LED光組件自動(dòng)缺陷前測(cè)機(jī)研制

單忠頻 陳樹釗 康茂

摘要：近年來，人們?cè)絹碓疥P(guān)注節(jié)能和環(huán)保，在這兩大需求的推動(dòng)下，LED從原本只用來作為指示、顯示和裝飾逐漸應(yīng)用到照明領(lǐng)域，并且隨著封裝技術(shù)和芯片技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，滿足了人們?cè)谡彰黝I(lǐng)域?qū)ED產(chǎn)品的需求，并且多晶片的LED組件在市場(chǎng)上已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用。因?yàn)樾酒瑯?gòu)成了LED的光組件，難免芯片會(huì)存在缺陷，所以研制LED光組件自動(dòng)缺陷前測(cè)機(jī)顯得尤為重要。本文通過研究LED光組件自動(dòng)缺陷前測(cè)機(jī)工藝和總體技術(shù)方案，并分析了LED光組件自動(dòng)缺陷前測(cè)機(jī)機(jī)械、控制和圖像系統(tǒng)研究與開發(fā)，闡述了LED光組件自動(dòng)缺陷前測(cè)機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)和創(chuàng)新點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：LED光組件;缺陷檢測(cè);微點(diǎn)亮

一、引言

LED光組件半導(dǎo)體照明光源中的一種，特別是作為一種大功率LED解決方案，可滿足照明領(lǐng)域?qū)Ξa(chǎn)品的高光通要求，被廣泛用于軌道燈、筒燈、球泡燈、工礦燈、戶外特殊照明等照明產(chǎn)品中。由于LED光組件是芯片集成，在制造過程中，會(huì)出現(xiàn)個(gè)別芯片不良導(dǎo)致成品異常，在制造過程中需要檢測(cè)每個(gè)芯片是否有缺陷，將有芯片缺陷的LED光組件剔除，故研究開發(fā)LED光組件芯片缺陷自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備，以滿足實(shí)際生產(chǎn)制造需要。

二、LED光組件自動(dòng)缺陷前測(cè)機(jī)工藝研究

LED光組件在點(diǎn)膠前，都需要經(jīng)過人工微點(diǎn)亮測(cè)試，在微小電流點(diǎn)亮情況下把LED光組件中的單顆芯片出現(xiàn)的不良、暗亮或高亮檢測(cè)出來。為了能夠與前工序焊線和后工序點(diǎn)膠銜接，LED光組件自動(dòng)缺陷前測(cè)機(jī)的以料盒上下料的方式，基于CCD圖像處理與識(shí)別，檢測(cè)LED光組件內(nèi)單顆芯片的發(fā)光情況，對(duì)于NG器件作相應(yīng)的標(biāo)記[1]。LED光組件自動(dòng)缺陷前測(cè)機(jī)工藝流程如圖1所示。

三、LED光組件自動(dòng)缺陷前測(cè)機(jī)總體技術(shù)方案

依據(jù)LED光組件自動(dòng)缺陷前測(cè)機(jī)的工作流程，機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面，采用機(jī)臺(tái)的左側(cè)進(jìn)料、右側(cè)出料方式，進(jìn)料和出料都通過料盒，已固晶焊線的LED光組件支架插在料盒內(nèi)，進(jìn)料與出料之間通過傳送軌道來傳送LED光組件支架，配合XY移動(dòng)檢測(cè)機(jī)構(gòu)對(duì)逐個(gè)點(diǎn)亮LED光組件的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[2]。

控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上，LED光組件自動(dòng)缺陷前測(cè)機(jī)擬應(yīng)用多機(jī)構(gòu)聯(lián)動(dòng)控制技術(shù)，采用PLC作為控制器并結(jié)合人機(jī)界面，這樣控制簡(jiǎn)單、操作方便。圖像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方面，CCD攝像頭安裝在XY移動(dòng)檢測(cè)機(jī)構(gòu)，對(duì)微點(diǎn)亮的LED光組件進(jìn)行拍攝，通過圖像處理器進(jìn)行圖像處理分析，并把判定結(jié)果發(fā)給PLC去執(zhí)行[3]。

四、LED光組件自動(dòng)缺陷前測(cè)機(jī)機(jī)械系統(tǒng)研究與開發(fā)

LED光組件自動(dòng)缺陷前測(cè)機(jī)（如圖2所示）包括機(jī)架、自動(dòng)上料機(jī)構(gòu)、推料機(jī)構(gòu)、傳送機(jī)構(gòu)、檢測(cè)機(jī)構(gòu)、自動(dòng)下料機(jī)構(gòu)和控制器。自動(dòng)上料機(jī)構(gòu)、推料機(jī)構(gòu)、傳送機(jī)構(gòu)、檢測(cè)機(jī)構(gòu)、自動(dòng)下料機(jī)構(gòu)和控制器都設(shè)置在機(jī)架上，自動(dòng)上料機(jī)構(gòu)帶動(dòng)被測(cè)LED光組件進(jìn)行上升，推料機(jī)構(gòu)把被測(cè)LED光組件推送到傳送機(jī)構(gòu)處，傳送機(jī)構(gòu)把被測(cè)LED光組件傳送到檢測(cè)位置，檢測(cè)機(jī)構(gòu)對(duì)被測(cè)LED光組件進(jìn)行缺陷檢測(cè)，傳送機(jī)構(gòu)把被測(cè)LED光組件傳送到自動(dòng)下料機(jī)構(gòu)處，自動(dòng)下料機(jī)構(gòu)帶動(dòng)檢測(cè)完畢的被測(cè)LED光組件下降[4]。自動(dòng)上料機(jī)構(gòu)、推料機(jī)構(gòu)、傳送機(jī)構(gòu)、檢測(cè)機(jī)構(gòu)、自動(dòng)下料機(jī)構(gòu)都與控制器連接，由控制器控制自動(dòng)運(yùn)行。

五、LED光組件自動(dòng)缺陷前測(cè)機(jī)控制系統(tǒng)研究與開發(fā)

LED光組件自動(dòng)缺陷前測(cè)機(jī)擬應(yīng)用多機(jī)構(gòu)聯(lián)動(dòng)控制技術(shù)，采用PLC作為控制器并結(jié)合人機(jī)界面，構(gòu)建傳輸周期短、反應(yīng)速度快的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)[5]。LED光組件自動(dòng)缺陷前測(cè)機(jī)控制系統(tǒng)如圖3所示。

LED光組件自動(dòng)缺陷前測(cè)機(jī)主要由機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的控制和CCD視覺檢測(cè)兩大部分組成。物料的工作位置對(duì)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)控制精度比較高，適當(dāng)?shù)募由狭藠A緊機(jī)構(gòu)，使物料能始終停留在一個(gè)位置。CCD視覺檢測(cè)用在測(cè)試當(dāng)中，負(fù)責(zé)判斷物料的好壞。但是由于外部因數(shù)的影響，圖像測(cè)試結(jié)果有可能會(huì)出現(xiàn)一定的誤差，因此圖像的識(shí)別功能中就包含了圖像識(shí)別的處理方法[6]。

LED光組件自動(dòng)缺陷前測(cè)機(jī)控制系統(tǒng)上包括PC、PLC、光纖傳感器、光電傳感器、伺服控制馬達(dá)、步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器與CCD測(cè)試圖像系統(tǒng)。

LED光組件自動(dòng)缺陷前測(cè)機(jī)控制系統(tǒng)采用進(jìn)口PLC，通過觸控界面使操作者達(dá)到簡(jiǎn)單、便于操作的機(jī)構(gòu)控制，先進(jìn)的技術(shù)及穩(wěn)定的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，搭配高品質(zhì)測(cè)試電腦，使測(cè)試結(jié)果更加穩(wěn)定正確而且快速[7]。

觸控式彩色液晶控制面板，可即時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)所有狀態(tài)，同時(shí)配合紅、黃、綠三色指示燈顯示機(jī)臺(tái)運(yùn)作情況，另外還可調(diào)節(jié)位置和更換相關(guān)治具測(cè)試不同型號(hào)規(guī)格LED光組件。

特別加入權(quán)限設(shè)定功能：操作者和管理者權(quán)限分離，避免因誤操作導(dǎo)致內(nèi)部運(yùn)行數(shù)據(jù)紊亂。

整機(jī)的電控系統(tǒng)安裝在機(jī)體后部的電氣柜?？刂葡到y(tǒng)主要由PLC、觸摸屏、伺服系統(tǒng)、傳感器和電磁閥等組成。觸摸屏及各功能控制開關(guān)安裝在設(shè)備前上方的操作面板上。各工藝參數(shù)的設(shè)置和修改通過PLC觸摸屏完成。另外，啟停按鈕和電源等控制按鈕單獨(dú)設(shè)置在操作面板上。觸摸屏具有加密進(jìn)入功能，確保只有管理員才能進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和修改[8]。

六、LED光組件自動(dòng)缺陷前測(cè)機(jī)圖像系統(tǒng)研究與開發(fā)

LED光組件自動(dòng)缺陷前測(cè)機(jī)的圖像系統(tǒng)是通過圖像識(shí)別微點(diǎn)亮的LED光組件內(nèi)部芯片發(fā)光情況，可識(shí)別LED光組件的尺寸為50 mm（長(zhǎng)）×50 mm（寬），CCD攝像機(jī)安裝在檢測(cè)機(jī)構(gòu)上，圖像拍攝范圍至少要達(dá)到50 mm作用，因此圖像采用30 W像素CCD攝像頭，一個(gè)像素點(diǎn)就為0.1 mm。確定拍攝范圍后，就選固定焦距8 mm的鏡頭，鏡頭距離被拍攝面高度約為70 mm。在鏡頭增加濾光鏡，可一定范圍波長(zhǎng)的光可透過濾光鏡進(jìn)入鏡頭。由于微點(diǎn)亮LED光組件是芯片發(fā)光，不需要安裝外部光源。圖像系統(tǒng)方案如圖4所示。

當(dāng)CCD攝像機(jī)通過檢測(cè)機(jī)構(gòu)移動(dòng)到LED光組件正上方，點(diǎn)亮LED光組件，PLC發(fā)出拍攝信號(hào)給圖像處理器，圖像處理器就對(duì)微點(diǎn)亮的LED光組件進(jìn)行拍攝，拍攝出來的圖像經(jīng)過處理后，與預(yù)設(shè)的模板進(jìn)行比較，圖像處理器把判定結(jié)果的信息發(fā)給PLC，PLC根據(jù)判別結(jié)果就執(zhí)行打點(diǎn)動(dòng)作。

七、關(guān)鍵技術(shù)和創(chuàng)新點(diǎn)

（一）關(guān)鍵技術(shù)研究方法與研究過程

LED光組件自動(dòng)缺陷前測(cè)機(jī)如何準(zhǔn)確判別LED光組件內(nèi)芯片是否存在漏電、短路、斷路等缺陷，通過外觀檢查的或者電測(cè)量方式都難以檢測(cè)出來，目前的人工方法是通過把LED光組件微點(diǎn)亮，通過觀察LED光組件內(nèi)芯片發(fā)光明暗度來判別是否存在漏電、短路、斷路等缺陷。漏電的芯片發(fā)光亮度比周圍的明顯亮或明顯暗的，短路的芯片就不會(huì)發(fā)光，斷路的芯片就會(huì)把串聯(lián)在一起的整組芯片都不亮。短路和斷路的芯片發(fā)光情況比較好判別，但漏電的芯片判別就會(huì)存在標(biāo)準(zhǔn)比對(duì)問題，人為主觀性都對(duì)漏電芯片的判別有很大影響。

對(duì)于未點(diǎn)膠固化的LED光組件，LED光組件發(fā)光時(shí)，芯片發(fā)出藍(lán)光，CCD攝像頭拍攝出來的圖片就會(huì)呈現(xiàn)一顆顆藍(lán)色光斑，但光斑之間比較模糊。而對(duì)于已點(diǎn)膠固化的LED光組件，LED光組件發(fā)光時(shí)，CCD攝像頭直接對(duì)其拍攝，拍攝出來的圖片就會(huì)呈現(xiàn)白茫茫一片，無法分辨出芯片的發(fā)光情況，LED光組件發(fā)出的可見白光是通過藍(lán)色芯片激發(fā)黃色熒光粉而產(chǎn)生的，發(fā)出的可見白光中由不同波長(zhǎng)的光波組成的，為了獲得清晰的芯片發(fā)光圖片，需要在鏡頭前增加拍攝前對(duì)LED光組件發(fā)出來的光進(jìn)行物理處理，因此可在鏡頭前增加藍(lán)色波長(zhǎng)的濾光片，只允許波長(zhǎng)420～480 nm的藍(lán)光通過濾光片到達(dá)攝像頭的CCD傳感器[9]。增加了藍(lán)色濾光片后，微點(diǎn)亮的LED光組件拍攝出來圖片如圖5所示。

圖像處理器用于對(duì)采集到的被測(cè)LED光組件圖像進(jìn)行前處理、檢測(cè)。圖像處理器工作前需進(jìn)行模板標(biāo)定和參數(shù)設(shè)置，模板標(biāo)定是把一個(gè)完整正常的LED光組件進(jìn)行拍攝、圖像前處理后，得到一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模板圖像作為檢測(cè)基準(zhǔn)。參數(shù)設(shè)置分別有前處理功能包括二值化處理、背景過濾等，目的是把CCD拍攝到的圖像進(jìn)行前期處理，把圖像處理達(dá)到清晰、輪廓鮮明的效果，保證在下一步檢測(cè)中能夠順利進(jìn)行;對(duì)圖像進(jìn)行二值化處理，二值化處理就是將圖像上的點(diǎn)的灰度置為0～255，使整個(gè)圖像呈現(xiàn)出明顯的黑白效果，即把圖像中點(diǎn)亮的芯片處理成白色斑點(diǎn)，其余背景處理成黑色，然后再通過背景過濾，把一些干擾光去除掉，達(dá)到每顆芯片的輪廓清晰，不互相干預(yù)的圖像效果（如圖6所示）。

圖片前處理后會(huì)進(jìn)行下一步圖像檢測(cè)，圖像檢測(cè)包括被測(cè)圖像搜索、位置補(bǔ)正、斑點(diǎn)數(shù)量檢測(cè)等，對(duì)被測(cè)圖像的特征進(jìn)行檢測(cè)，以判斷被測(cè)圖像是否符合模板標(biāo)準(zhǔn)：例如，首先標(biāo)定模板，然后設(shè)定一個(gè)搜索范圍，在這個(gè)范圍里進(jìn)行搜索，搜索的原理是與標(biāo)準(zhǔn)模板作比較，若與標(biāo)準(zhǔn)模板達(dá)到一定的相似度（模板相似度可以自由調(diào)節(jié)），就認(rèn)為已經(jīng)找到目標(biāo)，然后進(jìn)行下一步位置補(bǔ)正;位置補(bǔ)正主要是對(duì)搜索到的被測(cè)圖像進(jìn)行位置校正，校正方向有X軸、Y軸和角度，即當(dāng)被測(cè)LED光組件的位置方向與標(biāo)準(zhǔn)模板不在同一方向時(shí)，把被測(cè)LED光組件圖像的位置修正后再檢測(cè)，無需機(jī)械調(diào)整;再進(jìn)行斑點(diǎn)數(shù)量檢測(cè)，檢測(cè)被測(cè)LED光組件內(nèi)的芯片數(shù)量，檢測(cè)對(duì)象是白色斑點(diǎn)（即點(diǎn)亮的芯片被二值處理化后的圖像），判斷，檢測(cè)到的斑點(diǎn)數(shù)量是否與設(shè)定的斑點(diǎn)數(shù)量相符并輸出結(jié)果到控制器，斑點(diǎn)數(shù)量少于設(shè)定數(shù)量就證明被測(cè)LED光組件存在芯片缺失或芯片不亮的情況[10]。

圖像處理器還可以檢測(cè)出被測(cè)LED光組件是否存在漏電缺陷，具體步驟為：標(biāo)定被測(cè)圖像與標(biāo)準(zhǔn)模板圖像相同的檢測(cè)范圍，比較檢測(cè)范圍內(nèi)被測(cè)圖像與標(biāo)準(zhǔn)模板圖像的白色像素面積的差值百分比是否超過設(shè)定值（白色像素面積的大小反映了芯片的亮度大?。?，若差值百分比超過設(shè)定值，即被測(cè)LED光組件存在漏電缺陷，反之，被測(cè)LED光組件不存在漏電缺陷。

（二）創(chuàng)新點(diǎn)

LED光組件自動(dòng)缺陷前測(cè)機(jī)的創(chuàng)新點(diǎn)：基于圖像拍攝，識(shí)別LED光組件內(nèi)部芯片發(fā)光情況，實(shí)現(xiàn)LED光組件的微點(diǎn)亮檢測(cè)自動(dòng)化作業(yè)，替代了人工作業(yè)的方式。芯片是發(fā)出藍(lán)光，人的眼睛長(zhǎng)時(shí)間看藍(lán)光會(huì)造成眼睛疲勞和損傷，通過用CCD攝像頭去拍攝判別，就避免了人眼去判別。LED光組件自動(dòng)缺陷前測(cè)機(jī)不但可以應(yīng)用與點(diǎn)膠前進(jìn)行前期缺陷檢測(cè)，也可以用于與點(diǎn)膠固化后的成品缺陷檢測(cè)。

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