基于LED技术在自动光学检测AOI系统的研究应用

浙江工贸职业技术学院 陈 功 缪阿海

随着电子工业的日益发达，不论是消费性电子产品或是需要高精确度的电子计算机均需以优良的印刷电路板为基础。自动光学检测是在批量生产中采用的一种在线检测方法，AOI检测系统是将PCB板上的器件或者特征比如焊点捕捉成像并且通过软件处理，判断这一器件或者特征是否完好，然后得出检测结果判断诸如元件缺失、极性反转、焊接锡桥或者焊点质量问题等。随着高密度PCB电路布线和高产量的要求，PCB板的检测最早采用人工目测方式，人工目测方式不能满足可靠性的要求。自动光学AOI的检测技术不仅能检查人工目测无法查出的缺陷外，还可以检测到在线测试针床无法接触到的元器件和焊接点，提高缺陷覆盖率。自动光学AOI的检测技术还能把生产过程中各工序的工作质量以及出现缺陷的类型等情况收集并反馈回来，供工艺控制人员分析和管理降低印刷电路板废品率。自动光学AOI的检测技术是一个日益广泛的应用领域，在PCB板领域、半导体、陶瓷基片印刷线路、太阳能以及烟草、布匹、纸张、汽车制造等很多生产领域都发挥作用。自动光学AOI的检测技术已经日益为自动化检测取代人工在很多方面起着越来越大的推动作用。从AOI系统中的多光源照明系统出发，重点研究AOI系统中LED照明光源与驱动电源的设计，避开传统设计的一些弊端，简化设计的过程节约成本提高效率。

1.自动光学检测AOI系统

自动光学检测AOI系统主要有多光源照明系统、高速数字摄像机摄像系统、高速精密机械控制系统和PC机图形处理系统组成。自动光学检测AOI系统框图如图1所示。

图1 自动光学检测AOI系统框图

(1)多光源照明系统

在AOI检测系统中，好的光源和照明方案往往是整个系统成败的关键，起着非常重要的作用，它不是简单的照亮物体而已。光源与照明方案的配合应尽可能地突出物体特征量，在物体需要检测的部分考虑光源与光学镜头的相对位置、物体表面的纹理，物体的几何形状、背景等要素。光源的必须符合所需要的几何形状、照明亮度、均匀度、发光的光谱特性等，同时还要考虑光源的发光效率和使用寿命。

表1 各种光源对比

(2)高速精密机械控制系统

在对每一块PCB板进行检测时，AOI系统的工作台都要自动运动到摄像头位置，进行图像摄取动作。因此要实现工作台的精密准确运行，才能完成正确的检测过程。

(3)高速数字摄像机摄像系统

在AOI的CCD摄像系统中，主要解决两大难题：一是CCD摄像系统的集成，包括图像摄取、数据传输、图像处理技术；二是算法，主要涉及到元件识别、图像处理速度等问题。CCD摄像系统可以通过人机界面与数据库系统、控制系统和标定系统交换信息，通过人迹界面可以触发视觉系统，进行图像实时采集、关闭采集、读入图像、显示图像等功能。人机界面发送作业命令时，由CCD摄像系统实现自动扫描。

(4)PC机图形处理系统

AOI系统软件要有强大的安全保护和平稳的数据库、网络支持等特性。软件的核心有运动控制、视觉处理及算法三大部分组成，用户通过视窗界面完成各种运动控制、视觉识别；软件支持工艺数据编程，真正实现了工艺编程的所见所得特性；同时软件支持多种方式的作业模拟与仿真，使操作人员在批量作业前验证和测试作业数据，避免出现漏检和误检。

多光源照明技术、高速数字摄像机摄像系统、高速精密机械控制系统和PC机图形处理系统相互结合，使得PCB的光学检测水平得到极大提高。

多光源照明系统位于检测系统的前端，其性能直接影响着采集图像的质量和后续的图像算法处理。在自动光学检测的实际应用中，光源并不仅仅是为照亮物体而设计的，光源和照明方案的好坏往往直接影响着图像的成像质量，间接决定了整个系统的成败。在对物体的检测过程中，光源起着决定性的作用。常见光源有：白炽灯、卤钨灯、荧光灯、钠灯、金属卤化物灯、氙灯、LED光源，激光等详细参数见表1所示。不同的光学检测系统的照明设计总是不一样的，这是因为影响照明方案的因素非常多。例如光的强度、颜色、均匀性、光源的结构、大小、照明方式以及被测物体的光学特性、距离、物体大小、背景特性等。

从性价比来考虑，白炽灯光源AOI是一般企业较佳选择，如果参数编辑恰当，假缺陷误报会大幅度降度，漏检率也很低。目前最明显的发展趋势是采用发光二极管(LED)光源，选用高亮度LED作为光源，使用寿命长60000-100000小时，光的单色性好，便于提高测量精度，安装空间较小，可以根据对照明光强的实际需要方便地增加和减少LED数目。由于LED光源是采用多颗LED排列而成，可以设计成复杂的结构，实现不同的光源照射角度，有多种颜色可选，包括红、绿、蓝、白，还有红外、紫外。至于冷光源，是一种近几年发展起来的新型照明光源，用光导纤维传光束（简称光缆）将其发出的光束传至照明的地方。它的输出的可见光具有基本上无热量、高强度、无阴影、无震动、多级可调光等优点，针对不同检测物体的表面特征和材质，选用不同颜色，也就是不同波长的光源，达到理想效果。LED光源的最大优点是发光效率高、响应速度快、体积小、发热小、功耗低、发光稳定、寿命长、易于组成不同形状的光源等等。在照明技术中光源的特性是最重要的。

光源控制器由于LED是特性敏感的半导体器件，又具有负温度特性，因而在应用过程中需要对其进行稳定工作状态和保护，从而产生了驱动的概念。LED作为驱动电路的负载，经常需要几十个甚至上百个组合在一起构成发光组件，选用什么样的LED驱动器，LED作为负载采用什么样的连接方式，直接关系到其可靠性和寿命。LED器件对驱动电源的要求近乎于苛刻，LED不像普通的白炽灯泡，可以直接连接220V的交流市电。LED是2～3.5伏的低电压驱动，必须要设计复杂的变换电路，不同用途的LED灯，要配备不同的电源驱动器。LED灯的发光强度是由流过LED的电流决定的，电流过中会引起LED的衰减，电流过弱会影响LED的发光强度，因此LED驱动需要提供恒流电源，以保证LED使用的安全性，还需要满足预期的亮度要求，并保证各个LED亮度、色度的一致性。所以传统上用于驱动灯泡（钨丝）、日光灯、节能灯、钠灯等光源并不适合直接驱动LED。LED驱动器即供电电路涉及及电源本身效率，电源本身效率低就无法体现节能效果，提高驱动效率也是充分体现半导体照明优越性的关键。同时，LED大规模应用时，常常因为电源寿命不匹配、可靠性不足等问题影响LED产品的可靠性。要充分发挥LED灯的潜能，照明驱动电源是关键的支撑因素之一。国际市场上国外客户对LED驱动电源的效率转换、有效功率、恒流精度、电源寿命、电磁兼容、异常保护的要求都非常高，设计一款好的电源必须要综合考虑这些因数，因为电源的作用就好比像人的心脏一样重要，必须要有个好的芯片作为保障，否则就是个华而不实的空壳。

2.光源设计涉及到的重要因素

光源设计涉及到的重要因素有：

(1)光谱特征是由单一的或者多种成分的光谱组成的。光的颜色取决于光源所产生的光的类型，以及覆盖在光源或摄像机镜头上的光学滤色镜。光源的颜色及测量物体表面的颜色决定了反射到摄像头的光能的大小及波长。分析多种颜色特征来选择光源的时候，色温是一个比较重要的因素。在实际的应用中，要考虑到颜色的因数。光的三原色：红、绿、蓝；色彩三原色：青、紫、黄。世界上所有颜色都是由三原色按不同比例组合而成如图2所示。

(2)对比度：对比度对光学检测来说非常重要。对比度定义为在关键特征与其周围的区域之间有足够的灰度量区别。光学检测中照明的最重要任务就是使需要被观察的特征与需要被忽略的图像特征之间产生最大的对比度，从而易于特征的区分。好的照明应该能够保证需要检测的特征突出于其他背景。

(3)亮度：当选择两种光源的时候，最佳的选择是更亮的那个。光源不够亮时，可能有三种不好的情况出现：第一、相机的信噪比不够，由于光源的亮度不够，图像的对比度必然不够，在图像上出现噪声的可能性也随即增大；第二、光源的亮度不够，必然要加大光圈，从而减小了景深；第三、当光源的亮度不够时，自然光等随机光对系统的影响会最大。

图2 三原色按不同比例组合图

(4)均匀性：在自动光学检测中，几乎要求均匀的光照。因为所有的光源随着距离的增加和照射角度的偏离，其照射强度减小，所以在对大面积物体照明时会带来较大的问题。

(5)效率：有些光源效率很高，相对于能量的消耗，其散发出更加多的光能，例如荧光灯。而钨灯，产生相当多的热量，能量消耗也很大。一般，光源的温度越高，其寿命就会缩短，其消耗的能量就相对较高。

3.总结

许多光源需要在自动光学检测AOI系统的使用过程中更换。如果光源很昂贵，在使用过程中可能会增大后期费用。光源控制器采用100-220V交流电压供电，LED光源提供持续稳定的电压，采用高速光耦隔离设计，既实现安全隔离防止了控制器与其他电路系统之间的相互干扰又可以满足高于高速数字摄像机的快门。自动光学检测AOI系统中应用的LED的发光等级或亮度通常与正向电流的大小正比，为满足不同的输入电压、输入电流及不同的LED数量的要求，通过控制光源控制器除了可驱动白光LED外也可驱动蓝光LED或者其它颜色的LED光源的要求。自动光学检测AOI系统的控制光源控制器可以实现为光源提供照明强度的无级调节和灯光颜色的改变。外触发灵活，高低平可选，适应不同的外部传感器。无触发时光源常亮；体积小，操作简单。自动光学检测AOI系统通过LED的电流不应该超过设备规定的额定电流，否则可能造成永久伤害。

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