自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)設(shè)備在智能化發(fā)展中的重要作用探討

顧歡歡

[摘 ? ?要 ]光學(xué)檢測(cè)是光電原理結(jié)合機(jī)械測(cè)量的一種高等級(jí)測(cè)量技術(shù)，也叫做光學(xué)測(cè)量，具有復(fù)雜性、專業(yè)性的特點(diǎn)，在對(duì)精準(zhǔn)度要求較高的加工業(yè)、工業(yè)設(shè)計(jì)中應(yīng)用較多。常用的光學(xué)檢測(cè)設(shè)備有光學(xué)影像測(cè)量?jī)x、坐標(biāo)測(cè)量?jī)x等，可以獲得更加精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)?，F(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)的光學(xué)測(cè)量工作還有很大的完善空間，比如光學(xué)影像的生成、圖形數(shù)據(jù)的處理能力等方面仍有許多不足之處。本文綜述了智能化發(fā)展過(guò)程中，自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)設(shè)備的應(yīng)用價(jià)值。

[關(guān)鍵詞]自動(dòng)光學(xué)檢測(cè);智能化發(fā)展;成像;圖像處理

[中圖分類號(hào)]TN405 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2020）07–00–03

[Abstract]Optical inspection is a high-level measurement technology that combines photoelectric principles with mechanical measurement. It is also called optical measurement. It has the characteristics of complexity and professionalism. It is often used in processing industries and industrial designs that require high accuracy. Commonly used optical inspection equipment includes optical image measuring instrument， coordinate measuring instrument， etc.， which can obtain more accurate data. At this stage， there is still a lot of room for improvement in domestic optical measurement work. For example， there are still many shortcomings in optical image generation and graphics data processing capabilities. This article summarizes the application value of automatic optical inspection equipment in the process of intelligent development.

[Keywords]automatic optical inspection; intelligent development; imaging; image processing

1 自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)技術(shù)介紹

1.1 光源照明技術(shù)

自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)所能攝取到的目標(biāo)信息的種類通常取決于光源照明技術(shù)，這一技術(shù)涉及了打光的技巧和照明方法。以缺陷檢測(cè)為例，如果光強(qiáng)和方位發(fā)生改變，那么攝像機(jī)分辨缺陷信息的能力和自身的敏感度就會(huì)明顯下降，特別是在曲率變化大、光學(xué)反射率較強(qiáng)的復(fù)雜表面的檢測(cè)中，比如BGA封裝中的半球形引腳，如何選擇光源以及打光方式便顯得十分重要。自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)中應(yīng)用較多的照明方式有直接照明+散射照明、偏振照明、結(jié)構(gòu)照明+均勻照明、傾斜照明+同軸照明、明場(chǎng)照明+暗場(chǎng)照明等，每一種照明光源所發(fā)出的顏色、色溫等有一定差異。照明方式的選擇，決定了是否能在攝像機(jī)所捕捉的圖像中得到想要的信息。常用的照明光源包括激光、LED、熒光以及鹵素?zé)?光纖導(dǎo)管，這些光源各有優(yōu)劣，比如熒光燈的不足之處是穩(wěn)定性、亮度比較遜色，在機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)中的應(yīng)用受到限制。鹵素?zé)?光纖導(dǎo)管的價(jià)格十分昂貴，使用壽命短，性價(jià)比低，必須定期更換燈泡，否則亮度會(huì)降低.LED盡管使用壽命長(zhǎng)、穩(wěn)定性良好，但亮度明顯遜色于鹵素?zé)?光纖導(dǎo)管。光源的選擇還應(yīng)根據(jù)自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)的場(chǎng)合來(lái)定，LED不僅顏色豐富，而且穩(wěn)定性和使用壽命出色，可以通過(guò)組合多個(gè)LED來(lái)產(chǎn)生多種照明方式，只要光源顏色合理，即使是在復(fù)雜的背景中，LED依然可以突出檢測(cè)目標(biāo)的特點(diǎn)，消除干擾因素，所以在自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用最為廣泛。日本Moritex和SCS、德國(guó)Schott、美國(guó)Ai和Photonscope Inc以及新加坡Oriental system Engneering Pet Ltd等廠家都可以生產(chǎn)用于自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)的LED照明光源，但商品化的LED光源模組并不能百分百滿足自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)的特殊要求，需要根據(jù)檢測(cè)對(duì)象、組裝線的空間大小來(lái)讓廠家設(shè)計(jì)專用的LED照明光源。

1.2 圖像處理和圖形識(shí)別算法

圖像經(jīng)過(guò)預(yù)處理后，采用這一技術(shù)可以辨別圖像中的零部件以及所在位置、所處方向，還能檢驗(yàn)零部件的質(zhì)量。20世紀(jì)90年代之前，Cognex公司之所以能夠在自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)行業(yè)中取得輝煌成就，主要是因?yàn)楣狙邪l(fā)出了“歸一化相關(guān)”模板的匹配方法，而且計(jì)算方法不會(huì)被檢測(cè)對(duì)象的光照對(duì)比度、圖像攝取時(shí)絕對(duì)光照強(qiáng)度所影響，可以給出亞像素精度的最理想的匹配結(jié)果。即使是在有缺損、有污染的環(huán)境下檢測(cè)，同樣可以獲得準(zhǔn)確的匹配效果，但該技術(shù)并不具備縮放功能，也就無(wú)法實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)不變性。1998年，Cognex對(duì)“歸一化相關(guān)”的匹配算法進(jìn)行了改進(jìn)，在遺傳算法的基礎(chǔ)上研究出了PatMax這種模板匹配方法，該方法不僅具備“歸一化相關(guān)”匹配方法的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)和縮放的不變性。繼PatMax之后，National Instuments、Germanys Stemmer Imaging、Matrox、Coreco、MVTec Halcon等公司也都研究出了類似算法，盡管這些算法很好的解決了目標(biāo)識(shí)別、目標(biāo)定位、裝配機(jī)械的運(yùn)動(dòng)控制等問(wèn)題，然而在實(shí)際的生產(chǎn)中，自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)的主要功能是在線檢測(cè)，比如藥品、食品的玻璃瓶封裝工作中，通過(guò)自動(dòng)光學(xué)技術(shù)來(lái)檢測(cè)瓶蓋的密封性是否合乎標(biāo)準(zhǔn)。在組裝PCB板的過(guò)程中，檢測(cè)元器件的擺放位置是否正確，器件的引腳與焊盤的對(duì)接是否準(zhǔn)確等。還有在組裝精密微機(jī)電系統(tǒng)中，零部件表面異常光滑，成像后特征的對(duì)比度較小，很可能被復(fù)雜的背景所掩蓋，如何在低對(duì)比度的條件下提取目標(biāo)特點(diǎn)成為新的問(wèn)題。解決這些問(wèn)題，需要用到圖像處理技術(shù)和打光技術(shù)。如果合理設(shè)計(jì)照明光源，就會(huì)提高光照方向的對(duì)比度，也就會(huì)降低圖像處理難度。三維空間的方位辨識(shí)和成像方法有關(guān)，在低對(duì)比度的條件下，最先解決的應(yīng)該是如何提取圖像中的特征，盡管現(xiàn)階段已經(jīng)研究出了許多高級(jí)的算法，但每一種算法只適用于某種特定的場(chǎng)合，而且只有在高度限制的條件下才有效，這在很大程度上限制了自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展。

1.3 成像技術(shù)

高速點(diǎn)掃描、光電倍增管采集掃描點(diǎn)散射光成像等都是自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)中應(yīng)用較多的成像技術(shù)。線陣與面陣CCD或者CMOS傳感器都是常用的光學(xué)成像傳感器，CCD傳感器的優(yōu)勢(shì)是線性好、信噪比高，CMOS傳感器具有動(dòng)態(tài)范圍大、速度快的特點(diǎn)，具體選擇還應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況而定。CCD傳感器適用于精密測(cè)量，CMOS傳感器更適合用在成像物體表面的凡涉、散射光較強(qiáng)的場(chǎng)合。如果是大范圍、高精度的成像，通常需要聯(lián)合顯微和掃描兩種方法，利用高精度的移動(dòng)機(jī)臺(tái)來(lái)獲得高精度圖像?，F(xiàn)階段的技術(shù)水平，要想在短時(shí)間內(nèi)在不同燈光照射下拍攝幾幅清晰的圖像，或者用多臺(tái)攝像機(jī)在不同位置拍攝圖像，是非常容易實(shí)現(xiàn)的。如今CCD與CMOS器件已經(jīng)非常成熟，組裝而成的攝像機(jī)無(wú)論是速度、精度還是清晰度都達(dá)到了相當(dāng)高的水平。使用固定光照，在距離變動(dòng)不大的條件下拍攝清晰的圖像幾乎沒(méi)有難度，使用X、Y絲杠、交直流伺服電機(jī)和精密導(dǎo)軌按照預(yù)定編好的程序，讓拍攝目標(biāo)與攝像機(jī)保持相對(duì)運(yùn)動(dòng)，然后根據(jù)“運(yùn)動(dòng)-拍攝-運(yùn)動(dòng)”掃描成像規(guī)律進(jìn)行拍攝，目前這種機(jī)械結(jié)構(gòu)和自動(dòng)控制相結(jié)合的技術(shù)已經(jīng)非常成熟，但大范圍的掃描機(jī)臺(tái)，定位精度通常在微米級(jí)以下，如果想獲得亞微米或者納米級(jí)的精度，以現(xiàn)階段的技術(shù)而言并不容易實(shí)現(xiàn)。

以上幾種成像技術(shù)所得到的主要是二維圖像，如果想要獲得三維圖像，通常需要用到兩個(gè)以上的攝像機(jī)，并且在不同位置進(jìn)行拍攝，或者改變燈光的照射角度，用同一臺(tái)攝像機(jī)拍攝不同圖像，然后在綜合分析的基礎(chǔ)上獲得真實(shí)、立體的表述;也可以通過(guò)激光三角法獲得物體的三維重構(gòu)圖像。

1.4 高速圖像預(yù)處理技術(shù)

在一些生產(chǎn)線上，通常需要多臺(tái)攝像機(jī)來(lái)完成目標(biāo)定位、方位、形貌、高度和缺陷的檢測(cè)，圖像數(shù)據(jù)量龐大，如果14臺(tái)9126像素的HS-80-08K80CameraLink線陣掃描攝像機(jī)共同組成了某個(gè)型號(hào)的TFT-LCD玻璃底板表面缺陷的視覺(jué)檢測(cè)設(shè)備，每臺(tái)攝像機(jī)的數(shù)據(jù)速度最高可達(dá)到640MHz，那么掃描檢測(cè)7.5代玻璃底板表面所獲得的圖像大小為584.76GB，圖像的總處理時(shí)間必須在84.55s以內(nèi)。

目前很多廠家通過(guò)CameraLink、Gigabit Ethernet或者1394接口的數(shù)碼攝像機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)處理能力，通過(guò)接口板，將每臺(tái)攝像機(jī)輸出的圖像分配至一臺(tái)或者幾臺(tái)CPU進(jìn)行處理，圖像預(yù)處理會(huì)采用多圖像處理卡、處理器分布式并行預(yù)處理架構(gòu)方式，比如PROCStrII、Odyssey等實(shí)時(shí)圖像處理卡組成的多臺(tái)計(jì)算機(jī)分布實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)，數(shù)據(jù)處理的速度高達(dá)420MB/sec。

如今，PC機(jī)CPU的處理能力不斷提高，通用工控CPU具有成本低、可靠性強(qiáng)、研發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)，可自動(dòng)把一幅圖像分成兩塊或者四塊，然后把每塊圖像交給一個(gè)工控CPU進(jìn)行高速處理，工控CPU具備信息交換功能，每個(gè)工控CPU的處理結(jié)果通過(guò)一臺(tái)主控機(jī)進(jìn)行合成，圖像的預(yù)處理速度能夠達(dá)到640MB/sec。

2 自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)的檢測(cè)形式

（1）在SMT生產(chǎn)中，包括錫膏印刷工藝端的檢測(cè)、爐后焊接完成后的綜合檢測(cè)（自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)）、爐前貼片后貼裝工藝檢測(cè)（自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)）。

（2）在波峰焊接的生產(chǎn)中，主要包括波峰爐前插件元件檢測(cè)和爐后焊接后，焊點(diǎn)面的檢測(cè)。

上述檢測(cè)流程中，只有錫膏印刷采用的是SPI檢測(cè)，其他全部采用自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)。SPI是一種通過(guò)相位調(diào)制輪廓進(jìn)行測(cè)量的技術(shù)，在結(jié)構(gòu)光柵正弦運(yùn)動(dòng)投影的基礎(chǔ)上，通過(guò)離散相移獲得照射物的光場(chǎng)圖像，然后根據(jù)多步相移法得到相位的分布，再采用三角測(cè)量法獲得物體體形輪廓以及體積的測(cè)量結(jié)果。統(tǒng)計(jì)顯示，SMT生產(chǎn)中，超過(guò)70 %的不良測(cè)量結(jié)果來(lái)自錫膏印刷工藝，而SPI可以避免印刷造成的不良結(jié)果。自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)主要是利用高速、高精度的視覺(jué)處理技術(shù)，比如高清的工業(yè)相機(jī)搭配三色環(huán)形光源，根據(jù)RGB三原色原理，在照射至檢測(cè)對(duì)象后，通過(guò)不同的光照與反射原理來(lái)呈現(xiàn)不同的顏色特點(diǎn)，最終實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)PCB上各種貼裝錯(cuò)誤、焊接錯(cuò)誤、元件插裝錯(cuò)誤的目的。

3 自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)設(shè)備的作用

隨著智能化、自動(dòng)化水平突飛猛進(jìn)，在電子生產(chǎn)制造業(yè)，一些生產(chǎn)領(lǐng)域正在潛移默化的滲透著智能化的概念，比如表面貼裝技術(shù)就已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了智能自動(dòng)化，還有一些高端的生產(chǎn)線，幾乎已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化生產(chǎn)和檢測(cè)。但在傳統(tǒng)的焊接工業(yè)領(lǐng)域，自動(dòng)化水平依然較低，比如直插式封裝技術(shù)還是在采用人工作業(yè)，即使是在檢測(cè)崗位上，也需要工作人員借助顯微鏡、放大鏡來(lái)檢測(cè)產(chǎn)品質(zhì)量，嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率以及產(chǎn)品功能的穩(wěn)定性。自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)與SPI是自動(dòng)化檢測(cè)領(lǐng)域的重要環(huán)節(jié)，同樣也是表面貼裝技術(shù)中不可或缺的重要技術(shù)。自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)是生產(chǎn)工序的最后一環(huán)，把控的是產(chǎn)品最后的質(zhì)量關(guān)卡，通過(guò)全面檢測(cè)產(chǎn)品的外觀質(zhì)量來(lái)客觀反映出產(chǎn)品的生產(chǎn)情況，比如產(chǎn)品的產(chǎn)能、不良類型、不良返修率等，為工作人員監(jiān)控、管理生產(chǎn)提供了很多方便，還能優(yōu)化、調(diào)整產(chǎn)品的生產(chǎn)狀態(tài)，提高一次性生產(chǎn)合格率，節(jié)約生產(chǎn)成本。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，現(xiàn)階段機(jī)械加工領(lǐng)域中自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用非常廣泛，光學(xué)檢測(cè)包括四大模塊，分別是投影打光、計(jì)算機(jī)圖像處理、高精準(zhǔn)度的數(shù)據(jù)成像以及影像形成的處理和識(shí)別。相信隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，未來(lái)的自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)必然會(huì)更加智能化，光學(xué)檢測(cè)質(zhì)量和精準(zhǔn)度也將獲得極大的提升。

參考文獻(xiàn)

[1] 薛婕，王旭，石蓬， 等.自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)機(jī)在彩膜面板Mask Common檢測(cè)中的應(yīng)用研究[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2020，42（7）：28-30，45.

[2] 林劍，楊志國(guó).LCD顯示缺陷自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)關(guān)鍵技術(shù)分析[J].數(shù)字化用戶，2019，25（42）：61.

[3] 王旭，高雪松，毛繼禹， 等.自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)機(jī)邊緣檢測(cè)及非整數(shù)倍率檢測(cè)優(yōu)化[J].電子世界，2019（14）：9-11.

[4] 郭波，管菊花，黃志開(kāi)，等.基于改進(jìn)Otsu算法的TFT-LCD點(diǎn)缺陷自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)[J].液晶與顯示，2018，33（3）：221-227.

[5] 盧榮勝，吳昂，張騰達(dá)， 等.自動(dòng)光學(xué)（視覺(jué)）檢測(cè)技術(shù)及其在缺陷檢測(cè)中的應(yīng)用綜述[J].光學(xué)學(xué)報(bào)，2018，38（8）：23-58.

[6] 王永紅，柏天舒，但西佐， 等.TFT-LCD面板光學(xué)檢測(cè)自動(dòng)聚焦算法研究與比較[J].液晶與顯示，2016，31（4）：339-346.

[7] 王浩， 譚宇， 上官永平，等. 檢測(cè)技術(shù)在自動(dòng)化機(jī)械制造系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 工業(yè)， 2016（6）：62.

[8] 胡躍明， 譚穎. 自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)在中國(guó)的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展[J]. 微計(jì)算機(jī)信息， 2006， 22（2）：143-146.

[9] 陳軍. 自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)設(shè)備重復(fù)定位精度測(cè)試與分析[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造， 2011（1）：215-217.

[10] 龔磊， 葉玉堂， 吳云峰，等. 基于自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)技術(shù)的印刷電路板檢孔裝置[J]. 中國(guó)科技信息， 2009（7）：123-124.