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第三章 3D 量測 量測 量測基本理論 量測 基本理論 基本理論 基本理論

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第三章 第三章 第三章

第三章 3D 量測 量測 量測基本理論 量測 基本理論 基本理論 基本理論

3.1 3.1 3.1

3.1 三維形貌 三維形貌 三維形貌量 三維形貌 量 量 量測技術 測技術 測技術 測技術

在各個產業上的需求與日俱增,在國防工業如飛彈、魚雷、機翼與螺 旋槳等形貌之鑑定,醫學工程如生物細胞,電子產業如PCB板面,機械製 造如齒輪形狀探測等,皆需要對待測物之三維形貌作精密的檢定。下表 3-1是三維形貌量測的用途簡介三維形貌量測的原理可概分為三大領 域:『顯微技術』、『接觸式』以及『非接觸式』。如表3-2所示:

產業 用途

半導體產業 量測晶圓或封裝元件表面輪廓以及電路板的盲孔深度 光電產業 鏡面的形狀、表面粗糙度、 曲率及刮傷的檢測

光通訊、微機電 量測光纖的形狀、端面、陣列、微機電裝置…等微小物件的 缺陷檢測及其特性

醫學工程 檢測生物細胞的外觀輪廓

航太工業 飛彈、魚雷、機翼與螺旋槳等形貌之鑑定與品質檢定

(2)

表3-2 三維形貌量測的原理分類

(3)

3.2 3.2 3.2

3.2 相位移 相位移 相位移 3D 相位移 量測 量測 量測 量測

一般運用於錫膏檢測之3D 量測系統大都使用雷射技術,其檢測時間 較長,且需要昂貴的設備及特殊的環境。本章將簡單說明此系統之技術 及系統架構。相位移技術可對CCD 取像之每一像素進行相位分析,以得 到高度值,量測精準度高,所以常被用來作為量測物體表面輪廓之工具。

傳統相位移技術是使用雷射光源,產生正弦干涉條紋,再以壓電晶體

(PZT)變形推動反射鏡面以產生光程差,造成相位移現象,並以諸如 CCD 等光電檢測器循序擷取數張影像,進行相位分析,以得物體表面高 度值(Srinivasan, et al., 1984)。

由於使用雷射光源,需在昂貴的光學桌上進行量測,適用場地範 圍大受影響。雖然已有Srinivasan, etal.(1985)嘗試製作正弦透射光柵取代 雷射干涉條紋,以避開光學桌之使用;但因使用步進馬達進行相位移,

導致量測系統容易產生震動現象,影響量測精準度。

(4)

3. 3. 3.

3.2.1 2.1 2.1 2.1 相位移技術的原理 相位移技術的原理 相位移技術的原理 相位移技術的原理

本研究採用的3D 量測系統是根據相位移(Phase shifting)技術 (Malacara,1992),此方法之光學幾何架構如圖3-1 所示,當一正弦光柵投 射於物體時,應用光學三角幾何,物體表面高度方程式可對應至相位,

如式(3-1)所示:本研究採用的3D 量測系統是根據相位移(Phase shifting)

技術(Malacara,1992),此方法之光學幾何架構如圖3-1 所示,當一正弦

光柵投射於物體時,應用光學三角幾何,物體表面高度方程式可對應至

相位。

(5)

檢測物體表面每個座標點(x, y) 的相位值φ (x, y) ,可應用相位移法 求得。所謂相位移法,是一種可將光強度訊息轉換成相位訊息的方法。

若投射一正弦光柵於一平面,其灰階強度值I (x, y) 可表示為:

I (x, y) I (x, y) I (x, y)cos (x, y) = b + m φ (3-3)

其中I (x, y) b 是直流光強值, I (x, y) m 是條紋對比值, 而φ (x, y) 是座標位置( x , y )的相位值。在式(3-3)中,I (x, y) 為投射一正弦光柵 之灰階強度影像,影像經由CCD 取得,為一已知資訊;I (x, y) b、 I (x, y) m 及φ (x, y) 則是三個未知的參數。

為了求得相位值φ (x, y) , 至少需要投射三張不同週期之正弦光柵

的光強度影像,以產生三個方程式。本系統採用四步驟(即四張不同影

像)之相位偏移法,正弦光柵相位偏移量每次增加π/ 2 ,並用CCD 循

序取得此四張不同投射週期之光強度影像,則此四張光強度影像可用公

式表示如下

(6)

經由求解上述四個等式 (Malacara, 1992),可得位於座標位置( x , y ) 的 相位值φ ( x , y ) ,結果如式(3-4)所示:

相較於三步驟的相位移法,四步驟的相位移的優點在於式(3-4)中 分母不會產生零的狀況。式(3-4)中所求之φ(x, y) 位於-π/ 2 與π/ 2 間,並不是所需的連續相位值,無法直接用以計算表面的高度,須先經 由2π校正(Modulo 2πcorrection),亦即轉換至0至2π 的範圍。再經 由比較水平鄰接的相位值,亦即當座標點(x, y) 與前一點座標(x 1, y) 相 位差超過π 時,則加上2π 的判斷式予以調整,如下列判斷式所示:

  

(7)

影像中每一座標點(x, y) 在參考平面和檢測物體的相位值,例如式(3-1)

的(x, y)φ

r

及(x, y)φ

o

皆可經由上述運算獲得,並計算其相位差值Δφ (x,

y),因此物體每個座標點的表面高度可經由式(3-2)求得。

(8)

圖3.2 正弦投射條紋之光學成像示意圖

3.3 3.3 3.3

3.3三角量測法理論 三角量測法理論 三角量測法理論 三角量測法理論

光學三角量測法則的運用可以解釋為一種解調變的過程,在此過 程中,縱深或高度之變化造成之相位的移動可被轉換為相對應之值。

換句話說,三角量測法其實是在表示相位差與縱深差或高度差之間之關

係。。由圖3-3 所示,考慮在參考平面之一點條紋投影處A,而由於此參

考平面與一實際待測物曲面有一深度上的差異,在光線成一夾角θ

0

的情況下投影,所以同一條紋在待測曲面上的位置便會位移至D 點。當

CCD 拍攝時,A 點反映至CCD 之A’點,而以D 點來說,其與參考平面上

之A 同屬條紋投影過程中同一光軸所拍得,所以即可以滿足式(3-6)

(9)

圖3-3 三角量測法示意圖其反映至CCD 之C’點。所以再經三角函數的演 算後,我們可以發現(2-7)A 點與C 點之間的距離可表示為

(3-6)

圖3.3 三角量測法示意圖

(10)

(3-7)

A 點與C 點之間的距離可表示為

(3-8)

又 (3-9)

因此 (3-10) 藉上式可再求得B、D 點之間距離

(3-11)

由上式便可求出參考平面與待測物平面之縱深變化量。

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3. 3. 3.

3.4 4 4 4 錫膏之三維檢測 錫膏之三維檢測 錫膏之三維檢測 錫膏之三維檢測

一般二維檢測技術已普遍運用於許多表面黏著技術製程檢驗,在傳 統2D 機器視覺中使用影像處理技術僅可處理二維瑕疵,若能以三維檢測 技術輔助二維檢測之不足,利用三維檢測技術重建待測物的3D 表面形狀 並獲得高度資訊,將會比單純使用2D 影像處理技術,更能有效且可靠的 完成各類檢驗的要求。Hata(1990),整理了針對錫誤檢測(Solder

inspection)的光學系統(Opticalsystem),主要分為六類, 如圖3.3 所

示。

(12)

第一種方式屬於使用多個光源及攝影機,國際知名之PCB 檢測設備 製造廠商Orbotech 近年開發一個同時使用13 個CCD 攝影機及18 個光 源的AOI(Automatic Optical Inspection)系統(Orbotech),針對PCB裝配 板進行2D 及3D 檢測(包括置放位置、缺件、錯件、極性及迴焊後之錫 點

檢驗)

。為了檢驗PCB 板上SMD 元件及錫點之各類檢測項目,藉助不 同角度及不同方向投射光源之影像來分析2D 及3D 目標物的可能瑕 疵,此系統之光源及鏡頭組合複雜且設備成本昂貴。

在錫點(solder joint)檢測方面,有許多研究者使用多層彩色環形燈

(tiered-color ring lights)來檢測錫點之品質(Kim et al., 1996; Capson and Eng,1988; Ko and Cho, 2000),利用架設於不同高度及不同色彩之環形燈 投射於待測物,再利用錫點呈現之2D 輪廓的幾何特徵來判別品質的良 劣。Neubauer et al.(1994)則以X-光斷層攝影法檢驗錫點品質。此類技術需 要昂貴之設備或需要藉由改變眾多光源角度以估算反射模式的參數。

以雷射掃瞄之結構式光源方法,仍是錫點檢測(Rideout, 1990; Ryu

and Cho,1990)最廣為使用的3D 量測技術。在實務運用上,Koezuka et

al.(1990)及 Hilton et al.(1994)以雷射掃瞄技術檢驗PCB 裝配板上表面黏

著元件(Surface Mount Device, SMD)之缺件、偏移、浮腳及IC 之共平

面度。Pat et al.(1999)與Tsukahera et al.(1995)則以雷射掃瞄技術檢測BGA

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板上錫膏的厚度。

在錫膏量測方面,以雷射掃瞄之結構式光源方法,是錫膏厚度 (Stefano and Boland, 1996; Horijon et al., 1995)檢驗最廣為使用的3D量測 技術。Lathrop(1997)使用雷射三角測量法針測量錫膏印刷品質,針對錫 膏的高度、寬度、及體積進行量測,並將影響錫膏印刷品質的因素分為 三大類,分別為錫膏組成、印刷工具及印刷表面。

Burr(1997)指出表面黏著技術中錫膏印刷是控制錫點(Solder joint)

品質最重要的因素,而錫膏量(Solder paste volume)更被認為是錫膏印 刷中最重要的因子,如何使印出之錫膏量在每次皆合乎標準,成了一個 很重要的課題。在完成最終檢驗時的瑕疵品可能被重工(Rework),但 需花費大量的資源,除了材料外,更增加人力和時間的成本。而在錫膏 印刷後立即進行檢驗,不但可以降低生產成本,及早發現瑕疵,且易於 清理錫膏後重工(Rework)。

綜合以上文獻,三維瑕疵檢測更顯其重要性,尤其在表面黏著技術

製程中,錫膏印刷是影響產品良率最重要的製程,而錫膏量又是錫膏印

刷製程最重要之因子,因錫膏量之多寡屬於三維量測,一般二維的檢測

(14)

測。針對錫膏量之多寡,可經由表面高度資訊計算錫膏體積,判別錫膏 量之三維瑕疵。

3.5 3.5 3.5

3.5 立體視覺 立體視覺 立體視覺 立體視覺

立體視覺

圖 3.5 SMD 立體視覺圖

由圖 3.5 可以得知,其利用二張影像分析而知其所代表的高度資訊,

就如同人眼一般,其利用的方法就是以類似於三角量測的方式(如圖 3.6

(15)

所示),在不同的高度下在二張影像會有不同的位置點,所以 CCD 校正 及如何確認點位置就變成了計算精確度的重點。

圖 3.6 兩個 CCD 之 三角量測圖

數據

圖 3.6 兩個 CCD 之 三角量測圖

參考文獻

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