专利名称：应用多色反射鉴别技术对物体或表面的检测的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及对在图象扫描时产生反射光线的物体或表面的自动检测，更具体地说(虽然不是专用地)，是涉及那些例如检测在电子电路基片和电路板等中的缺陷方面的应用。
首先考虑这种缺陷检查作为示例性的或说明性的应用实例。已经开发了大量的先有系统和技术，用于对这样的基片、电路板或其它表面进行扫描，并对从这类表面反射的光线所产生的图象信号进行分析，这类技术包括用预期的或“完好的”图形表面进行掩膜比较;还公开了用于记忆“完好的”图形特征和形状、用于标记在检测扫描过程中所产生的新形状的技术，例如在4589140和4893346号美国专利中由共同受让人一道所开发的技术，该技术首先引入马萨诸塞州的Beltronics公司的B-2000型装置中，最近又引入日本Nikon公司的NikonAI1020型装置中。在后者的技术方案的变型中，如在该专利中所介绍的那样，为了鉴别借助于或通过在电路板或其它物体或被检测的表面上的不同的通道或孔传输的有用的反射光，采用了包括颜色编码的编码光线。
近来，一种特别适用于基片(和其它具有相似特性类型的表面或物体)检测的截然不同的方案已在Beltronics的“显微扫描”型装置中应用，其使用智能图象缩小和放大技术，以便能够就在该表面周围材料的性质和特性方面对该表面的反光图象部分进行检测，因此增加了检测的鉴别能力和可靠性，正如1990年12月31日的申请号为636413的美国专利申请，题为“应用智能图象-图形缩小、放大和处理鉴别预定特征和误差来进行几何图形检测的方法和装置”。该申请已于92年6月2日被授予美国专利，其专利号为5118934。
上述所有系统，在不同程度上对照射所要检查的表面或物体都要对所需要的均匀度或适当的光照强度的临界状态作了某些测定。并且，照度的实际变化总是要使检测系统的良好运行受到影响，因此需要仔细调节和再调节。
然而，根据本发明所公开的技术明显地避免了这些问题和限制，特别是在所要检测的表面或物体是多色的情况下，例如当在这类基片中不同的组成元件呈现不同的颜色和式样时，本发明提供的检测系统不仅很少受先有技术的系统所存在的由于光照强度变化而对运行的影响，而且还相应地明显改进了检测方法的鉴别能力。
因此，本发明的一个主要目的是提供一种多色的表面和物体的图象处理检测的新的改进方法及装置，它避免了这类先有技术取决于均匀光照强度或对光线强度变化敏感的问题，并且还明显地提高了检测的鉴别能力。
另一个目的是提供一种新颖的检测装置，其特别适用于检测固态基片表面和其它具有相似多色组成部分的物体。
其它进一步的目的将在下文中阐述，并通过提出的从属权利要求更具体地进行描述。
简而言之，从广义看来，本发明包括一种对某一物体或表面进行自动检测和辨别具有不同颜色的区域的方法，该物体或表面由其自身反射光照射，该方法包括独立地接收和用电子学方式检测该物体或表面各个部位所反射的光的图象，并对在每一个部位的图象提供不同颜色的滤光，以便从检测信号中获得对应于各相关的滤光的不同频谱特性的不同信号;用所选择的不同的加权系数倍乘放大每一个所述信号，以便在不同的已滤光的颜色信号之间使信号反差最优;并对放大的信号线性叠加，以产生具有足够信号反差范围的、用电子方式滤波的合成信号，从而使颜色鉴别能力不受光强的宽范围变化和物体或表面所产生的颜色变化的影响。
下面介绍优选的最佳的设计方案和详细结构。
下面参照附图介绍本发明。
图1是本发明的以优选方式说明的综合方框图和电路图;
图2是根据本发明所产生的处理合成信号曲线，该信号是色频(colourfrequency)的函数;
图3A和3B也是对应于检测中的物体或表面的不同颜色区域的不同频谱信号的曲线图;
图4A和4B与图1相似，是更普遍的多色鉴别系统示意图;以及图5是鉴别具有不同颜色区域的材料的电路方框图。
可以确信，通过解释先有技术方案的局限性和作用在试样上照射强度变化以及物体颜色处理变化所产生的影响，有助于理解本发明与先有的一般的滤色技术的明显区别，该先有技术在此以前已广泛运用在鉴别某些物体反射颜色的各种应用场合。
用于分析多光谱的或多色的图象的常规系统一般使用滤色器。例如，最简单的系统借助一种灰度摄象机可以在几种颜色之间进行鉴别，该系统装备对应于所要检测的某一特定颜色的滤光器，使得当出现感兴趣的颜色时，该摄象机输出是高的，否则，则是低的。对滤光器的选择可能是很简单的也可能是很复杂的，这要取决于所要确定或辨别的颜色。假如各颜色是明显不同的，例如蓝的和红的，那么选择起来确是很简单。然而，假如各颜色频带范围比较靠近，例如金色(基本接近黄色)和粉色(基本接近红色)，当在某些固态基片中，所要检查的金色导体线路是在可为粉红色或浅蓝色本底色的多层基底上，由于某种程度上形成颜色重叠，因此，通过滤出基本的红色成分所得到的反差可能并不十分大-或许仅是各种颜色间信号差值的10%。
在由人检查这样一种基片时，眼睛和大脑将跟踪该金色导体线路，考虑到围绕该线路的粉色区域是非导体，不是电子电路的一部分。一台对这种金色线路进行检查的仪器必须具有类似的能力，能够在金色线路与围绕线路部分的邻近粉色基底之间清晰地辨别。对于上述例举的10%的信号反差，或甚至最多为20%，在仪器中光强变化为10%(或20%)时就会产生难题，该机器不能确定所减少的信号是由于光强降低所致，还是的确代表从一种颜色向另一种颜色的变化。况且，在各种实例中，总会有某些方法或生产制造的变化导致特定颜色的反射率产生10%至20%的数量级变化，导致仪器再次不能在颜色变化或照度变化之间进行辨别，自然不能恰当地从粉色区域中鉴别金属部分，因此妨碍可靠地跟踪感兴趣的导体部分。
即使这种先有技术方案采用了多个摄象机和多个滤光器，试图鉴别某些特定颜色;仍然存在当颜色差别很小时照射和颜色强度可能在各种实例中发生变化的问题，装置仍然不能准确地、可靠地由电子信号进行鉴别，因为该信号既可以是由于在该区域或组成表面部分中的实际差别形成，也可以是由于处理过程吕或产品颜色或照射的变化所形成。
本发明的技术方案产生新颖的效果归于采用一种加权颜色信号的基本线性的合成技术，通过使用多色滤光摄象机以产生一种新的灰度信号，即这类多色摄象机的线性合成技术，其中的颜色用于增强灰色信息。通过下文的详细介绍，对于本发明的场合，在无噪音的情况下，可以产生100%的光强变化而不影响在例如上述金色和粉色基片区域的两个区域之间颜色差别的鉴别能力。对于这样的区域，假如采用传统的摄象机和滤光器方案，将只能允许光或颜色的差别变化小于10%(或最好不过20%)，恰当地介绍根据本发明提出的技术的功能，其极为适用作理想的预处理器，该预处理器作为各种类型、包括分析特定区域的复杂的空间和图形的匹配系统的检测系统。
参阅图1，所示光束分光器将已经从被检查表面或物体反射的照射源(未示出)来的光线分别射入两个通道，一个通道水平指向第一检测器1，例如一种CCD扫描灰度摄象机或类似物，如在所述专利中所介绍的，并且竖直指向一个在不同位置上的类似的探测器或摄象机2。每一个摄象机面向一个不同颜色的滤光器，该滤光器对应于表面或物体的不同颜色部分或区域，并分别用符号f1(W)和f2(W)来表示。然而，滤光器是明显被限定以能够滤出其它颜色或频率(或波长)，它们的光传输特性用表达式0≤f(W)≤1来限制。当然，理想的或理论上的状态应当是有一个最大值1的频谱区域，所有其余频率下为0，但是有限的清晰度和为了产生足够的检测光能(利用具有实际的信噪比的检测器)对足够通频带的要求，使之不能达到这样的效果。
根据本发明，各检测器1和2的输出通过适当选择下文介绍的放大系数a和b进行加权处理，两个乘法器x1和x2的输出在∑处被线性叠加，以产生一个最后的或合成的信号S。
在数学上，假如S(W)代表作为色频(或波长)的函数的光的频谱功率，为了使滤光器响应曲线间的反差达到最大，各放大器的输出可以分别如下式表示M1＝a∫f1(W)S(W)和M2＝b∫f2(W)S(W)(1)输出叠加信号为S＝∫〔af1(W)+bf2(W)〕S(W)，(2)可以更简化表达为S＝∫f(W)S(W)(3)应当注意到，f(W)不像普通滤光器那样限制在0≤f(W)≤1，而是能够自由选择，使颜色的反差达到最大。因此，确实做到制造一种有效的光电滤波和处理系统，其产生由表达式(3)所提供的一种新的灰色图象，其中，实际的滤光器的限制通过以最佳方式利用图象中的颜色频谱信息已经明显地放宽(或增强)了。
在讨论之前先与普通滤波技术作些比较，假设滤色器f1(W)是受到限制的，并且滤色器f2(W)与摄象机2配合使用以鉴别在该图象反射中的那种颜色。对于具有弱色吸收差和低反差的被照射物体或表面的区域，需要指出，照度变化将使得精确鉴别结果的获得变为困难。而在单个滤色器鉴别之前，对于10%的反差变化将会产生其输出可从0.9变化到1.0的信号，图1所示的电子滤波技术能够使所有通道从-1到+1变化，取决于所包含的频谱颜色。在全无彩色的(即为黑色区域)情况下，输出为0。因为利用本发明的技术的确能够获得高反差值，照射光强度能够有很大的改变，几乎达到100%，而该信号仍然可靠地被检测。
然而，在现行实践中，实际要考虑信噪比。在先有的常规简单滤光操作中，假如一个频谱范围提供输出为1，另一个为0.9，如前所述，那么一定量的噪声譬如说0.05可以被允许。在存在这种噪声的情况下，输出1将减少到0.95，并且输出0.9可能增加到0.95，这两者将是不能辨别的，不能被鉴别或区分。因此，噪声必须小于0.05或信噪比至少应达到20/1。
然而，在图1所示系统中，假如要求光照度的100%变化(当然，这个极端的要求是不实际的)，系统实际上能够实现这一点，不过信噪比将要求达到43/1。
借助使用两个不同颜色的滤光器f1(W)和f2(W)，如图1所示，在摄象机1和2的每一个单独的检测点的一个滤光器，可以使信噪比仅为27/1(与上述20/1是可比的)，光强100%的变化将产生+1至-1变化范围的信号。这仍然不是切实可行的;不过，通过仔细地选择前述的加权系数a和b，由于在实际的信噪比和所允许的一个非常大的或适合的亮度变化或颜色处理变化的范围之间进行最好的综合兼顾，信号S可以达到最优化，具有优异的反差和颜色辨别能力。
事实上，本发明的明显优点之一在于其不同于常规的滤光器，它的通频带由0和1来限定，0表示不通过一特定颜色，而1表示具有100%的传输率，本发明的电子滤波器远比一般的更有效。事实上，其增益作为频率的函数可以是正的和负的，如在图2所示电子滤波器的频率响应曲线所示，该曲线是相对于颜色信号频率W的方程(3)的图象。滤波器响应曲线的最大幅值标注幅值a，在该峰值和最小响应曲线值之间的差值(即最大差值)标示为数值-b。系数a和b作为图1所示各个乘法器x1和x2的放大系数。
为了介绍在本发明的场合下如何确定这些系数，先参阅图3A和3B例举的对两种感兴趣的颜色的频谱响应曲线的示例是有益的，这两种颜色为金色和蓝色或淡蓝色的本底，就频谱中的红色分量而言，蓝色或淡蓝色所具有的要少于金色，其倾向于产生淡蓝色的色调。比较图3A和图3B就会发现，较低频率R1的频带的频谱响应曲线非常相似于金色的频谱响应曲线。然而对较高频区域R2蓝色频率响应曲线增益多少低于金色，因此，在这样一个区域中，物体或表面的金色和淡蓝色区域的频谱输出是不同的。
假如，在物体或表面的金色和淡蓝色区域的范围R1中信号幅值的相近数值用符号C标注，在金色的较高颜色频率范围R2中的幅值用d表示，如图3A所示，在图3B的范围R2中的降低的蓝色区域响应曲线可以用de来表示，其中e是蓝色区域材料的吸收或衰减系数，即在金色区域中所检测的相同的起始的幅值要乘以该淡蓝色材料的这个系数e。实际的或对f(W)所希望的电子滤波作用包括使图3A的S1和图3B的S2之间的信号差值达到最大。这就要求检测淡蓝色区域的输出是1，这就与如前所述的利用先有滤光技术所得到的相对较小的鉴别能力(例如10%)形成对比。假如在范围R1中的数值用X1表示，在R2中的数值用X2表示，这将导出如下表达式，对S1，cX1+dx2＝-1;以及对S2，cx1+dex2＝1 (4)因为c和d能够易于测定(即，以较低和较高频率来自金色区域的反射信号输出)，e是一个衰减系数，它也能够测定，因此是已知的，x1和x1的各个数值易于确定X1＝ (1+e)/(C(1-e)) 以及X2＝ -2/(d(1-e)) (5)作为一个例子，假如c和d的数值是1，而衰减系数e是0.9，由方程(5)得出滤波器响应值x1为19，滤波器响应值x2为-20。为了实现本发明的结构设计，所需的加权系数已经确定，a等于滤波器响应曲线的峰值(19，如以上确定值)，b等于滤光器的负峰值与正峰值之间的差值(-20-19＝-39，如上述确定值)。
那么，将这些已确定的加权系数a和b纳入到图1所示的系统和上述方程(4)中，对于金色得出所期望的信号S1为-1，对淡蓝色信号S2为1，增量为2。不用本发明的系统，如前所述，S1可能是1，S2为0.9。随着被扫描的物体或表面的照度降低10%，先有技术会使S1降低到0.9，S2降低到0.8，这就可能易于造成颜色模糊，反之，采用本发明，S1降到0.9，S2降到-0.9，本发明令人信服地提供了一种迄今为止前所未有的宽范围的可检测的反差和颜色分辨力，并且即使在光强度变化高达几乎100%(如前所述)也如此。如前所述，对处在处理过程中的物体或表面的颜色变化，也适用类似的解释。
在实际采用本发明的技术时，使来自不同滤光摄象机的图象精确校准是很重要的。通过使用重叠边界标志等技术，这点易于实现。
虽然已经按照两种颜色工作方式对本发明做了解释性的介绍，它也可以扩展到其它多色系统，结合图4A和图4B的实施例进行更一般的介绍。该图所示的反射图象穿过一系列分光器1-N，其后经过各自不同的颜色的滤光器1-N，各滤光器面对产生输出信号D1-DN的摄象机或检测器Detl-N，如图4A所示。用与结合图1所示的两种颜色系统所说明的同样的方式，通过选择各自的适当的加权系数对每一种颜色检测鉴别寻找最好的线性组合，例如a1、b1、c1…z1，对第一种颜色，将该系数乘以相应的信号D1…DN，将这些信号进行线性叠加获得信号C1，其设计是在将第一种颜色考虑成图4B是最右方的时，得到一个任选的或最大的输出。对第二种颜色以同样的方式，将各输出量D1…DN乘以适当的加权系数a2、b2、c2…z2并求和(图4B，中部)，以此类推至第n种颜色，其中用加权系数an，bn，cn…zn分别乘以信号D1…DN并以它们求和(图4B左侧)，以便对第n种颜色求得最大输出。在这样一种情况下，考虑到采样是由C1、C2…Cn组成的，所得最强颜色可以反映某一特定区域的颜色这一事实，可以增加点更强的智能功能。这是因为这些信号已经利用加权系数实现最佳化，因此，直觉就知道，对某一种指定的颜色，如果其输出量明确超出其它颜色的输出量，那么就可以鉴别出这个所希望检测的区域。
在更复杂的问题当中，信号C1到CN能够以综合方式进行分析，以确定代表什么材料。例如，假如不是以数字形式给出，则信号C1到CN可以通过数字化变成多个比特信号，并加到随机存取存储器RAM或只读存储器ROM的地址线，如图5所示标示。RAM或ROM可以编程以便其输出线通过把与特定种类的材料相对应的信号C1到Cn(材料1…N，比如铝、金、石英等)的组合，存储到其存储器内来指示或鉴别现存的材料的类型。
在固态基片的情况下，经常遇到的各种颜色是金色的导体、粉色基底区域以及代表在半导体中的不同处理加工区的蓝色和黄色区域。有相当密集的指示这些不同颜色的存储器安装在这个仪器的器件中。可以检查连续的各层，一次一层，首先选择具有指定颜色的顶层，并由邻近区域的颜色鉴别或辨别相同的区域。将本发明的技术用于电路板时，铜导体再现多少带点金褐色，环氧树脂本底一般为淡绿色，在铜层顶部的焊剂呈银色。对于检查机械结构的应用场合，希望测定某些特征尺寸，这些特征是导体、线路等等，这就要求具有检测和鉴别这些特征存在的能力。在多频谱或多色图象电子滤波的过程中，在图象扫描过程中，本发明连同在反差方向所作改进特别地增强了那些线路的可以得到的反差，从而能够改进尺寸或其它特征的测定。
然而，如前所述，本发明也能适用于检查其它类型的多色体或表面，包括食品表面检查的另外介绍的应用场合，颜色鉴别可以有助于质量控制和/或检测腐败(例如，用红色的固有状态反映草莓或西红柿的质量，用褐色反映反常)。当然，还有许许多多其它类型的系统，其要求高的反差，并对照度或处理颜色的变化相对而言是不敏感的，以便将一种颜色区域与其邻近或环绕的不同颜色区域辨别出来。
对本技术领域的熟练技术人员来说可以进行进一步改进，这些改进也被认为落在本发明所提出的权利要求所限定的范围内。
权利要求
1.一种通过照射光在物体或表面上的反射，自动检测和鉴别其上具有不同颜色的区域的方法，包括在一些各自分开的部位独立地接收和以电子学方式检测该物体或表面所反射的光的图象信号；在每一个部位，对图象信号的不同颜色的光信号进行滤光，用以从该检测信号中产生相应于各个滤光步骤的不同频谱特性的不同信号；对每一个所述信号用所选择的不同加权系数相乘，以使在不同的已滤光信号之间的信号反差实现最优；对倍乘的信号线性叠加，产生一个具有足够信号反差范围的电子滤波合成信号，使得所实现的颜色鉴别能力不受光强度大范围变化的影响，也不受该物体或表面在处理过程中产生颜色变化的影响。
2.如权利要求1限定的方法，其中，用两个扫描摄象机进行图象信号的接收和检测，每一摄象机被针对不同的颜色滤光，该颜色相应于反射光线的物体或表面的不同区域;进行加权系数选择，使由两摄象机滤光的响应曲线间的对比度达到最大。
3.如权利要求2所限定的方法，其中的物体是一固态基片，它的导体部分是金色的，环绕的区域基本上粉红色、蓝色和黄色中的一种颜色;对应于导体部分颜色和至少一种环绕区域的颜色选择进行不同的滤色步骤。
4.如权利要求2所限定的方法，其中的物体是印刷电路板，它的导体部分是铜色，环绕的区域是绿色的，对应于导体部分和环绕区域的颜色选择进行不同的滤色步骤。
5.一种通过照射光在物体或表面上的反射来辨别其上具有不同颜色区域的自动检查装置，包括多个各自分开的光图象检测装置，例如扫描摄象机，用以产生对应于所接收的光图象的电子信号;用以使由物体或表面上反射的光图象射到每一个检测装置上的装置;滤光装置，位于第一个检测装置的前方，并对应于所要进行检测的物体或表面的每一个具有不同颜色的区域;乘法装置，把所选择的对应的、不同的加权系数乘以由每一个检测装置产生的所述信号，从而使各滤波响应曲线间的对比度达到最大，使得在不同滤波颜色之间的信号反差实现最优;线性叠加已放大信号的装置，用于产生具有足够信号反差范围的电子滤波的合成信号，所提供的颜色鉴别力不受光强度大范围变化的影响，也不受由于物体或表面的加工而引起颜色变化的影响。
6.如权利要求5所限定的装置，其中装有校准装置，用于校准根据每一个检测装置得到的所述反射的光图象。
7.如权利要求5所限定的装置，其中一些检测装置包括至少一对具有预定灰度的电子摄象机，例如电荷耦合器件(CCD)摄象机，以及相对应的一对滤光器，因此对应于检查中的物体或表面待辨别的具有两种不同颜色的区域;选择加权系数，以使一对滤光频谱响应曲线间的对比度达到最大，利用所述合成信号产生一个包含正在处理的图象中的光的频谱信息的具有不同灰度的图象响应度，以最佳方式避免了对照度和其它反差值的限制。
8.如权利要求7所限定的装置，其中所述的物体是固态基片，它的导体部分具有一种颜色，环绕区域为另一种颜色，对应于所述一种和另一种颜色选择一对滤光器。
9.如权利要求8所限定的装置，其中所述的一种颜色是金色的，另外一种颜色基本上是粉色、蓝色和黄色中的一种颜色。
10.如权利要求9所限定的装置，其中，加权系数乘以来自各摄象机接收的金色滤色信号和另外一种颜色的滤色信号，该加权系数分别是19和-39。
11.如权利要求7所限定的装置，其中所述的物体是印刷电路板，它的导电部分为铜色，它的环绕区域为绿色;对应于导体部分和环绕区域的颜色选择一对滤光器。
12.如权利要求11所限定的装置，其中邻近铜色导体部分的区域还包括银色焊剂，并带有一个用于其中一个检测装置的、作银色滤光的滤光器。
13.如权利要求7所限定的装置，其中所述的物体是食品，一种颜色反映优质状况，用另外一种颜色反映其中的反常情况，例如损坏;与所述一种和另一种颜色相应来选择一对滤光器。
14.如权利要求1所限定的方法，其中还包括步骤由所述信号对具有不同检查区域的材料进行鉴别。
15.如权利要求14所限定的方法，其中，通过将对应于特定区域材料的所述信号的组合进行存储，并响应于检测这样的信号组合而显示该材料来进行鉴别。
16.如权利要求5所述的装置，其中，提供一个用以从所述信号中鉴别具有不同检查区域的材料的装置。
全文摘要
一种鉴别物体或表面的不同颜色区域(如固态基片、印刷电路板等一种区域与其邻接区域具有不同颜色的物体)的自动检测技术和装置，包括使用至少一对各自分开的光图象检测器，对物体或表面的不同颜色区域配备不同颜色的滤光器；利用所选择的加权系数乘以检测信号作电子滤波处理，以使在滤波器响应曲线之间的反应比达到最大，然后对倍乘的信号线性叠加。从而实现了检测结果与光强的宽范围变化及在制作或处理物体过程中的颜色变化无关。
文档编号G01R31/308GK1077028SQ9310225
公开日1993年10月6日 申请日期1993年3月12日 优先权日1992年3月12日
发明者罗伯特·比莎普, 理查德·达蒙 申请人:贝尔特隆尼克斯有限公司