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擴散片是LCD 背光模組的關鍵零組件,其作用在於讓光源所發射出來的光 線能夠均勻的散落在稜鏡片上,以確保LCD 的亮度均一性。擴散片上的任何瑕 疵都將影響FPD 的品質,因此必需於組裝前將擴散片上的瑕疵偵測出以確保 FPD 的品質。目前擴散片的檢測大多還是以人工目檢的方式在進行,不僅耗時耗力,

檢測品質也很難確保。有鑑於此,本研究嘗試應用機器視覺,對擴散片進行檢測。

檢測時首先根據瑕疵的大小,將瑕疵分成巨觀瑕疵(塗佈不均及拉線)及微 觀瑕疵(異物、白點、缺角、尺寸不良、漆不均、及針孔)兩大類,並分別採取 不同的方式進行偵測。巨觀瑕疵是以線掃描攝影機擷取低解析影像;微觀瑕疵則 是使用面掃描攝影機,搭配高倍率變焦鏡頭擷取高解析影像,之後利用特別設計 的影像處理流程進行瑕疵的檢測。

就某些瑕疵而言,要取得其影像並不容易,為了順利取得瑕疵影像,本研究 對於擴散片的取像方式有深入的探討,內容包含擴散片的擺放方式、光源強度的 控制、光源及攝影機的選擇等。實驗結果顯示本研究所提出之方法,可以有效地 偵測出上述各種瑕疵。

關鍵字:擴散片、LCD、機器視覺、瑕疵檢測

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Abstract

A diffuser is a key component of an LCD backlight module. Its function is to uniformly scatter light beams from the light source over the prism sheets. Thus, the uniform brightness of a LCD is ensured. An early detection of any flaw on a diffuser before assembly is important to ensure the quality of the FPD. Diffusers are presently inspected by human inspectors. This manual inspection method is apparently slow, labor-intensive, inconsistent, and error-prone. In view of this, we tried to inspect diffusers using machine vision technique.

According to defect sizes, two types of defects can be identified, i.e. macro defects (uneven coatings and streaks) and micro defects (foreign matters, white spots, mouse bites, protrusions, incorrect dimensions, uneven paints, pinholes). As to the automatic detection of these two types of defects, two different methodologies were developed. For the macro defects, we use a line-scan camera to grab low-resolution images, while an area-scan camera incorporated with a high zoom rate lens is used to grab high-resolution images so as to detect micro defects. After images are grabbed, each defect is detected using specifically designed image processing flows.

However, it is challenging to capture some defects that are barely visible to one without special training. To successfully capture all the defects on a diffuser, we thoroughly investigated several kinds of imaging methods. Aspects like the arrangement of a diffuser, the intensity of the light source, the choice of light and camera, etc. are also discussed. The experimental results show that the proposed method can effectively detect aforementioned surface flaws of diffusers.

Keywords:Diffuser, LCD, Machine Vision, Defect Detection

(7)

誌謝

承蒙指導教授 邱奕契博士兩年來對我的悉心指導,使得本論文得以順利完 成。在研究過程中,每當我遭遇困難時,老師都能適時地提供寶貴的經驗及意見,

引導我往正確的方向前進,使我能順利地克服各種困難,並學到許多寶貴的知識。

感謝 林士傑博士 及 羅鵬飛博士所提供的寶貴意見與鼓勵,對於本論文的 缺失不吝指正,使本論文更臻完善,在此致上最真誠的謝意。

感謝 三新資訊事業股份有限公司鄭正賢經理及欽揚科技股份有限公司對於 本論文的諸多協助,特此感謝。

在這兩年的學習生涯中,除了師長的教誨外,還要感謝張育康、徐國峰、楊 禮鴻、林憲忠等學長所給予我的協助及鼓勵,以及同學林正宇、沈軍懷、沈和勳、

洪齊懋、黃詩翔、陳嘉賢、胡建煜、曾兆弘、周育德、楊渝翔與學弟蔡孟儒、李 韋辰、彭勇霖、梁鶴馨、陳家振等人的諸多幫忙與鼓勵,陪我度過快樂的求學時 光。

最後由衷地感謝我的家人多年來的細心照顧與陪伴,給予我良好的讀書環 境,讓我無後顧之憂,專心求學,在此願與你們分享我的喜悅。

(8)

目錄

中文摘要 ...I Abstract ... II 誌謝 ...III 目錄 ...IV 圖目錄 ...VI 表目錄 ...IX

第一章 緒論...1

1.1 研究背景...1

1.2 擴散片簡介...8

1.3 研究動機與目的...12

1.4 研究範疇...13

1.5 論文架構...13

第二章 文獻回顧...15

第三章 檢測系統架構...20

3.1 系統架構...20

3.1.1 硬體設備...27

3.1.2 檢測系統軟體...29

3.2 光源系統...29

3.2.1 照明方式...29

3.2.2 光源的種類與樣式...30

3.3 平台控制...31

3.4 影像校正...33

3.4.1 校正方法...33

3.4.2 校正步驟...34

3.4.3 圓形逼近法...36

第四章 研究方法...39

4.1 影像前處理...40

4.1.1 中值濾波(Rank Filter)...40

4.1.2 高斯濾波(Gauss Filter) ...41

4.1.3 直方圖均值化(Histogram Equalization)...42

4.2 影像分割...42

4.3 形態處理...44

4.3.1 膨脹(Dilation)...44

4.3.2 侵蝕(Erosion) ...44

(9)

4.3.3 斷開(Opening) ...44

4.3.4 閉合(Closing) ...45

4.3.5 補洞(Fill Holes)...46

4.4 特徵抽取...46

4.5 邊界偵測...49

4.6 曲線逼近...50

4.7 巨觀檢測...51

4.8 微觀檢測...55

4.8.1 擴散片內部檢測...57

4.8.2 擴散片外框檢測...59

第五章 實驗結果與討論...61

5.1 巨觀檢測之結果...61

5.1.1 塗佈不均瑕疵之檢測結果...61

5.1.2 拉線瑕疵之檢測結果...67

5.2 微觀檢測之結果...70

5.2.1 異物瑕疵及白點瑕疵之檢測結果...71

5.2.2 缺角、漆不均、尺寸不良及針孔瑕疵之檢測結果...75

5.3 不同光源強度之容忍度...79

5.4 取像方式的探討...82

第六章 結論...86

6.1 結論...86

6.2 未來展望...86

參考文獻 ...88

(10)

圖目錄

圖1.1 TFT-LCD 結構示意圖...4

圖1.2 TFT-LCD 的顯像原理...5

圖1.3 TFT-LCD 製造流程圖 ...5

圖1.4 邊光式/直下式背光模組結構圖...7

圖1.5 邊光式/直下式背光模組實際作用情形 ...8

圖1.6 傳統擴散片的構造...10

圖1.7 傳統擴散片的光學原理...10

圖1.8 光源加裝擴散片前/後情形 ...10

圖1.9 人工目視檢查方法一...11

圖1.10 人工目視檢查方法二...11

圖1.11 人工目視檢查方法三...11

圖1.12 擴散片瑕疵樣本圖...12

圖3.1 擴散片檢測流程...20

圖3.2 取像關係圖...21

圖3.3 參數設定視窗...22

圖3.4 線掃描與面掃描之掃描方式...24

圖3.5 擴散片之取像示意圖...24

圖3.6 使用背光光源對塗佈不均瑕疵進行取像...25

圖3.7 使用背光光源對拉線瑕疵進行取像...25

圖3.8 使用背光光源對塗佈不均瑕疵進行取像...25

圖3.9 使用背光光源對拉線瑕疵進行取像...25

圖3.10 線掃描與面掃描 CCD 攝影機之取像結果 ...26

圖3.11 巨觀檢測實驗設備...28

圖3.12 微觀檢測實驗設備...29

圖3.13 光源照明方式...30

圖3.14 影像校正流程圖...35

圖3.15 標準校正片影像...35

圖3.16 影像校正操作流程...36

圖4.1 擴散片檢測流程示意圖...39

圖4.2 中值濾波處理示意圖...40

圖4.3 中值濾波處理範例...41

圖4.4 高斯濾波處理範例...41

圖4.5 直方圖均值化處理範例...42

圖4.6 影像經歐蘇二值化之結果...43

圖4.7 形態處理之3×3遮罩...44

(11)

圖4.8 形態處理範例...45

圖4.9 補洞處理範例...46

圖4.10 修正式單調運算子...47

圖4.11 修正式單調運算子處理範例...48

圖4.12 最小圍繞矩形示意圖...49

圖4.13 鏈碼方向示意圖...50

圖4.14 擴散片之巨觀瑕疵...52

圖4.15(a) 巨觀檢測流程之一 ...53

圖4.15(b) 巨觀檢測流程之二...53

圖4.15(c) 巨觀檢測流程之三 ...54

圖4.15(d) 巨觀檢測流程之四...54

圖4.16 擴散片之微觀瑕疵...56

圖4.17 擴散片檢測區域示意圖...57

圖4.18 擴散片內部檢測流程...58

圖4.19 外框檢測流程圖...60

圖4.20 外框瑕疵定義示意圖...60

圖5.1 無瑕疵影像與塗佈不均瑕疵樣本影像及其檢測結果...62

圖5.2 拉線瑕疵樣本影像及其檢測結果...62

圖5.3 塗佈不均瑕疵之檢測流程與結果...63

圖5.4 塗佈不均瑕疵之檢測流程及結果...64

圖5.5 無瑕疵影像與塗佈不均瑕疵樣本影像...65

圖5.6 無瑕疵影像與塗佈不均瑕疵樣本影像之檢測結果...66

圖5.7 拉線瑕疵樣本影像及其檢測結果...67

圖5.8 無瑕疵影像與水平拉線瑕疵樣本影像及其檢測結果...68

圖5.9 無瑕疵影像與垂直拉線瑕疵樣本影像及其檢測結果...68

圖5.10 水平拉線瑕疵之檢測流程及結果...69

圖5.11 垂直拉線瑕疵之檢測流程與結果...70

圖5.12 異物瑕疵之檢測流程及結果...71

圖5.13 白點瑕疵之檢測流程與結果...72

圖5.14 無瑕疵影像與異物瑕疵樣本影像...73

圖5.15 無瑕疵影像與異物瑕疵樣本影像之檢測結果...73

圖5.16 無瑕疵影像與白點瑕疵樣本影像...74

圖5.17 無瑕疵影像與白點瑕疵樣本影像之檢測結果...74

圖5.18 針孔瑕疵之檢測流程及結果...75

圖5.19 缺角瑕疵之檢測流程及結果...76

圖5.20 尺寸不良瑕疵之檢測流程及結果...77

圖5.21 無瑕疵影像之檢測流程及結果...78

圖5.22 漆不均瑕疵之檢測流程及結果...79

(12)

圖5.23 白點瑕疵於不同光源強度下之原始影像...80

圖5.24 白點瑕疵於不同光源強度下之檢測結果...80

圖5.25 拉線瑕疵於不同光源強度下之原始影像...81

圖5.26 拉線瑕疵於不同光源強度下之檢測結果...81

圖5.27 相同取像條件下擴散片光澤面朝上、下之取像結果...83

圖5.28 相同取像條件下,擴散片光澤面朝上或朝下攫取所得之白點瑕疵影像83 圖5.29 相同取像條件下,擴散片光澤面朝上或朝下攫取所得之異物瑕疵影像83 圖5.30 相同取像條件下,擴散片光澤面朝上或朝下攫取所得之異物瑕疵影像84 圖5.31 相同取像條件下,擴散片光澤面朝上或朝下攫取所得之塗佈不均瑕疵影 像...84 圖5.32 相同取像條件下,擴散片光澤面朝上或朝下攫取所得之拉線瑕疵影像84

(13)

表目錄

表1.1 LCD 與 CRT 之比較 ...1

表1.2 TFT-LCD 製造成本結構...2

表1.3 全球中小尺寸面板在不同應用領域每月出貨量分析...3

表1.4 2004-2005 年全球大尺寸 TFT LCD 供需預測 ...3

表1.5 背光模組成本結構...7

表1.6 背光模組各元件功能及材料...8

表3.1 取像時擴散片之擺放方式...26

表3.2 驅動器指令說明表...31

表3.3 驅動器控制步進馬達移動範例一...32

表3.4 驅動器控制步進馬達移動範例二...32

表3.5 驅動器設定值與平台移動速度對照表...33

表5.1 擴散片之取像方式...85

(14)

第一章 緒論

1.1 研究背景

現在人對於空間的利用非常重視,如何有效的利用空間,是眾人追逐的目 標。相較於以往體積龐大且笨重的顯示器,平面顯示器已成為現今消費者的最 愛。平面顯示器(Flat Panel Display;簡稱 FPD)具解析度高、厚度薄、重量輕的 優勢,運用的範圍包括 PDP(電漿顯示器)、TFT-LCD(薄膜電晶體液晶顯示器)、

TN/STN LCD、有機 ECD 及 Microdisplay 等。其中又以液晶顯示器的運用最為廣 泛,以下對其作簡單的介紹。

液晶顯示器(Liquid Crystal Display;簡稱 LCD)具有輕、薄、省電等優點,相 對於傳統陰極射線管(Cathode Ray Tube;簡稱 CRT),LCD 佔有較多的優勢,因 此目前LCD 已逐漸取代傳統的 CRT 成為顯示器的主流產品之一。兩者優缺點如 表1.1 所示:

表1.1 LCD 與 CRT 之比較

比較項目 液晶顯示器(LCD) 陰極射線管顯示器(CRT)

重量 輕 重

體積 小 大

厚度 薄 厚

視角 小 大

輻射量 低 高

功率消耗 小 大

畫面閃爍 無 會閃爍

輸入信號源 類比或數位 類比

價格 昂貴 廉價

(15)

液晶顯示器大略可分為扭轉向列型(Twisted Nematic;簡稱 TN)液晶顯示器、

薄膜電晶體型(Thin Film Transistor;簡稱 TFT)液晶顯示器、及超扭轉向列型(Super Twisted Nematic;STN)液晶顯示器三種,其中 TN/STN 是以單純矩陣驅動技術來 驅動液晶顯示,而 TFT 則是以主動矩陣驅動技術來驅動液晶顯示。應用方面 TN/STN-LCD 主要偏向文書處理及消費性的產品,像是 TN-LCD 多用於電子錶 與電子計算機等需求穩定的市場,至於中小尺寸的STN-LCD 則用於個人數位助 理(PDA)、手機螢幕及掌上型電腦(HPC)等產品。由於三者之中以 TFT-LCD 在色 彩及解析度的品質上表現最佳,因此多用於筆記型電腦與桌上型電腦使用之監視 器,近年來更應用在大尺寸之LCD TV 上,可謂用途最廣之液晶顯示器。

近年來,國內積極發展彩色影像顯示器之產業,已有非常不錯的成果,其中 TFT-LCD 之生產研發已在國際間佔有舉足輕重的地位,以下針對 TFT-LCD 之生 產成本、工作原理及製造方式加以介紹。表1.2 所示為 TFT-LCD 製造成本結構。

表1.2 TFT-LCD 製造成本結構

成本項目 所佔比例 成本項目 所佔比例

彩色濾光片 13% 靶材 1%

偏光板 6% 建物設備攤提 13%

其他Cell 工程材料 2% 人事成本 6%

驅動IC 10% 其他 16%

背光模組 8% 銷售經費 8%

其他模組材料 9% R&D+權利金 6%

玻璃 2%

(資料來源:工業技術研究院)

根據 Displaysearch 最新研究報告指出,2004 年第二季全球中小尺寸面板營 收與出貨量皆創下新高,分別是46 億美元與 22,350 萬片。

(16)

表1.3 全球中小尺寸面板在不同應用領域每月出貨量分析

(單位:百萬片) 應用 2004 Q2 2004 Q3(e) Q/Q

手機 58 61 5.2%

PDA 1.4 1.3 -7.1%

汽車 0.93 0.94 1.1%

DSC 6.6 7.3 10.6%

DVC 1.5 1.3 -13.3%

其他 2.7 2.9 7.4%

Total 71.13 74.74 5.1%

Source: Displaysearch,2004 年 10 月

表1.4 2004-2005 年全球大尺寸 TFT LCD 供需預測

04Q1 04Q2 04Q3 (F)

04Q4 (F)

05Q1 (F)

05Q2 (F)

05Q3 (F)

05Q4

(F) 2004 (F) 2005 (F) NB (Portable PC

includes) 11,104 11,501 13,226 13,887 13,610 13,338 14,938 16,133 49,179 58,018 Monitor 17,055 17,396 18,000 20,340 22,172 21,746 23,400 26,422 72,792 93,760 LCD TV 1,400 1,750 2,275 3,413 2,730 3,331 4,496 7,194 8,838 17,751 Other 840 936 1,024 1,113 1,081 1,192 1,414 1,517 3,913 5,204 Panel demands

(千台) 30,400 31,583 34,525 38,753 39,593 39,606 44,248 51,286 135,261174,733 Panel supply (千

台) 32,295 35,489 37,931 41,073 46,191 48,958 54,901 59,685 146,788209,736 Supply/Demand 6.20% 12.40% 9.90% 6.00% 16.70% 23.60% 24.10% 16.40% 8.50% 20.00%

Sources: Displaysearch; compiled by FPDisplay, Sep 2004.

TFT-LCD(薄膜電晶體液晶顯示器)是 Thin-Film Transistor Liquid-Crystal Display 的縮寫,為目前最普遍使用的顯示器之一。TFT-LCD 面板(圖 1.1)可視為 兩片玻璃基板中間夾著一層液晶,上層的玻璃基板與彩色濾光片(Color Filter)相 貼合,而下層的玻璃則有電晶體鑲嵌於上。彩色濾光片的作用是給予每個畫素特

(17)

定的顏色。由於液晶分子具有獨特的電光效應與偏光性,當電流通過電晶體時會 產生電場的變化,造成液晶分子偏轉,藉以改變光線的偏極性,再利用偏光片來 決定畫素(Pixel)的明暗狀態。當光線穿過液晶後會在前端面板上產生一個像素 (Pixel),由於上層的玻璃基板已與彩色濾光片相貼合,因此每個畫素(Pixel)分別 包含了紅、綠、藍三種顏色,藉由紅、綠、藍這三種色彩的組合可以產生各種不 同的顏色,結合面板上每一個不同顏色的畫素便構成了人眼所見到的畫面(圖 1.2 所示)。

TFT-LCD 的主要製程(圖 1.3 所示)包括前段的 Array 製程(或 Panel 製程)、中 段的Cell 製程與後段的 Module Assembly (模組組裝)製程。其中 Array 與 Module Assembly 製程較單純,良率皆可達 90%以上。

前段的 Array 製程與半導體製程相似,不同的是將薄膜電晶體製作於玻璃 上,而非矽晶圓上,使其在玻璃基板上形成薄膜電晶體陣列。中段的 Cell 製程 是以前段Array 的玻璃為基板,將其與彩色濾光片的玻璃基板結合,並在兩片玻 璃基板間灌入液晶(Liquid-Crystal;簡稱 LC),之後再將偏光片貼附。後段模組組 裝製程是將Cell 製程後的玻璃與其他如背光模組、電路、外框、驅動 IC 與控制 面板等多種零組件組裝的生產作業,成品經過點燈及老化等相關測試後即可包裝 出貨。

圖1.1 TFT-LCD 結構示意圖 (資料來源:友達光電)

(18)

圖1.2 TFT-LCD 的顯像原理 (資料來源:友達光電)

TFT

Cell成品 加裝電路 搭載 驅動IC

背光模組

裝配 外框加裝

包裝 產品測試

玻璃基板 成膜 黃光 蝕刻 去光阻

對位壓合

面板組立 偏光片 液晶注入

貼附

洗淨 配向膜

印刷 配向 框膠塗佈

洗淨 配向膜

印刷 配向 間隔劑

灑佈 點銀膠

Array

Cell

Module

CF

圖1.3 TFT-LCD 製造流程圖

(19)

由於LCD 面板本身並不會發光,因此需要加裝背光模組以提供光源,光源 一般置於LCD 面板後方,因此稱作背光模組(backlight system)。例如: TFT-LCD 所使用之背光模組是位於TFT-Array 面板之後負責提供顯示面板所需之光源。

背光模組又稱背光板,其功能在於提供LCD 面板之光源,主要是由發光源、

反射板(Reflector)、導光板(Light Guide Panel;簡稱 LGP)、擴散片(Diffuser 或稱 Diffusion sheet)、稜鏡片(Prism sheet 或稱作增亮膜,Brightness Enhancement Film 簡稱 BEF)及塑膠框等構成。依據導光板的形狀背光模組可分為平板式及楔形板 式兩種,其中平板式多應用於監視器,如:LCD Monitor 與 LCD TV。基於空間的 關係楔形板式多用於筆記型電腦(Notebook PC)。此外,依據光源的放置位置可區 分為邊光式(edge lighting)與直下式(bottom lighting)兩類,如圖 1.4 與圖 1.5 所示。

邊光式是藉由導光板將邊光導向正面,直下式由於直接將光源至於面板下方,因 此無須導光板。

以下針對背光模組中的元件作簡單介紹,並整理於表1.6。

發光源: 須具備高亮度及壽命長等特色,目前使用的光源有冷陰極螢光燈 (Cold Cathode Fluorescent Lamp;簡稱 CCFL)及熱陰極螢光燈、發光二極體 (LED)、電激發光片(Electron luminescence;簡稱 EL)等,其中以 CCFL 為主流,

而依光源位置可以分為直下式及邊光式二種,由於直下式模組較厚,不符合輕薄 短小的趨勢,因此,目前多以邊光式為主。至於運用範圍,直下式光源多用於 LCD TV,而邊光式光源多運用在筆記型電腦。

導光板:將經由反射板反射的光源均勻導出,達到無法分辨實際光源的位 置。其製作方式有兩種:1.印刷式(裁板)、2.非印刷式(射出板)。前者是利用射出 成型的方法將丙烯(即壓克力,acryl)壓製成表面光滑的板塊,然後用具有高反射 率且不吸光的材料,在導光板的底面以網板印刷印上圓形或方形之擴散點,以使 導光板均勻發光。後者直接以射出成型技術,將 pattern 設計在模具鋼內,在製 程上較為簡潔且精密度高,是目前導光板技術主流。

(20)

反射板:其用途在於將底面露出的光反射回導光板中,用以提升光的使用效 率,使用材料有PET、發泡 PET、黃銅、Aluminum。

擴散片:使得由導光板射出之光線的分佈更加均勻,且從正面看不到反射點 的影子,使用材料有PET、PC,製程為 PC/PET 基板加擴散 Coating。

稜鏡片:用以修正光的方向,導正經由擴散片散射之光源,達到聚光的效果,

以提高正面亮度。佔材料成本比重最高。

表1.5 背光模組成本結構

成本項目 所佔比例 成本項目 所佔比例

光學膜 37% Lamp 9%

導光板 17% 其他材料 16%

擴散片 5% 組裝費&其他 11%

反射板 5%

(資料來源:工研院經資中心)

圖1.4 邊光式/直下式背光模組結構圖

(資料來源:成功大學陳鴻滄等人之專題報告[1])

(21)

圖1.5 邊光式/直下式背光模組實際作用情形 (資料來源:成功大學陳鴻滄等人之專題報告[1])

表1.6 背光模組各元件功能及材料

部品名稱 功能/要求 材料

光源 高輝度、高效率、色再現性、壽命 熱陰極/冷陰極螢光燈 (CFL)、EL

導光板 控制光的方向、提高輝度以及使板面輝 度均一化

板面上施予光圈(Dot)印刷之 壓克力板或PC 板

擴散片 將光源加以擴散 PET 或 PC 樹脂

稜鏡片 將經擴散片之散漫光,透過稜鏡之折射 使光方向垂直向上,亦即有集光作用

稜鏡材料、3M 專利”BEF”光 學膜

反射板 防止冷陰極螢光燈光源外漏之遮蔽材 PC 樹脂、鋁板、發泡 PET 膜 (資料來源:工研院化學工業研究所 ITIS 計畫整理)

1.2 擴散片簡介

擴散片(亦稱擴散膜或擴散板,Diffuser / Diffusion sheet) 主要的功能是讓光 線透過擴散塗層產生漫射,使得光線的分佈均勻化。基材需選擇透光率高的材料 如:PET/PC/PMMA。擴散效果與擴散層的表面處理有很大的關係,例如:內加 擴散劑的薄膜材料與塗佈式的擴散材料其擴散效果就有所差異。此外,目前有許 多公司積極研發新的光學膜以降低生產成本,其中主要的方式便是結合增光膜功 能的複合型擴散材料,其擴散效果也和傳統的擴散片有所不同。

(22)

一般傳統的擴散片(圖1.6所示)是在擴散片的基材中,加入一顆顆的化學顆粒 作為散射粒子,由於微粒子分散在樹脂層間,光線經過擴散層時會不斷的在兩個 折射率相異的介質中穿過,使得光線產生折射、反射與散射的現象,進而達到所 需的光學擴散效果。另一種方式是利用全像技術(圖1.7所示),經由曝光顯影等化 學程序將毛玻璃的相位分佈記錄下來粗化擴散片基材表面,並以光散射的原理來 模糊導光板上的墨點或線條。但是由於材料本身與化學顆粒的性質本來就會吸收 一部分的光線,因此會導致光強度的損失,造成光源無法有效的利用。此外,由 於化學製程較為費時,使得生產成本相對的也比較高。

為了因應不同擴散程度的需要,可在基材上作單面擴散處理或雙面擴散處 理,擴散劑的種類亦可分為無機型擴散劑與高分子型擴散劑兩種,通常應用於 TFT 型的擴散片是採用球狀擴散劑以達到良好的光學效果。

日常生活中擴散片的運用非常多,舉凡需要將光線均勻擴散的產品幾乎都需 要使用到它,像是各式燈光與廣告看板,目前廣泛運用在背光模組中。擴散片是 背光模組中不可或缺的元件之一,主要的功用是將導光板射出之光線均勻的擴 散,讓使用者所見之螢幕為一個均勻的發光面(圖 1.8 所示)。背光模組的用途非 常廣泛,可用於資訊、通訊與各類消費產品上,像是:平面顯示器(Flat Panel Display;簡稱 FPD)、手機面板、個人數位助理(Personal Digital Assistant;簡稱 PDA)、數位相機、筆記型電腦、液晶投影機、車用面板、與監視器等產品,其 中以平面顯示器產業運用的最多,像是薄膜電晶體液晶顯示器(TFT-LCD)與 LCD TV,主要的原因是因為 LCD 面板本身並不具有發光性,必須外加光源以達到顯 示面板的功能,而背光模組即為提供光源之系統,由此可知擴散片的重要性。以 下所示為擴散片之製造廠商:華宏新技、迎輝科技股份有限公司、三極光電科技 股份有限公司、穎台科技、樂訊科技股份有限公司、宏森光電科技、華立企業股 份有限公司、中華薄膜科技有限公司、伸昌光電材料股份有限公司、山太士有限 公司、伸昌光電材料股份有限公司、尚亞企業股份有限公司、及帝晶光電等。

(23)

圖1.6 傳統擴散片的構造[2]

圖1.7 傳統擴散片的光學原理

(資料來源:國立台灣海洋大學數位通訊與信號傳輸實驗室)

圖1.8 光源加裝擴散片前/後情形

(資料來源:國立台灣海洋大學數位通訊與信號傳輸實驗室)

本研究針對擴散片做瑕疵檢測,以下就傳統擴散片之人工檢測方式做介紹。

傳統擴散片人工目視檢查方式有下列三種(圖 1.9、圖 1.10、圖 1.11)。圖 1.9 所 示是使用光台照明的方式,光源、待測物、及眼睛之距離約 30cm,眼睛與光源

(24)

在待側物的兩側。圖 1.10 所示是使用日光燈光源,光源、待測物、及眼睛之距 離約30cm,眼睛與光源在待側物的兩側。圖 1.11 所示是使用日光燈光源,光源、

待測物、及眼睛之距離約 30cm,眼睛與光源在待側物的同一側。值得注意的是 不同類型的瑕疵,可能需要不同的檢測方式才能夠觀察到瑕疵,不僅花費大量的 人力資源,檢測的時間及困難度也會增加。本研究初期花費大量的時間在取像工 作上,並嘗試使用不同光源及打光方式進行取像。圖1.12 為擴散片瑕疵樣本圖。

擴散片對著光源,前後左右傾斜約45∘做目視檢查。

圖1.9 人工目視檢查方法一

擴散片對著光源做上下左右移動目視檢查,再利用相同方式將擴散片旋轉 90∘做檢查。

圖1.10 人工目視檢查方法二

光源照射角度為45∘,將擴散片左右 360∘旋轉進行目視檢查。

圖1.11 人工目視檢查方法三

(25)

(a)塗佈不均 (b)塗佈不均 (c)拉線(水平式)

(d)拉線(垂直式) (e)異物 (f)白點

(g)缺角 (h)尺寸不良 (i)漆不均

(j)針孔

圖1.12 擴散片瑕疵樣本圖

1.3 研究動機與目的

近年來政府大力推動「兩兆雙星」計畫,台灣光電顯示器產業的發展前景是 一片看好,而我國在TFT-LCD 產量佔全球第二大,僅次於韓國,但製程中的檢 測仍有許多是採用傳統人工目視的方式,不僅費時且容易受檢測人員主觀意識的

(26)

影響導致漏檢的情形發生。

擴散片為LCD 背光模組中關鍵的光學零組件,假使存在瑕疵將會影響背光 模組的發光品質,導致LCD 面板無法顯示正確的影像。目前擴散片的瑕疵檢測 仍仰賴大量的人工進行檢測,不僅耗費大量人力資源,品質亦無法準確控制。有 鑑於此,本研究導入機器視覺於擴散片(Diffuser)之表面瑕疵檢測,以避免人工檢 測誤判所造成之損失,有效降低生產成本與提升產品的良率。

1.4 研究範疇

考慮到CCD 攝影機之解析度與瑕疵大小的關係,檢測的方式分為巨觀檢測 與微觀檢測兩種。瑕疵則分為巨觀瑕疵(macro defects)及微觀瑕疵(micro defects)

兩大類。由於擴散片的瑕疵種類繁多,受限於時間及設備等種種因素,僅就下列 瑕疵之檢測方法進行探討:

¾ 巨觀瑕疵:巨觀瑕疵由於面積較大涵蓋的範圍較廣,因此較微觀瑕疵容 易被發現,再者微觀瑕疵與其相比差異甚大,因此在做巨觀檢測時,可 以忽略微觀瑕疵的影響。本研究所欲檢測之巨觀瑕疵包含拉線與塗佈不 均兩項。

¾ 微觀瑕疵:微觀瑕疵由於面積較小,肉眼較不易察覺,一般需要經過訓 練之專業人員才可清楚的辨別瑕疵。此外,取像時則需用較高解析度的 攝影機進行取像,其檢測的方式也與巨觀瑕疵有所不同,主要是依據瑕 疵的特性做檢測(如:亮度與邊界的繁忙程度等)。本研究所欲檢測之微 觀瑕疵包含異物、白點、缺角、尺寸不良、針孔及漆不均等。

1.5 論文架構

本論文共分為六個章節,第一章為緒論,主要介紹液晶顯示器之工作原理及 製程,並就本研究探討之擴散片做說明。第二章就液晶顯示器相關檢測之文獻進 行探討。第三章介紹整個檢測系統架構,包括取像設備、光源系統、輸送平台控

(27)

制、及影像校正等。第四章介紹本研究所使用之方法及理論,包括影像前處理、

影像分割、形態處理、特徵抽取、及曲線逼近等。依據瑕疵之類型可分為巨觀與 微觀兩種檢測方式,並分三站進行瑕疵檢測。第五章為實驗結果與討論,就檢測 結果進行探討,並就各種瑕疵之取像方式做分析,提出較理想的取像條件及打光 方式以供相關研究之人員參考使用。第六章提出本研究之結論與建議。

(28)

第二章 文獻回顧

本研究針對擴散片進行瑕疵偵測,以下就相關之參考文獻進行回顧。首先,

針對液晶顯示器相關檢測之文獻進行探討,包含液晶顯示器之成品、半成品及相 關元件的檢測,敘述如下:

目前TFT-LCD之檢測方式主要分為光學檢查(Optical Inspection)、電氣檢查 (Electrical Testing)及人工目視檢查(Artificial Inspection)三種。由於光學檢查是利 用非接觸的方式取得成品的表面狀態,再以影像處理的方式進行瑕疵偵測,其靈 活性高故可應用在多種製程中的檢測,為目前常見的檢測方法。電氣檢查則是以 陣列測試器高速檢查TFT功能或周邊線路的電氣特性,其檢出瑕疵的關連性較光 學檢查來的好。人工目視檢查則是以受過專業訓練之人員進行檢查工作,包括外 觀檢查、面板模組的最終畫質檢查(例如:MURA)等。

鮑友南等人[2]針對液晶顯示器背光模組之元件、功能及原理做介紹,並就 光學檢測參數包括亮度、均齊度(Uniformity)、色溫、色度(Chromaticity)等進行 說明,最後對TV 用直下式背光模組之設計做分析。劉祥吉[3]深入探討液晶顯示 器顯像之原理,一方面運用人因工程、可靠度工程、以及機器視覺強化影像瑕疵 之檢測能力,另一方面針對顯示不均之瑕疵運用機器視覺來輔助人工視覺之判 定,其以輝度計量測出輝度值後,運用變異數分析及指數加權移動平均管制圖來 偵測液晶顯示器是否有顯示不均之不良現象。游國清[4]針對 LCD 板子上的定位 標記進行影像擷取與位置偏移的分析,提出整個系統架構並說明標記定位達成之 流程及方法。藉由型態濾波(Morphological Filter)將標記雜訊去除,以避免過多的 雜訊干擾。其提出不同的標記偏移量計算法則,可適應多種形狀的標記計算能力 且能克服標記重疊時無法計算的困擾。曾彥馨[5]針對 TFT-LCD 面板之微觀瑕疵 (Micro-Defect)進行偵測,瑕疵包括配向膜孔洞(PI Pinhole)、指觸(Finger Touch)、

粉塵(Particle)污染與 TFT 面板刮痕。由於 TFT 面板表面是由垂直的信號線(Data Lines)與水平的閘線(Gate Lines)所構成之規律結構紋路,因此利用傅立葉影像轉

(29)

換(Fourier Transform)與反傅立葉影像還原技術,搭配所設定之限制條件,可順利 將 TFT 面板之規律紋路特徵去除,只留下瑕疵區域資訊,接著利用統計管制界 線法突顯瑕疵以達到瑕疵偵測之目的,最後再利用偵測所得瑕疵之幾何特徵做進 一步的分類。

邱學源[6]針對導光板之刮痕、流痕、亮點與黑點等瑕疵進行檢測與分類。

該研究也是利用傅立葉分析技術,先消除導光板中規律的紋路,其次運用 Ostu 二值化法突顯瑕疵,最後再將瑕疵之面積、斜率變異量、長寬比、及最小平方誤 差等特徵值代入類神經網路,並結合二值化之門檻值以進行瑕疵的分類。蔡英男 [7]針對偏光膜(Polarizing Film)之色差(包括條狀、雲狀、與點狀)、刮痕、及貼合 不良等瑕疵做檢測。該研究利用中值濾波將雜訊濾除,然後透過區域成長法 (Region Growing Method)將瑕疵影像分割,並利用 Laplacian 邊界偵測子進行邊 緣偵測,最後再根據瑕疵之平均亮度、面積、周長、及標準差等幾何特徵,使用 倒傳遞類神經網路進行分類。趙新民[8、9]採用非線性擴散(Nonlinear Diffusion) 法對ITO(Indium Tin Oxide)導電玻璃表面進行瑕疵檢測,利用灰階梯度(Gradient) 之資訊,對影像中不同梯度之部份進行不同程度之擴散處理。所謂擴散處理即是 對影像中梯度較低之背景紋路進行平滑,而對梯度較高之瑕疵邊緣抑制其平滑。

結果顯示可有效地將背景紋路濾除,並同時保留瑕疵原有之輪廓。

陳志忠[10]將液晶顯示器面板劃分為 25 個區域,並分別計算每個區域之平 均亮度,再藉由統計各區域亮度的均一性以判別整個面板的亮度是否均勻。對於 像素點的缺陷(Dot Defect)則是計算影像二值化後之亮、暗像素點數目作為瑕疵判 斷的標準。洪崇祐[11]針對 TFT-LCD 面板中人眼不易觀察之微觀瑕疵,包括指 觸、粉塵、配向膜孔洞與刮痕做檢測。利用模擬線掃描之方式取得TFT-LCD 面 板之一維掃描影像進行微觀瑕疵的偵測。由於 TFT 面板表面是由垂直信號線與 水平閘線之規律紋路所構成,其使用一維傅立葉影像轉換(1D Fourier Transform)

與反傅立葉影像還原技術,可將 TFT 面板之規律紋路加以濾除,再經過統計管 制界限法突顯瑕疵達到瑕疵偵測目的。此外,針對影像受光不均的情形提出全尺

(30)

寸小波轉換方式可將受光不均的影響降低。

Kurumisawa 等人[12、13]提出評估 LCD 亮度均勻性之標準。藉由比較亮度 梯度及亮度差異對於人眼觀察LCD 亮度均勻性的影響。實驗結果指出亮度梯度 (Brightness Gradient)是判斷 LCD 亮度均勻性的重要關鍵。Nakashima[14]針對液 晶顯示器彩色濾光片之微觀瑕疵(Micro-defect)進行檢測,其使用影像相減(Image subtraction) 與 傅 立 葉 濾 波 器 (Fourie filtering) 兩 種 方 式 偵 測 瑕 疵 。 針 對 SIRO-NUKE、Black matrix hole、Particle、Black matrix pattern defect、Color filter defect 五種瑕疵使用影像相減法做檢測;Grain、Hole on ITO film、Particle 三種 瑕疵則是使用傅立葉濾波器搭配He-Ne 雷射做檢測。Kim 等人[15]利用 Line-Scan Camera 搭配 DSP(Digital Signal Processors)的平行處理方式來達到檢測薄膜電晶 體液晶顯示器時的高解析度與高檢測速度。Lin 等人[16]針對 LCD 之背光模組進 行 亮 度 均 勻 度 的 檢 測 , 首 先 對 導 光 板 之 亮 點(Bright Spot) 利 用 包覆演 算 法 (Wrapping Algorithm)進行亮度均勻性的檢測,再針對貼附擴散片之背光模組進行 亮度均勻度量測以驗證其檢測結果,實驗結果顯示當光源密度調整時,檢測誤差 可保持在3%以內。

Shimizu 等人[17]針對 LCD 面板中的異物(Foreign Material)做偵測,包括玻 璃微粒(Glass Particle)、化學纖維(Chemical Fiber)、樹脂微粒(Resin Particle)及空 氣氣泡(Air Bubble)等。利用 Fan-Beam 雷射光掃描整個 LCD 的表面獲得一系列 的Light-Section 時間序列(Time-Series)影像。利用這些影像可對特定深度及內部 的異物做偵測。目的是找出上下偏光膜(Polarizing Film)與玻璃板(Glass sheet)間 的瑕疵。至於瑕疵的判定則是利用亮度(Brightness)、外形(Shape)、及表面面積 (Surface area)做判斷,並藉以區分瑕疵的類型。其針對 200 個 LCD 樣本進行實 驗,其中100 個為良品另一 100 個是瑕疵品。針對良品之偵測錯誤率為 1%(即將 好的判斷為壞的),對於瑕疵品之檢出率為 95%。

Kandpal[18]藉由量測通過針孔(Pinhole)分隔物干涉邊緣(Interference Fringes) 的可見度來測定擴散片表面的平均粗糙度。Ai 等人[19]提出以數位影像為基礎之

(31)

陶瓷玻璃表面瑕疵偵測方法,並對Pit Defect 與 spot-like defect 做偵測,其使用 HSV space 色彩系統中的 V 分量作為瑕疵偵測之灰階影像,並選用適當的閥值做 影像二值化,再利用Markov Random Field Models 偵測瑕疵。Aguas 等人[20]針 對透明及半透明薄膜的厚度與均勻性做評估,藉由彩色掃描機(Colour Scanner) 紀錄影像資訊,由於不同光線波長之光源造成結構上的干涉(如薄膜厚度與折射 率之函數),因此其利用色彩的差異與光折射率等性質對薄膜厚度與均勻性做評 估。

Vujovic 與 Brzakovic[21]針對不同時間所取得的乳房 X 光影像(Mammogram) 做註記(Registration),其使用先前取得的 Mammogram 當作參考影像,再以新取 得的 Mammogram 當作比對影像。註記時先將 Mammogram 做高斯濾波平滑處 理,接著利用修正式單調運算子(Modified Monotony Operator)將 Mammogram 中 水平及垂直的細長組織抽取出來作為特徵(例如:血管或導管)。特徵匹配則是利 用水平及垂直細長組織之交點作為控制點,再依據控制點間的相對位置以及控制 點與參考點的相對位置建立配合對,以完成仿射空間轉換型式之影像註記。

林義堂[22]選用合適的步進馬達、編碼器、線掃描 CCD 攝影機、線性光源、

及影像擷取卡,配合輸送平台,建構完成一套以線掃描CCD 攝影機為基礎之機 器視覺檢測系統,可針對生產線上之待測物做即時的檢測。黃俊榮[23]整合 XY 平台控制、瞬間激發取像、LED 光源控制、影像處理、類神經網路彩色影像分 割、曲線搓合、尺寸量測、資料庫及多執行緒程式設計等相關技術,建構完成一 套適用於印刷電路板外觀尺寸量測之自動光學檢測系統,檢測一片18cm x 15cm 大小含有31 個特徵點之 PCB 基板只需 19 秒,平均檢測一個特徵約需 0.61 秒。

張信宏[24]針對 TFT-LCD 製程中所使用的自動光學檢查設備加以介紹,並 就目前的發展現況與未來可能的發展趨勢做探討,其中檢測設備包含設備架構、

視覺系統、設備平台及影像處理單元四部份,主要是由CCD Camera、光源、Review Camera、系統主機、系統主機螢幕、瑕疵檢查主機、瑕疵檢查主機螢幕與集線 器等元件構成,未來趨勢則是朝向高影像解析度、高檢測速度(TACK Time 在 60

(32)

秒內)、面板瑕疵影像儲存、瑕疵自動分類、周邊線路的檢出及瑕疵修補等方向 發展。

目前自動光學檢測設備主要的領導廠商有 Orbotech、Takano、Kubotek、V Technology...等,其中只有 Orbotech 是以色列公司,其他幾乎皆為日本廠商。

Orbotech 公司在 PCB(Printed Circuit Board)及 FPD(Flat Panel Display)兩項產業皆 居於領導地位,主要的產品有 SuperVision 系列(High-Sensitivity AOI)、InVision 系列(High-Speed In-Line Inspection)、FPI 系列(High-Sensitivity Micro Inspection)。

Takano 公司主要的產品有 TFT Inspection、CF Repair、Micro/Macro Review、

PS Height Measure、Sealant Profile Inspection…等。依據工研院 ITIS 的產業調查 資料得知其在CF 檢查機市場佔有率最高。

Kubotek 公司主要的產品有全自動 LCD 檢查裝置、LCD 配向膜檢查裝置、

PDP(Plasma Display Panel)、有機 EL 檢查裝置。該公司所研發之 TFT-LCD 自動 光學檢測設備可檢測1870 x 2200mm 大小的玻璃。

近年來,國內不斷投入資金與人力在研發 AOI 相關之機台,已有不錯的成 果,像是國內牧德科技所開發之 De-Flicker 自動檢測機可對 LCD 閃爍問題做出 自動量化檢測及調整,有效解決LCD 產業對於 Flicker 調整的困擾。致茂電子所 研發之 LCD 老化測試系統(2930 LCM OBS)可應用於長距離傳輸之老化測試系 統、生產線測試及多媒體展示應用等。東捷科技則針對 LCD 之彩色濾光片、

Array、Cell、Module 等製程開發相關之檢測設備,目前有關 LCD 之產品多達 18 種。

(33)

第三章 檢測系統架構

本研究規劃之機器視覺檢測系統可分為硬體架構與軟體架構兩部分。硬體方 面是由CCD(Charge Coupled Device)攝影機、影像擷取卡(Frame Grabber)、鏡頭 組(Lenses)、照明設備(Lighting Devices)、及個人電腦組成。軟體方面是利用 Borland C++ Builder 5.0 搭配 Matrox 公司所提供之影像處理函式庫(MIL, Matrox Imaging Library)及本實驗室所自行開發之基本影像處理函式庫來撰寫取像與檢 測之程式。本章節主要敘述整個系統的硬體架構,包含輸送平台控制、光源系統、

及影像的校正。

3.1 系統架構

由於擴散片的瑕疵種類繁多,大小也不盡相同,因此本研究依據瑕疵之大小 將瑕疵分成巨觀瑕疵(macro-defects)及微觀瑕疵(micro-defects)兩大類。巨觀瑕疵 由於其瑕疵面積較大,因此可擷取整個待測物的影像進行檢測。至於微觀瑕疵由 於其瑕疵面積較小,可將待測物分割為數個子區域做取像及檢測。

開始

結束 設定攝影機

擷取影像

校正

設定檢測參數

瑕疵偵測

檢測結束?

否 顯示檢測

結果

圖3.1 擴散片檢測流程

(34)

本論文針對巨觀瑕疵及微觀瑕疵分別使用線掃描與面掃描CCD 進行取像,

由於不同的類型的CCD 攝影機需搭配相對應的取像設備才可達到最佳的取像結 果,本研究藉由搭配不同的光源及打光方式期望擷取到最佳的影像以降低後續檢 測的困難度。圖3.1 所示為擴散片檢測流程,以下就流程圖中的各個步驟做說明。

I.

設定攝影機:

開始檢測前首先必需設定攝影機之快門速度、焦距、光圈、工作距離…等參 數。由於本論文使用面掃描與線掃描CCD 攝影機擷取影像,為了提升線掃描 CCD 動態取像時影像之清晰度與完整性,會依據平台之移動速度、CCD 取像速度搭 配適合的取像高度來擷取影像。取像高度的計算可參考圖 3.2。焦距、待測物件 寬度、工作距離、及感知器大小四者之關係如公式(3.1)所示。利用攝影機鏡頭之 焦距、物距、及像距之關係,即可求出攝影機所要架設的取像距離。

焦距

感知器大小

待測物件寬度 =工作距離

(3.1)

圖3.2 取像關係圖

II. 校正:

機器視覺中的校正是影像處理前最重要的步驟之一。一個未經校正的機器視 覺系統,它只能應用在物體輪廓以及外型的辨識上;而經過精確校正後的機器視

(35)

覺系統,才可應用在精密定位以及尺寸量測上。此步驟是用於確認攝影機之相關 參數設定是否符合要求,以便後續的影像處理工作。目前較常使用的校正方法有 下列三種:直接線性轉換法、模型校正法、及實物校正法。由於實物校正法之準 確度較其它兩者還高,因此本研究是採用實物校正法。詳細說明請見3.4 節。

III. 設定檢測參數:

一般而言,巨觀瑕疵之檢測方式係藉由檢測人員的主觀意識進行瑕疵的判 別,本研究針對巨觀瑕疵所設定之檢測參數係經由實驗求得。至於微觀瑕疵之檢 測參數則依據業界檢測的標準加以定義。圖3.3 為參數設定視窗。

圖3.3 參數設定視窗

(36)

IV. 擷取影像:

機器視覺處理的第一步,便是擷取一幅最佳的數位影像(Digit Image)。待測 物體經由黑白或是彩色CCD 攝影機的擷取後,再經由影像擷取卡把影像訊號轉 換為數位形式等候分析處理。取像時可依待測物體的大小,調整影像解析度至適 當的大小,以減少檢測所需時間。一般而言,面掃描與線掃描CCD 最大的不同 在於面掃描是以二維矩陣的方式一次擷取整個面的影像。而線掃描則是使用一維 矩陣的方式,依水平方向一列一列的掃描影像中的每個像素。藉由物體不斷的在 垂直方向移動,最後組成一個二維的影像。圖3.4 為線掃描與面掃描兩種掃描方 式之示意圖。

由於擴散片的光學特性是將光線均勻的擴散,因此取像時須注意擴散片的擺 放位置(即光澤面朝上或朝下),不同瑕疵之取像方式並不一定相同(表 3.1 所示),

圖 3.5 為擴散片之取像示意圖。圖 3.6 與圖 3.7 是針對塗佈不均與拉線瑕疵使用 背光照明的方式進行取像,取像時是將擴散片與背光光源間隔一段距離(48mm) 進行取像;圖3.8 與圖 3.9 則是直接將擴散片貼附於背光光源上進行取像。由取 像結果得知,使用背光光源對巨觀瑕疵進行取像,並無法獲得有效的影像。圖 3.10 為使用線掃描與面掃描 CCD 攝影機對塗佈不均瑕疵之取像結果。觀察得 知,線掃描 CCD 攝影機所擷取的影像光線分佈較均勻,這是由於線掃描 CCD 攝影機取像時光線只需均勻的打在掃描線所在之區域即可,反觀面掃描CCD 攝 影機則需將光線均勻打在整個掃描區域,掃描區域愈大打光愈不容易。有鑒於 此,本研究利用Line-Scan CCD 攝影機對巨觀瑕疵進行取像。

由於線掃描CCD 必需搭配輸送平台進行動態取像,因此取像方式會受到輸 送平台的影響。本研究初期曾嘗試以不同的打光方式進行取像,由於使用背光光 源對巨觀瑕疵進行取像,並無法獲得有效的影像,因此針對巨觀瑕疵是利用光源 側照的方式進行取像,光源入射角度為30∘(光源與法線的夾角),背景為黑色。

至於微觀瑕疵則無上述情形,因此可採用背光光源進行取像。研究過程中曾嘗試 使用黑色背景搭配光源側照的方式對微觀瑕疵進行取像,但由於微觀檢測區域範

(37)

圍較小,影像解析度較高,因此對於背景的要求也非常高,經實驗結果得知,微 觀瑕疵易受到背景不規則紋路的影響,導致無法獲得有效的瑕疵影像。此外,受 限於現有輸送平台之限制,導致無法使用線掃描CCD 攝影機搭配背光光源進行 動態取像,因此本研究是以面掃描CCD 攝影機搭配透光式檢驗燈箱作為微觀檢 測時之取像系統。

圖3.4 線掃描與面掃描之掃描方式

(a)巨觀檢測 (b)微觀檢測 圖3.5 擴散片之取像示意圖

(38)

(a)取像方式 (b)光澤面朝上 (c)光澤面朝下 圖3.6 使用背光光源對塗佈不均瑕疵進行取像

(a)取像方式 (b)光澤面朝上 (c)光澤面朝下 圖3.7 使用背光光源對拉線瑕疵進行取像

(a)取像方式 (b)光澤面朝上 (c)光澤面朝下 圖3.8 使用背光光源對塗佈不均瑕疵進行取像

(a)取像方式 (b)光澤面朝上 (c)光澤面朝下 圖3.9 使用背光光源對拉線瑕疵進行取像

(39)

(a)Line-Scan CCD 取像結果 (b)Area-Scan CCD 取像結果 圖3.10 線掃描與面掃描 CCD 攝影機之取像結果

表3.1 取像時擴散片之擺放方式

瑕疵類型 瑕疵名稱 擴散片之擺放方式

拉線 巨觀瑕疵

塗佈不均 白點

光澤面朝上

異物 針孔 缺角 漆不均 微觀瑕疵

尺寸不良

光澤面朝下

V. 瑕疵偵測:

依據光源照射方式、CCD 架設方式及物體特性可將影像區分為亮場檢測

(Bright Field Inspection)與暗場檢測(Dark Field Inspection)兩種。亮場檢測是 利用光反射的原理,CCD 架設的位置是在光反射的路徑上,當光線照射無瑕疵 存在之物體表面時,理論上CCD 會接受最多的光線,當有瑕疵存在時,瑕疵部 分的光線會散射而導致進入CCD 的光線較少,使得影像中瑕疵的部分較暗。暗 場檢測則是利用光線的散射原理,CCD 架設位置並不在光反射的路徑上,導致 光線無法進入CCD 中,造成影像呈現黑暗的狀態,然而當有瑕疵存在時,光線

(40)

會因其表面不平整而產生散射的情形,使得CCD 接收到光線,因此影像中瑕疵 的部分較亮。

本論文利用暗場檢測的原理,對擴散片進行取像及檢測,由於其瑕疵種類繁 多,且分佈的範圍有大也有小,因此本研究依據瑕疵的大小,將瑕疵檢測分成巨 觀瑕疵檢測及微觀瑕疵檢測兩種,各別之詳細檢測流程與方式將在第四章做說 明。

VI. 顯示檢測結果:

將檢測結果顯示於螢幕上以供線上檢測人員做比對用。

3.1.1

硬體設備

本研究使用之硬體設備是由線/面掃描CCD 攝影機、鏡頭組(Lenses)、影像 擷取卡(Frame Grabber)、光源系統(Lighting Devices)、平台式輸送帶、步進馬達 控制器、個人電腦等設備組成。各設備之規格及用途詳述如下:

‹ Line-Scan CCD 攝影機:採用 DALSA 公司型號 spyder2 S2-12-02K40-01E 之 線掃描CCD 攝影機。影像解析度可達 2048 個像素,像素大小(Pixel Size)為 14µm,資料傳輸(Data Rate)速率為 40MHz。

‹ Area-Scan CCD 攝影機:採用日本 JAI 公司型號 CV-M70 之級進式掃描 (Progressive scan)彩色 CCD 攝影機。該 CCD 之最高解析度為 659(H)X494(V) Pixels,影像輸出格式為 RGB 彩色影像。

‹ 輸送式平台:平台之材料為鋁擠型,規格為 800 (L) x 360 (W) x 110 (H)mm。

搭配之馬達採用2 相步進馬達,步進角為 1.8∘。減速機之減速比為 1/15。

平台是藉由個人電腦之 RS232 序列埠與步進馬達控制器連接,經由程式傳 送控制字串以驅動平台做等速移動,可用來模擬實際生產線之運作情形。

‹ 鏡頭組:搭配線掃描 CCD 使用之鏡頭是採用 Nikon 公司之 Micro-Nikkor

(41)

55mm f/2.8;搭配面掃描 CCD 使用之鏡頭為 Zoom 7000 型的可變焦巨觀鏡 頭,可變焦距的範圍為18mm~108mm。

‹ 個人電腦:本研究採用之電腦 CPU 為 Intel Pentium 4 3GHz,記憶體為 512MB。

‹ 照明設備:巨觀檢測用之光源為線形光纖光源,微觀檢測用之光源為透光式 檢驗燈箱,分別搭配線掃描與面掃描 CCD 進行取像。檢驗燈箱之大小為 525 (L) x 495 (W) x 122 (H)mm,發光範圍 490 (L) x 460 (W)mm,發光頻率 40KHz,色溫 5000K∘。

‹ 影像擷取卡:影像擷取卡的主要用途是將 CCD 所擷取之類比影像訊號轉換 成數位影像訊號以供電腦進行資料的存取或處理。本研究採用的影像擷取卡 為Matrox 公司生產之 Meteor-Ⅱ/Camera Link 及 Meteor-Ⅱ/Multi-Channel,

分別搭配線掃描與面掃描CCD 使用。

‹ 步進馬達控制器:由 Parker 公司之 OEM750X 驅動器來控制輸送平台。

‹ 照度計:本研究使用台灣泰仕公司生產之 TES-1339 專業級照度計來測量光 源強度,其測量範圍0.01~999900Lux,解析度為 0.01Lux,尺寸大小為 150 (L) x 70 (W) x 35 (H)mm,光感應器尺寸為 100 (L) x 60 (W) x 27 (H)mm。

圖3.11 巨觀檢測實驗設備

(42)

圖3.12 微觀檢測實驗設備

3.1.2

檢測系統軟體

在檢測軟體方面,本研究使用 Borland C++ Builder 5.0 作為軟體撰寫的工 具,並搭配Matrox 公司所發展的 MIL(Matrox Imaging Library)影像處理函式庫配 合影像擷取,以及本實驗室自行發展之影像處理函式庫,撰寫影像擷取及處理之 程式。

3.2 光源系統

光源系統在機器視覺檢測系統中佔有非常重要的地位。如何有效的打光,可 以決定整個系統的成敗。照明設計的基本準則是盡量讓所要檢測的物體特徵從背 景中突顯出來。目的是為了獲得一幅最佳的待測物影像,以簡化後續的影像處理 程序。

3.2.1

照明方式

一般來說,照明方式的分類可依據光源、攝影機及待測物三者間的幾何關係 做區分,大致上可歸類為前照式、背照式、及側照式三種,如圖3.13 所示。

(43)

1. 前照式 : 光源與攝影機在待測物的同側,光源的方向與待測物平面垂直。此 種照明方法可以得到待測物體表面特徵。

2. 背照式 : 光源與攝影機在待測物的兩側。此種照明方法可以使待測物產生對 比強烈的輪廓線。

3. 側照式 : 光源與攝影機在待測物的同側,但光源照射的方向與待測物平面並 非垂直。利用此種照明方法可以在待測物表面產生陰影,作為缺陷及瑕疵的 檢測用。

不同的照明方式必須搭配適合的檢測項目,才可達到事半功倍的效果。因 此,在選擇照明系統時,應該先仔細評估何種光源及照明方式最容易找出待測物 的特徵,以利後續的瑕疵判斷工作。

(a)前照式 (b)背照式 (c)側照式

圖3.13 光源照明方式

3.2.2

光源的種類與樣式

針對光源樣式(pattern),可依其照明特性分為點光源(Directional Light)、擴散 光(Diffuse Light)、背光源(Back Light)、環型光源(Fiber Optic Ring Light)、及偏極 化光源(Polarized Light)等數種。

不同種類的光源會產生不同的影像強化效果,因此光源的選擇應該視實際應 用的需求決定。此外,還需考慮到強度、光譜之範圍、顏色之多寡、以及穩定性。

以下所列為常見的光源包括雷射光(Laser)、螢光燈、紫外線(Ultraviolet Light)、

(44)

白熱光(Incandescent Light)、發光二極體(Led)及攝影用閃光燈(Strobe Light)等。

本論文針對巨觀檢測與微觀檢測使用不同的取像方式,因此在光源選用與打 光方式上皆有所不同,以下將說明線掃描與面掃描CCD 攝影機對於光線的要求。

線掃描 CCD 攝影機和面掃描 CCD 攝影機最大的不同在於影像擷取時一次 只取一條線而非整個面。由於取像的方式不同,打光方式也有所差異,線掃描 CCD 攝影機只需針對掃描線附近的區域均勻打光即可,反觀面掃描 CCD 攝影機 則需將整個掃描面均勻的打光。基於上述原因,本研究使用線形光纖光源作為巨 觀檢測用之光源系統,至於微觀檢測則搭配透光式檢驗燈箱作為檢測用之光源。

3.3 平台控制

本研究中平台之移動速度及距離是由步進馬達控制器控制。電腦與步進馬達 驅動器是透過 RS232 做連接,當 RS232 之通訊協定設定完成後,即可藉由電 腦傳送相關之控制指令給步進馬達控制器控制馬達作動。本研究所使用之馬達控 制器為 Parker 公司所生產之OEM750X微步進驅動器。此控制器所提供的指令相 當多,在此僅列出一些常用之指令(表3.2)。表3.3與表3.4為驅動器控制步進馬達 移動範例。

表3.2 驅動器指令說明表

指令 代表意思 單位 範圍 預設值

A 加速度 0.01-999 100

D 移動步數 steps ±2,147,483,648 25000

G 執行 N/A N/A None

H 旋轉方向 N/A + or - +

L 迴圈 number of loops 0-65,535 None

MC 連續模式 N/A N/A Inactive

MN 一般模式 N/A N/A Active

N 迴圈結束 N/A N/A N/A

S 停止轉動 N/A N/A N/A

V 速度 0.01-50 1

sec2

/ revs

sec /

rev

(45)

表3.3 驅動器控制步進馬達移動範例一

設定步驟 驅動器指令 代表意義

Step1 MN 設定為一般模式

Step2 A10 設定加速度為10

revs

/sec2 Step3 V10 設定速度為10rev/sec Step4 D2000 設定馬達轉動之步數為2000 步 Step5 H+ 設定馬達為順時針方向旋轉

Step6 G 執行

表3.4 驅動器控制步進馬達移動範例二

設定步驟 驅動器指令 代表意義

Step1 MC 設定為連續模式

Step2 A10 設定加速度為10

revs

/sec2 Step3 V10 設定速度為10rev/sec Step4 H+ 設定馬達為順時針方向旋轉

Step5 G 執行

範例一顯示當馬達旋轉至指定步數(2000 步)後即自動停止,但如果馬達 設定為連續運轉模式時,必須下達一停止指令(S),馬達才會停止轉動。

該驅動器對於速度的設定是以nV 來代表,其中 n 表示每秒鐘馬達旋轉的圈 數。換句話說,當速度設為1V 時,馬達之轉速為每秒鐘轉 1 圈(即轉速為 60rpm), 至於滾輪軸經過減速機的減速後(減速比 1/15),其轉速為 4rpm。

為了驗證平台移動速度與馬達旋轉兩者間之關係。本研究是以實驗的方式,

記錄平台在驅動器之每一個設定值下所移動之速度。作法是記錄在每一個速度設 定值下,輸送帶移動700mm 所需花費之秒數,接著再將移動距離除以所花費的 時間即可得到平台之移動速。實驗結果如表3.5 所示:

(46)

表3.5 驅動器設定值與平台移動速度對照表 驅動器設定值 平台移動速度(mm/s)

1V 12.22 2V 23.57 3V 36.67 4V 47.14 5V 60.00 6V 71.26 7V 84.58

3.4 影像校正

在機器視覺中,影像是透過光學系統成像在攝影機的感測晶片上,此時會有 兩個不同的座標系統存在,一個為攝影機的影像座標系統( Image Coordinates System );另一個則是待測物體之空間座標系統( Spatial Coordinates System )。數 位影像在進行各種運算及處理時,是以像素( Pixel )為基本單位,而各像素點在 空間中所代表的實際尺寸會隨著鏡頭之放大倍率不同而有所改變。因此,為了求 得影像中各像素所代表的實際尺寸,必須在量測前建立影像座標系統與空間座標 系統間的座標轉換關係。

3.4.1

校正方法

機器視覺中的校正是影像處理前最重要的步驟之一。一個未經校正的機器視 覺系統,只能應用在物體輪廓以及外型的辨識上;而經過精確校正後的機器視覺 系統,才可應用在精密定位以及尺寸量測上。影像校正( Image Calibration )主要 目的是建立影像座標系統與待測物體所在空間座標系統之間的轉換關係,亦即求 出影像座標系統之基本像素( pixel )單位與待測物體所在空間座標系統之基本單 位( mm )的換算。目前較常使用的校正方法有下列三種:

(47)

1. 直接線性轉換法:此法之原理最為簡單且最為容易實現,其缺點是在校正時 並未考慮到攝影機鏡頭的扭曲現象,因此校正所得的精確度有限,誤差通常 達到數個像素。

2. 模型校正法:此法必須先建立一套極為複雜的攝影機系統模型以進行校正。

所需校正的項目包括內部參數( Intrinsic Calibration )及外部參數( Extrinsic Calibration )。內部參數主要是找出與攝影機內部幾何相關的參數,包括影像 中心的位置( Location of the Image Center )、攝影機常數( Camera Constant )、

縮放因子( Scale Factor )、鏡頭扭曲常數( Lens Distortion Coefficient )、及像 素壓縮比( Pixel Aspect Ratio );外部參數則是要找出與攝影機座標系統與待 測物體所在的世界座標系統之間的空間關係,包括位置與方向。

3. 實物校正法:此法是利用已知大小的物體來進行校正。首先,擷取已知大小 的標準影像,再依據擷取所得之影像,計算出攝影機與物體所在平面的空間 關係及影像之單位像素( pixel )所代表的實際長度( mm ),此法之準確度相當 高。

由於實物校正法兼具方便性及精確度兩項優點,本研究採用實物校正法做校 正。利用具有標準圓形圖案之標準片進行校正,由於標準片上的標準圖形尺寸為 已知,校正時只需將校正圖形之標準尺寸除以量測所得之影像寬度( pixels ),即 可求出影像座標系統與待測物體所在世界座標系統間的比例因子。藉由比例因子 即可對影像中的物體進行尺寸量測。

3.4.2

校正步驟

影像校正之流程如圖 3.14 所示。首先啟動 CCD 並放置校正片於取像平台 上,再擷取校正片上用來校正之圓形圖案(圖 3.15);透過影像分割、邊界偵測、

曲線逼近等處理程序,可求得校正片之圓形物件的尺寸(以 pixel 為單位);使用 者可選擇欲用來校正之圖形,並輸入標準尺寸進行換算,由於校正片中物體的實

(48)

際尺寸為已知,計算所得之結果即為所需的比例因子(圖 3.16)。

開始

結束 啟動CCD擷取

影像

影像分割

邊界偵測 圓形校正片

選擇圓形物體並 輸入其實際尺寸

最小平方法求取 圓之直徑(Pixels)

計算比例因子

圖3.14 影像校正流程圖

(a)圓形 (b)矩形 圖3.15 標準校正片影像

(49)

(a) (b)

(c) (d) 圖3.16 影像校正操作流程:(a)校正片原始影像;(b)(a)經影像分割及邊界偵測後

的影像;(c)框選欲用來校正之影像;(d)校正後的結果

3.4.3

圓形逼近法

利用圓形逼近法可求出圓形物件之尺寸大小,並將圓心的位置找出。常用的 圓及圓弧之逼近法有修正式三點定圓法、最小平方法、及霍氏轉換這三種方法。

三點定圓法是從邊界點中任選三個點的方式以決定圓的尺寸,此方法相當的簡單 快速,但缺點是容易受到雜訊的干擾,導致選擇的資料點並非在真正的圓周上,

因此容易找到錯誤的圓。最小平方法則是將所有邊界點納入計算,所得到的結果 相當精確,因此本研究是使用最小平方法對圓形物件進行尺寸的計算,其方法及 步驟如下所示:

對一個半徑為 r ,圓心在( k

h

, )的圓而言,其圓方程式可以下式表示:

(50)

(

x

h

)2 +(

y

k

)2 =

r

2 (3.2) 將其展開並化簡後可得:

x

2 +

y

2 −2

xh

−2

yk

+

h

2 +

k

2 =

r

2 (3.3) 令

h

2 +

k

2

r

2 =

p

,代入上式中得到:

x

2 +

y

2 −2

xh

−2

yk

+

p

=0 (3.4) 因此,將任何一個邊界點座標(

x

i,

y

i),

i

=1,2,3...,

n

,代入上式中,可得到該 邊界點與圓之實際位置的誤差量:

E

vi =

x

i2 +

y

i2 −2

x

i

h

−2

y

i

k

+

p

(3.5) 而使用最小平方誤差法的目的就是要找出一個圓,讓每一個邊界點與該圓之 誤差量的平方和為最小,也就是使(3.6)式為最小。

=

+

− +

= n

i

i i i

i

y x h y k p

x E

1

2 2

2 2

) 2

2 v (

(3.6) 因此令

E

vi2

hk、 p 這三個變數進行偏微分之後等於零:

0

2

∂ =

h Ev

; 0

2

∂ =

k Ev

; 0

2

∂ =

p E

v

(3.7)

將(3.6)式代入(3.7)式可得:

⎪⎪

⎪⎪

=

× +

− +

=

× +

− +

=

× +

− +

=

=

=

n

i

i i i i n

i

i i

i i i n

i

i i

i i i

p k y h x y x

y p

k y h x y x

x p

k y h x y x

1

2 2 1

2 2 1

2 2

0 ) 1 ( ) 2

2 (

2

0 ) 2 ( ) 2

2 (

2

0 ) 2 ( ) 2

2 (

2

(3.8)

經由展開與整理後可得:

⎪⎪

⎪⎪⎨

+

=

− +

+

=

− +

+

=

− +

∑ ∑ ∑ ∑

∑ ∑ ∑ ∑

) (

2 2

) (

2 2

) (

2 2

2 2

3 2

2

2 3 2

i i i

i

i i i i

i i

i

i i i i

i i i

y x np

y k x h

y y x y

p y k y x h

y x x x

p y x k x h

(3.9)

將(3.9)式重新整理並表示成矩陣的形式:

Figure

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References

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