AOI檢測系統(tǒng)的光源照明模式和控制電路設計

摘要 針對在不同照明方式下會出現(xiàn)不同的缺陷特征，根據(jù)不同缺陷的檢測方法和采用的照明方式密切相關的特點，設計了光源二級照明系統(tǒng)及控制電路。此系統(tǒng)可隨著對象檢測的不同而采用對應的照明方式，不同缺陷在相對應照明方式下，可檢測到對象的最優(yōu)圖像質(zhì)量。控制電路既能在不同的環(huán)境中調(diào)節(jié)光源的亮度，又可單獨調(diào)節(jié)需要重點突出某一缺陷部分的區(qū)域，達到了AOI檢測系統(tǒng)對各種元件圖像采集檢測的要求。

PCB貼片安裝缺陷自動光學檢測系統(tǒng)，是集計算機視覺、圖像處理、數(shù)控精確定位和自動控制技術于一體的光機電一體化高科技產(chǎn)品。其硬件主要有圖像采集卡、光源、光學鏡頭、CCD和計算機等。因受缺陷檢測系統(tǒng)中CCD視野大小的限制，系統(tǒng)在檢測時必須移動貼片的PCB板或攝像機進行多次采集圖像，因此需設計運動控制模塊，以實現(xiàn)移動平臺及PCB板傳輸?shù)木_控制。缺陷在不同方式照明下會出現(xiàn)不同的特征，不同缺陷的檢測方法和采用的光源照明方式密切相關，因此要設計能根據(jù)檢測對象采用相應照明方式的光源系統(tǒng)，使采集到的檢測對象圖像質(zhì)量最優(yōu)。本文設計了控制電路和二級光源系統(tǒng)，在各種相應的照明模式下檢測到對象的質(zhì)量最優(yōu)圖像。設計的控制電路中一是能通過光傳感器自動調(diào)整光源控制器來控制光源的亮度，使光源的亮度保持一致，二是一共有16個亮度控制區(qū)域，該區(qū)域可按任意組合一同調(diào)節(jié)，也可相互獨立調(diào)節(jié)。達到了AOI檢測系統(tǒng)對各元器件圖像采集檢測的要求。

1 檢測系統(tǒng)原理及光源設計

1.1 檢測系統(tǒng)原理

檢測系統(tǒng)是檢測PCB貼片過程中的缺陷，進行反饋后改進貼片工藝或改進過程控制來減少或消除缺陷，其基本原理如圖1所示。計算機程序控制攝像頭分區(qū)域自動掃描貼片PCB，采集圖像并對圖形進行處理，測試的圖像經(jīng)特征提取、信息表達、分類識別等軟件分析，檢查出PCB的狀況。

圖像采集模塊是系統(tǒng)實現(xiàn)對貼片PCB板的圖像進行采集，然后輸入到計算機系統(tǒng)存儲，以供顯示、傳輸和其他處理。圖像預處理是圖像處理的第一步，主要目的是消除噪聲，改進圖像的質(zhì)量，增強有用信息的可檢測性，為隨后的處理創(chuàng)造條件，常用的預處理包括去噪、灰度變換和銳化等。PCB缺陷的檢測主要是為了檢測出與其不同特征的缺陷，其中包括缺件、偏移、歪斜、翻貼、引腳翹起、側(cè)立、錯件及橋接等，對以上缺陷特征的提取是識別缺陷的基礎。缺陷分類識別主要是基于圖像匹配，構造適當?shù)姆诸惼鲗θ毕葸M行識別和分類。

1.2 光源設計原理

缺陷在不同方式照明下會出現(xiàn)不同的特征，而不同缺陷的檢測方法和采用的照明方式密切相關，設計二級光源照明系統(tǒng)可根據(jù)不同的檢測對象采用相對應的照明方式，在此相應照明方式下對檢測對象圖像進行采集能得到檢測對象的最優(yōu)質(zhì)量圖像。

1.2.1 光強傳遞函數(shù)

對于AOI系統(tǒng)，通常采用非相干的光源照明系統(tǒng)，成像系統(tǒng)可等效為圖2所示的光學模型。等效光強為

其中，i為入射角度;I0為出射光強;ρd(x，y)為表面的反射率分布;d0為光源到物體的距離;CCD為圖像接收器件，設CCD光敏元的橫向、縱向尺寸及橫向、縱向間距分別為a、b、c、d。則可得電荷的實際具體分布為

其中，t是電荷積分時間;k是比例系數(shù);d1是光學系統(tǒng)到物體人瞳的距離;S0是人瞳的面積;h(x，y)是擴展函數(shù);M是系統(tǒng)放大系數(shù)。

1.2.2 光學照明系統(tǒng)光源設計

由式(2)可得，CCD通過積分所得電量與物體到光源的距離平方成反比，與入射角余弦值和光強成正比。而對于給定的CCD，應在一定范圍內(nèi)進行曝光，若曝光量過小，物體的某些點因照度不夠被噪聲淹沒;相反，若照度過大，則將使CCD的像元因曝光量過大而造成飽和或趨近于飽和，這樣會使畫面產(chǎn)生大量失真而使測量誤差較大。因此通常將光敏面的最大照度調(diào)節(jié)為不高于最大飽和照度，由此便可充分利用元器件的動態(tài)變化范圍，所以文中研究并設計了兩級照明系統(tǒng)。元器件的焊接部分在幾種照明方式下的亮度分布如圖3所示。焊點部位在水平照明下亮度較高，而元器件的上端在垂直照明下亮度高。根據(jù)此特點設計了采用水平照明與垂直照明的入射角不同而得到不同視覺特征的水平照明與垂直照明兩種圖像。

用二級照明系統(tǒng)照射時光源亮度如圖4所示，垂直照射到與電路板平行的元器件上時大部分光線反射被到CCD中，而照射到電極部位的光線反射到其他方向消散。垂直投射的光線到達焊接部位，則大部分光線不會反射到攝像機一側(cè)，則是向其他方向反射消散。

2 各種照明模式的設計及應用范圍

不同缺陷的檢測與采用的照明方式密切相關，眾多缺陷在照明角度的不同會出現(xiàn)特征，根據(jù)這些不同的特征，從而綜合判斷是否為缺陷，因此缺陷檢測的研究需要與照明方式一同進行。所以在對元器件不同部位不同缺陷進行檢測時，需根據(jù)照明下得到的不同特征采取相應不同的照明方式。文中根據(jù)不同部位的缺陷檢測設計了相應不同的照明模式，如表1所示。

2.1 水平照明

在水平照射方式下形成的低亮度與高亮度范圍如下：(1)低亮度范圍。IC元器件的導線端、導線側(cè)翼、焊盤、元器件的電極、電路板等。(2)高亮度范圍。大傾斜角度導線的彎曲部分、焊點等。

根據(jù)照射亮度范圍的不同，水平照明方式主要用于在IC或在其導線中，檢測冷焊、漏焊或在SOIC、QFP檢查橋接時采用。圖5是在水平照明方式下得到的典型效果圖。

2.2 垂直照明

在垂直照明方式下主要形成低、高兩種亮度范圍：(1)低亮度范圍。大傾斜角度導線的彎曲部分、焊點等。(2)高亮度范圍。IC元器件的導線端、導線側(cè)翼、焊盤、元器件的電極和電路板等。

因此，根據(jù)照射亮度范圍的不同，垂直照明方式主要用于檢查元器件的導線端和普通芯片。垂直照明方式下的典型效果圖像，如圖6所示。

2.3 垂直-水平照明

因元器件件身、文字和絲印標志的漫反射使得在垂直照明方式下檢測的效果并不理想，故可采用垂直-水平照明方式來改善檢測效果。垂直圖像減去水平圖像的典型效果圖，如圖7所示。

2.4 水平-垂直照明

通常使用水平照明方式，主要是用于檢測SOIC、QFP的橋接，或IC導線部位和芯片的漏焊、冷焊、錯焊等。當元器件件身、文字和白色絲印標志等高亮度部位使用水平照明方式不理想時，可選擇采用“水平-垂直”照明。水平減去垂直圖像的典型效果，如圖8所示。

2.5 水平+垂直照明

水平+垂直照明是將在水平照明方式與垂直照明方式下所得到的亮度值合二為一，使得到的圖像整體亮度較高，且較為平滑。

因貼片表面不平整平滑而在垂直照明或水平照明下顯得只有局部較亮的情況下，可選取使用這種水平+垂直照明方式。另外，在垂直照明下排列阻抗和芯阻抗的電極部位獲得的圖像局部較暗，若采取水平+垂直照明方式，獲得的電極部位圖像則相對清晰，一般用于尋找電極正確的位置。圖9為水平圖像加垂直圖像的典型圖。

3 光源照明模式的驅(qū)動控制電路設計

現(xiàn)有的自動光學檢測光源中通常只能統(tǒng)一調(diào)整照明亮度，而無法隨自然光的變化自動調(diào)節(jié)光強。為達到統(tǒng)一的圖像效果只能由人工調(diào)整光源亮度，且由于人工調(diào)整的不及時或調(diào)整不到位造成圖像不一致，導致后續(xù)圖像處理難度增加。另外，當要突出產(chǎn)品的缺陷部分或待測產(chǎn)品需要突出檢測的重要部分時，需多次移動高精度的X-Y平臺，調(diào)整待測產(chǎn)品與光學鏡頭的位置關系，影響了檢測的精確度，降低了檢測效率。

文中設計的光源控制電路中，一是通過光傳感器自動調(diào)整光源控制器來控制光源的亮度，使其光源亮度可保持一致;二是一共有16個亮度控制區(qū)域，該區(qū)域可按任意組合一同調(diào)節(jié)，也可相互獨立地調(diào)節(jié)，其控制是通過串口通信完成的?？刂破骺赏ㄟ^控制16個控制區(qū)域的亮度突出待測產(chǎn)品的缺陷部分或重要部分，以提高檢測精度及檢測效率。

圖10為控制電路組成框圖，電路由4部分組成，電路部分1為電源穩(wěn)壓電路，作用是給整個電路系統(tǒng)提供穩(wěn)定的5 V電源;電路部分2為控制器電路，是控制器的基本工作系統(tǒng)電路，作用是為控制電路部分3工作;電路部分3為LED驅(qū)動電路，其是主要創(chuàng)新部分，作用是根據(jù)電路部分2，控制器電路的控制信號來驅(qū)動LED照明;電路部分4為串口通信電路，作用是提供TTL電平信號和RS-232協(xié)議電平信號的相互轉(zhuǎn)換，使控制器電路能接受RS-232協(xié)議的串口通信連接。

電路部分2控制器電路引出16根PWM信號線連接電路部分3，PWM信號由控制電路的程序控制。當需改變某照明區(qū)域時，可通過串口通信向CPU發(fā)送特定格式的命令來完成，CPU會按照輸入的指令來改變對應端口PWM波的占空比，以達到控制對應照明區(qū)域亮度的目的。

電路部分3是LED驅(qū)動電路，為16路PWM的DAC轉(zhuǎn)換電路，輸入的PWM方波通過非門取反后，得到正反相兩個PWM方波信號，再分別經(jīng)過一個傳導邏輯門，得到兩個對出電氣特性相同的正反相PWM方波信號。隨后經(jīng)電容耦合將交流成分大幅抵消掉，并最終經(jīng)由小功率三極管9014和中功率三極管2DS882組成的達林頓管作電壓跟隨放大后，驅(qū)動各照明區(qū)域的LED。

圖11為圖10電路中LED驅(qū)動電路部分的一路電路圖，圖12為圖11所示電路的交流等效圖。INPUT端輸入的PWM方波通過非門取反后，得到兩個PWM方波信號，這兩個PWM方波信號分別經(jīng)一個傳導門，得到兩個電氣特性相同的正反相PWM方波信號，然后經(jīng)過電容耦合將交流成分較大程度地抵消掉，得到較穩(wěn)定的直流信號從OUTPUT端輸出，并最終經(jīng)由小功率三極管9014和中功率三極管2DS882組成的達林頓管作電壓跟隨放大之后，驅(qū)動發(fā)光二極管組件。

下面通過對圖12進行分析來確定電路中電阻電容的選擇：采用的PWM波為占空比可調(diào)方波。在設計PWM的低通網(wǎng)絡時，PWM方波具有一個特征，即方波可被視為模擬信號，也可被視為數(shù)字信號，而數(shù)字信號由于操作相比模擬信號更易實現(xiàn)，即“倒相”。根據(jù)傅立葉變換理論，周期信號可被視為由若干個正弦信號和一個直流分量組成，這若干個正弦信號構成該信號的交流成分，要實現(xiàn)PWM的ADC轉(zhuǎn)換，就需將這些正弦信號去除。數(shù)字取反后的方波，分解出的正弦信號與取反前分解出的正弦信號成鏡像關系，對于正弦信號而言等效于180°的相移，也就是數(shù)字取反后的方波其分解出的所有正弦信號分量的變化等效于發(fā)生了180°的相移，其大小不變。這說明數(shù)字取反后，方波的頻譜發(fā)生了180°的相移，若數(shù)字取反前后的方波相疊加，則在頻域和時域上均可看出，結(jié)果將為0。

圖12只考慮交流電壓成分，U2為非門A輸出電壓的交流成分，U1為邏輯門B輸出電壓的交流成分。U3為“OUTPUT端”的交流成分，U4為分析時的一個過度量。

對圖12進行分析，U2為U1的倒相信號，為了便于推導，設U2的幅值為U1的A倍，則

該電路對低頻信號的削弱作用將不會減弱。同樣是一階RC濾波電路，該電路對低頻信號的削弱作用則比沒有抵消作用強。

但由于該網(wǎng)絡接上非線性元件邏輯門后，邏輯門引入的阻抗會使抵消作用過渡成一階濾波作用，為減弱邏輯門接入帶來的影響，此時需將圖中R1、R2、C1、C3增大，使兩個邏輯門輸出的信號少流入對方，從而維持式(11)。

由以上分析可知，在選擇器件時需保證C1=C3，R1=R2，并使其值盡量大。

為驗證可調(diào)光源的控制效果，對二級光源系統(tǒng)進行了測試，分別在下午5點、6點和8點測試外界亮度和光源系統(tǒng)亮度，文中僅取其中的2塊測試結(jié)果，如表2所示。模塊1和模塊12的亮度均可隨著外界亮度的變化進行自動調(diào)節(jié)，而當外界亮度低于某一值時，光源系統(tǒng)亮度達到最大值，外界亮度再繼續(xù)降低，光源系統(tǒng)亮度仍保持不變。

4 結(jié)束語

本文在分析較常用的硬件設備原理、性能的基礎上，根據(jù)照明原理和光強傳遞函數(shù)，設計了二級光源照明系統(tǒng)。在系統(tǒng)中根據(jù)不同的缺陷檢測對象而分別建立了相對應的5種照明模式，并在相對應的各種照明模式下對檢測對象的圖像進行采集，可得到最優(yōu)圖像質(zhì)量，從而滿足系統(tǒng)中各種元器件的采集圖像要求。此外還著重討論設計了采用二級光源系統(tǒng)及光源的控制電路，對于不同的缺陷可采用不同的照明方式，光源亮度可根據(jù)外部光亮的強弱自動調(diào)節(jié)，以滿足系統(tǒng)檢測要求。設計的控制電路中：(1)可通過光傳感器自動調(diào)整光源控制器來控制光源的亮度，使光源的亮度保持一致;(2)共有16個亮度控制區(qū)域，該區(qū)域可按任意組合一同調(diào)節(jié)，也可相互獨立進行調(diào)節(jié)?？刂破骺赏ㄟ^控制16個控制區(qū)域的亮度突出待測產(chǎn)品的缺陷部分或重要部分，以提高其的檢測精度及檢測效率。自適應選擇照明模式將成為下一步研究工作的重點。