2018年2月26日

自動化光學檢測技術

范光照/臺大機械系名譽教授,臺灣精密工程學會常務理事,臺灣自動化光學檢測設備聯盟第一任副會長。



隨著高科技競爭越趨激烈,產品與科技的生命週期縮短是必然的趨勢。當廠商面臨既有科技越發成熟、新科技快速交替的威脅時,唯有不斷推陳出新、才能在激烈競爭中謀求立足之地。

自1990 年來,因高科技新興產業如半導體、印刷電路板、平面顯示器、微奈米機電、光電、能源、精密機械等的興起,帶動許多3C、新能源與智慧產品問市,如手機、手提電腦、平板電視機、太陽能面板、智慧車等。這些新興產品的市場需求龐大,所有內部零組件的生產速度已非傳統人為檢測的方式能夠勝任,任何零組件的瑕疵都會造成產品功能不良,因此不論產量有多大、都要求要做到100% 的全檢。自動化光學檢測(Automated Optical Inspection, AOI)設備的產業隨上述各新興產業的需求興起,早期AOI 設備都來自進口,其價格昂貴卻又不得不買。

在經濟部及學研單位的推動下,臺灣產商於2000 年開始意識到AOI 設備自製的重要性,也逐漸投入研發。不過,新興產業的製程技術永遠快於檢測技術,除國內必須加快AOI 快速化、精密化、智慧化的關鍵技術研發,人力的需求也不斷增加,而人才培育的速度及機構仍然不足,故目前亟需加速產學合作創新研發的腳步。

AOI 設備的產業時代顯然已經來臨,臺灣目前發展現況與未來方向如下:第一,AOI 使用廠商如國內的台積電、友達、欣興電子等,目前尚屬離線式抽檢,不影響線上製程。雖說新興產業少不了它,但價格昂貴、絕大部分來自進口,以及維護更新不易等是目前的缺點。第二,AOI 生產廠商如國內的德律科技、盟立自動化、致茂科技等,需進入光– 機– 電– 資訊整合技術門檻,產品量少樣多且附加價值高,但人才取得不易。其三為AOI 的法人研究單位如工研院、金屬中心等,需要跨領域整合開發關鍵技術,選擇市場導向的研究主題。最後則是如各大學的AOI 學術單位需具有影像處理研發與培育人才的能力,並推動產學合作以了解實務問題。

自動化光學檢測的範圍
廣義的AOI設備為結合光學感測系統、訊號處理系統與分析軟體,及自動化系統,如:太空計畫的宇宙探測、生物醫學的X 射線斷層掃瞄、機器人、無人駕駛汽車、指紋比對、字形辨認(筆跡)、人像比對、文件識別、工業生產的品質檢測、數位博物館的典藏文物、虛擬實景等皆為此類設備的應用面,而狹義的AOI 設備為目前急需於工業上使用的檢測設備,如表一。

表一:目前急需於工業上使用的檢測設備。


自動化光學檢測的通用技術
自動化光學檢測包含5 項通用技術,分別為光源系統、影像擷取、運動台、影像處理及影像判讀,除了這些必備的基本技術,其延伸於不同產業的需求技術可製造出各種自動化光學檢測設備。以下先對通用技術作些介紹:

光源系統
一個好的影像檢測系統,往往依賴良好的光源選擇及打光方式,光源不僅只是整合於影像檢測系統過程中一開始所需具備的基本元件,更重要的是要能正確且適當的架設實際可行的光
源系統,除可大幅度提昇檢測成功率,亦能節省大部分的影像處理過程,減少系統開發整合所必須額外付出的軟硬體花費,增加系統檢測的速度。無論檢測項目為何,如何使欲檢測的物體特徵能自其他無關緊要的背影中突顯出來,是光源系統設計的基本原則,也因此光源的架設方式相當重要。光源架設又有前照式及背照式兩種:前照式光源,一般使用在欲檢測物件表面特徵的應用上,這是一種最簡單的光源架設型式,光源與相機架設在同一邊、照射在物件上;而後照式光源主要應用在檢測物件的外形輪廓時,光源被物件遮擋,只有外圍形狀被取得。

影像擷取系統
影像擷取系統包含數位相機和影像卡,數位相機又含有一組鏡頭及一顆影像感測元件。鏡頭的選配須依取像面積的大小調整,影像感測元件是將所取得的影像數位化輸出,感測元件(Charge coupled device, CCD)是由陣列分布的微小光感測器(Pixel)所組成。相機所攝取到的影像面積稱為視場(field of view),視場除以CCD的面積即為每粒像素所感測到的影像面積,這就是所擷取圖面的解析度,故CCD 的像素愈高影像解析度就會愈細。影像擷取時必須要在聚焦的條件下,否則會得到失焦的模糊影像,故檢測系統要有自動聚焦的功能,可選有自動聚焦的相機或由一移動台帶動相機上下調整達到聚焦。影像卡是將所有像素的資料轉換成數位化輸出的一種具有高速大記憶容量的印刷電路板,由於相機尺寸大小的限制,影像卡都是用軟性電路板(俗稱軟板)印刷製程生產的。影像擷取系統可能是單相機單影像卡或多相機多影像卡的組成,單相機單影像卡通常用於平面取像;雙相機如同人之雙眼,不會有被物件凸起部位遮光的限制,故常用於立體取像,如對大面積同時取像時則需設計多相機系統。

......【更多內容請閱讀科學月刊第579期】

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