TWI644096B

TWI644096B - 具狹縫結構之瑕疵檢測光源裝置與利用該光源裝置之瑕疵檢測系統

Info

Publication number: TWI644096B
Application number: TW106142616A
Authority: TW
Inventors: 何昭慶; 游原瑋
Original assignee: 國立臺北科技大學
Priority date: 2017-12-05
Filing date: 2017-12-05
Publication date: 2018-12-11
Also published as: TW201925758A

Abstract

本發明提供一瑕疵檢測光源裝置，包括有一殼體、一發光源、一分光元件以及一遮光元件。該殼體，具有一第一出光面以及與該第一出光面相對應的一第二出光面。該發光源，用以產生一檢測光，該發光源設置於該殼體內之一側。該分光元件，設置於該殼體內部，且位於該檢測光的光路上。該遮光元件，設置於該第一出光面上，該遮光元件上具有一狹縫結構，可遮擋外界不必要光源。利用該光源裝置，可以架構一檢測系統用以檢測高反光鏡面且具有曲度的待測物。

Description

具狹縫結構之瑕疵檢測光源裝置與利用該光源裝置之瑕疵檢測系統

本發明為一種瑕疵檢測技術，特別是指一種針對高曲率與高反光表面之待測物的具狹縫結構之瑕疵檢測光源裝置與利用該光源裝置之瑕疵檢測系統。

高鏡面反射(Highly specular reflection)表面如加工表面、塗漆表面、電鍍表面皆具有高反射特性，因此在自動光學檢查(Automated Optical Inspection)經常遇到許多問題。

典型的高鏡面反射加工物為高爾夫球桿、軸承或軸承蓋，但不以此為限制。以高爾夫球桿為例，隨著高爾夫球運動的普及與興起，相關產品種類眾多。高爾夫球桿可依桿頭大致分類為木桿、鐵桿兩類，早期木桿的桿頭及桿身都以木頭製成，因此稱為木桿，現今都以金屬製成。鐵桿的桿頭是由特殊鋼材製成，而桿身依其長度可分為1-9號鐵桿，每號鐵桿可擊出不同距離。

在高爾夫球桿的製造過程中，檢測高爾夫球桿的缺陷是品管重要的一環，然而習用技術中，業界的檢測方式為人工檢測為主，其性能通常是主觀的、可變的、因此不足。自動化視覺檢測系統能提供客觀性，更好的可靠性和可重複性，並且能夠進行缺陷測量以評估產品質量。

為了解決人工檢測的問題，自動化量測有其必要性，然而高爾夫球桿因其電鍍表面為高鏡面反射曲面，外界光源容易在表面上形成高反光區域。而現有技術中，在圖像上難以判斷高反光為外界光源造成或是光源打在缺陷上所造成的高反光。此外，在待檢物體表面產生一條高反射區域，高反射區域會覆蓋缺陷與誤判。

再者，因高爾夫球桿為高鏡面反射曲面，在無瑕疵區域中，光線遵守反射定律，入射角等於反射角，除非相機在反射角軸向上拍攝圖像，不然所拍攝到的圖像較暗，因此需要使用高亮度光源照明，而如何量化光源參數與光源可重複性是一個難題。另外，對於球桿凹陷缺陷，凹陷陷下約為20 ，範圍約為1mm ²左右，其為球桿缺陷中最難用燈源去顯現的一種缺陷。前述的問題，都是現有高爾夫球桿在缺陷檢測上所面臨的問題，而這些問題，同樣也會發生在軸承或軸承蓋等高反光面的瑕疵檢測上。

綜合上述，因此需要一種具狹縫結構之瑕疵檢測光源裝置與利用該光源裝置之瑕疵檢測系統，來解決習用技術之不足。

由於當待檢物體表面為高鏡面反射曲面，表面容易受外界光源干擾，在待檢物體表面產生一條高反射區域，高反射區域會覆蓋缺陷與誤判。因此，本發明提出一種瑕疵檢測光源裝置與利用該光源裝置之瑕疵檢測系統，該光源裝置能夠避免外界光源在高曲率與高反光表面產生高反光區域，以防止高反光區域覆蓋缺陷。而該光源裝置為光源與遮光元件所組成。也可改變光源系統中遮光元件大小與形狀，使光源裝置經過不同種類遮光元件以應用於不同檢測物體。

本發明設計一光源遮光元件，讓光源成一細長條紋狀呈現，可遮擋外界不必要光源，其可應用於高鏡面反射物體之光學檢測系統。當檢測光源經過遮光元件成一線狀光源照明待檢測物體之表面，並使用面形攝影機擷取該待檢測物影像之光線。然而遮光元件之設計成不局限於一線狀，可針對於不同待測物設計不同形狀。

在一實施例中，本發明提供一種瑕疵檢測光源裝置，包括有一殼體、一發光源、一分光元件以及一遮光元件。該殼體，具有一第一出光面以及與該第一出光面相對應的一第二出光面。該發光源，用以產生一檢測光，該發光源設置於該殼體內之一側。該分光元件，設置於該殼體內部，且位於該檢測光的光路上。該遮光元件，設置於該第一出光面上，該遮光元件上具有一狹縫結構。其中，該檢測光經由該分光元件反射，僅有對應該狹縫結構區域的檢測光通過該狹縫結構，而投射至一待測物上，經由該待測物上反射之檢測光，只有對應該狹縫結構區域的反射檢測光通過該狹縫結構，穿過該分光元件再經由該第二出光面離開該殼體。

在另一實施例中，本發明提供一種瑕疵檢測系統，包括有一影像擷取裝置、一光學倍率鏡頭以及一光源裝置。該光學倍率鏡頭，與該影像擷取裝置耦接。該光源裝置，包括有一殼體、一發光源、一分光元件以及一遮光元件。該殼體，具有一第一出光面以及與該第一出光面相對應的一第二出光面，該第二出光面與該光學倍率鏡頭耦接。該發光源，用以產生一檢測光，該發光源設置於該殼體內之一側。該分光元件，設置於該殼體內部，且位於該檢測光的光路上。該遮光元件，設置於該第一出光面上，該遮光元件上具有一狹縫結構。其中，該檢測光經由該分光元件反射，僅有對應該狹縫結構區域的檢測光通過該狹縫結構，而投射至一待測物上，經由該待測物上反射之檢測光，只有對應該狹縫結構區域的反射檢測光通過該狹縫結構，穿過該分光元件再經由該第二出光面離開該殼體，再經由該光學倍率鏡頭而被該影像擷取裝置感測，進而產生一檢測影像。

在另一實施例中，本發明提供一種瑕疵檢測系統，包括有一影像擷取裝置、一光學倍濾鏡頭以及一光源裝置。該光學倍率鏡頭，與該影像擷取裝置耦接，該光學倍率鏡頭具有一殼體以及一光學鏡組，該殼體係具有一第一出光面以及與該第一出光面相對應的一第二出光面，該第二出光面與該影像擷取裝置耦接，該光學鏡組設置於該第一出光面與該第二出光面之間。該光源裝置，設置於該光學鏡組與該第二出光面之間，該光源裝置包括有一發光源、一分光元件以及一遮光元件。該發光源，用以產生一檢測光，該發光源設置於該殼體內之一側。該分光元件，設置於該殼體內部，且位於該檢測光的光路上。該遮光元件，設置於該第一出光面上，該遮光元件上具有一狹縫結構。其中，該檢測光經由該分光元件反射，通過該光學鏡組之後，僅有對應該狹縫結構區域的檢測光通過該狹縫結構，而投射至一待測物上，經由該待測物上反射之檢測光，只有對應該狹縫結構區域的反射檢測光通過該狹縫結構，穿過該光學鏡組與該分光元件再經由該第二出光面離開該殼體，而被該影像擷取裝置感測，進而產生一檢測影像。

在下文將參考隨附圖式，可更充分地描述各種例示性實施例，在隨附圖式中展示一些例示性實施例。然而，本發明概念可能以許多不同形式來體現，且不應解釋為限於本文中所闡述之例示性實施例。確切而言，提供此等例示性實施例使得本發明將為詳盡且完整，且將向熟習此項技術者充分傳達本發明概念的範疇。類似數字始終指示類似元件。以下將以多種實施例配合圖式來說明所述瑕疵檢測光源裝置與利用該光源裝置之瑕疵檢測系統，然而，下述實施例並非用以限制本發明。

請參閱圖1所示，該圖為本發明之瑕疵檢測光源裝置剖面示意圖。該瑕疵檢測光源裝置2包括有一殼體20、一發光源21、一分光元件22以及一遮光元件23。該殼體20，內部具有一容置空間200且具有一第一出光面201以及與該第一出光面201相對應的一第二出光面202。該發光源21，用以產生一檢測光90，該發光源21設置於該殼體20內之一側。該發光源21，在本實施例中，為LED發光陣列，提供一低同調的白光作為檢測光。要說明的是，本實施例中的發光源21，不以白光光源為限制。例如，在一實施例中，該發光源21可以為螢光光源或者是特定的有色光源等，其係可以根據需求而定。

該分光元件22，設置於該殼體20內部，且位於該檢測光90的光路上。該檢測光90經由該分光元件22的反射，朝向該第一出光面201投射。該遮光元件23，設置於該第一出光面201上，該遮光元件23上具有一狹縫結構230。當該檢測光90經由該分光元件22反射之後，雖然朝向該遮光元件23投射，但僅有對應該狹縫結構230區域的檢測光90通過該狹縫結構230，而投射至一待測物上，經由該待測物上反射之檢測光91，只有對應該狹縫結構230區域反射的檢測光91通過該狹縫結構230，接著通過該分光元件22，再經由該第二出光面202離開該殼體20。

如圖2所示，該圖為本發明之不同遮光元件示意圖。在一實施例中，如圖2(a)所示，該遮光元件23上的狹縫結構230為一長條線狀結構。如圖2(b)所示，該狹縫結構230a為具有複數個圓形孔洞，成一直線排列。在圖2(c)與圖2(d)的狹縫結構230b與230c中則為單一孔洞的結構，例如圓形或多邊形等。要說明的是，狹縫結構的形狀與數量係可以根據量測待測物的種類而定，並不以圖2(a)~(d)所示的實施例為限制。此外，要說明的是，狹縫結構的尺寸，例如：直線狹縫結構之線寬或該開孔的尺寸不會引發該檢測光於通過該狹縫結構時產生干涉。

請參閱圖3所示，該圖為本發明之瑕疵檢測光源裝置另一實施例剖面示意圖。本實施例中，該檢測光源裝置3為光學倍率透鏡，其內部整合發光裝置。該檢測光源裝置3包括有殼體30，其內具有一光學鏡組31以及一發光源21、一分光元件22以及一遮光元件23。該殼體30內具有容置空間300，該殼體30第一出光面301以及第二出光面302。該光學鏡組31設置在該容置空間300內，用以產生光學倍率放大或縮小的效果，該光學鏡組31的組成係屬習用之技術，在此不作贅述。該發光源21與該分光元件22係設置於該容置空間300內部，本實施例中，該發光源21與該分光元件22係設置於該第二出光面302與該光學鏡組31之間，該發光源21與該分光元件22的作用係如前所述，在此不作贅述。該遮光元件23則設置於該第一出光面301上，使該光學鏡組31位於該遮光元件23與該分光元件22之間。

在圖3的實施例中，發光源21所產生的檢測光90，其光路為經過該分光元件22的反射之後，通過該光學鏡組31之後，再通過該第一出光面301。由於在該第一出光面301上設置有遮光元件23，因此只有對應該遮光源件23的狹縫結構230區域的檢測光90才可以通過該狹縫結構230，而投射至一待測物上。經由該待測物反射之檢測光91，只有對應該狹縫結構230區域的反射檢測光91通過該狹縫結構230，穿過該光學鏡組31與該分光元件22再經由該第二出光面302離開該殼體30。

請參閱圖1與圖4所示，其中，圖4為本發明之瑕疵檢測系統的一實施例示意圖。在本實施例中，該檢測系統4包括有一影像擷取裝置40、一光學倍率鏡頭41以及一光源裝置2。該光源裝置2在本實施例中，係為如圖1所示的光源裝置。該光學倍率鏡頭41之一端與該影像擷取裝置40耦接，該光學倍率鏡頭41的另一端則和該光源裝置2耦接，在本實施例中，該光學倍率鏡頭41係與該光源裝置2的第二出光面202耦接。在該光源裝置2的一側具有待測物92。在一實施例中，該待測物92具有高鏡面反射曲面，例如：可以為一高爾夫球桿或者是轉軸結構等具有高鏡面以及曲度的表面。在本實施例中，該待測物92為高爾夫球桿，其兩端樞接在固定結構42上，待測物92的一端更與一驅動裝置43耦接，以接收該驅動裝置43提供的轉動動力進行轉動。該固定結構42與驅動裝置43係為本領域技術之人所熟知的結構，在此不作贅述。

當在進行檢測的時候，光源裝置2產生檢測光投射到待測物92表面上，反射的檢測光經過該光源裝置2與該光學倍率鏡頭41的倍率放大之後，再被該影像擷取裝置40接收而產生關於該檢測光照射於該待測物92之表面的一檢測影像。請參閱圖5A所示，該圖為使用如圖1所示的外同軸光源裝置2，但不具有遮光元件23的情況下，被影像擷取裝置40所拍攝於高鏡面反射曲面的高爾夫球桿的影像，從該影像中可以看出外同軸光源經過其內部45度分光元件22的邊緣，在球桿上產生兩條陰影，而陰影會導致瑕疵檢測中的誤判，或是陰影可能會遮擋住瑕疵本身。又如圖5B所示，同樣在不具有遮光元件23且外加環境光源，例如：檢測場所具有的日光燈，受到其係為外加環境光源所影響的圖像，可從圖像中看出日光燈在高反射鏡面物體上造成高反光區域，而高反光區會導致於瑕疵檢測誤判或遮蓋瑕疵本身。

如圖5C所示，其係為加上遮光元件23之後，同樣使用外同軸光源經過遮光元件23的情況下所拍攝的圖像，本實施例的狹縫結構如圖2(a)所示。光源裝置2所產生的檢測光只有對應遮光元件23上的狹縫結構230，才會穿透該遮光元件23。對應該狹縫結構230區域的檢測光通過該狹縫結構230，而投射至該高鏡面反射曲面的待測物92上，經由反射之後，再通過該狹縫結構230。從圖5C中可看出外同軸光源只有一條細長條紋光源呈現在圖像中，圖像中其餘地方的像素值較低。如圖5D所示，該圖為利用本發明之發光裝置所形成的瑕疵檢測系統得到具有缺陷的檢測影像。利用遮光元件23，檢測高鏡面與曲面的待測物92時，可以在不受干擾的情況下，順利的檢測出缺陷。透過圖4所示的驅動裝置43帶動待測物92完成轉動一圈，產生複數張檢測影像之後，則可以完成對該待測物的表面瑕疵檢查。

綜合上述，此利用本發明的遮光元件23不但可阻擋外界光源的干擾，也可解決外同軸所產生的陰影，以及解決習用技術中高反光區會導致於瑕疵檢測誤判或遮蓋瑕疵本身的問題，盡而順利檢測出表面缺陷。

另外要說明的是，雖然圖4的系統是用圖1的發光裝置，在另一實施例中，也可以改用圖3所示的發光裝置。利用圖3的發光裝置3時，該殼體30的第二出光面302與該影像擷取裝置40耦接，該發光源21所發出的檢測光經由該分光元件22反射，通過該光學鏡組31之後，僅有對應該狹縫結構230區域的檢測光通過該狹縫結構230，而投射至待測物上，經由該待測物上反射之檢測光91，只有對應該狹縫結構230區域的反射檢測光91通過該狹縫結構230，穿過該光學鏡組31與該分光元件22再經由該第二出光面302離開該殼體30，而被該影像擷取裝置40感測，進而可以擷取到待測物表面的檢測影像。

以上所述，乃僅記載本發明為呈現解決問題所採用的技術手段之較佳實施方式或實施例而已，並非用來限定本發明專利實施之範圍。即凡與本發明專利申請範圍文義相符，或依本發明專利範圍所做的均等變化與修飾，皆為本發明專利範圍所涵蓋。

2、3‧‧‧光源裝置

20、30‧‧‧殼體

200、300‧‧‧容置空間

201、301‧‧‧第一出光面

202、302‧‧‧第二出光面

21‧‧‧發光源

22‧‧‧分光元件

23‧‧‧遮光元件

230、230a、230b、230c‧‧‧狹縫結構

90、91‧‧‧檢測光

92‧‧‧待測物

4‧‧‧檢測系統

40‧‧‧影像擷取裝置

41‧‧‧光學倍率鏡頭

42‧‧‧固定結構

43‧‧‧驅動裝置

圖1為本發明之瑕疵檢測光源裝置剖面示意圖。圖2為本發明之不同遮光元件示意圖。圖3為本發明之瑕疵檢測光源裝置另一實施例剖面示意圖。圖4為本發明之瑕疵檢測系統的一實施例示意圖。圖5A係為未使用遮光元件的情況下，利用同軸光源與影像擷取裝置所擷取的檢測影像。圖5B係為未使用遮光元件與具有環境光源的情況下，利用同軸光源與影像擷取裝置所擷取的檢測影像。圖5C係為利用本發明之發光裝置所形成的瑕疵檢測系統得到的檢測影像。圖5D係為利用本發明之發光裝置所形成的瑕疵檢測系統得到具有缺陷的檢測影像。

Claims

一種具狹縫結構之瑕疵檢測光源裝置，包括：一殼體，具有一第一出光面以及與該第一出光面相對應的一第二出光面；一發光源，用以產生一檢測光，該發光源設置於該殼體內之一側；一分光元件，設置於該殼體內部，且位於該檢測光的光路上；以及一遮光元件，設置於該第一出光面上，該遮光元件上具有一狹縫結構；其中，該檢測光經由該分光元件反射，僅有對應該狹縫結構區域的反射檢測光通過該狹縫結構，而投射至具有鏡面反射曲面之一待測物上，經由該待測物上反射之檢測光，只有對應該狹縫結構區域的反射檢測光通過該狹縫結構，穿過該分光元件之後，再經由該第二出光面離開該殼體而投射至該鏡面反射曲面上之後，再反射通過該狹縫結構。
如申請專利範圍第1項所述之具狹縫結構之瑕疵檢測光源裝置，其中該狹縫結構為直線狹縫結構或為至少一具有幾何形狀的開孔，該直線狹縫結構之線寬或該開孔的尺寸不會引發該檢測光於通過該狹縫結構時產生干涉。
一種瑕疵檢測系統，包括：一影像擷取裝置；一光學倍率鏡頭，與該影像擷取裝置耦接；以及一光源裝置，包括有：一殼體，具有一第一出光面以及與該第一出光面相對應的一第二出光面，該第二出光面與該光學倍率鏡頭耦接；一發光源，用以產生一檢測光，該發光源設置於該殼體內之一側；一分光元件，設置於該殼體內部，且位於該檢測光的光路上；以及一遮光元件，設置於該第一出光面上，該遮光元件上具有一狹縫結構；其中，該檢測光經由該分光元件反射，僅有對應該狹縫結構區域的檢測光通過該狹縫結構，而投射至具有鏡面反射曲面之一待測物上，經由該待測物上反射之檢測光，只有對應該狹縫結構區域的反射檢測光通過該狹縫結構，穿過該分光元件之後，再經由該第二出光面離開該殼體，而投射至該鏡面反射曲面上，並反射通過該狹縫結構之後，再經由該光學倍率鏡頭而被該影像擷取裝置感測，進而產生一檢測影像。
如申請專利範圍第3項所述之瑕疵檢測系統，其中該狹縫結構為直線狹縫結構或為至少一具有幾何形狀的開孔，該直線狹縫結構之線寬或該開孔的尺寸不會引發該檢測光於通過該狹縫結構時產生干涉。
一種瑕疵檢測系統，包括：一影像擷取裝置；一光學倍率鏡頭，與該影像擷取裝置耦接，該光學倍率鏡頭具有一殼體以及一光學鏡組，該殼體係具有一第一出光面以及與該第一出光面相對應的一第二出光面，該第二出光面與該影像擷取裝置耦接，該光學鏡組設置於該第一出光面與該第二出光面之間；以及一光源裝置，設置於該光學鏡組與該第二出光面之間，該光源裝置包括有：一發光源，用以產生一檢測光，該發光源設置於該殼體內之一側；一分光元件，設置於該殼體內部，且位於該檢測光的光路上；以及一遮光元件，設置於該第一出光面上，該遮光元件上具有一狹縫結構；其中，該檢測光經由該分光元件反射，通過該光學鏡組之後，僅有對應該狹縫結構區域的檢測光通過該狹縫結構，而投射至具有鏡面反射曲面之一待測物上，經由該待測物上反射之檢測光，只有對應該狹縫結構區域的反射檢測光通過該狹縫結構，穿過該光學鏡組與該分光元件再經由該第二出光面離開該殼體，而投射至該鏡面反射曲面上，並反射通過該狹縫結構之後，被該影像擷取裝置感測，進而產生一檢測影像。
如申請專利範圍第5項所述之瑕疵檢測系統，其中該狹縫結構為直線狹縫結構或為至少一具有幾何形狀的開孔，該直線狹縫結構之線寬或該開孔的尺寸不會引發該檢測光於通過該狹縫結構時產生干涉。