CN111521614B - 量测孔状结构的自动光学检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种量测孔状结构的自动光学检测系统，包括一光源装置、一远心镜头摄影机以及一图像处理装置。所述光源装置提供至一待测物的一孔状结构，其中所述孔状结构包括一壁特性区域与一面特性区域。所述远心镜头摄影机朝向所述孔状结构，用以获得所述孔状结构的影像，其中所述远心镜头摄影机具有一收光锥角。所述图像处理装置根据所述孔状结构影像的影像特征差异，判断所述孔状结构影像上的所述壁特性区域与所述面特性区域。

Description

量测孔状结构的自动光学检测系统

技术领域

本发明涉及一种自动光学检测系统，特别是指一种量测孔状结构的自动光学检测系统。

背景技术

自动光学检查(Automated Optical Inspection,AOI)，为运用机器视觉做为检测标准技术，通过机器视觉取代传统人眼辨识以达到高精密度及高效率的检测，作为改良传统上以人力使用光学仪器进行检测的缺点，应用层面包括从高科技产业之研发、制造品管、民生、医疗、环保、电力等领域。

在光学检测领域中，复杂表面的检测相对平滑表面较为困难，针对平面不可视的缺陷(例如盲孔、穿孔的内侧壁面缺陷)，难以由传统的光学方式(例如平面拍摄)进行检测，这类的缺陷通常需要针对影像捕获设备的相对位置及拍摄角度进行调整，且必须针对每一个目标区域逐一进行拍摄，以致于在进行这类的检测时非常的耗时耗功，难以达到相应的效率。

发明内容

本发明的目的是提供一种通过双色效应量测孔状结构的自动光学检测系统，包括一光源装置、一远心镜头摄影机以及一图像处理装置。该光源装置提供至一待测物的一孔状结构，其中该孔状结构包括一壁特性区域与一面特性区域。该远心镜头摄影机朝向该孔状结构，用以获得孔状结构的影像，其中该远心镜头摄影机具有一收光锥角。该图像处理装置根据该孔状结构的影像的影像特征差异，判断该孔状结构影像上的该壁特性区域与该面特性区域。

优选的是，其中该影像特征差异包括一亮度特征差异。

优选的是，其中该光源装置包含一具准直特性光源和/或一具漫射特性光源，提供至该孔状结构。

优选的是，其中该具准直特性光源或该具漫射特性光源包含白色光源、蓝色光源、红色光源。

优选的是，其中该具准直特性光源用以提供具准直特性光至该孔状结构，使该面特性区域呈现该影像特征差异。

优选的是，其中该具漫射特性光源用以提供具漫射特性光至该孔状结构，使该壁特性区域呈现该影像特征差异。

优选的是，其中该具漫射特性光源包括：

一个或多个发光单元；以及

一灯罩，设置于该发光单元外侧，其中该灯罩的反射面具有漫反射结构或漫反射材料。

优选的是，其中该光源装置包含一第一光源与一第二光源，其中该第一光源与该第二光源具有不同的光谱特性；

其中该第一光源，用以提供至该孔状结构，使该面特性区域呈现该影像特征差异；

其中该第二光源，用以提供至该孔状结构，使该壁特性区域呈现该影像特征差异。

优选的是，其中该第一光源或该第二光源包含白色光源、蓝色光源、红色光源。

优选的是，其中该影像特征差异包括亮度特征差异及色度特征差异。

优选的是，其中该图像处理装置根据该影像特征差异，判断该孔状结构影像上的该壁特性区域的面积与位置以及该面特性区域的面积与位置。

优选的是，其中该图像处理装置根据该面特性区域的面积与位置以及该壁特性区域的面积与位置进行影像检测，进一步产生一影像检测结果。

优选的是，其中该影像检测结果包括孔口形状检测、孔底质量检测、孔壁质量检测或孔底与孔壁连接处质量检测。

优选的是，其中该面特性区域包含该孔状结构的一孔底区域和/或一新生截面区域。

优选的是，其中该影像检测结果包含判断该孔状结构是否出现该新生截面区域。

优选的是，其中该影像检测结果包含判断该新生截面区域的高度。

优选的是，其中该待测物为印刷电路板。

本发明可以利用孔状结构的面特性区域或壁特性区域的差异，通过调整镜头的数值孔径，在影像上会产生不同的亮度差异，因此可以观察出侧壁与孔底/新生截面。

本发明通过远心镜头摄影机拍摄待测物孔状结构的影像，用以获得等倍率的孔状结构的影像，避免拍摄孔状结构时因距离不同产生的影像畸变的问题，降低演算的难度。

本发明通过远心镜头摄影机拍摄待测物孔状结构的影像时，可以解决待测物影像因视角因素导致的不对称以及待测物远近造成放大倍率不一致的问题，由此摄影机不管在左右上下拍摄都可以获得一致的影像。

附图说明

图1为本发明中自动光学检测系统的方块示意图。

图2为本发明中第一实施例的外观示意图。

图3为本发明中第二实施例的外观示意图。

图4为待测物孔状结构的影像示意图(一)。

图5为待测物孔状结构的影像示意图(二)。

图6为待测物孔状结构的影像示意图(三)。

图7为待测物孔状结构的影像示意图(四)。

图8为孔状结构的局部放大示意图。

附图标记说明：

100 自动光学检测系统

10 光源装置

11 具准直特性光源

111 发光单元

112 分光镜

12 具漫射特性光源

121 发光单元

122 灯罩

123 倾斜均光罩

124 发光单元

20 远心镜头摄影机

21 远心镜头

22 感光组件

30 图像处理装置

P 待测物

H 孔状结构

H1 壁特性区域

H1A 壁特性区域的面积

H2 面特性区域

H2A 面特性区域的面积

H3 新生截面区域

H4 新生截面区域

H5 新生截面区域

H6 新生截面区域

α 孔壁倾斜角度

GP 新生截面区域长度

GPH 新生截面区域高度

GPW 新生截面区域总体宽度

GPL 新生截面区域总体长度。

具体实施方式

下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本实施例提供一种自动光学检测系统100，该自动光学检测系统主要包括光源装置10、远心镜头摄影机20以及图像处理装置30。

所述的光源装置10用以产生一光源，以提供至待测物P的孔状结构H，其中该孔状结构H包括至少一壁特性区域H1与至少一面特性区域H2(如图4所示)。根据光源装置10以及远心镜头摄影机20的收光锥角/数值孔径的配合，可以凸显影像中壁特性区域H1与面特性区域H2之间的影像特征差异。该面特性区域H2例如包含该孔状结构H的一孔底区域及/或一新生截面区域。孔底区域为孔状结构H中的底侧平面，新生截面区域则为壁特性区域H1或面特性区H2上各类瑕疵所造成与侧壁结构不同的区域(例如不规则或倾斜角度不同)。于一实施例中，该光源装置10包含一提供至该孔状结构H的具准直特性光源11及/或一具漫射特性光源22(如图2-3所述)，于本发明中不予以限制。于一可行的实施例中，该孔状结构可以为盲孔或通孔，于本发明中不予以限制。

所述的远心镜头摄影机20朝向该孔状结构H用以获得孔状结构H的影像。于一具体实施例中，该远心镜头摄影机20包括有一远心镜头21(Telecentriclens)以及一与该远心镜头21连接的感光组件22。其中该远心镜头21为影像撷取对象，并于感光组件22上成像。于较佳实施例，包含但不限于，感光组件22为光电耦合组件(CCD)或互补金属氧化物半导体(CMOS)等装置。于一较佳实施例中，该待测物P包括印刷电路板，其中该远心镜头摄影机20的收光锥角/数值孔径可由人员或系统调整。通过远心镜头摄影机20解决待测物影像因视角因素导致的不对称以及待测物P远近造成放大倍率不一致的问题，由此让摄影机不管在左右上下任何位置拍摄都可以获得一致的影像，使实际图像与预期图像变化率缩减至最低，让所拍摄到的图像容易正规化。

该待测物P，包含但不限于可为具有一个或多个孔状结构H的工件，例如可为具有多个盲孔或通孔的平面工件，于本发明中不予以限制。

所述的图像处理装置30连接至该远心镜头摄影机20，根据该孔状结构H的影像的影像特征差异，判断该孔状结构H影像上的该壁特性区域H1与该面特性区域H2。于一较佳实施例中，包含但不限于，该图像处理装置30根据该影像特征差异，判断该孔状结构H的影像上的该壁特性区域H1的面积与位置，以及该面特性区域H2的面积与位置，并依此产生一影像检测结果。具体而言，该图像处理装置30可以加载储存单元(图中未示出)存取程序，并依据该程序执行影像分析的过程。具体而言，影像分析程序例如可以为影像前处理程序、影像分割与定位、缺陷侦测(梯度化、区域成长、成长补偿等)、机器学习系统(MachineLearning)、深度学习系统(Deep Learning)等，于本发明中不予以限制。

于一较佳实施例中，包含但不限于，所述的影像特征差异例如包括亮度特征差异或/及色度特征差异，该光源装置10包含一具准直特性光源11及/或一具漫射特性光源12，通过提供不同特性的光源，于影像中可进一步产生亮度特征差异，以区隔壁特性区域H1与面特性区域H2。于本案说明书中所谓的“具准直特性光源11”、“具漫射特性光源12”所指的是其光源的成分绝大部分具有准值性质或漫射性质的光源。于另一较佳实施例中，包含但不限于，该光源装置10包含两种或两种以上具有不同的光谱特性的光源(例如第一光源、一第二光源)。于影像中可进一步产生亮度特征差异及色度特征差异区隔壁特性区域H1与面特性区域H2。除上述的方式外，亦可以同时混合搭配不同特性及不同光谱特性的光源，进一步提升孔状结构H的壁特性区域H1与面特性区域H2的影像特征差异，于本发明中不予以限制。

所测量到的影像检测结果包括孔口形状检测、孔底质量检测、孔壁质量检测或孔底与孔壁连接处质量检测，判断该孔状结构H是否出现该新生截面区域或判断该新生截面区域的高度等。

于一实施例中，请参阅“图2”，为本发明第一实施例的外观示意图，如图所示：该具准直特性光源11包括一发光单元111以及一分光镜112，该发光单元111输出准直光，该分光镜112设置于远心镜头摄影机20的取像方向上，并具有一倾斜角(通常为45度角)，以令该发光单元111送出的平行光转折90度而与远心镜头摄影机20同轴，该分光镜112供部分光束穿过以令该远心镜头摄影机20获得孔状结构H的影像。

具体而言，该具漫射特性光源12包括一个或多个发光单元121以及一灯罩122。该灯罩122设置于该发光单元121外侧，其中为了输出均光源至该孔状结构H，该灯罩122的反射面具有漫反射结构或漫反射材料，用以提供该漫射光线至该孔状结构H。于一较佳实施例中，包含但不限于，该灯罩122为穹形灯罩，该穹形灯罩的反射面具有漫反射结构或为漫反射材料，该发光单元121的光入射至该穹形灯罩后，经由该穹形灯罩反射至该孔状结构H上。该漫反射结构例如可以为不均匀微结构，该漫反射材料例如可以为光扩散粉、扩散塑料粒等等，于本发明中不予以限制。为了避免发光单元121直接照射至待测物P，该发光单元121环设至该穹形灯罩外周缘朝向内侧(反射面)的位置上。

于另一实施例中，请一并参阅“图3”，为本发明第二实施例的外观示意图，如图所示：该灯罩122除了可以为穹形灯罩外，亦可以经由其他的均等装置取代。例如于一较佳实施例中，包含但不限于，该灯罩122亦可以为设置于该发光单元124外侧的倾斜均光罩123，该倾斜均光罩123于发光单元124的出光面上设置有均光板，并于该均光板上具有倾斜面，同样亦可达到相同的均光效果。

为了在图像处理中，凸显孔状结构H中壁特性区域H1与面特性区域H2之间的影像特征差异，来进一步分离影像并凸显缺陷，该准直光线与该漫射光线具有不同光谱特性。于一较佳实施例中，包含但不限于，例如底面及侧壁的材料均为铜，此时该准直光线较佳可以为蓝色光，该漫射光线较佳可以为红色光。在两种光源的混光下，孔状结构H的壁特性区域H1、面特性区域H2将分别由不同波长的光所凸显而产生明显的边界(如图3所示)，图像处理装置30可较容易撷取出影像中的缺陷。于一较佳实施例中，包含但不限于，该准直光线及漫射光线于波长上差距，包含但不限于，超过100nm以上，但实际上该波长的差距应视材料与实际应用而定。

于一较佳实施例中，包含但不限于，通过以下的光源进行搭配，均可以有效的加强影像差异特征，进一步于影像中区隔孔状结构H的壁特性区域H1与面特性区域H2，以下表列示之：

请先一并参阅“图4”至“图7”，为于一实施例，待测物孔状结构的影像示意图(一)、影像示意图(二)、影像示意图(三)以及影像示意图(四)，如图所示：

如图4所示，待测物为一电路板上的孔状结构H，其可能因为电镀不均而产生新生截面区域，造成孔洞的内侧断路。如图4所示，可以看出当面特性区域H2(孔底区域)的范围到达默认面积时，新生截面区域H3俨然已造成断路，确认是否产生新生截面区域H3，可以通过测量孔底区域的面特性区域H2直径，或是以迭图图像处理将拍到的影像与良品的影像重迭后取得新生截面区域H3。

另一种情况如图5所示，孔状结构H除了于孔底区域形成新生截面区域H3之外，缺陷亦可能形成于壁特性区域H1上而产生新生截面区域H4。新生截面区域H4由于与壁特性区域H1的角度不同，于影像中两者具有差异特征影像。

又一种情况如图6所示，如果新生截面区域H5仅形成于面特性区域H2的一侧，而使得面特性区域H2为单侧椭圆时，可判断缺陷仅存在于一侧的孔壁。是否构成断路与新生截面区域的高度之间有正相关性，意即少镀了多少铜的厚度，因此经由缺陷的高度，可预先确认断路的可能性。

又一种情况如图7所示，于孔状结构H为通孔的情况下，可以看出于通孔底侧的周围将长出新生截面区域H6，可以通过与壁特性区域H1的影像差异特征(例如默认面积或直径等)确认断路的可能性。

有关于缺陷高度的取得方式，请一并参阅“图8”，为孔状结构的局部放大示意图。

为了计算取得缺陷于实际空间中的高度，取像视角及影像中孔壁的倾斜度必须一并考虑修正，始能通过影像中缺陷的长度经由计算后获得正确的高度。

就已知的条件中，孔内侧壁的倾斜角度是固定的(预期是固定的)，在拍摄影像后经由计算可获得影像中新生截面区域的长度。由于远心镜头所拍摄到的影像可以省略经由摄影机视角所产生的视角因素。因此于运算起始，可以预期先得到二组参数：孔壁倾斜角度α以及孔壁与孔底之间的新生截面区域长度GP。

由于在计算初始时，孔壁倾斜角度α是确定的，经由三角函数转换的关系，可以确定新生截面区域长度GP将与新生截面区域高度GPH呈现固定的三角比例关系，符合下列的简式：

新生截面区域高度GPH，经由孔壁倾斜角度α以及新生截面区域长度GP两组参数便可以简单获得，简式转换如下：

在上述方程式中，将可以获得新生截面区域高度GPH，经由新生截面区域高度GPH可以预先确认断路的可能性。

除了获得新生截面区域高度GPH外，于另一实施例中，经由影像分析的结果，该影像检测结果可以更进一步包括孔壁缺陷宽度以及镀金不连续尺寸等。

该图像处理装置30除了可以依据上述的方式获得该新生截面区域高度GPH外，如图4-7所示，尚可以获得例如包括新生截面区域总体宽度GPW或新生截面区域总体长度GPL、该壁特性区域的面积H1A与位置，以及该面特性区域的面积H2A与位置等。

综上所述，本发明利用孔状结构的面特性区域或壁特性区域的差异，根据摄影机镜头的收光锥角/数值孔径的调整，在影像上会产生不同的亮度差异，因此可以观察出侧壁与孔底/新生截面。

以上依据图式所示的实施例详细说明了本发明的构造、特征及作用效果，以上所述仅为本发明的较佳实施例，但本发明不以图面所示限定实施范围，凡是依照本发明的构想所作的改变，或修改为等同变化的等效实施例，仍未超出说明书与图示所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围内。

Claims (11)

1.一种量测孔状结构的自动光学检测系统，其特征在于，包括：

一光源装置，提供至一待测物的一孔状结构，所述孔状结构包括一壁特性区域与一面特性区域；

一远心镜头摄影机，朝向所述孔状结构，用以获得所述孔状结构的影像，所述远心镜头摄影机具有一收光锥角；以及

一图像处理装置，根据所述孔状结构的影像的一影像特征差异，判断所述孔状结构影像上的所述壁特性区域与所述面特性区域；

所述图像处理装置根据所述影像特征差异，判断所述孔状结构影像上的所述壁特性区域的面积与位置或所述面特性区域的面积与位置。

2.根据权利要求1所述的自动光学检测系统，其特征在于，所述影像特征差异包括一亮度特征差异。

3.根据权利要求1所述的自动光学检测系统，其特征在于，所述光源装置包括一具准直特性光源和/或一具漫射特性光源，提供至所述孔状结构。

4.根据权利要求3所述的自动光学检测系统，其特征在于：

所述具准直特性光源或所述具漫射特性光源包括白色光源、蓝色光源、红色光源；

所述具准直特性光源用以提供具准直特性光至所述孔状结构，使所述面特性区域呈现所述影像特征差异；以及

所述具漫射特性光源用以提供具漫射特性光至所述孔状结构，使所述壁特性区域呈现所述影像特征差异。

5.根据权利要求3所述的自动光学检测系统，其特征在于，所述具漫射特性光源包括：

一个或多个发光单元；以及

一灯罩，设置于所述发光单元外侧，所述灯罩的一反射面具有漫反射结构或漫反射材料。

6.根据权利要求1所述的自动光学检测系统，其特征在于：

所述光源装置包括一第一光源与一第二光源，所述第一光源与所述第二光源具有不同的光谱特性；

所述第一光源，用以提供至所述孔状结构，使所述面特性区域呈现所述影像特征差异；以及

所述第二光源，用以提供至所述孔状结构，使所述壁特性区域呈现所述影像特征差异。

7.根据权利要求6所述的自动光学检测系统，其特征在于：

所述第一光源或所述第二光源包括白色光源、蓝色光源、红色光源；以及

所述影像特征差异包括亮度特征差异或色度特征差异。

8.根据权利要求1所述的自动光学检测系统，其特征在于，所述图像处理装置根据所述面特性区域的面积与位置以及所述壁特性区域的面积与位置进行影像检测，进一步产生一影像检测结果。

9.根据权利要求8所述的自动光学检测系统，其特征在于：

所述影像检测结果包括孔口形状检测、孔底质量检测、孔壁质量检测或孔底与孔壁连接处质量检测；以及

所述面特性区域包括所述孔状结构的一孔底区域和/或一新生截面区域。

10.根据权利要求9所述的自动光学检测系统，其特征在于，所述影像检测结果包括判断所述孔状结构是否出现所述新生截面区域以及判断所述新生截面区域的高度。

11.根据权利要求9所述的自动光学检测系统，其特征在于，所述待测物为印刷电路板。