微型彩色共焦探头模组设计-AOIEA自动光学检测设备联盟-工业技术.PDF

微型彩色共焦探頭模組設計 張奕威 Abraham Mario Tapilouw 工業技術研究院 量測中心 工業技術研究院 量測中心 yiweichang@itri.org.tw Mario@itri.org.tw 摘要 近年來汽車、機車與自行車等工業零件的複雜度不斷提升，零組件的製作與加工比以往複雜且精密， 於零組件上可能同時有直線、曲線、深孔與凹槽等多種特徵需要進行檢測 。由於目前的三維形貌量測 機台大多屬於桌上型的量測系統，其系統體積與可量測範圍皆有限制，對於機械工件的檢測並不適用， 迄今工廠都派遣人工來翻轉工件再進行檢視分辨零組件的瑕疵與缺陷。因此，本研究將以彩色共焦顯 微術的高精度光學量測架構作為主軸進行系統微型化，同時搭配硬體效能提升光譜儀運算處理，使量 測成為可攜帶式探頭，藉此可結合多自由度移動的機械手臂來達成自動化高精度且高重複性的多樣形 貌特徵的待測物體形貌量測 。 關鍵字：彩色共焦顯微術 、三維形貌量測 、光譜儀 壹、前言 近年來由於各種產業之興起，生產製造的流程與速度越來越複雜且快速，各項產品的品管開始仰賴自 動化的方式進行檢測，既能提升品管速度也能減少人力成本的負擔。不只半導體、電子產業的 PCB 、 BGA 與晶圓鏡面研磨的特徵與瑕疵辨識是需要以自動化的光學檢測設備，連同機械工具與自動化機 械產業的零件尺寸、外形、瑕疵檢測、加工定位、熔焊檢測、鋼板尺寸檢測、表面瑕疵檢測與鑄件瑕 疵檢測也都需要以自動化的光學檢測設備來進行品質確認[1] 。以3D 形貌量測應用而言，光學量測系 統只透過的X 、Y 與Z 三軸移動進行量測，只能得到單一方向的 3D 形貌，並無法量測到複雜形狀的 完整輪廓。在機械加工領域中，機械零組件具有形狀多樣化的特性，不但有非平面曲線焊接、深螺孔 與精密研磨，還有許多地方具有細微的 3D 結構都需要進行檢測與評估 。機械零組件多變化性的形貌 特徵不但使自動化生產技術變得非常複雜，連帶檢測方式都變成非常困難，如圖 1 所示[2] 。因此， 為了能夠靈活的進行量測，系統的微型化將是重要的發展，本研究提出結合微型彩色共焦探頭、光譜 儀、LED 燈源與 FPGA 硬體單元構成一組微型化量測探頭，能夠讓機器手臂來夾持量測系統進行檢 測 。憑藉著機械手臂多自由度的靈活移動能力，讓量測探頭繞著待測物形貌靈活地改變量測位置，達 成多樣性特徵的形貌參數檢測。 圖1 汽車、機車與自行車等機械零組件之檢測需求 貳、研究方法 針對在複雜形貌的 3D 精密量測，彩色共焦顯微術是適合發展與使用的技術 ，其特性為可進行即時形 貌量測 ，量測時不須停留能快速地進行移動檢測，適合搭配機械手臂進行複雜形貌的特徵量測。彩色 共焦顯微術是以同軸架構的形式來量測，是透過物體反射光的波長訊號計算出高度資訊，其基本系統 架構如圖2 所示 ，彩色共焦量測原理是經過鏡片曲率、厚度與折射率的特殊搭配組合進而產生光學軸 1 論文全文請參考論文集光碟 向色散現象 ，其效果能使得各個可見光的波長聚焦到不同的深度位置，產生一段可供量測使用的景深 範圍，稱為軸向色散範圍 ；當待測物體置放於景深範圍中，物體表面反射的光源將會由彩色共焦模組 讓光源回到耦合光纖中，再由光譜儀來進行接收與分析物體表面反射光源的光譜成分 ，而根據反射光 的波長訊號就能計算待測物高度[3,4,5] 。 圖2 彩色共焦顯微術系統架構與量測系統深度與光譜資訊校正曲線 本研究為了使系統微型化，因而結合微型化彩色共焦模組 、LED 燈與光譜儀進行量測探頭設計，系統 架構如圖3 所示。系統為減小體積因而將彩色共焦模組微小化 ，光源部分由二合一耦合光纖連接LED 燈源，並由光纖將反射光訊號傳送至反射式光譜儀光路來分離光譜資訊 ，最後透過FPGA 硬體單元分 析光譜資訊來得到目前量測的高度資訊 。因此 ，探頭系統量測時不需要進行垂直掃描就可以即時從光 譜訊號求出高度資訊 ，最後由USB 傳輸介面將資訊傳後到後端電腦進行形貌分析與顯示 。微型化