一種液晶模組自動光學(xué)檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

李海霞， 張 衡

(1. 蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730060； 2. 航天科工智能機(jī)器人有限責(zé)任公司，北京 100070)

1 引 言

液晶顯示屏在手機(jī)、電腦等電子產(chǎn)品的圖像、文本顯示中得到了廣泛應(yīng)用。其中，液晶模組是液晶顯示屏的重要元件之一，它為液晶面板提供均勻分布的光源，使其能正常顯示影像。液晶模組在生產(chǎn)中由于原材料或者技術(shù)等原因可能產(chǎn)生缺陷，如劃痕或者雜質(zhì)等，這些缺陷會影響電子產(chǎn)品的使用性能。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前國內(nèi)3C行業(yè)液晶顯示屏缺陷檢測的整體智能自動化程度較低，采用的檢測方式有兩種，一是人工的檢測方法，受人的主觀影響因素較大、檢測效率較低，且對人眼的傷害較大；二是國產(chǎn)的液晶模組檢測設(shè)備通過機(jī)器視覺對Mura的檢測[1]，誤檢率較高，檢測系統(tǒng)性能差，無法覆蓋模組廠商所有的檢測標(biāo)準(zhǔn)。對液晶模組缺陷實(shí)行自動檢測，可減少人工的工作量，降低人工主觀因素對檢測結(jié)果的影響，提高檢測效率和檢測精度。自動光學(xué)檢測技術(shù)(Automatic Optic Inspection, AOI)是一種自動化、性能高的表面缺陷檢測方法[2-3]，在液晶顯示屏等生產(chǎn)中得到逐步應(yīng)用。在表面缺陷檢測中，也有些文獻(xiàn)做過相關(guān)研究[4-5]。本文以自動光學(xué)檢測(AOI)方式為基礎(chǔ)，運(yùn)動控制機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)送料和出料，視覺定位系統(tǒng)輔助高精度XY軸滑臺實(shí)現(xiàn)電氣自動對接，2 900萬像素高分辨率CCD相機(jī)對待測模組進(jìn)行圖像采集，圖像處理軟件對采集的圖像進(jìn)行處理分析，判斷待測屏是否存在缺陷，并將測試結(jié)果在人機(jī)界面輸出顯示，實(shí)現(xiàn)液晶模組在生產(chǎn)過程中可能存在的各種類型缺陷的全自動化檢測。

2 液晶模組自動光學(xué)檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

所設(shè)計(jì)的液晶模組自動光學(xué)檢測系統(tǒng)主要包括：四工位旋轉(zhuǎn)平臺系統(tǒng)、自動電氣對接系統(tǒng)、視覺檢測系統(tǒng)、可編程邏輯控制器(PLC)系統(tǒng)、工控機(jī)及其組件、安裝底板、整體機(jī)柜等。其中，四工位旋轉(zhuǎn)平臺系統(tǒng)固定于安裝底板上，旋轉(zhuǎn)平臺由直驅(qū)(DD)馬達(dá)通過渦輪渦桿驅(qū)動，治具安裝于旋轉(zhuǎn)平臺上；自動電氣對接系統(tǒng)通過安裝立柱固定于安裝底板上，視覺定位相機(jī)組件和XY軸滑臺通過安裝立柱固定于安裝底板上，氣缸通過安裝板固定于XY軸滑臺上，對接測試頭安裝于氣缸底部，并與信號發(fā)生器相連；視覺檢測系統(tǒng)通過安裝支架固定于安裝底板上，信號發(fā)生器固定于安裝底板上并與工控機(jī)相連；PLC系統(tǒng)安裝于整體機(jī)柜隔板上；工控機(jī)及其組件安裝于整體機(jī)柜隔板上。圖1所示為系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。

圖1 系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的示意圖Fig.1 Schematic diagram of system internal structure

旋轉(zhuǎn)平臺由DD馬達(dá)驅(qū)動，采用渦輪蝸桿實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向變換。DD馬達(dá)由PLC系統(tǒng)控制，加以絕對值編碼器為反饋，構(gòu)成閉環(huán)控制，以保證每次旋轉(zhuǎn)角度為90°，精度達(dá)到0.1°。

視覺定位相機(jī)采用高分辨率CCD相機(jī)，通過調(diào)節(jié)光源強(qiáng)度，使采集到的圖像達(dá)到最佳效果。運(yùn)用視覺定位軟件計(jì)算出柔性印制電路板板(Flexible Printed Circuit，F(xiàn)PC)的位置偏差值[6]，并用于XY軸滑臺的控制。XY軸滑臺主要用于運(yùn)動對準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)自動電氣對接。由于FPC板具有一定的柔軟性以及其板上的管腳過于密集，自動電氣對接對于精度的要求為誤差小于0.03 mm，系統(tǒng)選用的XY軸滑臺的參數(shù)為：移動量30 mm，分辨率Full/Half=2 μm/1 μm，微步0.1 μm(1/20細(xì)分時)，運(yùn)動的正交度為15 μm以內(nèi)。單軸精度為：單軸定位5 μm，重復(fù)定位±5 μm，空轉(zhuǎn)1 μm，反沖間隙1 μm，運(yùn)動的直線度3 μm。對接測試頭安裝于氣缸下端，當(dāng)XY軸按照視覺定位相機(jī)計(jì)算得出的位置偏差值運(yùn)動后，氣缸帶著對接測試頭下行，與FPC板對接。待檢測完畢后，氣缸上行，完成與FPC板的電氣脫離。

視覺檢測系統(tǒng)通過安裝支架固定于安裝底板上。信號發(fā)生單元是待檢測模組點(diǎn)亮及切換畫面通道的專用模塊，根據(jù)不同的控制信號輸出，點(diǎn)亮液晶模組的不同畫面通道。視覺檢測相機(jī)采用分辨率為2 900萬像素的相機(jī)，并配以LED光源。當(dāng)液晶模組被點(diǎn)亮后，視覺檢測相機(jī)開始采集液晶模組點(diǎn)亮的圖像以及點(diǎn)亮后切換的各個圖像，運(yùn)用視覺檢測軟件算法[7]，計(jì)算出液晶模組存在的各種缺陷。

PLC根據(jù)系統(tǒng)工藝要求，按照時序控制驅(qū)動DD馬達(dá)、XY軸滑臺、電磁閥等執(zhí)行機(jī)構(gòu)，同時實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的數(shù)據(jù)通訊及I/O通訊。PLC與上位機(jī)的數(shù)據(jù)通訊采用RS232串口通訊，PLC與上位機(jī)的I/O通訊通過PCI1230板卡及高低位信號轉(zhuǎn)換板卡實(shí)現(xiàn)。

3 液晶模組自動光學(xué)檢測工藝

為提高檢測效率，采用四工位旋轉(zhuǎn)平臺，一個上下料工位，一個視覺定位工位，和一個檢測工位，3個工位同時工作。設(shè)備主要工藝工作流程為：

(1)人工上料，將待測模組放入治具中進(jìn)行測試；

(2)PLC控制旋轉(zhuǎn)平臺將待測模組送入定位工位，通知定位處理軟件啟動定位相機(jī)拍照，經(jīng)過圖像處理得到待測模組FPC軟板金手指的上料位置坐標(biāo)偏差值；

(3)PLC控制旋轉(zhuǎn)平臺將待測模組送入檢測工位，并根據(jù)第(2)步的坐標(biāo)偏差值控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作，實(shí)現(xiàn)信號發(fā)生單元與待測模組的FPC軟板電氣連接；

(4)PLC通知檢測處理軟件控制信號發(fā)生單元輸出使待測模組顯示不同的畫面通道，并啟動檢測相機(jī)進(jìn)行拍照；將采集到的圖像進(jìn)行處理分析，得到需要的檢測信息；

(5)點(diǎn)亮檢測完成后，關(guān)閉信號發(fā)生單元，打開檢測光源，對待測模組進(jìn)行第二次檢測，通過圖像處理，可以對模組屏上的灰塵等異物進(jìn)行標(biāo)記，以免對缺陷進(jìn)行誤判；

(6)檢測完成后，PLC控制器控制旋轉(zhuǎn)平臺將測試完成的模組送入上下料工位，人工或自動(流水線操作)更換模組，進(jìn)行下一組檢測。工藝流程如圖2所示。

圖2 液晶顯示屏缺陷檢測工藝流程圖Fig.2 Flow chart of LCD defect detection process

4 液晶模組自動光學(xué)檢測算法實(shí)現(xiàn)

缺陷檢測算法是系統(tǒng)的核心。視覺檢測軟件提取圖像的感興趣區(qū)域(Region of interests，ROI)[8-10]，然后做Gabor濾波[11-12]、雙閾值二值化、圖像去噪、圖形形態(tài)學(xué)等預(yù)處理，采用二維直方圖斜分法定位圖形的邊緣區(qū)域并進(jìn)行模糊增強(qiáng)處理，最后計(jì)算出面積、形狀等缺陷。

4.1 圖像預(yù)處理

4.1.1 提取ROI區(qū)域

通過輪廓追蹤來提取液晶屏外部輪廓，通過最小外接矩形快速算法[13]提取矩形ROI，獲取液晶屏4邊的交點(diǎn)和矩形與待測圖像x軸的傾斜角度，然后以待測圖像中心為旋轉(zhuǎn)中心，利用雙線性差值旋轉(zhuǎn)原圖像，并剪切出檢測區(qū)域。

4.1.2 實(shí)值Gaborl濾波

Gabor小波變換可以反映圖像的整體特征及局部特征，并通過合理選擇濾波參數(shù)來提高分析圖像效率。在空間域，二維Gabor濾波實(shí)質(zhì)是一個二維高斯核函數(shù)，可表示為：

h(x,y)=g(x,y)exp(j2π(u0x+v0y))，

(1)

式中:u0和v0為中心頻率f的兩個分量，g(x,y)為二維高斯函數(shù)，表示為：

(2)

(3)

式中：σx、σy代表二維高斯包絡(luò)在x、y方向上的標(biāo)準(zhǔn)差，決定濾波寬度。θ為濾波方向。

用Gabor濾波器的實(shí)部對紋理背景進(jìn)行抑制，不破壞目標(biāo)內(nèi)部灰度。設(shè)計(jì)濾波器的重點(diǎn)在于合理選擇濾波參數(shù)，標(biāo)準(zhǔn)偏差(σx、σy)、中心頻率f、濾波方向θ及濾波模板個數(shù)。

4.1.3 雙閾值圖像二值化

通過雙閾值二值化，將圖片信息分為缺陷和非缺陷。待測圖像各像素點(diǎn)的灰度值為f(x,y)，設(shè)高閾值T1和低閾值T2。大于高閾值和小于低閾值的像素置為255，否則置為0。

(4)

對于小瑕疵，二值化處理后，缺陷分成若干缺陷，運(yùn)用膨脹算法可解決。繼續(xù)采取骨骼提取算法[14]對瑕疵所在的區(qū)域進(jìn)行處理，進(jìn)一步得到瑕疵的精確信息。

4.2 缺陷檢測

采用二維直方圖斜分法[15]定位圖像的邊緣區(qū)域，并進(jìn)行模糊增強(qiáng)處理。運(yùn)用順序形態(tài)學(xué)檢測邊緣，使用百分位和結(jié)構(gòu)元素得到多幅邊緣子圖像，對邊緣子圖像進(jìn)行融合處理，得到最終待測圖像的邊緣。

使用二維直方圖斜分法定位邊緣區(qū)域，即用與二維直方圖x-y平面內(nèi)主對角線平行的4條直線把二維直方圖在x-y平面上的投影分割為5個區(qū)域。對該區(qū)域進(jìn)行模糊化處理，隸屬函數(shù)如式(5)所示。

(5)

式中：Pmn為圖像第(m,n)個像素的模糊值，Xmn為圖像第(m,n)個像素的灰度值，Xmax為圖像最大灰度，α和β為模糊因子。

模糊化處理后對邊緣區(qū)域進(jìn)行增強(qiáng)處理，增強(qiáng)函數(shù)如式(6)所示，式中r稱為增強(qiáng)因子。

(6)

局部模糊增強(qiáng)處理后，采用順序形態(tài)變換進(jìn)行邊緣檢測。f(x,y)為灰度圖像，令Xi=(xi,yi)，結(jié)構(gòu)元素B={X1,X2,…,X4}?；叶葓D像f(x,y)關(guān)于結(jié)構(gòu)元素B的順序形態(tài)變換fB定義為f(x,y)在上的(k-1)p+1階順序量，表示為：

f
(k-1)p+1=1，2，…k，

(7)

其中:(k-1)p+1為順序形態(tài)變換的階數(shù)，p為順序形態(tài)變換的百分位。

當(dāng)結(jié)構(gòu)元素B位于跳變區(qū)域時，該區(qū)域灰度值差別大，順序形態(tài)變換后輸入和輸出有差別，將變換輸入和輸出相減的差值圖像反映了原圖像邊緣信息。并通過選擇直線形結(jié)構(gòu)元素B和百分位p，對局部模糊增強(qiáng)后的圖像進(jìn)行順序形態(tài)學(xué)邊緣檢測得到子圖像，計(jì)算每幅子圖像的信息熵和權(quán)重系數(shù)，把邊緣子圖像乘以權(quán)重系數(shù)后相加，細(xì)化后得到最終的邊緣。

最后，采用SEMI的量化Mura缺陷制定的標(biāo)準(zhǔn)，判定缺陷的面積、數(shù)量和位置等信息。

5 模組自動光學(xué)檢測實(shí)驗(yàn)

首先，通過直徑為400 mm的旋轉(zhuǎn)平臺將待測模組旋轉(zhuǎn)至定位工位，啟動定位相機(jī)拍照，得到模組金手指的上料誤差坐標(biāo)值，旋轉(zhuǎn)平臺再旋轉(zhuǎn)至檢測工位，由控制模塊根據(jù)坐標(biāo)偏差完成對接。圖3為定位視覺軟件的處理界面。

圖4為灰塵檢測畫面，檢測灰塵時應(yīng)在模組斷電狀態(tài)下，同時打開光源檢測，當(dāng)檢測到灰塵數(shù)量超過20 000個時，則無法繼續(xù)進(jìn)行檢測。圖5為藍(lán)色畫面下檢測出來的缺陷特征，圖6為某像素點(diǎn)的缺陷。圖7為劃痕缺陷。

圖3 定位視覺軟件的處理界面Fig.3 Processing interface of positioning vision software

圖4 灰塵畫面圖像的檢測結(jié)果Fig.4 Detection results of dust image

圖5 藍(lán)色畫面圖像處理的檢測結(jié)果Fig.5 Detection results of blue screen

圖6 像素點(diǎn)缺陷Fig.6 Pixel defect

圖7 劃痕缺陷Fig.7 Scratch defect

設(shè)備在2019年初正式投產(chǎn)后1～4月，某品牌液晶屏缺陷檢測數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1 設(shè)備生產(chǎn)數(shù)據(jù)Tab.1 Equipment production data

設(shè)備完成設(shè)計(jì)需求，正常投入使用，缺陷識別準(zhǔn)確率≥95%，漏檢率≤0.2%，誤檢率≤5%。能滿足檢測要求。設(shè)備檢測其他指標(biāo)如下：

(1)檢測項(xiàng)目：均勻度、線缺陷、點(diǎn)缺陷、像素缺陷；斑點(diǎn)Mura、顏色Mura、斜線Mura、云狀Mura等各種Mura；劃痕、漏光等缺陷；

(2)檢測液晶模組解析度：最大可檢測1 280×800解析度的高清(HD)屏；

(3)檢測時間：16～25 s/件(依據(jù)檢測畫面數(shù)量)。

6 結(jié) 論

目前國內(nèi)手機(jī)屏生產(chǎn)廠家大多仍然采用人工的檢測方法，受人的主觀影響因素較大且效率較低檢測效率較低，且對人眼的傷害較大。國內(nèi)市場上使用的液晶模組檢測設(shè)備主要從日本、韓國進(jìn)口居多。國外的設(shè)備性能優(yōu)越，能夠?qū)崿F(xiàn)對接生產(chǎn)線，自動上下料，自動脫膜，自動檢測且誤檢率低，但價格昂貴，一般至少要百萬元以上。而國內(nèi)的檢測設(shè)備性能較差，無法覆蓋模組廠商所有的檢測標(biāo)準(zhǔn)，例如通過視覺對Mura的檢測，誤檢率較高。因此，國內(nèi)市場對手機(jī)屏的自動檢測設(shè)備需求量大，且需求緊迫。本文所設(shè)計(jì)的液晶模組檢測系統(tǒng)能夠降低生產(chǎn)成本和退貨率，簡化生產(chǎn)線應(yīng)用?？梢詳U(kuò)展推廣應(yīng)用于平板電腦、車載顯示屏、顯示器等各種平板顯示器的檢測，具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域和廣闊的應(yīng)用前景。