Microsoft PowerPoint - 1-光學影像之基礎 (NTU)

1. 光 學 影 像 之 基 礎 建 立 Lecturer: Dr. L. C. Chen ( 陳 亮 嘉 ) Reference Sources: 1. NTU Precision Metrology Lab, Prof. K.C. Fan s lecturing notes, 自 動 化 光 學 二 維 檢 測 技 術. 2. Camera Interface Guide, Matrox Imaging Tutorial. 3. Optical system design, R. Fisher. 4. Nowa company website, Taiwan http://www.nowa.com.tw/fram/productfram.htm. 5. NTU, Master s thesis, Liu T. H. CCD 攝 影 機 鏡 頭 光 源 之 選 擇 及 光 學 系 統 分 析 影 像 基 本 單 位 (Pixel) 影 像 數 位 化 後, 所 得 到 的 影 像 資 料 乃 是 一 個 一 個 像 素 (Pixel) 所 組 成 的, 每 個 像 素 都 有 特 定 的 座 標, 且 相 對 應 於 物 體 上 的 一 個 點 每 個 像 素 的 值, 一 般 稱 作 灰 度 值 (Gray Level), 其 值 由 所 對 應 物 體 的 亮 度 來 決 定, 灰 度 值 愈 大, 表 示 亮 度 愈 高 如 果 每 個 像 素 的 灰 度 值 由 8 位 元 來 表 示, 則 亮 度 變 化 區 間 介 於 0 至 255 間

CCD 攝 影 機 鏡 頭 光 源 之 選 擇 及 光 學 系 統 分 析 數 位 影 像 處 理 系 統 : 外 部 通 信 主 電 腦 大 規 模 的 儲 存 主 電 腦 介 面 CCD 數 值 化 器 影 像 儲 存 影 像 處 理 器 介 面 顯 示 螢 幕 高 速 共 處 理 器 各 式 CCD 攝 影 機 : Pictures taken from http://www.nowa.com.tw/fram/productfram.htm

CCD 攝 影 機 鏡 頭 光 源 之 選 擇 及 光 學 系 統 分 析 CCD 攝 影 機 各 部 參 數 定 義 : 1. 感 光 元 件 大 小 (Sensor Size): 2. 主 要 放 大 倍 率 (PMAG): 3. 系 統 放 大 倍 率 : 4. 解 析 度 : 5. Linepairs per millimeter(ip/mm): 6. Pixel Count: 7. F-NUMBER(f/#): 8. DEPTH OF FIELD: CCD 攝 影 機 鏡 頭 光 源 之 選 擇 及 光 學 系 統 分 析 CCD 攝 影 機 參 數 介 紹 CCD 與 影 像 視 野 參 數 關 係 圖

Sources from http://www.nowa.com.tw/fram/productfram.htm CCD 攝 影 機 鏡 頭 光 源 之 選 擇 及 光 學 系 統 分 析 CCD Size: 攝 影 機 感 光 元 件 有 效 面 積 尺 寸, 通 常 以 水 平 大 小 表 示, 這 個 參 數 在 決 定 放 大 倍 率 所 得 的 FOV 是 重 要 的, 注 意 大 部 分 類 比 式 攝 影 機 有 4:3(H:V) 的 比 例 (aspect ratio)

鏡 頭 光 學 倍 率 and FOV Actual field of view(mm) CCD camera device size(vertical horizontal) Optical magnificat ion Ex: 假 如 使 用 1/2 CCD 攝 影 機, 搭 配 1X 鏡 頭, 取 FOV= 4.8mm 6.4mm, 若 改 為 4X 鏡 頭, 則 FOV 縮 小 為 1.2mm 1.6mm. 通 常 放 大 倍 率 應 該 由 主 要 光 學 放 大 倍 Monitor 放 大 倍 率 得 來, 主 要 光 學 放 大 倍 率 就 是 鏡 頭 放 大 倍 率 決 定,Monitor 放 大 倍 率 是 由 Monitor 對 角 線 和 CCD Sensor 對 角 線 比 例 大 小 決 定 鏡 頭 光 學 倍 率 and FOV Total Magnification 1/2 1/3

採 購 CCD 攝 影 機 之 參 考 依 據 : 1. 矩 陣 大 小 或 空 間 解 析 度 (Array size) 水 平 向 或 垂 直 縱 向 的 感 測 像 素 ( 例 如,768 494 或 1024 1024 等 ) 通 常, 有 效 像 素 愈 多, 代 表 空 間 解 析 度 愈 好, 亦 或 者 可 取 得 較 大 的 視 野 範 圍 (F.O.V.) 2 像 素 大 小 (Pixel size) or 感 光 元 件 大 小 指 個 別 感 測 像 素 的 實 際 大 小 尺 寸 ( 長 x 寬 ), 都 以 μm 為 計 量 單 位 像 素 愈 大, 則 所 需 曝 光 成 像 時 間 較 短, 但 會 犧 牲 空 間 解 析 度 反 之, 像 素 愈 小, 則 需 較 久 的 曝 光 成 像 時 間, 成 像 之 後 的 影 像 解 析 度, 則 較 好 3. 最 低 照 度 或 靈 敏 度 (Sensitivity) 能 讓 CCD 內 部 感 測 元 件 偵 測 到 並 產 生 訊 號 的 外 在 光 源 強 度 大 小, 一 般 用 lux ( 照 度 ) 或 photons/cm 2 /sec 為 計 量 單 位 Sources from http://www.nowa.com.tw/fram/productfram.htm 採 購 CCD 攝 影 機 之 參 考 依 據 : ( 續 ) 4. 暗 電 流 (Dark noise) 在 某 特 定 工 作 溫 度 的 條 件 下, 遮 蔽 CCD 的 感 測 器, 使 其 避 免 任 何 光 源 的 照 射 或 感 光, 而 經 由 感 測 元 件 本 身 產 生 的 電 荷 數 雜 訊 值 大 小, 以 特 定 溫 度, 每 秒 產 生 的 電 荷 數 (electrons) 為 主 要 單 位 5. 輸 出 雜 訊 (Readout noise) CCD 正 常 工 作 時, 除 真 正 有 效 的 輸 出 訊 號 之 外, 因 其 它 因 素 造 成 而 隨 之 輸 出 的 電 荷 數, 皆 稱 之 6. 輸 出 速 度 (Readout speed) 個 別 CCD 攝 影 機 送 / 輸 出 像 素 的 速 度, 大 多 以 像 素 (pixels)/ 每 秒 表 示 之 Sources from http://www.nowa.com.tw/fram/productfram.htm

採 購 CCD 攝 影 機 之 參 考 依 據 : ( 續 ) 7. 量 子 效 益 (Quantum efficiency) 直 接 進 入 或 投 射 在 感 測 元 件 的 光 子 總 數 (photons), 與 被 感 測 器 換 成 電 荷 數 的 比 率 (fraction), 通 常 用 百 分 比 (%) 來 代 表 8. 電 位 井 容 量 (Fall-well capacity) 每 個 圖 素 (pixel) 所 能 容 納 的 電 荷 (electrons) 總 數 量 數 目 愈 多, 表 示 成 像 之 後, 影 像 的 動 態 範 圍 (dynamic range) 愈 大, 亦 即 更 能 表 現 影 像 上, 任 何 些 微 明 暗 度 的 變 化 9. 動 態 範 圍 (dynamic range) 單 一 影 像 上, 所 能 表 現 亮 度 變 化 的 最 大 範 圍 與 程 度 一 般 而 言, 在 CCD 產 品 的 規 格 上, 大 都 以 S/N 值 來 代 表 ( 以 電 位 井 最 大 容 量 的 電 荷 總 數, 除 以 雜 訊 的 電 荷 數 ) Sources from http://www.nowa.com.tw/fram/productfram.htm 採 購 CCD 攝 影 機 之 參 考 依 據 : ( 續 ) 10. 類 比 數 位 化 (Analog Verse Digital) CCD 攝 影 機 輸 出 影 像 訊 號 的 格 式 屬 於 早 期 所 制 定 的 標 準 型 的 CCD, 多 採 用 類 比 訊 號 各 廠 商, 則 陸 續 推 出 內 建 類 比 轉 數 位 (ADC) 電 路 的 數 位 化 攝 影 機 類 似 的 攝 影 機 所 能 提 供 的 影 像 灰 階 度 或 層 次, 則 取 決 於 A/D 轉 換 電 路 的 位 元 數 譬 如,8 位 元 攝 影 機, 可 提 供 2 8 =256 灰 階 影 像 輸 出, 而 10 位 元, 則 代 表 2 10 =1024 灰 階 度 表 現 力, 依 此 類 推 11. 頻 譜 特 性 (Spectral characteristics) CCD 感 測 器 或 元 件, 對 外 界 光 源, 不 同 波 長 或 頻 譜 的 光 的 響 應 係 數 (responsibility) 或 感 應 強 度 一 般 常 見 的 攝 影 機 的 最 佳 頻 譜 特 性, 多 半 座 落 於 可 見 光 範 圍, 即 400~800 或 900nm Sources from http://www.nowa.com.tw/fram/productfram.htm

CCD 攝 影 機 鏡 頭 光 源 之 選 擇 及 光 學 系 統 分 析 影 響 影 像 品 質 相 關 參 數 與 元 件 關 係 影 響 影 像 品 質 主 要 參 數 影 響 這 個 參 數 的 元 件 Resolution: 解 析 度 是 一 種 影 像 系 統 能 鏡 頭 螢 幕 重 新 產 生 詳 細 影 像 能 力 的 量 測 攝 影 機 影 像 擷 取 卡 Contrast: 影 像 中 物 體 和 背 景 的 陰 影 灰 鏡 頭 照 明 攝 影 機 階 比 較 ( 對 比 強 烈 與 否 ) Depth of Field(DOF): 物 體 能 看 清 楚 的 最 近 和 最 遠 的 相 差 距 離, 有 時 稱 為 焦 鏡 頭 的 光 圈 值 距 深 度 Distortion: 失 真 是 影 像 在 鏡 頭 放 大 鏡 頭 中, 在 不 同 點 位 置 造 成 差 異 的 光 學 誤 差 Perspective Errors: 也 叫 視 差, 這 是 傳 統 鏡 頭 在 不 同 距 離 會 有 放 大 倍 率 改 變 的 現 象, 較 近 物 體 比 較 遠 物 體 產 生 較 鏡 頭 大 投 射 誤 差 Telecentric 鏡 頭 已 作 光 學 校 正, 避 免 此 問 題 如 何 計 算 觀 測 範 圍 F.O.V. Sources from http://www.nowa.com.tw/fram/productfram.htm

面 掃 瞄 影 像 感 測 器 面 掃 瞄 影 像 感 測 器 (Area Scan Imager) 擷 取 整 張 二 維 (2-Dimensional) 影 像 資 訊 面 掃 瞄 影 像 感 測 ( 亦 稱 之 為 面 陣 列, 矩 陣 或 漸 進 式 面 掃 瞄 ) 是 現 今 市 場 上, 工 業 用 影 像 / 視 覺 技 術 及 應 用 的 主 要 產 品 面 掃 瞄 影 像 技 術 是 採 用 二 維 矩 陣 圖 素 (pixel), 經 由 一 次 曝 光 時 間 內, 擷 取 整 個 影 像 資 訊, 而 不 需 要 移 動 圖 素 或 感 測 器 Sources from http://www.nowa.com.tw/fram/productfram.htm MODES OF OPERATION Cameras can typically be operated in one of several different modes. For area scan cameras, these modes include continuous, pseudo-continuous, trigger, asynchronous reset, control and long exposure (integration). Line scan cameras may be operated in fixed line scan rate, variable line scan rate mode and a combination of the two: variable line scan rate and triggered mode.

Continuous mode: the camera continuously outputs images at a fixed frame rate, usually 30 frames per second (60 fields per second) or 25 frames per second (50 fields per second) Pseudo-continuous mode: The camera continuously outputs images at a frame rate that is determined by the exposure time and the frame transfer time. Trigger mode: The camera continuously outputs images at a fixed frame rate as in continuous mode, however, an external trigger signal is provided to the frame grabber. Asynchronous reset mode: Either an external trigger signal is provided to the frame grabber or the frame grabber has an internal trigger which can be periodic or aperiodic (software controlled).

CCTV 鏡 頭 (Closed Circuit Television Lenses) CCTV 一 直 被 廣 泛 且 大 量 地 使 用 於 影 像 處 理 / 視 覺 檢 測 相 關 應 用 場 合 之 主 要 原 因, 除 製 造 商 量 產 後, 取 得 容 易 外, 最 主 要 的 因 素 還 是 價 位 便 宜 一 般 常 見 的 視 覺 檢 測 系 統, 除 牽 涉 需 求 高 幾 何 精 度 之 尺 寸 量 測 外, 其 它 如 特 徵 或 外 觀 判 別, 色 彩 分 辨 或 表 面 瑕 疵 等 應 用, 選 用 CCTV 鏡 頭 來 搭 配 特 定 CCD 使 用 於 機 器 視 覺 系 統, 確 實 有 其 方 便 性 與 達 到 最 大 效 益 之 目 的 Sources from http://www.nowa.com.tw/fram/productfram.htm CCD 攝 影 機 鏡 頭 光 源 之 選 擇 及 光 學 系 統 分 析 光 源 種 類 1. 鹵 素 燈 (Halogen): 或 簡 稱 冷 光 源 (Cold Light), 如 Moritex s MHF 系 列 2. 高 週 波 螢 光 燈 (Fluorescent): 京 都 電 機 LSE-R80/92, LSG 系 列 3.LED 燈 源 : 如 Moritex s 或 京 都 電 機 其 具 有 各 種 不 同 顏 色 之 光 源 可 供 選 擇 4. 金 屬 燈 泡 (Metal Halid) 或 氖 燈 (Xenon): 京 都 電 機 KFS,Flash Scope 5. 雷 射 光 源 (Laser):Lasris 的 結 構 光 源

CCD 攝 影 機 鏡 頭 光 源 之 選 擇 及 光 學 系 統 分 析 光 源 種 類 白 熱 光 源 -- 宇 宙 間 的 天 體, 如 太 陽 恒 星 冷 光 源 -- 指 螢 火 蟲 體 內 把 以 前 所 吸 收 而 儲 存 的 光 放 射 出 來, 是 一 種 偏 綠 的 可 視 光, 且 不 附 帶 熱 能, 故 稱 為 冷 光 源 或 特 殊 光 雷 射 光 源 -- 雷 射 光 (Laser) 是 光 量 子 放 大 之 意, 它 是 現 代 科 技 產 物 其 他 -- 由 於 電 流 化 學 分 子 撞 擊 氣 體 急 劇 凝 縮 等 現 象 均 能 發 出 光 源 光 源 種 類 LED 光 源 環 形 光 Halogen 光 源 產 生 器 螢 光 燈 管 高 週 波 螢 光 燈 專 用 之 電 源 供 應 器

CCD 攝 影 機 鏡 頭 光 源 之 選 擇 及 光 學 系 統 分 析 光 源 類 別 與 其 品 質 特 性 光 源 類 別 功 率 效 能 品 質 壽 命 穩 定 性 價 位 鹵 素 Fair/poor 150W Poor(8%) Good Excellent Low/Med Halogen 50hr Fluorescen t 50W Good Fair 3,000hr Fair Low Metal Halid 150-1000W Good Good 10,000hr Fair High Xenon 150-500W Fair Excellent Fair Good Highest LED 1-5W Good Good 100,000hr Fair Med Laser 5-50mW Good Fair 50,000hr Fair High (Note: Metal Halide: 金 屬 鹵 化 物 ; Xenon: Xe ) 氙 照 明 系 統 的 一 般 投 射 方 式 CCD 正 向 光 源 CCD CCD 表 面 反 射 光 工 件 工 件 遮 光 處 不 透 光 工 件 背 向 光 源 輪 廓 邊 緣 光 反 射 最 大 工 件 側 向 光 源 前 照 式 背 照 式 側 照 式

光 源 投 射 系 統 種 類 光 源 的 架 設 主 要 在 突 顯 檢 測 的 特 徵, 常 用 的 光 源 架 設 方 式 如 下 : 前 照 式 (Front Illumination) 直 向 型 前 光 源 (Directional Front Lighting) 擴 散 型 前 光 源 (Diffuse Front Lighting) 環 形 前 光 源 (Ring Front Lighting) 低 角 度 前 光 源 (Oblique Front Lighting) 同 軸 前 光 源 (Coaxial Front Lighting) 背 照 式 (Back Illumination) 直 向 型 背 光 源 (Direction Back Lighting) 擴 散 式 背 光 源 (Diffuse Back Lighting) 光 源 架 設 ( 前 照 式 ) Camera Camera Light Source Light Source Light Source Diffused Plate Diffused Plate Light Source 直 向 型 前 光 源 擴 散 型 前 光 源

光 源 架 設 ( 前 照 式 ) Light Source Camera Camera Light Source 環 形 前 光 源 低 角 度 前 光 源 光 源 架 設 ( 前 照 式 ) Camera Light Source Half Mirror 同 軸 前 光 源

光 源 依 結 構 形 式 不 同 時 之 應 用 範 圍 光 源 形 式 使 用 方 式 應 用 條 狀 光 源 以 LED 或 雷 射 光 源 創 造 線 狀 光 源 投 射 於 物 體 表 面, 一 般 配 合 高 解 析 度 之 一 維 線 型 CCD 白 胚 布 膠 片 銅 板 (Web Materials) (Line Scan CCD) 檢 驗 白 胚 布 膠 片 銅 板 (Web Materials) 低 角 度 光 源 光 源 (LED) 以 接 近 水 平 於 桌 面 的 方 式 安 置, 邊 緣 檢 測 金 屬 表 面 以 強 化 物 件 的 邊 緣 及 物 件 表 面 之 瑕 疵 檢 測 BGA 錫 球 位 置 檢 測 等 傳 統 光 源 傳 統 光 源 基 本 上 已 接 近 垂 直 於 桌 面 的 方 式 安 置, 使 得 光 源 亮 度 集 中 於 照 明 區 域 的 中 心 背 光 照 明 光 源 由 物 件 之 背 面 投 射, 使 得 物 體 成 像 於 CCD 時 呈 現 高 對 比 的 剪 影 (Silhouette) 效 果, 主 要 用 於 物 體 尺 寸 量 測 及 輪 廓 辨 識 印 刷 字 體 的 檢 驗 印 刷 電 路 板 上 零 件 之 檢 測 等 物 體 尺 寸 量 測 及 輪 廓 辨 識 光 源 形 式 使 用 方 式 應 用 同 軸 光 源 藉 由 分 光 鏡 (Half Mirror) 將 光 源 以 垂 直 方 向 半 導 體 晶 圓 表 面 檢 投 射 於 物 體 表 面 ; 主 要 用 於 檢 測 具 高 反 光 特 測 性 的 物 體 表 面, 例 如 半 導 體 晶 圓 表 面 平 行 光 源 光 源 如 同 太 陽 光 般 以 平 行 方 式 照 射, 主 要 針 對 反 光 表 面 之 瑕 疵 檢 測 對 於 規 律 表 面, 反 射 光 源 的 擴 散 量 少, 而 對 於 瑕 疵 之 反 射 光 源 的 擴 散 量 則 會 大 量 增 加 結 構 式 光 源 光 源 以 點 狀 線 狀 或 格 狀 方 式 投 影 於 物 體, 利 用 投 射 圖 案 之 變 化 偵 測 物 體 之 形 狀 背 光 間 接 光 源 光 源 依 結 構 形 式 不 同 時 之 應 用 範 圍 反 光 表 面 之 瑕 疵 檢 測 物 體 形 狀 檢 測 光 源 非 直 接 投 射 於 物 體 表 面, 而 是 經 由 反 射 板 將 光 源 均 勻 擴 散 於 物 體 表 面 ; 主 要 用 於 強 調 平 滑 且 規 律 表 面 之 特 性