TWI407075B - 量測立體物件之系統 - Google Patents

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Description

量測立體物件之系統
本發明係關於一種量測系統，尤其是一種關於量測立體物件之系統。
立體物件之量測通常需要靠包含有「投影裝置」及「成像裝置」的光學系統。簡言之，投影裝置是將結構光投射在立體物件，使其產生結構光影，成像裝置則是對立體物件照像，並同時拍攝該立體物件之結構光影，藉此計算立體物件之高度並以3D影像顯示。
將3D量測技術應用於電路板製造檢測，以提升生產效率的做法，現已日益普遍。為了獲得3D資訊，目前的一種作法是，將週期性條紋(Periodic fringe pattern)投射於待測物件上。藉由移動改變該週期性條紋相位數次，並獲取從一位置對應不同條紋相位的影像。其主要原理是利用光源通過光柵，經由鏡組將所形成的條紋投射至待測物件。藉由移動光柵本身或以投影系統與物件間的作相對位移，達成調制條紋的相位。以此來估算待測物件的地貌資訊之技術。這些技術早已揭露，例如美國專利第4212073與4641972號中揭示者。
在上述文獻中，週期性條紋係由光源、正弦光柵(Sinusoidal Grating)及投影鏡組，構成投影裝置而產生，並藉此投影至待測物件的特定區域表面。為了調制該週期性條紋相對於待測物件之表面的相位，可藉由機構移動光柵而達成，這些技術亦已於美國專利第5636025及7453580號中揭露。另外，還可藉由改變投影裝置與待測物件之特定區域間之相對距離進行相位調整，例如美國專利第5646433、6501554、6509559、7397550及6750899等號內容所示。
請參考圖1習知的光學系統100，其是以Tri-linear相機做為成像裝置15。投影系統18產生週期條紋36a-36c並投影至待測物件14之上，且成像於成像裝置15。條紋36a、36b、36c分別為不同相位的條紋，而成像裝置15是由數條線型感測器15a、15b及15c所構成。線型感測器15a、15b及15c彼此之間相隔數個像素距離。待測物件14相對於光學系統100進行移動，如箭頭200方向所示，以進行相位調制。條紋16a的照射區域可成像於15a；當照射區域移至16b時，可成像於15b，而移動至16c時，可成像於15c。如此可得到同一待測物件不同條紋相位及不同區域的數張影像資訊，並據以獲致單一條線型感測器大小的3D資訊，再配合連續逐條掃描(Line scan)加以合成面區域之地貌資訊。
然而，上述的技術受限於Tri-linear相機的頻寬，也就是「成像裝置」是以取像視野(field of view；FOV)為單位。由於上述技術的相機線頻率(Line rate)達數千赫茲，難以使用閃光燈源而必須選用恒定燈源，其消耗功率遠大於閃光燈源，且使用期限較短而維護費用較高。
此外，美國專利第6750899號揭露另一種產生3D影像的方式，其系統架構如圖2A所示。投影系統81包含閃光燈82、收光鏡83、光柵84及投影鏡頭85，藉以產生條紋投影至待測機板86及其待測物件87。成像系統88包含CCD相機89與鏡頭93，CCD解析度為1024 X 1024。外部光源97投射光點至待測機板86上與CCD相機89光軸交會之處，由CCD相機89取像並藉以計算待測機板86與取像系統88間之距離。
待測機板86由XY軸承系統95控制移動。請同時參考圖2B，移動方向如箭頭300所示。當待測機板86移動至待測區域後，光源97觸發並由CCD相機89取像並調整成像距離。如圖2B所示，先取像801，然後依序取像802、803、804。其中，所取得的影像間之位移約為數個像素，所有取像於數毫秒內完成。分別取出影像802、803、804中對應於重合區域為800的部分影像，即可計算該重合區域800內之3D資訊。
實際上，於不同待測區域間移動時的速度，與取像時之速度並不一致，故此類系統仍有動態加減速下需時穩定的問題；此外，一群影像間僅有重合部分能夠用來計算3D資料，其餘部分無法使用。以上均造成相機頻寬上的浪費。
由於生產成本的問題，電路板上單位面積的元件覆蓋率日漸變高，愈來愈有必要進行整板掃描檢測，以使生產線上產能及產率不斷地提升。因此，檢測機台不僅需要具備良好檢測能力，而且在檢測速度上相對的必須有更大的突破，方可應付市場所需。
此外，雖然習知技術已經揭露利用遠心鏡頭作為投影裝置，例如美國專利第6577405號中所揭露者，由於其還必須外加量測待測物距離之硬體如雷射光點，並且須移動/改變整組光學系統與待測物間之距離以獲得清楚之成像。如此一來，就會使得機台無法克服運動極限。
本發明之主要目的係在提供一種量測立體物件之系統，該系統之移動可避免動態加減速變化。
本發明之另一目的係在提供一種量測立體物件之系統，該系統可減少影像之間的無效區域，以發揮相機的最大頻寬。
本發明之再一目的係在提供一種量測立體物件之系統，其可滿足高檢測速度的需求。
為達成上述之目的，本發明揭露一種量測立體物件之系統，用以量測一立體物件。該量測立體物件之系統包括一基座、一平面掃瞄裝置、一第一光源發射裝置、一第二光源發射裝置、一影像擷取裝置及一控制裝置。
平面掃瞄裝置係設於該基座上，影像擷取裝置位於該第一光源發射裝置與該第二光源發射裝置之間。第一光源發射裝置係連結於該平面掃瞄裝置上，且第一光源發射裝置係用以投射一第一光源至立體物件上。第二光源發射裝置係連結於該平面掃瞄裝置上，且第二光源發射裝置係用以投射一第二光源至立體物件上。影像擷取裝置係連結於平面掃瞄裝置上，當該第一光源或該第二光源投射至立體物件時，影像擷取裝置擷取該立體物件之複數影像。
在實施例中，第一、二光源發射裝置採用投影鏡頭，而影像擷取裝置採用遠心鏡頭，而且此遠心鏡頭採用雙面遠心鏡頭。
控制裝置包括有記憶體、處理器、影像介面、顯示螢幕及輸入/輸出(I/O)單元彼此電性相連，以控制該平面掃瞄裝置相對於該基座進行平面運動。進一步而言，量測立體物件之系統還包括有馬達，該馬達與控制裝置的I/O單元電性相連，以驅動該平面掃瞄裝置進行平面運動。
控制裝置還可控制第一光源發射裝置及第二光源發射裝置，使得第一光源與第二光源係以交錯輪替地投射至立體物件上。
此外，控制裝置更控制該影像擷取裝置，當第一光源或第二光源投射至立體物件時，該影像擷取裝置擷取該立體物件之影像。
為能讓　貴審查委員能更瞭解本發明之技術內容，特舉較佳具體實施例說明如下。
請同時參考圖3及圖4，其分別顯示本發明「量測立體物件之系統」的外觀示意圖及方塊架構圖。本發明之量測立體物件之系統1係用以量測一立體物件90(例如已圖佈錫膏的電路版)。該量測立體物件之系統1包括一基座20、一平面掃瞄裝置30、一第一光源發射裝置40、一第二光源發射裝置50、一影像擷取裝置70及一控制裝置60(將在以下圖4詳述)。
平面掃瞄裝置30係設於該基座20上，平面掃瞄裝置30相對於該基座20可進行平面運動，在本實施例中，平面掃瞄裝置30包含一主體31、一X軸軌道30b及兩個Y軸軌道30a。第一、第二光源發射裝置40,50及影像擷取裝置70設於主體31內，而主體31能在X軸軌道30b上移動，X軸軌道30b能在兩個Y軸軌道30a上移動。簡言之，第一、第二光源發射裝置40,50及影像擷取裝置70係連結於該平面掃瞄裝置30上，而平面掃瞄裝置30之重點就是帶動第一、第二光源發射裝置40,50及影像擷取裝置70進行平面運動。由於平面掃瞄裝置30為一成熟機構，在此不再贅述。
第一光源發射裝置40係用以投射一第一光源41至立體物件90上，而第二光源發射裝置50係用以投射一第二光源51至立體物件90上，當該第一光源41或該第二光源51投射至立體物件90時，影像擷取裝置70擷取該立體物件90之影像。
請參考圖5關於第一、第二光源發射裝置40,50以及影像擷取裝置70之結構示意圖。
第一光源發射裝置40包括一第一發光件42及一第一鏡頭43，使得該第一發光件42件透過該第一鏡頭43投射一第一光源41至該立體物件90上。此外，如熟習本項技術之人所知悉者，第一光源發射裝置40還需要一光柵元件43a將光柵投影成像在該立體物件90上，以利計算立體物件90之3D地理資訊。在本實施例中第一鏡頭43採用投影鏡頭。
第二光源發射裝置50與第一光源發射裝置40設計相同，第二光源發射裝置50包括一第二發光件52及一第二鏡頭53，使得該第二發光件52透過該第二鏡頭53投射一第二光源51至該立體物件90上。此外，如熟習本項技術之人所知悉者，第二光源發射裝置50還需要一光柵元件53a將光柵投影成像在該立體物件90上，以利計算立體物件90之3D地理資訊。在本實施例中第二鏡頭53採用投影鏡頭。
影像擷取裝置70位於第一、二光源發射裝置40,50之間，影像擷取裝置70之中心軸線70a與第一光源發射裝置40之中心軸線40a之夾角Θ1，以及第二光源發射裝置50之中心軸線50a之夾角Θ2建議為10度至45度之間。影像擷取裝置70主要包括包括一感應晶片模組71及一遠心鏡頭72。而遠心鏡頭72在本實施例採用雙面遠心鏡頭，因此不必外加硬體量測立體物件90與影像擷取裝置70之間的動態距離，並只須移動影像擷取裝置70(亦即相機)的感應晶片模組71，立體物件90即可得清楚地取得動態成像，且光學成像倍率並不會動態改變。
舉例而言，立體物件90可以是一待檢測的電路板，將電路板放置在基座20上，利用平面掃瞄裝置30相對於該基座20進行平面運動，使第一光源發射裝置40、第二光源發射裝置50及影像擷取裝置70亦相對於該基座20進行平面運動；例如沿著X方向來回往返並沿著Y方向行進。因此位於基座20上之電路板即得以利用本發明之系統1進行量測，以檢測該電路板上之焊錫點品質是否有瑕疵。
請參考圖4，一般而言，控制裝置60包括有記憶體61、處理器62、影像介面66、顯示螢幕63及輸入/輸出(I/O)單元64彼此電性相連，以控制該平面掃瞄裝置30相對於基座20進行平面運動。進一步而言，量測立體物件之系統1還包括有馬達65，該馬達65與控制裝置的I/O單元64電性相連，以驅動該平面掃瞄裝置30進行平面運動。
記憶體61儲存有軟體程式，並透過處理器62執行該軟體程式達成各項控制。因此控制裝置60可控制該影像擷取裝置70擷取影像，當第一光源41或第二光源51投射至立體物件90時，影像擷取裝置70擷取該立體物件90之影像，並透過影像介面66將影像顯示在顯示螢幕63。
另外控制裝置60還可控制第一光源發射裝置40及第二光源發射裝置50，使得第一光源41與第二光源51係以交錯輪替地投射至立體物件90上，譬如控制裝置60控制交錯輪替投射光源之頻率為2Hz至1000Hz。藉此所採用等速區域型逐行掃描(Area Progressive Scan)的方式，取像時間內無動態加減速之變化，並同時減少影像之間的無效區域(只剩每行頭尾過度掃描區段)，以發揮影像擷取裝置(例如相機)的最大頻寬，進而滿足更高檢測速度的需求。
由於本發明影像取像採『雙面遠心鏡頭』因此不必外加硬體量測距離，只須移動影像擷取裝置(相機)之感應晶片模組，立體物件即可得清楚成像，且光學成像倍率不會改變。
如上所述，本發明所揭露的檢測技術與系統，可避免動態加減速變化，並同時減少影像之間的無效區域，以發揮影像擷取裝置(例如相機)的最大頻寬，進而滿足更高檢測速度的需求。
綜上所陳，本發明無論就目的、手段及功效，在在均顯示其迥異於習知技術之特徵，懇請　貴審查委員明察，早日賜准專利，俾嘉惠社會，實感德便。惟應注意的是，上述諸多實施例僅係為了便於說明而舉例而已，本發明所主張之權利範圍自應以申請專利範圍所述為準，而非僅限於上述實施例。
100．．．習知的光學系統
15．．．成像裝置
18．．．投影系統
36a-36c．．．條紋
14．．．待測物件
15a、15b、15c．．．線型感測器
200、300．．．移動方向箭頭
81．．．投影系統
82．．．閃光燈
83．．．收光鏡
84．．．光柵
85．．．投影鏡頭
86．．．待測機板
87．．．待測物件
88．．．成像系統
89．．．CCD相機
93．．．鏡頭
97．．．光源
801、802、803、804．．．影像
800．．．重合區域
1．．．量測立體物件之系統
20．．．基座
30．．．掃瞄裝置
31．．．主體
70．．．影像擷取裝置
71．．．感應晶片模組
72．．．遠心鏡頭
40．．．第一光源發射裝置
41．．．第一光源
42．．．第一發光件
43．．．第一鏡頭
50‧‧‧第二光源發射裝置
51‧‧‧第二光源
52‧‧‧第二發光件
53‧‧‧第二鏡頭
43a、53a‧‧‧光柵元件
90‧‧‧立體物件
60‧‧‧控制裝置
61‧‧‧記憶體
62‧‧‧處理器
63‧‧‧顯示螢幕
64‧‧‧I/O單元
65‧‧‧馬達
66‧‧‧影像介面
圖1係習知之光學系統架構示意圖。
圖2A係習知之光學系統外觀示意圖。
圖2B係依據圖2A之光學系統，顯示其連續拍攝影像之示意圖。
圖3顯示本發明「量測立體物件之系統」的外觀示意圖。
圖4顯示本發明「量測立體物件之系統」的方塊架構圖。
圖5顯示光源發射裝置及影像擷取裝置的示意圖。
1．．．量測立體物件之系統
20．．．基座
30．．．掃瞄裝置
31．．．主體
30a．．．Y軸軌道
30b．．．X軸軌道
40．．．第一光源發射裝置
50．．．第二光源發射裝置
70．．．影像擷取裝置
90．．．立體物件

Claims (8)

  1. 一種量測立體物件之系統，係用以量測一立體物件90，該量測立體物件之系統1包括：一基座20；一平面掃瞄裝置30，係設於該基座20上；一第一光源發射裝置40，係連結於該平面掃瞄裝置30上，該第一光源發射裝置40包括一第一發光件42及一第一鏡頭43，使得該第一發光件42件透過該第一鏡頭43投射一第一光源41至該立體物件90上；一第二光源發射裝置50，係連結於該平面掃瞄裝置30上，該第二光源發射裝置50包括一第二發光件52及一第二鏡頭53，使得該第二發光件52透過該第二鏡頭53投射一第二光源51至該立體物件90上；一影像擷取裝置70，係連結於該平面掃瞄裝置30上，當該第一光源41或該第二光源51投射至該立體物件90時用以擷取該立體物件90之複數影像，其中該影像擷取裝置70位於該第一光源發射裝置40與該第二光源發射裝置50之間，其中該影像擷取裝置70包括一感應晶片模組71及一遠心鏡頭(Telecentric)72；一控制裝置，用以控制該平面掃瞄裝置30以等速區域型掃描的方式，相對於該基座20進行一平面運動；控制該第一光源發射裝置40及該第二光源發射裝置50，使得該第一光源41與該第二光源51係以交錯輪替地投射至該立體物件90上； 當該第一光源41或該第二光源51投射至該立體物件90時，且同時該平面掃瞄裝置以等速區域型掃描的方式進行平面運動時，控制該影像擷取裝置70擷取該立體物件90之影像。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之量測立體物件之系統，其中該遠心鏡頭為一雙面遠心鏡頭。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之量測立體物件之系統，其中該第一鏡頭43以及該第二鏡頭53皆為一投影鏡頭。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之量測立體物件之系統，其中該第一光源發射裝置40之中心軸線41與該影像擷取裝置70之中心軸線71之間具有一夾角，且該夾角為10度至45度。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之量測立體物件之系統，其中該第二光源發射裝置50之中心軸線與該影像擷取裝置70之中心軸線之間具有一夾角，且該夾角為10度至45度。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之量測立體物件之系統，其中該第一光源41與該第二光源51交錯輪替地投射至該立體物件90上之頻率為2Hz至1000Hz。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之量測立體物件之系統，其中平面掃瞄裝置30更包含一主體31，而第一、第二光源發射裝置40,50及影像擷取裝置70設於主體31內。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之量測立體物件之系統，其中平面掃瞄裝置30更包含一X軸軌道30b及兩個Y 軸軌道30a，而主體31能在X軸軌道30b上移動，且X軸軌道30b能在兩個Y軸軌道30a上移動。
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