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、PCB的短路斷路、LCD屏的色斑輝點，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，增強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、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；

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小；

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，是一個龐大的技術(shù)領(lǐng)域，有機械、電子、光學(xué)、計算機視覺等多種方法，以適應(yīng)不同的應(yīng)用需要。

當(dāng)前本領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的最顯著特點是大量技術(shù)從早前的研究而進(jìn)入了實用化和產(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接觸物體表面，測得被接觸點的空間坐標(biāo)。探針在物體表面掃描一遍，可以得到物體表面各點的坐標(biāo)。傳統(tǒng)的三坐標(biāo)測量機就是基于這一原理。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用的三維圖像獲取方法。

ТОF

飛行時間法（Time of Flight，簡稱TOF）。這類方法由測距器主動向被測物體表面發(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，可以計算出物體到透鏡的距離，移動透鏡，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，同時再將其同軸聚焦。由此在有效量程范圍內(nèi)形成了一個焦點組：每一個單色光波長的焦點都對應(yīng)一個軸向位置。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?；谠撛硪寻l(fā)展出成熟的產(chǎn)品。

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

基于計算機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，使得這一技術(shù)走向廣泛應(yīng)用。而以計算攝像學(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，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