射装置40包括一第一发光件42及一第一镜头43，使得该第一发光件42通过该第一镜头43投射一第一光源41至该立体物件90上。此外，如本领域技术人员所知悉的，第一光源发射装置40还需要一光栅组件43a将光栅投影成像在该立体物件90上，以利于计算立体物件90的3D地貌信息。在本实施例中第一镜头43采用投影镜头。

第二光源发射装置50与第一光源发射装置40设计相同，第二光源发射装置50包括一第二发光件52及一第二镜头53，使得该第二发光件52通过该第二镜头53投射一第二光源51至该立体物件90上。此外，如本领域技术人员所知悉的，第二光源发射装置50还需要一光栅组件53a将光栅投影成像在该立体物件90上，以利于计算立体物件90的3D地貌信息。在本实施例中第二镜头53采用投影镜头。

影像撷取装置70位于第一、第二光源发射装置40、50之间，影像撷取装置70的中心轴线70a与第一光源发射装置40的中心轴线40a的夹角θ₁，以及与第二光源发射装置50的中心轴线50a的夹角θ₂建议为10度至45度之间。影像撷取装置70主要包括一感应芯片模块71及一远心镜头(Telecentric)72。而远心镜头72在本实施例中采用双面远心镜头，因此不必外加硬件测量立体物件90与影像撷取装置70之间的动态距离，并只须移动影像撷取装置70(亦即相机)的感应芯片模块71，立体物件90即可得清楚地取得动态成像，且光学成像倍率并不会动态改变。

举例而言，立体物件90可以是一待检测的电路板，将电路板放置在基座20上，利用平面扫描装置30相对于该基座20进行平面运动，使第一光源发射装置40、第二光源发射装置50以及影像撷取装置70亦相对于该基座20进行平面运动；例如沿着X方向来回往返并沿着Y方向行进。因此位于基座20上的电路板即得以利用本发明的系统1进行测量，以检测该电路板上的焊锡点质量是否有瑕疵。

请参考图4，一般而言，控制装置60包括有存储器61、处理器(CPU)62、影像接口66、显示屏幕63以及输入/输出(I/O)单元64彼此电性相连，以控制该平面扫描装置30相对于基座20进行平面运动。进一步而言，测量立体物件的系统1还包括有马达65，该马达65与控制装置的I/O单元64电性相连，以驱动该平面扫描装置30进行平面运动。

存储器61储存有软件程序，并通过处理器62执行该软件程序达到各项控制。因此控制装置60可控制该影像撷取装置70撷取影像，当第一光源41或第二光源51投射至立体物件90时，影像撷取装置70撷取该立体物件90的影像，并通过影像接口66将影像显示在显示屏幕63。

另外控制装置60还可控制第一光源发射装置40及第二光源发射装置50，使得第一光源41与第二光源51以交错轮替地投射至立体物件90上，譬如控制装置60控制交错轮替投射光源的频率为2Hz至1000Hz。藉此所采用等速区域型逐行扫描(Area Progressive Scan)的方式，取像时间内无动态加减速的变化，并同时减少影像之间的无效区域(只剩每行头尾过度扫描区段)，以发挥影像撷取装置(例如相机)的最大带宽，进而满足更高检测速度的需求。

由于本发明影像取像采用“双面远心镜头”因此不必外加硬件测量距离，只须移动影像撷取装置(相机)的感应芯片模块，立体物件即可得清楚成像，且光学成像倍率不会改变。

如上所述，本发明所公开的检测技术与系统，可避免动态加减速变化，并同时减少影像之间的无效区域，以发挥影像撷取装置(例如相机)的最大带宽，进而满足更高检测速度的需求。

综上所陈，本发明无论就目的、手段及功效，处处均显示其迥异于公知技术的特征，恳请审查员明察，早日赐准专利，使嘉惠社会，实感德便。惟应注意的是，上述诸多实施例仅是为了便于说明而举例而已，本发明所要求保护的权利范围自然应当以权利要求书的范围所述为准，而非仅限于上述实施例。

Claims

1.一种测量立体物件的系统，用以测量一立体物件(90)，该测量立体物件的系统(1)包括：

一基座(20)；

一平面扫描装置(30)，该平面扫描装置(30)设于该基座(20)上；

一第一光源发射装置(40)，该第一光源发射装置(40)连结于该平面扫描装置(30)上，该第一光源发射装置(40)包括一第一发光件(42)及一第一镜头(43)，使得该第一发光件(42)通过该第一镜头(43)投射一第一光源(41)至该立体物件(90)上；

一第二光源发射装置(50)，该第二光源发射装置(50)连结于该平面扫描装置(30)上，该第二光源发射装置(50)包括一第二发光件(52)及一第二镜头(53)，使得该第二发光件(52)通过该第二镜头(53)投射一第二光源(51)至该立体物件(90)上；

一影像撷取装置(70)，该影像撷取装置(70)连结于该平面扫描装置(30)上，当该第一光源(41)或该第二光源(51)投射至该立体物件(90)时用以撷取该立体物件(90)的多个影像，其中该影像撷取装置(70)位于该第一光源发射装置(40)与该第二光源发射装置(50)之间，其中该影像撷取装置(70)包括一感应芯片模块(71)及一远心镜头(72)；

一控制装置(60)，该控制装置(60)用以控制该平面扫描装置(30)相对于该基座(20)进行一平面运动；控制该第一光源发射装置(40)及该第二光源发射装置(50)，使得该第一光源(41)与该第二光源(51)以交错轮替地投射至该立体物件(90)上；控制该影像撷取装置(70)，使得当该第一光源(41)或该第二光源(51)投射至该立体物件(90)时，控制该影像撷取装置(70)撷取该立体物件(90)的影像；

其中，该第一光源发射装置(40)需要一第一光栅组件(43a)且该第二光源发射装置(50)需要一第二光栅组件(53a)将光栅投影成像在该立体物件(90)上。

2.如权利要求1所述的测量立体物件的系统，其中该远心镜头(72)为一双面远心镜头。

3.如权利要求2所述的测量立体物件的系统，其中该第一镜头(43)以及该第二镜头(53)皆为一投影镜头。

4.如权利要求3所述的测量立体物件的系统，其中该第一光源发射装置(40)的中心轴线(40a)与该影像撷取装置(70)的中心轴线(70a)之间具有一夹角，且该夹角为10度至45度。

5.如权利要求4所述的测量立体物件的系统，其中该第二光源发射装置(50)的中心轴线(50a)与该影像撷取装置70的中心轴线(70a)之间具有一夹角，且该夹角为10度至45度。

6.如权利要求5所述的测量立体物件的系统，其中该第一光源(41)与该第二光源(51)交错轮替地投射至该立体物件(90)上的频率为2Hz至1000Hz。

7.如权利要求6所述的测量立体物件的系统，其中平面扫描装置(30)还包括一主体(31)，而第一、第二光源发射装置(40)、(50)以及影像撷取装置(70)设于主体(31)内。

8.如权利要求7所述的测量立体物件的系统，其中平面扫描装置(30)还包括一X轴轨道(30b)及两个Y轴轨道(30a)，而主体(31)能在X轴轨道(30b)上移动，且X轴轨道(30b)能在两个Y轴轨道(30a)上移动。

9.如权利要求6所述的测量立体物件的系统，其中该平面扫描装置(30)相对于该基座(20)进行的该平面运动实质为等速运动。