AOI檢測系統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(huì )出現不同的缺陷特征，根據不同缺陷的檢測方法和采用的照明方式密切相關(guān)的特點(diǎn)，設計了光源二級照明系統及控制電路。此系統可隨著(zhù)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)境中調節光源的亮度，又可單獨調節需要重點(diǎn)突出某一缺陷部分的區域，達到了AOI檢測系統對各種元件圖像采集檢測的要求。

PCB貼片安裝缺陷自動(dòng)光學(xué)檢測系統，是集計算機視覺(jué)、圖像處理、數控精確定位和自動(dòng)控制技術(shù)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(xué)鏡頭、CCD和計算機等。因受缺陷檢測系統中CCD視野大小的限制，系統在檢測時(shí)必須移動(dòng)貼片的PCB板或攝像機進(jìn)行多次采集圖像，因此需設計運動(dòng)控制模塊，以實(shí)現移動(dòng)平臺及PCB板傳輸的精確控制。缺陷在不同方式照明下會(huì )出現不同的特征，不同缺陷的檢測方法和采用的光源照明方式密切相關(guān)，因此要設計能根據檢測對象采用相應照明方式的光源系統，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，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(guò)光傳感器自動(dòng)調整光源控制器來(lái)控制光源的亮度，使光源的亮度保持一致，二是一共有16個(gè)亮度控制區域，該區域可按任意組合一同調節，也可相互獨立調節。達到了AOI檢測系統對各元器件圖像采集檢測的要求。

1 檢測系統原理及光源設計

1.1 檢測系統原理

檢測系統是檢測PCB貼片過(guò)程中的缺陷，進(jìn)行反饋后改進(jìn)貼片工藝或改進(jìn)過(guò)程控制來(lái)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域自動(dòng)掃描貼片PCB，采集圖像并對圖形進(jìn)行處理，測試的圖像經(jīng)特征提取、信息表達、分類(lèi)識別等軟件分析，檢查出PCB的狀況。

圖像采集模塊是系統實(shí)現對貼片PCB板的圖像進(jìn)行采集，然后輸入到計算機系統存儲，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(jìn)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(lèi)識別主要是基于圖像匹配，構造適當的分類(lèi)器對缺陷進(jìn)行識別和分類(lèi)。

1.2 光源設計原理

缺陷在不同方式照明下會(huì )出現不同的特征，而不同缺陷的檢測方法和采用的照明方式密切相關(guān)，設計二級光源照明系統可根據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(jìn)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

對于A(yíng)OI系統，通常采用非相干的光源照明系統，成像系統可等效為圖2所示的光學(xué)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(shí)際具體分布為

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

1.2.2 光學(xué)照明系統光源設計

由式(2)可得，CCD通過(guò)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，應在一定范圍內進(jìn)行曝光，若曝光量過(guò)小，物體的某些點(diǎn)因照度不夠被噪聲淹沒(méi);相反，若照度過(guò)大，則將使CCD的像元因曝光量過(guò)大而造成飽和或趨近于飽和，這樣會(huì )使畫(huà)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節為不高于最大飽和照度，由此便可充分利用元器件的動(dòng)態(tài)變化范圍，所以文中研究并設計了兩級照明系統。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(diǎn)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。根據此特點(diǎn)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(jué)特征的水平照明與垂直照明兩種圖像。

用二級照明系統照射時(shí)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(shí)大部分光線(xiàn)反射被到CCD中，而照射到電極部位的光線(xiàn)反射到其他方向消散。垂直投射的光線(xiàn)到達焊接部位，則大部分光線(xiàn)不會(huì )反射到攝像機一側，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(guān)，眾多缺陷在照明角度的不同會(huì )出現特征，根據這些不同的特征，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(jìn)行。所以在對元器件不同部位不同缺陷進(jìn)行檢測時(shí)，需根據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(xiàn)端、導線(xiàn)側翼、焊盤(pán)、元器件的電極、電路板等。(2)高亮度范圍。大傾斜角度導線(xiàn)的彎曲部分、焊點(diǎn)等。

根據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(xiàn)中，檢測冷焊、漏焊或在SOIC、QFP檢查橋接時(shí)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(xiàn)的彎曲部分、焊點(diǎn)等。(2)高亮度范圍。IC元器件的導線(xiàn)端、導線(xiàn)側翼、焊盤(pán)、元器件的電極和電路板等。

因此，根據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(xiàn)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(lái)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(xiàn)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(shí)，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 光源照明模式的驅動(dòng)控制電路設計

現有的自動(dòng)光學(xué)檢測光源中通常只能統一調整照明亮度，而無(wú)法隨自然光的變化自動(dòng)調節光強。為達到統一的圖像效果只能由人工調整光源亮度，且由于人工調整的不及時(shí)或調整不到位造成圖像不一致，導致后續圖像處理難度增加。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(shí)，需多次移動(dòng)高精度的X-Y平臺，調整待測產(chǎn)品與光學(xué)鏡頭的位置關(guān)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(guò)光傳感器自動(dòng)調整光源控制器來(lái)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(gè)亮度控制區域，該區域可按任意組合一同調節，也可相互獨立地調節，其控制是通過(guò)串口通信完成的?？刂破骺赏ㄟ^(guò)控制16個(gè)控制區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為電源穩壓電路，作用是給整個(gè)電路系統提供穩定的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電路，作用是為控制電路部分3工作;電路部分3為L(cháng)ED驅動(dòng)電路，其是主要創(chuàng )新部分，作用是根據電路部分2，控制器電路的控制信號來(lái)驅動(dòng)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(xiàn)連接電路部分3，PWM信號由控制電路的程序控制。當需改變某照明區域時(shí)，可通過(guò)串口通信向CPU發(fā)送特定格式的命令來(lái)完成，CPU會(huì )按照輸入的指令來(lái)改變對應端口PWM波的占空比，以達到控制對應照明區域亮度的目的。

電路部分3是LED驅動(dòng)電路，為16路PWM的DAC轉換電路，輸入的PWM方波通過(guò)非門(mén)取反后，得到正反相兩個(gè)PWM方波信號，再分別經(jīng)過(guò)一個(gè)傳導邏輯門(mén)，得到兩個(gè)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，驅動(dòng)各照明區域的LED。

圖11為圖10電路中LED驅動(dòng)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(guò)非門(mén)取反后，得到兩個(gè)PWM方波信號，這兩個(gè)PWM方波信號分別經(jīng)一個(gè)傳導門(mén)，得到兩個(gè)電氣特性相同的正反相PWM方波信號，然后經(jīng)過(guò)電容耦合將交流成分較大程度地抵消掉，得到較穩定的直流信號從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，驅動(dòng)發(fā)光二極管組件。

下面通過(guò)對圖12進(jìn)行分析來(lái)確定電路中電阻電容的選擇：采用的PWM波為占空比可調方波。在設計PWM的低通網(wǎng)絡(luò )時(shí)，PWM方波具有一個(gè)特征，即方波可被視為模擬信號，也可被視為數字信號，而數字信號由于操作相比模擬信號更易實(shí)現，即“倒相”。根據傅立葉變換理論，周期信號可被視為由若干個(gè)正弦信號和一個(gè)直流分量組成，這若干個(gè)正弦信號構成該信號的交流成分，要實(shí)現PWM的ADC轉換，就需將這些正弦信號去除。數字取反后的方波，分解出的正弦信號與取反前分解出的正弦信號成鏡像關(guān)系，對于正弦信號而言等效于180°的相移，也就是數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(shuō)明數字取反后，方波的頻譜發(fā)生了180°的相移，若數字取反前后的方波相疊加，則在頻域和時(shí)域上均可看出，結果將為0。

圖12只考慮交流電壓成分，U2為非門(mén)A輸出電壓的交流成分，U1為邏輯門(mén)B輸出電壓的交流成分。U3為“OUTPUT端”的交流成分，U4為分析時(shí)的一個(gè)過(guò)度量。

對圖12進(jìn)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(huì )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(méi)有抵消作用強。

但由于該網(wǎng)絡(luò )接上非線(xiàn)性元件邏輯門(mén)后，邏輯門(mén)引入的阻抗會(huì )使抵消作用過(guò)渡成一階濾波作用，為減弱邏輯門(mén)接入帶來(lái)的影響，此時(shí)需將圖中R1、R2、C1、C3增大，使兩個(gè)邏輯門(mén)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(shí)需保證C1=C3，R1=R2，并使其值盡量大。

為驗證可調光源的控制效果，對二級光源系統進(jìn)行了測試，分別在下午5點(diǎn)、6點(diǎn)和8點(diǎn)測試外界亮度和光源系統亮度，文中僅取其中的2塊測試結果，如表2所示。模塊1和模塊12的亮度均可隨著(zhù)外界亮度的變化進(jìn)行自動(dòng)調節，而當外界亮度低于某一值時(shí)，光源系統亮度達到最大值，外界亮度再繼續降低，光源系統亮度仍保持不變。

4 結束語(yǔ)

本文在分析較常用的硬件設備原理、性能的基礎上，根據照明原理和光強傳遞函數，設計了二級光源照明系統。在系統中根據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(jìn)行采集，可得到最優(yōu)圖像質(zhì)量，從而滿(mǎn)足系統中各種元器件的采集圖像要求。此外還著(zhù)重討論設計了采用二級光源系統及光源的控制電路，對于不同的缺陷可采用不同的照明方式，光源亮度可根據外部光亮的強弱自動(dòng)調節，以滿(mǎn)足系統檢測要求。設計的控制電路中：(1)可通過(guò)光傳感器自動(dòng)調整光源控制器來(lái)控制光源的亮度，使光源的亮度保持一致;(2)共有16個(gè)亮度控制區域，該區域可按任意組合一同調節，也可相互獨立進(jìn)行調節?？刂破骺赏ㄟ^(guò)控制16個(gè)控制區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(diǎn)。