基于LED技術在自動光學檢測AOI系統的研究應用

浙江工貿職業技術學院 陳 功 繆阿海

隨著電子工業的日益發達，不論是消費性電子產品或是需要高精確度的電子計算機均需以優良的印刷電路板為基礎。自動光學檢測是在批量生產中采用的一種在線檢測方法，AOI檢測系統是將PCB板上的器件或者特征比如焊點捕捉成像并且通過軟件處理，判斷這一器件或者特征是否完好，然后得出檢測結果判斷諸如元件缺失、極性反轉、焊接錫橋或者焊點質量問題等。隨著高密度PCB電路布線和高產量的要求，PCB板的檢測最早采用人工目測方式，人工目測方式不能滿足可靠性的要求。自動光學AOI的檢測技術不僅能檢查人工目測無法查出的缺陷外，還可以檢測到在線測試針床無法接觸到的元器件和焊接點，提高缺陷覆蓋率。自動光學AOI的檢測技術還能把生產過程中各工序的工作質量以及出現缺陷的類型等情況收集并反饋回來，供工藝控制人員分析和管理降低印刷電路板廢品率。自動光學AOI的檢測技術是一個日益廣泛的應用領域，在PCB板領域、半導體、陶瓷基片印刷線路、太陽能以及煙草、布匹、紙張、汽車制造等很多生產領域都發揮作用。自動光學AOI的檢測技術已經日益為自動化檢測取代人工在很多方面起著越來越大的推動作用。從AOI系統中的多光源照明系統出發，重點研究AOI系統中LED照明光源與驅動電源的設計，避開傳統設計的一些弊端，簡化設計的過程節約成本提高效率。

1.自動光學檢測AOI系統

自動光學檢測AOI系統主要有多光源照明系統、高速數字攝像機攝像系統、高速精密機械控制系統和PC機圖形處理系統組成。自動光學檢測AOI系統框圖如圖1所示。

圖1 自動光學檢測AOI系統框圖

(1)多光源照明系統

在AOI檢測系統中，好的光源和照明方案往往是整個系統成敗的關鍵，起著非常重要的作用，它不是簡單的照亮物體而已。光源與照明方案的配合應盡可能地突出物體特征量，在物體需要檢測的部分考慮光源與光學鏡頭的相對位置、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、發光的光譜特性等，同時還要考慮光源的發光效率和使用壽命。

表1 各種光源對比

(2)高速精密機械控制系統

在對每一塊PCB板進行檢測時，AOI系統的工作臺都要自動運動到攝像頭位置，進行圖像攝取動作。因此要實現工作臺的精密準確運行，才能完成正確的檢測過程。

(3)高速數字攝像機攝像系統

在AOI的CCD攝像系統中，主要解決兩大難題：一是CCD攝像系統的集成，包括圖像攝取、數據傳輸、圖像處理技術；二是算法，主要涉及到元件識別、圖像處理速度等問題。CCD攝像系統可以通過人機界面與數據庫系統、控制系統和標定系統交換信息，通過人跡界面可以觸發視覺系統，進行圖像實時采集、關閉采集、讀入圖像、顯示圖像等功能。人機界面發送作業命令時，由CCD攝像系統實現自動掃描。

(4)PC機圖形處理系統

AOI系統軟件要有強大的安全保護和平穩的數據庫、網絡支持等特性。軟件的核心有運動控制、視覺處理及算法三大部分組成，用戶通過視窗界面完成各種運動控制、視覺識別；軟件支持工藝數據編程，真正實現了工藝編程的所見所得特性；同時軟件支持多種方式的作業模擬與仿真，使操作人員在批量作業前驗證和測試作業數據，避免出現漏檢和誤檢。

多光源照明技術、高速數字攝像機攝像系統、高速精密機械控制系統和PC機圖形處理系統相互結合，使得PCB的光學檢測水平得到極大提高。

多光源照明系統位于檢測系統的前端，其性能直接影響著采集圖像的質量和后續的圖像算法處理。在自動光學檢測的實際應用中，光源并不僅僅是為照亮物體而設計的，光源和照明方案的好壞往往直接影響著圖像的成像質量，間接決定了整個系統的成敗。在對物體的檢測過程中，光源起著決定性的作用。常見光源有：白熾燈、鹵鎢燈、熒光燈、鈉燈、金屬鹵化物燈、氙燈、LED光源，激光等詳細參數見表1所示。不同的光學檢測系統的照明設計總是不一樣的，這是因為影響照明方案的因素非常多。例如光的強度、顏色、均勻性、光源的結構、大小、照明方式以及被測物體的光學特性、距離、物體大小、背景特性等。

從性價比來考慮，白熾燈光源AOI是一般企業較佳選擇，如果參數編輯恰當，假缺陷誤報會大幅度降度，漏檢率也很低。目前最明顯的發展趨勢是采用發光二極管(LED)光源，選用高亮度LED作為光源，使用壽命長60000-100000小時，光的單色性好，便于提高測量精度，安裝空間較小，可以根據對照明光強的實際需要方便地增加和減少LED數目。由于LED光源是采用多顆LED排列而成，可以設計成復雜的結構，實現不同的光源照射角度，有多種顏色可選，包括紅、綠、藍、白，還有紅外、紫外。至于冷光源，是一種近幾年發展起來的新型照明光源，用光導纖維傳光束（簡稱光纜）將其發出的光束傳至照明的地方。它的輸出的可見光具有基本上無熱量、高強度、無陰影、無震動、多級可調光等優點，針對不同檢測物體的表面特征和材質，選用不同顏色，也就是不同波長的光源，達到理想效果。LED光源的最大優點是發光效率高、響應速度快、體積小、發熱小、功耗低、發光穩定、壽命長、易于組成不同形狀的光源等等。在照明技術中光源的特性是最重要的。

光源控制器由于LED是特性敏感的半導體器件，又具有負溫度特性，因而在應用過程中需要對其進行穩定工作狀態和保護，從而產生了驅動的概念。LED作為驅動電路的負載，經常需要幾十個甚至上百個組合在一起構成發光組件，選用什么樣的LED驅動器，LED作為負載采用什么樣的連接方式，直接關系到其可靠性和壽命。LED器件對驅動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伏的低電壓驅動，必須要設計復雜的變換電路，不同用途的LED燈，要配備不同的電源驅動器。LED燈的發光強度是由流過LED的電流決定的，電流過中會引起LED的衰減，電流過弱會影響LED的發光強度，因此LED驅動需要提供恒流電源，以保證LED使用的安全性，還需要滿足預期的亮度要求，并保證各個LED亮度、色度的一致性。所以傳統上用于驅動燈泡（鎢絲）、日光燈、節能燈、鈉燈等光源并不適合直接驅動LED。LED驅動器即供電電路涉及及電源本身效率，電源本身效率低就無法體現節能效果，提高驅動效率也是充分體現半導體照明優越性的關鍵。同時，LED大規模應用時，常常因為電源壽命不匹配、可靠性不足等問題影響LED產品的可靠性。要充分發揮LED燈的潛能，照明驅動電源是關鍵的支撐因素之一。國際市場上國外客戶對LED驅動電源的效率轉換、有效功率、恒流精度、電源壽命、電磁兼容、異常保護的要求都非常高，設計一款好的電源必須要綜合考慮這些因數，因為電源的作用就好比像人的心臟一樣重要，必須要有個好的芯片作為保障，否則就是個華而不實的空殼。

2.光源設計涉及到的重要因素

光源設計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生的光的類型，以及覆蓋在光源或攝像機鏡頭上的光學濾色鏡。光源的顏色及測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。分析多種顏色特征來選擇光源的時候，色溫是一個比較重要的因素。在實際的應用中，要考慮到顏色的因數。光的三原色：紅、綠、藍；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)對比度：對比度對光學檢測來說非常重要。對比度定義為在關鍵特征與其周圍的區域之間有足夠的灰度量區別。光學檢測中照明的最重要任務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生最大的對比度，從而易于特征的區分。好的照明應該能夠保證需要檢測的特征突出于其他背景。

(3)亮度：當選擇兩種光源的時候，最佳的選擇是更亮的那個。光源不夠亮時，可能有三種不好的情況出現：第一、相機的信噪比不夠，由于光源的亮度不夠，圖像的對比度必然不夠，在圖像上出現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、當光源的亮度不夠時，自然光等隨機光對系統的影響會最大。

圖2 三原色按不同比例組合圖

(4)均勻性：在自動光學檢測中，幾乎要求均勻的光照。因為所有的光源隨著距離的增加和照射角度的偏離，其照射強度減小，所以在對大面積物體照明時會帶來較大的問題。

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

3.總結

許多光源需要在自動光學檢測AOI系統的使用過程中更換。如果光源很昂貴，在使用過程中可能會增大后期費用。光源控制器采用100-220V交流電壓供電，LED光源提供持續穩定的電壓，采用高速光耦隔離設計，既實現安全隔離防止了控制器與其他電路系統之間的相互干擾又可以滿足高于高速數字攝像機的快門。自動光學檢測AOI系統中應用的LED的發光等級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數量的要求，通過控制光源控制器除了可驅動白光LED外也可驅動藍光LED或者其它顏色的LED光源的要求。自動光學檢測AOI系統的控制光源控制器可以實現為光源提供照明強度的無級調節和燈光顏色的改變。外觸發靈活，高低平可選，適應不同的外部傳感器。無觸發時光源常亮；體積小，操作簡單。自動光學檢測AOI系統通過LED的電流不應該超過設備規定的額定電流，否則可能造成永久傷害。

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