中 文 摘 要

中 文 摘 要

測試，使產品生產流程自動化，並確保產品品質之穩定性和一致性。

本文以光學掃描模組掃描 test chart，以進行 CCD 組件 X 及 Y 軸向基準定位，以及光學鏡頭焦距和放大倍率的調整。此 test chart 係由二個三角形區塊，以及五組黑白線對的 pattern 所組成。

本實驗掃描此 test chart，並擷取通過三角形區塊中央水平位置之 橫向掃描線。藉此橫向掃描線計算三角形區塊之位置以及掃描通過的 三角形寬度，即可進行 CCD 組件 X 及 Y 軸向的基準定位以及左右 平衡的調整。本實驗亦以 CCD 之 R, G, B 三個 channel 同時掃描通過 test chart 上的五組線對，並分別計算垂直向以及水平向的調變傳 遞函數(MTF) 以作為調整光學鏡頭焦距之依據。此外，也藉由 G channel 通過之第一與第五組線對距離，計算放大率誤差值，以調整 光學鏡頭之放大倍率。

此自動調測系統應用於生產線後，批量生產數據的統計結果 顯示，其製程精密度( Cp )及製程能力指數( Cpk )均優於現有人工 操作方式。

關鍵詞 : 光學掃描模組、test chart、X 與 Y 軸向基準定位、調變傳 遞函數、放大倍率、製程精密度、製程能力指數 。

Abstract

In the paper an automatic adjustment and test system is developed to perform the adjustment and test of an optical scan module so that the manufacturing process of the scanner can be automated and the quality of the product will be in good reliability and consistency.

A test chart was scanned by the optical scan module to locate the position of the X and Y axes of the CCD camera and to adjust the focal length and magnification of the optical lens. The test chart consists of two triangle blocks and five sets of line patterns In the experiment the test chart was scanned so that the horizontal scan line passes through the central position of the triangle blocks. The position of the left triangle block and the scanning width of the two triangle blocks can then be determined and used to adjust the positions of the X and Y axes of the CCD and the Y balance of the CCD. Also the five set of line patterns on the test chart were scanned with R, G, B channels of CCD. The vertical and horizontal MTF (modulation transfer function) were then computed.

Based on the computed MTF, the focal length of the lens was adjusted. In addition, the magnification of the optical lens was adjusted using the magnification difference obtained by computing the distance between the first and the fifth line pattern.

The automatic adjustment and test system was applied to production lines. The statistic figures shows that the capability of precision (Cp) and the capability of process (Cpk) are superior to manual operation.

Keywords : Optical Scan Module, test chart, Position of X and Y axes, Modulation Transfer Function, magnification, Capability of precision, Capability of process.

誌謝

在中華大學進修研究所這兩年求學期間，最感謝的是指導老 師 羅鵬飛博士對我的悉心指導。研究過程中，老師都能適時地提供 寶貴的意見與經驗。對於論文的修改、訂正，更是將寶貴的知識與經 驗傳授於我，使得本論文得以順利完成。

感謝 施文章博士 及 沈里正博士，於論文口試時對本文提 供寶貴的意見，並對本文的缺失不吝指正，使本文更臻完善，特此誌 謝。

研究期間承蒙學長善鵬、永祥的鼓勵，以及同學 彥廷、志 強、志濱、佩珊等人的諸多幫忙，僅以此篇寥以誌謝。

感謝家人與任職公司同事們在求學期間的鼓勵與支持，使我 能堅持下來。最後由衷地感謝曾經幫助過我的師長、同學及朋友們，

感謝你們曾經給過我的支持與鼓勵，願以本文與此刻的喜悅與各位一 同分享。

陳聰穎 於民國九十一年 夏

目 錄

中文摘要 ………Ⅰ 英文摘要 ………Ⅱ 誌謝 ………Ⅳ 目錄 ………V 表目錄 ………VII 圖目錄 ………VIII

第一章 簡介 ………1

第二章 自動化調測項目 ………5

第三章 X 軸向之定位調整 ………7

3-1 X 軸向調整實驗 ………8

第四章 Y 軸向之定位調整 與 影像左右平衡調整 ………11

4-1 Y 軸向定位調整 ………12

4-1-1 Y 軸向調整實驗 ………12

4-2 掃描模組左右平衡調整………14

4-2-1 左右平衡實驗 ………14

第五章 光學鏡頭焦距調整………16

5-1 光學鏡頭焦距調整實驗 ………17

第六章 放大倍率誤差 ………20

6-1 放大倍率誤差調整實驗 ………21

第七章 結果與討論 ………23

第八章 結 論………25

參考文獻 ………26

附錄 A ………53

附錄 B ………60

附錄 C ………63

表 目 錄

表 1 Cp / Cpk 值等級判定 ………23 表 2 測試數據 Cp / Cpk 統計值 ………24

圖 目 錄

圖 1 光學模組架構示意圖 ………27

圖 1A 光學模組調整裝置架構示意圖 ………28

圖 2 Test chart ………29

圖 3 正確 X 軸向定位之文稿件影像 ………30

圖 4 X 軸向定位偏左之文稿件影像 ………30

圖 5 X 軸向定位偏右之文稿件影像 ………30

圖 6A 測試程式起始畫面 ………31

圖 6B 測試程式啟動畫面………32

圖 7 Test chart 之 X 軸向基準 ………32

圖 8 Test chart 之 X 軸向基準放大示意圖………33

圖 9 光學模組掃描範圍 ………34

圖 10 X 軸向基準位置之指示………34

圖 11 正確 Y 軸向定位之文稿件影像 ………35

圖 12 Y 軸向定位偏上之文稿件影像 ………35

圖 13 Y 軸向定位偏下之文稿件影像 ………35

圖 14 Test chart 之 Y 軸向基準 ………36

圖 15A Test chart 之 Y 軸向基準放大示意圖 ………36

圖 15B Y 軸向基準位置之指示………36

圖 16 Y 軸向左右平衡之文稿件影像 ………37

圖 17 Y 軸向左右歪斜之文稿件影像………37

圖 18A Test chart 之 Y 軸向左右側基準………37

圖 18B Test chart 之 Y 軸向左右側基準放大示意圖………38

圖 19 左右兩側基準位置之指示 ………38

圖 20 正常清晰之影像 ………39

圖 21 模糊影像 ………39

圖 22 Test chart 之黑白線對………39

圖 23 Test chart 之黑白線對放大示意圖 ………40

圖 24 MTF 取樣位置示意圖 ………41

圖 25 MTF 測試程式啟動畫面 ………41

圖 26 光學鏡頭聚焦位置及可視範圍示意圖 ………42

圖 27A 正常刻度大小 ………43

圖 27B 刻度放大現象 ………43

圖 27C 刻度縮小現象 ………43

圖 28A 正常圖像大小 ………44

圖 28B 圖像放大現象 ………44

圖 28C 圖像縮小現象 ………44

圖 29 Test chart 之放大率 pattern ………45

圖 30 放大率 pattern 放大示意圖 ………45

圖 31 I value 程式畫面 ………46

圖 32 X 軸向定位調整人工作業測試數值分佈 ………47

圖 33 X 軸向定位調整自動調測裝置測試數值分佈 ………47

圖 34 左右平衡調整(左側)人工作業測試數值分佈………48

圖 35 左右平衡調整(左側)自動調測裝置測試數值分佈………48

圖 36 左右平衡調整(右側)人工作業測試數值分佈………49

圖 37 左右平衡調整(右側)自動調測裝置測試數值分佈………49

圖 38 V_MTF(R)人工作業測試數值分佈 ………50

圖 39 V_MTF(G)人工作業測試數值分佈 ………50

圖 40 V_MTF(B)人工作業測試數值分佈………50

圖 41 V_MTF(R)自動調測裝置測試數值分佈 ………50

圖 42 V_MTF(G)自動調測裝置測試數值分佈 ………50

圖 43 V_MTF(B)自動調測裝置測試數值分佈 ………50

圖 44 H_MTF(R)人工作業測試數值分佈………51

圖 45 H_MTF(G)人工作業測試數值分佈………51

圖 46 H_MTF(B)人工作業測試數值分佈………51

圖 47 H_MTF(R)自動調測裝置測試數值分佈 ………51

圖 48 H_MTF(G)自動調測裝置測試數值分佈 ………51

圖 49 H_MTF(B)自動調測裝置測試數值分佈 ………51

圖 50 I value 人工作業測試數值分佈 ………52

圖 51 I value 自動調測裝置測試數值分佈 ………52

附錄 A

圖 A1 調整測試裝置前視示意圖………54

圖 A2 調整測試裝置側視示意圖………54

圖 A3 前頂氣缸作動示意圖 ………55

圖 A4 氣缸夾爪作動夾持 CCD/B 示意圖 ………55

圖 A5 水平微調 X 軸方向定位示意圖 ………56

圖 A6 垂直微調 Y 軸方向定位示意圖 ………56

圖 A7 MTF 及 I value 調整測試裝置前視示意圖 ………57

圖 A8 MTF 及 I value 調整測試裝置側視示意圖 ………57

圖 A9 夾具模組定位夾持光學鏡頭示意圖 ………58

圖 A10 夾頭夾持光學鏡頭示意圖 ………58

圖 A11 水平微調光學鏡頭 MTF 及 I value 示意圖 ………59

圖 A12 模組回復至原定位示意圖 ………59

附錄 B

圖 B1 光學模組調整測試裝置 ………61

圖 B2 CCD/B 組件夾爪裝置 ………61

圖 B3 光學鏡頭夾持裝置(側視) ………62

圖 B4 光學鏡頭夾持裝置(前視) ………62

附錄 C

Cp /Cpk 值計算例………64

第一章 簡 介

1 - 1 研究背景

我國許多資訊產業的廠商，相較於美國及日本，屬於中小型 企業。若單就量產的層面來說，中小型企業對於市場變化，比較容易 維持市場的敏感度與量產的靈活性，這也是台灣影像掃描器產業能夠 快速成長的主要原因。但是影像掃描器已經走入產品之成熟期，產品 在量產上利潤極低，因此美國及日本企業多不願意自行量產，而轉由 台灣廠商代工。在當前以降低成本優先考量的情況下，台灣影像掃描 器廠商產業外移相當普遍，就連以代工為主的虹光精密，也已經在大 陸設廠。影像掃描器產業環境在 1997 年發生了一些變化，例如全友、

鴻友、 致伸等運用與大陸廠商策略聯盟或直接設廠方式登陸大陸，台 灣掃描器廠商藉由 量產與削價企圖擴大市場佔有率，同時使掃描器廠 商彼此競爭非常白熱化，台灣掃描器廠商在國際間給予「自己人打自 己人」的印象。台灣掃描器廠商為了繼續降低生產成本，在量產的技 術成熟之後，便不惜以外移作為手段，以達到繼續降低成本的目的。

台灣掃描器產業可能最後變成掃描器的接單、研發設計與試產中心。

影像掃描器在激烈的競爭下，廠商以大量生產來彌補縮小的利潤。尤 其在影像掃描器產業集中度日益升高之際，業界普遍認為，未來只有 大廠能得以生存，故業者不得不謀求對策因應。在 1998 及 1999 兩

年中，發現過去積極擴充產能，產生了一些後遺症，在市場需求不穩 定的情況下，做得愈多，賠得愈多。

1 - 2 動機與目的

經過多次的削價競爭，對於影像掃描器廠商造成相當大的傷 害。在 1998 年由於供需的失調，我國多家影像掃描器廠商在 1999 年都花了相當多的時間在清理庫存，也有少數廠商因為是以代工為 主，沒有庫存的問題，在 2000 年仍然處於獲利的狀態，可以說是兩極 化的發展。由於獲利困難，許多小廠紛紛退出市場，存活下來的僅十 餘家，與全盛時期四十多家廠商的情況截然不同。到 2002 年我 國影像掃描器量產廠商計有虹光、全友、鴻友、力捷、旭麗、致伸、

明碁、東友、精益、大騰 、崴強等等[1]。

我國影像掃描器產量 / 產值[2]

千台 百萬新台幣

35000

30000 43000

25000 41000

20000 39000

15000 37000

10000 35000

5000 33000

0 31000

1999 2000 2001 2002 2003 產量 21869 24507 27252 30026 32948 產值 35105 37562 39440 40623 41436

台灣影像掃描器產業以自有品牌行銷國際市場的比例，較其他 電腦週邊產品高。台灣以自有品牌的廠商計有 Microtek，Mustek 與 Umax 等。由於市場競爭激烈，廠商多轉以代工生產，以求降低行銷 成本，故台灣影像掃描器產業代工生產比例逐年提高。在 1998 年由於 供需失調，累積許多庫存，在影像掃描器價格下滑的影響下，廠商的 虧損嚴重，就前三大廠的狀況，多在 5 ~ 10 億元。在 2000 年初，

廠商體認到庫存的嚴重性，紛紛降低自有品牌的比例，以防止因市場 需求快速變動而增加庫存。但在 2000 年市場變化仍然劇烈，無法準確 的掌 握需求，至 2000 年底結算，虧損的廠商仍不在少數。

台灣在影像掃描器的競爭力，主要為量產與降低價格的能 力。台灣廠商往往較美、日廠商更能忍受較低的利潤，並藉由量產來 達到獲利的目標。台灣影像掃描器廠商近年便不斷致力於擴充生產規 模，並將生產線外移大陸。這同時也使得台灣影像掃描器成為生產導 向的產業[2]。

相對於生產製造之人工製費及縮短工時及生產品質穩定性的 考量，業者 必須將生產製程中的不穩定因素儘可能排除，如生產作業 的防呆措施，以及生產 流程的自動化作業，即使現階段大陸人力市 場資源充沛，但是隨著外商和台商不斷地投入大量資金擴大生產基地 在大陸各地，惡性挖角的風氣已經漸漸成形，再加上經濟水準及生活

水平的提升，逐漸高漲的工資已經讓台商開始警惕，於是必須借助自 動化設備來增加生產效益和及早防範過高的工資壓力蠶食生產的利 潤。

第二章 自動化調測項目

現今光學掃描模組之調整測試，大多借助人工手動操作方式來 進行。對於調整測試相關的技術，則需要長時間的培訓以增進檢測人 員之熟練度，而由於人員異動頻繁所導致的操作不熟悉，經常造成生 產高不良率，生產工時增加以及調測品質不穩定等結果。因此，為因 應產業實際生產需求，本文進行自動調整測試技術之研究開發。圖 1 為掃描器光學模組的架構示意圖，圖 1A 為本文所採用之光學模組調 整裝置之架構示意圖，而圖 2 則為用來做調整測試基準 test chart。

本研究利用圖 1A 之調整裝置以及圖 2 之 test chart 執行下列四項之 調整測試:

1. X 軸向之定位調整 : 調整 CCD 組件 X 軸方向位置，使掃描得到之 橫向影像資料位於設定位置之內。

2. Y 軸向之定位調整與影像左右平衡調整 : 調整 CCD 組件 Y 軸方向 位置，使掃描得到之直向影像資料位於設定位置之內，並保持左右 平衡。

3.光學鏡頭焦距調整 : 調整光學鏡頭焦距進入特定範圍內，以得到 清晰品質的掃描影像。

4.放大倍率誤差 : 調整光學鏡頭聚焦位置，使文件掃描後之放大比 例控制在可接受之範圍。

本實驗依前述之項次，依序作微調動作，但 3, 4 兩項係合在 一起執行調整。若後項調測項目影響前項調測結果時，測試程式提供 CCD/B 組件移動訊號，再次執行調測動作。

第三章 X 軸向之定位調整

本研究以下圖所示之流程進行CCD 組件 X 軸向之定位調整。

程式開始

影像訊號擷取

判讀影像訊號 提供調整方向及位移量

驅動馬達 進行 CCD 組件位移

程式結束

X 軸向定位調整之準確性，將影響到文件稿或圖片掃描後的橫 向影像資料之完整性。圖 3 所示為正確之 X 軸向定位後，掃描出來 的正常影像。如果 X 軸向的基準位置往左方向偏移，或往右方向偏 移超過一定的距離範圍時，經過掃描後所擷取到的影像畫面將會產生:

1.掃描到文稿件範圍以外的區域，如圖 4 所示。

2.掃描到文稿件範圍以內的區域，部份資料已經被遮蔽而不完整，如 圖 5 所示。

本研究利用 CCD 光學掃描模組以及測試程式，掃描 test chart，

並在所設定的影像訊號範圍內，量測基準位置是否在此一設定範圍之 中心，同時，計算量測位置偏離中心值之左右偏移量，再提供調整方 向與位移量的訊號給步進馬達，藉由螺桿傳遞，給予正確的位移量，

使 CCD 組件之 X 軸方向位置獲得精確的調整及正確的定位。圖 6A 與 6B 分別顯示測試程式之起始及啟動畫面。

3-1 X 軸向調整實驗

(一) 參數設定

X 軸方向基準之參數設定，係以 CCD 之有效像素( Valid pixel ) 為設定單位。本文採用之 CCD type 為 NEC uPD 3777[3]，其有效像 素為 5400 像素，像素大小則為 5.25 um。圖 7 顯示 X 軸向定位調整 所用之 test chart，其基準位置於影像中為距左邊 70 像素處，如圖

8 所示，此基準定位於 test chart 上之物理設定位置可以下式求得

上式，0.124 為光學鏡頭之放大倍率[4~9]。 如圖 9 所示，

本文採用之光學模組，其掃描範圍可達 228.629 mm。

(二) 調整位移精度設定

本文設定 X 軸方向基準定位在系統可允許之誤差值為 ±1.0 mm，因此其誤差範圍為 2.0 mm。此 2.0 mm 誤差範圍在 CCD sensor 區域則為

因此，本文將調整位移精度設定為 0.02 mm ，亦即使用 12 個 調整位移量以調整 CCD 之位置，使 X 軸方向基準位置在目標設定值 之範圍內，如圖 10 所示之綠色區塊範圍。

(三) CCD 組件 X 軸向之調整

本文設定第 70 pixel 為 X 軸方向基準之像素位置，並在此基 準位置±1.0mm(24 pixels)之範圍內，計算基準像素位置。1.0 mm 在 影像中約為 24 pixels，可由下式計算而得。

圖 10 即顯示以第 70 pixel 為中心的 48 pixels 之大小範圍，由 CCD sensor 所接收到的基準位置像素的位置，即與此原設定之第 70 pixel

mm 96 . 2 124 . 0 / ) 70 00525 .

0

( × =

mm 248 . 0 124 . 0 0 .

2 × =

pixels 24

6 . 23 0 . 1 ) 629 . 228 / 5400

( × = ≅

pixels 48

2

24 × =

作比較。若所接收到的像素位置小於 70 pixels，則藍色調整線將出 現在基準線的左側，如圖 10 所示，此時提供往右方向調整位移的訊 號作為 CCD 組件移動方向之依據。若所接收到的像素位置大於 70 pixels 時，則藍色調整線將出現在基準線的右側，此時提供往左方 向調整位移的訊號作為 CCD 組件移動方向之依據。如圖附錄中 A1 至 A5 所示，X 軸向調整之機構動作為前頂氣缸作動，將夾具模組往 前推至定位，氣缸夾爪作動夾持住 CCD/B，水平方向微動平台開始作 動，微動調整至正確位置，則 X 軸方向定位完成。

第四章 Y 軸向之定位調整與影像左右平衡調整

本研究以下圖所示之流程圖檢測 Y 軸向之定位調整與影像左右平衡 調整。

程式開始

影像訊號擷取

判讀影像訊號 提供調整方向及位移量

驅動馬達 進行 CCD 組件位移

程式結束

4-1 Y 軸向定位調整

Y 軸向定位調整之準確性，將影響到文件稿或圖片掃描後的垂 直方向影像資料之完整性。圖 11 所示為正確之 Y 軸向定位後，掃描 出來的正常影像，如果 Y 軸向的基準位置往上方向偏移，或往下方 向偏移超過一定的距離範圍時，經過影像掃描後所擷取到的影像畫 面，將會產生

1.掃描到文稿件範圍以外的區域，如圖 12 所示。

2.掃描到文稿件範圍以內的區域，部份資料已經被遮蔽而不完整，如 圖 13 所示。

本研究利用 CCD 及光學掃描模組，掃描 test chart，並在所 設定的影像訊號範圍內，量測基準位置是否在設定範圍內之中心。同 時計算偏離中心值之上下偏移量，再提供調整方向與位移量的訊號給 步進馬達，藉由螺桿傳遞，給予正確的位移量，使 CCD 組件之 Y 軸 方向基準位置獲得精確的調整及正確的定位。

4-1-1 Y 軸向調整實驗

(一) 參數設定

圖 14 顯示 test chart 上所設定的 Y 軸基準，此基準係設定 在三角形區塊中央水平位置，其寬度為 4.0 mm，如圖 14 與 15A 所示，

此寬度在影 像上約為 95 pixels ，可由下式計算而得。

(二) 調整位移精度設定

本文設定 Y 軸方向基準定位在系統可允許之誤差值為 ± 1.0 mm，因此其誤差範圍為 2.0 mm。此 2.0 mm 誤差範圍在 CCD sensor 區域則為

因此，本文將調整位移精度設定為 0.02 mm 亦即使用 12 個調整位 移量以調整 CCD 之 pixel 位置，使 Y 軸方向基準位置在目標設定 值之範圍內，如圖 15B 所示之綠色區塊範圍。

(三) CCD 組件 Y 軸向之調整

本實驗掃描 test chart ，並擷取通過 test chart 三角形區 塊中央水平位置之橫向掃描線，如圖 15A 所示，並利用此橫向掃描得 到的三角形區域寬度，與原設定之 95 pixels 作比較，若所接收到 的像素數量小於 95 pixels，則藍色調整線將出現在基準線的下側，

此時提供 CCD 組件必須往上方向調整位移的訊號作為 CCD 組件移動 方向之依據。若所接收到的像素數量大於 95 pixels 時，則藍色調 整線將出現在基準線的上側，如圖 15B 所示，此時提供 CCD 組件 必須往下方向調整位移的訊號作為 CCD 組件移動方向之依據。如 圖 A1 至 A4 以及 A6 所示，Y 軸向調整之機構動作為前頂氣缸作動，

將夾具模組往前推至定位，氣缸夾爪作動，夾持住 CCD/B，垂直方向

pixels

95 5 . 94 4 ) 629 . 228 / 5400

( × = ≅

mm 248 . 0 124 . 0 0 .

2 × =

微動平台開始作動，微動調整至正確位置 ，則 Y 軸方向定位完成。

4-2 掃描模組左右平衡調整

掃描模組左右平衡定位調整之準確性，將影響到文件稿或圖片 掃描後的影像資料之傾斜程度。圖 16 所示為正確之 Y 軸向左右平衡 定位後，掃描出來的正常影像。如果 Y 軸向左右兩邊的基準位置，其 中一邊往上方向偏移，或其中一邊往下方向偏移產生歪斜的情形時，

經過掃描後所擷取到的影像畫面，將會產生文稿件內容歪斜情況，如 圖 17 所示。

本研究利用 CCD 及光學掃描模組，掃描 test chart ，並在 所設定的影像訊號範圍內，量測基準位置是否在此設定範圍之中心。

同時，計算偏離中心值之上下偏移量，再提供調整方向與位移量的訊 號給步進馬達，藉由螺桿傳遞，給予正確的位移量，使 CCD 組件之 Y

軸方向左右平衡基準位置獲得精確的調整及正確的定位。

4-2-1 左右平衡實驗

(一) 參數設定

Y 軸方向基準之參數設定，係參照 4-1-1 節所敘述之參數設 定。本實驗係以圖 18A 與 18B 所示之左側與右側三角形為基準，以 調整模組之左右傾斜度。

(二) 調整位移精度設定

本文設定 Y 軸方向基準定位在系統可允許之誤差值為 ±1.0 mm，因此其左右基準定位之誤差範圍均為 2.0 mm。此 2.0 mm 誤差 範圍在 CCD sensor 區域則為

因此，本文將調整位移精度設定為 0.02 mm ，亦即使用 12 個調整 位移量以調整 CCD 之位置，使 Y 軸左右平衡基準位置在目標設定值 之範圍，如圖 19 綠色區塊範圍。

(三) CCD 組件左右平衡之調整

本實驗掃描 test chart ，並擷取通過 test chart 三角形區 塊中央水平位置之橫向掃描線，如圖 18B 所示，並利用此橫向掃描線 上左右兩個三角形區塊所得到的寬度，與原設定之 95 pixels 作比 較，若所接收到的像素數量小於 95 pixels，則藍色調整線將出現在 基準線的下側，此時提供 CCD 組件必須往上方向調整位移的訊號作 為 CCD 組件移動方向之依據。若所接收到的像素數量大於 95 pixels 時，則藍色調整線將出現在基準線的上側，如圖 19 所示，此時提供 CCD 組件必須往下方向調整位移的訊號作為 CCD 組件移動方向之依 據。如圖 A1 至 A4 以及 A6 所示，左右平衡調整之機構動作為說明前 頂氣缸作動，將夾具模組往前推至定位，氣缸夾爪作動，夾持 CCD/B，

垂直方向微動平台開始作動，微動調整至正確位置，則 CCD 組件左

mm

248 . 0 124 . 0 0 .

2 × =

第五章 光學鏡頭焦距調整

本研究以下圖所示之流程圖調整FOCUS 以檢測影像之清晰度。

程式開始

影像訊號擷取

判讀影像訊號 提供調整方向及位移量

驅動馬達 進行 CCD 組件位移

程式結束

光學鏡頭焦距之調整，將影響到文件稿或圖片的掃描影像資料 的清晰或模糊。圖 20 所示為正確之 FOCUS 調整後，掃描出來的正常 清晰影像，而圖 21 則顯示 FOCUS 調整位置不正確時，所產生的影像 模糊現象。

本研究利用 CCD 及光學掃描模組，掃描 test chart 上的五 個基準線對圖形，並於設定之基準位置，擷取影像訊號，以計算其清 晰度，並判定是否超過原始參數的設定範圍，若經計算後之百分比尚 未超過設定值時，則提供訊號驅動步進馬達，藉由螺桿傳遞，給予前 進及後退的的位移量，使光學鏡頭 FOCUS 基準定位獲得精確的調整 及正確位置。

5-1 光學鏡頭焦距調整實驗

(一) 參數設定

如圖 22 所示，於 test chart 左中右的 5 個不同位置，設置 X,Y 軸向之黑白線對圖案。CCD 之 R, G, B channel 於每一基準線 對的 A, B, a 以及 b 的位置(如圖 23 與 24 所示)，分別擷取影像訊 號，並依下式計算影像之清晰度[10]。

式中 a, b 以及 A, B 分別表示 CCD 之 R, G, B channel 於

各相對應位置所擷取之影像訊號。

MTF(%) 100%

B) b)/(A

(a − − × =

(二) 調整位移精度設定

本實驗採用之光學鏡頭，其焦深基準定位可允許之範圍為 0.10 mm。本實驗將調整範圍設定為 0 ~ 0.10 mm，並將調整位移精度設定 為 0.02 mm，亦即使用 5 個調整位移量，以調整光學鏡頭焦深進入 特定範圍內。

(三) 光學鏡頭焦距之調整

設定 R, G, B 3 個 channels 同時通過如圖 22 所示之 5 組基 準線對圖形位置，並於圖 24 所示的設定位置擷取影像訊號。在取得 Va, Vb, Ha, Hb, A 以及 B 等六個位置的影像訊號參數後，即藉由下 列計算式求得該視場位置之調變傳遞函數(Modulation Transfer Function，簡稱 MTF) [4~7]。

下列即表示 R, G, B 各個 channel 在各組基準線對圖形的 X 軸向與 Y 軸向的 MTF 值。

VR MTF– 1 VR MTF- 2 VR MTF- 3 VR MTF- 4 VR MTF- 5 VG MTF- 1 VG MTF- 2 VG MTF- 3 VG MTF- 4 VG MTF- 5 VB MTF- 1 VB MTF- 2 VB MTF- 3 VB MTF- 4 VB MTF- 5

V_MTF(%) 100%

B) Vb)/(A

(Va− − × =

MTF(%) _

H 100%

B) Hb)/(A

(Ha− − × =

HR MTF- 1 HR MTF- 2 HR MTF- 3 HR MTF- 4 HR MTF- 5 HG MTF– 1 HG MTF- 2 HG MTF- 3 HG MTF- 4 HG MTF- 5 HB MTF- 1 HB MTF- 2 HB MTF- 3 HB MTF- 4 HB MTF- 5 上列各值亦顯示於圖 25。圖 A7 至 A12 顯示光學鏡頭焦距調整之機構，

其機構動作為前頂氣缸作動，將夾具模組往前推至定位夾持住光學鏡 頭，氣缸前頂裝置啟動，夾頭前進夾爪作動夾持住光學鏡頭，水平方 向微動平台開始作動，微動光學鏡頭調整 MTF 至最佳值及範圍。

第六章 放大倍率誤差

本研究以下圖所示之流程圖檢測放大率誤差之調整。

程式開始

影像訊號擷取

判讀影像訊號 提供放大倍率誤差值之顯示

驅動馬達 進行 CCD 組件位移

程式結束

放大倍率誤差調整，將影響到文件稿或圖片掃描後的影像資料 與原來的文稿件大小是否相同，圖 26 即為光學鏡頭聚焦位置及可視 範圍說明。圖 27A 與 28A 所示為 1 : 1 之放大率調整後，掃描出來 的正常尺寸影像。如果 FOCUS 調整位置不正確，所擷取到的影像畫 面，將會產生影像放大或縮小的現象，如圖 27B 與 28B 以及 27C 與 28C 所示。

本研究以 test chart 上的第一與第五個 pattern 之間距離 為基準，利用 CCD 及光學掃描模組掃描 test chart 後，計算 pattern 1 與 5 之黑色邊緣位置距離，並與原始參數的設定範圍作計算比較。

若經計算後之百分比值尚未落入原設定值範圍時，則提供訊號驅動步 進馬達，藉由螺桿傳遞，給予前進及後退的的位移量，使影像之放大 倍率誤差獲得較小的範圍控制。

6-1 放大倍率誤差調整實驗

(一) 參數設定

本實驗以 test chart 的左及右邊之第一與第五個位置的粗黑 線之圖案，作為放大倍率計算時之基準位置。放大倍率誤差值[7]可 由下式計算之 :

上式，L 為第一與第五個 pattern 的距離，其值為 188.4 mm，如圖

value

I 100%

L)/L

(L' − × =

29 與 30 所示，而 L'則為掃描後的 pattern 相對距離。

(二) 調整位移精度設定

本實驗之調整位移精度設定與 5-1 節同。

(三) 影像訊號擷取之範圍設定及作動方式 設定 G channel 通過如圖 29 所示之第一與第五組基準線圖形位置，

圖 30 為 pattern 放大示意圖並擷取影像訊號，取得其相對位置參數 L'，即可計算放大率誤差值，圖 31 所示為測試程式畫面。

如 L' 為 188.0 mm ，則放大率誤差值為

如 L' 為 188.9 mm ，則放大率誤差值為

本實驗之調整作動方式與 5-1 節同。

% 2123 . 0 100%

.4 188.4)/188

(188.0− × =−

% 3185 . 0 100%

.4 188.4)/188

(189.0− × =

第七章 結果與討論

附錄B 中圖 B1 至 B4 顯示本文發展的光學模組自動調整測試裝 置的主要架構圖，本架構已應用於實際的投線試產。本文以投線生產 所獲得的數據，計算製程精密度 Cp( Capability of Precision ) 及 製程能力指數 Cpk ( Capability of Process)，以作為判斷人工作 業與自動化調整測試作業的差異性[8]。如表 1 所示為 Cp 與 Cpk 值 等級判定，表 2 為實際投線生產的Cp 與 Cpk 測試數據統計值，而圖 32 至圖 51 則為人工作業以及自動調測裝置作業，各測試項目之數據 分佈圖示比較，以實際測試統計的數據可得知本實驗之自動化調整測 試裝置作業成效優於一般人工作業。Cp 與Cpk 值之計算，請參照附 錄C。

表 1 Cp / Cpk 值等級判定 等級 Cp / Cpk 改進措施

A 1.67 ≦ Cp 繼續保持 B 1.33 ≦ Cp < 1.67 改進至 A 級 C 1 ≦ Cp < 1.33 立即改進

D 0.67 ≦ Cp < 1 必要時停止生產

E 0 ≦ Cp < 0.67 必要時停止生產

表 2 測試數據Cp / Cpk 統計值

Cp Cpk

人工作業 自動化作業 人工作業 自動化作業 X 軸向調整 0.951 1.26 0.937 1.213 Y 軸向調整 R: 2.152 2.249 2.075 2.194 L: 2.179 2.403 2.076 2.285 MTF 1.508 2.381 1.306 1.916 I value 0.704 1.22 0.472 1.061

第 八 章 結 論

由自動化作業與人工操作得到的 Cp 與 Cpk 數據比較，可以 得知，若以生產品質穩定性為考量時，自動化作業模式優於傳統操作 模式，惟目前自動化作業之操作工時稍長，大於人工操作。因此調測 裝置目前係按前述之四個調測項目，依序進行調測，每一項的調整位 移量為 0.02 mm，且所有的操作動作及程序均為固定。因此，此裝置 尚有蠻大的改善空間，如增加粗調功能，將調整位移量加大，待調整 位置驅近於設定值後，再執行微調動作，此時即可將調整量設定為較 精細之位移。藉由此設定方式，可使本裝置朝更短的操作時間努力，

使此裝置能夠充份達到良好的生產品質和節省作業工時兩者兼顧的 需求與目的。

參 考 文 獻

[1]“影像掃描器產業動態＂，光電科技工業協進會，2000。

[2]“我國光電產業之產值及市場＂，光電科技工業協進會，2000。

[3]“CCD DATA＂，NEC，2000。

[4] 包學誠，“攝影鏡頭的光學原理及應用技巧＂，上海交通大學出 版社，1999。

[5] Canon，“Lens Work II＂，CANON 株式會社，1998。

[6] 李曉彤，“幾何光學與光學設計＂，浙江大學出版社，2001。

[7]“Flatbed Color Scanner Optical Design＂，Umax，1998。

[8] 徐世輝，“品質管理＂，三民書局，1996。

圖 1 光學模組架構示意圖

玻璃視窗

TEST CHART

掃描位置

光學模組承座 光(訊號)行進路徑

CCD/B 光學鏡頭

反射鏡片 燈源組

CCD

圖 1A 光學模組調整裝置架構示意圖

TEST CHART 玻璃視窗 TEST CHART 固定板 掃描位置

光學模組承靠基準

OMA 調整裝置承座 光學模組被動輪 光學模組

光學鏡頭

圖 2 Test chart

unit : mm

94.2 94.2

51.0 51.0

72.1 72.1

8

8

45'

圖 3 正確 X 軸向定位之文稿件影像

圖 4 X 軸向定位偏左之文稿件影像

圖 5 X 軸向定位偏右之文稿件影像

sample

sample

sample

圖 6A 測試程式起始畫面

圖 6B 測試程式啟動畫面

圖 7 Test chart 之 X 軸向基準

X軸向基準

圖 8 Test chart 之 X 軸向基準放大示意圖 X軸向基準位置 :

由白到黑的交接處 掃描線之位置

X 軸向基準設定於 第70 pixel

圖 9 光學模組掃描範圍

圖 10 X 軸向基準位置之指示

光學鏡頭放大倍率:0.124

CCD 1st pixel

CCD 5400th pixels

總光程長度 ( Total track ) 250 mm

掃描範圍 5400 * 0.00525 / 0.124 = 228.629 mm CCD sensor pixel size = 0.00525 mm

48 pixels

藍色調整線

圖 11 正確 Y 軸向定位之文稿件影像

圖 12 Y 軸向定位偏上之文稿件影像

圖 13 Y 軸向定位偏下之文稿件影像

sample

sample

sample

圖 14 Test chart 之 Y 軸向基準

圖 15A Test chart 之 Y 軸向基準 圖 15B Y 軸向基準位置之指示 放大示意圖

Y軸基準 Y軸基準 橫向掃描線

4 mm

藍色調整線

橫向掃描線

圖 16 Y 軸向左右平衡之文稿件影像 圖 17 Y 軸向左右歪斜之文稿件影像

圖 18A Test chart 之 Y 軸向左右側基準

Y軸左側基準 Y軸右側基準 橫向掃描線

圖 18B Test chart 之 Y 軸向左右側基準放大示意圖

圖 19 左右兩側基準位置之指示

橫向掃描線 掃描線位置偏上

讀取像素數量已經大 於 95 pixels

左側

顯示位置偏上 必須往下方調整

右側

顯示位置適中 不需調整

圖 20 正常清晰之影像

圖 21 模糊影像

圖 22 Test chart 之黑白線對

sample

sample

1 2 3 4 5

B

A

圖 23 Test chart 之黑白線對放大示意圖

X AXIS PATTERN

RED CHANNEL GREEN CHANNEL BLUE CHANNEL

Y AXIS PATTERN

A

B

圖 24 MTF 取樣位置示意圖

圖 25 MTF 測試程式啟動畫面

A B Va Vb H b Ha

X 軸向線對 Y 軸向線對

白色水平線代表可 白色水平線代表可

接受之基準底限 接受之基準底限

1 2 3 4 5 1 2 3 4 5

%

圖 26 光學鏡頭聚焦位置及可視範圍示意圖 光學鏡頭聚焦之位置前移

光學鏡頭正常聚焦位置 光學鏡頭聚焦之位置後移

光學鏡頭聚焦位置後移,致使放大率變小,加大物端可視範圍 ( L' )

正常 A4 大小之物端視窗尺寸 ( L=215.9mm ) 光學鏡頭聚焦位置前移致使放大率變大, 縮小物端可視範圍 ( L" )

圖 27A 正常刻度大小

比例放大

圖 27B 刻度放大現象

比例縮小

圖 27C 刻度縮小現象

圖 28A 正常圖像大小

圖 28B 圖像放大現象

圖 28C 圖像縮小現象 比例放大

比例縮小 已經超出掃描視窗

範圍，因此掃描到 掃描器本体之上蓋 外殼

圖 29 Test chart 之放大率 pattern

圖 30 放大率 PATTERN 放大示意圖

1 2 3 4 5

放大率設定 pattern 相對距離 = 188.4 mm

5

1

圖 31 I value 程式畫面

0.1235 0.3450

-0.2123 0.1235

圖 32 X 軸向定位調整人工作業測試數值分佈

圖 33 X 軸向定位調整自動調測裝置測試數值分佈 SER

-1.2 -0.8 -0.4 0 0.4 0.8 1.2

1 62 123 184 245 306 367 428 489 550

SER

-1.2 -0.8 -0.4 0 0.4 0.8 1.2

1 62 123 184 245 306 367 428 489 550

圖 34 左右平衡調整(左側)人工作業測試數值分佈

圖 35 左右平衡調整(左側)自動調測裝置測試數值分佈 Skew L

-1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

1 62 123 184 245 306 367 428 489 550

Skew L

-1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

1 62 123 184 245 306 367 428 489 550

圖 36 左右平衡調整(右側)人工作業測試數值分佈

圖 37 左右平衡調整(右側)自動調測裝置測試數值分佈 Skew R

-1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

1 62 123 184 245 306 367 428 489 550

Skew R

-1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

1 62 123 184 245 306 367 428 489 550

圖 38 V_MTF(R)人工作業測試數值分佈 圖 41 V_MTF(R)自動調測裝置測試數值分佈

圖 39 V_MTF(G)人工作業測試數值分佈 圖 42 V_MTF(G)自動調測裝置測試數值分佈

圖 40 V_MTF(B)人工作業測試數值分佈 圖 43 V_MTF(B)自動調測裝置測試數值分佈

V_MTF R

0.10 0.20.3 0.40.5 0.60.7 0.80.91

1 62 123 184 245 306 367 428 489 550

MTFV[0]R%

V_MTF G

0.10 0.20.3 0.40.5 0.60.7 0.80.91

1 62 123 184 245 306 367 428 489 550

MTFV[0]G%

V_MTF B

0.10 0.20.3 0.40.5 0.60.7 0.80.91

1 62 123 184 245 306 367 428 489 550

MTFV[0]B%

V_MTF R

0.10 0.20.3 0.40.5 0.60.7 0.80.91

1 62 123 184 245 306 367 428 489 550

MTFV[0]R%

V_MTF G

0.10 0.20.3 0.40.5 0.60.7 0.80.91

1 62 123 184 245 306 367 428 489 550

MTFV[0]G%

V_MTF B

0.10 0.20.3 0.40.5 0.60.7 0.80.91

1 62 123 184 245 306 367 428 489 550

MTFV[0]B%

圖 44 H_MTF(R)人工作業測試數值分佈 圖 47 H_MTF(R)自動調測裝置測試數值分佈

圖 45 H_MTF(G)人工作業測試數值分佈 圖 48 H_MTF(G)自動調測裝置測試數值分佈

H_MTF G

0.10 0.20.3 0.40.5 0.60.7 0.80.91

1 62 123 184 245 306 367 428 489 550

MTFH[0]G%

H_MTF B

0.10 0.20.3 0.40.5 0.60.7 0.80.91

1 62 123 184 245 306 367 428 489 550

MTFH[0]B%

H_MTF R

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

1 62 123 184 245 306 367 428 489 550

MTFH[0]R%

H_MTF R

0.10 0.20.3 0.40.5 0.60.7 0.80.91

1 62 123 184 245 306 367 428 489 550

MTFH[0]R%

H_MTF G

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

1 62 123 184 245 306 367 428 489 550

MTFH[0]G%

H_MTF B

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.91

1 62 123 184 245 306 367 428 489 550

MTFH[0]B%

圖 50 I value 人工作業測試數值分佈

圖 51 I value 自動調測裝置測試數值分佈 I_Value

-1.2 -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2

1 62 123 184 245 306 367 428 489 550

I_Value

-1.2 -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2

1 62 123 184 245 306 367 428 489 550

附錄 A

圖 A1 調整測試裝置前視示意圖

圖 A2 調整測試裝置側視示意圖

調測裝置承座 氣缸夾爪 垂直方向微動平台裝置

微動平台裝置承座 OMA TEST CHART

平行滑軌

CCD/B CCD

光學模組 垂直方向微動平台裝置

氣缸夾頭裝置 水平方向微動平台裝置

調測裝置承座

氣缸夾頭裝置

氣缸夾爪 垂直方向微動平台裝置

微動平台裝置承座

前頂氣缸裝置 平行滑軌

CCD/B CCD 光學模組

GLASS

圖 A3 前頂氣缸作動示意圖

圖 A4 氣缸夾爪作動夾持 CCD/B 示意圖

前頂氣缸裝置

圖 A5 水平微調 X 軸方向定位示意圖

圖 A6 垂直微調 Y 軸方向定位示意圖

圖 A7 MTF 及 I value 調整測試裝置前視示意圖

調測裝置承座

氣缸夾爪 光學鏡頭

光學模組

水平方向微動平台裝置 前頂氣缸裝置

圖 A9 夾具模組定位夾持光學鏡頭示意圖

圖 A10 夾頭夾持光學鏡頭示意圖

圖 A11 水平微調光學鏡頭 MTF 及 I value 示意圖

圖 A12 模組回復至原定位示意圖

附錄 B

圖 B1 光學模組調整測試裝置

圖 B2 CCD/B 組件夾爪裝置

圖 B3 光學鏡頭夾持裝置(側視)

圖 B4 光學鏡頭夾持裝置(前視)

附錄 C

USL:規格上限， LSL:規格下限， σ:標準差， μ:平均值

Cp 值愈大，表示產品品質特性變異愈小，製程變異小，精確度高。

Cpk 值愈大，表示製程能力愈佳。[8]

下列範例為 MTF 規格設定值與生產量測統計數據

USL 0.8

LSL 0.4

MAX 0.617

MIN 0.491

AVERAGE(μ) 0.561 STD deviation( σ ) 0.028

K 0.195

Cp 2.381

Cpk 1.916

其計算式與結果如下列

LSL)/6σ (USL

Cp= −

/6σ ) LSL (USL

K) (1

Cpk= − × −

/2]

) LSL /[(USL

K= X−μ −

規格平均值 :

X

381 . 2 ) 028 . 0 0.4)/(6 (0.8

LSL)/6σ (USL

Cp= − = − × =

916 . 1 0.028) 0.4)/(6

(0.8 0.195) (1

/6σ ) LSL (USL

K) (1

Cpk= − × − = − × − × =

195 . 0 ) 4 . 0 8 . 0 /(

561 . 0 6 . 0 2 ) LSL /(USL 2

K= ×X−μ − = × − − =

0.6 0.4)/2 0.8

)/2 (

X= USL+LSL =( + =