专利名称：机器视觉检测系统与方法
技术领域：
本发明涉及机器视觉检测。
背景技术：
近年来，由于日益提高的电路元件密度、小型化以及生产线吞吐率，所以对机器视觉检测机器的需求不断增加。由于焊料沉淀物(回流焊前(pre-flow)和回流焊后(post-flow))的尺寸日益减�。⑶沂映【１幌嗔谠糠值刈璧玻允贾杖缫坏匾栽て诰燃觳夂傅�(solderpoint)变得愈发困难。
并且，在许多实例中，焊点或其它沉积物的轮廓或外形(形状)对于现场操作电路是非常重要的。现有机器视觉系统和方法未能提供有关轮廓的适当信息。
WO99/22224(Vista)描述了带有圆顶照明头的系统，所述圆顶照明头具有发光二极管(LED)环。来自所有LED的光照明中央检测点，并且存在对LED的光强控制。DE4123916(Malz)描述了用于检测陶瓷的系统。目标一侧的光阵列发射出光，所述光从被检测部位(scene)反射并且在相对一侧被捕获。强照明源可移动地安装到圆顶(dome)阵列的后面，并且圆顶阵列提供背景照明。WOl69214(Optomachine)描述了一种设置，其中设置了多个光源来提供照明，光从散射体(diffuser)圆顶反射到被检测部位。EP0443289描述了一种设置，其中四个照相机从不同角度采集被检测部位的多幅图像。
发明内容
根据本发明，提供了一种机器视觉检测系统，该系统包括以其轴垂直于将要检测的部位而安装的照相机；
照明器；图像处理器，连接到所述照相机；和控制器，用于指示所述照相机和所述图像处理器采集单个被检测部位的多幅图像，其中所述控制器为每幅图像指示不同照明。
以不同照明捕获的同一被检测部位的多幅图像以简单的方式提供了全面的数据。
在一个实施例中，所述控制器控制照明的方位角。
在另一个实施例中，所述照明器包括光源和驱动器，所述光源环绕垂直轴而安装，所述驱动器用于为图像点亮仅仅特定方位角范围的光源。
在另一个实施例中，所述控制器指示光源以一个或多个方位的扇面进行照明。
在另一实施例中，所述控制器指示同时激活(activate)方位呈对角相对的扇面的光源，用于采集图像。
在另一个实施例中，所述控制器控制照明的仰角。
在另一个实施例中，存在多个光源环，每个以不同仰角进行照明。
在另一个实施例中，所述控制器指示为图像激活一个方位扇面内的光源的仅仅一个子集。
在另一个实施例中，至少一个环具有不同色彩的LED，并且所述控制器至少部分基于色彩来控制照明。
在另一个实施例中，所述控制器同时激活不同色彩的光源，用于散射(diffuse)照明。
在另一个实施例中，所述控制器以和其它光源不同的光强来驱动某些光源。
在另一个实施例中，所述控制器以不同光强驱动不同光源环。
在另一个实施例中，所述控制器基于光源仰角、方位、光强和色彩之一或组合来为被检测部位的多幅图像中的每个控制照明。
在另一个实施例中，所述图像处理器产生显示，所述显示中操作者基于色彩在视觉上可区分来自图像的数据。
在另一个实施例中，所述图像处理器在屏幕上同时产生图像的一组显示。
在另一个实施例中，至少所述显示之一是对应于不同照明的多幅图像的组合。
在另一个实施例中，所述控制器指示对被检测部位被从所有方向照明的图像的捕获。
在另一个实施例中，所述被检测部位由光源环照明，所述光源环的直径大于所述被检测部位的宽度尺寸。
在另一个实施例中，所述控制器指示以下图像的捕获(d)从大范围的方位角进行照明的第一图像；(e)从较小范围的方位角进行照明的第二图像，所述范围包括所述第一图像的某些范围；以及(f)从所述第一图像减去所述第二图像以导出第三图像。
在另一个实施例中，以全围绕(full surrounding)照明捕获所述第一图像。
在另一个实施例中，所述第二图像具有来自一对方位相对的扇面的照明，并且所述导出图像模拟以来自正交相对扇面的照明捕获的图像。
从下面仅以示例方式参考附图描述的某些实施例，将清楚地理解本发明，其中图1是本发明的机器视觉系统的照明头的正视剖面图，而图2是立体图；图3和图4是照明头较低部位的平面图和立体图；图5(a)-5(f)是六种可能的照明场景的图形表示；图6是示出了导出东—西照明的示图；图7(a)、7(b)和7(c)是系统输出图像示例；以及图8是本发明的另一种照明头的立体图和底部平面图。
具体实施例方式
本发明的机器视觉系统包括安装在轴(垂直于被检测部位，以“Z”表示)上的电荷耦合器件(CCD)照相机和图1至图4中示出的照明头。
所述照明头1竖直方向上依次地包括38°的红色LED环2，42°的绿色LED环3，46°的蓝色LED环4，和51°的红色LED环5。
在Z方向上一个摞一个地布置LED环2-5，其中间隔以毫米计并且环具有相同的直径。提供了散射体10以实现被检测部位区域的平面场(flatfield)照明，其大于照相机视场。
所述照明头1还包括在相同Z水平面上的同心的LED环6、7和8，具体如下环6为63°且是红色，环7为75°且是红色，并且环8为78°且是红色。
来自LED 6、7和8的光由具有中心孔径(central aperture)16的菲涅尔(Fresnel)透镜15引导，以提供所检测部位的照相机视场。菲涅尔透镜15允许LED 6、7和8在被检测部位的照明区域均匀照明。
在图中，每个环2-8只有一个LED宽，然而根据应用，它们可以是两个或多个LED的宽度。在每个环有多排的情况下，LED优选地相对于相邻排的LED偏移。
安装了LED的驱动电路，使得在底部平面看来它们可以分别照明一个或多个45°扇面(八分圆)。此外，可以以扇面的个体子集来驱动LED，每个子集含有环2-8中的1、2、3或4个的某些或所有LED。可以同时激活邻接的八分圆以提供象限照明。在本说明书中，术语“方位角范围”指的是，当在垂直于被检测部位的轴周围的平面中观看时的角度范围。例如，一个方位角范围是45°的“北”象限。
参考图5(a)-5(f)，在底部平面图中简要示出了某些照明情形的示例图5(a)分别在“东”侧和“西”侧上的两个邻接的45°扇面，形成整个“东”象限和“西”象限；图5(b)在“东”象限和“西”象限的每个中，只有两个相邻环被激活；图5(c)全部“南”象限被激活；图5(d)只有“南”象限的部分被激活；图5(e)“北”和“南”象限都被激活；图5(f)“北”和“南”象限只有较小角度的环被激活。
尽管电路设置成用于在45°扇面中进行照明，但是基本单元是90°的“北”、“南”、“东”或“西”象限。然而，具有45°细分的好处是，如果被检测部位需要可以将南—北轴旋转45°。并且，这允许对被旋转的元件正确地成像。
在一种模式下，驱动LED以捕获被检测部位的三幅图像-全景照明- “南”—“北”照明- “东”—“西”照明在该模式的一种变形中，可以导出这些图像中的一幅图像，从而每个周期省去了一次采集。如图6所示，激活了全景LED配置20，随后进行“南”—“北”激活。然后通过从照明20的图像中减去照明21的图像，导出“东”—“西”激活。这种安排显著地减少了周期时间。可以在许多照明方案中执行图像导出。实际上，只要有涉及N-S和E-W图像的周期的情形，就可以使用它来导出两幅图像，从而省去两次采集。
每个LED环2-8都具有可配置电流值以设定光强。因此，对于任何一次检测或任何一批检测，控制器可以为每个环设定期望的光强水平。因此，所述照明头1允许基于改变以下各项之一或其组合来进行照明控制(a)仰角，通过选择具有预期仰角(38°、42°、46°、51°、63°、75°和78°)的环2-8中的一个或者多个环。
(b)方位，通过选择要激活哪个(哪些)八分圆或象限。
(c)光强，通过在发光控制器上设定电流值。
(d)色彩，通过选择红色(LED 2、5、6、7和/或8)、绿色(LED3)和/或蓝色(LED 4)。
因此，对任何特定情况下的最优图像采集，在照明安排方面存在极好的多样性。所述照明头尤其适用于回流焊后的焊点检测。可以从被检测部位提取的数据很丰富，允许再现精确的目标(例如，焊料或元件)形状。
示例1照相机捕获了一组特定焊点的六幅图像，如下所示图像1来自红色LED 6和7(整个环)的“顶部”照明。
图像2使用每个环2-8的某些LED(红、绿和蓝色的组合，或者只有单种色彩)的“北”象限照明。
图像3使用每个环2-8的某些LED(红、绿和蓝色的组合，或者只有单种色彩)的“南”象限照明。
图像4使用每个环2-8的某些LED(红、绿和蓝色的组合，或者只有单种色彩)的“东”象限照明。
图像5使用每个环2-8的某些LED(红、绿和蓝色的组合，或者只有单种色彩)的“西”象限照明。
图像6只来自红色LED 8的“高处”照明。
图像处理器使用六幅图像来再现被检测部位的形状。所有六幅图像的信息的总和大于从所有方向照明而捕获的仅仅一幅图像。跨越Z平面中的一定角度范围仅从一侧进行的照明提供了外形的信息。例如，它指出焊点的一侧是凹的还是凸的。
参考图7(a)，通过捕获六幅图像检测了焊点显示来自顶部的红色(63°，LED 6)，显示东侧的红色(38°，LED 2)，显示北侧的绿色(38°，LED 2)，显示西侧的绿色(38°，LED 2)，显示南侧的蓝色(38°，LED 2)，显示蓝色(顶部，78°，LED 8)。图7(a)下面的图像是在激活所有LED的情况下捕获的组合彩色图像。这些图像有六个平面，很难显示这些图像。然而，将三幅平面图像作为“彩色”图像来显示却很简单。为了显示六个平面，系统显示了两幅彩色图像(上下两幅)。
应当知道，这些色彩是显示色彩，与LED色彩无关。不同的显示色彩允许使用者容易地区分照明情形。
图7(b)示出了在与图7(a)相似的照明次序下的另一被检测部位的示例图像。
图7(c)示出了四幅图像来自顶部以所有LED 6、7和8进行的照明；来自东侧和西侧以LED 2进行的照明；来自南侧和北侧以LED 2进行的照明；以及组合图像。
系统为工艺工程师产生显示，其中每幅图像使用不同的显示色彩。显示色彩与照明色彩无关。工艺工程师只是用它们来从视觉上区分不同的图像。因此，将主要以和图像1相关联的色彩来显示“北”向的接合点台肩(joint shoulder)。然而显示该接合点的局部的其它色彩告知经过专门训练的工程师更多关于轮廓的信息。
所述检测方法可以用于有选择地执行对失效接合点的进一步检测。该检测可以在修理站进行，在修理前给出失效接合点的全面的“再现”视图。修理站可以具有立体观察头盔(stereo viewing headset)或透镜显示装置以给出接合点的三维(3D)视图。使用者可以在三维方向上“旋转”焊点以便于观察溶剂(solvent)特征。通过依次连续驱动每个扇面来实现旋转。
应当理解，本发明允许对接合点的质量做出全面的评估，同时对错误更精确地分类。
本发明并不局限于所描述的实施例，而是可以在结构和细节进行变化。例如，LED环的角度可以和所描述的那些不同。实际上，LED可以布置成阵列，可能是圆顶的而非环形的。并且，LED的排列可以不同。图8示出了另一个示例，其中照相机31以来自一个或多个同心环32的照明来捕获图像，其中同心环32总体是锥体构形且向下直径逐渐增加。还可以设想基于不同于环的事物来控制色彩和光强，例如基于跨越多个仰角的垂直平面行。
权利要求
1.一种机器视觉检测系统，包括以其轴垂直于将要检测的部位而安装的照相机；照明器；图像处理器，连接到所述照相机；和控制器，用于指示所述照相机和所述图像处理器采集单个被检测部位的多幅图像，其中所述控制器为每幅图像指示不同照明。
2.如权利要求1所述的系统，其中所述控制器控制照明的方位角。
3.如权利要求2所述的系统，其中所述照明器包括光源和驱动器，所述光源环绕垂直轴而安装，所述驱动器用于为图像点亮仅仅特定方位角范围的光源。
4.如权利要求2或3所述的系统，其中所述控制器指示光源以一个或多个方位的扇面进行照明。
5.如权利要求4所述的系统，其中所述控制器指示同时激活方位呈对角相对的扇面的光源，用于采集图像。
6.如任何一个前述权利要求所述的系统，其中所述控制器控制照明的仰角。
7.如权利要求6所述的系统，其中具有多个光源环，每个以不同仰角进行照明。
8.如权利要求7所述的系统，其中所述控制器指示为图像激活一个方位扇面内的光源的仅仅一个子集。
9.如权利要求7或8所述的系统，其中至少一个环具有不同色彩的LED，并且所述控制器至少部分基于色彩来控制照明。
10.如权利要求9所述的系统，其中所述控制器同时激活不同色彩的光源，用于散射照明。
11.如权利要求7至10之一所述的系统，其中所述控制器以和其它光源不同的光强来驱动某些光源。
12.如权利要求11所述的系统，其中所述控制器以不同光强驱动不同光源环。
13.如任何一个前述权利要求所述的系统，其中所述控制器基于光源仰角、方位、光强和色彩之一或组合来为被检测部位的多幅图像中的每个控制照明。
14.如任何一个前述权利要求所述的系统，其中所述图像处理器产生显示，所述显示中操作者基于色彩在视觉上可区分来自图像的数据。
15.如权利要求14所述的系统，其中所述图像处理器在屏幕上同时产生图像的一组显示。
16.如权利要求15所述的系统，其中至少所述显示之一是对应于不同照明的多幅图像的组合。
17.如任何一个前述权利要求所述的系统，其中所述控制器指示对被检测部位被从所有方向照明的图像的捕获。
18.如权利要求17所述的系统，其中所述被检测部位由光源环照明，所述光源环的直径大于所述被检测部位的宽度尺寸。
19.如任何一个前述权利要求所述的系统，其中所述控制器指示以下图像的捕获(a)从大范围的方位角进行照明的第一图像；(b)从较小范围的方位角进行照明的第二图像，所述范围包括所述第一图像的某些范围；以及(c)从所述第一图像减去所述第二图像以导出第三图像。
20.如权利要求19所述的系统，其中以全围绕照明捕获所述第一图像。
21.如权利要求20所述的系统，其中所述第二图像具有来自一对方位相对的扇面的照明，并且所述导出图像模拟以来自正交相对扇面的照明捕获的图像。
全文摘要
本发明公开了一种机器视觉系统，所述机器视觉系统包含带有七个发光二极管环2－8的照明头1，每个发光二极管环具有不同的仰角。每个环都配置有特定的电流水平，从而设定它的光强。环3和4是绿色和蓝色的，其它环是红色的。控制器通过改变仰角、方位象限(或45°八分圆)、光强和色彩的组合或之一来控制照明。例如，可以以全围绕的、北象限、南象限、东象限和西象限照明来捕获图像。或者，对于一幅图像可以是南－北照明，而对于另一幅图像可以是东－西照明
文档编号G01N21/956GK1527024SQ20041000794
公开日2004年9月8日 申请日期2004年3月5日 优先权日2003年3月7日
发明者詹姆士·马洪, 约翰·沃尔, 詹姆士·特蕾西, 马克·达尔阿格安, 肖恩·多尔蒂, 特蕾西, 多尔蒂, 沃尔, 詹姆士 马洪, 达尔阿格安 申请人:Mv研究有限公司
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