TWI445921B - 三維量測方法 - Google Patents

Description

三維量測方法

本揭示內容是有關於一種三維量測方法，且特別是有關於一種有助於提高動態範圍的三維量測方法。

近年來由於元件尺寸縮小，發展出許多自動化高精度檢測設備，用來檢測電子元件的外觀、線路連接、對位關係等是否妥善。其中如自動錫膏檢測機(Solder Paste Inspection,SPI)已被廣泛採用在產線上精確量測基板上的錫膏尺寸，以作為印刷電路板製程管控的一個必要工具。

在量測待測物件的三維形狀的方法中，習知常見的量測方法如採用摩爾紋(Moire Pattern)投射，其將條紋圖案光線投射至待測物件上，更進一步基於相位平移法，由待測物件反射的影像而得到待測物件的三維形狀。

根據該相位平移法，先取得複數個在條紋圖案光線下的影像，並且在考慮條紋圖案光線之形式及量測平面的高度情況下，該等影像可被分析以得知待測物件的三維形狀。

同時，為因應業界的應用需求，SPI相關技術也持續改善，追求更快的量測速度以及更高的量測精確度。例如，部份習知的做法中係採用不同照度的兩組(或多組)影像，將各組影像不能使用的像素單元(pixel)由另一組影像相同位置的像素單元取代，以期望取得較廣泛的動態範圍(Extended Dynamic Range)，然而，此種習知方法燈源必須不斷的改變照度(illumination level)增加控制複雜度，更可能降低燈具的使用壽命。

為解決上述問題，本揭示文件提出一種三維量測方法，其在燈源的照度不變下，擷取至少兩個影像組合，每一個影像組合與另一個影像組合之間具有360度相位角的相位差，而每一個影像組合中包含多個不同相位下擷取的影像，例如四張影像分別相差90度相位角。將多個影像組合中相對應影像的像素資訊累加，形成一整合影像組合，其中如有任一像素單元的累加值溢位(overflow)，則可將其除以影像組合的總組數，隨後，基於整合影像組合進行後續的輪廓偵測。藉由多個影像組合的累計，可使三維量測具有較廣泛的動態範圍(Extended Dynamic Range)。

本揭示內容之一態樣是在提供一種三維量測方法，用以量測一待測物體，該三維量測方法包含步驟：產生一第一影像組合，該第一影像組合包含K個相異相位下依序擷取的K個影像，其中K為1以上之正整數；產生一第二影像組合，該第二影像組合包含K個相異相位下依序擷取的K個影像，該第二影像組合中的各個影像之相位分別對應該第一影像組合中其中一個影像；將該第一影像組合與該第二影像組合中相對應相位之影像中各像素數值相加，進而產生一第三影像組合之K個影像；利用該第三影像組合，建立該待測物體之一高度分佈圖；以及，基於該高度分佈圖進行該待測物體之輪廓偵測。

根據本發明之一實施例，產生該第一影像組合與產生該第二影像組合的步驟中各自包含：投射一條紋圖案光線至該待測物體；以及，平移該條紋圖案光線，以形成該K個相異相位。

根據本發明之一實施例，該條紋圖案光線具有一條紋寬度，每次平移該條紋圖案光線時，係平移該條紋寬度之1/K倍，以形成該K個相異相位。

根據本發明之一實施例，該第二影像組合中的各個影像之相位分別為該第一影像組合中其中一個影像加上2π相位角。

根據本發明之一實施例，於各像素數值相加之步驟中，該些像素數值具有一數值範圍上限，當該第一影像組合與該第二影像組合中相對應之影像中任一像素單元之像素數值相加超過該數值範圍上限時，進一步將該像素單元之像素數值相加後數值除以2，存入該第三影像組合之K個影像。

根據本發明之一實施例，其中產生該第三影像組合之K個影像之步驟中，係將該第一影像組合與該第二影像組合中相對應相位之影像中各像素數值各自乘上一補償參數後相加，進而產生該第三影像組合。

本揭示內容之另一態樣是在提供一種三維量測方法，用以量測一待測物體，該三維量測方法包含步驟：產生相異的M組影像組合，其中每一組影像組合包含K個相異相位下依序擷取的K個影像，各組影像組合中的各個影像之相位分別對應其餘影像組合中其中一個影像，其中K為1以上之正整數，M為2以上之正整數；將M組影像組合中相對應相位之影像中各像素數值相加，進而產生一整合影像組合之K個影像；利用該整合影像組合，建立該待測物體之一高度分佈圖；以及，基於該高度分佈圖進行該待測物體之輪廓偵測。

根據本發明之一實施例，產生該M組影像組合的步驟中各自包含：投射一條紋圖案光線至該待測物體；以及，平移該條紋圖案光線，以形成該K個相異相位。

根據本發明之一實施例，該條紋圖案光線具有一條紋寬度，每次平移該條紋圖案光線時，係平移該條紋寬度之1/K倍，以形成該K個相異相位。

根據本發明之一實施例，其中M組影像組合中相對應相位之影像各自相差2π相位角的整數倍。

根據本發明之一實施例，其中於各像素數值相加之步驟中，該些像素數值具有一數值範圍上限，當M組影像組合中相對應相位之影像中任一像素單元之像素數值相加超過該數值範圍上限時，進一步將該像素單元之像素數值相加後數值除以M，存入該整合影像組合之K個影像。

根據本發明之一實施例，產生該整合影像組合之K個影像之步驟中，係將該M組影像組合中相對應相位之影像中各像素數值各自乘上一補償參數後相加，進而產生該整合影像組合。

請參閱第1圖以及第2圖，第1圖繪示根據本發明之一實施例中一種三維量測方法的方法流程圖。第2圖則繪示本發明之一實施例中三維量測方法可配合使用的三維量測裝置100之示意圖，但第2圖中的三維量測裝置100僅為例示性說明，本發明之三維量測方法但不以第2圖中三維量測裝置100的硬體架構為限。

如第2圖所示，三維量測裝置100包含測量載具120、投影模組140、取像模組160以及處理模組180。測量載具120包含載具平臺122以及移動單元124。載具平臺122用以承載待測物體200，移動單元124用以驅動載具平臺122水平移動，藉此，載具平臺122可帶動待測物體200於測量平面220上水平移動，但並不以此為限。於另一實施例中，亦可平移取像模組160的位置，使其相對待測物體200水平移動，以獲取不同部位的影像。

於此實施例中，投影模組140可包含光柵142、光柵移動器144以及光源146。光源146產生的光線經過光柵142後可形成條紋圖案光線，並投射至待測物體200上。

如第1圖所示，於此實施例中，三維量測方法首先執行步驟S100，產生一第一影像組合，該第一影像組合包含K個相異相位下依序擷取的K個影像，其中K為1以上之正整數。於此實施例中，以K=4作例示性說明，但本發明並不以此為限。

須補充的是，在產生第一影像組合於四個相異相位下依序擷取的四個影像的步驟中，係透過投影模組140投射條紋圖案光線至待測物體200，並且，藉由平移條紋圖案光線，以形成四個相異相位。

請一併參閱第3A圖至第3D圖，其繪示於本實施例中不同相位角下的條紋圖案光線示意圖。投影模組140的光柵移動器146用以平移光柵142，使第一光柵142沿與條紋圖案垂直之方向移動(即第3A圖至第3D圖中的水平方向)，藉此形成條紋圖案光線的各種相位角。其中，第3A圖繪示相位角0度時的示意圖，第3B圖繪示相位角90度時的示意圖，第3C圖繪示相位角180度時的示意圖，第3D圖繪示相位角270度時的示意圖。

如第3A圖至第3D圖所示，該條紋圖案光線具有一條紋寬度W，每次平移該條紋圖案光線時，係平移該條紋寬度W之1/K倍，以形成該K個相異相位，如第3A圖與第3B圖兩者的條紋圖案光線之位置差距1/4倍的條紋寬度W(如圖示中W/4)。

請一併參閱第4圖，其繪示第一影像組合imgA、第二影像組合imgB以及第三影像組合imgC之示意圖。如第4圖中，第一影像組合imgA包含了相位角0度、相位角90度、相位角180度以及相位角270度下依序擷取的四個影像A1,A2,A3,A4。

接著，執行步驟S102，產生一第二影像組合imgB，該第二影像組合imgB亦包含四個相異相位下依序擷取的四個影像。如第4圖所示，本實施例中，第二影像組合imgB包含了相位角0+360度、相位角90+360度、相位角180+360度以及相位角270+360度下依序擷取的四個影像B1,B2,B3,B4。

其中，該第二影像組合imgB中的各個影像之相位分別對應該第一影像組合中其中一個影像，即第二影像組合imgB中的影像B1對應至第一影像組合imgA中的影像A1；第二影像組合imgB中的影像B2對應至第一影像組合imgA中的影像A2；第二影像組合imgB中的影像B3對應至第一影像組合imgA中的影像A3；第二影像組合imgB中的影像B4對應至第一影像組合imgA中的影像A4。

於此實施例中，投影模組140的光柵移動器146可循序地平移光柵142，並由取像模組160依序產生影像A1,A2,A3,A4,B1,B2,B3,B4，其中每個影像皆差距相位角90度，其間距相等，且控制上十分方便，其中，第二影像組合imgB中的各個影像B1,B2,B3,B4之相位分別為第一影像組合imgA中相對應相位之影像A1,A2,A3,A4加上2π相位角(即360度)。第一影像組合imgA中最後之影像A4與第二影像組合imgB中最初之影像B1亦差距90度相位角，使光柵移動器146的驅動控制上十分容易，在步驟S100(產生第一影像組合imgA)與步驟S102(產生第二影像組合imgB)間不需要改變光源的照度，亦不須要將光柵位置重置，可節省光柵移動至重置位置的時間。

接著，執行步驟S104，將該第一影像組合imgA與該第二影像組合imgB中相對應相位之影像中各像素單元之像素數值相加，進而產生第三影像組合imgC之四個影像。如第4圖所示，第一影像組合imgA中的影像A1與第二影像組合imgB中的影像B1相加形成第三影像組合imgC中的影像C1，其餘依次類推。

須補充說明的是，產生第三影像組合imgC中的影像C1之步驟中，並不僅限於第一影像組合imgA與第二影像組合imgB中相對應相位之影像中各像素數值直接相加。於一實施例中，亦可將其各自乘上一補償參數後相加，進而產生該第三影像組合。舉例來說，第三影像組合imgC的像素數值Pixel_imgC 符合：

Pixel_imgC =C₁ *Pixel_imgA +C₂ *Pixel_imgB ，其中，Pixel_imgA 為第一影像組合imgA的像素數值，Pixel_imgB 為第二影像組合imgB的像素數值，C₁ ,C₂ 為各自的補償參數。

於步驟S104中須補充說明的是，在各像素單元之像素數值相加之過程之中，於實際使用情況下，該些像素數值具有數值範圍上限。舉例來說，像素的灰階深度為8位元時，該些像素數值具有數值範圍可為0~255，則像素數值之數值範圍上限即為255。

若像素數值超過數值範圍上限則可能發生溢位，當步驟S104中將該第一影像組合imgA與該第二影像組合imgB中相對應相位之影像中各像素單元之像素數值相加，若發現任一個位置上的兩像素數值相加超過數值範圍上限，便可將累加值除以影像組合總數(於此例中為除以2)，並存入第三影像組合imgC之各個相位的四個影像，以避免溢位情況發生。

接著，執行步驟S106，利用該第三影像組合，建立該待測物體200之高度分佈圖。其中，高度分佈圖的計算係對四個相位上每一像素單元計算其高度角，其公式為：，其中，I _{A 1+B 1} 為影像A1與影像B1在特 定像素單元上的像素數值相加值；I _{A 2+B 2} 為影像A2與影像B2在特定像素單元上的像素數值相加值，依次類推。

須注意的是，當任意一個相位(0度、90度、180度或270度)某一像素單元上像素數值相加超過數值範圍上限，則其他相位的同一位置之像素單元的像素數值皆須進行上述除法運算。如此一來，在高度角的計算中，因分母與分子皆同除，可確保其高度角的計算結果不受溢位除法運算影響。

接著，執行步驟S108，基於該高度分佈圖進行該待測物體200之輪廓偵測。

須額外說明的是，於上述實施例中，第一影像組合imgA與第二影像組合imgB各包含四個相距相位角90度的影像，但本發明並不以此實施例為限。於其他實施例中，第一影像組合imgA與第二影像組合imgB可包含兩個以上任意數目的影像，例如，第一影像組合imgA與第二影像組合imgB個包含兩個相距相位角180度的影像，或是，第一影像組合imgA與第二影像組合imgB個包含六個相距相位角60度的影像，依此類推，並不以各包含四張影像為限。

此外，三維量測方法亦不限定於利用兩組影像組合(第一影像組合imgA與第二影像組合imgB)產生第三影像組合imgC。於另一實施例中，亦可產生相異的M組影像組合，M為2以上之任意正整數。

請參閱第5圖，其繪示另一實施例中三維量測方法的方法流程圖，如第5圖之實施例中，三維量測方法首先執行步驟S200，產生相異的M組影像組合，其中每一組影像組合包含K個相異相位下依序擷取的K個影像，各組影像組合中的各個影像之相位分別對應其餘影像組合中其中一個影像，其中K為1以上之正整數，M為2以上之正整數。

接著，執行步驟S202，將M組影像組合中相對應相位之影像中各像素單元之像素數值相加，進而產生一整合影像組合之K個影像。

須補充說明的是，產生整合影像組合之K個影像之步驟中，並不僅限於M組影像組合中相對應相位之影像中各像素數值直接相加。於一實施例中，亦可將其各自乘上一補償參數後相加，進而產生該整合影像組合。舉例來說，整合影像組合的像素數值newPixel_img 符合：

newPixel_img =sum(C_x *Pixel_img(x) )，其中，Pixel_img(x) 為第x組影像組合的像素數值，C_x 為第x個影像的補償參數，其中x為1至k之間的正整數。

其中，於各像素單元之像素數值相加之步驟中，該些像素數值具有一數值範圍上限，當M組影像組合中相對應相位之影像中任一像素單元之像素數值相加超過該數值範圍上限時，進一步將該像素單元之像素數值相加後數值除以M，存入該整合影像組合之K個影像

接著，執行步驟S204，利用該整合影像組合，建立該待測物體之一高度分佈圖。接著，執行步驟S206，基於該高度分佈圖進行該待測物體之輪廓偵測。關於本實施例中的詳細步驟作法與先前實施例大致相同，請參閱先前實施例的相對應段落，在此不另贅述。

於上述實施例中，三維量測方法配合使用的三維量測裝置100以具有單一投影模組140作例示性說明，實際應用中，三維量測方法亦可用於具有多重投影模組之三維量測裝置，請一併參閱第6圖，其繪示根據本發明之另一具體實施例中一種具有多重投影模組之三維量測裝置102之示意圖。與先前實施例不同之處在於，如第6圖所示，三維量測裝置102中包含兩投影模組140a與140b。於此實施例中，三維量測裝置102中的兩投影模組140a與140b可各自產生獨立的影像組合並進行上述實施例所提到的三維量測方法運算，例如，兩投影模組140a與140b可進一步採用不同的條紋圖案寬度，避免相互干擾。透過多重投影模組140a與140b的設置，可提高三維量測的精確度或提升三維量測速度。因此，本揭示文件所提出的三維量測方法可廣泛應用在具有單一或多重投影模組的三維量測裝置上。

此外，為了獲得三維量測資訊，係將週期性條紋(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。在上述實施例中係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，如上述實施例中所描述，利用投影模組140中的光柵移動器144依序平移光柵142來產生不同相位的條紋圖案於待測物上，又稱為光柵步進(stop-go)方式，於步驟S100當中的第一影像組合，第一影像組合包含K個相異相位下依序擷取的K個影像(如第3A圖至第3D圖)。然而，本發明所使用不同相位之週期性條紋的產生方式，並不僅以移動光柵142來產生多個相位為限，亦可採用其他方式來產生第一影像組合imgA與第二影像組合imgB中各個相位之影像。

舉例來說，根據本發明之另一實施例，請參閱第7圖，其繪示本發明之另一實施例中三維量測方法可配合使用的三維量測裝置104之示意圖。於此實施例中，與先前實施例的三維量測裝置100,102之不同之處在於，三維量測裝置104的投影模組中不需設置光柵移動器來平移光柵。於此實施例中，可藉由裝置104與待測物200間的相對移動，即可得到第一影像組合imgA與第二影像組合imgB中各個相位之影像。也就是說，本發明中產生各影像組合中多個不同相位影像(即平移待測物體之上的條紋圖案光線)的作法，並不以平移光柵為限。

綜上所述，本揭示文件提出一種三維量測方法，其在燈源的照度不變下，擷取至少兩個影像組合，每一個影像組合與另一個影像組合之間具有360度相位角的相位差，而每一個影像組合中包含多個不同相位下擷取的影像，例如四張影像分別相差90度相位角。將多個影像組合中相對應影像的像素資訊累加，形成一整合影像組合，其中如有任一像素單元的累加值溢位(overflow)，則可將其除以影像組合的總組數，隨後，基於整合影像組合進行後續的輪廓偵測。藉由多個影像組合的累計，可使三維量測具有較廣泛的動態範圍(Extended Dynamic Range)。

雖然本揭示內容已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本揭示內容，任何熟習此技藝者，在不脫離本揭示內容之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本揭示內容之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100,102,104．．．三維量測系統

120．．．測量載具

122．．．載具平臺

124．．．移動單元

140,140a,140b．．．投影模組

142．．．光柵

144．．．光柵移動器

146．．．光源

200．．．待測物體

220．．．測量平面

160．．．取像模組

162．．．感應晶片模組

164．．．遠心鏡頭

180．．．處理模組

S100~S108．．．步驟

S200~S206．．．步驟

為讓本揭示內容之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下：

第1圖繪示根據本發明之一實施例中一種三維量測方法的方法流程圖；

第2圖則繪示本發明之一實施例中三維量測方法可配合使用的三維量測裝置之示意圖；

第3A圖至第3D圖繪示於本實施例中不同相位角下的條紋圖案光線示意圖；

第4圖繪示第一影像組合、第二影像組合以及第三影像組合之示意圖；

第5圖繪示另一實施例中三維量測方法的方法流程圖；

第6圖繪示根據本發明之另一具體實施例中一種具有多重投影模組之三維量測裝置之示意圖；以及

第7圖繪示本發明之另一實施例中三維量測方法可配合使用的三維量測裝置之示意圖。

S100~S108．．．步驟

Claims (10)

1. 一種三維量測方法，用以量測一待測物體，該三維量測方法包含步驟：產生一第一影像組合，該第一影像組合包含K個相異相位下依序擷取的K個影像，其中K為1以上之正整數；產生一第二影像組合，該第二影像組合包含K個相異相位下依序擷取的K個影像，該第二影像組合中的各個影像之相位分別對應該第一影像組合中其中一個影像；將該第一影像組合與該第二影像組合中相對應相位之影像中各像素數值相加，進而產生一第三影像組合之K個影像，其中該些像素數值具有一數值範圍上限，當該第一影像組合與該第二影像組合中相對應之影像中任一像素單元之像素數值相加超過該數值範圍上限時，進一步將該像素單元之像素數值相加後數值除以2，存入該第三影像組合之K個影像；利用該第三影像組合，建立該待測物體之一高度分佈圖；以及基於該高度分佈圖進行該待測物體之輪廓偵測。
2. 如請求項1所述之三維量測方法，其中產生該第一影像組合與產生該第二影像組合的步驟中各自包含：投射一條紋圖案光線至該待測物體；以及平移該條紋圖案光線，以形成該K個相異相位。
3. 如請求項2所述之三維量測方法，其中該條紋圖案光線具有一條紋寬度，每次平移該條紋圖案光線時，係平移該條紋寬度之1/K倍，以形成該K個相異相位。
4. 如請求項1所述之三維量測方法，其中該第二影像組合中的各個影像之相位分別為該第一影像組合中其中一個影像加上2π相位角。
5. 如請求項1所述之三維量測方法，其中產生該第三影像組合之K個影像之步驟中，係將該第一影像組合與該第二影像組合中相對應相位之影像中各像素數值各自乘上一補償參數後相加，進而產生該第三影像組合。
6. 一種三維量測方法，用以量測一待測物體，該三維量測方法包含步驟：產生相異的M組影像組合，其中每一組影像組合包含K個相異相位下依序擷取的K個影像，各組影像組合中的各個影像之相位分別對應其餘影像組合中其中一個影像，其中K為1以上之正整數，M為2以上之正整數；將M組影像組合中相對應相位之影像中各像素數值相加，進而產生一整合影像組合之K個影像，其中該些像素數值具有一數值範圍上限，當M組影像組合中相對應相位 之影像中任一像素單元之像素數值相加超過該數值範圍上限時，進一步將該像素單元之像素數值相加後數值除以M，存入該整合影像組合之K個影像；利用該整合影像組合，建立該待測物體之一高度分佈圖；以及基於該高度分佈圖進行該待測物體之輪廓偵測。
7. 如請求項6所述之三維量測方法，其中產生該M組影像組合的步驟中各自包含：投射一條紋圖案光線至該待測物體；以及平移該條紋圖案光線，以形成該K個相異相位。
8. 如請求項7所述之三維量測方法，其中該條紋圖案光線具有一條紋寬度，每次平移該條紋圖案光線時，係平移該條紋寬度之1/K倍，以形成該K個相異相位。
9. 如請求項7所述之三維量測方法，其中M組影像組合中相對應相位之影像各自相差2π相位角的整數倍。
10. 如請求項7所述之三維量測方法，其中產生該整合影像組合之K個影像之步驟中，係將該M組影像組合中相對應相位之影像中各像素數值各自乘上一補償參數後相 加，進而產生該整合影像組合。