TW201616092A

TW201616092A - 物體三維形貌之量測方法

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Publication number: TW201616092A
Application number: TW103136416A
Authority: TW
Inventors: 章明; 陳柏呈
Original assignee: 中原大學
Priority date: 2014-10-22
Filing date: 2014-10-22
Publication date: 2016-05-01
Also published as: TWI487877B

Abstract

本發明係關於一種物體三維形貌之量測方法，其在受測之物體之行進路線上設置兩個線型影像擷取單元進行掃描，以在物體進行高速移動時取得物體影像，並藉由所使用之線型影像擷取單元之規格、影像移動距離、線型影像擷取單元之掃描方向與物體所在平台之法線方向之角度等參數運算，可精確地取得物體之三維座標，進而建立起其三維形貌。　　

Description

物體三維形貌之量測方法

【0001】

本發明係關於一種物體三維形貌之量測方法，尤指一種具有高速及高解析度等優點之物體三維形貌之量測方法。

【0002】

在各種自動化檢測技術中，以光學量測方式搭配高解析度的影像擷取系統，不但量測速度快，精度高，且不需與待測物直接接觸，因此在講求速度及不接觸物件的限制條件下，光學量測方式蔚為最佳之選擇。

【0003】

光學量測的方式相當多，主要有雷射聚焦技術、線雷射掃描法、結構光、投射條紋法、疊紋法以及干涉儀等，都可用以進行物體的三維輪廓外形檢測；然而，受限於面形影像擷取裝置的像素數目與取像原理，現有技術的解析度與量測速度均無法太高，更無法應用於製程線上檢測，而僅能應用於離線檢測。

【0004】

中華民國專利公告號I229186曾揭露一種雙視角之三維形貌影像線性掃描檢測裝置，其係包含一正視角線性掃描裝置、一斜視角線性掃描裝置以及一光源裝置。透過由正視角線性掃描裝置所感測得到的正視角截面影像加上經由斜視角線性掃描裝置所感測得到之待測物體的斜視角截面影像，即可推算得知待測物體之表面缺陷之高度分佈。

【0005】

在此案的掃描檢測裝置中，使用了正視角線性掃描裝置以及斜視角線性掃描裝置之雙視角對物體進行掃描，其係使用傳統之立體視覺法，藉由不同方向之光線投影在物體表面時所產生之陰暗或光亮之狀態，判斷受測之物體的表面缺陷為凸出或是凹陷，進而利用此些暗部、亮部之分布情況估算物體之表面輪廓。另外，其表示可結合其感測得到的正視角截面加上經由感測得到之待測物體的斜視截面，經由適當之交叉運算後，估算其三維形貌之影像，進而推算出其待測物體表面外來物之大致體積、大致的截面形狀與高度。

【0006】

但經檢視，上述專利文獻所揭示之三維形貌影像檢測裝置並不具有高解析度之特性，更難以判斷是如何取得物體在高度上的參數，因此尚不足以應用於製程線上檢測。本技術領域仍待進一步的開發，以滿足對檢測速度、解析度都有高度需求之研究單位與相關產業。

【0007】

本發明之主要目的，係提供一種物體三維形貌之量測方法，其可在受測物體於高速移動過程中進行掃描，並取得物體高度之座標參數，可藉此取得該物體的三維形貌。

【0008】

本發明之另一目的，係提供一種物體三維形貌之量測方法，其可利用上述取得之三維形貌檢視其外觀是否存在瑕疵、缺陷，並可與生產線之輸送系統相結合而達到高速、高解析度之目標。

【0009】

本發明之再一目的，係提供一種物體三維形貌之量測方法，其可應用於檢測各類型之造型元件、光電元件、微機電元件與半導體封裝元件。

【0010】

為了達到上述之目的，本發明揭示了一種物體三維形貌之量測方法，用於量測一物體之三維形貌，其包含：設置該物體於一平台上，且該物體沿一移動路徑進行移動；使用一第一影像擷取單元以及一第二影像擷取單元同步掃描該物體，該第一影像擷取單元以及該第二影像擷取單元係設置於該移動路徑之上方，且其掃描方向與該平台之法線方向分別具有一第一夾角以及一第二夾角，且該第一影像擷取單元以及該第二影像擷取單元之取像軸線之相交線之水平面係為一基準面；計算該物體表面之複數個三維座標參數，該些三維座標參數係為： (,,)，其中n_p 為該第一影像擷取單元的第n個像素位置，P_p 為該第一影像擷取單元之像素間距，m為影像放大倍率，θ₁ 為該第一夾角，θ₂ 為該第二夾角，N₁ P與N₂ P分別為該物體被該第一影像擷取單元以及該第二影像擷取單元所擷取到一影像時，該些影像所移動之距離，h為該物體被該第一影像擷取單元以及該第二影像擷取單元掃描之處與該基準面之高度差；以及依據該些三維座標參數而建立該物體之三維形貌。

10‧‧‧平台

21‧‧‧第一影像擷取單元

22‧‧‧第二影像擷取單元

30‧‧‧物體

30A‧‧‧物體

W‧‧‧移動路徑

θ₁‧‧‧第一夾角

θ₂‧‧‧第二夾角

h‧‧‧高度

N₁‧‧‧Px座標

N₂‧‧‧Px座標

R‧‧‧相交線

【0011】

第1圖：其係為本發明一較佳實施例於運作時之結構示意圖，用以表示第一影像擷取單元以及第二影像擷取單元皆為斜向設置而掃描平台上的物體；
第2圖：其係為本發明另一較佳實施例於運作時之結構示意圖，用以表示第一影像擷取單元以及第二影像擷取單元其中之一者係垂直設置而掃描平台上的物體；以及
第3A、3B圖：其係為本發明再一較佳實施例之於運作時之結構示意圖，用以表示僅使用第一影像擷取單元作掃描之形式。

【0012】

為使本發明之特徵及所達成之功效有更進一步之瞭解與認識，謹佐以較佳之實施例及配合詳細之說明，說明如後：

【0013】

請先參考第1圖，為了實現本發明所揭示之物體三維形貌之量測方法，其所使用之硬體架構係包含了一平台10、一第一影像擷取單元21以及一第二影像擷取單元22。其中，平台10係用於承載所要待測之物體30，而就實際應用之形式而言，此平台10可為輸送帶，其受馬達驅動而向一固定方向行進，其所承載之物體30也因此往該固定方向行進，使物體30本身可定義為係沿著一移動路徑W進行移動(物體30A係為物體30於移動路徑W上所經過的位置舉例)。第一影像擷取單元21以及第二影像擷取單元22則是設置於該移動路徑W之上方，以針對物體30進行掃描。

【0014】

本發明所使用之第一影像擷取單元21以及第二影像擷取單元22係為一種線型影像擷取裝置，其係包含了電荷耦合元件(Charge-Coupled Device, CCD)或互補式金屬氧化物半導體(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor, CMOS)等感光元件，並將感光元件排列在一條直線上(此直線係與前述之移動路徑垂直)，具有很高的線密度，因此有極高像素而可提供超高分辨率。

【0015】

本發明之運作機制係利用兩組線型影像擷取單元累積待測之物體於位移時，其被線型影像擷取單元所擷取得到的各組線像素點所組成之疊合影像，然後在兩組疊合影像中找到特定點相對應的掃描移動位置，即可定量求出待測之物體表面的三維輪廓。

【0016】

請參考第2圖，其係為第1圖所示之較佳實施例之簡化設置方式，其差異在於第1圖所示之第一影像擷取單元21以及一第二影像擷取單元22之掃描方向與平台10之法線方向分別具有一第一夾角θ₁ 以及一第二夾角θ₂ ，而第2圖則係將第一影像擷取單元21設置於物體30之垂直方向取像，第二影像擷取單元22則維持斜向取像，且兩者之取像軸線(意即其掃描方向之延伸線)係具有一相交線R，此相交線所在的水平面即為基準面。當設平台10未移動時，第一影像擷取單元21的第一個像素的軸向交點為座標原點，線像素方向為Y軸，平台10之移動的方向為X軸(移動之反方向為正)，則可得到待測之物體30的特定點座標(x, y)及其相對於基準面高度h(x, y)為：
x = N1P
y =
h(x, y) =
其中，n_p 為第一影像擷取單元21的第n個像素位置，P_p 為第一影像擷取單元21之像素間距，m為影像放大倍率，h為該物體於被掃描處與該基準面之高度差，N₁ P與N₂ P分別為該物體被第一影像擷取單元21以及第二影像擷取單元22擷取到一影像時，該些影像所移動之距離，其中N₁ P相當於該些影像原始位置與移動後位置之水平距離，也就是x軸上的座標。在這之中，P為線型影像擷取裝置(第一影像擷取單元21以及第二影像擷取單元22)每次掃描取像的間距，例如移動1微米取一條影像，或是移動2微米取一條影像等；N₁ 和N₂ 是分別指第一影像擷取單元21以及第二影像擷取單元22對同一點分別是在移動到第N₁ 、N₂ 條影像位置時看到該點，意即第一影像擷取單元21以及第二影像擷取單元22在掃描取像時，是在何處掃描到該點影像。例如對於基準面上的點，二個影像擷取單元會同時掃描到該點而取得影像，所以此時N₁ =N₂ ，高度視為零；而對有高度的點，N₁ 、N₂ 兩者的值就會不同。

【0017】

而若如第1圖所示，第一影像擷取單元21以及第二影像擷取單元22皆為斜向取像，且兩者之取像軸係於平台10上之交點為座標原點，此時待測之物體30的特定點座標(x, y)及其相對於基準面高度h(x, y)則修正為：
x =
y =
h(x, y) =

【0018】

由以上之公式可知，本發明若要達到高解析度，則其關鍵在於第一影像擷取單元21以及第二影像擷取單元22於掃描物體30時之影像間距P，當P值越小時，本發明能提供之解析度就能越高，因此很容易就能達到微米級之量測解析度，特別是本發明能對物體之高度進行量測，並非為平面式二維量測，此量測等級為本技術領域的一大突破，能藉此取得細微的高度差異。另外，若搭配次像素技巧設定N₁ 與N₂ ，量測解析度更可獲得提升而達到次微米量測精度。本發明之量測速度取決於平台10的移動速度，因此可透過選用高速移動平台的方式，就可達到高速、高精度的量測目標。

【0019】

本發明所設置之兩組線型影像擷取單元在另一較佳實施例中也可整合為使用一個線型影像感測裝置，其包含兩個影像擷取單元而提供兩個鏡頭位於受測之物體的移動路徑之上，以由不同角度對物體進行掃描取像，前後兩次之取像軸線的相交線所在的水平面即為基準面。除此之外，也可將兩組線型影像擷取單元整合為單一鏡頭，以前後移動的方式在物體不同的角度掃描取像，此時作移動的並不限制為承載物體之平台，也可以在平台靜止的條件下移動前述之單一鏡頭，使鏡頭與物體之間存在相對之移動效果。請參考第3A與3B圖，其係為僅使用第一影像擷取單元21掃描物體30，並在物體30經移動而與第一影像擷取單元21之相對位置有變化時，第一影像擷取單元21的掃描方向與平台之法線方向分別具有第一夾角θ₁ 以及第二夾角θ₂ ，再經前述之公式計算即可建立起物體30之三維形貌。

【0020】

若要針對不同尺寸與解析度需求之量測條件，則可透過調整掃描取像時之影像間距P的方式，以適用於各種尺寸物體，進行受測之物體的三維形貌之建立，或是找出瑕疵等相關衍生應用。

【0021】

本發明在上述所揭露的結構配置之下，本發明於建立物體之三維形貌之一較佳實施例中，其方法可整理為以下步驟：
步驟S1：設置該物體於一平台上，且該物體沿一移動路徑進行移動；
步驟S2：使用一第一影像擷取單元以及一第二影像擷取單元掃描該物體，該第一影像擷取單元以及該第二影像擷取單元係設置於該移動路徑之上方，且其掃描方向與該平台之法線方向分別具有一第一夾角以及一第二夾角，且該第一影像擷取單元以及該第二影像擷取單元之取像軸線之相交線之水平面係為一基準面；
步驟S3：計算該物體表面之複數個三維座標參數，該些三維座標參數係為：(,,)，其中n_p 為該第一影像擷取單元的第n個像素位置，P_p 為該第一影像擷取單元之像素間距，m為影像放大倍率，θ₁ 為該第一夾角，θ₂ 為該第二夾角，N₁ P與N₂ P分別為該物體被該第一影像擷取單元以及該第二影像擷取單元所擷取到一影像時，該些影像所移動之距離，h為該物體被該第一影像擷取單元以及該第二影像擷取單元掃描之處與該基準面之高度差；以及
步驟S4：依據該些三維座標參數而建立該物體之三維形貌。

【0022】

綜上所述，本發明詳細揭示了一種物體三維形貌之量測方法，其在應用上係以製程的線上量測為標準，係考量到物體是在高速移動之下進行三維形貌量測，因此在高速以及高解析度的需求之下，以高傳輸率之高像素線型影像擷取單元為架構核心，依據受測之物體的尺寸，設計光機取像系統並固定於檢測機台之上，再以移動物體之方式進行掃描取像。另外，本發明也可輕易地改變解析度，以針對不同類型之物體而設定為上百微米至次微米之級距；同時也可視物體之寬度而增加影像擷取單元的探頭數目與運算端的圖形處理器數量，再結合平行處理的技術而達到需求。

【0023】

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，並非用來限定本發明實施之範圍，舉凡依本發明申請專利範圍所述之形狀、構造、特徵及精神所為之均等變化與修飾，均應包括於本發明之申請專利範圍內。