基于三維信息分析的表面質(zhì)量檢測技術(shù)提升視覺質(zhì)量檢測儀的性能

三維信息與表面質(zhì)量檢測

表面質(zhì)量檢測，對于工業(yè)品質(zhì)量控制有著極為重要的意義，也是公司視覺與圖像系統(tǒng)事業(yè)部多年來專注和聚焦的戰(zhàn)略方向。對于表面質(zhì)量檢測，大量的缺陷其物理表現(xiàn)都是表面圖案的改變，如印刷品的疵點(diǎn)、PCB的短路斷路、LCD屏的色斑輝點(diǎn)，檢測這些缺陷最經(jīng)典的方法是通過拍攝的表面圖像進(jìn)行分析。這種通過平面圖像信息進(jìn)行缺陷判定是傳統(tǒng)表面質(zhì)量視覺檢測技術(shù)的方法。但是，僅僅局限于二維信息進(jìn)行質(zhì)量分析，并不能完全滿足產(chǎn)品、工藝的檢測要求。在工業(yè)品表面質(zhì)量檢測中，存在一些對3D信息要求的典型應(yīng)用場景：

①表面質(zhì)量檢測中，有一類缺陷是在深度上的變化，如印刷品的劃傷、電子產(chǎn)品的表面劃痕、PCB的導(dǎo)線凹陷等等，而PCB的多銅（短路、銅渣等）和缺銅（斷路、針孔、缺口等）其實(shí)也是在深度上有變化。對于深度缺陷，一類檢測方式是通過光源的設(shè)計(jì)，增強(qiáng)或削弱其在圖像中表現(xiàn)，這樣將后序的處理納入傳統(tǒng)表面圖像檢測的流程。一類方法是設(shè)法測得深度變化的具體值，即進(jìn)行表面深度測量；

在某些質(zhì)量檢測場合，產(chǎn)品表面的3D形狀尺寸本身就是質(zhì)量判決的要求和依據(jù)。典型的如表面貼裝、錫膏厚度、產(chǎn)品外觀裝配尺寸等；

有時(shí)候我們需要深度信息來幫助判斷，最典型的是LCD檢測中，隔著0.2mm~0.7mm的玻璃，在其上的是可以清除的灰塵，在其下的是真實(shí)缺陷。

三維測量，是當(dāng)前熱門的重大技術(shù)方向，廣泛應(yīng)用于工業(yè)制造、逆向工程與3D打印、影視特技、虛擬現(xiàn)實(shí)、仿真、文物保護(hù)、醫(yī)學(xué)、公安和國家安全等諸多領(lǐng)域，而在表面質(zhì)量檢測中，將信息從平面圖像信息拓展到三維信息有特殊的價(jià)值和意義：

獲得深度的具體數(shù)值，便于設(shè)置不同的門限以適應(yīng)生產(chǎn)的要求；

部分工藝是需要獲得深度準(zhǔn)確值的，如PCB中的盲孔檢測；

深度特征穩(wěn)定性好。如在PCB檢測中，深度特征不易受氧化的影響，極大地●有利于減少誤報(bào)；

深度特征在一些應(yīng)用條件下好壞品區(qū)分度好，可能遠(yuǎn)優(yōu)于平面圖像特征；

某些深度缺陷很難通過光源的設(shè)計(jì)在平面圖像中進(jìn)行表現(xiàn)；

深度的數(shù)值測量有極大的應(yīng)用拓展前景。

表面質(zhì)量檢測中對于三維測量的特殊要求

不同的應(yīng)用場合對于三維測量技術(shù)的要求和工作模式有很大區(qū)別，對于表面質(zhì)量檢測，從需求和約束上看，對三維測量有其自身的要求：

需要對一個(gè)基本平整的表面上進(jìn)行；

深度基本沿法表面法向變化；

深度變化較小，很多在10微米量級，基本范圍在1微米~2000微米之間，深度變化與被測表面尺度的比值非常??；

深度變化區(qū)域的徑深（高）比可能較大，也即是存在部分“井”或“塔”的模式。

深度測量精度要求高，一般在5~10微米的精度；

采樣密度要求高，在被測表面上采樣較密；表

面存在多樣化的反射特性；

這種問題一般性地表述為對一個(gè)平面上的微小起伏的測量。

常用于質(zhì)量檢測的三維測量技術(shù)

深度測量及與其密切相關(guān)的三維測量，是一個(gè)龐大的技術(shù)領(lǐng)域，有機(jī)械、電子、光學(xué)、計(jì)算機(jī)視覺等多種方法，以適應(yīng)不同的應(yīng)用需要。

當(dāng)前本領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的最顯著特點(diǎn)是大量技術(shù)從早前的研究而進(jìn)入了實(shí)用化和產(chǎn)品化甚至模塊化階段。大量的三維測量儀器出現(xiàn)在市場上，得到越來越廣泛的應(yīng)用。

接觸法

接觸法用可以精確定位的探針去逐點(diǎn)接觸物體表面，測得被接觸點(diǎn)的空間坐標(biāo)。探針在物體表面掃描一遍，可以得到物體表面各點(diǎn)的坐標(biāo)。傳統(tǒng)的三坐標(biāo)測量機(jī)就是基于這一原理。這種方法原理簡單，量測精度高，但裝置復(fù)雜，量測速度慢。

需要特別注意的是，將結(jié)構(gòu)光或多目視覺模組安裝在三坐標(biāo)或關(guān)節(jié)臂上，可實(shí)現(xiàn)多方位掃描測量，解決物體表面形狀復(fù)雜帶來的遮擋問題，這種模式是當(dāng)前在技術(shù)原理上最為成功和實(shí)用的三維圖像獲取方法。

ТОF

飛行時(shí)間法（Time of Flight，簡稱TOF）。這類方法由測距器主動(dòng)向被測物體表面發(fā)射探測信號，信號遇到物體表面反射回來，測量信號的飛行時(shí)間或相位變化，可以推算出信號飛行距離，從而得到物體表面的空間位置信息。其最大優(yōu)點(diǎn)是遮擋小，受反射特性影響小。這種經(jīng)典的方法經(jīng)過多年發(fā)展已有成熟的面陣探測陣列-TOF相機(jī)產(chǎn)品面世。

共焦法

根據(jù)高斯薄透鏡公式，已知焦距和像距，可以計(jì)算出物體到透鏡的距離，移動(dòng)透鏡，通過判斷聚焦情況，可以得到曲面表面形貌的信息，如根據(jù)在不同的透鏡位置圖像中尋找最佳聚焦點(diǎn)可以勾勒出物體表面等高線。

作為共焦法的改進(jìn)，近年發(fā)展了光譜共焦式深度傳感器。探頭由光源和特殊的光學(xué)透鏡組構(gòu)成。透鏡組將光源發(fā)出的多色平行光（白光）進(jìn)行光譜分光，形成一系列波長不同的單色光，同時(shí)再將其同軸聚焦。由此在有效量程范圍內(nèi)形成了一個(gè)焦點(diǎn)組：每一個(gè)單色光波長的焦點(diǎn)都對應(yīng)一個(gè)軸向位置。在被測物體表面上聚焦的單色光又被反射回到傳感器的控制器，利用控制器內(nèi)的光譜分析儀確定該反射光的波長，從而確定被測表面的相對高程位置。這種方法理論上對深度測量的精度可以達(dá)到的光波長量級。基于該原理已發(fā)展出成熟的產(chǎn)品。

計(jì)算機(jī)視覺方法（雙目/多目視覺、結(jié)構(gòu)光/編碼光、計(jì)算攝像學(xué)等）

基于計(jì)算機(jī)視覺的方法是三維測量最經(jīng)典也是最常用的方法。

近年來出現(xiàn)了大量基于雙目/多目視覺、結(jié)構(gòu)光/編碼光原理的3D相機(jī)，使得這一技術(shù)走向廣泛應(yīng)用。而以計(jì)算攝像學(xué)為代表的新原理新技術(shù)，也開始在三維測量領(lǐng)域嶄露頭角。

幾種技術(shù)的比較

盡管有大量的三維測量方法和成熟產(chǎn)品，但在表面檢測應(yīng)用中，受精度要求和應(yīng)用條件的限制，仍不存在完全令人滿意的方法，需要根據(jù)具體情況進(jìn)行選擇。表面檢測應(yīng)用對于三維測量技術(shù)最大的挑戰(zhàn)表現(xiàn)在精度、速度和表面特性的影響。

共焦法精度高，但基本只能用于單點(diǎn)測量和核查。結(jié)構(gòu)光和多目視覺的方法面臨的最大困擾是被測對象表面特性的影響，如拋光/鏡面易令結(jié)構(gòu)光法失效，而許多被測產(chǎn)品表面可做為匹配點(diǎn)的紋理匱乏則令雙目、多目設(shè)備無法工作。從精度來說，不同的技術(shù)存在著理論和工程上限。下圖表示了目前幾種典型的非接觸測量方法的精度范圍。

基于三維測量和基于三維信息分析的表面質(zhì)量檢測技術(shù)，是對于傳統(tǒng)表面質(zhì)量視覺檢測的重要補(bǔ)充，并將成為表面質(zhì)量檢測的重要方向。目前仍不存在滿足各種表面檢測要求的通用三維測量技術(shù)。充分應(yīng)用三維測量技術(shù)和器件發(fā)展的成果，并基于應(yīng)用要求和工藝特點(diǎn)，改進(jìn)和發(fā)展相關(guān)技術(shù)，將滿足日益發(fā)展的檢測要求，有可能極大提升視覺質(zhì)量檢測儀的性能，甚至形成代差性的競爭優(yōu)勢，應(yīng)做為表面檢測領(lǐng)域必須高度重視的技術(shù)方向。

審核編輯：郭婷