IT202100031832A1 - APPARATUS FOR ACQUISITION OF THREE-DIMENSIONAL INFORMATION OF OBJECTS AND SURFACES FOR AN ARTIFICIAL VISION SYSTEM FOR THE AUTOMATIC OPTICAL INSPECTION OF THE VISUAL QUALITY OF AN UNDERLYING OBJECT, IN PARTICULAR ELECTRONIC ASSEMBLIES, ELECTRONIC BOARDS AND THE SIMILAR - Google Patents

APPARATUS FOR ACQUISITION OF THREE-DIMENSIONAL INFORMATION OF OBJECTS AND SURFACES FOR AN ARTIFICIAL VISION SYSTEM FOR THE AUTOMATIC OPTICAL INSPECTION OF THE VISUAL QUALITY OF AN UNDERLYING OBJECT, IN PARTICULAR ELECTRONIC ASSEMBLIES, ELECTRONIC BOARDS AND THE SIMILAR Download PDF

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Daniele Guido Allegri
Andrea Galli
Roberto Gardenghi
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Scuola Univ Professionale Della Svizzera Italiana Supsi
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Description

DESCRIZIONE DESCRIPTION

La presente invenzione si riferisce ad un apparato di acquisizione di informazioni tridimensionali di oggetti e superfici per un sistema di visione artificiale per l?ispezione ottica automatica di oggetti, in particolare, ma non limitato a, assemblaggi elettronici, schede elettroniche e simili. The present invention refers to an apparatus for acquiring three-dimensional information of objects and surfaces for an artificial vision system for the automatic optical inspection of objects, in particular, but not limited to, electronic assemblies, electronic boards and the like.

? noto che i sistemi di visione artificiale per l'ispezione della qualit? visiva sono ampiamente applicati nell'industria manifatturiera ad alti volumi di produzione, nell? industria dei semiconduttori, nell?industria alimentare e farmaceutica e si basano su elaborazione di immagini standard e tecniche di visione artificiale come, ma non solo, il rilevamento dei bordi, l?analisi dei componenti collegati, l?analisi della trama e la geometria proiettiva. ? I know that artificial vision systems for quality inspection? visual are widely applied in the high-volume manufacturing industry, semiconductor industry, food and pharmaceutical industries and are based on standard image processing and computer vision techniques such as, but not limited to, edge detection, connected component analysis, texture analysis and projective geometry .

Questi approcci sono semplici e molto efficaci quando ? necessario eseguire misurazioni quantitative di entit? ben definite (come lunghezze, altezze, colori, motivi a grana fine); una volta completate le misurazioni, ? possibile utilizzare semplici strumenti basati su regole prestabilite per valutare se un prodotto osservato soddisfa o meno i criteri di accettazione. These approaches are simple and very effective when ? Is it necessary to perform quantitative measurements of entities? well defined (such as lengths, heights, colors, fine grain patterns); once the measurements are completed, ? It is possible to use simple tools based on pre-established rules to evaluate whether an observed product meets the acceptance criteria or not.

In particolare, in questo campo, l'espressione "Ispezione Ottica Automatica" (in inglese Automatic Optical Inspection, AOI) si riferisce generalmente a un sistema di ispezione visiva automatizzata della qualit? degli oggetti (che possono essere costituiti da assemblaggi elettronici, come i circuiti stampati, ovvero PCB e Surface Mount Technology, vale a dire SMT) nei quali una telecamera scansiona autonomamente l'oggetto in prova. In particular, in this field, the expression "Automatic Optical Inspection" (AOI) generally refers to an automated visual quality inspection system. objects (which can consist of electronic assemblies, such as printed circuits, i.e. PCBs and Surface Mount Technology, i.e. SMT) in which a camera autonomously scans the object under test.

In particolare, nel caso di assemblaggi elettronici, la telecamera consente di identificare sia difetti di fabbricazione (es. componenti mancanti) sia difetti di qualit? (es. dimensione o forma del raccordo o inclinazione del componente). Gli AOI sono comunemente usati nei processi di produzione perch? sono metodi di prova e di ispezione senza contatto; gli AOI sono implementati in molte fasi del processo di produzione, tra cui l'ispezione del pannello nudo, l'ispezione della pasta saldante (SPI), pre-rifusione e post-rifusione e altre fasi. In particular, in the case of electronic assemblies, the camera allows you to identify both manufacturing defects (e.g. missing components) and quality defects? (e.g. size or shape of the fitting or inclination of the component). AOIs are commonly used in manufacturing processes because? they are non-contact testing and inspection methods; AOIs are implemented in many stages of the manufacturing process, including bare panel inspection, solder paste inspection (SPI), pre-reflow and post-reflow, and other stages.

Come ? noto, sostanzialmente tutti i sistemi di ispezione ottica automatica richiedono di proiettare una luce, o una o pi? trame luminose, sull'oggetto da ispezionare e di acquisire la luce riflessa dall'oggetto tramite un sensore digitale; le immagini acquisite vengono analizzate da un'unit? di elaborazione configurata per determinare le caratteristiche fisiche e/o geometriche dell'oggetto da ispezionare in base alla luce acquisita dal sensore. As ? known, substantially all automatic optical inspection systems require projecting a light, or one or more? light patterns, on the object to be inspected and to acquire the light reflected by the object via a digital sensor; the acquired images are analyzed by a unit? processing configured to determine the physical and/or geometric characteristics of the object to be inspected based on the light acquired by the sensor.

Al giorno d'oggi, nel campo dei sistemi di ispezione visiva della qualit? automatizzata per assemblaggi elettronici, c'? una crescente necessit? di acquisire misurazioni coordinate in linea. Nowadays, in the field of visual quality inspection systems? automation for electronic assemblies, there is? a growing need? to acquire coordinated measurements online.

Poich? la complessit? delle schede elettroniche di oggi ? in aumento con pi? componenti, pi? giunti, maggiore densit? e nuove tecnologie di imballaggio come microchip di dimensione 01005 e persino di dimensione 008004, la tecnologia di ispezione ottica automatica bidimensionale utilizza l'analisi delle immagini in scala di grigi o la vista della telecamera degli angoli delle immagini a colori potrebbe non essere pi? una valida opzione. Since? the complexity? of today's electronic boards? increasing with more? components, more? joints, greater density? and new packaging technologies such as microchips of size 01005 and even size 008004, two-dimensional automatic optical inspection technology uses grayscale image analysis or the camera view of the corners of color images may no longer be? a valid option.

Per superare queste limitazioni, la tecnologia della scansione tridimensionale ? stata efficacemente combinata con l'AOI ed ? ora utilizzata per molte applicazioni come l'ispezione di microelettronica e depositi di pasta saldante al di sotto dei 100 micron e altre applicazioni impegnative. To overcome these limitations, three-dimensional scanning technology is been effectively combined with the AOI and ? now used for many applications such as inspection of microelectronics and solder paste deposits below 100 microns and other demanding applications.

E? peraltro noto che, sebbene funzionali, questi sistemi noti presentano limitazioni e presentano alcuni svantaggi e limitazioni. AND? furthermore, I note that, although functional, these known systems have limitations and have some disadvantages and limitations.

In particolare, alcune limitazioni derivano dalla natura della tecnica di misura, mentre altre sono pi? particolarmente legate alla misura di assemblaggi elettronici (SMT e PCB) e comprendono: In particular, some limitations arise from the nature of the measurement technique, while others are more particularly related to the measurement of electronic assemblies (SMT and PCB) and include:

- difficolt? nell'assicurare la misurazione completa dei componenti bassi vicino ai componenti alti a causa dell'effetto ombra (se la trama di riferimento ? proiettata ad angolo, i tratti alti possono proiettare un'ombra, impedendo la misurazione dei tratti bassi vicini); - difficulties? in ensuring complete measurement of low components near high components due to the shadow effect (if the reference frame is projected at an angle, high features may cast a shadow, preventing measurement of nearby low features);

- difficolt? nell'evitare errori di misura causati da riflessioni multiple tra i componenti (riflessioni speculari multiple tra elementi lucidi, come giunti di saldatura, cavi stagnati e oscillatori metallici, possono causare distorsioni nel pattern delle frange ed errori nelle misurazioni dell'altezza); - difficulties? in avoiding measurement errors caused by multiple reflections between components (multiple specular reflections between shiny elements, such as solder joints, tinned wires and metal oscillators, can cause distortions in the fringe pattern and errors in height measurements);

- difficolt? nel garantire misure veloci, altamente accurate e ripetibili nel campo del micrometro (pm) in tutte le direzioni. - difficulties? in ensuring fast, highly accurate and repeatable measurements in the micrometer (pm) range in all directions.

Un?ulteriore difficolt? ? data dalla complessit? fisica e dagli ingombri dei componenti dei sistemi di acquisizione delle immagini dei sistemi noti, che richiedono dimensioni relativamente importanti per il sistema di ispezione completo e per garantire la non interferenza reciproca dei differenti componenti. Si avverte pertanto l?esigenza di migliorare la struttura dei sistemi di visione artificiale per l'ispezione della qualit? visiva noti. A further difficulty? ? given by the complexity? physical and overall dimensions of the components of the image acquisition systems of known systems, which require relatively large dimensions for the complete inspection system and to guarantee mutual non-interference of the different components. Is there therefore a need to improve the structure of artificial vision systems for quality inspection? visual notes.

Compito tecnico che si propone la presente invenzione ?, pertanto, quello di realizzare un apparato di acquisizione di informazioni tridimensionali di oggetti e superfici per un sistema di visione artificiale per l?ispezione ottica automatica della qualit? visiva che consenta di eliminare gli inconvenienti tecnici lamentati della tecnica nota. The technical task proposed by the present invention is, therefore, to create an apparatus for acquiring three-dimensional information of objects and surfaces for an artificial vision system for automatic optical quality inspection. visual that allows to eliminate the technical drawbacks complained of of the known art.

Nell?ambito di questo compito tecnico uno scopo dell?invenzione ? quello di realizzare un apparato di acquisizione di informazioni tridimensionali di oggetti e superfici per un sistema di visione artificiale per l'ispezione ottica automatica della qualit? visiva che sia semplice ed efficace. In the context of this technical task, one purpose of the invention is? is to create an apparatus for acquiring three-dimensional information of objects and surfaces for an artificial vision system for automatic optical quality inspection? visual that is simple and effective.

Un altro scopo dell?invenzione ? quello di realizzare un apparato di acquisizione di informazioni tridimensionali di oggetti e superfici per un sistema di visione artificiale per l'ispezione ottica automatica della qualit? visiva che sia di dimensioni compatte. Another purpose of the invention? is to create an apparatus for acquiring three-dimensional information of objects and surfaces for an artificial vision system for automatic optical quality inspection? visual that is compact in size.

Non ultimo scopo dell?invenzione ? quello di realizzare un apparato di acquisizione di informazioni tridimensionali di oggetti e superfici per un sistema di visione artificiale per l'ispezione ottica automatica della qualit? visiva che possa garantire misure veloci, altamente accurate e ripetibili. Not the least purpose of the invention? is to create an apparatus for acquiring three-dimensional information of objects and surfaces for an artificial vision system for automatic optical quality inspection? visual that can guarantee fast, highly accurate and repeatable measurements.

Il compito tecnico, nonch? questi ed altri scopi, secondo la presente invenzione vengono raggiunti realizzando un apparato di acquisizione di informazioni tridimensionali di oggetti e superfici per un sistema di visione artificiale per l'ispezione ottica automatica della qualit? visiva di un oggetto sottostante, comprendente una prima telecamera presentante un asse ottico verticale Z ed un primo sensore piano avente assi ortogonali X,Y giacenti in un piano orizzontale ed una seconda telecamera presentante un asse ottico orizzontale X? ed un secondo sensore piano avente assi ortogonali Y?, Z? giacenti in un piano verticale, un sistema di illuminazione dall?alto dell?oggetto comprendente una pluralit? di proiettori di luce, una ottica della prima e della seconda telecamera comprendente un gruppo ottico a doppio obiettivo presentante un primo braccio ottico verticale associato a detta prima telecamera e coassiale a detto asse ottico verticale Z ed un secondo braccio ottico orizzontale associato a detta seconda telecamera e coassiale a detto asse ottico orizzontale X?, un beam splitter ottico configurato per ripartire il fascio di luce riflesso da detto oggetto in un primo fascio di luce diretto lungo detto primo braccio ottico ed un secondo fascio di luce diretto lungo detto secondo braccio ottico, dove i proiettori di luce sono angolarmente spaziati attorno all?asse ottico verticale Z di detta prima telecamera, e dove detto braccio ottico orizzontale di detto gruppo ottico ? posizionato con un primo angolo a di sfalsamento da un asse X di detto primo sensore di detta prima telecamera. The technical task, as well as? These and other purposes, according to the present invention, are achieved by creating an apparatus for acquiring three-dimensional information of objects and surfaces for an artificial vision system for automatic optical quality inspection. view of an underlying object, comprising a first camera having a vertical optical axis Z and a first flat sensor having orthogonal axes X,Y lying in a horizontal plane and a second camera having a horizontal optical axis X? and a second flat sensor having orthogonal axes Y?, Z? lying in a vertical plane, a system of illumination from above the object comprising a plurality? of light projectors, an optic of the first and second cameras comprising a double lens optical assembly having a first vertical optical arm associated with said first camera and coaxial to said vertical optical axis Z and a second horizontal optical arm associated with said second camera and coaxial to said horizontal optical axis where the light projectors are angularly spaced around the vertical optical axis Z of said first camera, and where said horizontal optical arm of said optical group is? positioned with a first angle a of offset from an X axis of said first sensor of said first camera.

I proiettori di luce possono comprendere sorgenti di luce strutturata o non strutturata. Light projectors may include structured or unstructured light sources.

Il gruppo ottico preferibilmente ma non necessariamente ? un gruppo ottico telecentrico o bitelecentrico. The headlight assembly preferably but not necessarily? a telecentric or bi-telecentric optical unit.

In una forma di esecuzione, una tra la prima e la seconda telecamera ? preferibilmente una telecamera ad alta risoluzione. In one embodiment, one of the first and second cameras ? preferably a high resolution camera.

In una forma di esecuzione, una tra la prima e la seconda telecamera ? una telecamera capace di acquisire immagini contenenti informazioni relative alla polarizzazione della luce incidente sul sensore. In one embodiment, one of the first and second cameras ? a camera capable of acquiring images containing information relating to the polarization of the light incident on the sensor.

In una forma di esecuzione, un asse Z? del secondo sensore della seconda telecamera ? orientato con un secondo angolo di sfalsamento ? rispetto ad un asse verticale parallelo a detto asse Z, univocamente determinato dal valore di detto primo angolo di sfalsamento a per garantire l?allineamento delle aree di acquisizione della prima e seconda telecamera. In one embodiment, a Z-axis? of the second sensor of the second camera? oriented with a second offset angle? with respect to a vertical axis parallel to said Z axis, uniquely determined by the value of said first offset angle a to guarantee the alignment of the acquisition areas of the first and second cameras.

In una forma di esecuzione, i proiettori di luce sono posizionati con asse di proiezione verticale. In one embodiment, the light projectors are positioned with a vertical projection axis.

In una forma di esecuzione, i proiettori di luce sono posizionati con asse di proiezione inclinato. In one embodiment, the light projectors are positioned with an inclined projection axis.

In una forma di esecuzione, una pluralit? di riflettori a specchio ? interposta tra la pluralit? di proiettori di luce ed una postazione per l?oggetto per la conversione del percorso ottico della luce dai proiettori all?oggetto. In one form of execution, a plurality? of mirrored reflectors? interposed between the plurality? of light projectors and an object station for converting the optical path of light from the projectors to the object.

In una forma di esecuzione, sono compresi una serie di anelli emettitori di luce monocromatica o policromatica coassiali all?asse ottico verticale della prima telecamera aventi diametro decrescente e distanza decrescente dalla prima telecamera. In one embodiment, a series of monochromatic or polychromatic light-emitting rings coaxial to the vertical optical axis of the first camera with decreasing diameter and decreasing distance from the first camera are included.

Altre caratteristiche della presente invenzione sono definite, inoltre, nelle rivendicazioni successive. Other characteristics of the present invention are also defined in the subsequent claims.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell?invenzione risulteranno maggiormente evidenti dalla descrizione di una prima forma di esecuzione preferita ma non esclusiva dell?apparato secondo il trovato, illustrata a titolo indicativo e non limitativo nei disegni allegati, nei quali: Further characteristics and advantages of the invention will be more evident from the description of a first preferred but not exclusive embodiment of the apparatus according to the invention, illustrated for indicative and non-limiting purposes in the attached drawings, in which:

la figura 1 mostra una vista schematica in alzato dell?apparato in una prima forma di esecuzione; figure 1 shows a schematic elevation view of the apparatus in a first embodiment;

la figura 2 mostra una vista schematica in pianta dell?apparato in una prima forma di esecuzione; figure 2 shows a schematic plan view of the apparatus in a first embodiment;

la figura 3 mostra una vista schematica in alzato dell?apparato in una seconda forma di esecuzione; figure 3 shows a schematic elevation view of the apparatus in a second embodiment;

la figura 4 mostra una vista schematica in pianta dell?apparato in una seconda forma di esecuzione. figure 4 shows a schematic plan view of the apparatus in a second embodiment.

La seguente descrizione dettagliata fa riferimento ai disegni allegati, che formano parte della stessa. The following detailed description refers to the attached drawings, which form part of it.

Nei disegni, numeri di riferimento simili identificano tipicamente componenti simili, a meno che il contesto indichi diversamente. In drawings, similar reference numerals typically identify similar components, unless the context indicates otherwise.

Le forme di realizzazione illustrative descritte nella descrizione dettagliata e nei disegni non sono intese in senso limitativo. The illustrative embodiments described in the detailed description and drawings are not intended to be limiting.

Possono essere utilizzate altre forme di realizzazione, e possono essere apportate altre modifiche senza discostarsi dallo spirito o dall'ambito della materia in oggetto qui rappresentata. Other embodiments may be used, and other modifications may be made without departing from the spirit or scope of the subject matter represented herein.

Gli aspetti della presente descrizione, come generalmente descritto nel presente contesto e illustrato nelle figure, possono essere disposti, sostituiti, combinati, e progettati in un'ampia variet? di diverse configurazioni, le quali sono tutte contemplate esplicitamente e sono parte di questa descrizione. Aspects of the present disclosure, as generally described herein and illustrated in the figures, can be arranged, substituted, combined, and designed in a wide variety. of different configurations, all of which are explicitly contemplated and are part of this description.

Con riferimento alle figure citate, viene mostrato un apparato di acquisizione di informazioni tridimensionali di oggetti e superfici per un sistema di visione artificiale per l'ispezione ottica automatica della qualit? visiva di un oggetto sottostante indicato complessivamente con il numero di riferimento 1. With reference to the figures cited, an apparatus for acquiring three-dimensional information of objects and surfaces is shown for an artificial vision system for automatic optical quality inspection. view of an underlying object indicated overall with the reference number 1.

L?apparato 1 comprende una prima telecamera 10 tipicamente posizionata in una posizione superiore presentante un asse ottico verticale Z ed un primo sensore piano 110 avente assi ortogonali X,Y giacenti in un piano orizzontale. L?apparato 1 comprende inoltre una seconda telecamera 20 presentante un asse ottico orizzontale X? ed un secondo sensore 120 piano avente assi ortogonali Y?, ?? giacenti in un piano verticale. The apparatus 1 includes a first camera 10 typically positioned in an upper position having a vertical optical axis Z and a first flat sensor 110 having orthogonal axes X,Y lying in a horizontal plane. The apparatus 1 further comprises a second camera 20 having a horizontal optical axis and a second flat sensor 120 having orthogonal axes Y?, ?? lying in a vertical plane.

L?apparato comprende un gruppo ottico 55 a doppio obiettivo, comprendente una o pi? lenti ed eventualmente altri elementi ottici, che funge da ottica sia per la prima telecamera 10 sia per la seconda telecamera 20. The apparatus comprises a double-lens optical assembly 55, comprising one or more? lenses and possibly other optical elements, which acts as optics for both the first camera 10 and the second camera 20.

Preferibilmente tale gruppo ottico 55 ? telecentrico o bitelecentrico, vale a dire che forma una ottica telecentrica o bitelecentrica avente la pupilla di entrata e/o la pupilla di uscita all? infinito. Preferably this optical unit 55 ? telecentric or bitelecentric, that is to say that it forms a telecentric or bitelecentric optic having the entrance pupil and/or the exit pupil at? infinite.

Il gruppo ottico 55 comprende un beam splitter ottico 50 (divisore di raggio: tipicamente, ma non limitatamente, un prisma) configurato per ripartire il fascio di luce riflesso dall?oggetto 100 in un primo fascio di luce diretto lungo un primo braccio ottico verticale 51 associato alla prima telecamera 10 e coassiale all?asse ottico verticale Z della prima telecamera 10, ed un secondo fascio di luce diretto lungo un secondo braccio ottico orizzontale 52 associato alla seconda telecamera 20 e coassiale all?asse ottico orizzontale X? della seconda telecamera 20. The optical assembly 55 includes an optical beam splitter 50 (beam divider: typically, but not limited to, a prism) configured to split the light beam reflected from the object 100 into a first light beam directed along a first vertical optical arm 51 associated with the first camera 10 and coaxial to the vertical optical axis Z of the first camera 10, and a second light beam directed along a second horizontal optical arm 52 associated with the second camera 20 and coaxial to the horizontal optical axis of the second camera 20.

I bracci ottici 51, 52 a cui si fa riferimento sono in pratica dei percorsi ottici, preferibilmente lineari, che possono essere definiti da elementi ottici e strutturali di tipo noto. The optical arms 51, 52 referred to are in practice optical paths, preferably linear, which can be defined by optical and structural elements of a known type.

Vantaggiosamente il braccio ottico orizzontale 52 del gruppo ottico 55, e conseguentemente l?asse ottico X? della seconda telecamera 20, ? posizionato con un primo angolo a di sfalsamento da un asse X del primo sensore della prima telecamera 10. Advantageously, the horizontal optical arm 52 of the optical group 55, and consequently the optical axis of the second camera 20, ? positioned with a first angle a of offset from an X axis of the first sensor of the first camera 10.

Vantaggiosamente, il gruppo ottico 55 a doppio obiettivo ? in grado di supportare due telecamere con dimensione dei sensori uguali o anche differenti e quindi permettere di misurare oggetti con fattori di ingrandimento differenti per ogni telecamera e anche di supportare due fattori di ingrandimento differenti. Advantageously, the dual lens 55 optical group is capable of supporting two cameras with the same or even different sensor sizes and therefore allowing you to measure objects with different magnification factors for each camera and also to support two different magnification factors.

Vantaggiosamente e tipicamente, la prima telecamera 10 ? una telecamera ad alta risoluzione, con una risoluzione preferibilmente di almeno 12 Megapixel che consente di ottenere dati 3D ad alta risoluzione. Advantageously and typically, the first camera 10 ? a high resolution camera, with a resolution preferably of at least 12 Megapixels which allows obtaining high resolution 3D data.

Vantaggiosamente la seconda telecamera 20 ? una telecamera capace di acquisire immagini contenenti informazioni relative alla polarizzazione della luce incidente sul sensore, tipicamente ma non necessariamente una telecamera con sensore a polarizzazione integrata, che permette di acquisire immagini prive di riflessi, o con riflessi fortemente ridotti e abbagliamenti su superfici riflettenti come per esempio, ma non solo, plastica e metallo. Advantageously the second camera 20? a camera capable of acquiring images containing information relating to the polarization of the light incident on the sensor, typically but not necessarily a camera with an integrated polarization sensor, which allows the acquisition of images without reflections, or with greatly reduced reflections and glare on reflective surfaces such as example, but not limited to, plastic and metal.

Con le immagini provenienti dalla seconda telecamera ? possibile ricostruire la forma, e quindi informazioni 3D, di quelle parti di componenti di materiale riflessivo (principalmente metallo, come saldature) che non possono essere ricostruite efficacemente con tecniche di proiezione a luce strutturata, proprio perch? sono materiali riflessivi. With the images coming from the second camera? It is possible to reconstruct the shape, and therefore 3D information, of those parts of components made of reflective material (mainly metal, such as welds) that cannot be effectively reconstructed with structured light projection techniques, precisely because? they are reflective materials.

L?apparato 1 comprende un sistema di illuminazione dall?alto dell?oggetto 100 da ispezionare, tipicamente posto in una posizione inferiore, comprendente una pluralit? di proiettori di luce 30i, tipicamente quattro proiettori di luce preferibilmente configurati per emettere luce strutturata, quali ad esempio proiettori DLP (Digital Light Processing) o altri proiettori in grado di emettere frange di luce strutturata, ancor pi? preferibilmente per emettere pattern (immagini a frange) sinusoidali o binari atti a realizzare una profilometria del tipo noto come phase-shift profilometry (PSP) . The apparatus 1 comprises a system for illuminating the object 100 to be inspected from above, typically placed in a lower position, comprising a plurality of of 30i light projectors, typically four light projectors preferably configured to emit structured light, such as for example DLP (Digital Light Processing) projectors or other projectors capable of emitting fringes of structured light, even more so? preferably to emit sinusoidal or binary patterns (fringed images) suitable for carrying out a profile of the type known as phase-shift profiling (PSP).

In una prima forma di esecuzione, illustrata nelle figure 1 e 2, i proiettori di luce 30i presentano asse di proiezione verticale parallelo all?asse ottico verticale Z della prima telecamera 10, ed il sistema di illuminazione comprende una pluralit? di riflettori a specchio 3 li reciprocamente interposti tra la pluralit? di proiettori 30i e la postazione per l?oggetto 100 per la conversione della pluralit? dei percorsi ottici 32i della luce dalla pluralit? dei proiettori 30i all?oggetto 100. I singoli proiettori di luce 30i ed i corrispondenti riflettori a specchio 3 li sono equamente angolarmente spaziati attorno all?asse ottico verticale Z della prima telecamera 10. In a first embodiment, illustrated in figures 1 and 2, the light projectors 30i have a vertical projection axis parallel to the vertical optical axis Z of the first camera 10, and the lighting system comprises a plurality of of mirrored reflectors 3 mutually interposed between the plurality? of projectors 30i and the station for the object 100 for the conversion of the plurality? of the 32i optical paths of light from the plurality? of the projectors 30i to the object 100. The individual light projectors 30i and the corresponding mirror reflectors 31 are equally angularly spaced around the vertical optical axis Z of the first camera 10.

Tipicamente, almeno un proiettore di luce 30i ? posto, rispetto all?asse ottico verticale Z della prima telecamera 10, in una posizione angolare coincidente con quella dell?asse X del primo sensore 110 della prima telecamera 10. Typically, at least a 30i light projector ? placed, with respect to the vertical optical axis Z of the first camera 10, in an angular position coinciding with that of the X axis of the first sensor 110 of the first camera 10.

In una seconda forma di esecuzione, illustrata nelle figure 3 e 4, i proiettori di luce 30i presentano assi di proiezione inclinati rispetto all?asse verticale Z e disposti per convergere sulla postazione per l?oggetto 100. In a second embodiment, illustrated in figures 3 and 4, the light projectors 30i have projection axes inclined with respect to the vertical axis Z and arranged to converge on the station for the object 100.

Anche nella seconda forma di esecuzione, i singoli proiettori di luce 30i sono equamente angolarmente spaziati attorno all?asse ottico verticale Z della prima telecamera 10. Also in the second embodiment, the individual light projectors 30i are equally angularly spaced around the vertical optical axis Z of the first camera 10.

A titolo esemplificativo ma non limitativo, ciascun proiettore di luce 30i pu? comprendere almeno una sorgente di luce LED, almeno una lente, un beam splitter ottico e un dispositivo digitale a microspecchi (DMD), dove la lente ? posizionata tra la sorgente di luce LED ed il beam splitter ottico, e il beam splitter ottico ? posizionato tra la lente e il dispositivo digitale a microspecchi (Digital Micromirror Display, DMD). By way of example but not limitation, each 30i light projector can? comprise at least one LED light source, at least one lens, an optical beam splitter and a digital micromirror device (DMD), where the lens is positioned between the LED light source and the optical beam splitter, and the optical beam splitter ? positioned between the lens and the digital micromirror display (DMD).

Tipicamente, in una soluzione preferita, ciascun proiettore di luce 30i comprende almeno tre sorgenti di luce LED monocromatica differente ciascuna associata ad una corrispondente lente, e un sistema ottico interposto tra le lenti e il beam splitter ottico ? configurato per collimare i fasci di luce emessi dalle tre sorgenti di luce LED. Typically, in a preferred solution, each light projector 30i comprises at least three different monochromatic LED light sources each associated with a corresponding lens, and an optical system interposed between the lenses and the optical beam splitter ? configured to collimate the light beams emitted by the three LED light sources.

L?apparato 1 pu? comprendere inoltre un sistema di illuminazione indiretta dell?oggetto 100. Tale sistema di illuminazione indiretta comprende preferibilmente una pluralit? di anelli emettitori di luce monocromatica o policromatica 40i, o una pluralit? di emittori di luce disposti lungo una pluralit? di anelli, i quali anelli sono coassiali all?asse ottico verticale Z della prima telecamera 10 aventi diametro crescente e distanza crescente in allontanamento dalla prima telecamera 10. The apparatus 1 can? further comprise an indirect lighting system of the object 100. This indirect lighting system preferably includes a plurality of of rings emitting monochromatic or polychromatic light 40i, or a plurality? of light emitters arranged along a plurality? of rings, which rings are coaxial to the vertical optical axis Z of the first camera 10 with increasing diameter and increasing distance away from the first camera 10.

Vantaggiosamente inoltre un asse Z? del secondo sensore della seconda telecamera 20 ? orientato con un secondo angolo di sfalsamento ? rispetto ad un asse verticale parallelo all?asse ottico verticale Z, univocamente determinato dal valore del primo angolo di sfalsamento a. Also advantageously a Z axis? of the second sensor of the second camera 20 ? oriented with a second offset angle? with respect to a vertical axis parallel to the vertical optical axis Z, uniquely determined by the value of the first offset angle a.

Lo sfalsamento di un angolo ? rispetto all?asse verticale corregge la rotazione della proiezione provocata dal primo angolo di sfalsamento a. The offset of a corner? with respect to the vertical axis it corrects the rotation of the projection caused by the first offset angle a.

Pertanto, se il primo ed il secondo sensore sono di uguale forma e dimensione, secondo la presente invenzione si pu? acquisire l?oggetto 100 con lo stesso campo visivo dalla prima telecamera 10 e dalla seconda telecamera 20. Therefore, if the first and second sensors are of the same shape and size, according to the present invention it is possible to acquire the object 100 with the same field of view from the first camera 10 and from the second camera 20.

Opportunamente, i proiettori di luce 30i e telecamere (10 e 20) sono operativamente collegati ad un?unit? elettronica di controllo (non illustrata) che comanda e controlla l?azionamento ovvero l?attivazione dei proiettori di luce 30i, le telecamere (10 e 20) ed eventualmente anche il sistema di illuminazione indiretta dell?oggetto 100. Conveniently, the 30i light projectors and cameras (10 and 20) are operationally connected to a?unit? control electronics (not shown) which commands and controls the operation or activation of the light projectors 30i, the cameras (10 and 20) and possibly also the indirect lighting system of the object 100.

Secondo una soluzione ottimale, l?unit? elettronica di controllo ? configurata per azionare ovvero attivare i proiettori di luce 30i in modo alternato, cos? che l?oggetto da ispezionare 100 ? illuminato da un singolo pattern di luce prodotto da un singolo proiettore di luce 30i. In questo modo le telecamere 10, 20 acquisiscono successive immagini dello stesso oggetto illuminato da luce (strutturata) proveniente da diverse angolazioni - senza effettuare movimentazioni n? dell?oggetto 100 n? dei proiettori 30i - e queste immagini possono essere combinate per avere una rilevazione completa e precisa della totalit? dell?oggetto. According to an optimal solution, the unit? control electronics? configured to operate or activate the 30i light projectors alternately, so? that the object to be inspected is 100? illuminated by a single light pattern produced by a single 30i light projector. In this way the cameras 10, 20 acquire successive images of the same object illuminated by (structured) light coming from different angles - without carrying out any movements of the object 100 n? of 30i projectors - and these images can be combined to have a complete and precise detection of totality? of the object.

Preferibilmente, nelle forme di realizzazione in cui i proiettori di luce 30i proiettano luce strutturata, grazie all?attivazione alternata dei proiettori 30i stessi, viene proiettata sull?oggetto 100 una serie di pattern di luce, che poi possono essere combinati per eseguire una profilometria. Preferably, in the embodiments in which the light projectors 30i project structured light, thanks to the alternating activation of the projectors 30i themselves, a series of light patterns is projected onto the object 100, which can then be combined to perform a filometry.

Nelle forme di realizzazione preferite, la prima 10 e la seconda 20 telecamera sono operativamente collegate ad un?unit? elettronica di elaborazione (non illustrata) configurata per elaborare e combinare le immagini acquisite delle due telecamere 10, 20 in modo da ottenere una rilevazione delle caratteristiche dell?oggetto. In preferred embodiments, the first 10 and second 20 cameras are operationally connected to a unit? processing electronics (not shown) configured to process and combine the images acquired by the two cameras 10, 20 in order to obtain a detection of the characteristics of the object.

Questa unit? elettronica di elaborazione pu? essere compresa, o consistere, nella suddetta l?unit? elettronica di controllo, oppure pu? essere compresa, o consistere, in un dispositivo informatico esterno, quale ad esempio un computer o simili. This unit? processing electronics can? be included, or consist, in the aforementioned unit? control electronics, or can? be included in, or consist of, an external computing device, such as a computer or the like.

Il funzionamento dell?apparato di acquisizione immagini per l?ispezione di un oggetto sottostante secondo l?invenzione appare evidente da quanto descritto ed illustrato e, in particolare, ? sostanzialmente il seguente. The operation of the image acquisition apparatus for the inspection of an underlying object according to the invention appears evident from what has been described and illustrated and, in particular, it is essentially the following.

L?oggetto 100 da ispezionare ? posizionato in una postazione tipicamente inferiore all?apparato ed opportunamente illuminato dalla pluralit? di proiettori di luce 30i e dalla pluralit? di anelli emettitori di luce monocromatica o policromatica 40i. Object 100 to be inspected? positioned in a position typically lower than the apparatus and suitably illuminated by the plurality? of 30i light projectors and the plurality? of rings emitting monochromatic or polychromatic 40i light.

Il fascio di luce riflessa dall?oggetto 100 attraverso il gruppo ottico 55 a doppio obiettivo viene ripartita in un primo fascio di luce diretto lungo il primo braccio ottico verticale 51 associato alla prima telecamera 10 e coassiale con l?asse ottico verticale Z della prima telecamera 10, ed in un secondo fascio di luce diretto lungo il secondo braccio ottico orizzontale 52 associato alla seconda telecamera 20 e coassiale con l?asse ottico orizzontale X? della seconda telecamera 20. The light beam reflected by the object 100 through the double lens optical assembly 55 is divided into a first light beam directed along the first vertical optical arm 51 associated with the first camera 10 and coaxial with the vertical optical axis Z of the first camera 10, and in a second light beam directed along the second horizontal optical arm 52 associated with the second camera 20 and coaxial with the horizontal optical axis of the second camera 20.

Per una efficace, immediata e ripetitiva lettura ispettiva dell?apparato 1, le immagini congrue raccolte dalla prima telecamera 10 e dalla seconda telecamera 20 vanno opportunamente sovrapposte ed elaborate da sistemi di tipo noto, ad esempio dall?unit? elettronica di elaborazione nel modo precedentemente descritto. For an effective, immediate and repetitive inspection reading of the apparatus 1, the appropriate images collected by the first camera 10 and the second camera 20 must be appropriately superimposed and processed by systems of a known type, for example by the unit processing electronics in the manner previously described.

Condizione essenziale per una corretta lettura da parte dell?apparato ? che siano garantiti un allineamento delle immagini acquisite dalla prima telecamera 10 e dalla seconda telecamera 20, e una congruenza di almeno due spigoli delle immagini acquisite dal primo sensore e dal secondo sensore. Essential condition for correct reading by the device? that an alignment of the images acquired by the first camera 10 and the second camera 20 is guaranteed, and a congruence of at least two edges of the images acquired by the first sensor and the second sensor.

Nel caso il braccio ottico orizzontale 52 per ragioni costruttive e d?ingombro dell?apparato 1 sia posizionato con il primo angolo di sfalsamento a rispetto all?asse X del primo sensore 110 della prima telecamera 10, tipicamente coincidente con la posizione angolare di almeno un proiettore di luce 30i , il secondo sensore 120 della seconda telecamera 20 presenta l?asse Z? ruotato con un secondo angolo di sfalsamento ? rispetto ad un asse verticale parallelo all?asse Z, univocamente determinato dal valore del primo angolo di sfalsamento a. In case the horizontal optical arm 52 for construction and space reasons of the apparatus 1 is positioned with the first offset angle a with respect to the X axis of the first sensor 110 of the first camera 10, typically coinciding with the angular position of at least one projector of light 30i, the second sensor 120 of the second camera 20 has the Z axis? rotated with a second offset angle ? with respect to a vertical axis parallel to the Z axis, uniquely determined by the value of the first offset angle a.

Si ? in pratica constatato come l?apparato di acquisizione di informazioni tridimensionali di oggetti e superfici per un sistema di visione artificiale per l'ispezione ottica automatica della qualit? visiva di un oggetto sottostante secondo l?invenzione risulti particolarmente vantaggiosa per essere semplice ed efficace, di dimensioni compatte e per non presentare interferenza tra differenti componenti. Yes ? in practice it has been observed as the apparatus for acquiring three-dimensional information of objects and surfaces for an artificial vision system for automatic optical quality inspection? visual of an underlying object according to the invention is particularly advantageous for being simple and effective, compact in size and for not presenting interference between different components.

L?apparato di acquisizione di informazioni tridimensionali di oggetti e superfici per un sistema di visione artificiale per l'ispezione ottica automatica della qualit? visiva di un oggetto sottostante cos? concepito ? suscettibile di numerose modifiche e varianti, tutte rientranti nell?ambito del concetto inventivo, come definito dalle rivendicazioni; inoltre, tutti i dettagli sono sostituibili da elementi tecnicamente equivalenti. The apparatus for acquiring three-dimensional information of objects and surfaces for an artificial vision system for automatic optical quality inspection? visual of an underlying object like this? conceived? susceptible to numerous modifications and variations, all falling within the scope of the inventive concept, as defined by the claims; furthermore, all details can be replaced by technically equivalent elements.

Ad esempio ? possibile prevedere appositi mezzi di riconfigurazione delle immagini proiettate sull'oggetto. For example ? It is possible to provide special means for reconfiguring the images projected onto the object.

In pratica i materiali utilizzati, nonch? le dimensioni, potranno essere qualsiasi a seconda delle esigenze e dello stato della tecnica. In practice, the materials used, as well as? the dimensions may be any depending on the needs and the state of the art.

Claims (14)

RIVENDICAZIONI 1. Apparato (1) di acquisizione di informazioni tridimensionali di oggetti e superfici per un sistema di visione artificiale per l'ispezione ottica automatica della qualit? visiva di un oggetto (100) sottostante, comprendente una prima telecamera (10) presentante un asse ottico verticale Z ed un primo sensore piano (110) avente assi ortogonali X,Y giacenti in un piano orizzontale ed una seconda telecamera (20) presentante un asse ottico orizzontale X? ed un secondo sensore piano (120) avente assi ortogonali Y?, Z? giacenti in un piano verticale, un sistema di illuminazione dall?alto dell? oggetto comprendente una pluralit? di proiettori di luce (30i), un gruppo ottico a doppio obiettivo (55) presentante un primo braccio ottico verticale (51) associato a detta prima telecamera (10) e coassiale a detto asse ottico verticale Z ed un secondo braccio ottico orizzontale (52) associato a detta seconda telecamera (20) e coassiale a detto asse ottico orizzontale X?, un beam splitter ottico (50) configurato per ripartire il fascio di luce riflesso da detto oggetto (100) in un primo fascio di luce diretto lungo detto primo braccio ottico (51) ed un secondo fascio di luce diretto lungo detto secondo braccio ottico (52), dove i proiettori di luce (30i) sono angolarmente spaziati attorno all?asse ottico verticale Z di detta prima telecamera (10), e dove detto secondo braccio ottico orizzontale (52) ? posizionato con un primo angolo a di sfalsamento da un asse X di detto primo sensore (110) di detta prima telecamera (10).1. Apparatus (1) for acquiring three-dimensional information of objects and surfaces for an artificial vision system for automatic optical quality inspection? view of an object (100) below, comprising a first camera (10) presenting a vertical optical axis Z and a first flat sensor (110) having orthogonal axes X,Y lying in a horizontal plane and a second camera (20) presenting a horizontal optical axis X? and a second flat sensor (120) having orthogonal axes Y?, Z? lying in a vertical plane, a lighting system from above? object comprising a plurality? of light projectors (30i), a double lens optical assembly (55) presenting a first vertical optical arm (51) associated with said first camera (10) and coaxial to said vertical optical axis Z and a second horizontal optical arm (52 ) associated with said second camera (20) and coaxial to said horizontal optical axis optical arm (51) and a second light beam directed along said second optical arm (52), where the light projectors (30i) are angularly spaced around the vertical optical axis Z of said first camera (10), and where said second horizontal optical arm (52) ? positioned with a first angle a of offset from an X axis of said first sensor (110) of said first camera (10). 2. Apparato (1) secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che detto gruppo ottico (55) ? telecentrico o bitelecentrico 2. Apparatus (1) according to the previous claim, characterized in that said optical assembly (55) is telecentric or bi-telecentric 3. Apparato (1) secondo una qualunque rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che una tra detta prima telecamera (10) e detta seconda telecamera (20) ? una telecamera ad alta risoluzione.3. Apparatus (1) according to any previous claim, characterized in that one of said first camera (10) and said second camera (20) is? a high resolution camera. 4. Apparato (1) secondo una qualunque rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che una tra detta prima telecamera (10) e detta seconda telecamera (20) ? una telecamera capace di acquisire immagini contenenti informazioni relative alla polarizzazione della luce incidente sul sensore.4. Apparatus (1) according to any previous claim, characterized in that one of said first camera (10) and said second camera (20) is? a camera capable of acquiring images containing information relating to the polarization of the light incident on the sensor. 5. Apparato (1) secondo una qualunque rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che un asse Z? di detto secondo sensore (120) di detta seconda telecamera (20) ? orientato con un secondo angolo di sfalsamento ? rispetto ad un asse verticale parallelo a detto asse Z, univocamente determinato dal valore di detto primo angolo di sfalsamento a.5. Apparatus (1) according to any previous claim, characterized in that a Z axis? of said second sensor (120) of said second camera (20) ? oriented with a second offset angle? with respect to a vertical axis parallel to said Z axis, uniquely determined by the value of said first offset angle a. 6. Apparato (1) secondo una qualunque rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che almeno un proiettore di luce (30i) ? posto, rispetto a detto asse ottico verticale Z di detta prima telecamera (10), in una posizione angolare coincidente con quella di detto asse X di detto primo sensore (110) di detta prima telecamera (10).6. Apparatus (1) according to any previous claim, characterized in that at least one light projector (30i) is placed, with respect to said vertical optical axis Z of said first camera (10), in an angular position coinciding with that of said axis X of said first sensor (110) of said first camera (10). 7. Apparato (1) secondo una qualunque rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto di comprendere una pluralit? di anelli emettitori di luce monocromatica o policromatica (40i), coassiali a detto asse ottico verticale Z di detta prima telecamera (10) aventi diametro crescente e distanza crescente in allontanamento da detta prima telecamera (10). 7. Apparatus (1) according to any previous claim, characterized by the fact of comprising a plurality? of rings emitting monochromatic or polychromatic light (40i), coaxial to said vertical optical axis Z of said first camera (10) having increasing diameter and increasing distance away from said first camera (10). 8. Apparato (1) secondo una qualunque rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che detta pluralit? di proiettori di luce (30i) comprende almeno quattro proiettori di luce (30i) angolarmente equispaziati attorno a detto asse ottico verticale Z di detta prima telecamera (10).8. Apparatus (1) according to any previous claim, characterized by the fact that said plurality? of light projectors (30i) comprises at least four light projectors (30i) angularly equally spaced around said vertical optical axis Z of said first camera (10). 9. Apparato (1) secondo una qualunque rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che detta pluralit? di proiettori di luce (30i) presentano asse di proiezione verticale parallelo a detto asse ottico verticale Z di detta prima telecamera (10).9. Apparatus (1) according to any previous claim, characterized by the fact that said plurality? of light projectors (30i) have a vertical projection axis parallel to said vertical optical axis Z of said first camera (10). 10. Apparato (1) secondo una qualunque rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto di comprendere una pluralit? di riflettori a specchio (3 li) reciprocamente interposti tra detta pluralit? di proiettori (30i) e la postazione per l?oggetto (100) per la conversione della pluralit? di percorsi ottici (32i) della luce da detta pluralit? di proiettori (30i) a detto oggetto (100).10. Apparatus (1) according to any previous claim, characterized by the fact of comprising a plurality? of mirror reflectors (3 li) mutually interposed between said plurality? of projectors (30i) and the station for the object (100) for the conversion of the plurality? of optical paths (32i) of light from said plurality? of projectors (30i) to said object (100). 11. Apparato secondo una qualunque rivendicazione da 1 a 8, caratterizzato dal fatto che detta pluralit? di proiettori di luce (30i) presentano assi di proiezione inclinati disposti per convergere sulla postazione per detto oggetto (100).11. Apparatus according to any claim from 1 to 8, characterized by the fact that said plurality? of light projectors (30i) have inclined projection axes arranged to converge on the station for said object (100). 12. Apparato (1) secondo una qualunque rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che ciascun proiettore di luce (30i) della pluralit? di proiettori di luce (30i) comprende almeno una sorgente di luce LED, almeno una lente, un beam splitter ottico e un dispositivo digitale a microspecchi (Digital Micromirror Display, DMD), dove la lente ? posizionata tra la sorgente di luce LED ed il beam splitter ottico, e il beam splitter ottico ? posizionato tra la lente e il dispositivo digitale a microspecchi (DMD).12. Apparatus (1) according to any previous claim, characterized in that each light projector (30i) of the plurality? of light projectors (30i) includes at least one LED light source, at least one lens, an optical beam splitter and a digital micromirror display (DMD), where the lens is positioned between the LED light source and the optical beam splitter, and the optical beam splitter ? positioned between the lens and the digital micromirror device (DMD). 13. Apparato (1) secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che almeno uno e preferibilmente ciascun proiettore di luce (30i) della pluralit? di proiettori di luce (30i) comprende almeno tre sorgenti di luce LED monocromatica differente ciascuna associata ad una corrispondente lente, e un sistema ottico interposto tra dette lenti e detto beam splitter ottico e configurato per collimare i fasci di luce emessi da dette tre sorgenti di luce LED.13. Apparatus (1) according to the previous claim, characterized in that at least one and preferably each light projector (30i) of the plurality? of light projectors (30i) includes at least three different monochromatic LED light sources each associated with a corresponding lens, and an optical system interposed between said lenses and said optical beam splitter and configured to collimate the light beams emitted by said three light sources LED light. 14. Apparato (1) secondo una qualunque rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto di comprendere inoltre mezzi di riconfigurazione delle immagini proiettate sull'oggetto (100). 14. Apparatus (1) according to any previous claim, characterized in that it further comprises means for reconfiguring the images projected onto the object (100).
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