基于LED技術(shù)在自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)AOI系統(tǒng)的研究應(yīng)用

浙江工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陳 功 繆阿海

隨著電子工業(yè)的日益發(fā)達(dá)，不論是消費(fèi)性電子產(chǎn)品或是需要高精確度的電子計(jì)算機(jī)均需以優(yōu)良的印刷電路板為基礎(chǔ)。自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)是在批量生產(chǎn)中采用的一種在線檢測(cè)方法，AOI檢測(cè)系統(tǒng)是將PCB板上的器件或者特征比如焊點(diǎn)捕捉成像并且通過(guò)軟件處理，判斷這一器件或者特征是否完好，然后得出檢測(cè)結(jié)果判斷諸如元件缺失、極性反轉(zhuǎn)、焊接錫橋或者焊點(diǎn)質(zhì)量問(wèn)題等。隨著高密度PCB電路布線和高產(chǎn)量的要求，PCB板的檢測(cè)最早采用人工目測(cè)方式，人工目測(cè)方式不能滿足可靠性的要求。自動(dòng)光學(xué)AOI的檢測(cè)技術(shù)不僅能檢查人工目測(cè)無(wú)法查出的缺陷外，還可以檢測(cè)到在線測(cè)試針床無(wú)法接觸到的元器件和焊接點(diǎn)，提高缺陷覆蓋率。自動(dòng)光學(xué)AOI的檢測(cè)技術(shù)還能把生產(chǎn)過(guò)程中各工序的工作質(zhì)量以及出現(xiàn)缺陷的類(lèi)型等情況收集并反饋回來(lái)，供工藝控制人員分析和管理降低印刷電路板廢品率。自動(dòng)光學(xué)AOI的檢測(cè)技術(shù)是一個(gè)日益廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，在PCB板領(lǐng)域、半導(dǎo)體、陶瓷基片印刷線路、太陽(yáng)能以及煙草、布匹、紙張、汽車(chē)制造等很多生產(chǎn)領(lǐng)域都發(fā)揮作用。自動(dòng)光學(xué)AOI的檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)日益為自動(dòng)化檢測(cè)取代人工在很多方面起著越來(lái)越大的推動(dòng)作用。從AOI系統(tǒng)中的多光源照明系統(tǒng)出發(fā)，重點(diǎn)研究AOI系統(tǒng)中LED照明光源與驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)，避開(kāi)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的一些弊端，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)的過(guò)程節(jié)約成本提高效率。

1.自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)AOI系統(tǒng)

自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)AOI系統(tǒng)主要有多光源照明系統(tǒng)、高速數(shù)字?jǐn)z像機(jī)攝像系統(tǒng)、高速精密機(jī)械控制系統(tǒng)和PC機(jī)圖形處理系統(tǒng)組成。自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)AOI系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)AOI系統(tǒng)框圖

(1)多光源照明系統(tǒng)

在AOI檢測(cè)系統(tǒng)中，好的光源和照明方案往往是整個(gè)系統(tǒng)成敗的關(guān)鍵，起著非常重要的作用，它不是簡(jiǎn)單的照亮物體而已。光源與照明方案的配合應(yīng)盡可能地突出物體特征量，在物體需要檢測(cè)的部分考慮光源與光學(xué)鏡頭的相對(duì)位置、物體表面的紋理，物體的幾何形狀、背景等要素。光源的必須符合所需要的幾何形狀、照明亮度、均勻度、發(fā)光的光譜特性等，同時(shí)還要考慮光源的發(fā)光效率和使用壽命。

表1 各種光源對(duì)比

(2)高速精密機(jī)械控制系統(tǒng)

在對(duì)每一塊PCB板進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，AOI系統(tǒng)的工作臺(tái)都要自動(dòng)運(yùn)動(dòng)到攝像頭位置，進(jìn)行圖像攝取動(dòng)作。因此要實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)的精密準(zhǔn)確運(yùn)行，才能完成正確的檢測(cè)過(guò)程。

(3)高速數(shù)字?jǐn)z像機(jī)攝像系統(tǒng)

在AOI的CCD攝像系統(tǒng)中，主要解決兩大難題：一是CCD攝像系統(tǒng)的集成，包括圖像攝取、數(shù)據(jù)傳輸、圖像處理技術(shù)；二是算法，主要涉及到元件識(shí)別、圖像處理速度等問(wèn)題。CCD攝像系統(tǒng)可以通過(guò)人機(jī)界面與數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和標(biāo)定系統(tǒng)交換信息，通過(guò)人跡界面可以觸發(fā)視覺(jué)系統(tǒng)，進(jìn)行圖像實(shí)時(shí)采集、關(guān)閉采集、讀入圖像、顯示圖像等功能。人機(jī)界面發(fā)送作業(yè)命令時(shí)，由CCD攝像系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)掃描。

(4)PC機(jī)圖形處理系統(tǒng)

AOI系統(tǒng)軟件要有強(qiáng)大的安全保護(hù)和平穩(wěn)的數(shù)據(jù)庫(kù)、網(wǎng)絡(luò)支持等特性。軟件的核心有運(yùn)動(dòng)控制、視覺(jué)處理及算法三大部分組成，用戶通過(guò)視窗界面完成各種運(yùn)動(dòng)控制、視覺(jué)識(shí)別；軟件支持工藝數(shù)據(jù)編程，真正實(shí)現(xiàn)了工藝編程的所見(jiàn)所得特性；同時(shí)軟件支持多種方式的作業(yè)模擬與仿真，使操作人員在批量作業(yè)前驗(yàn)證和測(cè)試作業(yè)數(shù)據(jù)，避免出現(xiàn)漏檢和誤檢。

多光源照明技術(shù)、高速數(shù)字?jǐn)z像機(jī)攝像系統(tǒng)、高速精密機(jī)械控制系統(tǒng)和PC機(jī)圖形處理系統(tǒng)相互結(jié)合，使得PCB的光學(xué)檢測(cè)水平得到極大提高。

多光源照明系統(tǒng)位于檢測(cè)系統(tǒng)的前端，其性能直接影響著采集圖像的質(zhì)量和后續(xù)的圖像算法處理。在自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)的實(shí)際應(yīng)用中，光源并不僅僅是為照亮物體而設(shè)計(jì)的，光源和照明方案的好壞往往直接影響著圖像的成像質(zhì)量，間接決定了整個(gè)系統(tǒng)的成敗。在對(duì)物體的檢測(cè)過(guò)程中，光源起著決定性的作用。常見(jiàn)光源有：白熾燈、鹵鎢燈、熒光燈、鈉燈、金屬鹵化物燈、氙燈、LED光源，激光等詳細(xì)參數(shù)見(jiàn)表1所示。不同的光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)的照明設(shè)計(jì)總是不一樣的，這是因?yàn)橛绊懻彰鞣桨傅囊蛩胤浅６?。例如光的?qiáng)度、顏色、均勻性、光源的結(jié)構(gòu)、大小、照明方式以及被測(cè)物體的光學(xué)特性、距離、物體大小、背景特性等。

從性價(jià)比來(lái)考慮，白熾燈光源AOI是一般企業(yè)較佳選擇，如果參數(shù)編輯恰當(dāng)，假缺陷誤報(bào)會(huì)大幅度降度，漏檢率也很低。目前最明顯的發(fā)展趨勢(shì)是采用發(fā)光二極管(LED)光源，選用高亮度LED作為光源，使用壽命長(zhǎng)60000-100000小時(shí)，光的單色性好，便于提高測(cè)量精度，安裝空間較小，可以根據(jù)對(duì)照明光強(qiáng)的實(shí)際需要方便地增加和減少LED數(shù)目。由于LED光源是采用多顆LED排列而成，可以設(shè)計(jì)成復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)不同的光源照射角度，有多種顏色可選，包括紅、綠、藍(lán)、白，還有紅外、紫外。至于冷光源，是一種近幾年發(fā)展起來(lái)的新型照明光源，用光導(dǎo)纖維傳光束（簡(jiǎn)稱光纜）將其發(fā)出的光束傳至照明的地方。它的輸出的可見(jiàn)光具有基本上無(wú)熱量、高強(qiáng)度、無(wú)陰影、無(wú)震動(dòng)、多級(jí)可調(diào)光等優(yōu)點(diǎn)，針對(duì)不同檢測(cè)物體的表面特征和材質(zhì)，選用不同顏色，也就是不同波長(zhǎng)的光源，達(dá)到理想效果。LED光源的最大優(yōu)點(diǎn)是發(fā)光效率高、響應(yīng)速度快、體積小、發(fā)熱小、功耗低、發(fā)光穩(wěn)定、壽命長(zhǎng)、易于組成不同形狀的光源等等。在照明技術(shù)中光源的特性是最重要的。

光源控制器由于LED是特性敏感的半導(dǎo)體器件，又具有負(fù)溫度特性，因而在應(yīng)用過(guò)程中需要對(duì)其進(jìn)行穩(wěn)定工作狀態(tài)和保護(hù)，從而產(chǎn)生了驅(qū)動(dòng)的概念。LED作為驅(qū)動(dòng)電路的負(fù)載，經(jīng)常需要幾十個(gè)甚至上百個(gè)組合在一起構(gòu)成發(fā)光組件，選用什么樣的LED驅(qū)動(dòng)器，LED作為負(fù)載采用什么樣的連接方式，直接關(guān)系到其可靠性和壽命。LED器件對(duì)驅(qū)動(dòng)電源的要求近乎于苛刻，LED不像普通的白熾燈泡，可以直接連接220V的交流市電。LED是2～3.5伏的低電壓驅(qū)動(dòng)，必須要設(shè)計(jì)復(fù)雜的變換電路，不同用途的LED燈，要配備不同的電源驅(qū)動(dòng)器。LED燈的發(fā)光強(qiáng)度是由流過(guò)LED的電流決定的，電流過(guò)中會(huì)引起LED的衰減，電流過(guò)弱會(huì)影響LED的發(fā)光強(qiáng)度，因此LED驅(qū)動(dòng)需要提供恒流電源，以保證LED使用的安全性，還需要滿足預(yù)期的亮度要求，并保證各個(gè)LED亮度、色度的一致性。所以傳統(tǒng)上用于驅(qū)動(dòng)燈泡（鎢絲）、日光燈、節(jié)能燈、鈉燈等光源并不適合直接驅(qū)動(dòng)LED。LED驅(qū)動(dòng)器即供電電路涉及及電源本身效率，電源本身效率低就無(wú)法體現(xiàn)節(jié)能效果，提高驅(qū)動(dòng)效率也是充分體現(xiàn)半導(dǎo)體照明優(yōu)越性的關(guān)鍵。同時(shí)，LED大規(guī)模應(yīng)用時(shí)，常常因?yàn)殡娫磯勖黄ヅ?、可靠性不足等?wèn)題影響LED產(chǎn)品的可靠性。要充分發(fā)揮LED燈的潛能，照明驅(qū)動(dòng)電源是關(guān)鍵的支撐因素之一。國(guó)際市場(chǎng)上國(guó)外客戶對(duì)LED驅(qū)動(dòng)電源的效率轉(zhuǎn)換、有效功率、恒流精度、電源壽命、電磁兼容、異常保護(hù)的要求都非常高，設(shè)計(jì)一款好的電源必須要綜合考慮這些因數(shù)，因?yàn)殡娫吹淖饔镁秃帽认袢说男呐K一樣重要，必須要有個(gè)好的芯片作為保障，否則就是個(gè)華而不實(shí)的空殼。

2.光源設(shè)計(jì)涉及到的重要因素

光源設(shè)計(jì)涉及到的重要因素有：

(1)光譜特征是由單一的或者多種成分的光譜組成的。光的顏色取決于光源所產(chǎn)生的光的類(lèi)型，以及覆蓋在光源或攝像機(jī)鏡頭上的光學(xué)濾色鏡。光源的顏色及測(cè)量物體表面的顏色決定了反射到攝像頭的光能的大小及波長(zhǎng)。分析多種顏色特征來(lái)選擇光源的時(shí)候，色溫是一個(gè)比較重要的因素。在實(shí)際的應(yīng)用中，要考慮到顏色的因數(shù)。光的三原色：紅、綠、藍(lán)；色彩三原色：青、紫、黃。世界上所有顏色都是由三原色按不同比例組合而成如圖2所示。

(2)對(duì)比度：對(duì)比度對(duì)光學(xué)檢測(cè)來(lái)說(shuō)非常重要。對(duì)比度定義為在關(guān)鍵特征與其周?chē)膮^(qū)域之間有足夠的灰度量區(qū)別。光學(xué)檢測(cè)中照明的最重要任務(wù)就是使需要被觀察的特征與需要被忽略的圖像特征之間產(chǎn)生最大的對(duì)比度，從而易于特征的區(qū)分。好的照明應(yīng)該能夠保證需要檢測(cè)的特征突出于其他背景。

(3)亮度：當(dāng)選擇兩種光源的時(shí)候，最佳的選擇是更亮的那個(gè)。光源不夠亮?xí)r，可能有三種不好的情況出現(xiàn)：第一、相機(jī)的信噪比不夠，由于光源的亮度不夠，圖像的對(duì)比度必然不夠，在圖像上出現(xiàn)噪聲的可能性也隨即增大；第二、光源的亮度不夠，必然要加大光圈，從而減小了景深；第三、當(dāng)光源的亮度不夠時(shí)，自然光等隨機(jī)光對(duì)系統(tǒng)的影響會(huì)最大。

圖2 三原色按不同比例組合圖

(4)均勻性：在自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)中，幾乎要求均勻的光照。因?yàn)樗械墓庠措S著距離的增加和照射角度的偏離，其照射強(qiáng)度減小，所以在對(duì)大面積物體照明時(shí)會(huì)帶來(lái)較大的問(wèn)題。

(5)效率：有些光源效率很高，相對(duì)于能量的消耗，其散發(fā)出更加多的光能，例如熒光燈。而鎢燈，產(chǎn)生相當(dāng)多的熱量，能量消耗也很大。一般，光源的溫度越高，其壽命就會(huì)縮短，其消耗的能量就相對(duì)較高。

3.總結(jié)

許多光源需要在自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)AOI系統(tǒng)的使用過(guò)程中更換。如果光源很昂貴，在使用過(guò)程中可能會(huì)增大后期費(fèi)用。光源控制器采用100-220V交流電壓供電，LED光源提供持續(xù)穩(wěn)定的電壓，采用高速光耦隔離設(shè)計(jì)，既實(shí)現(xiàn)安全隔離防止了控制器與其他電路系統(tǒng)之間的相互干擾又可以滿足高于高速數(shù)字?jǐn)z像機(jī)的快門(mén)。自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)AOI系統(tǒng)中應(yīng)用的LED的發(fā)光等級(jí)或亮度通常與正向電流的大小正比，為滿足不同的輸入電壓、輸入電流及不同的LED數(shù)量的要求，通過(guò)控制光源控制器除了可驅(qū)動(dòng)白光LED外也可驅(qū)動(dòng)藍(lán)光LED或者其它顏色的LED光源的要求。自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)AOI系統(tǒng)的控制光源控制器可以實(shí)現(xiàn)為光源提供照明強(qiáng)度的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)和燈光顏色的改變。外觸發(fā)靈活，高低平可選，適應(yīng)不同的外部傳感器。無(wú)觸發(fā)時(shí)光源常亮；體積小，操作簡(jiǎn)單。自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)AOI系統(tǒng)通過(guò)LED的電流不應(yīng)該超過(guò)設(shè)備規(guī)定的額定電流，否則可能造成永久傷害。

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